Przykłady cieczy roboczych

CHŁODZENIE PASYWNE

Układ chłodzenia pasywnego stanowi zwykle połączenie dwóch komponentów: radiatora (często będącego częścią obudowy urządzenia) i rurki cieplnej (heat pipe). W tych pierwszych, w różnym stopniu, wykorzystywane są wszystkie mechanizmy wymiany ciepła, czyli przewodzenie, radiacja (promieniowanie) i konwekcja. Aby zmaksymalizować ich skuteczność, w projekcie radiatora trzeba uwzględnić specyfikę każdego z nich.

Pierwszym etapem procesu przekazywania ciepła przez radiator z wewnątrz urządzenia na zewnątrz jest jego przewodzenie. Jego efektywność zależy od jakości kontaktu między nagrzaną a chłodzącą powierzchnią. Powinny one szczelnie do siebie przylegać, a na ich styku nie może być zabrudzeń. Ponadto ważny jest materiał, z którego wykonano radiator, a zwłaszcza jego przewodność cieplna, im większa, tym lepiej. Ogólnie, jeżeli metal ma dużą przewodność elektryczną, też i ta termiczna będzie duża. W przypadku stopów generalnie jest ona mniejsza niż ta czystych metali. Te pierwsze mają jednak często lepsze właściwości mechaniczne i chemiczne, zwłaszcza odporność na korozję. Najczęściej radiatory wykonuje się z aluminium albo miedzi.

Gdzie najlepiej umieścić wentylator?

Wentylator powinien być wyposażony w filtr, który zapobiegnie przedostaniu się do wnętrza urządzenia zanieczyszczeń z zewnątrz. Należy go tak dobrać, aby zminimalizować spadek ciśnienia powietrza, a równocześnie zapewnić jego skuteczne oczyszczenie. Inaczej pyły lub inne zanieczyszczenia nawarstwiając się w środku, będą blokować przepływ medium chłodzącego. Taka powłoka na komponencie stanowi ponadto izolację hamującą przepływ wydzielanego się w nim ciepła na zewnątrz.

Uwagi wymaga także miejsce montażu wentylatora. Preferowane jest wejście urządzenia. Ta lokalizacja ma kilka zalet. Wentylator, wtłaczając powietrze do środka, reguluje ciśnienie wewnątrz obudowy, co uniemożliwia przenikanie zanieczyszczeń przez inne otwory. Ponadto powietrze chłodzące jest zimniejsze, a przez to gęstsze, co zapewnia większe masowe natężenie jego przepływu. Kontakt wentylatora z chłodnym gazem - pozytywnie wpływa na jego żywotność oraz niezawodność. Główną wadą tego rozwiązania jest to, że ciepło wydzielane przez wentylator stanowi dodatkowe obciążenie termiczne urządzenia.

Jeżeli wentylator jest umieszczony na wyjściu, tzn. wydmuchuje nagrzane powietrze, ciepło generowane w jego silniku jest od razu uwalniane do atmosfery. Niestety działając w ten sposób, wytwarza on w obudowie urządzenia próżnię, co sprawia, że powietrze z zewnątrz łatwo przenika do środka wszelkimi nieszczelnościami. Utrudnia to skuteczne filtrowanie zanieczyszczeń.

MIEDŹ CZY ALUMINIUM?

Przewodność cieplna aluminium wynosi około 200 W/mK. Dla porównania w przypadku stali jest to zaledwie 50 W/mK. Zaletą tego materiału jest lekkość oraz łatwość i różnorodność technik jego obróbki. Przewodność termiczna miedzi jest dwukrotnie większa niż aluminium (400 W/mK). Jej największą wadą jest duży koszt. Oprócz tego radiatory z miedzi są cięższe od tych wykonanych z aluminium. Aby równocześnie skorzystać z zalet obu tych materiałów, zmniejszając wpływ ich wad, czasami w radiator z aluminium wbudowuje się miedź, która ma bezpośredni styk z nagrzaną powierzchnią. Taka konstrukcja spełnia swoją funkcję jednak tylko wtedy, gdy zapewniony jest dobry kontakt między tymi dwoma materiałami, gwarantujący efektywny przepływ ciepła.

Energia termiczna przekazana od źródła ciepła do radiatora jest częściowo wypromieniowywana do otoczenia. Im większa powierzchnia oddająca ciepło, tym chłodzenie skuteczniejsze. W przypadku radiatorów próbuje się ją zwiększyć, wykonując ożebrowanie. Im więcej cieńszych żeberek, tym lepiej. Jednak równocześnie trzeba pamiętać, że grubsze żeberka mają większą przewodność cieplną. Potrzebny jest zatem kompromis między ich liczbą, a rozmiarami.

JAKĄ ROLĘ ODGRYWA RURKA CIEPLNA?

Na skuteczność radiacji ma też wpływ emisyjność powierzchni. Aby ją poprawić, stosuje się różne metody obróbki, przykładowo anodyzowanie. W przypadku aluminium zwiększa to emisyjność z poniżej 0,1 do nawet ponad 0,9. W praktyce jednak takie dodatkowe zabiegi, wtedy gdy głównym mechanizmem przepływu ciepła jest konwekcja, przede wszystkim zabezpieczają radiator przed wpływem czynników z otoczenia.

Konwekcja może być naturalna albo wymuszona. W konstrukcjach bezwentylatorowych jest to ta pierwsza. Aby zapewnić skuteczne chłodzenie tym sposobem, ożebrowanie radiatora projektuje się tak, by zapewnić jak najswobodniejszy przepływ powietrza pomiędzy żeberkami. Ten z kolei zależy od ich liczby, wymiarów, kształtu i odstępów je dzielących. Im ten ostatni jest większy, tym lepiej, jednak wówczas na danej powierzchni zmieści się ich mniej.

Uzupełnieniem radiatorów w układach chłodzenia pasywnego jest rurka cieplna. Element ten sam z siebie nie rozprasza energii cieplnej. Jego rolą jest natomiast transport ciepła od jego źródła do radiatora. Stąd inna nazwa tego komponentu to ciepłowód.

CO JEST W ŚRODKU RURKI CIEPLNEJ?

Ciepłowód to hermetycznie zamknięta, próżniowa rurka (albo pojemnik o innym kształcie), którą częściowo wypełnia się specjalną cieczą. W środku jest ona pokryta strukturami kapilarnymi, na przykład wzdłużnymi rowkami lub porami. Gdy jeden jej koniec jest podgrzewany, ciecz robocza paruje. Para przepływa w drugi, chłodniejszy koniec pojemnika, gdzie ulega kondensacji, oddając ciepło radiatorowi (rys. 2). Ciepło zmiany stanu skupienia jest nawet kilkaset razy większe niż to, które w analogicznej instalacji mogłoby przepłynąć za pośrednictwem pręta wykonanego z miedzi albo z aluminium. Skroplona para spływa następnie z "zimnego" do "gorącego" końca rurki.

Zakres temperatur pracy rurki cieplnej zależy od rodzaju cieczy roboczej, którą ją wypełniono. W praktyce jest on nieco węższy niż przedział pomiędzy temperaturą punktu potrójnego (tj. stanu, w którym dana substancja może istnieć w trzech stanach skupienia równocześnie, pozostając przy tym w stanie równowagi termodynamicznej) a krytyczną (tj. taką, powyżej której danej substancji nie można już skroplić). Oprócz tego, projektując ciepłowód, należy tak dobrać ciecz roboczą, żeby nie wchodziła ona w reakcje chemiczne z materiałami użytymi do budowy pojemnika. Nie może ona również powodować ich korozji. Ta ostatnia prowadzi bowiem do zniszczenia rurki, natomiast wynikiem niepożądanych reakcji chemicznych mogą być nieskraplające się gazy.

PRZYKŁADY CIECZY ROBOCZYCH

Przykładowo zakres temperatur pracy rurek cieplnych wypełnionych cieczą wynosi od +5°C do +230°C, zaś dopuszczalne materiały to miedź i nikiel. Ciepłowody tego rodzaju są popularne w chłodzeniu elektroniki. Zakres temperatur pracy rurek cieplnych z metanolem to z kolei -45°C... +120°C. Do ich budowy można użyć miedzi, niklu oraz stali nierdzewnej. Wyłącznie z tego ostatniego materiału można z kolei zbudować pojemnik z ciekłym azotem. Zakres temperatur roboczych takiego ciepłowodu to -200°C... -80°C.

Temperatury pracy ciepłowodów z ciekłym amoniakiem mieszczą się natomiast w przedziale od -70°C do +60°C. Oprócz niklu oraz stali nierdzewnej można je również wykonywać z aluminium. Aluminiowe rurki cieplne z ciekłym amoniakiem, dzięki lekkości tego materiału, są chętnie wykorzystywane do chłodzenia urządzeń w kosmosie. W ramce przedstawiamy inne cechy, którymi powinna charakteryzować się idealna ciecz robocza rurki cieplnej.

Daniel Michalczyk

Radiolex

Jak dobierać systemy kontroli klimatu? Gdzie wystarczy wentylacja, a gdzie konieczne jest stosowanie klimatyzatorów?

Na system kontroli klimatu w szafach sterowniczych składają się przede wszystkim urządzenia grzejne, wentylujące, regulujące oraz chłodzące. Dobór odpowiedniego systemu zależy głównie od miejsca eksploatacji aplikacji oraz wymagań środowiskowych, które muszą być spełnione. W celu doboru odpowiednich urządzeń wystarczy zwrócić się do naszych specjalistów, określając warunki klimatyczne oraz wymagania, jakie mają być spełnione.

Wentylację stosuje się w układach, w których temperatura wewnątrz szafy nie musi być niższa od temperatury otoczenia. Wentylatory wykorzystywane są głównie do przewietrzania obudowy, a ich wydajność zależy od warunków panujących poza nią. Urządzenia chłodzące (klimatyzatory) należy montować w systemach, w których występują duże straty ciepła lub wymagana temperatura wewnątrz szafy musi być niższa od tej panującej na zewnątrz. Swoją rolę odgrywają np. w halach produkcyjnych, gdzie występuje wysoka temperatura otoczenia; w serwerowniach, gdzie zainstalowane komputery mają wysokie straty ciepła; w instalacjach zewnętrznych, gdzie nasłonecznione miejsca mogą nagrzewać obudowy.

Należy pamiętać, że systemy wentylacji i klimatyzacji stosuje się alternatywnie, użycie łączne może spowodować spadek wydajności lub niepotrzebne zwiększenie kosztów.

Popularnymi sposobami chłodzenia są również wymienniki ciepła typu powietrze-powietrze oraz woda-powietrze. Dzięki tego typu urządzeniom można zapewnić wysoką szczelność aplikacji lub zaoszczędzić energię.

Czy odbiorcy szukają komponentów czy raczej rozwiązań? Jakie są wymagania względem tych ostatnich?

Jako przedstawiciel producenta szaf sterowniczych dostarczającego również kompletne systemy wentylacji i klimatyzacji stwierdzam, że odbiorców interesuje przede wszystkim zupełny i poprawnie dobrany system, który spełniać ma założenia konstrukcyjne. Nasi specjaliści na etapie wstępnych rozmów z klientem proponują tego typu rozwiązania, a duże grono odbiorców na etapie doboru obudowy sygnalizuje, że niezbędne będzie zamontowanie tego typu urządzeń. Wymogi, które się najczęściej powtarzają, to: małe gabaryty urządzenia, wybrane opcje zasilania oraz sposób montażu (np. ścienny, dachowy).

Kto jest odbiorcą urządzeń takich jak omawiane i jaka jest konkurencja po stronie dostawców?

Odbiorcą systemów wentylacji i klimatyzacji są praktycznie wszyscy instalatorzy i prefabrykatorzy rozdzielnic elektrycznych. Należy pamiętać, że nawet nieznaczny wzrost temperatury wewnątrz aplikacji może spowodować awarię zainstalowanych komponentów, skrócić ich żywotność czy zmniejszyć dokładność. Główne zastosowania znajdują w branży przemysłu maszynowego, produkcyjnego czy systemach automatyki, sterowania oraz IT.

Konkurencja podzielona jest na producentów kompletnych rozwiązań (np. producenci szaf sterowniczych oferują również systemy do kontroli klimatu) oraz na dostawców poszczególnych komponentów. Przy wyborze dostawcy należy zwracać uwagę na jego doświadczenie i wiedzę w danej dziedzinie. Nieprawidłowe dobranie elementów chłodzących może narazić odbiorcę na wysokie straty materialne.