Трилогія охолодження. Вентилятори. Тиск, витрата.

Ця робота була надіслана на наш "Безстроковий" конкурс статей і є другою з трьох задуманих. перша - Гнучкий тунель для синхронних вентиляторів . За цю роботу автор отримав приз - мідний кулер під Socket A.

Відомо, що ефективність охолодження залежить від багатьох факторів. У їх числі і такго, як витрата охолоджуючого речовини, - повітря, вода і д.р. Чим більше його пройде через охолоджуване тіло, тим воно більше понесе тепла. Просунуті користувачі це не тільки знають, але і всілякими методами прагнуть потік збільшити. Саме по цьому пункту виникає найбільше запитань і непорозумінь, - то виходить недостатньо гарне охолодження, то багато шуму ... Точніше, питання поставлене так: чи можна застосовувати в охолодженні великі вентилятори (запасні частини) замість маленьких і чого від цього чекати? Про це і піде мова. Для того щоб відповісти, крім теоретичних обґрунтувань, потрібен був і ряд практичних дослідів.

ТЕОРІЯ, коротко.

Отже: Витрата - кількість речовини, що пройшло через дане перетин в одиницю часу.

Є труба з певним внутрішнім перетином F1, в яку подається газ або рідина зі стабільним тиском p1. У трубу встановлено звуження потоку з перетином F0. Характер потоку і розподіл статичного тиску в цьому випадку, буде таким:

Тиск протікає середовища більше в тих перетинах потоку, де менше її швидкість, і навпаки, в перетинах з більшою швидкістю, тиск менше. (Закон, відкритий петербурзьким академіком Д а н і й л о м Б е р н у л л і).

На перший погляд може здатися дивним, що при проходженні вузьких ділянок труби стиск не збільшується, а зменшується. Проте, цього факту пояснення є. Яка кількість газу або рідини в трубу увійшло, таке ж і повинно вийти. А як може пройти рівний обсяг речовини через різні перетину? Тільки збільшенням його швидкості. При цьому збільшується і кінетична енергія, що викликає зменшення потенційної енергії потоку в судженого перетині. Відповідно статичний тиск в судженого перетині буде менше, ніж до звужено устрою.

Таким чином, тут все ясно, - чим менше площа перетину пристрою, тим менше тиск в цьому перерізі. Але це не все, - якщо труба знову приймає колишній діаметр, тиск за звужує пристроєм повністю не відновлюється!

Втрату тиску середовища Pn, що протікає через пристрій, визначають як різницю статичних тисків, вимірюваних в двох перетинах, в яких як до, так і після влаштування, немає його впливу на характер потоку. Величина втрати тиску залежить від модуля (m) звужено устрою, тобто відносини його площі до повного перетину труби.

m = F0 / F1

Де: F0 - площа отвору пристрою звуження. F1 - площа перетину труби.

Таким чином, щоб не було втрат потоку, не повинно бути і звужень, в усякому разі, істотних. Досвід використання пристроїв конічної форми в промисловості показав, що втрата тиску порівняно невелика, якщо вихідний діаметр конуса становить не менше 0.75 D труби.

Нарешті спрощене рівняння витрати (Q), в якому не враховується ні щільність, ні стисливість середовища, ні шорсткість стінок і т.п., виглядає так:

Q = F0 x √ P

Попросту кажучи, щоб збільшити витрату вдвічі, потрібно або в два рази збільшити площу перетину, або в чотири рази збільшити тиск!

Наскільки це все дієво по відношенню до реальної організації охолодження комп'ютерів і належало з'ясувати практично, бо є у авіаконструкторів старий жарт - "Відповідно до законів аеродинаміки, джміль, має такий розмір тіла по відношенню до площі крил, що літати не повинен. Але джміль цього не знає і тому літає! "

Тестування різних вентиляторів почалося зі стендових випробувань.

Стендові ТЕСТУВАННЯ ВЕНТИЛЯТОРІВ.

Тестування проходили вентилятори практично всіх типорозмірів - від 60x60 до 120x120 мм. Вентилятори 80x80 мм. виявилися в дещо розширеному виборі. Оскільки їх все частіше використовують для охолодження, то і в випробуваннях брало участь кілька моделей. По можливості вентилятори підбиралися досить потужні в своєму класі.

Зазвичай, на кожен вентилятор, фірми виробники вказують величину витрати повітря (CFM) і дуже рідко величину розвивається ними максимального тиску при нульовій витраті. Інакше кажучи, тиску, що нагнітається в герметичний обсяг. Для виміру цього параметра використовувався стенд зі спеціальною камерою, з відбором для вимірювання статичного тиску. Для стикування з камерою різних вентиляторів були виготовлені всі необхідні перехідники, які щільно облягали перешийок камери. (Ці ж перехідники згодом використовувалися для установки і тестування безпосередньо на радіаторах)

Наявні деякі дані, (наприклад вентилятора Thermaltake ТТ-8025TU) дивно точно збіглися з отриманими результатами, - відхилення становило не більше ± 2%.

Крім цього, було вирішено практично поспостерігати залежність витрати повітря від величини звуження. Для цього використовувалася динамічна труба з промислової вимірювальної диференціальної трубкою Піто. На знімку зображений момент складання і підготовки (вимірювальна трубка не встановлена). Обрано був найбільший 120x120 вентилятор. В динамічну трубу, в наявне розбірні з'єднання, по черзі встановлювалися діафрагми з отворами різних діаметрів. Картина продувки в динамічної трубі виглядала дещо інакше, ніж теоретично стабільний потік, хоча в цілому ніяких несподіванок не було.

Єдина відмінність, - при зменшенні діаметра отвору, в проміжку труби до звуження, починало зростати тиск від нагнітає вентилятора. (Як з'ясувалося, це досить важливо, і до цього ми ще повернемося). В кінцевому досвіді воно збільшувалося настільки, що повітря спрямовувався вже назад, через обертові лопаті вентилятора. Зате після звужує діафрагми зазначалося неухильне падіння потоку.

ТЕСТУВАННЯ НА СИСТЕМНОМУ БЛОЦІ.

Випробування температурної залежності від типу вентиляторів проводилося в одному системному блоці, з використанням двох різних радіаторів:

ARCTIC - радіатор повністю мідний. До основи припаяні тонкі, розташовані радіально від центру ребра. Радіатор розрахований на установку вентилятора розміром 60x60 мм.

VOLCANO 9 - радіатор цільно-алюмінієвий з мідним диском, запресованим в основу. Перетин радіатора відповідає вентилятору 80x80 мм.

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

Бічна кришка на час тестування знята. Для видалення теплого повітря від локальної теплової зони, два задніх, корпусних вентилятори (80x80) працювали постійно (~ 3000 rpm) Температура навколишнього середовища залишалася рівною + 23'С.

Заміна вентиляторів на кожному з радіаторів проводилася на ходу, без відключення комп'ютера і без зняття навантаження з процесора. Так температура стабілізувалася набагато швидше. Випробування без навантаження CPU не проводилися. Всі отримані результати всіх тестів у зведеній таблиці:

КОМЕНТАР.

Серія випробувань на двох різних радіаторах дала різні результати по температурах, але зі схожими закономірностями і дозволила отримати відповідь на поставлене завдання.

Безумовно, звужує перехідник викликає зниження номінальної витрати великого вентилятора, але практичні дані в цьому плані дали більш оптимістичні результати, ніж можна було очікувати. Вищеописані випробування на динамічному стенді в достатній мірі це пояснюють - відбувається підвищення вхідного тиску перед звуженням і цим втрати в чималому ступені компенсуються.

Зниження ж тиску в самій вузькій частині пристрою, виявилося малокрітічно. Це підтверджується тим, що всі вентилятори типорозміром 80x80, при певному розкид між собою граничного статичного тиску, тримають практично однакову температуру даного радіатора. Мабуть, аеродинамічний опір радіаторів в цілому не настільки велика, щоб в повній мірі затребувати цей параметр.

Але все це до певної межі, - вхідний тиск не може підвищуватися нескінченно. Якщо відносне звуження перехідника буде значним, то втрати після нього будуть абсолютно неприйнятними. На графіку чітко видно, що радіатор "Volcano 9", який має більший перетин, чим "Arctic", менше залежимо від розмірів і дає практично однакові результати з використанням 92 і 120 мм вентиляторів. Радіатор же "Arctic" з вентилятором 120 мм. взагалі не узгоджується, і дає температуру вище "рідного" (60x60) на + 2'С!

Таким чином, висновки можна зробити цілком певні:

• Заміна швидкісних вентиляторів невеликого діаметру на вентилятори більшого розміру з меншою швидкістю, але більшою продуктивністю навіть за наявності звужень, цілком обгрунтована. Результатом може бути зниження шуму і в якійсь мірі температури.
• Використання великих вентиляторів (особливо 120x120) зі значними сужениями, призводить до невиправданих втрат.

На практиці, грунтуючись на отриманих даних, можна з упевненістю сказати, що відносне звуження може становити:

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

При подальшому зменшенні коефіцієнтів, втрати не виправдовуються.

Тут враховано, що вентилятори, які є по суті короткою трубою, мають величину прохідного перетину залежну від його внутрішнього діаметра. Так вентилятор з корпусом 60x60 має діаметр 57 мм. і площа перетину 2550 мм.кв. Найбільш оптимальними варіантами для заміни є вентилятори типорозмірів 80x80x25 і 92x92x25 мм. Природно, для кожного з них і радіатор повинен більш-менш відповідати за мінімальним перерізом і зручності установки. Ще одна характеристика, на тому ж графіку, відображає залежність температури CPU від швидкості обертання вентиляторів.

Отримані дані показують, що підвищення оборотів не завжди призводить до очікуваного результату. Причина знову ж таки в тому, що витрата має квадратичну залежність і таким чином зростає з підвищенням обертів (тиску) не так швидко, як би хотілося. Крім того, не менше вагома причина криється і в тому, що при зниженні температури ребер радіатора до певної величини, зменшується і перепад температур між ними і охолоджуючим повітрям.

Вентилятори. Коротко про враження від вентиляторів, які пройшли тести.

• TITAN 120x120x25 і Thermaltake 80x80x25 при своєї максимальної продуктивності, яка в повній мірі може бути і не затребувана, занадто гучні. Однак великий вентилятор може виявитися дуже корисним для водяної системи охолодження. У разі виносного радіатора великої площі, пару багато простіше.
• Від 60x60x20 і 70x70x15, нічого іншого й не очікувалося, - при помірній продуктивності, шум теж неабиякий.
• Розчарування приніс EVERCOOL 80x80x25 в красивому, дорогому корпусі з алюмінію. При невисокому рівні шуму, інших привабливих характеристик не має.
• Певний інтерес викликав вентилятор GlacialTech 80x80x15. При тестуванні на стендах з'ясувалося, що його одинадцять лопатей відносно добре тримають потік на середніх і особливо на низьких оборотах (1800 - 2500 об.мин.). Так як явище можна зупинити, то по всій видимості не дарма вітряні колеса в місцевостях зі слабким вітром мають багатолопатеву конструкцію (Не плутати з конструкцією газових турбін, там швидкості обертання йдуть на десятки тисяч при зовсім інший геометрії лопаток). На швидкості обертання 3000 об.мин. і вище він поступається звичайним семілопастние. Шум ж має кілька вищих за звичайні аналогів.
• Добре ставлення продуктивність / шум у вентилятора 92x92x25 мм. Крім того, в разі потреби, маючи запас по статичному тиску, допускає зниження швидкості обертання, зі збереженням пристойного витрати.
• Заслуговує на увагу і недорогий FAN D80BH-12. (Є модифікації на 2000, 2500, 3000 об.мин.) Його злегка загострені широкі лопаті виявилися тихими.

Саме з ним попутно проводилися невеликі досліди з вивчення формування потоків.

Вентилятор без корпусу.

У всіх бічних стінках корпусу вентилятора D80BH-12 вирізалися (полотном по металу або лобзиком і трохи дрилем) великі вікна. По суті, стінки ліквідовувалися зовсім, залишалися тільки вузькі стійки для кріплень. Його випробування на стенді і тестування на кулері ніяких змін тиску або температури не виявили. Однак виявилося, що такий вентилятор шумить менше, в порівнянні зі звичайним. Зовсім не набагато, але при почерговому включенні точно такого ж, але цілого вентилятора, на слух це вловлюється.

Дуже цікава картина спостерігалася при прокручуванні цього вентилятора в задимлених повітрі з підсвічуванням плоским променем світла. На жаль, на нерухомому знімку динаміка струменів диму майже не передалася. Крім того, важко побачити повну картину, так як зображено схематично, під одним ракурсом. Деякі напрямки потоків видно тільки під певним кутом перетину.

Виявилося, що потоки повітря втягуються не тільки "зверху", а й з усіх боків, і навіть трохи з нижніх зовнішніх крайок! І тільки трохи відступивши від кромки в бік центру, утворюється обертовий потік, спрямований вниз.

Ці властивості з успіхом використовуються у відомому кулере Zalman CNPS 7000.

Зрозуміло тепер, чому він щодо тихий і як там формуються потоки ?! Ламінарний потік проходить верхні, рідкісні ребра, набирає тиск-швидкість і потужним струменем продувається через часті ребра біля основи кулера.

Ті ж випробування в задимленій атмосфері показали, що аеродинамічна тінь від середньої частини крильчатки в обертовому потоці незначна, і отже серйозного впливу на потік в цілому надати не може. Тут може критися хибне уявлення про ефективність подовжує насадки, що піднімає вентилятор над радіатором. Було зроблено одне спостереження.

Відкрита стінка системного блоку зовсім не запорука гарного охолодження. Такий факт виявився на поточні випробування. Здавалося б, що може бути краще вільного доступу повітря до процесора? Однак варто було тільки відключити витяжні вентилятори, температура процесора негайно піднімалася на кілька градусів! Пояснення цього просте, - повітря, що викидається кольором, накопичується теплим хмарою в верхній частині корпусу і повільно перетікає через кромку назовні. Природно, при цьому кулер встигає його частина захопити назад. Насадка зменшує цю можливість, тому що вентилятор виноситися із зони підвищеної температури.

Якщо вентилятор працює на витяжку, то насадка може своєю нижньою частиною утворити свого роду кожух для радіатора. Ступінь прикриття верхніх частин ребер (приблизно на 45-50%) підбирається експериментально, за мінімальною отриманої температурі процесора, після чого насадка надійно фіксується.

Однак процесор не єдиний елемент, який потребує охолодженні. При відкритому корпусі, робота витяжних вентиляторів ніяк не позначається на продування жорсткого диска. Зовнішній датчик, укріплений на корпусі HDD ( "Barracuda" 40Gb, 7200) видав температуру +50.4 градуса! Усередині нагрів цілком може бути ще вище. Ця тиха "риба" явно любить свіже повітря. При закритому корпусі її температура становить не більше + 30,5'С, без будь-якого додаткового охолодження.

Про суміщення двох вентиляторів, і що це дає?

Щоб точно відповісти, знову знадобилися невеликі експерименти. На статичний стенд встановлювалася пара здвоєних вентиляторів. Відразу ж зазначалося помітне збільшення тиску, але не скільки очікувалося. Теоретично тиску ступенів повинні складатися. При досвіді було помічено, що обороти нижнього вентилятора при цьому різко збільшувалися. Тут причина і крилася, він працював в закрученому потоці від першого вентилятора, як би наполовину вхолосту.

Власне така побудова нагадує схему двоступеневого осьового компресора авіаційного двигуна. Однак там, між обертових коліс з лопатями, встановлені стабілізатори, по суті представляють собою нерухомі лопатки з певним кутом повороту і гальмують обертання потоку.

Досвід був дещо змінений. Вентилятори стикувалися між собою не впритул, а з'єднанням, що створює між ними проміжок три сантиметри. Усередині нього були нерухомі пластини, (виявилося достатньо всього однієї перегородки на всю ширину з'єднання), стабілізуючі потік. Повторні випробування показали, враховуючи втрати, що тиск збільшився майже вдвічі!

При цьому, однак, перевірка на динамічному стенді показала, що обсяг потоку не змінився. Тут все правильно, - якщо немає опору, не буде і різниці. Власне, навіщо може знадобитися збільшення запасу по тиску (або розрядці), якщо попередні досліди показали, що цілком достатньо одного вентилятора? Так, але якщо мова йде тільки про продування радіатора. Інша справа якщо використовуються різного роду повітроводи.

У конструюванні всегда вважаю хорошим тоном поєднання в будь-якому пристрої різніх функцій. Чому, например, Досить потужного кулера, кроме продувки радіатора, що не Виконувати роль витяжною вентилятора при перевернутої установці, а корпусного на задній стінці - НЕ охолоджуваті кулер? Тоді потоку долаті склалось Опір радіатора, нормально закритого корпусу, самого воздуховода, - значний важче. До речі, можна помітити, що якщо вентилятори встановлюються на протилежних кінцях довгого вигнутого воздуховода, стабілізатор потоку не обов'язковий. Обертання гаситься його ж опором.

Ще про суміщення. Якщо в системному блоці на передній стінці встановлений додатковий припливний вентилятор, то чому б йому в першу чергу не дути на щось потребує, HDD наприклад? Таке розташування передбачають деякі корпуси, або можна самостійно встановити вінчестер в потік, використовуючи будь-які кріплення, аж до дитячого конструктора. Хороший ефект може дати найпростіший повітропровід від переднього вентилятора до відеокарти. При цьому не обов'язково його кріпити або робити впритул до кулера останньої. Може виявитися цілком достатньо прямий струмені прохолодного повітря.

Тут до речі можна помітити, що повітроводи або перехідники у напрямку потоку, можуть бути не тільки звужуються або рівномірними, а й розширюються. Якщо діаметр вентилятора не дозволяє продувати всю необхідну площу, наприклад, радіатори водяного охолодження, то краще рішення буде зробити короткий кожух-перехідник. Спрацьовує ефект сопла динамічного розширення, що йде явно на користь вентилятора з недостатнім діаметром, роблячи його потік більш рівномірним. Це набагато ефективніше і естетичніше, ніж вентилятор, примотати ізолентою, і де частина площі радіатора не обдувається взагалі.

Прикладом реального застосування може служити промисловий теплообмінник, зображений на знімку.

Повітря під тиском подається по товстої трубі в напрямку стрілки. За тонким трубах циркулює вода. Інший випадок: кожух на радіаторі деяких автомобілів, автобус ПАЗ наприклад. Вентилятор розташований спереду по ходу руху.

Конструкцій різного виду повітропроводів і перехідників-з'єднувачів в даній статті не наводиться, - на сайті Overclockers їх можна знайти предостатньо.

ОХОЛОДЖЕННЯ ВОДОЮ. Трохи про помпах.

Кількість типів і моделей таких, досить велике.

Однак при виборі насоса для циркуляції води в системі охолодження комп'ютера, певні характеристики слід враховувати особливо. Зазвичай найважливішим з параметрів називають його продуктивність, тобто кількість води в літрах, що перекачуються за годину. Наприклад, помпа MAGIC - JET FILTER моделі MAGI - 200 має характеристики: витрата - Q max = 200 l / h. Тиск (водяного стовпа) - H max = 0.5 m.

Можливо, такий насос може перекачати 200 літрів води за годину з місця на місце в акваріумі без будь-якого опору, але це зовсім не означає, що він здатний підняти за годину вказаний обсяг на висоту 0.5 метра. Тиск, що розвивається насосом, просто врівноважується протитиском водяного стовпа. Будь стовп хоч на міліметр вище, вода не потече взагалі.

До речі, деякі моделі мають пояснюють квадратичні графіки, зображені прямо на упаковці.

На практиці звичайно, вода не просто піднімається, але і тече по зворотній трубці, що компенсує втрату тиску. Однак виникає інша проблема. Проходячи по різним трубках, перехідникам, Ватерблок, разветвителям, вода долає певний опір. Тому, заявленого витрати може не бути навіть близько. Який же він в такому разі в реальності?

Провести вимір можна і без лічильника води. Для цього достатньо водою, що пройшла через систему охолодження, по зворотній трубці заповнити будь-яку мірну ємність (пластикову пляшку, наприклад) і засікти час, скільки це займе. Якщо, наприклад, ємність 1.5 л. заповниться за 1 хв. 48 сек., То витрата буде дорівнює ~ 50 літрів на годину.

Звичайно, видаткова ємність повинна при цьому поповнюватися, а наповнюється перебувати на тому ж з нею рівні. Комп'ютер, зрозуміло, в цілому включати не потрібно. Взагалі-то подібним методом (мірної ємності) у цій метрології безпосередньо поверяются всі лічильники витрати води.

Якщо з якихось причин витрата виявляється недостатнім, а зміна конструкції з метою зниження опору неприйнятно, то вихід тільки в збільшенні тиску на нагнітанні. Іноді для цього встановлюються послідовно дві помпи, але це ускладнює конструкцію з усіма витікаючими наслідками. До того ж в цьому випадку складається не їх продуктивність, а тиск. Набагато кращий варіант збільшити тиск, - встановити один, більш потужний насос. На відміну від вентилятора, особливе збільшення шуму в цьому випадку не загрожує.

Слід врахувати, проте наступне: Припустимо, вирішено замінити вищезгаданий насос MAGI - 200 H max = 0,5 m. , Q max = 200 l / h., На більш потужний, - LefeTech AP180FC H max. = 1,3 m., Q max, = 900 l / h. Необхідно відзначити відразу, що його продуктивність в реальній системі не буде в (900: 200) 4.5 рази більше першого! Використовуючи реальні дані і застосувавши для розрахунку перетворену формулу з теоретичної частини, [Q = F0 x√ p] з'ясовуємо, що стосовно даного контуру така заміна дасть витрата:

Q помпи2 = (Q помпи1: √H помпи1) x √H помпи2 (50 літрів: √ 0,5) x √ 1,3 = 80.2 літра.

Причому розрахункові дані точно підтвердилися в ході практичних експериментів. Таким чином, при купівлі насоса слід звертати увагу не стільки на його продуктивність в літрах, (вона в будь-якому випадку обіцяється більше реально необхідної) скільки на що розвивається їм тиск!

ВІД АВТОРА.

Всі досліди і підготовка до них зайняли дуже багато часу, але допомогли дізнатися багато цікавого. Дуже буду радий, якщо комусь із користувачів отримані дані виявляться корисними. У теперішній же час проведені роботи:

• як знизити перехідний опір радіатор (теплоприймача) - процесор;
• як зробити ватерблок без верстата або синтетичної клеєння-зварювання.

Дані в процесі підготовки.

При роботі над статтею використовувалися наступні матеріали й устаткування:

• В.П.Преображенскій "Теплотехнічні вимірювання та прилади" 3-е изд. 1978р.
• Джерело живлення постійного струму Б5-48.
• Вольтметр В7-38.
• Електричний датчик тиску і перепаду тиску GC-2233 класу точності ± 1,0%.
• Зразковий мікроманометр МКВ-2500 класу точності ± 0,02% (для настройки вищевказаного датчика).
• Використаний один знімок c відомого сайту Zalman, інші авторські.

УСПІХІВ ВСІМ! CONTINENTAL

Чекаємо на Ваші коментарі в спеціально створеній гілці конференції .