Как измерить скорость потока воздуха

Как измерить скорость потока воздуха

Для измерения скорости воздушного потока, как правило, используются три типа приборов, отличающихся диапазонами измерений и рабочей температурой:

Трубки Пито

Скорость воздушного потока определяется динамическим и статическим давлением. Трубки Пито имеют прочную конструкцию, надежны, изготовлены из нержавеющей стали или никелированной латуни. Они подсоединяются к приборам ALMEMO ® с помощью силиконовой трубки и модуля дифференциального давления.

Преимущества:
Трубки Пито просты в обращении и особенно подходят для измерения высоких скоростей потока, в условиях экстремальных нагрузок и высоких температур (до 600°C в зависимости от модели).

Недостатки:
Результаты измерений трубкой Пито зависят от температуры, от точности ориентации прибора в потоке, имеют ограниченную точность (не работают при низких скоростях потока), чувствительны к турбулентным потокам.

Крыльчатые датчики потока

Скорость воздушного потока определяется по измерениям частоты вращения крыльчатки. Данные приборы являются чувствительными датчиками с точно подогнанными алмазными подшипниками, что обеспечивает высокую точность измерений.

Преимущества:
Высокая точность измерений, нечувствительны к турбулентным потокам.

Недостатки:
Чувствительны к механическим повреждениям, строго направленные.

Термоанемометры

Термоанемометры – это высокочувствительные датчики для определения температуры и скорости газового потока. Принцип измерения: нагретый чувствительный элемент охлаждается потоком воздуха. При этом ток в цепи управления пропорционален скорости потока.

Преимущества:
Возможны измерения при самых малых скоростях воздушных потоков (т.е. измерение тяги), возможность измерять скорость потока в разных направлениях.

Недостатки:
Чувствительны к механическим повреждениям и загрязнениям окружающей среды, чувствительны к турбулентным потокам, высокое потребление тока, ограничения по температуре окружающей среды.

Поправочные коэффициенты для точных измерений скорости воздушных потоков

Истинная скорость воздуха зависит от температуры воздуха и от барометрического давления воздуха. Для получения точного результата, измеренные значения умножают на коэффициенты поправок, представленные в таблице.

Пример:
Измеренная скорость воздуха 50 м/сек., температура воздуха +80°C, атмосферное давление 960 мбар.
Измеренную величину необходимо умножить на коэффициент 1.123. Истинная скорость воздуха составит 56.1 м/сек..

Скорость воздуха для выбранных значений динамического давления
(Трубка Пито/Прандтля, T = 22°C)

Другие материалы:

Оптическое излучение охватывает диапазон длин волн от 100 нм до 1 нм спектра электромагнитного излучения. Следует учитывать, что в отношении пределов спектрального диапазона, нет четкого разделения, которое обязательно только для определенных.

Источник

Приборы для измерения скорости в воздуховоде

Система вентиляции — очень сложная система, которая состоит из многих функциональных составляющих, от воздуховодов до вентиляционных агрегатов. Учитывая то, что для правильной работы такой системы берут во внимание множество показателей, выполнение любого более-менее серьезного проекта системы вентиляции и кондиционирования не обойдется без применения измерительных приборов. А измерение скорости в воздуховодах играет одну из важнейших ролей, для правильного функционирования системы.

Зачем измеряют скорость воздуха

Для систем вентиляции и кондиционирования одним из важнейших факторов является состояние подаваемого воздуха. То есть, его характеристики.

К основным параметрам воздушного потока относятся:

В СНиПах и ГОСТах описаны нормированные показатели для каждого из параметров. В зависимости от проекта величина этих показателей может изменятся в рамках допустимых норм.

Например, для гражданских зданий рекомендуемая скорость движения воздуха по магистральным каналам вентиляции лежит в пределах 5-6 м/с. Правильно выполненный аэродинамический расчет решит задачу подачи воздуха с необходимой скоростью.

Но для того чтобы постоянно соблюдать этот режим скорости, нужно время от времени контролировать скорость перемещения воздуха. Почему? Через некоторое время воздуховоды, каналы вентиляции загрязняются, оборудование может давать сбои, соединения воздуховодов разгерметизируются. Так же, измерения необходимо проводить при плановых проверках, чистках, ремонтах, в общем, при обслуживании вентиляции. Помимо этого, измеряют также скорость движения дымовых газов и др.

Каким прибором измеряют скорость движения воздуха

Все устройства такого типа компактны и несложны в использовании, хотя и тут есть свои тонкости.

Прибор для измерения скорости воздуха называется анемометром

Приборы для измерения скорости воздуха:

Крыльчатые анемометры одни из самых простых по конструкции устройств. Скорость потока определяется скоростью вращения крыльчатки прибора.

Температурные анемометры имеют датчик температуры. В нагретом состоянии он помещается в воздуховод и по мере его остывания определяют скорость воздушного потока.

Ультразвуковыми анемометрами в основном измеряют скорость ветра. Они работают по принципу определения разницы частоты звука в выбранных контрольных точках воздушного потока.

Анемометры с трубкой Пито оснащены специальной трубкой малого диаметра. Ее помещают в середину воздуховода, тем самым измеряя разницу полного и статического давления. Это одни из самых популярных устройств для измерения воздуха в воздуховоде, но при этом у них есть недостаток — невозможность использования, при высокой концентрации пыли.

Дифманометры могут измерять не только скорость, а и расход воздуха. В комплекте из трубкой Пито, этим устройством можно измерять потоки воздуха до 100 м/с.

Балометры наиболее эффективны при измерениях скорости воздуха на выходе из вентиляционных решеток и диффузоров. Они имеют раструб, который захватывает весь воздух, выходящий из вент-решетки, тем самым сводя погрешность измерения к минимуму.

Особенности измерений скорости воздуха

Существуют некоторые нюансы работы с анемометрами разных видов. Как уже упоминалось, анемометры с трубкой Пито нельзя использовать при высоких концентрациях твердых частичек, иначе трубка быстро засоряется, а прибор выходит из строя. Термоанемометры не работают в условиях измерения высоких скоростей воздушного потока — свыше 20 м/с. При измерения скорости в нагретых воздушных потоках (например в газоходах) рекомендуется использовать трубку не из пластика, а из нержавеющей стали.

Как проводят измерения

Измерения скорости воздуха можно проводить в воздуховодах, на выходе из воздуховодов, в вентиляционных решетках или диффузорах.

Когда измерение скорости проводят непосредственно в воздуховоде, то место измерения должно находится после прохождения потока через фильтры. На воздуховоде следует найти специальное отверстие, которое предназначено для контрольно-измерительных операций (такие отверстия часто закрывают питометражной заглушкой). Также можно использовать очистной лючок.

При произведении замеров трубкой Пито, ее вставляют в воздуховод, направляя против потока воздуха.

Заключение

С помощью современных приборов для измерения скорости воздуха можно точно и быстро определить характеристики воздушного потока с минимальной погрешностью, что позволит легко произвести техническое обслуживание системы вентиляции.

Источник

Экспериментальное определение скорости воздуха в кулерах и вентиляторах

Потребляемая энергия и мощность в современных компьютерах растут все быстрее. Соответственно увеличивается и количество тепла, выделяемого рабочими элементами ПК. Скоро его уже будет достаточно, чтобы и курицу пожарить. Хотя тепловыделение на один диод у современных компьютеров значительно меньше, чем у ЭВМ 60-70 годов, количество их непрерывно растет. Период, когда ничего не надо было специально охлаждать, быстро закончился. Теперь наступил этап принудительного охлаждения узлов компьютера. Путь усовершенствования систем охлаждения и повышения их эффективности прошли многие быстроразвивающиеся отрасли, например, авиация. И здесь уже без исследования аэродинамики охлаждающих потоков обойтись нельзя.

Как известно, тепловой поток, отбираемый от охлаждающей поверхности, описывается формулой Ньютона:

Температура охлаждаемой поверхности в нашем случае напрямую связана с температурой кристалла, которая является строго ограниченной величиной для обеспечения нормальной устойчивой работы компьютера. Вообще говоря, все равно, что охлаждать — корпуса процессоров, жестких дисков и т. п. — меняется лишь величина теплового потока и предельно допустимая температура узла. Схема же охлаждения остается по сути дела одинаковой.

Самый простой способ решения данной задачи — это уменьшение температуры воздуха внутри корпуса компьютера. Естественно, что далеко не каждый имеет дома кондиционер. Да и понижение температуры окружающей среды тоже имеет свои пределы, дабы не подорвать здоровье пользователя и не вывести из строя другие узлы компьютера. Чтобы температура внутри корпуса компьютера была хотя бы максимально приближена к температуре помещения, на корпус был поставлен вентилятор. Но куда он там внутри дует, и где образуются застойные зоны, доподлинно неизвестно. У каждого пользователя внутри столько своего добра понаверчено. Конечно, можно вообще снять крышку корпуса и обдувать внутренности системного блока бытовым вентилятором. Но летом все же жарче, чем зимой, температура может и выше 30 подняться (то есть градусов на 10 выше комнатной зимой), и сей способ уже не будет эффективным.

Другой способ — это увеличение площади поверхности теплообмена. Поэтому гладкую поверхность заменили оребренной. Но до бесконечности увеличивать ее невозможно, так как в силу законов теплопроводности эффективное увеличение высоты ребер имеет свой предел.

Значение критерия Re пропорционально скорости движения потока воздуха. То есть, чем выше скорость, тем больше коэффициент теплоотдачи и поток тепла, отбираемого от охлаждаемой поверхности. Скорость движения воздуха определяется параметрами и геометрией охлаждающего вентилятора и радиатора. Термин «кулер», широко применяющийся во всех статьях, наиболее правильно определяется, на наш взгляд, как устройство для охлаждения узлов компьютера, состоящее из вентилятора и радиатора. В дальнейшем мы тоже будем использовать этот термин в такой трактовке.

При переходе к охлаждению при помощи вынужденной конвекции (постановке на радиатор вентилятора), на наш взгляд, часто не принимают во внимание особенности принудительного охлаждения. Расход и, следовательно, скорость воздуха определяются гидравлическими потерями в тракте кулера, в частности, в радиаторе. В этом случае оребрение не только улучшает теплообмен, но, с другой стороны, и ухудшает его, увеличивая коэффициент гидравлического сопротивления, что приводит к уменьшению расхода воздуха через вентилятор. В старые времена каждый серийный отечественный вентилятор имел расходную характеристику. То есть, определялась взаимосвязь расхода, напора и частоты вращения вентилятора. Достать такие данные для современных кулеров сейчас практически невозможно. И часто приходится выбирать их, полагаясь на слухи, рекламу или просто методом тыка. Хорошо хоть, есть статьи, описывающие их сравнительную эффективность

Самый простой, на первый взгляд, способ увеличения расхода воздуха — это увеличение частоты вращения вентилятора, которая ограничивается его конструктивными особенностями. Вентилятор должен иметь большой ресурс работы и низкий уровень шума. В основном эти условия зависят от конструкции его подшипников, а также лопаточного аппарата.

Вообще говоря, качественно о расходе воздуха через вентилятор можно судить по частоте его вращения. У нас под рукой оказался новый кулер EISCA. Этакий монстр с очень большим радиатором (по сравнению с площадью контактной с кристаллом поверхности) и относительно высокими ребрами. Отношение высоты ребра к его толщине (мм) — 16/2 =8. Зазор между верхней точкой ребра и корпусом составлял 2 мм.

Вентилятор подключался к компьютеру без установки его в рабочее положение. Плоскость его вращения располагали горизонтально и вертикально (в двух положениях — направление течения воздуха вниз и вверх). Частота вращения (обороты в минуту) измерялась штатным датчиком кулера для трех позиций: 1. Кулер в сборе. 2. Без радиатора. 3. Вместо радиатора на расстоянии 6мм от среза вентилятора устанавливалась гладкая пластина.

Из приведенных данных видно, что частота вращения зависит от положения вентилятора. В вертикальном положении во всех случаях она несколько больше. В горизонтальном положении тоже есть небольшая разница частоты вращения в зависимости от положения кулера. Все это однозначно обусловлено конструкцией подшипников вала вентилятора. А вот постановка пластины вместо радиатора существенно влияет на частоту вращения, а, следовательно, и на расход воздуха. Гидравлическое сопротивление тракта в этом случае ощутимо возросло. А связано это, по всей видимости, с тем, добивает ли струя воздуха до основания ребер кулера или нет. Коэффициенты сопротивления для этих случаев существенно отличаются. В конечном счете, все это приведет и к значительной разнице в теплоотводе от поверхности. Но это все качественные эксперименты, которые просто заставляют задуматься об эффективности работы кулера.

Перейдем теперь к количественным измерениям на выходе из кулеров и вентиляторов

Измерение малых скоростей (меньше 5 м/с) и расходов воздуха — весьма сложное и кропотливое дело. Традиционный способ измерения при помощи трубки Пито — Прандтля здесь уже непригоден из-за весьма малой величины скоростного напора (меньше 1 мм водяного столба). На “коленке” такие измерения не проведешь. Приходится искать довольно сложную специальную аппаратуру. На счастье, у нас в загашнике сохранился практически непользованный термоанемометр DISA 55D80. Даже комплект датчиков заводской тарировки к нему остался. Прибор предназначен для измерения крайне низких скоростей воздуха с высокой точностью в конвективных и вентиляционных потоках.

Измерительный стенд

DISA 55D80

Принцип действия термоанемометров, измеряющих скорости порядка нескольких метров в секунду и более, основан на поддержании постоянной величины силы тока через проволочный датчик при изменении скорости обтекающего его воздуха. На выходе прибора, после преобразования и усиления сигнала, фиксируется величина напряжения, соответствующая определенной скорости воздуха.

Данный прибор имеет два режима измерения. Первый — от 0 до 30 см/с, что соответствует скоростям при свободной конвекции воздуха. Здесь применяется еще более сложная схема измерения. На датчик, при помощи специального осциллятора, подается сигнал с частотой 300 Гц и амплитудой ±0,03 мм, которая поддерживается вблизи резонансной частоты датчика. Скорость обтекания датчика складывается из скорости движения датчика и скорости внешнего потока воздуха. По разности сигналов в моменты, когда датчик движется в противоположных направлениях, можно определить скорость и направление течения воздуха.

Во втором режиме можно измерять скорости воздуха от 0 до 2 м/с при функционировании прибора в режиме постоянного тока. Здесь определяется только абсолютная величина скорости перпендикулярно датчику.

Сам датчик представляет собой миниатюрный держатель — усики с наваренной между ними проволочкой диаметром порядка нескольких десятых мм и длиной порядка 1мм. Первоначально каждый датчик калибровался по заранее известным значениям скоростей на специальном заводском стенде.

Напомним, что исследование и проектирование любых систем охлаждения включает в себя две взаимосвязанные части — аэродинамическую (или гидравлическую) и тепловую. Попробуем при помощи DISA 55D80 разобраться с первой, то есть, измерим поле скоростей на выходе из кулеров и их вентиляторов.

Рассмотрим уже упомянутый кулер №1 и два других кулера ACORP (№2) и ЕС-4510 (№3). Конечно, это не последнее слово техники, но они или им подобные еще очень часто используются, и скорости воздуха в них как раз составляют 0,5 — 2 м/с. С точки зрения аэродинамики, процессы, возникающие в них, аналогичны и более поздним моделям.

Питание вентиляторов (12 В — контролировалось мультиметром) осуществлялось от компьютера. Датчик перемещался вдоль неподвижного кулера в горизонтальной плоскости при помощи координатника, имеющего точность отсчета перемещений 0,1 мм. Нулевой точкой во всех измерениях являлась точка напротив боковой стенки с левой стороны кулера, смотря по ходу движения воздуха. Вращение вентилятора направлено от правой стенки к левой.

На рисунке 1 представлено поле скоростей на выходе из радиатора №1. Измерения проводились на расстоянии 3мм от его среза в среднем по высоте сечении. Шаг измерений составлял 1 мм.

Видно, что максимальные скорости составляют порядка 1,3-1,4 м/с. Сто процентов шкалы прибора составляют 2 м/с. Шкала линейная. Хорошо видно расположение ребер — скорость за ними минимальна. Направление скорости воздуха — горизонтальное, что было проверено путем изменения плоскости измерения датчика, то есть, эффект закрутки потока вентилятором здесь уже отсутствует. Наблюдается некоторая асимметричность потока воздуха. По-видимому, это связано с различным числом щелей на боковой поверхности радиатора. С правой стороны существует еще две дополнительные щели шириной аж 9 мм против 2 мм у всех остальных. Зачем это сделано — совершенно непонятно. Скорость в них составляет порядка 0,08-0,1 м/с

На следующем рисунке представлена скорость воздуха в среднем сечении боковых щелей.

Нумерация щелей начиналась от среза радиатора, где проводились предыдущие измерения. Видно, что крайние щели практически не работают. Основной же расход воздуха проходит через щели, расположенные напротив вентилятора. Что совершенно естественно, принимая во внимание закрутку потока вентилятором. Но вот хорошо ли это — большой вопрос. Получается, что значительная часть воздуха вообще не участвует в охлаждении большей части такого здорового радиатора.

На следующем рисунке приведены измерения скорости воздуха по высоте щели.

Здесь все выглядит очень прилично. Прямо-таки классическая эпюра скорости для установившегося течения воздуха в щели. Это тоже косвенно указывает на то, что поток воздуха уже стабилизировался после вентилятора.

Приступим теперь к рассмотрению течения воздуха в кулерах №2 и №3.

Первое, что бросается в глаза при взгляде на клер №2 — это то, что, глядя сверху, видно — площадь вентилятора меньше площади радиатора. Он проработал у меня в компьютере не один год когда он был внутри корпуса, я на него внимания не обращал. Поэтому первое, что было измерено — это направление скорости воздуха на выходе из радиатора. Этого можно добиться путем изменения угла наклона датчика к горизонтальной поверхности и фиксирования максимального значения скорости. Оказалось, что поток выходит из щелей вверх под углом 15-20 градусов к горизонтальной плоскости. Таким образом, что же получается — нагретый после радиатора воздух опять идет на вход вентилятора. Ясно, что сие не есть хорошо, и так быть не должно.

Поэтому терять время на этот кулер не стали, а заменили его вентилятор на другой, который полностью закрыл радиатор. Так и получили кулер №3. Вверх он не дует — проверили.

На рисунке представлено поле скоростей, измеренное на расстоянии 1,5 мм за срезом радиатора.

Здесь измерения проводились в середине и по краям каждой из щелей (шаг — 0,5 мм), а также в середине ребра (шаг от края щели 1 мм). Обращает на себя внимание тот факт, что скорость воздуха в середине щелей в левой половине радиатора ниже, чем у ребер, и уж тем более ниже, чем в правой части. Опять же, после нахождения максимальной составляющей скорости потока оказалось, что она направлена под углом 15 градусов к нормали. То есть, закрутка потока воздуха вентилятором сильно сказывается. Поля скоростей с противоположной стороны радиатора оказались идентичными. Поэтому здесь мы их не приводим.

Рассмотрим теперь поле скоростей воздуха непосредственно за вентиляторами кулеров №2 и№3. Всю центральную зону проточной части вентилятора занимает его двигатель. Расстояние от среза вентилятора до охлаждаемой поверхности определяется высотой ребра радиатора и обычно составляет для кулеров такого типа 3-5 мм. Сразу можно предположить, что скорость воздуха в центральной зоне ниже, чем скорость напротив рабочих щелей. Эта зона находится как раз напротив основной зоны охлаждения кристаллов. Здесь-то, вроде бы и надо иметь максимальную скорость воздуха и, соответственно, максимальный коэффициент теплоотдачи. Определим это количественно. Измерялись значения скорости, направленной по нормали к поверхности вентилятора. В принципе, эта составляющая и является определяющей в интенсивности теплообмена на поверхности такого рода кулеров. Скорость воздуха измерялась в трех сечениях. Первое — 5 мм от среза вентилятора. Далее к вентилятору присоединялись цилиндрические насадки с диаметром, равным диаметру рабочей части вентилятора, высотой 20 и 50 мм.

Второе и третье измерение проводились на срезе этих насадок соответственно.

Скорость воздуха за вентилятором №2

Скорость воздуха за вентилятором №3

Ясно видно, что в первом сечении имеется весьма существенный провал скорости в центральной части. Но уже на расстоянии 20 мм от вентилятора центральная зона с низкими значениями скоростей значительно сужается. Далее поле скоростей продолжает выравниваться, но уже не так заметно. Заметим, что полное выравнивание поля скоростей в цилиндрическом канале происходит на расстоянии не менее 10 его диаметров от начала. Здесь по нашему методу и можно определять расход воздуха через вентилятор. Следует отметить, что удлинение цилиндрического канала приводит к увеличению гидравлического сопротивления за вентилятором и, следовательно, к уменьшению расхода воздуха через него. Таким образом, ясно, что для интенсификации теплообмена необходимо подбирать оптимальное расстояние между вентилятором и радиатором.

В настоящее время на рынке имеется море различных моделей кулеров, и число их все растет и растет. И сейчас уже, по-видимому, настало время оптимизации конструкций, а не просто увеличения мощностей двигателей вентиляторов. Для этого необходимо представлять картину течения воздуха в кулерах, что мы здесь и попытались сделать. А также и его тепловые характеристики, что, возможно, сделаем в дальнейшем. Конечно, мы охватили лишь малую толику проблем, но, в принципе, эта методика и оборудование позволяют проводить и дальнейшие исследования на других моделях.

Источник