Impedir a falha de componentes: Sugestões de gestão térmica do armário

Introdução

No ambiente do controlo industrial moderno e da engenharia eléctrica, o invólucro é visto simplesmente como uma mera concha protetora, uma caixa feita de aço ou plástico para manter o pó afastado e as pessoas em segurança. No entanto, com o desenvolvimento de equipamentos electrónicos mais pequenos e mais potentes, estas caixas transformaram-se em panelas de pressão térmica. A gestão térmica dos invólucros já não é um luxo nos sistemas topo de gama, mas uma necessidade para manter o equipamento a funcionar, evitar paragens inesperadas e garantir a continuidade operacional.

Considere-se uma fábrica e um variador de frequência (VFD) deixa de funcionar por estar sobreaquecido. Este tempo de inatividade, para além de custar o preço de um novo variador, pode custar em média mais de $250000 por hora, de acordo com inquéritos da indústria, o custo médio do tempo de inatividade não planeado na indústria transformadora. A apólice de seguro que cobre estes investimentos gigantescos exige uma gestão adequada do equipamento elétrico. É um guia para um roteiro completo sobre a razão pela qual o calor se acumula, como pode calcular os seus requisitos de arrefecimento e que hardware adquirir para manter os seus sistemas frescos, mesmo nas condições mais exigentes.

Compreender a produção de calor em sistemas fechados

Temos de saber a causa de um problema de calor antes de o podermos remediar. O calor é um subproduto inevitável da resistência eléctrica e das perdas de comutação numa variedade de componentes eléctricos num ambiente selado ou semi-selado.

Fontes primárias de calor em invólucros electrónicos

A eficiência da maioria dos componentes industriais modernos é verdadeiramente impressionante, mas mesmo uma fonte de alimentação 95% eficiente tem de dissipar 5% da sua energia sob a forma de calor. Estas pequenas perdas num armário de controlo de alta densidade tornam-se uma grande carga térmica.

• Accionamentos de frequência variável (VFDs) e inversores: Estas podem ser as maiores fontes de perda de calor, com uma média de 3% a 5% da potência nominal perdida em calor.
• Fontes de alimentação e transformadores: São dispositivos que alteram os níveis de tensão e, ao fazê-lo, produzem calor devido a perdas no magnético e no cobre.
• Controladores lógicos programáveis (PLCs) e CPUs: Utilizam menos energia do que um acionamento por motor, mas os seus delicados microprocessadores são muito propensos a pontos quentes localizados.
• Componentes de alta densidade: Relés, contactores e mesmo blocos de terminais são também adicionados ao efeito de aquecimento Joule (P = I² × R), no qual a corrente eléctrica que flui através da resistência produz energia térmica.

Como a conceção do armário amplia os desafios térmicos

O invólucro do sistema pode ser um dissipador de calor ou um isolador, mas isso depende da forma como é concebido e do material utilizado, bem como da qualidade da circulação de ar no interior do invólucro.

1. Condutividade do material: Ts vezes, a condutividade térmica de um armário de aço inoxidável é menor do que a do alumínio. Embora o aço tenha uma melhor segurança física, tem uma pior capacidade de irradiar calor para o ar ambiente naturalmente para as paredes do armário.
2. Designs selados vs. ventilados: Sem poeira e humidade: Os invólucros com elevada classificação IP (Ingress Protection) são selados para evitar a entrada de poeira e humidade. Esta "vedação", no entanto, retém o ar e, como tal, impede a entrada de transferência de calorforçando o ar interno a circular num circuito fechado. Isto tem um resultado muito rápido de estratificação térmica, ou seja, a parte superior do armário é muito mais quente do que a parte inferior.
3. Restrições de espaço: A tendência para a miniaturização implica que mais componentes sejam integrados em volumes reduzidos. Isto minimiza a quantidade de ar livre em circulação, acelerando o ritmo a que o ambiente interno atinge temperaturas críticas.

O efeito em cascata do aumento da temperatura

A ameaça do calor não é apenas a falha instantânea, mas também o processo a longo prazo de degradação dos elementos, que diminui a vida útil total do equipamento. O efeito Arrhenius é a lei científica mais importante neste caso, implicando que, à medida que a temperatura de qualquer componente do volume é aumentada em 10°C (18°F), a vida útil desse produto químico específico é efetivamente reduzida por um fator de dois.

• Tempo de vida de um condensador: O ponto fraco da eletrónica atual são os condensadores electrolíticos. O calor provoca a evaporação do eletrólito e a ESR (Equivalent Series Resistance) aumenta e impede a sua utilização.
• Fadiga da junta de soldadura: Devido ao ciclo térmico, ocorrem expansão e contração, resultando, em última análise, na formação de fissuras microscópicas nas juntas de solda, levando a falhas fantasmas intermitentes que são notoriamente difíceis de encontrar.
• Limitação do desempenho: É comum que a CPU reduza a sua velocidade de relógio para evitar danificar-se a si própria, causando atrasos no sistema ou timeouts durante os circuitos de controlo críticos para a comunicação.

Dimensionar a sua solução: Como calcular a carga térmica e o caudal de ar

Para eliminar as suposições e recorrer à engenharia, é necessário calcular a quantidade exacta de ar que é necessário transferir para o armário para manter a temperatura segura. Este é um processo que envolve três passos importantes.

Passo 1: Calcular a carga térmica interna total (Q_int)

Adicione a dissipação de calor (em Watts) de todos os componentes do armário. Nas folhas de dados, a maioria dos fabricantes apresenta os dados sobre a dissipação de calor ou perda de potência. Quando tudo o que se tem é o consumo de energia, uma regra geral segura em eletrónica geral é esperar uma perda de 5% a 10% como calor.

Passo 2: Determinar o diferencial de temperatura (ΔT)

Terá de determinar qual é a temperatura interna pretendida (T_int) e qual é a temperatura ambiente (exterior) mais elevada (T_amb).

ΔT = T_int - T_amb

Para conseguir uma longa vida útil da indústria, a norma da indústria é 35°C (95°F) de T_int. Quando a temperatura do ar exterior é de 25°C, então o seu DT é de 10°C. Importante: Nos casos em que a T_amb excede a T_int, é impossível utilizar apenas ventoinhas: seria necessário um ar condicionado ativo ou um refrigerador termoelétrico especial.

Passo 3: Calcular o caudal de ar necessário (CFM)

Depois de determinar os seus Watts e o seu ΔT, na fórmula seguinte, tome o valor necessário para Pés cúbicos por minuto (CFM):

CFM = (3,16 × Watts) / ΔT(°F)

Ou em metros cúbicos por hora:

m³/h = (3,1 × Watts) / ΔT(°C)

Dica profissional: É sempre necessário colocar uma margem de segurança de 20-25% no seu CFM calculado para ter em consideração o entupimento do filtro com o tempo e picos inesperados na temperatura ambiente.

Gestão Térmica de Armários Activos vs. Passivos

A escolha de um sistema de arrefecimento passivo ou ativo é um ponto de viragem muito crítico no projeto. Não se trata de uma decisão sobre o que é superior no vácuo, mas sim de um compromisso entre a carga térmica interna, as elevadas temperaturas ambiente da instalação e a classificação IP necessária do armário elétrico.

Métodos de arrefecimento passivo

O arrefecimento passivo envolve a utilização de mecanismos físicos naturais, como a convecção, a radiação e a condução, para transferir calor sem necessidade de utilizar mais energia eléctrica. Embora estas técnicas sejam silenciosas e apresentem um baixo custo operacional, são altamente limitadas pelas leis da termodinâmica.

• Convecção natural e grelhas: Quando o ar no armário aquece, torna-se mais leve e sobe. A adição de persianas na parte superior (exaustão) e na parte inferior (admissão) forma uma espécie de efeito de chaminé. Isto permite a penetração de ar mais frio no processo de saída do ar quente. No entanto, só pode funcionar com densidades muito baixas de cargas de calor (normalmente menos de 10W por pé quadrado de área de superfície).
• Radiação e Dissipação de Superfície: todas as caixas são radiadores gigantes. A emissividade do material (a sua capacidade de libertar calor) determina a quantidade de calor em excesso que pode ser libertado para o ambiente circundante através das paredes. Isto é bom no alumínio, justo no aço pintado.
• Tubos de calor e dissipadores de calor: Estes componentes térmicos podem ser unidades externas que estão diretamente ligadas a componentes quentes, como CPUs ou transístores de potência. Para extrair o calor de um componente sensível, eles dependem de uma maior área de superfície ou de líquidos de mudança de fase para resistir à transferência de calor através dos componentes e transferi-lo para a parede do compartimento.
• Materiais de mudança de fase (PCM): Uma outra opção passiva melhorada e desejável é a utilização de parafina ou ceras de hidrato de sal, que absorvem o calor quando derretem durante o dia e o devolvem quando solidificam durante a noite. Isto é especialmente útil em recintos ao ar livre, onde as temperaturas são elevadas durante o dia e frescas à noite.

Estratégias de arrefecimento ativo

Quando a carga térmica interna sobrecarrega a capacidade térmica radiante natural das paredes do armário, deve ser mudada para uma solução de gestão térmica ativa. O arrefecimento ativo envolve a utilização de energia para conduzir mecanicamente a troca de calor e é a norma para 90 por cento da automação na indústria.

• Convecção forçada (ventiladores com filtro): É a estratégia ativa mais difundida. Mecanicamente, pode forçar uma determinada quantidade de ar através do armário instalando ventiladores com filtro de alto desempenho. A eficiência da circulação de ar é a mais importante na gama de 80mm a 120mm - o ponto ideal dos armários industriais de média dimensão. É aqui que se reflecte a vantagem do ACDCFAN. As ventoinhas utilizadas em produtos de consumo não conseguem sobreviver ao stress do calor excessivo, e as nossas ventoinhas são concebidas com rolamentos de esferas duplas NMB, especialmente adquiridos no Japão, que têm uma vida útil de 70.000 horas. A ACDFAN consegue este objetivo através da sua conceção com fio de cobre de classe H (que pode suportar 180 °C) e aço silício (grau 600) para atingir níveis elevados de pressão estática e garantir o fluxo de ar, apesar da acumulação de pó nos filtros. As nossas ventoinhas EC (Electronically Commutated) oferecem a derradeira solução compacta aos engenheiros que constroem com corrente contínua ou corrente alternada - as nossas ventoinhas EC têm uma eficiência energética até 30% superior à das ventoinhas AC convencionais e são idênticas às ventoinhas AC convencionais em termos de compatibilidade fácil com a função plug-and-play.
• Condicionadores de ar de circuito fechado: Nesses casos, quando a temperatura ambiente é maior do que a temperatura interna necessária (Tamb > Tint), os ventiladores sopram apenas ar quente para dentro do gabinete. Quando isso ocorre, é necessário um sistema de refrigeração baseado em compressor para bombear o calor contra o gradiente térmico.
• Arrefecimento termoelétrico (efeito Peltier): A refrigerador termoelétrico é um bom refrigerador de estado sólido para utilizar em projectos mais pequenos ou num sistema médico com elevada precisão. Baseados no efeito Peltier, são muito fiáveis porque não existem peças móveis (exceto as ventoinhas) na sua construção, e têm também uma superfície fria e uma superfície quente, o que os torna extremamente fiáveis e sem vibrações.
• Trocadores de calor ar-ar: Estes são aplicados nos casos em que o ar circundante se tornou demasiado sujo para ser filtrado. Utilizam um núcleo interno especial que conduz a troca de calor entre o ar exterior sujo e o ar interior limpo sem misturar os dois.

Abordagens híbridas: Combinação de soluções passivas e activas

Os projectos híbridos dos sistemas de gestão térmica mais avançados são normalmente concebidos para maximizar a eficiência. Um dos métodos típicos consiste em dissipadores de calor passivos nas partes mais quentes (como os accionamentos dos motores) para atrair ativamente o calor para a corrente de ar interna do armário, que é depois expulso por ventoinhas com filtros de elevada eficiência.

A outra abordagem mista consiste em utilizar o arrefecimento ativo inteligente. Um controlador verificaria a temperatura interna em vez de utilizar a velocidade máxima das ventoinhas. As cargas baixas são servidas por radiação passiva; à medida que o equipamento eletrónico é ligado em pleno, produz muito calor, e as ventoinhas activas arrancam automaticamente em proporção. Isto limita a acumulação de pó e prolonga a vida útil do equipamento, bem como das peças cobertas pelo ventilador.

Proteção ambiental: Equilíbrio entre o fluxo de ar e as classificações IP e NEMA

O conflito entre o fluxo de ar e a proteção de entrada seria a questão mais problemática na gestão térmica do armário. Para eliminar o excesso de calor, é necessário fazer uma abertura, mas qualquer abertura é um ponto potencial de poeira, humidade ou corrosão. A incapacidade de equilibrar estes factores conduz a um elevado grau de risco de segurança, em que o equipamento elétrico sobreaquece ou os contaminantes ambientais provocam um curto-circuito desastroso.

Orientação prática: Correspondência dos níveis de proteção com as estratégias de arrefecimento

Para se certificar de que o seu equipamento de refrigeração não interfere com a integridade do armário, a tabela seguinte pode ser utilizada para fazer corresponder as suas necessidades de proteção ao equipamento térmico mais adequado:

Considerações sobre altitude, humidade e poeira

As variáveis ambientais obrigam-no normalmente a sobre-especificar o seu hardware para ter em conta a variação física da densidade do ar e da humidade, que afectam a carga térmica.

• Factores de redução da altitude: Quanto maior for a altitude (por exemplo, mais de 1500 metros), mais fino e menos denso é o ar. O ar rarefeito possui uma capacidade térmica inferior, o que significa que não transporta muito calor em comparação com o ar ao nível do mar.
  • Instrução: Utilize um fator de redução de 10 por cento por cada 1000 metros de elevação. Pelos seus cálculos, precisa de 100 CFM ao nível do mar, mas como está a uma altitude de 3000 metros, precisará de uma ventoinha que funcione pelo menos a 130 CFM.
• Humidade relativa e ponto de orvalho: Quando o armário está a funcionar a quente, uma humidade relativa elevada não é um problema significativo, mas quando o armário arrefece devido a uma mudança de turno, ou à noite, é problemático. Quando a temperatura interna diminui, pode atingir a temperatura de orvalho,e o que resulta no desenvolvimento de condensação nos contactos eléctricos.
  • Instrução: Adicione um aquecedor controlado por higrostato aos seus ventiladores. Ajuste o aquecedor para se ligar quando a humidade for superior a 65% para manter o ambiente interno ligeiramente mais elevado do que o ponto de orvalho.
• A estratégia de resistência ao pó: O CFM de um ventilador de ar livre em ambientes com muitos detritos, como uma fábrica de cimento, é uma medida enganadora do filtro devido ao rápido entupimento do filtro.
  • Instrução: Escolher ventiladores cuja curva de pressão estática seja acentuada. Isto permite que o ventilador assegure um fluxo de ar estável mesmo quando o filtro está 50% obstruído com detritos, o que dá origem a paragens inesperadas.

Variáveis de instalação exterior vs. interior

Uma instalação exterior dos recintos traz consigo a chamada carga solar, que pode facilmente tornar as suas necessidades de arrefecimento duas vezes superiores às da mesma instalação no interior da casa.

• Efeito da radiação solar: É provável que a luz solar direta provoque uma quantidade inacreditável de calor na superfície do armário. Um armário de cor escura exposto ao sol pode, na verdade, ficar 30 °C acima da temperatura do ar circundante, antes mesmo de o interrutor da eletrónica ser ligado.
  • Instrução: As cores padrão devem ser sempre cores reflectoras de luz (cinzento claro, RAL 7035). Um teto secundário ou uma pele de duas paredes (12 mm de espessura) com um espaço de ar de 25 mm (chamado Solar Shield) pode absorver até 60% menos calor solar para o interior.
• Variações sazonais de temperatura: Os sistemas exteriores têm de suportar invernos gelados e verões sufocantes.
  • Instrução: Devem ser utilizados sistemas térmicos de controlo duplo. Os ventiladores do filtro para o sistema de arrefecimento devem ser desligados por um termóstato sempre que a temperatura for elevada, e um circuito separado tem o aquecedor para evitar falhas no arranque a frio em tempo frio.

Armadilhas comuns na gestão térmica de armários e como evitá-las

Mesmo com os melhores cálculos, pequenos erros de implementação podem levar a uma acumulação excessiva de calor.

1. Má trajetória do fluxo de ar (curto-circuito)

• A armadilha: Este é o erro mais frequentemente cometido no arrefecimento do armário. É causado pelo facto de os pontos de entrada e de saída estarem demasiado próximos um do outro. A entrada de ar mais frio passa através e para fora do armário sem qualquer interação com as peças eléctricas geradoras de calor.
• A solução: A regra do "Fluxo Diagonal". A entrada para os ventiladores e aberturas de ventilação deve estar na parte inferior, com a exaustão no canto oposto, na parte superior. No caso de aparelhos de ar condicionado ou de permutadores de calor ambiente, certifique-se de que o fornecimento de ar frio interno é canalizado ou direcionado para a parte inferior do armário, de modo a que possa fluir através dos componentes e voltar à entrada da unidade na parte superior. Isto garante uma circulação de ar completa e a ausência de bolsas de calor estagnadas.

2. Desprezando a impedância do sistema e a pressão estática

• A armadilha: A maioria dos engenheiros escolhe o equipamento de refrigeração com base apenas no caudal de ar livre (o desempenho sob vácuo). Quando se adiciona cablagem de alta densidade ou filtros de ar ou um núcleo de permuta de calor complicado, a resistência (pressão estática) é muito maior e o fluxo de ar real pode ter diminuído até 50%-70%.
• A solução: Verifique a curva P-Q (Pressão vs. Volume) das suas ventoinhas ou os gráficos de queda de pressão dos seus refrigeradores de ar. Certifique-se de que o dispositivo é forte em termos de impulso para atravessar a resistência interna do armário. Podem ser utilizadas ventoinhas com motores mais potentes ou alhetas maiores para manter o CFM necessário à carga.

3. Má gestão do selo de proteção contra a entrada de pessoas (IP)

• A armadilha: Ao tomar demasiado cuidado para que o calor excessivo seja removido, perde-se a vedação ambiental da caixa. A perda de memória de que uma unidade de refrigeração deve corresponder à classificação NEMA/IP da caixa pode resultar na entrada de humidade, poeira e riscos eléctricos.
• A solução: No caso de utilização de arrefecimento ativo, certifique-se de que os recortes de montagem são vedados. No caso de utilização de um sistema de arrefecimento baseado em compressor ou de um refrigerador termoelétrico num ambiente sujo, é sempre bom utilizar concepções de circuito fechado em que os fluxos de ar interno e externo são distintos, desde que a vedação permaneça intacta.

4. Riscos de arrefecimento excessivo e de condensação

• A armadilha: Pensar que o frio é o melhor. Quando as condições ambientais são baixas, 24 horas por dia, 7 dias por semana, o funcionamento de dispositivos de arrefecimento de alta potência pode arrefecer o interior para um valor inferior ao ponto de orvalho, resultando na formação de condensação nos delicados dispositivos electrónicos.
• A solução: Funcionalidade de controlos inteligentes. Incluir termóstatos ou higróstatos para regular o arrefecimento de acordo com as necessidades reais. Uma abordagem térmica em áreas de elevada humidade relativa deve ter um pequeno aquecedor para manter a temperatura do armário marginalmente superior ao ponto de orvalho típico quando está inativo, em vez de desligamentos inesperados relacionados com a humidade.

Conclusão

Aprender a utilizar o dispositivo de gestão térmica é um processo que vai do combate reativo aos incêndios à engenharia proactiva. É possível transformar o armário num ponto forte da fiabilidade do sistema, em vez de um ponto de falha, sabendo onde se vai buscar o calor, fazendo bons cálculos e escolhendo hardware com uma engenharia avançada para o efeito.

No caso do mercado industrial de média dimensão, um parceiro de refrigeração é uma decisão crítica. Não se trata apenas da relocalização do ar, mas da relocalização do ar com que se pode contar nos próximos dez anos. A Relax, empresa de engenharia personalizada de topo de gama e de produção de grandes volumes, como a ACDCFAN, preenche a ponte entre a engenharia personalizada de topo de gama e a produção de grandes volumes imediatamente disponível, fornecendo os componentes de "topo de gama", tais como rolamentos de esferas e isolamento de classe H, que garantirão que a estratégia térmica resiste à realidade do chão de fábrica.

A próxima coisa a fazer: Comece por fazer uma auditoria aos seus armários actuais. Existem pontos quentes na parte superior? Utiliza filtros com pó? Uma pequena mudança de estratégia agora no seu fluxo de ar evitará um encerramento desastroso amanhã.