Wentylacja, chłodzenie i klimatyzacja w automatyce przemysłowej

Jakość powietrza i temperatura mają wpływ na działanie urządzeń elektrycznych, przebieg procesów produkcyjnych, zdrowie i komfort personelu zakładów przemysłowych. Dlatego na różne sposoby dąży się do utrzymania ich na optymalnych poziomach, m.in. wyposażając maszyny w wentylatory, a hale produkcyjne – w systemy wentylacji i klimatyzacji. W artykule przedstawiamy szczegóły rozwiązań, które umożliwiają wymianę powietrza i odprowadzanie nadmiaru ciepła w urządzeniach i pomieszczeniach w przemyśle.

Obudowy i szafy sterownicze stanowią podstawową ochronę urządzeń elektrycznych – ich funkcją jest izolowanie wrażliwych podzespołów od szkodliwych czynników z otoczenia, jak woda, wilgoć, pył, kurz, oleje, agresywne środki chemiczne. Z drugiej strony osłony sprzyjają kumulowaniu się ciepła wydzielanego przez komponenty elektroniczne i mechaniczne, jak również nagrzewają się od zewnętrznych źródeł ciepła (inne maszyny pracujące w sąsiedztwie, promieniowanie słoneczne jeśli urządzenie zainstalowano na zewnątrz). Powoduje to podwyższanie się temperatury w obudowie albo szafie, co w dłuższej perspektywie skraca żywotność oraz zwiększa awaryjność urządzeń przez nie chronionych. Dlatego konieczne jest odprowadzanie nadwyżki ciepła z wnętrza na zewnątrz osłony.

Mechanizmy przekazywania ciepła

Wyróżnić można trzy metody wymiany ciepła, przez: przewodzenie, konwekcję i promieniowanie. W uproszczeniu przewodzenie polega na przekazywaniu energii w obrębie obiektu albo pomiędzy obiektami w kontakcie, w konwekcji ciepło jest przenoszone przez ruch płynu (gazu, cieczy) z jednego miejsca w drugie, natomiast przekazywanie energii cieplnej przez promieniowanie polega na pochłanianiu lub emitowaniu fal elektromagnetycznych. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki ciepło zawsze przenosi się z obiektu albo z obszaru o wyższej temperaturze do tego zimniejszego, aż do momentu uzyskania między nimi równowagi termicznej.

Transfer energii cieplnej można szczegółowiej wyjaśnić na poziomie cząsteczkowym. W przypadku przewodzenia jest ona przenoszone przez zderzanie się cząsteczek – te cieplejsze, mające większą energię kinetyczną, dzięki której poruszają się szybciej, uderzając w te zimniejsze, a więc wolniejsze wytracają część energii na ich rzecz. W rezultacie te chłodniejsze nagrzewając się, przyspieszają, podczas gdy szybsze zwalniając, schładzają się. Z kolei w przypadku konwekcji wraz ze wzrostem temperatury płyn ulega rozrzedzeniu. W efekcie na ten cieplejszy działa siła wyporu, powodując jego unoszenie się, zaś ten chłodniejszy, gęstszy opada. W ten sposób powstają prądy konwekcyjne. W przypadku promieniowania natomiast to światło, będące falą, jest nośnikiem energii cieplnej.

Przykład dobrze ilustrujący równoczesne zachodzenie tych trzech mechanizmów przekazywania ciepła to... gotowanie wody nad ogniskiem. W procesie tym ciepło z ogniska do dna kociołka jest przenoszone przez konwekcję powietrza. Potem przez przewodzenie rozchodzi się w ściankach, nagrzewając również uchwyt garnka. Jego zawartość jest równomiernie podgrzewana dzięki temu, że w wodzie nagrzewanej przez ścianki zachodzi konwekcja. Ciepło żarzącego się ognia jest z kolei do otoczenia przekazywane przez promieniowanie.