Трилогия охлаждения. Вентиляторы. Давление, расход.

26 июля 2004, понедельник 09:49

Эта работа была прислана на наш "бессрочный" конкурс статей и является второй из трёх задуманных. Первая – Гибкий туннель для синхронных вентиляторов. За эту работу автор получил приз – медный кулер под Socket A.


Известно, что эффективность охлаждения зависит от многих факторов. В их числе и такго, как расход охлаждающего вещества, – воздух, вода и д.р. Чем больше его пройдёт через охлаждаемое тело, тем оно больше унесёт тепла. Продвинутые пользователи это не только знают, но и всевозможными методами стремятся поток увеличить. Именно по этому пункту возникает больше всего вопросов и недоразумений, – то получается недостаточно хорошее охлаждение, то много шума... Точнее, вопрос поставлен так: можно ли применять в охлаждении большие вентиляторы (насосы) взамен маленьких и чего от этого ждать? Об этом и пойдёт речь. Для того чтобы ответить, кроме теоретических обоснований, потребовался и ряд практических опытов.

ТЕОРИЯ, кратко.

Итак: Расход – количество вещества, прошедшее через данное сечение в единицу времени.

Имеется труба с определённым внутренним сечением F1, в которую подаётся газ или жидкость со стабильным давлением p1. В трубу установлено сужающее устройство с сечением F0. Характер потока и распределение статического давления в этом случае, будет таким:

Давление протекающей среды больше в тех сечениях потока, где меньше её скорость, и наоборот, в сечениях с большей скоростью, давление меньше. (Закон, открытый петербургским академиком Д а н и и л о м Б е р н у л л и).

На первый взгляд может показаться странным, что при прохождении узких участков трубы сжатие не увеличивается, а уменьшается. Тем не менее, этому факту объяснение есть. Какое количество газа или жидкости в трубу вошло, такое же и должно выйти. А как может пройти равный объём вещества через разные сечения? Только увеличением его скорости. При этом увеличивается и кинетическая энергия, что вызывает уменьшение потенциальной энергии потока в суженом сечении. Соответственно статическое давление в суженом сечении будет меньше, чем до сужающего устройства.





Таким образом, здесь всё ясно, – чем меньше площадь сечения устройства, тем меньше давление в этом сечении. Но это не всё, – если труба снова принимает прежний диаметр, давление за сужающим устройством полностью не восстанавливается!

Потерю давления среды Pn, протекающей через устройство, определяют как разность статических давлений, измеряемых в двух сечениях, в которых как до, так и после устройства, нет его влияния на характер потока. Величина потери давления зависит от модуля (m) сужающего устройства, т.е. отношения его площади к полному сечению трубы.

m = F0 / F1

Где: F0 – площадь отверстия сужающего устройства.
  F1 – площадь сечения трубы.

Таким образом, чтобы не было потерь потока, не должно быть и сужений, во всяком случае, существенных. Опыт использования устройств конической формы в промышленности показал, что потеря давления сравнительно небольшая, если выходной диаметр конуса составляет не менее 0.75 D трубы.

Наконец упрощённое уравнение расхода (Q), в котором не учитывается ни плотность, ни сжимаемость среды, ни шероховатость стенок и т.п., выглядит так:

Q = F0 x √ P

Попросту говоря, чтобы увеличить расход вдвое, нужно либо в два раза увеличить площадь сечения, либо в четыре раза увеличить давление!

Насколько это всё действенно по отношению к реальной организации охлаждения компьютеров и предстояло выяснить практически, ибо есть у авиаконструкторов старая шутка - "Согласно законам аэродинамики, шмель, имеет такой размер тела по отношению к площади крыльев, что летать не должен. Но шмель этого не знает и поэтому летает!"

Тестирование различных вентиляторов началось со стендовых испытаний.

СТЕНДОВОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЯТОРОВ.





Тестирование проходили вентиляторы практически всех типоразмеров – от 60x60 до 120x120 мм. Вентиляторы 80x80 мм. оказались в несколько расширенном выборе. Поскольку их всё чаще используют для охлаждения, то и в испытаниях принимало участие несколько моделей. По возможности вентиляторы подбирались достаточно мощные в своём классе.

Обычно, на каждый вентилятор, фирмы изготовители указывают величину расхода воздуха (CFM) и очень редко величину развиваемого ими максимального давления при нулевом расходе. Иначе говоря, давления, нагнетаемого в герметичный объём. Для замера этого параметра использовался стенд со специальной камерой, с отбором для измерения статического давления. Для стыковки с камерой различных вентиляторов были изготовлены все необходимые переходники, которые плотно облегали перешеек камеры. (Эти же переходники впоследствии использовались для установки и тестирования непосредственно на радиаторах)

Имеющиеся немногие данные, (например вентилятора Thermaltake ТТ-8025TU) удивительно точно совпали с полученными результатами, – отклонение составляло не более ± 2%.

Кроме этого, было решено практически пронаблюдать зависимость расхода воздуха от величины сужения. Для этого использовалась динамическая труба с промышленной измерительной дифференциальной трубкой Пито. На снимке изображён момент сборки и подготовки (измерительная трубка не установлена). Выбран был самый большой 120x120 вентилятор. В динамическую трубу, в имеющееся разборное соединение, поочерёдно устанавливались диафрагмы с отверстиями различных диаметров. Картина продувки в динамической трубе выглядела несколько иначе, чем теоретически стабильный поток, хотя в целом никаких неожиданностей не было.

Единственное отличие, – при уменьшении диаметра отверстия, в промежутке трубы до сужения, начинало возрастать давление от нагнетающего вентилятора. (Как выяснилось, это довольно важно, и к этому мы ещё вернёмся). В конечном опыте оно увеличивалось настолько, что воздух устремлялся уже обратно, через вращающиеся лопасти вентилятора. Зато после сужающей диафрагмы отмечалось неуклонное падение потока.

ТЕСТИРОВАНИЕ НА СИСТЕМНОМ БЛОКЕ.

Испытания температурной зависимости от типа вентиляторов проводилось в одном системном блоке, с использованием двух различных радиаторов:





ARCTIC – радиатор полностью медный. К основанию припаяны тонкие, расположенные радиально от центра рёбра. Радиатор рассчитан на установку вентилятора размером 60x60 мм.

VOLCANO 9 – радиатор цельно-алюминиевый с медным диском, запрессованным в основание. Сечение радиатора соответствует вентилятору 80x80 мм.

  • Процессор Athlon XP 1700+ "Palomino"
  • Корпус DLC M-8112, БП 300 вт.

Боковая крышка на время тестирования снята. Для удаления тёплого воздуха от локальной тепловой зоны, два задних, корпусных вентилятора (80x80) работали постоянно (~3000 rpm) Температура окружающей среды оставалась равной +23'С.

Замена вентиляторов на каждом из радиаторов производилась на ходу, без отключения компьютера и без снятия нагрузки с процессора. Так температура стабилизировалась гораздо быстрее. Испытания без нагрузки CPU не проводились. Все полученные результаты всех тестов в сводной таблице:

КОММЕНТАРИЙ.

Серия испытаний на двух различных радиаторах дала разные результаты по температурам, но со схожими закономерностями и позволила получить ответ на поставленную задачу.

Безусловно, сужающий переходник вызывает снижение номинального расхода большого вентилятора, но практические данные в этом плане дали более оптимистичные результаты, чем можно было ожидать. Вышеописанные испытания на динамическом стенде в достаточной степени это поясняют – происходит повышение входного давления перед сужением и этим потери в немалой степени компенсируются.





Снижение же давления в самой узкой части устройства, оказалось малокритично. Это подтверждается тем, что все вентиляторы типоразмером 80x80, при определённом разбросе между собой предельного статического давления, держат практически одинаковую температуру данного радиатора. По-видимому, аэродинамическое сопротивление радиаторов в целом не столь велико, чтобы в полной мере востребовать этот параметр.

Но всё это до определённого предела, – входное давление не может повышаться бесконечно. Если относительное сужение переходника будет значительным, то потери после него будут совершенно неприемлемыми. На графике отчётливо видно, что радиатор "Volcano 9", имеющий большее сечение, чем "Arctic", меньше зависим от размеров и даёт практически одинаковые результаты с использованием 92 и 120 мм вентиляторов. Радиатор же "Arctic" с вентилятором 120 мм. вообще не согласуется, и даёт температуру выше "родного" (60x60) на +2'С!

Таким образом, выводы можно сделать вполне определённые:

  • Замена скоростных вентиляторов небольшого диаметра на вентиляторы большего размера с меньшей скоростью, но большей производительностью даже при наличии сужений, вполне обоснована. Результатом может быть снижение шума и в какой-то мере температуры.
  • Использование больших вентиляторов (особенно 120x120) со значительными сужениями, приводит к неоправданным потерям.

На практике, основываясь на полученных данных, можно с уверенностью сказать, что относительное сужение может составлять:

m = 0.42 ( F0 60*60 / F1 92*92 ) или 0.65D ( D 60 / D92 )

При дальнейшем уменьшении коэффициентов, потери не оправдываются.

Здесь учтено, что вентиляторы, являющиеся по сути короткой трубой, имеют величину проходного сечения зависимую от его внутреннего диаметра. Так вентилятор с корпусом 60x60 имеет диаметр 57 мм. и площадь сечения 2550 мм.кв. Самыми оптимальными вариантами для замены являются вентиляторы типоразмеров 80x80x25 и 92x92x25 мм. Естественно, для каждого из них и радиатор должен более-менее соответствовать по минимальному сечению и удобству установки. Ещё одна характеристика, на том же графике, отображает зависимость температуры CPU от скорости вращения вентиляторов.

Полученные данные показывают, что повышение оборотов не всегда приводит к ожидаемому результату. Причина опять же в том, что расход имеет квадратичную зависимость и таким образом возрастает с повышением оборотов (давления) не так быстро, как бы хотелось. Кроме того, не менее веская причина кроется и в том, что при снижении температуры рёбер радиатора до определённой величины, уменьшается и перепад температур между ними и охлаждающим воздухом.

ВЕНТИЛЯТОРЫ. Кратко о впечатлениях от вентиляторов, прошедших тесты.

  • TITAN 120x120x25 и Thermaltake 80x80x25 при своей максимальной производительности, которая в полной мере может быть и не востребована, слишком шумные. Однако большой вентилятор может оказаться очень полезным для водяной системы охлаждения. В случае выносного радиатора большой площади, сопряжение много проще.
  • От 60x60x20 и 70x70x15, ничего другого и не ожидалось, – при умеренной производительности, шум тоже изрядный.
  • Разочарование принёс EVERCOOL 80x80x25 в красивом, дорогом корпусе из алюминия. При невысоком уровне шума, других привлекательных характеристик не имеет.
  • Некоторый интерес вызвал вентилятор GlacialTech 80x80x15. При тестировании на стендах выяснилось, что его одиннадцать лопастей относительно хорошо держат поток на средних и особенно на низких оборотах (1800 - 2500 об.мин.). Так как явление обратимо, то по всей видимости не зря ветряные колёса в местностях со слабым ветром имеют многолопастную конструкцию (Не путать с конструкцией газовых турбин, там скорости вращения идут на десятки тысяч при совершенно иной геометрии лопаток). На скорости вращения 3000 об.мин. и выше он уступает обычным семилопастным. Шум же имеет несколько выше обычных аналогов.
  • Хорошее отношение производительность/шум у вентилятора 92x92x25 мм. Кроме того, в случае необходимости, имея запас по статическому давлению, допускает снижение скорости вращения, с сохранением приличного расхода.
  • Заслуживает внимания и недорогой FAN D80BH-12.(имеются модификации на 2000, 2500, 3000 об.мин.) Его слегка заострённые широкие лопасти оказались самыми тихими.

Именно с ним попутно проводились небольшие опыты по изучению формирования потоков.

Вентилятор без корпуса.

Во всех боковых стенках корпуса вентилятора D80BH-12 вырезались (полотном по металлу или лобзиком и немного дрелью) большие окна. По сути, стенки ликвидировались совсем, оставались только узкие стойки для крепежей. Его испытания на стенде и тестирование на кулере никаких изменений давления или температуры не выявили. Однако оказалось, что такой вентилятор шумит меньше, по сравнению с обычным. Совсем ненамного, но при поочерёдном включении точно такого же, но целого вентилятора, на слух это улавливается.

Очень интересная картина наблюдалась при прокрутке этого вентилятора в задымлённом воздухе с подсветкой плоским лучом света. К сожалению, на неподвижном снимке динамика струй дыма почти не передалась. Кроме того, трудно увидеть полную картину, так как изображено схематично, под одним ракурсом. Некоторые направления потоков видны только под определённым углом сечения.

Оказалось, что потоки воздуха втягиваются не только "сверху", но и со всех боков, и даже чуть с нижних внешних кромок! И только чуть отступив от кромки в сторону центра, образуется вращающийся поток, направленный вниз.

Эти свойства с успехом используются в известном кулере Zalman CNPS 7000.

Понятно теперь, почему он относительно тихий и как там формируются потоки?! Ламинарный поток проходит верхние, редкие рёбра, набирает давление-скорость и мощной струёй продувается через частые ребра у основания кулера.

Те же испытания в задымленной атмосфере показали, что аэродинамическая тень от средней части крыльчатки во вращающемся потоке незначительна, и следовательно серьёзного влияния на поток в целом оказать не может. Здесь может крыться ошибочное представление об эффективности удлиняющей насадки, поднимающей вентилятор над радиатором. Было сделано одно наблюдение.

Открытая стенка системного блока вовсе не залог хорошего охлаждения. Такой факт выявился на текущих испытаниях. Казалось бы, что может быть лучше свободного доступа воздуха к процессору? Однако стоило только отключить вытяжные вентиляторы, температура процессора немедленно поднималась на несколько градусов! Объяснение тому простое, – воздух, выбрасываемый кулером, скапливается тёплым облаком в верхней части корпуса и медленно перетекает через кромку наружу. Естественно, при этом кулер успевает его часть захватить обратно. Насадка уменьшает эту возможность, т.к. вентилятор выноситься из зоны повышенной температуры.

Если вентилятор работает на вытяжку, то насадка может своей нижней частью образовать своего рода кожух для радиатора. Степень прикрытия верхних частей рёбер (приблизительно на 45-50%) подбирается экспериментально, по минимальной полученной температуре процессора, после чего насадка надёжно фиксируется.

Однако процессор не единственный элемент, нуждающийся в охлаждении. При открытом корпусе, работа вытяжных вентиляторов никак не сказывается на продувке жёсткого диска. Внешний датчик, укреплённый на корпусе HDD ("Barracuda" 40Gb, 7200) выдал температуру +50.4 градуса! Внутри нагрев вполне может быть ещё выше. Эта тихая "рыба" явно любит свежий воздух. При закрытом корпусе её температура составляет не более +30,5'С, без всякого дополнительного охлаждения.

О совмещении двух вентиляторов, и что это даёт?

Чтобы точно ответить, снова понадобились небольшие эксперименты. На статический стенд устанавливалась пара сдвоенных вентиляторов. Сразу же отмечалось заметное увеличение давления, но не сколько ожидалось. Теоретически давления ступеней должны складываться. При опыте было замечено, что обороты нижнего вентилятора при этом резко увеличивались. Здесь причина и крылась, он работал в закрученном потоке от первого вентилятора, как бы наполовину вхолостую.

Собственно такое построение напоминает схему двухступенчатого осевого компрессора авиационного двигателя. Однако там, между вращающихся колёс с лопастями, установлены стабилизаторы, по сути представляющие собой неподвижные лопатки с определённым углом поворота и тормозящие вращение потока.

Опыт был несколько изменён. Вентиляторы стыковались между собой не вплотную, а соединением, образующим между ними промежуток три сантиметра. Внутри него имелись неподвижные пластины, (оказалось достаточно всего одной перегородки на всю ширину соединения), стабилизирующие поток. Повторные испытания показали, учитывая потери, что давление увеличилось почти вдвое!

При этом, однако, проверка на динамическом стенде показала, что объём потока не изменился. Здесь всё правильно, – если нет сопротивления, не будет и разницы. Собственно, зачем может понадобиться увеличение запаса по давлению (или разряжению), если предыдущие опыты показали, что вполне достаточно одного вентилятора? Да, но если речь идёт только о продувке радиатора. Другое дело если используются различного рода воздуховоды.

В конструировании всегда считалось хорошим тоном совмещение в каком-либо устройстве различных функций. Почему, например, довольно мощному кулеру, помимо продувки радиатора, не выполнять роль вытяжного вентилятора при перевёрнутой установке, а корпусному на задней стенке, – не охлаждать кулер? Тогда потоку преодолевать сложившееся сопротивление радиатора, нормально закрытого корпуса, самого воздуховода, – значительно труднее. Кстати, можно заметить, что если вентиляторы устанавливаются на противоположных концах длинного изогнутого воздуховода, стабилизатор потока не обязателен. Вращение гасится его же сопротивлением.

Ещё о совмещении. Если в системном блоке на передней стенке установлен дополнительный приточный вентилятор, то почему бы ему в первую очередь не дуть на что-то нуждающееся, HDD например? Такое расположение предусматривают некоторые корпуса, либо можно самостоятельно установить винчестер в поток, используя любые крепления, вплоть до детского конструктора. Хороший эффект может дать простейший воздуховод от переднего вентилятора к видеокарте. При этом не обязательно его крепить или делать вплотную к кулеру последней. Может оказаться вполне достаточно прямой струи прохладного воздуха.

Тут кстати можно заметить, что воздуховоды или переходники по направлению потока, могут быть не только сужающимися или равномерными, но и расширяющимися. Если диаметр вентилятора не позволяет продувать всю необходимую площадь, к примеру, радиаторы водяного охлаждения, то лучшее решение будет сделать короткий кожух-переходник. Срабатывает эффект сопла динамического расширения, идущий явно в пользу вентилятора с недостаточным диаметром, делая его поток более равномерным. Это гораздо эффективнее и эстетичнее, чем вентилятор, примотанный изолентой, и где часть площади радиатора не обдувается вообще.

Примером реального применения может служить промышленный теплообменник, изображённый на снимке.

Воздух под давлением подаётся по толстой трубе в направлении, указанном стрелкой. По тонким трубам циркулирует вода. Другой случай: кожух на радиаторе некоторых автомобилей, автобус ПАЗ к примеру. Вентилятор расположен спереди по ходу движения.

Конструкций различного вида воздуховодов и переходников-соединителей в данной статье не приводится, - на сайте Overclockers их можно найти предостаточно.

ОХЛАЖДЕНИЕ ВОДОЙ. Немного о помпах.

Количество типов и моделей таковых, достаточно велико.

Однако при выборе насоса для циркуляции воды в системе охлаждения компьютера, определённые характеристики следует учитывать особо. Обычно важнейшим из параметров называют его производительность, т.е. количество воды в литрах, перекачиваемых за час. К примеру, помпа MAGIC – JET FILTER модели MAGI – 200 имеет характеристики: расход - Q max = 200 l /h. Давление (водяного столба) - H max = 0.5 m.

Возможно, такой насос может перекачать 200 литров воды за час с места на место в аквариуме без какого-либо сопротивления, но это вовсе не значит, что он способен поднять за час указанный объём на высоту 0.5 метра. Давление развиваемое насосом, попросту уравновешивается противодавлением водяного столба. Будь столб хоть на миллиметр выше, вода не потечёт вообще.

Кстати, некоторые модели имеют поясняющие квадратичные графики, изображённые прямо на упаковке.

На практике конечно, вода не просто поднимается, но и течёт по обратной трубке, что компенсирует потерю давления. Однако возникает другая проблема. Проходя по различным трубкам, переходникам, ватерблокам, разветвителям, вода преодолевает определённое сопротивление. Поэтому, заявленного расхода может не быть даже близко. Какой же он в таком случае в реальности?

Провести измерение можно и без счётчика воды. Для этого достаточно водой, прошедшей через систему охлаждения, по обратной трубке заполнить любую мерную емкость (пластиковую бутылку, к примеру) и засечь время, сколько это займёт. Если, например, ёмкость 1.5 л. заполнится за 1 мин. 48 сек., то расход будет равен ~ 50 литров в час.

Конечно, расходная ёмкость должна при этом пополняться, а наполняемая находиться на том же с ней уровне. Компьютер, разумеется, в целом включать не нужно. Вообще-то подобным методом (мерной ёмкости) в настоящей метрологии непосредственно поверяются все счётчики расхода воды.

Если по каким-то причинам расход оказывается недостаточным, а изменение конструкции в целях снижения сопротивления неприемлемо, то выход только в увеличении давления на нагнетании. Иногда для этого устанавливаются последовательно две помпы, но это усложняет конструкцию со всеми вытекающими последствиями. К тому же в этом случае складывается не их производительность, а давление. Гораздо лучший вариант увеличить давление, – установить один, более мощный насос. В отличие от вентилятора, особое увеличение шума в этом случае не грозит.

Следует учесть, однако следующее: Допустим, решено заменить вышеупомянутый насос MAGI – 200 H max = 0,5 m. , Q max = 200 l /h., на более мощный, – LefeTech AP180FC H max. = 1,3 m., Q max, = 900 l /h. Необходимо отметить сразу, что его производительность в реальной системе не будет в (900 : 200) 4.5 раза больше первого! Используя реальные данные и применив для расчёта преобразованную формулу из теоретической части, [Q = F0 x√ p] выясняем, что применительно к данному контуру такая замена даст расход:

Q помпы2 = (Q помпы1 : √H помпы1) x √H помпы2 ( 50 литров : √ 0,5 ) x √ 1,3 = 80.2 литра.

Причём расчётные данные точно подтвердились в ходе практических экспериментов. Таким образом, при покупке насоса следует обращать внимание не столько на его производительность в литрах, (она в любом случае обещается больше реально необходимой) сколько на развиваемое им давление!

ОТ АВТОРА.

Все опыты и подготовка к ним заняли очень много времени, но помогли узнать много интересного. Очень буду рад, если кому-то из пользователей полученные данные окажутся полезными. В настоящее же время проведены работы:

  • как снизить переходное сопротивление радиатор (теплосъёмник) – процессор;
  • как сделать ватерблок без станка или синтетической клейки-сварки.

Данные в процессе подготовки.

При работе над статьёй использовались следующие материалы и оборудование:

  • В.П.Преображенский "Теплотехнические измерения и приборы" 3-е изд. 1978г.
  • Источник питания постоянного тока Б5-48.
  • Вольтметр В7-38.
  • Электрический датчик давления и перепада давления GC-2233 класса точности ±1,0%.
  • Образцовый микроманометр МКВ-2500 класса точности ±0,02% (для настройки вышеуказанного датчика).
  • Использован один снимок c известного сайта Zalman, остальные авторские.

УСПЕХОВ ВСЕМ! CONTINENTAL


Ждём Ваших комментариев в специально созданной ветке конференции.

Страницы материала
Страница 1 из 0
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают