O que é a refrigeração por ar forçado e porque é que precisa dela?

O arrefecimento passivo e ativo são as duas principais armas no mundo da gestão térmica, que temos para combater este inimigo. Os meios de abordagem passivos são bonitos na sua simplicidade, mas depressa se aproximam dos limites. Quando a carga térmica se torna grave, o arrefecimento forçado do ar deve ser chamado para o terreno: arrefecimento forçado do ar.

Este documento abordará os princípios básicos deste sistema de arrefecimento eficaz. Falaremos sobre o que é, a diferença entre este e um sistema passivo, os seus principais elementos (como o ventilador e o ventilador de insuflação) e as utilizações urgentes sem as quais não poderia ter existido. Acima de tudo, aventurar-nos-emos na forma de escolher a parte mais importante deste sistema de arrefecimento. o ventiladore como procurar um parceiro para fazer o seu projeto funcionar.

O que é a refrigeração por ar forçado?

Fundamentalmente, o arrefecimento forçado do ar (também referido como arrefecimento ativo do ar ou convecção forçada) é um método de gestão térmica que envolve um sistema mecânico que força um fluido (neste caso, o ar) a fluir sobre uma superfície quente, regulando a temperatura do ar.

Este movimento forçado tem um enorme efeito de transferência de calor. Como? Tudo o que resta é um conceito referido como coeficiente de transferência de calor por convecção (h).

Num sistema passivo, a circulação de ar é causada apenas por convecção natural, ou seja, o ar quente tem uma densidade mais baixa, pelo que sobe naturalmente e, no processo, puxa o ar frio para ocupar o seu lugar. Este é um processo lento e o coeficiente de transferência de calor é baixo.

Um sistema de ar forçado não permite que a natureza siga o seu curso. É um processo contínuo através do qual o ar de alta velocidade é empurrado mecanicamente, substituindo o ar quente, estagnado e, por conseguinte, a camada limite de ar na superfície por ar fresco e arrefecido. Este movimento pode aumentar o coeficiente de transferência de calor 10-100 vezes mais do que o da convecção natural e permite que um determinado sistema arrefeça um componente do mesmo tamanho com muito mais calor.

Como é que a refrigeração por ar forçado difere dos sistemas de refrigeração passiva

Uma das decisões iniciais e mais importantes que um engenheiro toma é a que diz respeito ao arrefecimento passivo ou ativo. O arrefecimento passivo é isento de ruído e não é alimentado (não requer energia) e é muito fiável (sem peças móveis). Mas só é eficaz dentro de um determinado intervalo de temperatura ambiente e num espaço físico enorme.

O arrefecimento por ar forçado é utilizado quando o arrefecimento passivo já não é capaz de corresponder à potência de conceção térmica (TDP) - a transferência máxima de calor que um componente (como uma CPU ou GPU) é capaz de efetuar.

Os componentes indispensáveis de um sistema de arrefecimento por ar forçado

Embora a ideia não seja complexa, um sistema eficaz depende de uma série de elementos que têm de estar em sintonia. Isto aplica-se a um sistema AVAC doméstico de grandes dimensões e a uma caixa eletrónica.

Ventiladores e sopradores

É o que se designa por motor do sistema de ar, a parte funcional.

• Ventiladores axiais: Eles são os mais comuns, semelhantes a uma hélice. Transportam uma grande massa de ar (CFM elevado, ou pés cúbicos por minuto) lateralmente à direção do ventilador. São adequados para aplicações de baixa impedância, onde a passagem de ar é livre e desobstruída.
• Sopradores (ventiladores centrífugos): Recirculam o ar no centro e descarregam-no a 90 graus. Transportam uma quantidade menor de ar, mas a alta pressão. São necessários para tarefas de alta impedância (alta resistência), como forçar o ar através de um rack muito denso de lâminas de servidor ou de um duto longo e estreito.

Para saber mais diferenças entre ventiladores axiais e sopradoresconsulte o nosso blogue anterior!

Condutas e filtros de ar

Este é o "caminho" ou sistema de distribuição do ar. O ar tem uma respiração lenta; nunca consegue passar pelo caminho de menor resistência.

• Condutas (ou deflectores): Esta é a rede de condutas (ou condutas de ar) que correm nas paredes num sistema HVAC. Estas, num chassis de eletrónica, podem ser deflectores de plástico ou metal, coberturas e até as próprias paredes da caixa. Têm a tarefa de guiar o ar para que este vá exatamente para onde é necessário, sem qualquer forma de desvio, onde o ar frio passa sem sequer entrar em contacto com a parte quente.
• Filtros de ar: Os filtros de ar numa casa asseguram a qualidade do ar interior e são capazes de eliminar os poluentes do ar interior. Não podem ser mais importantes num centro de dados ou num armário industrial: protegem o hardware. O pó é um isolante e um condutor elétrico. Uma camada de pó pode limitar gravemente o arrefecimento e provocar um curto-circuito. É por esta razão que um dos principais aspectos da manutenção de rotina é a filtragem do ar.

A "Interface": Dissipadores de calor (Radiadores)

Este é um permutador de calor que é normalmente designado por ponto de transferência. Um chip de CPU pequeno e quente não tem muita área de superfície para dissipar o seu calor para o ar. Um bloco passivo de metal condutor de calor elevado (na maioria dos casos, alumínio ou cobre) contendo numerosas alhetas é designado por dissipador de calor. Ele simplesmente causa uma amplificação maciça da área de superfície, o que dá ao ar em movimento uma vasta doca para aproveitar o calor.

Dissipadores de calor num sistema de ar forçado podem ser equipados com alhetas muito mais densas e próximas umas das outras, uma vez que a ventoinha tem pressão suficiente para empurrar o ar através dos dissipadores - o que a convecção natural nunca poderia fazer.

Porque é que precisa dele? Principais benefícios e vantagens

Isto deve-se principalmente ao facto de o arrefecimento por ar forçado ser necessário devido à potência. O fluxo de calor (calor/unidade de área, ou W/cm2) diminui à medida que aumentamos o desempenho dos dispositivos mais pequenos.

1. Melhor dissipação de calor: É a principal vantagem. A carga térmica que um sistema de ar forçado concebido pode suportar é ordens de grandeza superior à de uma solução apenas passiva; assim, podem ser utilizados processadores potentes, FPGAs e fontes de alimentação.
2. Maior densidade de potência e miniaturização: Devido à eficiência do ar forçado, é possível encaixar os componentes de forma muito mais apertada. Isto permite a espantosa densidade de potência de servidores 1U "caixa de pizza", pequenas cabeças de rádio 5G e equipamento médico de alta potência. Na sua ausência, o arrefecimento passivo de tais dispositivos exigiria 5 a 10 vezes o seu tamanho.
3. Controlo térmico preciso: Um sistema passivo está à mercê do ambiente circundante, mas o sistema ativo pode ser controlado. A utilização de ventoinhas inteligentes com controlo PWM (Modulação de Largura de Impulso) pode permitir que um sistema aumente a velocidade da ventoinha quando a carga é elevada (como durante o processamento de dados) e reduza a velocidade quando a carga é baixa (como à noite). Isto aumenta a eficiência energética, reduz o ruído e aumenta a vida útil da ventoinha.

Onde encontrar refrigeração por ar forçado

Trata-se de um termo com duas faces, utilizado para designar dois mundos muito diferentes, mas igualmente significativos.

Casa HVAC

Esta é a aplicação a que está mais provavelmente habituado. O sistema de aquecimento e arrefecimento doméstico mais popular é um sistema de ar forçado, vulgarmente designado por ar central. Baseia-se numa unidade central, normalmente uma fornalha (que pode utilizar gás natural para funcionar) ou uma bomba de calor, juntamente com um ventilador que empurra o ar quente ou o ar frio para uma série de condutas que vão para várias divisões, de modo a que a temperatura possa ser controlada com precisão. Este tipo de sistema é muito diferente dos antigos sistemas de aquecimento radiante.

Servidores e centros de dados

É o exemplo típico da gestão térmica em grande risco. Um rack de servidor é capaz de consumir mais de 50 kW de energia, ou seja, mais de 10 casas juntas, num espaço de poucos metros quadrados. Este calor deve ser evacuado. Neste caso, o arrefecimento por ar forçado funciona a vários níveis:

• Internamente no servidor: Existem várias ventoinhas pequenas de alta pressão que empurram o ar numa direção muito específica entre as CPUs e a memória (da frente para trás).
• Dentro do bastidor: Este fluxo de ar pode ser ajudado por bancos de ventoinhas de arrefecimento maiores.
• O que está dentro da Sala: As unidades CRAC (Computer Room Air Conditioner) são conhecidas como os pulmões do computador. centro de dadose faz com que o ar frio circule por baixo do chão e o ar quente seja retirado do ar quente do "corredor quente".

Telecomunicações e infra-estruturas 5G

Este equipamento (tal como as unidades de rádio e as unidades de banda base) será frequentemente montado num armário exterior ou numa torre de telemóveis a grande altura. Estes armários estão isolados das intempéries (chuva, poeira, neve), mas torram ao sol.

Neste caso, o arrefecimento por ar forçado é um desafio de fiabilidade. As ventoinhas têm de funcionar 24 horas por dia durante um período de 10 anos e têm de trabalhar a temperaturas elevadas de -40 °C a 85 °C e fornecer uma elevada potência de arrefecimento aos chips de elevada potência de processamento do 5G.

Novas energias e automatização industrial

Imagine os cérebros de uma fábrica moderna (PLCs), os conversores de energia numa quinta solar (inversores) ou os controladores do motor de um braço robótico (VFDs). Estes sistemas funcionam 24 horas por dia em condições de pó, humidade e vibração. O tempo de inatividade não é uma opção. Neste caso, ventoinhas de arrefecimento de ar forçado são também escolhidos não só devido ao caudal de ar, mas também porque são robustos e têm uma longa vida útil.

Escolher o ventilador certo: o coração do seu sistema de arrefecimento por ar forçado

Encontrará o mesmo tema em todas estas aplicações de alta tecnologia: o dissipador de calor é a interface, o chassis é o caminho, mas o coração é a ventoinha. É o componente ativo mais importante, que é crítico, e a sua falha provoca a falha de todo o sistema.

No entanto, os fãs são um bem precioso em muitas equipas de engenharia, onde são a escolha final dos adeptos que se baseiam numa mera classificação CFM (caudal de ar) e no preço. Este é um erro crítico. O funcionamento real de uma ventoinha no mundo real é muito mais complexo do que um número numa folha de dados.

A folha de especificações é um diagrama que ilustra o desempenho máximo de uma ventoinha durante um teste efectuado sob resistência zero, num ambiente ao ar livre. Mas a sua aplicação é resistente a filtros completos, dissipadores de calor, PCBs e cantos apertados que criam a "impedância do sistema". Uma ventoinha barata com alegações de 100 CFM pode, na verdade, dar apenas 20 CFM quando instalada no seu chassis, e é isso que sobreaquece e avaria.

É nesta base que o seu fornecedor de ventiladores é suposto ser um parceiro térmico. Não é o valor do componente que está em causa, mas sim o seu conhecimento específico da aplicação para o ajudar a escolher, testar e pôr em prática.

Como o ACDCFAN oferece valor para a sua aplicação

É aqui que a ACDCFAN passa de fornecedor a parceiro térmico. Sabemos que em telecomunicações, automação industrial e outras aplicações de missão crítica, a falha não é uma possibilidade. Nós resolvemos o problema da vida real que os engenheiros têm:

• Fiabilidade extrema: Os nossos ventiladores com rolamentos de esferas de alta precisão têm uma MTBF de mais de 70.000 horasque garante a vida útil a longo prazo que o seu sistema de missão crítica deverá necessitar.
• Sobreviver aos elementos: Os nossos avançados Ventoinhas com classificação IP68 são completamente à prova de poeira e de água, o que garante um desempenho máximo em condições de altitude elevada, humidade elevada ou poeira elevada.
• Arrefecimento inteligente e a pedido: Não precisa de refrigeração a 100 por cento, 100 por cento do tempo. O nosso PWM de velocidade inteligente Os digitals permitem que os nossos clientes disponham de refrigeração a pedido, que é silenciosa em cargas baixas, poupa energia e está no seu melhor quando é necessário.
• O ventilador certo para o trabalho: Não somos um fabricante de tamanho único. Um rico Suporte OEM/ODM está a apoiar a nossa gama completa de ventiladores AC, DC e EC. Não colocamos o seu desenho na nossa ventoinha; fazemos uma ventoinha à medida do seu desenho.

Não se pretende apenas um catálogo quando se está a lidar com um problema térmico complicado. Ele pode fornecer uma primeira solução térmica num prazo de 10 dias.

Principais considerações de projeto para engenheiros

Quando estiver a desenvolver a sua estratégia de arrefecimento por ar forçado, deve certificar-se de que vai para além da ventoinha. Uma conceção eficaz é uma conceção sistémica.

1. Impedância do sistema (a curva P-Q): Este é o primeiro conceito a ser aprendido. Depende apenas do diferencial de pressão, que pode ser estabelecido pela ventoinha e contra a oposição ao movimento do ar. Qualquer chassis é resistente ao fluxo de ar (impedância). Cada ventoinha tem uma curva de desempenho (Pressão vs. Fluxo de ar ou P-Q). O ponto em que o seu sistema cruza a curva P-Q da sua ventoinha será o desempenho real da ventoinha. Tem de escolher uma ventoinha com um pico de eficiência próximo desse ponto específico.
2. Trajetória do fluxo de ar: O que está realmente a acontecer ao ar? Elimine os caminhos de derivação, utilize deflectores e coberturas. Certifique-se de que não existem zonas mortas onde o ar quente fica estagnado e recircula.
3. Ruído e vibrações: O ruído acústico é um problema sério de design num ambiente médico ou de escritório. Pode ser controlado por ventoinhas maiores e de rotação mais lenta, sistemas PWM inteligentes ou sistemas de rolamentos complexos.
4. Entrada vs. Saída: Força o ar para dentro ou para fora da caixa (pressão positiva ou pressão negativa)? A pressão positiva é preferível, uma vez que é mais fácil filtrar a única entrada para garantir que o chassis está limpo.

Conclusão

O arrefecimento por ar forçado não é apenas uma caraterística; é o facilitador essencial da tecnologia moderna de alto desempenho. Esta técnica é tudo o que se interpõe entre o desempenho máximo e um colapso térmico, quer se trate dos centros de dados que potenciam a nossa nuvem ou dos sistemas industriais que criam o nosso mundo.

No entanto, o elemento mais fraco é a parte mais importante de um sistema. Selecionar o ventilador adequado - e o parceiro adequado para o ajudar na sua integração - não é o passo final do seu projeto. É o coração do mesmo.

Quando estiver disposto a ir além da folha de especificações e criar uma solução térmica forte, estável e inteligente, a nossa equipa de engenharia está disposta a ajudar.