Parametri importanti per un funzionamento ottimale delle ventole in c.c.

Le ventole in c.c. sono un elemento chiave delle soluzioni per la gestione termica, visto il loro compito di eliminare il calore da un'applicazione attraverso un efficace raffreddamento ad aria forzata. Sebbene siano componenti noti e facilmente riconoscibili, le ventole in c.c. richiedono comunque una certa dose di familiarità con i principi fondamentali della ventilazione e altri parametri essenziali perché la ventola selezionata sia ottimizzata in base alle necessità del sistema. Per contribuire a una maggior comprensione, questo articolo tratterà dei calcoli relativi alla portata e alla pressione dell'aria, mettendoli in relazione con la curva operativa della ventola, l'impatto della progettazione a più ventole e altro ancora.

Una panoramica dei parametri della ventilazione

Prima di selezionare una ventola, è importante avere familiarità con alcuni parametri relativi alla portata d'aria e al trasferimento di calore. La ventilazione forzata assorbe calore da un oggetto e lo trasferisce altrove per la dissipazione; la quantità di energia trasferita dipende dalla massa, dal calore specifico e dal cambiamento di temperatura dell'aria forzata.

La massa d'aria forzata viene calcolata in base al volume e alla densità dell'aria spostata.

Inserendo la seconda equazione nella prima si mette in relazione l'energia dissipata con il volume dell'aria.

Il passo successivo consiste nel dividere entrambi i lati per il tempo, generando l'equazione sottostante:

In generale, la potenza in eccesso è nota e la portata d'aria (volume/tempo) non è nota, perciò l'equazione può essere riformulata nel modo seguente:

Più spesso, questa equazione viene scritta nel modo seguente:

Dove
Q = portata d'aria
q = calore da dissipare
ρ = densità dell'aria
Cp = calore specifico dell'aria
ΔT = l'aumento di temperatura dell'aria dovuto all'assorbimento del calore da dissipare
k = valore costante, che dipende dalle unità utilizzate negli altri parametri

La densità dell'aria secca a livello del mare a 20°°C è di 1,20°kg/m3, mentre il calore specifico dell'aria secca è di 1 kJ/kg °C. Inserendo questi valori si semplifica l'equazione precedente che diventa:

dove
Qf = portata d'aria in piedi cubi per minuto (CFM)
Qm = portata d'aria in metri cubi per minuto (CMM)
q = calore da dissipare in watt
ΔTF = l'aumento di temperatura dell'aria dovuto all'assorbimento del calore da dissipare in °F
ΔTC = l'aumento di temperatura dell'aria dovuto all'assorbimento del calore da dissipare in °C.

Requisiti per la pressione dell'aria

Mentre le equazioni precedenti restituiscono il valore della portata d'aria per ottenere un raffreddamento sufficiente, è anche necessario calcolare la pressione generata dalla ventola. Il percorso del flusso d'aria attraverso un sistema crea una resistenza, perciò le ventole devono essere in grado di produrre una pressione sufficiente a forzare il volume d'aria specificato attraverso il sistema per raggiungere il raffreddamento richiesto. Tuttavia, ciascun sistema ha un proprio requisito di pressione, perciò non è possibile esprimerlo semplicemente tramite equazioni come quelle relative alla portata d'aria. Per fortuna, la modellazione delle caratteristiche della pressione e della portata d'aria è ottenibile in fase di progettazione con molti prodotti CAD. Al termine della progettazione, si possono utilizzare anemometri e manometri per un'ulteriore misurazione di tali caratteristiche.

Figura 1: Modellazione della ventilazione e della pressione (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Produzione dei requisiti relativi a portata d'aria e pressione

Come evidenziato nelle sezioni precedenti, per raggiungere il raffreddamento richiesto occorre che una ventola o più ventole producano una certa portata d'aria e pressione. Le schede tecniche dei produttori forniscono i seguenti dati: portata d'aria senza contropressione, pressione massima senza portata d'aria e curva delle prestazioni della ventola per portata/pressione.

Nell'esempio che segue, è stato calcolato che un prodotto necessitasse di una portata d'aria di 10 CFM o più in base al calore che doveva essere rimosso e ai limiti di temperatura dell'aria, mentre il progetto meccanico riportava il grafico sottostante della relazione tra portata e pressione (Figura 2). La linea tratteggiata rappresenta la portata d'aria minima richiesta mentre la curva arancione denota la relazione tra portata e pressione.

Figura 2: Portata d'aria minima tracciata sulla curva portata d'aria/pressione (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Sulla base del grafico sopra riportato, è stata scelta la ventola assiale in c.c. CFM-6025V-131-167 di Same Sky, nella cui scheda tecnica vengono specificate una portata d'aria di 16 CFM senza contropressione, una pressione statica di 0,1 in H₂O senza portata d'aria e il grafico delle prestazioni sottostante (Figura 3).

Figura 3: Grafico delle prestazioni di CFM-6025V-131-167 di Same Sky (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Sovrapponendo il grafico della Figura 3 al grafico della Figura 2 si ottiene il grafico in Figura 4, che mette in luce il punto di lavoro della ventola prescelta. È importante notare che mentre il punto di lavoro di 11,5 CFM è superiore al requisito della portata d'aria di 10 CFM di questo esempio, alcune applicazioni richiedono un margine operativo termico superiore. Di conseguenza, sarà necessario scegliere una ventola con specifiche prestazionali differenti.

Figura 4: Punto di lavoro della ventola indicato dal cerchio rosso (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Progettazione e funzionamento a più ventole

Ventole più grandi o più veloci in genere offrono una portata d'aria massima e una pressione maggiori. Tuttavia, quando una singola ventola non è sufficiente, più ventole possono essere azionate in parallelo o in serie per potenziare alcuni parametri prestazionali. L'azionamento di più ventole in parallelo, ad esempio, aumenta la portata d'aria massima ma non la pressione massima, mentre l'azionamento di ventole in serie aumenta la pressione massima ma non la portata d'aria massima.

Figura 5: Funzionamento di una ventola singola a confronto con ventole in serie e in parallelo (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

La curva delle prestazioni riferite a portata d'aria/pressione per le ventole in parallelo o in serie è identica alla curva per una singola ventola, tranne che i valori della portata e della pressione debbono essere moltiplicati rispettivamente per il numero di ventole in parallelo o in serie. Questo concetto è illustrato sotto, nella Figura 6, in cui i valori della portata d'aria sono moltiplicati per il numero di ventole in parallelo.

Figura 6: Moltiplicazione della portata per il numero di ventole in una configurazione in parallelo o della pressione per il numero di ventole in una configurazione in serie. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

In generale, il funzionamento in parallelo delle ventole si presta perfettamente ad applicazioni che richiedono una portata d'aria alta e una pressione bassa, mentre il funzionamento in serie è più adatto ad applicazioni ad alta pressione e bassa portata d'aria.

Figura 7: Confronto delle prestazioni delle ventole a fronte di una resistenza alta e bassa al flusso d'aria (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Velocità della ventola e leggi di affinità

La velocità della ventola (giri/min) influisce sul volume dell'aria, la pressione atmosferica, la potenza consumata e il rumore acustico prodotto da una ventola. Queste relazioni vengono definite più in dettaglio dalle "leggi di affinità delle ventole".

• Il volume dell'aria spostato dalla ventola è proporzionale alla velocità della ventola.
  • CFM α giri/min
    • Ad esempio: 4 x giri/min dà 4 x CFM
• La pressione dell'aria dalla ventola è proporzionale al quadrato della velocità della ventola.
  • Pressione dell'aria α giri/min²
    • Ad esempio: 2 x giri/min dà 4 x pressione
• La potenza necessaria per azionare una ventola aumenta del cubo della velocità della ventola.
  • Potenza α giri/min³
    • Ad esempio: 4 x giri/min dà 64 x potenza
• Il rumore acustico prodotto da una ventola aumenterà di 15 dB quando la velocità della ventola viene raddoppiata.
  • Ad esempio: un aumento di 10 dB di rumore acustico viene generalmente percepito dall'orecchio umano come il doppio del livello di rumore.

Figura 8: Leggi di affinità delle ventole (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Conclusione

La comprensione di base dei requisiti di portata e pressione delineati in questo articolo può aiutare i progettisti nella scelta della ventola o delle ventole adatte a soddisfare le esigenze di raffreddamento ad aria forzata delle loro applicazioni. Se una singola ventola non è sufficiente a fornire i parametri calcolati di portata o pressione, una configurazione in parallelo o in serie offre ulteriori possibilità. Grazie alla vasta gamma di capacità nominali di portata e di pressione e ai diversi livelli prestazionali del portafoglio di ventole e soffianti in c.c. di Same Sky, trovare una ventola adatta non rappresenta certo un problema.