Controlo da temperatura do armário: Escolher o método correto

Introdução

O silêncio é um mau presságio no mundo da automação industrial e das infra-estruturas de dados. Até mesmo um painel de controlo silencioso não implica necessariamente eficiência, mas pode ser uma chatice quando algum processo vital abranda. O vilão é normalmente um perigo sinistro, invisível, uma ameaça. Um drive que tropeça, um PLC com defeito, uma fonte de alimentação que falha; estes não são acidentes. São os sinais de um controlo mal sucedido da temperatura no interior dos armários.

A seleção de uma solução de gestão térmica não é mais um item numa lista de materiais. É uma escolha de vida ou morte que tem um efeito direto na fiabilidade operacional, no ciclo de vida dos componentes e no seu custo global de propriedade (TCO). No entanto, a maioria dos engenheiros é culpada de uma das seguintes situações: Ou sobreespecificam, ou seja, colocam um ar condicionado caro e que consome muita energia quando tudo o que é necessário é uma ventoinha, ou subespecificam, ou seja, esperam que a sala se arrefeça a si própria, o que é praticamente certo que causará tempo de inatividade no futuro.

O tamanho único é o segredo do fracasso. A solução mais cara não é necessariamente a melhor, e a mais acessível nunca foi a mais económica.

Isto serve para o orientar nas suas escolhas. Vamos ultrapassar os argumentos de marketing para examinar os factores fundamentais que devem estar por detrás da sua decisão. Compararemos as principais formas de controlar a temperatura do armário, ou seja, desde os aparelhos de ar condicionado até aos ventiladores com filtro, para que possa encontrar o melhor equilíbrio entre proteção, desempenho e custo.

O que acontece quando os aparelhos electrónicos sobreaquecem

A importância da gestão térmica só é alcançável quando começamos por perceber os danos causados pelo calor. Os componentes electrónicos, como os microprocessadores, até aos condensadores, estão sujeitos às leis da física. A mais conhecida é a equação de Arrhenius, que no mundo da eletrónica se converte numa desanimadora lei do polegar:

Cada aumento de 10 °C (18 °F) na temperatura de funcionamento para além da temperatura de funcionamento nominal diminui a fiabilidade a longo prazo dos componentes electrónicos por um fator de 50.

Não se trata de uma queda em linha reta, mas sim de uma queda exponencial. Uma unidade de 10 anos especificada a 25 °C (77 °F) só pode ter uma vida útil de 5 anos a 35 °C (95 °F) e apenas 2,5 anos a 45 °C (113 °F).

Este calor adicional gera uma reação em cadeia de males antes de um elemento ficar morto:

• Accionamentos de frequência variável (VFDs): Sendo provavelmente o elemento mais delicado, têm tendência a disparar por engano em caso de falha por excesso de temperatura para se autoprotegerem. Isto pára o seu motor, o seu transportador ou a sua bomba, causando um tempo de inatividade não planeado.
• Controladores lógicos programáveis (PLCs): Quando um processador sobreaquece, pode fazer com que o PLC actue de forma errática, provoque erros de processamento ou sofra as chamadas falhas fantasma, que são muito difíceis de depurar.
• Fontes de alimentação: Os condensadores são sensíveis ao calor. A fonte de alimentação quente não será capaz de fornecer uma tensão constante e, portanto, sofrerá uma queda de tensão, o que pode resultar na reinicialização ou falha de outros componentes dentro do armário.
• HMIs e ecrãs: É possível observar que os ecrãs se desvanecem, cintilam ou ficam inactivos muito antes de se desligarem para sempre.

O preço de uma falha no controlo da temperatura do armário nunca inclui o custo de uma peça de substituição. É o preço das horas ou mesmo dias de produção perdidos, o preço da mão de obra de manutenção de emergência e o preço de uma imagem negativa entre os profissionais. O arrefecimento correto não é algo que custa, mas uma apólice de seguro.

Factores-chave que determinam a sua solução ideal

Deve tomar uma decisão antes de poder selecionar um método. O local do seu recinto, os objectos e o mobiliário circundante são os indicadores necessários para tomar a decisão correta. Seguem-se os três factores não negociáveis que devem ser analisados.

Cálculo da carga térmica: o primeiro passo para o dimensionamento

É impossível resolver um problema que não tenha sido medido. A sua carga térmica é a soma agregada de calor (em Watts ou BTU/hr) que a sua solução térmica deve arrefecer para manter a sua temperatura alvo.

Esta estimativa é constituída por duas variáveis importantes:

1. Carga térmica interna ($Q_{internal}$): Este valor corresponde à quantidade de calor perdida pelos componentes internos do armário. Todos os VDFs, fontes de alimentação, PLCs e transformadores geram algum calor residual. Consulte as folhas de dados dos componentes para encontrar os seus "valores de dissipação de calor" ou valores de perda de eficiência, em Watts.
2. Transferência de calor externa ($Q_{external}$): É o calor que é transferido através das paredes do armário. A área da superfície (A) do armário, a condutividade térmica (valor U) do material e a diferença de temperatura entre o ar ambiente exterior e o que se pretende obter como temperatura interna determinam este valor.

A expressão formal é complexa, mas o objetivo não é complicado:

$Total da carga térmica = Q_{interno} + Q_{externo}$

Quando a temperatura externa excede a temperatura interna pretendida, o armário absorve calor devido ao ambiente exterior ao armário (ou, por outras palavras, Qexterno). Quando a temperatura ambiente é inferior, o armário irradia calor para o ambiente, ou seja, o armário está a irradiar para arrefecer (Q externo é negativo).

Circuito Aberto vs. Circuito Fechado: O seu ambiente precisa de ser selado?

Esta é, sem dúvida, a melhor decisão que irá tomar.

• Arrefecimento de circuito aberto: Este método utiliza o ar ambiente no exterior do armário. Aspira o ar ambiente mais frio e expele o ar interno quente.
  • Prós: Simples, extremamente económico em termos de energia e extremamente barato.
  • Contras: Corta o que quer que esteja no ar circundante - poeira, humidade, névoa de óleo ou partículas condutoras para o seu compartimento.
  • Exemplos: Ventiladores com filtro, respiradouros.
• Arrefecimento de circuito fechado: É uma técnica que protege o armário do mundo exterior. Faz circular o ar no interior do armário para arrefecer o ar que já lá existe.
  • Prós: Proporciona a maior proteção possível às peças em condições de sujidade, humidade ou lavagem.
  • Contras: Mais complicado, caro de adquirir e consome mais energia.
  • Exemplos: Condicionadores de ar, permutadores de calor ar-ar.

O que é que o meu recinto tem no ar? Quando a resposta não é afirmativa, ou seja, ar limpo e seco, é preciso pensar seriamente num sistema de circuito fechado.

Compreender as classificações NEMA e o seu ambiente

Classificações NEMA (Associação Nacional de Fabricantes Eléctricos) especificam o grau de proteção ambiental de um armário. Esta classificação está diretamente relacionada com o facto de se tratar de um sistema de circuito aberto ou fechado.

Não se pode simplesmente fazer um furo num Caixa NEMA 4A solução térmica a utilizar não deve ter uma classificação NEMA inferior à do armário. A solução térmica a utilizar não deve ter uma classificação NEMA inferior à do armário.

A explicação simplificada de como as classificações NEMA podem afetar a sua decisão é a seguinte:

A seleção de uma solução de arrefecimento com uma classificação NEMA inferior à do armário comprometerá a proteção de todo o sistema.

Método 1: Condicionadores de ar para recintos fechados

As ferramentas de gestão térmica mais importantes são os aparelhos de ar condicionado para armários. Trata-se de sistemas activos de circuito fechado, que funcionam com base num ciclo de refrigerante (um compressor, condensador e evaporador) para arrefecer ativamente o ar no armário.

Como funcionam: O ar quente do armário passa por uma serpentina fria composta por um evaporador para extrair o calor e a humidade, após o que o ar frio e seco volta a circular. Outro circuito de ventilação externo força o ar ambiente sobre as bobinas quentes do condensador para expelir o calor que foi captado.

• Prós:
  • Elevada capacidade de arrefecimento: Pode lidar com cargas de calor extremamente elevadas (milhares de BTU/h).
  • Arrefecimento Sub-Ambiente: Esta é a sua caraterística especial. A única forma de o conseguir é através de um ar condicionado que possa arrefecer o lado interior de um armário a temperaturas mais baixas do que a temperatura ambiente exterior.
  • Mantém a vedação: Possuem uma vedação NEMA 4/4X, que é corretamente instalada para garantir a sua adequação às condições de lavagem ou corrosão.
• Contras:
  • Custo de aquisição elevado: Esta é a solução mais dispendiosa a curto prazo.
  • Custo operacional elevado: Um sistema baseado num compressor tem um elevado consumo de energia.
  • Manutenção: É necessária uma limpeza frequente dos filtros; o sistema compressor/refrigerante tem uma vida útil limitada e a sua manutenção é dispendiosa.

  Melhor para: As cargas de calor internas são elevadas, as temperaturas ambientes são invariavelmente superiores à temperatura interna pretendida e é necessário utilizar a aplicação NEMA 4/4X (lavagem/corrosão).

Método 2: Permutadores de calor ar-ar

Um permutador de calor é um engenhoso circuito fechado que funciona como um separador de calor. Aproveita a diferença de temperatura entre o ar interior e o ar exterior e nunca permite que as duas correntes de ar se misturem.

Como funcionam: Utiliza dois circuitos de ventilação distintos. O ar quente interno é forçado a passar por um núcleo de transferência de calor (normalmente uma sequência de placas ou tubos) através de um circuito. O outro circuito aspira o ar ambiente, que é mais frio do outro lado do núcleo. O ar interno quente é aquecido, e o ar ambiente mais frio é introduzido no armário por este processo.

• Prós:
  • Mantém a vedação: Uma verdadeira solução de circuito fechado que mantém as classificações NEMA 4/4X.
  • Baixo custo operacional: É muito mais económico em termos de energia do que um ar condicionado, uma vez que possui apenas duas pequenas ventoinhas.
  • Manutenção reduzida: Sem refrigerante, sem compressor, sem filtro (selado no interior).
• Contras:
  • Dependente do ambiente: Não é capaz de arrefecer no ambiente a uma temperatura inferior à do exterior. Necessita de uma diferença de temperatura vantajosa para poder funcionar.
  • Capacidade inferior: Não é adequado no caso de cargas térmicas muito elevadas.

    Melhor para: NEMA 4/4X condições em que o ar circundante tem uma temperatura inferior à temperatura interna desejada e é essencial manter o pó ou a água afastados.

Método 3: Ventiladores com filtro e convecção forçada

Esta é a abordagem mais difundida e errónea. A ventilador com filtro é uma conceção de circuito aberto que detecta a convecção forçada - utiliza o ar circundante como substância de arrefecimento.

Como funcionam: Na parte inferior do armário está instalado um ventilador (normalmente com filtro) que aspira o ar fresco do ambiente. Isto estabelece uma pressão positiva e o ar quente que sobe para o topo é forçado a sair através de uma saída de ar (também filtrada).

• Prós:
  • Custo extremamente baixo: O custo de aquisição, bem como os custos de funcionamento, são muito inferiores aos das soluções de ar condicionado ou de permutador de calor.
  • Muito eficiente em termos energéticos: Funciona com uma ventoinha de baixa potência.
  • Simples e fiável: A instalação é fácil e só é necessário substituir a almofada do filtro.
• Contras:
  • Circuito aberto: Introduz ar ambiente, o que o torna inadequado para NEMA 4/4X.
  • Dependente do ambiente: É semelhante a um permutador de calor e só pode arrefecer até uma temperatura próxima da temperatura ambiente. Não pode arrefecer abaixo da temperatura ambiente.
  • Necessita de ar limpo: No caso de um ambiente muito poeirento ou oleoso, os filtros ficarão rapidamente obstruídos e necessitarão de muita limpeza.

  Melhor para: Condições NEMA 1, 12 ou 3R quando o ar circundante está relativamente limpo e a uma temperatura significativamente inferior à temperatura interna desejada.

Método 4: Outras soluções

No caso de casos especiais, são apresentadas a seguir algumas outras tecnologias:

• Refrigeradores termoeléctricos (Peltier): Trata-se de refrigeradores de estado sólido de circuito fechado, que se baseiam no efeito Peltier para trocar calor. São fiáveis, não contêm peças móveis (apenas algumas pequenas ventoinhas) e podem ser altamente precisos. No entanto, são dispendiosos e têm uma eficiência inferior, pelo que são adequados para pequenos compartimentos ou para o arrefecimento pontual de elementos importantes.
• Refrigeradores Vortex: Trata-se de refrigeradores que utilizam o fluxo de ar pressurizado e rodam o ar de modo a dividi-lo em correntes de ar quente e frio. O ar frio é forçado a entrar na câmara. Oferecem um arrefecimento imediato e intenso e podem ser utilizados em condições extremas (alta temperatura, sujidade), mas são extremamente ineficientes (ruidosos) e muito dispendiosos, utilizando grandes quantidades de ar comprimido.
• Aquecedores de caixas: Há casos em que o problema não é o calor, mas sim o frio. A baixa temperatura pode também resultar num curto-circuito por condensação (humidade) nos componentes em espaços exteriores ou não condicionados. É utilizado um pequeno aquecedor, normalmente combinado com um termóstato ou higróstato, para garantir que a temperatura não desce até ao ponto de orvalho.

A escolha inteligente: Porque é que uma ventoinha é muitas vezes o método correto

Depois de analisarmos todas as soluções de alta tecnologia em circuito fechado, podemos conceber demasiado a solução. Mas olhemos para os dados.

O ar ambiente de um ambiente interior típico, como uma sala de controlo, um chão de fábrica (não lavado) ou um armário de TI, é climatizado a uma temperatura confortável de 20-25 °C (68-77 °F).

Agora, veja as classificações dos seus componentes. A temperatura de funcionamento segura de um VFD ou PLC é de 50 °C (122 °F) ou mesmo 60 °C (140 °F). Para estar seguro e durar muito tempo, tem um ponto de ajuste da temperatura interna do seu armário a 35-40 °C (95-104 °F).

Isto implica que o ar ambiente conterá uma diferença de temperatura fixa de 10-15 °C entre a temperatura alvo e o ar ambiente.

Nesse caso, é gigantesco gastar milhares de dólares num aparelho de ar condicionado (Método 1) para transformar o seu armário num frigorífico. Não teria de aquecer o ar na divisão; teria apenas de bombear o ar quente para fora e obter o ar ambiente fresco disponível.

É por isso que um simples ventilador com filtro (Método 3) é frequentemente a decisão de engenharia mais inteligente. Não só é o mais barato, como também é o mais económico e eficiente em termos energéticos. Fornece o desempenho preciso exigido na aplicação com o mínimo custo total de propriedade (TCO) possível.

Como é que o ACDCFAN resolve os seus desafios de dimensionamento e de pontos de acesso

No entanto, é apenas uma coisa concluir que uma ventoinha é a forma correta. Não se trata apenas do caudal de ar total (CFM), trata-se da distribuição desse ar e da sua fiabilidade no movimento. Uma ventoinha que custa muito, mas é de baixa qualidade e deixa de funcionar em seis meses, não é uma solução.

É aqui que a vantagem crítica é feita por um especialista em ventoinhas como o ACDCFAN.

• Fiabilidade que pode ser reforçada: Pelo menos, uma ventoinha é um dispositivo mecânico. O seu aspeto mais pobre é o rolamento. É por isso que as nossas ventoinhas são fabricadas com rolamentos de esferas duplos de alta precisão e têm uma vida útil de mais de 70 000 horas. Não se trata apenas da compra de caudal de ar, mas de anos de tempo de funcionamento consistente e ininterrupto.
• Arrefecimento inteligente a pedido: Porquê fazer funcionar um ventilador a 100MW 24 horas por dia? Isso é um desperdício de energia e um ruído desnecessário. As nossas ventoinhas EC (Electronically Commutated) de alta tecnologia estão equipadas com controlo de velocidade inteligente PWM (Pulse Width Modulation). Estão ligados ao termóstato do sistema para oferecerem um arrefecimento inteligente a pedido: funcionam silenciosamente a baixa velocidade quando as cargas são leves e só aumentam a sua potência quando os VFDs precisam de potência total. É o método de controlo térmico mais eficiente e mais silencioso.
• Ventiladores em condições extremas: Acha que um ventilador é demasiado pequeno para funcionar com um armário exterior NEMA 3R ou com um piso de processamento húmido? Pense de novo. Os ventiladores com classificação IP68 estão completamente fechados e são certificados como não tendo qualquer fuga de pó, e não podem ser imersos em água durante um longo período de tempo; por isso, trabalham com a sua capacidade óptima em altitudes elevadas ou em áreas de elevada humidade.
• O leque certo para si: Temos todas as soluções para qualquer exigência: um pequeno ventilador AC ou um grande ventilador DC com alta pressão estática ou um ventilador EC inteligente com requisitos de baixa energia (todos certificados de acordo com as normas ISO, CE, UL e TUV). No caso de uma necessidade especial do OEM, podemos fornecer uma versão aproximada de uma solução especialmente adaptada no prazo de 10 dias.

Uma tabela de comparação de referência rápida para todos os métodos

Para o ajudar a restringir a escolha final, esta tabela permite-lhe comparar as vantagens e desvantagens mais significativas de cada método de controlo da temperatura do armário.

Conclusão

A escolha do método correto para o controlo da temperatura do armário é um ato de equilíbrio. Requer uma avaliação honesta do seu ambiente, um cálculo cuidadoso da sua carga térmica e uma visão clara do seu orçamento - não apenas para a compra inicial, mas para a vida útil do sistema.

Um ar condicionado potente tem o seu lugar, mas num número surpreendente de aplicações, é uma solução dispendiosa e ineficiente para um problema que pode ser resolvido com um caudal de ar inteligente.

Antes de especificar aquele dispendioso sistema de circuito fechado, verifique o seu $\Delta T$. Analise a qualidade do seu ar. Verificará frequentemente que uma solução de convecção forçada mais simples, mais fiável e muito mais eficiente em termos energéticos é a melhor opção financeira e de engenharia.

A escolha do método correto pode ser complexa, mas não tem de o fazer sozinho. Se procura uma solução de ventilador fiável, eficiente e de longa duração para proteger os seus bens críticos, contacte hoje mesmo os especialistas em gestão térmica da ACDCFAN. Ajudá-lo-emos a analisar as suas necessidades e a encontrar a solução perfeita.