Фильтр воздуха – теория и практика


Эта работа была прислана на наш "бессрочный" конкурс статей. За цикл статей о фильтрации воздуха автор получил приз – медный кулер под Socket A.


Рассмотрим процессы, происходящие внутри системного блока не только с точки зрения его охлаждения, но и возможности организации фильтрации воздушного потока. Возьмём для рассмотрения условную схему хода воздуха изображённую на Рисунке 1.

Условно принимаем, что M1 – масса воздуха, поступающая через передний воздухозаборник. M2 – масса воздуха, поступающая через разного рода щели. M3 – масса нагретого воздуха, выбрасываемого из системного блока.

Согласно закону сохранения массы, масса всего входящего воздуха должна равняться массе всего выходящего воздуха системного блока. Закон можно трактовать следующим образом: Вещество не может исчезать бесследно и браться ниоткуда.

Введём для рассмотрения уравнение вида M1+ M2= M3

Почему рассматриваются массы, а не объём? Температура входящего воздуха ниже, чем выходящего, значит, он имеет большую плотность. Плотность вещества определяет его массу. Значит, масса одного и того же объёма холодного и горячего воздуха будет разной.

Что необходимо предпринять, чтобы в системном блоке не появлялась пыль? Ответ вполне очевиден: необходимо, чтобы воздух, поступающий внутрь, был чистым. Самое простое решение – это осуществлять фильтрацию входящего в системный блок воздуха. Фильтр может быть установлен как вне, так и внутри системного блока. Далее будем рассматривать вариант внутренней установки фильтра, хотя внешние реализации тоже имеют право на существование. Поставим фильтр на основной поток воздуха M1. Чтобы в корпусе не было пыли, весь воздух, входящий в корпус, должен проходить только через фильтр, а величина M2 (воздух через щели) должна быть равна нулю или быть отрицательной. Т.е. воздух должен не заходить, а выходить через щели и неплотности системного блока.





Уравнение, при этом, должно трансформироваться от вида M1+(-M2)= M3 к M1= M2+ M3. Схема преобразится до вида изображённого на Рисунке 2. При выполнении условия M2 >= 0 очевидно, что в корпусе пыль накапливаться не будет, т.к. весь поступающий в корпус воздух будет проходить через фильтр.

Рассмотрим варианты организации фильтров внутри корпуса. Самый простой вариант изображён на Рисунке 3. В этом случае материал фильтра стоит после вентилятора.

Этот вариант имеет свои достоинства и недостатки:

  • + простота конструкции
  • - загрязнение вентилятора – для очистки фильтра, необходима разборка корпуса.

На Рисунке 4 изображён второй вариант, когда вентилятор стоит после фильтра. Это наиболее оптимальный вариант с точки зрения здравого смысла. Стоит отметить, что большинство бытовых пылесосов работают почти по этой же схеме, когда грязный воздух сначала проходит фильтр, чтобы не загрязнять вентилятор и его двигатель.

Достоинства и недостатки этого варианта:

  • + не загрязняется вентилятор
  • + охлаждение плат расширения направленным потоком воздуха
  • - более высокая сложность изготовления (необходим корпус для самого фильтра)
  • - меньшая площадь фильтрации, при том же объёме фильтра, отсюда ещё два недостатка:
    • - нуждается в более частой чистке
    • - нужен более мощный вентилятор или даже два => более высокий уровень шума.

Самым распространённым, на данный момент, фильтром, является вариант в виде плоской прокладки перед вентилятором. Такой фильтр позволяет содержать в относительной чистоте, как сам вентилятор, так и внутренности системного блока.





Наряду с простотой конструкции и лёгкостью очистки фильтра, ему присущи недостатки. Вследствие малой площади таких фильтров (80x80=6400mm2), для создания значимого воздушного потока производителям приходится уменьшать их сопротивление потоку, увеличивая размер его ячеек. Частота очистки такого фильтра выше, чем если бы стоял фильтр большей площади.

Рассмотрим вопрос согласования вентилятора и фильтра с точки зрения теории. Работу любого вентилятора можно представить графиком, который называют характеристикой вентилятора (Fan Perfomance Curves). Характеристика представляет собой кривую, показывающую зависимость производительности вентилятора и создаваемого им давления. Ниже изображена характеристика для 3-х вентиляторов марки EC-8025xxxx (Low, Middle, High) производства Evercool.

Более подробно с вентиляторами и их работой можно познакомиться в статьях "Выбор корпусных вентиляторов" и "Ликбез по системам охлаждения. Занятие второе".

Для удобства рассмотрения рабочих характеристик вентилятора и фильтра, представим их в виде прямых. Реальная характеристика фильтра имеет нелинейный вид. График 1 наглядно показывает, что при работе вентилятора без нагрузки (вхолостую P=0) он будет выдавать свою максимальную производительность M=max. Если вентилятор полностью закрыть, то, очевидно, его производительность будет равна нулю (M=0), при этом, он будет создавать своё максимальное давление воздуха (P=max). Характеристика фильтра показывает, что при увеличении давления воздушного потока, количество воздуха, проходящего через фильтр, будет увеличиваться.

Что изменится, если к вентилятору подсоединить фильтр? Материал фильтра обеспечивает дополнительное сопротивление потоку, поэтому получим некоторую рабочую точку 1 на нашем Графике 1. При загрязнении фильтра, сопротивление потоку воздуха будет увеличиваться, а значит производительность (количество воздуха) будет уменьшаться. Получим, что наша рабочая точка в процессе эксплуатации будет неуклонно двигаться в сторону уменьшения потока воздуха и увеличения создаваемого вентилятором давления. При полностью забитом фильтре получим нулевую производительность с максимальным давлением.

Правильный подбор вентилятора и фильтра выполняется для обеспечения заданных показателей производительности в течение определённого промежутка времени. Т.е. падение производительности со значения M11 до M12 допустимо, если количество воздуха M12 является достаточным для вентиляции корпуса и выполняется условие M1= M2+ M3 для Рисунка 2. Время, затрачиваемое на переход из точки 1 в точку 2, определит периодичность очистки фильтра. Величина потока M12 условна и может быть определена косвенно по ухудшению показателей охлаждения компонентов системного блока, а так же по началу появления пыли (подсос через щели).

Что делать, если величина потока воздуха M1 в самом начале недостаточна для полноценной вентиляции корпуса? Здесь может быть несколько путей решения проблемы:

1-й Вариант: Уменьшение сопротивления фильтра. Этого можно добиться, увеличивая площадь фильтра или меняя его материал (cм. График 1).





2-й Вариант: Установка дополнительных фильтров или вентиляторов. Здесь стоит рассмотреть два подварианта:

  • 1-й - установка ещё одного независимого фильтра. При этом общий поток вырастает, как и занимаемое фильтрами место.
  • 2-й - установка дополнительного вентилятора на уже имеющийся фильтр.

Как устанавливать, последовательно или параллельно? При последовательной установке, мы увеличим создаваемое ими давление, что нам и необходимо для преодоления сопротивления фильтра. Если принять сопротивление фильтра постоянным, то введение второго вентилятора можно отобразить на Графике 2 новой кривой и переходом рабочей точки из положения 1 в положение 2.

При установке двух вентиляторов параллельно, мы увеличиваем их суммарную производительность. На графике 3 изображена новая характеристика для фильтра с двумя параллельными вентиляторами. Сравнивая Графики 2 и 3 можно сделать вывод о том, что последовательное включение вентиляторов, при наличии сопротивления, даёт больший прирост производительности фильтра.

3-й Вариант: Установка более производительного вентилятора. Более высокая производительность может быть обеспечена как большими оборотами крыльчатки, так и выбором вентилятора с крыльчаткой, лопасти которой имеют больший угол атаки. Кроме того, можно обратить свой взгляд на вентиляторы большего типоразмера, например 120-ти мм-е.

Сравнивая характеристики 80-ти м 120-ти мм-х вентиляторов, можно сделать интересный вывод о том, что давление, создаваемое 120-ти мм-и вентиляторами, практически то же, что и у 80-ти мм-х, а их основное отличие состоит в производительности. Для создания более высокого давления можно найти вентиляторы центробежного типа.

Для удобства дальнейшей работы с характеристиками, перенесём их на один график. По Графику 4 можно сделать вывод о том, что при сопоставимых параметрах (размер, шум, мощность) вентиляторов 8025M и SB-E(M), последний может создавать поток с большим давлением, при этом имея меньшую максимальную производительность.





Фильтрующий материал имеет много характеристик, одна из которых воздухопроницаемость. На этом сайте воздухопроницаемость различных фильтровальных материалов указывается при разности давлений 50Па в единицах дм32с. Эта величина показывает, какое количество воздуха будет проходить через один квадратный метр материала за одну секунду при разности давлений в 50Па. В зависимости от типа материала, она может меняться в широком диапазоне.

Произведём необходимые вычисления для выяснения производительности фильтра при разных значениях площади материала, а значит и размерах фильтра. Возьмём для расчёта материал со средней воздухопроницаемостью равной 300 дм32с. Переведём 50Па в миллиметры водяного столба (mmH2O) с помощью утилит (Uconner или Convert). В mmH2O величина составит 5,09. Переведём дм32с в CFM/m2 (кубические дюймы в минуту на один квадратный метр). В одном футе 30,48 сантиметров. Значит, в одном кубическом футе помещается 30,483=28316,85 кубических сантиметров, или 28,32 кубических дециметров (10см=1дециметр). В одной минуте 60 секунд. Получим формулу перевода величин X=Y/28,32*60=2,12*Y, где Y величина в дм32с, а X в CFM/m2. Получаем, что 300 дм32с составляют 635.59 CFM/m2.

Возьмём для рассмотрения два вида фильтров. Первый в виде квадратного куска материала, а второй в виде мешка, изображённых на Рисунке 5.

Площадь квадратного фильтра составит 80*80=6400mm2, что составляет 0,0064м2. Площадь мешка зависит от его формы. Рассмотрим идеальный вариант, когда мешок представляет собой цилиндр с дном в виде круга. Общую площадь такого мешка можно посчитать по формуле Sмешка=3,1416*D*L+(3,1416*D2)/4. С учётом того, что диаметр взятого для примера мешка равен 80мм (0,08м) формула примет вид Sмешка=3,1416*0,08*L+(3,1416*0,082)/4)=0,2513*L+0,0050(m). Посчитаем площадь нескольких фильтров для L = 10, 20 и 30 сантиметров и занесём данные в Таблицу 1. Для каждого значения площадей фильтров вычислим пропускаемый ими поток воздуха, зная, что один квадратный метр нашего материала при разности давлений 5,09 mmH2O пропускает за минуту 635,59 кубических фута воздуха.

Таблица 1.
Фильтр Плоский В виде мешка
Размеры 80x80mm L=10cm L=20cm L=30cm
Площадь, m2 0.0064 0.030 0.055 0.080
Поток воздуха, CFM 4.067 19.068 34.957 50.847

Как уже упоминалось, воздухопроницаемость материала указана для давления 5,09 mmH2O. Нанесём полученные данные для нескольких фильтров на График 5. Кривые воздушной проницаемости фильтров будем строить в виде прямых, допуская, что в первом приближении они имеют линейный вид.

Выводы, которые можно сделать по этому графику: во-первых, вполне очевидно, что имея материал и вентиляторы, можно собрать фильтр, который будет обеспечивать корпус определённым количеством воздуха. Например, для фильтра, сделанного из выбранного материала с размером мешка 20 см и вентилятором 8025M, производительность составит 10 CFM (кубических футов в минуту). Во-вторых, размер фильтра влияет на сопротивление, которое он будет оказывать потоку воздуха. Если сделать фильтр из выбранного материала в виде квадрата размером 80х80, то пропускная способность с тем же вентилятором составит примерно 2 CFM, что, конечно же, будет недостаточно для полноценной вентиляции корпуса. Отсюда следует, что при применении одних и тех же вентиляторов для повышения производительности имеет смысл максимально увеличивать площадь фильтра, тем самым повышая периодичность его очистки. В третьих, вентиляторы центробежного типа имеет смысл применять только с фильтрами большого сопротивления, в противном случае производительность такого фильтра будет меньше, чем с использованием обычного вентилятора.

Выше была рассмотрена работа фильтров без учёта сопротивления, создаваемого корпусом. Очевидно, что работа фильтра будет максимально эффективной, когда сопротивление корпуса будет минимальным. Для обеспечения этого условия имеет смысл оформлять различного рода блоухолы и устанавливать вентиляторы на выдув, не забывая, что эффективность работы такой схемы достигается только при условии прохождения через фильтры всего воздуха, поступающего в системный блок.

Перейдём от теории к практике. Первый вариант модификации компьютера был предпринят на моём первом компьютере на базе Intel Pentium 233. Сейчас он работает сервером небольшой локальной сети.

Была выбрана схема изображённая на Рисунке 3. Было перепробовано несколько комбинаций материалов и вентиляторов (вплоть до 220-ти вольтовых). В конечном счёте, самым эффективным вариантом оказался вариант с двумя обычными 80-ти мм. вентиляторами и мешком из лавсанового полотна впечатляющих размеров. Как было выяснено позднее, производительности одного вентилятора на 80 мм вполне хватает для продувки мешка, вдвое меньшей площади.

В передней стенке компьютера, включая панель, соосно были прорезаны два отверстия под 80-ти мм-й вентилятор. Из куска "ДСП" было выпилено кольцо толщиной 20мм с внешним и внутренним диаметрами 78 и 111 мм соответственно. Оба вентилятора крепились к передней стенке компьютера через кольцо с помощью шпилек с резьбой, на которые с двух сторон накручивались гайки.

Мешок из полотна фиксировался на кольце с помощью автомобильного хомутика. Вентилятор блока питания был включен через сопротивление, для того, чтобы его производительность была меньше производительности фильтра. Т.к. данный вариант подразумевал активное загрязнение вентиляторов фильтра, их подшипники скольжения были заменены на подшипники качения, для увеличения ресурса работы вентиляторов.

Последние два года компьютер работает практически без выключений. Если сделать фотографию внутренностей поближе, то вы там пыли не увидите, даже на вентиляторе процессора. Хотите верьте, хотите нет, но он перед фотографированием не пылесосился.

Как можно увидеть, материал фильтров приобрёл серый цвет, особенно хорошо это видно в сравнении с новым фильтром.

За 4 года эксплуатации мешок вытряхивался только два раза. Первый раз примерно год или полтора назад, а последний раз после получения этих фотографий. На фотографии ниже, показано содержимое мешка. Пыли немало, но место для неё, ещё есть.

Если мешок вывернуть наизнанку, то там даже можно найти некоторую живность. Вот вам ещё один плюс такой системы :-)

С появлением компьютера на базе Athlon 900 появилась возможность продолжить эксперименты. На этот раз за основу была взята схема Рисунка 4. Отличительной особенностью этого варианта была установка вентилятора после материала фильтра. После недолгих экспериментов с программой AutoCAD была получена 3-х мерная графическая модель фильтра.

По задумке, воздух с пылью должен был засасываться в фильтр снаружи, а затем выбрасываться вентиляторами внутрь корпуса. В отличие от модели, материал фильтра для увеличения площади было решено выполнить в виде 3-х кратно вложенного конуса. Ниже показан такой фильтр в разрезе.

Чтобы поток воздуха, проходящего через фильтр, был хорошим, пришлось на каждый конус ставить по 2 вентилятора. Для уменьшения шума, создаваемого взаимным влиянием двух вентиляторов, они были разделены кольцом, выпиленным из ДСП. В реальном воплощении было принято решение поставить два таких фильтра. В верхней части корпуса создавался поток для охлаждения 5.25" устройств. В нижней части получался направленный поток для плат расширения. Кожухи фильтров были выполнены из цветочных горшков, которые притягивались к корпусу скобками, при этом зажимая материал фильтра.

У этого варианта реализации было выявлено два существенных недостатка:

  1. Конусы усиливали шум вентиляторов, по принципу работы рупора. Система была достаточно эффективной, но очень шумной.
  2. Процесс снятия и установки фильтров был крайне неудобен.

Склоняюсь к выводу, что это были не недостатки предложенной схемы, а скорее результаты неудачного варианта её реализации. В итоге, я вернулся к варианту, изображённому на Рисунке 3 и описанному в статье "Мод моего компа – воздушный фильтр".

В этом варианте воздух поступает в корпус практически тем же путём, с той лишь разницей, что сначала проходит вентиляторы. Воздух из корпуса выбрасывается из блока питания, мобилреков и самодельного воздухоотвода на процессоре. Из достоинств этой схемы стоит отметить её простоту и лёгкость доступа к фильтрам. Из недостатков: тёплый воздух, выходящий через заднюю стенку, частично засасывается снова в верхний задний фильтр. В нижней части не создаётся направленного потока на платы расширения, включая видеокарту. Для корпуса подруги была изготовлена более утончённая система, т.к. места было немного. Процесс изготовления системы описан в статье "Мод для подруги на тему фильтрации воздуха".

Эффективность работы всех вышеописанных фильтров определялась очень просто. Спустя некоторое время работы открывался системный блок и производилась его ревизия на предмет возникновения пыли. Даже её небольшого количества хватало для вывода, что схема работает не так, как надо. После этого в систему вносились необходимые изменения и процесс определения эффективности работы повторялся. При этом должное внимание уделялось тепловому режиму системного блока, ведь никому не нужен пусть даже стерильный, но сгоревший или глючащий компьютер.

Этими словами заканчиваю свою трилогию статей по фильтрации. Надеюсь, эти статьи будут полезны начинающим экспериментаторам в этой области.

С уважением, DustKiller


Ждём Ваших комментариев в специально созданной ветке конференции.

Telegram-канал @overclockers_news - это удобный способ следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.
Страницы материала
Страница 1 из 0
Оценитe материал
рейтинг: 4.3 из 5
голосов: 57


Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают