Klimat pod kontrolą, część 2 - od urządzeń do szaf przemysłowych

Ciecze charakteryzuje większa przewodność termiczna oraz większy współczynnik przejmowania ciepła niż gazy. Dzięki temu one są skuteczniejszym medium chłodzącym niż powietrze. Zaletą instalacji chłodzenia cieczą jest oprócz tego cicha praca. W przemyśle są one wykorzystywane do odprowadzania ciepła m.in. w silnikach, transformatorach, komputerach przemysłowych, panelach operatorskich i szafach sterowniczych.

KLASYFIKACJA INSTALACJI CHŁODZENIA CIECZĄ

Cieczą można chłodzić bezpośrednio albo pośrednio. W instalacjach pierwszego typu medium ma kontakt z nagrzaną powierzchnią - jej ciepło odbierane jest wprost przez ciecz. W tych drugich z kolei gorący obiekt ma styczność wyłącznie z elementem pośredniczącym przewodzącym ciepło. Dopiero on jest schładzany cieczą.

W chłodzeniu bezpośrednim obiekt zanurza się w płynie. Przepływ ciepła jest wówczas wynikiem jego konwekcji (swobodnej lub wymuszonej) albo wrzenia, w zależności od temperatury obiektu i właściwości medium chłodzącego. W chłodzeniu pośrednim nagrzewające się urządzenia montuje się na płycie z materiału, który charakteryzuje duża przewodność termiczna, na przykład z miedzi albo aluminium. W środku płyty prowadzi się przewody, którymi płynie ciecz.

W szafach sterowniczych popularne są też wymienniki ciepła typu powietrze-ciecz. Powietrze w obudowie jest schładzane przez płynący nimi zimny płyn.

Instalacje chłodzenia cieczą dzieli się także na te o obiegu otwartym i zamkniętym. W pierwszych nagrzane medium jest wydalane z systemu. W obiegu zamkniętym ciecz jest cyklicznie ogrzewana, a następnie schładzana, na przykład w wymienniku ciepła. Zapewnia to jej oszczędność.

JAKA POWINNA BYĆ IDEALNA CIECZ CHŁODZĄCA?

Właściwości cieczy chłodzącej mają wpływ na skuteczność chłodzenia, łatwość jej transportu i regulowania przepływu. Najważniejsze z nich to m.in.: przewodność cieplna, ciepło właściwe, lepkość, napięcie powierzchniowe, chemiczna i termiczna stabilność, korozyjność, toksyczność oraz temperatura krzepnięcia i temperatura wrzenia.

Im większa przewodność termiczna, tym lepiej, gdyż od niej zależy współczynnik przejmowania ciepła. Ciecze o dużym cieple właściwym wymagają mniejszego masowego natężenia przepływu. Mała lepkość zmniejsza spadek ciśnienia, co pozwala użyć słabszej pompy. Przy dużym napięciu powierzchniowym mniej prawdopodobny jest wyciek.

Ponadto im większa jest wytrzymałość dielektryczna, tym lepiej, szczególnie w chłodzeniu przez zanurzenie. Ze względu na bezpieczeństwo personelu dobrze, gdy ciecz nie jest toksyczna. Niska temperatura krzepnięcia oraz wysoka temperatura wrzenia zagwarantują natomiast szeroki zakres temperatur pracy.

PRZYKŁADY CIECZY CHŁODZĄCYCH

Ważna jest też chemiczna inercja, dzięki której ciecz chłodząca nie będzie reagować z powierzchnią schładzaną oraz elementami systemu jej transportu. Przykłady kompatybilnych par płyn-materiał to: miedź-woda i wodne roztwory glikolu, aluminium-płyny dielektryczne oraz wodne roztwory glikolu, stal nierdzewna-woda, wodne roztwory glikolu, woda dejonizowana, płyny dielektryczne.

Ze względu na dużą pojemność cieplną i przewodność termiczną popularnym medium chłodzącym jest woda. Jeśli pochodzi z wodociągu miejskiego, jej zaletą jest dostępność oraz niski koszt, może jednak zawierać zanieczyszczenia. Te zaś powodują korozję i zatykają rurociągi. Na korozyjność wody ma wpływ jej skład chemiczny, dlatego stężenie pewnych związków nie powinno w niej przekraczać wartości granicznych.

Na przykład dla chloru jest to 25 ppm. Zawartość wapnia i magnezu nie może być większa niż 50 ppm - w większej ilości osadzają się one w postaci kamienia wewnątrz instalacji chłodzącej. Całkowita twardość wody nie powinna natomiast przekraczać 100 ppm. Nawet jeżeli woda spełnia te wymogi warto, dla dodatkowej ochrony, dodać do niej substancje opóźniające postęp korozji. Przykładowo w instalacji ze stali nierdzewnej takim związkiem są fosforany, z miedzi i brązu - tolyltriazol, a tej z aluminium - kwasy organiczne.

JAK ZAPOBIEC EROZJI I KONDENSACJI?

Funkcję medium chłodzącego pełnią też: woda dejonizowana, glikol etylowy i propylenowy. Tę pierwszą charakteryzuje duża rezystywność, ale i niestety silna korozyjność. Do zalet glikolu etylowego zalicza się natomiast wysoką temperaturę wrzenia, niską temperaturę zamarzania, stabilność w dużym zakresie temperatur, dużą przewodność cieplną i ciepło właściwe, małą lepkość. Wadą tej substancji jest jednak silna toksyczność. Problem ten nie dotyczy glikolu propylenowego.

Kolejnym niepożądanym zjawiskiem w instalacjach chłodzenia jest erozja. Zwykle występuje ona w pobliżu zwężeń rur, ich zakoli i innych struktur zmieniających kierunek przepływu lub prędkość cieczy chłodzącej, zwłaszcza wykonanych z miękkich metali, jak miedź lub aluminium.

By erozję ograniczyć stosuje się różne metody, m.in. zagina rury pod większym kątem, zmienia ich średnicę stopniowo, zamiast gwałtownie oraz wygładza nierówności. Jeśli ciecz chłodząca ma temperaturę niższą od temperatury punktu rosy powietrza w otoczeniu, dochodzi do skroplenia pary wodnej na powierzchni wymiany ciepła. By temu zapobiec, można ją na przykład izolować.

Przykład - chłodzenie transformatorów Na rysunku 1 przedstawiono przykład instalacji chłodzenia cieczą transformatorów energetycznych. Jest to najprostszy układ, w którym do odprowadzania ciepła wykorzystywana jest naturalna konwekcja gorącego oleju. Unosi się on samoistnie w górę zbiornika, który jest uzupełniany zimnym olejem. Gorące medium oddaje ciepło do otoczenia przez przewodzenie albo promieniowanie, a po schłodzeniu spływa na dół. Olej zatem cały czas krąży w zamkniętym obiegu w zbiorniku transformatora. Rys. 1. Rys. 2. Rys. 3. Aby przyspieszyć i zwiększyć skuteczność odprowadzania ciepła gorącego medium do otoczenia, wykorzystuje się mechanizm konwekcji wymuszonej, montując na obudowie transformatora wentylatory (rys. 2). Jeszcze efektywniejsze i szybsze chłodzenie uzyskuje się, wymuszając przepływ oleju przez jego pompowanie (rys. 3).

CHŁODZIARKI TERMOELEKTRYCZNE

Zjawiska termoelektryczne polegają na powstaniu skutków cieplnych w wyniku procesów elektrycznych lub odwrotnie - efektów elektrycznych spowodowanych przez procesy termiczne. Znajdują one zastosowanie w pomiarach temperatury i urządzeniach do ogrzewania lub chłodzenia. W pierwszym przypadku wykorzystuje się zjawisko Seebecka, które polega na tym, że w obwodzie złożonym z dwóch różnych metali występuje różnica potencjałów między złączami, jeżeli mają one różne temperatury. Na tej zasadzie działają czujniki tej wielkości - termopary.

W ogrzewaniu / chłodzeniu korzysta się natomiast ze zjawiska odwrotnego - efektu Peltiera. Polega ono na tym, że w wyniku przepływu prądu elektrycznego przez złącza w jednym z nich energia termiczna wydziela się, a przez drugie jest pochłaniana. Zmiana kierunku przepływu prądu pozwala odwrócić ich temperaturę.

ZALETY CHŁODZIAREK PELTIERA

Chłodziarki Peltiera w porównaniu do wentylatorów, klimatyzatorów i instalacji chłodzenia cieczą mają wiele zalet. Jedną z nich jest brak ruchomych części. Dzięki temu prawdopodobieństwo ich uszkodzenia mechanicznego jest mniejsze, a ich konserwacja - prostsza oraz tańsza. Oprócz tego można ich używać tam, gdzie niepożądany jest hałas oraz wibracje. Przykładem są urządzenia używane w obróbce precyzyjnej.

Ze względu na rozmiary i wagę, małe w porównaniu do innych urządzeń chłodniczych, chłodziarki wykorzystujące zjawisko Peltiera sprawdzają się w odprowadzaniu ciepła z małych obudów i HMI. Ponadto, w przeciwieństwie do innych metod, do pracy wymagają jedynie zasilania. Dzięki temu można je montować w dowolnej pozycji, bez obaw na przykład o wpływ na przepływ cieczy chłodzącej lub trudności z ułożeniem przewodów, którymi jest doprowadzana.

W ramce przedstawiamy przykłady urządzeń do chłodzenia szaf sterowniczych wykorzystujące obie opisane w artykule metody.

Monika Jaworowska