Porque é que compreender os sistemas de refrigeração é mais importante do que nunca

O motor do progresso no nosso mundo hiperconectado e de alta potência está a arrefecer. É a pressão invisível que mantém as nossas casas habitáveis no verão, o nosso sistema de dados no planeta sem se avariar e as nossas máquinas industriais sem funcionar. Os sistemas de arrefecimento fazem parte, mais do que nunca, das nossas vidas e da nossa estabilidade económica, quer se trate do confortável ar condicionado de casa ou da gestão térmica da estação de base de missão crítica do 5G.

Com o aumento da tecnologia, estão a ser inventados dispositivos mais compactos, mais potentes e mais geradores de calor. Um rack num centro de dados moderno pode produzir mais de 30 kW de calor - o que é suficiente para aquecer uma pequena casa durante o inverno. Do mesmo modo, a energia renovável depende do funcionamento perfeito dos inversores de potência e dos dispositivos de armazenamento de baterias, que são muito susceptíveis ao calor. O conhecimento das várias formas de sistemas de refrigeração já não é uma mera forma académica; é uma necessidade essencial para os proprietários de casas que querem ser eficientes, para os empresários que querem ser fiáveis e para os engenheiros que querem projetar o futuro. Pode ser alcançado com um sistema de arrefecimento adequado com base na razão pela qual é necessário, quer se esteja a operar ou a manter uma casa ou um edifício fabril. Este guia irá abranger todo o enorme campo da refrigeração, desde o zumbido do sistema AVAC até à precisão da eletrónica industrial, para além de lhe permitir selecionar o tipo de sistema mais adequado às suas necessidades.

Como funciona realmente a refrigeração

Fundamentalmente, o arrefecimento não implica a produção de uma temperatura baixa, mas sim a transferência de calor. Todos os sistemas de refrigeração funcionam com base na lei essencial da termodinâmica, especialmente a segunda lei da termodinâmica, segundo a qual o calor é transferido naturalmente entre corpos mais quentes e mais frios. O objetivo de qualquer sistema de arrefecimento é facilitar e acelerar este processo de transferência de calor.

Estão envolvidos três processos principais:

1. Condução: Condução térmica por contacto direto. Um exemplo básico é um dissipador de calor que está em contacto direto com o dissipador de calor de um processador.
2. Convecção: Movimento de fluidos (líquidos ou gases) que transferem calor. Um exemplo ideal de convecção forçada é uma ventoinha que sopra ar sobre um dissipador de calor, removendo a fonte de calor.
3. Radiação: Transferência de calor por ondas electromagnéticas. Tudo o que tem uma temperatura superior ao zero absoluto emite calor, o que é frequentemente aplicado na conceção de arrefecimento passivo.

Na maioria dos sistemas, uma combinação destes princípios é formada num ciclo de refrigeração, com um fluido especial (um refrigerante) a absorver o calor, tornando-se um gás em vez de um líquido, e movendo o calor para outras partes onde é libertado à medida que o gás se condensa novamente num líquido. Esta ideia simples do fluxo de calor é importante para compreender a forma como os diferentes tipos de sistemas seguintes funcionam.

Principais categorias de sistemas de refrigeração: O panorama geral

Embora a lista de aplicações específicas seja ilimitada, quase todas as tecnologias de arrefecimento podem ser classificadas em três grandes famílias, de acordo com o meio em que se baseiam para movimentar o calor.

Arrefecimento com base no ar: A abordagem mais comum

O tipo mais difundido de gestão térmica é o arrefecimento baseado no ar. Este utiliza o ar que o rodeia como principal meio de absorção e dissipação de calor. O seu baixo custo, simplicidade e facilidade de manutenção fazem com que seja a opção padrão numa grande variedade de aplicações, sendo a mais comum a refrigeração de um computador de secretária, mas também a ventilação de um chão de fábrica.

A maioria das formas de sistemas baseados no ar é passiva (baseada na convecção natural) ou ativa (baseada na convecção forçada por meio de fãs). A eficiência e a conceção dos ventiladores de um arrefecimento ativo do ar estão fundamentalmente relacionados com o seu desempenho.

Arrefecimento à base de água: Potência e eficiência

Os sistemas à base de água tiram partido do facto de o líquido ter uma massa térmica elevada - a água tem a capacidade de armazenar muitas vezes mais calor do que a massa de ar, muitas vezes mais. Isto torna-a altamente útil quando se trata de carga térmica de alta densidade.

Nestes sistemas, o líquido de arrefecimento (normalmente água ou uma mistura de água e glicol) circula num circuito, onde absorve o calor de uma fonte numa placa fria ou num permutador de calor. O líquido quente é então bombeado para um radiador ou torre de arrefecimento, onde o calor é expelido para o ar circundante.

Embora os sistemas de arrefecimento à base de água sejam mais complicados e dispendiosos do que o arrefecimento a ar, são mais eficazes quando se trata de um sistema informático com elevado grau de exigência de desempenho, como um centro de dados, um computador de elevado desempenho ou processos industriais pesados.

Sistemas à base de refrigerante: A magia da mudança de fase

A categoria é o cavalo de batalha do ar condicionado e da refrigeração actuais. Utiliza as caraterísticas de mudança de fase de um refrigerante para transferir grandes quantidades de calor. O refrigerante é evaporado a baixa pressão e a baixa temperatura dentro de um circuito fechado e retira muito calor na área interior (este é o efeito de arrefecimento). Este é depois pressurizado num gás de alta pressão e alta temperatura. Por fim, passa para uma unidade exterior onde se condensa num líquido para libertar o calor armazenado no ar exterior. Este ciclo é muito eficaz para estabelecer uma grande diferença de temperatura entre as áreas interiores e exteriores, o que ajuda a evitar o calor excessivo nas áreas controladas.

Sistemas AVAC comuns para casas e empresas

A utilização mais conhecida da tecnologia de arrefecimento é a dos sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (AVAC), que têm por objetivo regular a temperatura e a qualidade do ar no interior do edifício e proporcionar um ambiente confortável durante todo o ano.

Ar condicionado central (CAC) e fornos

O ar condicionado central é o sistema mais popular encontrado nos lares da América do Norte e no qual é utilizado um ciclo de refrigerante para arrefecer o ar num local central. Este ar arrefecido é depois bombeado para todas as partes do edifício através de uma rede de condutas e respiradouros. O sistema é normalmente um sistema dividido, com uma unidade interior (bobina do evaporador) e uma unidade exterior (bobina do condensador e compressor). É um sistema que se destina a preservar eficazmente a temperatura confortável em todo o seu espaço habitacional e, assim, garantir a consistência no conforto da sua casa.

Sistemas Mini-Split sem condutas

A Duke é menos adequada para casas que não têm condutas, ou para zonear uma determinada divisão; também apresentam um design dividido com um compressor exterior e uma ou mais unidades interiores de tratamento de ar. As unidades interiores individuais têm o seu próprio ventilador e serpentina do evaporador, que podem controlar independentemente a temperatura em várias divisões. São muito eficientes e geralmente dispendiosos de instalar por unidade de capacidade de arrefecimento.

Chillers e torres de arrefecimento comerciais

Os chillers são utilizados em grandes instalações comerciais, como escritórios, hospitais e aeroportos. Um chiller arrefece a água em vez de arrefecer diretamente o ar e, em seguida, a água é canalizada por todo o edifício para os sistemas de tratamento de ar para arrefecer o ar. O calor absorvido pela água é depois emitido para a atmosfera, o que é normalmente feito por uma grande torre de arrefecimento exterior, que utiliza o princípio da evaporação para arrefecer o ar com uma eficiência espantosa.

Arrefecimento especializado: As exigências da indústria e das TI

Assim que o objetivo passa a ser não só a refrigeração de espaços abertos, mas também a proteção de equipamento de missão crítica em espaços fechados, os desafios e as soluções mudam radicalmente. O mundo da indústria e da tecnologia da informação não se concentra no conforto quando se trata de arrefecimento, mas sim no tempo de funcionamento, na fiabilidade e em activos no valor de milhares de milhões de dólares.

Os componentes electrónicos são principalmente afectados pelo calor, uma vez que este minimiza o seu ciclo de vida e conduz a falhas desastrosas. O arrefecimento de elevada precisão e fiabilidade é essencial numa grande variedade de aplicações:

• Telecomunicações: Estações de base 5G e os comutadores de uma rede são normalmente colocados em pequenos armários exteriores selados que estão expostos a condições climatéricas extremas. Devem estar abertos 24 horas por dia.
• Armazenamento de energia e energias renováveis: Inversores solares (PV) e sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) produzem enormes quantidades de calor. O aquecimento excessivo pode provocar uma diminuição da eficiência e o fim precoce da vida útil, ou mesmo uma fuga térmica potencialmente perigosa.
• Automação industrial: PLCs, VFDsAs fontes de alimentação estão localizadas em armários de controlo no chão de fábrica. Os armários devem ser mantidos sem pó, humidade e calor excessivo para evitar paragens de produção dispendiosas.
• Centros de dados/TI: Os bastidores dos servidores estão a ficar extremamente espessos. Muitas dezenas de servidores podem ser embalados num único bastidor, o que gera uma elevada concentração de calor e necessita de ar ativo direcionado.

Estes ambientes não podem sobreviver com uma ventilação básica. Tem de haver um sistema de arrefecimento ativo dedicado a uma elevada fiabilidade e precisão.

ACDCFAN em ação: Soluções à medida para sectores-chave

É nesta altura que o arrefecimento ao nível dos componentes é essencial. A ACDCFAN concebe e produz pequenas ventoinhas de arrefecimento que permitem o controlo térmico destes sectores difíceis. Oferecemos soluções específicas, identificando os problemas difíceis que cada sector enfrenta, daí a integridade operacional.

• Para as telecomunicações: Oferecemos ventoinhas IP68 totalmente à prova de água, que garantirão a disponibilidade 24/7 das estações de base 5G no exterior, independentemente das condições climatéricas.
• Para campos de armazenamento de energia e PV: Os nossos ventiladores são incorporados em armários de baterias e inversores para oferecer um arrefecimento fiável e estável, aumentando a vida útil destes importantes activos. Os nossos ventiladores inteligentes são capazes de definir a velocidade de acordo com a carga em tempo real, o que maximiza a eficiência.
• Para máquinas industriais: Os nossos ventiladores criam uma pressão positiva no armário de controlo para manter o pó e os detritos fora do armário e remover de forma fiável o calor dos componentes electrónicos sensíveis, eliminando os dispendiosos tempos de inatividade no chão de fábrica.
• Para a indústria da energia eléctrica: Isto, com uma carteira de produtos totalmente certificados (UL, CE, TUV), assegurou a utilização dos nossos ventiladores em armários de controlo de refrigeração em centrais eléctricas e subestações onde a segurança é um aspeto não negociável.

Para além da ventoinha: Resolver os principais desafios do arrefecimento industrial

Fornecer uma ventoinha é fácil. É o fornecimento de uma solução térmica fiável e concebida para os principais problemas industriais que cria o verdadeiro valor. As nossas principais áreas de preocupação são três, e são fundamentais para o sucesso dos nossos clientes...

O desafio da pressão estática em prateleiras densamente embaladas

Uma vez que os servidores, as baterias e os módulos de alimentação estão empilhados uns sobre os outros, a oposição ao fluxo de ar, também designada por pressão estática, torna-se extremamente elevada. Uma ventoinha normal pode rodar muito depressa, mas não consegue mover qualquer quantidade significativa de ar através das aletas espessas de um dissipador de calor ou de uma caixa de servidor congestionada. Isto é resolvido através da utilização de designs avançados de pás aerodinâmicas, que são optimizadas para terem uma pressão estática elevada, de modo a que o ar de arrefecimento possa entrar nos locais mais difíceis para chegar às peças vitais.

Fiabilidade e longevidade em ambientes agressivos

As peças de uma indústria não devem ser mudadas de poucos em poucos anos; é suposto serem duradouras. Dedicamo-nos totalmente à durabilidade. Utilizamos uma forte tecnologia de rolamentos de esferas para proporcionar um tempo médio entre falhas (MTBF) de mais de 70.000 horasAssim, os nossos ventiladores proporcionarão uma vida útil estável durante a vida útil do seu equipamento. Os nossos Tecnologia de encapsulamento à prova de água IP68 é utilizado para garantir uma proteção total contra a entrada de pó e água em aplicações expostas aos elementos. Esta atenção obsessiva à fiabilidade é apoiada por um pacote completo de certificações, tais como UL, CE, TUV e EMC, fornecendo-lhe uma confirmação escrita da qualidade.

A procura de refrigeração inteligente e eficiente em termos energéticos

Num mundo em que o custo de funcionamento está na mente das pessoas, o arrefecimento excessivo é desnecessário. Os nossos ventiladores incluem PWM (Modulação de largura de pulso) velocidade inteligente. Isto permite-lhes serem ligados internamente a um controlador principal (MCU) do seu sistema para formar uma solução térmica inteligente. Tem uma ventoinha silenciosa que consome pouca energia quando as cargas são baixas, mas aumenta a potência máxima assim que o stress é detectado pelo sistema. Este sistema de arrefecimento a pedido poupa muita energia e ruído, bem como acústica, conduzindo a um baixo custo global de propriedade.

Com um compromisso de parceria rápida, podemos analisar as suas necessidades e fornecer uma proposta térmica preliminar no prazo de 12 horas.

Conclusão

O mundo da refrigeração é muito mais variado do que algumas pessoas pensam. É um continuum do condicionamento macroscópico do ar nos nossos edifícios até à consideração microscópica da proteção de um processador individual. Enquanto os sistemas HVAC são de grande escala e controlam o nosso conforto, o futuro da tecnologia, da energia e da comunicação depende das soluções de refrigeração especializadas que serão capazes de proporcionar fiabilidade e desempenho numa área mais pequena. Esta diferença é importante para se poder escolher o sistema de refrigeração correto. No caso da utilização industrial e informática moderna, o sucesso é frequentemente definido pela qualidade dos elementos mais pequenos. A seleção de um ventilador forte, inteligente e altamente concebido não é apenas uma consideração irreflectida, mas um investimento fundamental para a fiabilidade, vida útil e desempenho ótimo do seu sistema completo. Além disso, a consideração dos custos de energia e da eficiência do sistema pode ser útil para proporcionar sustentabilidade a longo prazo e reduzir os custos operacionais.