¿Calcular los efectos de los ventiladores de refrigeración en un sistema?

Question

Si tengo un receptor de audio doméstico que consume una cantidad determinada de energía (digamos 200W), y su refrigeración pasiva alcanza un diferencial de temperatura de 50F sobre el ambiente, ¿cómo puedo calcular cuánto más frío debe funcionar dado un flujo de aire modesto como 10CFM?

Answer 1

No hay una forma fácil de calcularlo. La forma "real" es generar un modelo CAD tridimensional del sistema, con fuentes de calor precisas, y simularlo. Ese campo concreto se llama "Dinámica de Fluidos Computacional".

Hay muchas cosas que hay que tener en cuenta, como la turbulencia del aire, el color de los componentes, el tipo de aleación utilizada para el disipador de calor y, por supuesto, el flujo de aire real.

El software que realiza esta modelización es caro. Al menos 10.000 dólares. Para la persona promedio es más fácil simplemente probar el ventilador y ver qué pasa. Consigue unos buenos termopares o al menos un termómetro IR sin contacto.

Answer 2

He aquí un par de consejos:

1) Los CFM y la velocidad del aire son proporcionales... a medida que el aire que pasa por un canal de un determinado volumen pasa más rápido, los CFM también relacionarán ese cambio (IE: el aire que se mueve más rápido mueve más aire a través del mismo volumen en el mismo tiempo) Dicho esto, la eficacia de un sistema para eliminar el calor es otra escuela en sí misma (como se señaló anteriormente, la termodinámica de los fluidos).

2) la eficiencia de un sistema para eliminar el calor no debería cambiar drásticamente con los cambios en la tasa de flujo de aire (pero la cantidad de calor que se elimina debe) en un mundo ideal, pero la turbulencia y la formación de bolsas aislantes pueden crear resultados algo impredecibles en ciertas tasas de flujo. (IE: si la eficiencia cae dramáticamente a 12,5 CFM, pero es más alta por encima y por debajo de 12,5 CFM... entonces sólo trate de evitar ese número y debería estar bien).

3) Dado que la eficiencia del sistema debería permanecer relativamente constante, un poco de experimentación puede enseñarle mucho sobre la capacidad de ese sistema específico para eliminar el calor. El calor específico del aire seco puro es de unos 1005,4 kj/(kg * grado C) ftp://ftp1.esrl.noaa.gov/users/cfairall/wcrp_wgsf/flux_handbook/Constants_functions_ELA_05.pdf lo que significa que se necesita alrededor de un megajulio de energía para elevar la temperatura de un kg de aire en un grado centígrado, aproximadamente a temperatura ambiente y con una presión barométrica estándar. El volumen de un kg de aire es de unos 0,8562 metros cúbicos, o unos 30,25 pies cúbicos. Usted eligió 10 CFM, que es aproximadamente un tercio de un kg de aire por minuto. La forma más fácil de averiguar lo que está ocurriendo es medir la temperatura del aire que entra y sale y la velocidad del flujo. Tendrías que determinar experimentalmente algunas cifras por tu cuenta, pero después podrías predecir (hasta cierto punto) el cambio de temperatura que se produce con un caudal determinado.
Por ejemplo: Si tiene un caudal de 10 CFM, la temperatura de entrada es de 25 grados Celsius (aproximadamente la temperatura ambiente), y la temperatura de salida es de 43 grados Celsius (aproximadamente 110 Fahrenheit); entonces ha aumentado la temperatura en 18 grados Celsius, y ha agotado (en el transcurso de un minuto) unos 6012 kJ, (ya que 1 vatio por un segundo = 1 julio) y gasta calor a un ritmo de unos 100,2 vatios. Esto no parece muy realista, dado que el sistema es sólo de 200 vatios. Así que parece razonablemente seguro asumir que el cambio que se debe esperar de un flujo de 10 CFM debe ser menos de 18 grados centígrados (o aproximadamente 60 grados F)
Hay que tener en cuenta muchos factores, dices que el sistema funciona a "50 grados por encima del ambiente", ¿eso significa que los disipadores de calor del sistema están a 50 grados por encima del ambiente, o que el aire del interior está a 50 grados por encima del ambiente? El calor específico de la mayoría de los metales ligeros es bastante bajo (que es parte de lo que los hace buenos en la transmisión de calor) por lo que se leerá mucho más caliente que las cosas a su alrededor. También es importante tener en cuenta que la "temperatura" es una medida de la intensidad del calor... no de la cantidad de calor. En los sistemas eléctricos de refrigeración, generalmente la cantidad de calor es más importante (es decir, si este sistema de refrigeración puede disipar adecuadamente X vatios de calor).

En la revisión, si tuvieras todos los números, serías capaz de calcular tu respuesta para el sistema dado. Medir su eficiencia (específicamente la energía en vatios que se pierde debido al calor) y comprender la relación entre la cantidad de calor presente y la energía en vatios que corresponde a esos cambios de calor te ayudará a tener una mejor idea de cuánto calor se está acumulando y, por lo tanto, cuánto podrías esperar que baje la temperatura con cualquier tasa de flujo dada.

Answer 3

Otra cosa que hay que tener en cuenta: el circuito está diseñado para ser óptimo a una temperatura determinada. Enfriarlo puede empeorar el rendimiento. No soy un experto en audio, pero he construido kits de amplificadores de audio con BJT que no funcionan correctamente hasta que se calientan.