Częstymi przyczynami awarii i pogorszenia parametrów pracy urządzeń są zanieczyszczenia, kondensacja pary wodnej oraz za niska lub za wysoka temperatura, która ma źródło w ich wnętrzu (współpracujące części mechaniczne, urządzenia elektryczne) albo na zewnątrz (maszyny w sąsiedztwie, promieniowanie słoneczne). Aby zatem działały one sprawnie oraz niezawodnie, a do tego jak najdłużej, wyposaża się je w systemy chłodzenia, grzania oraz wentylacji. W artykule przedstawiamy aspekty konstrukcyjne i użytkowe oraz wskazówki odnośnie do wyboru tych ostatnich. W pierwszej części w szczególności omawiamy wentylatory, układy chłodzenia bezwentylatorowego, grzania oraz klimatyzatory do szaf elektrycznych, zaś w drugiej instalacje chłodzenia cieczą i chłodziarki termoelektryczne.
Wentylatory to popularne urządzenia, które - w zależności od kierunku przepływu strumienia powietrza względem ich osi - można podzielić na: osiowe, promieniowe oraz diagonalne. W tych pierwszych, których cechą charakterystyczną są łopatki wirnika w kształcie śmigła, jest on zgodny. Wentylatory osiowe zazwyczaj umieszcza się w obudowie wraz z silnikiem elektrycznym zintegrowanym z piastą wirnika.
Taka kompaktowa konstrukcja, z otworami montażowymi na kołnierzu wentylatora, pozwala na jego instalację nawet w ograniczonych warunkach przestrzennych. Jej główną wadą są rozpórki, które łączą obudowę silnika z kołnierzem. Zapewniają one stabilność, ale jednocześnie stanowią przeszkodę dla przepływającego strumienia powietrza. W czasie pracy łopatki wirnika omiatają rozpórki, powodując w ich otoczeniu skoki ciśnienia. Jest to jedno z największych źródeł hałasu generowanego przez wentylatory osiowe. Dlatego kształt, liczba i sposób montażu rozpórek są dokładnie analizowane pod kątem ich wpływu na przepływ powietrza przez wentylator (patrz ramka).
W wentylatorach promieniowych wlot powietrza następuje zgodnie z osią, a wylot prostopadle do niej. Ich wirnik przypomina koło wodne. Silnik zwykle znajduje się w obszarze zasysania, co do pewnego stopnia ogranicza natężenie przepływu powietrza. Dzięki temu jednak konstrukcja jest bardziej zwarta.
Wentylatory z przepływem mieszanym (diagonalne) przypominają wentylatory osiowe, mimo że ze względu na zasadę pracy są konstrukcją pośrednią między nimi a promieniowymi. Wlot powietrza następuje w nich osiowo, natomiast wylot diagonalnie - strumień gazu przemieszcza się częściowo osiowo, a częściowo promieniowo. W rezultacie wentylatory z przepływem mieszanym wytwarzają większe ciśnienie, przy tych samych rozmiarach oraz prędkości pracy, niż wentylatory osiowe, lecz mniejsze niż wentylatory promieniowe.
Wydajność wentylatora opisuje jego charakterystyka. Jest to krzywa, na której przedstawiane jest objętościowe natężenie przepływu tłoczonego gazu, w zależności od przyrostu ciśnienia, jakie wytwarza wentylator. Zazwyczaj udostępnia ją producent.
Na jej podstawie porównuje się różne typy wentylatorów oraz ocenia ich wydajność w konkretnym zastosowaniu. W tym celu trzeba ją przeanalizować razem z krzywą spadku ciśnienia w urządzeniu w zależności od ilości przepływającego przez nie powietrza. Aby taki wykres wyznaczyć, określić należy występujące w nim opory przepływu. Służy do tego specjalne oprogramowanie. Można też zastosować wzory uproszczone.
Znając zastępczy opór przepływu danego urządzenia (Rsys), charakterystykę spadków ciśnienia (psys ) w zależności od objętościowego natężenia przepływu (V) wyznacza się według wzoru: psys = Rsys·V².
Krzywą tę następnie umieszcza się na wspólnym wykresie z charakterystyką wentylatora. Punkt ich przecięcia określa punkt pracy wentylatora. Opisuje on rzeczywistą wydajność wentylatora w tej instalacji, czyli ilość powietrza, jaką ten wentylator może przetłoczyć przez dane urządzenie. Czasem pojedynczy wentylator nie zapewnia niestety wystarczającego obiegu powietrza.
Jak zmniejszyć hałas wentylatorów osiowych?Zwykle w wentylatorach osiowych montowane są rozpórki spiralnie zakrzywione. Im większa jest przerwa pomiędzy łopatkami a rozpórkami, tym mniejszy hałas. Istotna jest także liczba łopatek i rozpórek. Im mniej rozpórek, tym mniejszy hałas, zwłaszcza przy dużych prędkościach wirnika. Z kolei im więcej łopatek, tym większy strumień powietrza, ale równocześnie wtedy łopatki częściej omiatają rozpórki, co generuje większy hałas. Ważne jest też, by rozpórki znajdowały się po stronie wylotu powietrza z wentylatora. Ma to uzasadnienie w specyfice przepływu. Strumień powietrza na wejściu wentylatora to strumień laminarny, zaś na wyjściu - turbulentny. W momencie, gdy na drodze strumienia laminarnego pojawia się przeszkoda, słychać uciążliwy gwizd. Z kolei kiedy strumień turbulentny napotyka przeszkodę, emitowane są dźwięki dla ludzi mniej dokuczliwe. |
W obudowie montuje się wtedy kilka wentylatorów, w konfiguracji szeregowej albo równoległej. Gdy umieszcza się je obok siebie, tzn. równolegle (rys. 1a), objętościowe natężenie przepływu w systemie jest sumowane i rośnie wraz z liczbą wentylatorów. Układ szeregowy przedstawiono na rysunku 1b. Wraz z liczbą wentylatorów rośnie wytwarzane przez nie ciśnienie.
Wentylatory w konfiguracji równoległej sprawdzają się, gdy chłodzone urządzenie nagrzewa się szybko i silnie, w związku z czym wymaga dużego natężenia przepływu powietrza. Jeżeli jednak komponenty urządzenia stawiają duży opór dla przepływającego gazu, ze względu na możliwość uzyskania większego ciśnienia, warto zdecydować się na konfigurację szeregową.
Jeśli spełnione są oba warunki równocześnie, zalecane jest połączenie przeciwsobne, w którym wentylatory umieszcza się w obudowie naprzeciw siebie. Wentylacja jest wtedy skuteczniejsza, gdyż jeden wentylator zasysa powietrze do wnętrza obudowy, a drugi wypycha je na zewnątrz.
Jaka powinna być idealna ciecz robocza rurki cieplnej?Ciecz robocza, która najpierw paruje, a następnie ulega skropleniu w ciepłowodzie, musi cechować się określonymi właściwościami. Przede wszystkim nie może ona wchodzić w reakcje chemiczne z materiałami, których użyto do budowy rurki, ani powodować ich korozji. Zakres jej temperatur roboczych musi być dobrany do warunków pracy. Kolejne cechy to: stabilność termiczna, duże wartości ciepła przemiany fazowej i współczynnika przewodzenia ciepła, mała lepkość i duża wartość napięcia powierzchniowego. Powinna ona także dobrze zwilżać ścianki pojemnika, a ciśnienie jej par nie może być ani zbyt duże, ani zbyt małe, w całym zakresie temperatur pracy. |
Problemy z wentylatorami trzeba szybko diagnozować i rozwiązywać. Inaczej, chociaż pobierają z sieci prąd, nie spełniają swojej funkcji, gdyż działają poniżej założonych parametrów pracy. To z kolei grozi przegrzaniem wentylowanego urządzenia.
Wiele nieprawidłowości sygnalizowanych jest przez nadmierny hałas. Jest on na przykład objawem zablokowania się wentylatora. W zależności od tego, czy niepożądane dźwięki stopniowo cichną po wyłączeniu silnika, czy ustają od razu, można wstępnie określić charakter przyczyny. W pierwszym przypadku spodziewać się można problemów z podzespołami mechanicznymi, zwykle z łożyskami. W drugim zaś mają one z reguły charakter elektryczny.
Jeżeli uda się ustalić jako źródło hałasu łożyska, a dźwięk przez nie wydawany można opisać jako przechodzący z dudnienia w pisk, jedną z prawdopodobnych przyczyn jest ich złe nasmarowanie. Nieodpowiedni może być rodzaj smaru albo jego ilość. Inne przyczyny to obluzowanie łożysk na wale albo ich niewłaściwe napięcie.
Jeżeli łożyska generują uciążliwe dźwięki od momentu pierwszego uruchomienia wentylatora, może to oznaczać, że w czasie transportu lub przechowywania urządzenie to było narażone na wibracje. W wyniku drgań części tocznej w jednym miejscu dochodzi wtedy do odkształceń w formie nacięć na powierzchni bieżni. Najlepszym rozwiązaniem jest wymiana łożysk. Aby w przyszłości zapobiec takim uszkodzeniom, wentylator, warto uruchamiać chociaż raz dziennie.
Przyczyną drażniącego gwizdu może być z kolei uszczelnienie na wale, które wymaga nasmarowania. Trzeba też sprawdzić, czy się nie przesunęło. Kolejnym niepokojącym objawem są wibracje. Wśród ich przyczyn wymienia się najczęściej: niewyważenie wirnika, wygięcie wału, zużycie wirnika spowodowane kontaktem z materiałami ściernymi albo korozyjnymi, oblepienie łopatek wirnika smarem i pyłami, uszkodzenie wirnika. Większość z nich wymaga wymiany problematycznego elementu (wirnika, wału). Łopatki trzeba regularnie czyścić, a niewyważony wirnik - wyważyć. Występują też problemy charakterystyczne dla konkretnego typu wentylatora.
Jeżeli w przypadku wentylatorów promieniowych wirnik pracuje zbyt głośno, prawdopodobnie uderza on w obudowę wentylatora albo jego stożek wlotowy. Przyczyn tego może być kilka. Na przykład wirnik może być niewłaściwie zamocowany na wale lub niewspółśrodkowo względem obudowy wentylatora lub stożka wlotowego. W każdym z tych przypadków należy skorygować ustawienie wirnika. Hałas może także być spowodowany uszkodzeniem stożka wlotowego albo wygięciem wału. Wtedy obie te części trzeba wymienić. Jeżeli z kolei obudowa wirnika ulegnie wybrzuszeniu, możliwe jest, że pracuje on z większą prędkością, niż dozwolona.
W przypadku wentylatorów osiowych nadmierny hałas wirnika oznaczać może m.in., że łopatki poluzowały się i uderzają o obudowę. Kolejne przyczyny to przesunięcie się silnika względem obudowy oraz niewystarczający odstęp między obudową a końcówkami łopatek. To pierwsze wymaga wyregulowania położenia silnika i dokręcenia jego mocowań, łopatki zaś powinno się przyciąć. Jeżeli te ostatnie uległy wygięciu z reguły stało się to w trakcie transportu, w wyniku kontaktu z ciałami obcymi w kanale, blokady wentylatora albo turbulencji powietrza na jego wlocie. Jeśli natomiast wirnik się rozpadł, jest możliwe, że pracował z większą prędkością niż dopuszczalna albo coś uderzyło w jego łopatki.
Jeżeli wirnik wentylatora obraca się w niewłaściwym kierunku, konieczna jest zamiana miejscami przewodów zasilających. Przegrzewający się silnik może być m.in. skutkiem odłączenia się jednej fazy, za dużej inercji wirnika w stosunku do mocy silnika, przez co ten pierwszy nie osiąga pełnej szybkości, niewystarczająco skutecznego chłodzenia silnika, zbyt częstego włączania wentylatora, za dużej gęstości gazów do przetłoczenia albo zablokowania się wirnika. Silnik nagrzewa się zbyt silnie również wówczas, kiedy wentylator promieniowy o łopatkach wygiętych wstecz względem kierunku obrotów koła wirnika, kręci się w niewłaściwą stronę.
Towarzyszy temu spadek wydajności wentylacji o nawet 30%-40%. W przypadku wentylatorów promieniowych o łopatkach wygiętych w przód względem kierunku obrotów koła wirnika silnik przegrzewa się z kolei wtedy, gdy rezystancja przepływu w chłodzonym urządzeniu jest zbyt mała. Rozwiązaniem jest zmniejszenie prędkości obrotów wirnika albo umieszczenie perforowanej płytki na wlocie. W wentylatorach osiowych z kolei zbyt gorący silnik jest objawem m.in. przekrzywienia się wirnika.
Nie tylko chłodzenie!Jak się okazuje, nie tylko zbyt wysoka temperatura jest problemem. Kłopotliwa jest też ta za niska, może ona bowiem powodować zamarzanie urządzeń. Dotyczy to zwłaszcza tych pracujących na zewnątrz, szczególnie w chłodniejszym klimacie. Jeżeli zamrożenie jest wysoce prawdopodobne, urządzenie należy wyposażyć w podgrzewacz. Zainstalowanie tego ostatniego jest też konieczne, jeśli istnieje możliwość skroplenia się pary wodnej z powietrza wewnątrz (albo na zewnątrz) obudowy. Czym jest punkt rosy? Warunki sprzyjające kondensacji występują głównie w przypadku urządzeń, które pracują na zewnątrz pomieszczeń, zwłaszcza nocą, kiedy rozgrzane za dnia powietrze stygnie. Duże zmiany temperatur przy dużym zawilgoceniu towarzyszą też jednak niektórym procesom produkcyjnym. Dlaczego i jak zapobiegać kondensacji? Aby uniknąć kondensacji, najprościej nie dopuścić do wnikania wilgoci do środka obudowy. Zapewnia to dokładne uszczelnienie obudowy. Jeżeli nie jest ono możliwe, należy utrzymywać niski poziom wilgotności względnej (zalecana wartość to poniżej 60%) albo nie dopuszczać do nagłych i dużych skoków temperatury. To ostatnie jest zadaniem grzałki. Jaka moc podgrzewania jest wymagana? Następnie należy wyznaczyć różnicę temperatur (ΔT = x - y, °C): tej, która ma być utrzymana w obudowie (x) i najniższej możliwej w jej otoczeniu (y). Pierwszą wielkość określa się na podstawie wykresów zależności pomiędzy temperaturą a wilgotnością bezwzględną. Trzeba ponadto uwzględnić moc urządzenia (Pv, W). Moc grzałki wyznacza się według wzoru: P (W)= (A·k·ΔT) - Pv. Sterowanie grzaniem |
Jak widać, wentylatory, chociaż, jeżeli są właściwie dobrane, są skuteczne, nie są pozbawione wad. Generują hałas, a wibracje, uderzenia oraz zapylenie mogą je zablokować albo całkiem uszkodzić. O takie warunki niestety w przemyśle nietrudno.
Dlatego w urządzeniach, w których wentylator to często jedyny element ruchomy podatny na uszkodzenie mechaniczne, coraz chętniej rezygnuje się z tej metody chłodzenia. Przykładem są panele operatorskie oraz komputery przemysłowe. Awaria wentylatora, której skutkiem byłoby przegrzanie się jednostki centralnej, może mieć w ich przypadku katastrofalne następstwa dla przebiegu całego procesu produkcyjnego.
Poza mniejszą awaryjnością, brak wentylatorów ma jeszcze inne zalety. Najważniejsze z nich to ograniczenie poboru prądu oraz możliwość odizolowania chłodzonego urządzenia od otoczenia. Jeżeli jego częścią jest wentylator to drugie nie jest możliwe, gdyż trzeba zapewnić swobodny przepływ powietrza z i do obudowy. To zaś poza tym, że sprzyja przenikaniu zabrudzeń do jej wnętrza, powoduje również ich rozprzestrzenianie się dookoła.
Oprócz tego na samych wentylatorach, które mają stały kontakt z otoczeniem, może gromadzić się brud. Zazwyczaj nawet regularne czyszczenie nie zapewni ich sterylności. W efekcie obecność tych urządzeń pogarsza jakość powietrza na danym stanowisku. To z kolei jest niepożądane w przypadku procesów produkcyjnych, które w związku z tym, że wymagają zachowania czystości, realizowane są w pomieszczeniach clean-room. Z pomieszczeń takich korzysta się na przykład w przemyśle elektronicznym i farmaceutycznym.
Alternatywą dla wentylatorów jest chłodzenie pasywne. Ta metoda odprowadzania ciepła jest często stosowana w komputerach przemysłowych oraz w panelach operatorskich.
Przykłady produktówWentylatory osiowe WWS: standard: wyciągowe, opcja: nadmuchowe, zastosowania: urządzenia grzewcze i chłodnicze. Parametry modelu WWS- 25: wydajność - 870 m³/h, spiętrzenie - 90 Pa, głośność - 58 dB, moc - 10 W, obroty - 1400/min, stopień ochrony - IP30, maksymalna temperatura pracy: +40°C. Wentylatory promieniowe WPP: zastosowanie - wentylacja, klimatyzacja, suszenie, procesy technologiczne, przetłaczanie gazów o gęstości do 1,2 kg/m³, odporność na korozję (wszystkie części wykonane z blachy stalowej ocynkowanej). Parametry modelu WPP-500: wydajność 6300 m³/s, spiętrzenie: 900 Pa, głośność: 84 dB, moc: 1,5 kW, obroty: 1380 1/min., stopień ochrony: IP 54. Wentylatory osiowe WOPO: z napędem bezpośrednim (wirnik mocowany na wale silnika), zastosowanie - wentylacja hal i pomieszczeń, przetłaczanie czynnika słabo zapylonego (maks. 0,5 g/m³), o temperaturze do +80°C, dostępny w wykonaniu: chemoodpornym, kwasoodpornym, przeciwwybuchowym. Wentylatory promieniowe WWOax: z napędem bezpośrednim (wirnik na wale silnika), sprzęgłowym (wirnik na wale układu łożyskowego napędzanego silnikiem przez sprzęgło elastyczne), pasowym (wirnik na wale układu łożyskowego napędzanego silnikiem przez przekładnię pasową), zastosowanie - wentylacja pomieszczeń, podmuch kotłów, wyciągi spalin, przetłaczanie czynnika słabo zapylonego (maks. 0,5 g/m³) o temperaturze do +500°C, wersje: chemoodporna, o podwyższonej szczelności, ciepłoodporna, kwasoodporna, przeciwwybuchowa. Komputery przemysłowe ICO300: bezwentylatorowe (chłodzenie pasywne), do montażu na szynie DIN, procesor Intel E3815 1,46 GHz, temperatura pracy: -20°C... +70°C, wilgotność: 5%.... 95%, wibracje: 2g 5...500 Hz amplituda 0,35 mm. Komputery przemysłowe EW410: bezwentylatorowe, w obudowie z tłoczonego aluminium, procesor Intel Atom D2550 1,86 GHz, 2 GB RAM, temperatura pracy: 0... +60°C. Grzałki serii SK 3105.xxx: grzałki PTC bez wentylatora, zastosowanie: szafy sterownicze, moc grzewcza: 10...150 W, zacisk szybkozłączny. |
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. |
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.
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.
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.
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 MichalczykRadiolex
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.
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).
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. |
W chłodzeniu szaf sterowniczych popularne są z kolei klimatyzatory. Na rysunku 3 przedstawiono schemat blokowy tego urządzenia. Jego najważniejsze komponenty to: wymienniki ciepła - ten obiegu wewnętrznego, odbierający ciepło ze środka szafy przemysłowej, i obiegu zewnętrznego. Przez drugi ciepło z wnętrza obudowy odprowadzane jest do otoczenia. Częścią klimatyzatora są oprócz tego: skraplacz, parownik, zawór rozprężny, sprężarka oraz sterownik.
Kontroler steruje pracą urządzenia chłodniczego na podstawie sygnałów z czujników. Są to m.in.: sensory mierzące temperaturę wewnętrzną i zewnętrzną, tzn. odpowiednio, szafy oraz jej otoczenia. Klimatyzator wyposaża się również w czujniki wykrywające oblodzenie i monitorujące temperaturę skraplania.
Urządzenie to działa na analogicznej zasadzie jak powszechne w gospodarstwach domowych lodówki. Płynny czynnik chłodniczy, pod wpływem podgrzania w wymienniku ciepła obiegu wewnętrznego, ulega odparowaniu. Następnie jest on sprężany w sprężarce. Towarzyszy temu wzrost jego temperatury. Dalej przepływa on przez wymiennik ciepła obiegu zewnętrznego. W wyniku schłodzenia czynnik chłodniczy ulega kondensacji w skraplaczu, skąd płynie do zaworu rozprężnego. Tutaj następuje obniżenie jego ciśnienia. Następnie przepływa on przez wymiennik obiegu wewnętrznego i cały cykl się powtarza.
Przykłady produktówKlimatyzatory do szaf sterowniczych serii DTS 3000: do użytku na zewnątrz, do dobudowy na drzwiach szafy sterującej, stopień ochrony: IP56, skraplacz chroniony przed agresywnym otoczeniem, dostępność wersji ze stali szlachetnej m.in. dla przemysłu spożywczego oraz do stosowania na zewnątrz, zintegrowany system odparowania kondensatu, modele o wydajności chłodzącej: od 680 W do 5500 W. Klimatyzatory do szaf sterowniczych serii DeK: przeznaczone do montażu na dachu szafy, modele o wydajności chłodzącej: od 410 W do 3850 W, poziom hałasu: od 60 dB do 75 dB. Wentylatory filtrujące do szaf sterowniczych serii LS: duża powierzchnia filtrująca przy niewielkim zagłębieniu wentylatora w szafie, montaż z wykorzystaniem śrub, różne maty filtracyjne, parametry modelu LS 10(KX): wolny przepływ - 59 m³/h, przepływ z kratką wentylacyjną: 38 m³/h, otwór montażowy: 116×116 mm, wymiary zewnętrzne: 128×128 mm. Wentylatory osiowe do szaf rozdzielczych z filtrem FF 018: wydajność: od 21 do 117 m³/h, moc: od 13 do 15 W, głośność: od 31 do 40 dB, stopień ochrony: IP55, temperatura pracy: od -10 do +70°C, wilgotność: maks. 90%. |
Wybór klimatyzatora powinno poprzedzić obliczenie jego wymaganej mocy chłodzącej. W tym celu wyznaczyć trzeba: moc traconą w szafie sterowniczej (Qv, W) oraz jej powierzchnię (A, m²). Obliczając tę drugą, skorzystać należy ze wzorów zebranych w normach, na przykład w VDE 0660. Uwzględniają one sposób montażu obudowy (wisząca, stojąca).
Moc traconą przez urządzenia zamontowane w szafie sterowniczej wyznacza się natomiast, sumując iloczyny ich mocy i sprawności energetycznej. Przykładowo, jeżeli moc urządzenia o sprawności 20% wynosi 500 W, 400 W jest rozpraszanych na ciepło. Znać należy też temperaturę otoczenia (Tz, °C), żądaną temperaturę wewnątrz urządzenia (Tw, °C) i współczynnik przewodności cieplnej materiału, z którego wykonano obudowę (k, W/ m²·°C).
Przykładowe dane to: A = 5 m², k = 5,5 W/ m²·°C (stal malowana), Tz = +50°C, Tw = +35°C, moc tracona w szafie sterowniczej Qv = 1,5 kW. Do chłodzenia tej obudowy w takich warunkach należy użyć klimatyzatora o mocy: Qk = k·A·(Tz-Tw)+Qv = 5,5·5·(50-35)+1500 = 1912,5 W.
Aby klimatyzator spełnił swoje zadanie, chłodząc skutecznie, przestrzegać trzeba także kilku zasad w zakresie montażu jego, jak i samej szafy sterowniczej.
Szaf sterowniczych nie powinno się umieszczać zbyt blisko siebie, ani maszyn, które wydzielają duże ilości ciepła. Nie wolno również zasłaniać ich otworów wentylacyjnych. Ważny jest oprócz tego rozkład urządzeń w obudowie - przede wszystkim zapewnić trzeba takie odstępy pomiędzy nimi, które pozwolą na niezakłócony przepływ powietrza. Odległość klimatyzatorów od siebie albo od ściany musi z kolei wynosić co najmniej 20 centymetrów.
Szafa sterownicza powinna być szczelna - minimalny zalecany poziom ochrony zapewniany przez jej obudowę to IP 54. Musi być ona ponadto wyposażona w przełączniki stykowe, które wyłączą klimatyzator w czasie, kiedy drzwi szafy są otwarte, na przykład podczas prac serwisowych. Jeśli oba te warunki są spełnione, zapobiega się nadmiernemu powstawaniu kondensatu w związku z przenikaniem wilgotnego powietrza do wnętrza szafy.
Skroplin niestety nie da się całkiem wyeliminować. Osuszanie powietrza w szafie sterowniczej jest bowiem skutkiem (ubocznym, ale pożądanym) jego schładzania. Kondensat musi być odprowadzany z szafy. Usuwa się go specjalnymi kanałami. Można go też odparować, montując w szafie grzałki o mocy grzewczej, która jest dostosowywana do ilości skroplin.
...przedstawiamy kolejne metody chłodzenia, znajdujące zastosowanie w szafach sterowniczych - chłodzenie cieczą oraz z wykorzystaniem efektu termoelektrycznego.
Monika Jaworowska
Powiązane treści
Zobacz więcej w kategorii: Temat miesiąca
Zobacz więcej w temacie: Artykuły
Zobacz również
Świat Radio
14,90 zł Kup teraz
Elektronika Praktyczna
18,90 zł Kup teraz
Elektronika dla Wszystkich
16,90 zł Kup teraz
Automatyka, Podzespoły, Aplikacje
15,00 zł Kup teraz
IRA - Informator Rynkowy Automatyki
0,00 zł Kup teraz
Elektronik
15,00 zł Kup teraz
IRE - Informator Rynkowy Elektroniki
0,00 zł Kup teraz
