Control de la temperatura de los armarios: Elección del método adecuado

Introducción

El silencio es un mal presagio en el mundo de la automatización industrial y las infraestructuras de datos. Incluso un panel de control silencioso no implica necesariamente eficiencia, sino que puede ser un fastidio al ralentizarse algún proceso vital. El villano suele ser algún peligro o amenaza siniestra e invisible. Una unidad que se desconecta, un PLC que falla, una fuente de alimentación que falla... no son accidentes. Son señales de un control fallido de la temperatura en el interior de los recintos.

Seleccionar una solución de gestión térmica no es un elemento más de una lista de materiales. Es una elección de vida o muerte que tiene un efecto directo en la fiabilidad operativa, en el ciclo de vida de los componentes y en el coste total de propiedad (TCO). Sin embargo, la mayoría de los ingenieros son culpables de una de las dos cosas siguientes: O bien sobreespecifican, es decir, ponen un aire acondicionado caro y que consume mucha energía cuando lo único que se necesita es un ventilador, o bien subespecifican, es decir, esperan que la sala se enfríe sola, lo cual es prácticamente seguro que causará tiempos de inactividad en el futuro.

La talla única es el secreto del fracaso. Lo más costoso no es necesariamente la mejor solución, y lo más asequible nunca ha sido lo más económico.

Esto es para orientarle en la elección. Dejaremos de lado los argumentos de marketing para examinar los factores fundamentales que deben estar detrás de su decisión. Compararemos las principales formas de controlar la temperatura del recinto, es decir, desde climatizadores hasta ventiladores con filtro, para que encuentres el mejor equilibrio entre protección, rendimiento y coste.

Qué ocurre cuando se recalientan los aparatos electrónicos

La importancia de la gestión térmica sólo es alcanzable cuando primero nos damos cuenta del daño que causa el calor. Los componentes electrónicos, como los microprocesadores, hasta los condensadores, están sometidos a las leyes de la física. La más conocida de ellas es la ecuación de Arrhenius, que en el mundo electrónico se convierte en una descorazonadora ley empírica:

Cada aumento de 10 °C (18 °F) en la temperatura de funcionamiento por encima de la temperatura de funcionamiento nominal disminuye la fiabilidad a largo plazo de los componentes electrónicos en un factor de 50.

No es una caída en línea recta; es una caída exponencial. Una unidad de 10 años especificada a 25 °C (77 °F) sólo puede tener una vida útil de 5 años a 35 °C (95 °F) y de sólo 2,5 años a 45 °C (113 °F).

Este calor adicional genera una reacción en cadena de males antes de que un elemento muera:

• Variadores de frecuencia (VFD): Probablemente el elemento más delicado, tenderán a dispararse de forma molesta ante un fallo por sobretemperatura para autoprotegerse. Esto detiene el motor, el transportador o la bomba, provocando tiempos de inactividad imprevistos.
• Controladores lógicos programables (PLC): Cuando un procesador se sobrecalienta, puede hacer que el PLC actúe de forma errática, provoque errores de procesamiento o experimente los llamados fallos fantasma que son muy difíciles de depurar.
• Fuentes de alimentación: Los condensadores son sensibles al calor. La fuente de alimentación caliente no será capaz de proporcionar una tensión constante, y por lo tanto, experimentará una caída de tensión, lo que puede resultar en el reinicio o el fracaso de otros componentes dentro del armario.
• HMI y pantallas: Puedes observar que las pantallas se atenúan, parpadean o se vuelven inactivas mucho antes de apagarse para siempre.

El precio de un fallo en el control de la temperatura de un armario nunca incluye el coste de una pieza de recambio. Es el precio de las horas o incluso días de producción perdidos, el precio de la mano de obra de mantenimiento de emergencia y el precio de una imagen negativa entre los profesionales. La refrigeración correcta no es algo que cueste, sino una póliza de seguro.

Factores clave que determinan su solución ideal

Debe tomar una decisión antes de poder seleccionar un método. El emplazamiento de su recinto, los objetos y el mobiliario circundante son todos los indicadores que necesita para tomar la decisión correcta. A continuación se enumeran los tres factores innegociables que hay que analizar.

Calcular la carga térmica: el primer paso para dimensionar el sistema

Es imposible resolver un problema que no se ha medido. Su carga térmica es la suma total de calor (en vatios o BTU/hora) que su solución térmica debe enfriar para mantener la temperatura objetivo.

Esta estimación consta de dos variables importantes:

1. Carga térmica interna ($Q_{internal}$): Este valor es la cantidad de calor que pierden los componentes internos del armario. Todos los VDF, fuentes de alimentación, PLC y transformadores generan algo de calor residual. Busca en las hojas de datos de los componentes sus "cifras de disipación de calor" o cifras de pérdida de eficiencia, en vatios.
2. Transferencia de calor externa ($Q_{external}$): Es el calor que se transmite a través de las paredes del recinto. Lo determinan la superficie (A) del cerramiento, la conductividad térmica (valor U) del material y la diferencia de temperatura entre el aire ambiente exterior y la temperatura interior que se desea alcanzar.

La expresión formal es intrincada, aunque la cuestión no es complicada:

1TP4Carga térmica total = Q_{interno} + Q_{externo}$otal + Q_{externo}$

Cuando la temperatura exterior supera la temperatura interior deseada, la envolvente absorbe calor debido al ambiente exterior a la envolvente (o lo que es lo mismo, Qexterior). Cuando la temperatura ambiente es inferior, la carcasa irradia calor al entorno, es decir, la carcasa irradia para enfriarse (Qexterno es negativo).

Bucle abierto frente a bucle cerrado: ¿Es necesario sellar su entorno?

Podría decirse que es la mejor decisión que puede tomar.

• Refrigeración de circuito abierto: Este método utiliza el aire ambiente del exterior del armario. Aspira aire ambiente más frío y expulsa el aire interior caliente.
  • Pros: Sencillo, extremadamente ahorrador de energía y muy barato.
  • Contras: Corta lo que haya en el aire circundante: polvo, humedad, neblina de aceite o partículas conductoras en su recinto.
  • Ejemplos: Ventiladores de filtro, respiraderos.
• Refrigeración de circuito cerrado: Es una técnica que encierra el recinto del mundo exterior. Hace circular el aire dentro del armario para enfriar el aire que ya existe en él.
  • Pros: Proporciona la máxima protección posible a las piezas en condiciones de suciedad, humedad o lavado.
  • Contras: Más complicado, caro de adquirir y consume más energía.
  • Ejemplos: Acondicionadores de aire, intercambiadores de calor aire-aire.

¿Qué hay en el aire de mi recinto? Si la respuesta no es afirmativa, es decir, aire limpio y seco, hay que pensar seriamente en un sistema de circuito cerrado.

Conozca las clasificaciones NEMA y su entorno

Clasificación NEMA (Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos) especifican el grado de protección ambiental de una envolvente. Esta clasificación está directamente relacionada con si es de circuito abierto o cerrado.

No se puede hacer un agujero en un Carcasa NEMA 4poner un ventilador dentro y esperar que conserve su designación. La solución térmica que se utilice no debe tener una clasificación NEMA inferior a la de la caja.

La explicación simplificada de cómo las clasificaciones NEMA pueden afectar a su decisión es la siguiente:

La selección de una solución de refrigeración que tenga una clasificación NEMA inferior a la de la caja comprometerá la protección de todo el sistema.

Método 1: Acondicionadores de aire para armarios

Las herramientas de gestión térmica más potentes son los acondicionadores de aire para armarios. Se trata de sistemas activos de circuito cerrado que funcionan con un ciclo de refrigerante (compresor, condensador y evaporador) para enfriar activamente el aire del armario.

Cómo funcionan: Atraen el aire caliente del armario a través de una batería fría formada por un evaporador para extraer el calor y la humedad, tras lo cual el aire frío y seco vuelve a circular. Otro bucle de ventilador externo impulsa el aire ambiente sobre las bobinas calientes del condensador para expulsar el calor captado.

• Pros:
  • Alta capacidad de refrigeración: Puede hacer frente a cargas de calor extremadamente grandes (miles de BTU/h).
  • Refrigeración por subambiente: Esta es su particularidad. La única forma de conseguirlo es mediante un aire acondicionado capaz de enfriar la parte interior de un armario a temperaturas inferiores a la temperatura ambiente exterior.
  • Mantiene el sello: Disponen de una junta NEMA 4/4X, que se instala correctamente para garantizar que se adaptan a las condiciones de lavado o corrosión.
• Contras:
  • Alto coste de compra: Es la solución más cara a corto plazo.
  • Alto coste de explotación: Un sistema basado en compresores tiene un elevado consumo de energía.
  • Mantenimiento: Es necesario limpiar con frecuencia los filtros; el sistema compresor/refrigerante tiene una vida útil limitada y su mantenimiento es costoso.

  Lo mejor para: Las cargas térmicas internas son elevadas, las temperaturas ambiente son invariablemente superiores a su temperatura interna objetivo y se le exige una aplicación NEMA 4/4X (lavado/corrosivo).

Método 2: Intercambiadores de calor aire-aire

Un intercambiador de calor es un ingenioso circuito cerrado que sirve de separador térmico. Aprovecha la diferencia de temperatura entre el aire del interior y el del exterior y nunca permite que se mezclen las dos corrientes de aire.

Cómo funcionan: Utiliza dos circuitos de ventilación distintos. Un circuito impulsa el aire caliente interior a través de un núcleo de transferencia de calor (normalmente una secuencia de placas o tubos). El otro circuito aspira aire ambiente, que está más frío al otro lado del núcleo. De este modo, el aire caliente interior se calienta y el aire ambiente más frío se introduce en el armario.

• Pros:
  • Mantiene el sello: Una verdadera solución de circuito cerrado que mantiene las clasificaciones NEMA 4/4X.
  • Bajo coste de explotación: Ahorra mucha más energía que un aire acondicionado porque sólo tiene dos ventiladores pequeños.
  • Bajo mantenimiento: Sin refrigerante, sin compresor, sin filtro (sellado interior).
• Contras:
  • Dependiente del ambiente: Es incapaz de enfriarse en el entorno a una temperatura inferior a la del exterior. Necesita una diferencia de temperatura ventajosa para funcionar.
  • Capacidad inferior: No es adecuado en caso de cargas térmicas muy elevadas.

    Lo mejor para: Condiciones NEMA 4/4X en las que el aire circundante tiene una temperatura inferior a la temperatura interna deseada, y es esencial mantener el polvo o el agua alejados.

Método 3: Ventiladores de filtro y convección forzada

Este es el enfoque más extendido y erróneo. A ventilador con filtro es un diseño de circuito abierto que detecta la convección forzada: utiliza el aire circundante como sustancia refrigerante.

Cómo funcionan: En la parte inferior de la carcasa se instala un ventilador (que suele incluir un filtro) que aspira aire más fresco del ambiente. Así se establece una presión positiva, y el aire caliente que asciende a la parte superior se ve obligado a salir por un respiradero (también filtrado).

• Pros:
  • Coste extremadamente bajo: El coste de adquisición, así como los costes de funcionamiento, son muy inferiores a los de las soluciones de aire acondicionado o intercambiador de calor.
  • Muy eficiente energéticamente: Funciona con un ventilador de bajo consumo.
  • Sencillo y fiable: La instalación es fácil, y todo lo que hay que hacer es sustituir la almohadilla filtrante.
• Contras:
  • Bucle abierto: Introduce aire ambiente, por lo que no es apto para NEMA 4/4X.
  • Dependiente del ambiente: Es similar a un intercambiador de calor, y sólo puede enfriar hasta una proximidad de la temperatura ambiente. No puede enfriar por debajo de la temperatura ambiente.
  • Requiere aire limpio: En caso de un entorno muy polvoriento o aceitoso, los filtros se obstruirán pronto y necesitarán mucha limpieza.

  Lo mejor para: Condiciones NEMA 1, 12 o 3R cuando el aire circundante está relativamente limpio y a una temperatura significativamente inferior a la temperatura interna deseada.

Método 4: Otras soluciones

En el caso de casos especiales, se trata de otras tecnologías:

• Refrigeradores termoeléctricos (Peltier): Se trata de refrigeradores de circuito cerrado, de estado sólido, que se basan en el efecto Peltier para intercambiar calor. Son fiables, no contienen piezas móviles (sólo algunos ventiladores pequeños) y pueden ser muy precisos. Sin embargo, son caros y menos eficaces, por lo que son adecuados para recintos pequeños o para refrigerar elementos importantes.
• Enfriadores Vortex: Se trata de refrigeradores que emplean el flujo de aire a presión y hacen girar el aire para dividirlo en corrientes de aire caliente y frío. El aire frío se introduce a presión en la cámara. Ofrecen una refrigeración inmediata e intensa y pueden utilizarse en condiciones extremas (alta temperatura, suciedad), pero son extremadamente ineficaces (ruidosos) y muy caros, ya que utilizan grandes cantidades de aire comprimido.
• Calentadores de armarios: Hay casos en los que el problema no es el calor, sino el frío. Las bajas temperaturas también pueden provocar un cortocircuito por condensación (humedad) en los componentes en espacios exteriores o no acondicionados. Para que la temperatura no descienda hasta el punto de rocío se utiliza un pequeño calentador, normalmente combinado con un termostato o higrostato.

La elección inteligente: Por qué un ventilador suele ser el método adecuado

Una vez que se han estudiado todas las soluciones de bucle cerrado de alta tecnología, se puede diseñar demasiado la solución. Pero veamos los datos.

El aire ambiente de un entorno interior típico, como una sala de control, la planta de una fábrica (sin lavado) o un armario informático, está climatizado a una temperatura agradable de entre 20 y 25 °C (68-77 °F).

Ahora, vea los valores nominales de sus componentes. La temperatura de funcionamiento segura de un VFD o PLC es de 50 °C (122 °F) o incluso de 60 °C (140 °F). Para estar seguro y durar mucho tiempo, tiene un punto de ajuste de la temperatura interna de su armario a 35-40 °C (95-104 °F).

Esto implica que el aire ambiente contendrá una diferencia fija de 10-15 °C de temperatura entre la temperatura objetivo y el aire ambiente.

En tal caso, es gigantesco gastarse miles de dólares en un aparato de aire acondicionado (método 1) para convertir tu armario en un frigorífico. No tendrías que calentar el aire de la habitación; bastaría con bombear el aire caliente y obtener el aire ambiente frío disponible.

Por eso, un simple ventilador de filtro (método 3) suele ser la decisión de ingeniería más inteligente. No sólo es la más barata, sino también la más rentable y eficiente energéticamente. Proporciona el rendimiento preciso requerido en la aplicación con el mínimo coste total de propiedad (TCO) posible.

Cómo ACDCFAN resuelve sus problemas de dimensionamiento y puntos calientes

Sin embargo, una cosa es concluir que un ventilador es la forma correcta. No se trata sólo del caudal total de aire (CFM), sino de la distribución de ese aire y de su fiabilidad en el movimiento. Un ventilador que cuesta mucho, pero es de baja calidad y deja de funcionar en seis meses, no es una solución.

Aquí es donde la ventaja crítica la hace un especialista en ventiladores como ACDCFAN.

• Fiabilidad sobre la que se puede construir: Al menos, un ventilador es un dispositivo mecánico. Su aspecto más pobre es su rodamiento. Por eso nuestros ventiladores están fabricados con rodamientos dobles de bolas de alta precisión, y tienen una vida útil de más de 70.000 horas. No se trata simplemente de la compra de flujo de aire, sino de años de tiempo de actividad constante y sin paradas.
• Refrigeración inteligente a la carta: ¿Por qué hacer funcionar un ventilador a 100 MW las 24 horas del día? Es un derroche de energía y un ruido innecesario. Nuestros ventiladores EC (Electronically Commutated) de alta tecnología disponen de control de velocidad inteligente PWM (Pulse Width Modulation). Están conectados al termostato de su sistema para ofrecer refrigeración inteligente bajo demanda: funcionan silenciosamente a baja velocidad cuando las cargas son ligeras y sólo aumentan su potencia cuando sus variadores de frecuencia necesitan toda la potencia. Es el método de control térmico más eficiente y silencioso.
• Ventiladores en condiciones extremas: ¿Cree que un ventilador es demasiado pequeño para trabajar con un armario exterior NEMA 3R o un suelo de procesamiento húmedo? Piénselo otra vez. Los ventiladores con clasificación IP68 están completamente cerrados y cuentan con la certificación de ausencia total de fugas de polvo, y no pueden sumergirse en agua durante un periodo de tiempo prolongado; por lo tanto, funcionan a su capacidad óptima en elevaciones elevadas o en zonas de alta humedad.
• El ventilador adecuado para ti: Tenemos todas las soluciones para cualquier requisito: un pequeño ventilador de CA o un gran soplante de CC con alta presión estática o un ventilador inteligente de CE con requisitos de bajo consumo energético (todos ellos certificados según las normas ISO, CE, UL y TUV). En caso de una necesidad OEM especial, podemos proporcionar una versión aproximada de una solución especialmente adaptada en un plazo de 10 días.

Cuadro comparativo de referencia rápida para todos los métodos

Para ayudarle a reducir la elección final, esta tabla le permite comparar las ventajas y desventajas más significativas de cada método de control de temperatura de armarios.

Conclusión

Elegir el método adecuado para controlar la temperatura de un recinto es un acto de equilibrio. Requiere una evaluación honesta del entorno, un cálculo cuidadoso de la carga térmica y una visión clara del presupuesto, no sólo para la compra inicial, sino para toda la vida útil del sistema.

Un aire acondicionado potente tiene su lugar, pero en un número sorprendente de aplicaciones, es una solución cara e ineficaz para un problema que puede resolverse con un flujo de aire inteligente.

Antes de especificar ese costoso sistema de circuito cerrado, compruebe su $\Delta T$. Analice la calidad de su aire. A menudo se dará cuenta de que una solución de convección forzada más sencilla, fiable y energéticamente más eficiente es la mejor opción financiera y de ingeniería.

Elegir el método adecuado puede ser complejo, pero no tiene por qué hacerlo solo. Si busca una solución de ventiladores fiable, eficiente y duradera para proteger sus activos críticos, póngase en contacto hoy mismo con los expertos en gestión térmica de ACDCFAN. Le ayudaremos a analizar sus necesidades y a encontrar la solución perfecta.