Cálculos de ventoinhas de arrefecimento de armários: Um guia passo-a-passo

O calor é o assassino silencioso no mundo da automação industrial e da engenharia eléctrica. Independentemente do tipo de armário de distribuição de energia de alta tensão em que esteja a trabalhar, ou do tipo de painel de controlo apertado que esteja a manipular numa linha de produção, a temperatura do interior do seu armário é diretamente proporcional à vida e à estabilidade das suas peças. Mesmo um aumento de temperatura de 10°C (18°F) nos componentes electrónicos sensíveis, como os variadores de frequência (VFDs) e os controladores lógicos programáveis (PLCs), pode efetivamente reduzir para metade o tempo médio entre falhas (MTBF).

A gestão térmica não pode ser uma questão de adivinhação, mas sim uma ciência que se baseia na convecção forçada. Embora um condicionador de ar especial possa eventualmente ser necessário em algumas das configurações de alto calor, a grande maioria das aplicações industriais pode ser controlada eficientemente com ventiladores de tamanho adequado. Passo a passo Este guia oferece um passo a passo profissional e detalhado do cálculo de uma ventoinha de arrefecimento de um armário, de modo a obter a quantidade adequada de caudal de ar para garantir que a integridade do sistema não é comprometida, bem como para evitar as armadilhas da sobreengenharia ou, pior ainda, do subarrefecimento.

Porque é que os cálculos térmicos precisos são importantes

Qual é o objetivo do cálculo e não apenas colocar a maior ventoinha possível para caber no recorte? A exatidão na gestão térmica responde a três necessidades comerciais importantes: Fiabilidade, eficiência e controlo de custos.

1. Longevidade do componente: Os semicondutores são muito sensíveis ao stress térmico. A precisão dos cálculos de arrefecimento de armários eléctricos garante que os pontos quentes internos são restringidos, de modo a que as peças funcionem dentro do seu ótimo térmico.
2. Tempo de funcionamento: Os disparos térmicos e as paragens infelizes podem custar a uma fábrica milhares de dólares por hora. Existem os cálculos corretos para obter o teto de segurança necessário para acomodar as temperaturas ambiente máximas do verão.
3. Evitar a especificação excessiva: As ventoinhas maiores consomem mais energia, produzem mais ruído e, acima de tudo, trazem mais pó e contaminantes. Calculando o CFM (pés cúbicos por minuto) exato, maximiza-se o ciclo de manutenção do filtro e o consumo de energia.

Passo 1: Cálculo da carga térmica total (Watts)

Em qualquer cálculo de um ventilador de refrigeração de armários, é necessário determinar primeiro a quantidade total de calor (Q) a ser descarregada. Este calor é obtido através de duas fontes principais, nomeadamente a dissipação interna de energia e os ganhos ambientais externos.

1. Dissipação de potência dos componentes internos

Qualquer aparelho eletrónico tem a sua taxa de eficiência. A energia que não é convertida em trabalho é emitida sob a forma de calor. Para determinar a carga térmica interna total (P-interna), deve somar-se a soma dos valores da dissipação de calor de cada componente.

• VFDs e Inversores: São normalmente as maiores fontes de calor. A regra geral é que a quantidade de calor dissipado é de 2% a 3% da potência nominal. No caso de uma unidade de 10 kW, ou seja, 200-300 Watts de calor.
• Fontes de alimentação: Examine a eficiência. Uma fonte de alimentação de 500W tem 100W de calor a plena carga e tem uma eficiência de 80%.
• Transformadores, Indutores: Muitas vezes, estes dispositivos incluem determinados valores de perda de calor nas suas fichas de dados.
• PLCs e E/S: São normalmente mais baixos, mas em bastidores densos podem ser significativos (por exemplo, 10-50 Watts).

Dica: Não especificar a potência nominal na placa de identificação, mas sim a dissipação de calor ou a perda de potência no manual técnico.

2. Considerando a carga solar e o calor radiante

Desde que o seu armário esteja ao ar livre ou perto de um forno, o ambiente circundante irá proporcionar um efeito de aquecimento à área de superfície do armário. Este é o Q-env ou o Ganho de Calor Ambiental.

A equação simplista do ganho solar é:

Q-solar = A × α × S

Onde:

• A = Superfície exposta (m² ou ft²).
• α (alfa) = Coeficiente de absorção (dependente da cor do armário).
• S = Intensidade solar (tipicamente 500-1000 W/m² dependendo da latitude).

Quadro 1: Coeficientes de absorção solar (α) para diferentes superfícies de envolvente

Passo 2: Determinar o seu Delta T pretendido (ΔT)

A diferença entre a temperatura interna máxima admissível (T-interna) e a temperatura ambiente (externa) máxima prevista (T-ambiente) é designada por delta T (ΔT).

ΔT = T-interno - T-ambiente

• T-interno: Normalmente definido para 35°C ou 40°C (95°F a 104°F) para a maioria dos componentes electrónicos industriais.
• T-ambiente: Tem de ser concebido para o pior cenário possível. Em agosto, quando a temperatura máxima do ar ambiente na sua fábrica é de 30 °C, então essa é a sua temperatura ambiente.

O ΔT mais pequeno deve ter uma quantidade de ar muito maior. Supondo que a temperatura ambiente é de 35°C e que pretende que a temperatura interna seja de 40°C, o seu DT é de apenas 5°C. Para isso, é necessário um ventilador extremamente potente em comparação com um ΔT de 15°C.

Passo 4: A fórmula principal - Converter Watts em CFM

Depois de obter a sua carga térmica total (P em Watts) e o seu ΔT, pode utilizar a fórmula que pode ser encontrada na indústria principal para calcular o fornecimento de ar necessário.

A Fórmula Imperial:

CFM = (3,17 × P-Watts) / ΔT-°F

A Fórmula Métrica:

m³/h = (3,1 × P-Watts) / ΔT-°C

Exemplo de cálculo:

Considere um armário que tem uma carga térmica acumulada de 600 Watts. A temperatura ambiente mais elevada é 30°Ce pretende-se manter a temperatura interna a 40°C.

1. ΔT = 40 - 30 = 10°C.
2. Utilizando a fórmula métrica: m³/h = (3,1 × 600) / 10 = 186 m³/h.
3. Para converter para CFM: 186 × 0,588 = 109,3 CFM.

Nesta fase, a maioria dos amadores compra apenas uma ventoinha de 110 CFM. Isto é um erro. É preciso ter em conta a resistência da caixa no mundo real.

Passo 5: Ter em conta a pressão estática e a resistência do sistema

Nos cálculos das ventoinhas de arrefecimento de armários, a classificação de CFM da caixa da ventoinha é o caudal de ar livre - ou seja, a ventoinha está suspensa num ar livre sem arrastamento. Dentro de um armário, o ar tem de se debater através de filtros, à volta de imponentes feixes de fios e sobre objectos de grandes dimensões. Esta resistência é designada por Pressão estática (Ps).

Como estimar os requisitos de pressão estática

O cálculo exato da pressão estática é possível através da utilização de software CFD complicado. No entanto, na maioria das aplicações, utilizamos um Fator de Impedância.

• Baixa impedância: Caixa grande, componentes esparsos, sem filtros. (Perda: ~10-15%)
• Impedância média: Painel de controlo normalizado com filtros de pó básicos. (Perda: ~30-40%)
• Impedância elevada: Componentes de alta densidade, filtros HEPA finos ou trajectos de ar complicados. (Perda: ~50-70%)

Com um exemplo em que é necessário atingir 110 CFM e tem um filtro padrão (impedância média), iria procurar um ventilador que pudesse fornecer 110 CFM a uma determinada pressão estática, ou poderia encontrar um ventilador de ar livre que pudesse fornecer 160-170 CFM para compensar a queda.

Leitura das curvas de desempenho da ventoinha

Todos os fabricantes de ventiladores profissionais têm uma curva P-Q (Pressão vs. Caudal).

1. Eixo X: Caudal de ar (CFM).
2. Eixo Y: Pressão estática (In-H2O ou Pa). O desempenho real do ventilador será um ponto nessa curva. A área alta da curva que se pretende ter é na zona de elevada eficiência e não nos extremos, onde a ventoinha é bastante ruidosa e ineficiente.

Se estiver interessado em mais pormenores sobre a curva de desempenho, consulte o nosso blogue anterior aqui!

Erros de cálculo comuns e como evitá-los

As fórmulas acima não estão isentas de erros, mesmo com erros. Os erros mais comuns com que os engenheiros têm de lidar são:

1. Desconsiderar a altitude: A densidade do ar em altitudes elevadas é menor. Quando o seu armário está situado num local de grande altitude, necessita de cerca de 20% mais CFM para obter o mesmo nível de arrefecimento que o obtido ao nível do mar.
2. Falta de atenção à densidade/umidade do ar: Uma humidade excessiva pode alterar a capacidade do ar para absorver o calor.
3. A armadilha de escape de um para um: Com um grande ventilador de entrada e um pequeno exaustor limitador, a pressão estática dispara para o teto e o ventilador desliga-se numa tentativa inútil de gerar movimento no ar.

Por conseguinte, a gestão térmica é mais uma arte do que uma ciência. Embora se baseie em fórmulas, é a seleção de um parceiro de fabrico de confiança que garante o sucesso futuro. Um fabricante profissional não se limita a vender-lhe uma peça, mas conhece também as especificidades da densidade do ar, a fricção dos rolamentos e o binário do motor. Quando os riscos são grandes, como as redes eléctricas ou o fabrico de precisão, pode contar com um fabricante com um pedigree de engenharia estabelecido como a melhor precaução que pode calcular.

Selecionar o tipo de ventilador certo para a sua aplicação

A seleção da tecnologia do ventilador não é menos importante do que o próprio cálculo. Quer se opte por CA, CC ou mesmo o mais recente Tecnologia CE determinará a dimensão da pegada energética do seu armário e as capacidades de controlo.

Tabela 2: Comparação de tipos de ventiladores para armários industriais

O hardware não deve ser irrelevante para a matemática das ventoinhas de arrefecimento de armários para transformar os seus cálculos em realidade. O ACDCFAN centra-se em ventiladores de refrigeração soluções de refrigeração de média e pequena dimensão concebido para resistir aos ambientes mais exigentes.

• Hardware de alta qualidade: Os nossos quadros são concebidos com liga de alumínio ADC-12, com teor de cobre 3-5%, e garantem uma boa rigidez e dissipação de calor em comparação com as alternativas de plástico.
• Fiabilidade extrema: As nossas ventoinhas são fabricadas com rolamentos de NMB japonês (70 000 horas de vida útil) e fio de cobre de classe H (180 °C), o que significa que podem mesmo viver no próprio calor que foram concebidas para eliminar.
• Proteção robusta: Quando se trata de aplicações costeiras ou em altitudes elevadas, os nossos ventiladores com classificação IP68 e acabamentos anti-corrosão de grau C5 superam os outros até ao fracasso.
• Logística rápida: Erradicamos os períodos de inatividade, sendo que a capacidade mensal das nossas unidades CC/CE é de 80 mil, e a nossa entrega de 7 dias é feita em 80% da nossa linha CA.

Ferramentas e recursos para simplificar os seus cálculos

Não precisa de fazer tudo com papel e caneta. Para verificar a sua matemática, pode recorrer a vários recursos:

• Calculadoras de arrefecimento online: Vários fabricantes de armários fornecem calculadoras baseadas na Web, nas quais se introduzem os componentes e se fornece o CFM. Pode obter acesso a uma calculadora de arrefecimento de armários clicando em aqui.

Fonte: Calculadora térmica SCE

• Normas NEMA e IEC: NEMA 250 ou IEC 60529 deve ser consultada para se obter uma escolha adequada do ventilador e do filtro, para não degradar a classificação ambiental do armário (por exemplo, NEMA 12 ou IP54).
• Curvas PQ por fabricante: Sempre que estiver a planear comprar um modelo de ventilador, descarregue a ficha de dados exacta em PDF do modelo de ventilador para garantir que funciona corretamente sob pressão.

Otimização dos padrões de fluxo de ar no interior do armário

Os cálculos da ventoinha de arrefecimento de armários mais eficientes do mundo não ajudam um armário quando o ar não passa pelos locais corretos.

O método "Push" vs. "Pull

• Pressão positiva (empurrar o ar para dentro): Isto é feito colocando a ventoinha na entrada inferior e fixando um filtro, o que cria uma pressão positiva. Isto empurra o ar para fora de todas as aberturas e juntas, e impede que o pó que não é filtrado entre no armário. Este é o procedimento industrial mais favorável.
• Pressão negativa (extração de ar): Ao colocar a ventoinha no suporte superior, o ar pode ser empurrado para fora. Isto é mais eficaz na eliminação de bolsas de ar quente, mas pode soprar pó através de juntas de portas não seladas.

Colocação estratégica para evitar curto-circuito de ar

Quando a admissão e o escape estão demasiado próximos um do outro, podem ocorrer casos de curto-circuito do ar. Não existe qualquer contacto entre o ar frio e o VFD ou a fonte de alimentação.

• Regra de ouro: Coloque a entrada de ar na parte inferior e o escape no canto superior oposto. A circulação de ar no armário deve ser feita na diagonal em todas as direcções.

Conclusão

Uma boa gestão térmica é um equilíbrio entre cálculos meticulosos de arrefecimento do armário elétrico e hardware de qualidade. Estes passos: estimar a carga térmica global, estabelecer um ΔT exequível e considerar uma pressão estática realista do armário, permitir-lhe-ão sair do mundo das conjecturas e entrar no mundo da certeza da engenharia.

É importante lembrar que uma ventoinha de arrefecimento não é apenas uma peça rotativa de pás; é a política de todo o sistema de controlo. A escolha de um ventilador de qualquer fabricante profissional, que dê ênfase à utilização de uma estrutura melhorada, rolamentos fiáveis e segurança ambiental extrema, é uma garantia de que os valores que elaborou no papel serão transformados em anos de trabalho dedicado no terreno.

Está preparado para implementar a sua estratégia térmica? Certifique-se de que o seu próximo projeto será apoiado pelas ventoinhas de arrefecimento de média a pequena dimensão mais potentes da indústria.