Utrzymywanie odpowiedniej temperatury wewnątrz obudów chroni znajdujące się w nich układy elektryczne i elektroniczne. Systemy ogrzewania i chłodzenia mają jednak zarówno zalety, jak i wady.
O budowy systemów automatyki zainstalowanych w obiektach przemysłowych i fabrykach często wymagają własnych, regulowanych systemów chłodzenia i/lub ogrzewania. Chronią one podzespoły automatyki przed wpływem temperatur przekraczających dopuszczalne zakresy oraz gromadzeniem się wilgoci. Aby zapewnić optymalne warunki pracy układów automatyki, temperatura otoczenia powinna być stała – cykliczne i duże jej wahania mogą znacznie skrócić żywotność elektronicznych podzespołów.
Systemy klimatyzacji obudów zapewniają wymagane warunki pracy zainstalowanych w nich urządzeń za pomocą m.in. grzejników, wentylatorów, wymienników ciepła, klimatyzatorów, schładzaczy wirowych czy termoelektrycznych, termostatów i higrostatów.
Systemy ogrzewania
Działanie systemów ogrzewania obudów jest znacznie prostsze w porównaniu z systemami chłodzenia. Ogrzewanie jest potrzebne do ochrony podzespołów przed gromadzeniem się wilgoci wywołanym kondensacją pary wodnej – może to spowodować uszkodzenia na skutek zmiany rezystancji styków, przebić izolacji, powstawania prądów upływu, pogorszenia własności izolacyjnych i powstawania korozji. Największe ryzyko uszkodzenia istnieje w przypadku sprzętu bezpośrednio narażonego na wysoką wilgotność lub ekstremalne zmiany temperatury, czyli zainstalowanego na zewnątrz budynków lub w słabo izolowanych obudowach. Pamiętajmy jednak, że w pewnych warunkach klimatycznych wilgoć może się gromadzić także w bardzo dobrze zabezpieczonych i uszczelnionych obudowach.
Systemy ogrzewania zwykle składają się z ogrzewacza elektrycznego, zainstalowanego w pobliżu lub na dnie obudowy. W większych obudowach, wymagających mocy grzewczej ponad 100 W, instalowany bywa niekiedy ogrzewacz ze zintegrowanym wentylatorem, wymuszającym obieg powietrza.
Aby zapobiec przegrzaniu podzespołów elektronicznych, ogrzewacze są zazwyczaj sterowane przez układy zamknięte z termostatem lub higrostatem. Regulator może być integralną częścią ogrzewacza lub stanowić osobne urządzenie. Termostaty do ogrzewaczy dostępne są w wersji z ustaloną temperaturą regulacji (fabrycznie ustawioną temperaturą włączania/wyłączania) lub z możliwością jej nastawiania przez użytkownika.
Gdy ciepła jest za dużo
W rzeczywistości tylko niektóre obudowy wymagają ogrzewania. Znakomita większość z nich wymaga chłodzenia, ponieważ umieszczone w środku komponenty często generują znaczne ilości ciepła, co niesie ze sobą wiele negatywnych konsekwencji, takich jak:
→ zmniejszona średnia żywotność kosztownych urządzeń automatyki, np. programowalnych sterowników logicznych (PLC), interfejsów człowiek-maszyna (HMI) i napędów prądu zmiennego (AC);
→ uciążliwe awarie w podzespołach elektrycznych i elektronicznych, np. nieoczekiwane zadziałanie zabezpieczeń przeciążeniowych;
→ nieprzewidywalne działanie wyłączników nadprądowych i bezpieczników, co może powodować nieoczekiwane wyłączanie całych systemów.
Co więcej, te same komponenty, które mogą ulec uszkodzeniu na skutek przegrzania, same bywają źródłem ciepła. Dzieje się tak w przypadku m.in. zasilaczy, napędów/inwerterów AC, transformatorów, urządzeń komunikacyjnych, zasilaczy awaryjnych UPS, softstartów, sterowników PLC czy interfejsów HMI. Do ciepła pochodzącego z tych źródeł może też dojść ciepło ze źródeł zewnętrznych, takich jak duże nasłonecznienie czy znajdujące się w pobliżu grzejniki lub piece.
Istnieje wiele opcji systemów chłodzenia obudów. Wybór właściwej zależy od prawidłowego zidentyfikowania wymagań dotyczących urządzeń znajdujących się wewnątrz, zabezpieczenia obudowy oraz od otaczającego środowiska.
Chłodzenie konwekcyjne
„Konwekcja” jest terminem określającym wymianę ciepła między będącym w ruchu płynem czy gazem (w niniejszym artykule – głównie powietrzem) a powierzchnią ciała stałego, jeśli występuje różnica temperatur między płynem a powierzchnią. W życiu codziennym właśnie z powodu konwekcji odczuwamy niższe temperatury w dni wietrzne niż wtedy, gdy powietrze jest spokojne.
Konwekcja to zjawisko złożone, jednak do jej poprawnego zrozumienia naprawdę ważnych jest zaledwie kilka podstawowych zasad. W zasadzie są one intuicyjne – wiemy przecież, jak odczuwamy na sobie konwekcję. Warto jednak je sprecyzować, by łatwiej zrozumieć zalety różnych metod chłodzenia:
→ ciepło (energia termiczna) zawsze przepływa od materiału o temperaturze wyższej do tego o niższej, skutkiem czego materiały cieplejsze stają się chłodniejsze, zaś materiały chłodniejsze – cieplejsze. W uproszczeniu oznacza to, że nie można schłodzić czegoś powietrzem gorącym i nie można ogrzać czegoś zimnym;
→ szybkość odprowadzania ciepła jest proporcjonalna do różnicy temperatur między tymi dwoma materiałami. W przypadku chłodzenia powietrznego niższa temperatura powietrza spowoduje szybsze schłodzenie materiału;
→ szybkość odprowadzania ciepła rośnie wraz ze wzrostem natężenia przepływu płynu przez powierzchnię chłodzonego ciała stałego. W przypadku chłodzenia powietrznego zwiększenie natężenia przepływu powietrza spowoduje szybsze schłodzenie materiału.
Najprostszą metodą chłodzenia obudowy jest naturalna konwekcja przez powierzchnię obudowy – czyli przepływ powietrza spowodowany unoszeniem się lżejszego ciepłego powietrza, które zostaje zastąpione cięższym i chłodnym. Naturalna konwekcja wewnątrz obudowy występuje wtedy, gdy powietrze dookoła źródła ciepła ogrzewa się i zwiększa swoją objętość, co powoduje spadek jego gęstości w porównaniu z otaczającym powietrzem. To cieplejsze powietrze unosi się w obudowie i zostaje zastąpione chłodniejszym.
Stała wymiana powietrza dookoła źródeł ciepła indukuje przepływ powietrza wewnątrz obudowy, który może być wykorzystany do odprowadzania ciepła. W pobliżu górnej pokrywy obudowy mogą być dodatkowo wykonane otwory wentylacyjne w kształcie żaluzji, umożliwiające odpływ ciepłego powietrza na zewnątrz. Natomiast blisko dna obudowy mogą się dodatkowo znajdować kratki wentylacyjne, umożliwiające zasysanie chłodniejszego powietrza z otoczenia.
Naturalna konwekcja ma jednak kilka ograniczeń:
→ prędkość przepływu powietrza jest raczej mała, co ogranicza obciążenia cieplne nadające się do chłodzenia w ten sposób;
→ maksymalna temperatura otoczenia musi być niższa od maksymalnej dopuszczalnej temperatury wewnątrz obudowy.
Ponadto stopień ochrony obudowy musi pozwalać na wykonanie w niej otworów umożliwiających wymianę powietrza z otoczeniem, bez ryzyka uszkodzenia komponentów przez pył i wodę z zewnątrz. To częsty problem w przypadku otworów wentylacyjnych (w kształcie żaluzji i kratek) – na skutek naturalnej konwekcji dostają się przez nie zanieczyszczenia i/lub rozpryski wody niesione powietrzem. W celu zapobieżenia wnikaniu pyłów, w obudowach umieszczonych w miejscach o dużym stężeniu pyłów można dodatkowo zastosować filtry, jednak zbyt gęste spowodują osłabienie przepływu powietrza i zmniejszą wydajność chłodzenia.
Z powodu tych ograniczeń otwory żaluzjowe i kratki wentylacyjne są zazwyczaj jedynymi skutecznymi rozwiązaniami dla obudów typu NEMA 1, z zainstalowanymi komponentami wydzielającymi małe ilości ciepła, umieszczonych w pomieszczeniach klimatyzowanych. Pomieszczenia te muszą być ponadto czyste i suche.
Jeżeli ilość wydzielanego ciepła jest zbyt duża, można do chłodzenia obudów zastosować konwekcję wymuszoną.
Wentylatory – poprawa chłodzenia konwekcyjnego
Konwekcja wymuszona to po prostu zastosowanie urządzeń wymuszających przepływ powietrza wokół podzespołów znajdujących się w obudowie i zwiększających w ten sposób szybkość odprowadzania ciepła. Najprostszy system konwekcji wymuszonej dla obudów stanowi wentylator, który przeważnie wymaga zastosowania filtra. Wentylatory mogą wytwarzać znacznie większe szybkości przepływu powietrza niż konwekcja naturalna, co z kolei powoduje dużo lepszy efekt chłodzenia. Wentylatory wykazują jednak dwa z tych samych ograniczeń co konwekcja naturalna:
→ maksymalna temperatura otoczenia musi nadal być niższa od dopuszczalnej temperatury wewnątrz obudowy. Tak jak w przypadku konwekcji naturalnej – im większa różnica temperatur, tym skuteczniejsze jest chłodzenie;
→ stopień ochrony obudowy musi pozwalać na wykonanie w niej otworów w celu wymiany powietrza z otoczeniem, bez ryzyka uszkodzenia podzespołów w obudowie przez wnikający pył czy wodę. Tak jak w przypadku konwekcji naturalnej, zanieczyszczenia niesione przez powietrze i/lub rozpryski wody mogą wniknąć do wnętrza obudowy, wciągane przez wentylator. Zatem konieczne jest użycie filtrów w celu zapobiegania wnikaniu pyłu – nawet w przypadku niskich stężeń pyłu w powietrzu, ponieważ wentylator wciągnie znacznie większą ilość pyłu niż przy wykorzystaniu konwekcji naturalnej. Użycie filtra zatrzymującego drobne cząsteczki pozwoli także na utrzymanie przez obudowę wyższego stopnia ochrony NEMA, niż w przypadku klasycznego systemu otworów żaluzjowych i kratek.
Wymienniki ciepła – utrzymanie parametrów obudów
Wymienniki ciepła powietrze-powietrze charakteryzują się ogólną wydajnością chłodzenia taką jak wentylatory i, podobnie jak wszystkie systemy chłodzenia, mogą być użyte tylko wtedy, gdy maksymalna temperatura otoczenia jest niższa od maksymalnej temperatury wewnątrz obudowy (fot. 1). Tworzą one jednak system działający w zamkniętej pętli, w którym powietrze wewnątrz obudowy jest poddawane chłodzeniu i wymuszonej cyrkulacji, bez wymiany z powietrzem otaczającym obudowę, co pozwala na utrzymanie odpowiedniego stopnia ochrony NEMA.
Wymienniki ciepła wykorzystują prosty cykl obiegu czynnika chłodniczego do chłodzenia wnętrza obudowy. Wentylator parownika wymusza przepływ powietrza ogrzanego przez podzespoły wewnątrz obudowy, dookoła rurek cieplnych od strony parownika wymiennika ciepła. Ciepło oddane do rurek powoduje wrzenie i parowanie znajdującego się w nich czynnika chłodniczego. Jego pary unoszą się rurkami do skraplacza, gdzie drugi wentylator wdmuchuje otaczające powietrze na rurki. Odbiera ono powietrze z rurek, co powoduje, że czynnik chłodniczy schładza się i ponownie skrapla. Powstała ciecz z powrotem płynie do wężownicy parownika i cykl się powtarza. Sekcje parownika i skraplacza są oddzielone od siebie i uszczelnione. Między nimi może przepływać jedynie czynnik chłodniczy wewnątrz rurek cieplnych. A zatem nie ma wymiany powietrza między wnętrzem obudowy a otoczeniem.
Zależnie od swojej konstrukcji, wymienniki ciepła mogą być stosowane w obudowach typu NEMA 4, NEMA 4X i/lub NEMA 12 – wewnątrz i na zewnątrz budynków, o ile maksymalna temperatura otoczenia jest niższa od maksymalnej temperatury wewnątrz obudowy. Podobnie jak w przypadku wentylatorów, wymienniki ciepła mogą być instalowane z regulatorem temperatury lub bez niego.
Klimatyzatory – układy o wysokiej wydajności
Do tej pory w artykule omówione zostały konwekcyjne metody chłodzenia, często jednak wymagane jest zapewnienie powietrza zimniejszego niż to otaczające urządzenie, co powoduje dodatkową złożoność systemu. Podobnie jak wymienniki ciepła, klimatyzatory do obudów tworzą zamkniętą pętlę chłodzenia, w której powietrze wewnątrz obudowy jest schładzane za pomocą wężownicy parownika, a jego cyrkulacja – wymuszana bez mieszania z powietrzem otaczającym obudowę (fot. 2).
Różnica polega na tym, że klimatyzator wykorzystuje bardziej złożony cykl chłodzenia, w którym zastosowano sprężarkę czynnika chłodzącego i zawór rozprężny. Taki układ zapewnia niższe temperatury czynnika chłodzącego w wężownicy parownika (w celu odbierania ciepła z powietrza wewnątrz obudowy) i wyższe temperatury w wężownicy skraplacza (w celu polepszenia oddawania ciepła do powietrza otaczającego o wyższych temperaturach).
Podobnie jak wymiennik ciepła, klimatyzatory do obudów mogą być stosowane w obudowach NEMA 4, NEMA 4X i/lub NEMA 12, wewnątrz i na zewnątrz budynków. Mają one dużą wydajność chłodzenia i ogólnie bardzo wysoką sprawność. Podobnie jednak jak każdy klimatyzator, wykorzystują czynniki chłodzące w postaci freonów i wymagają regularnej konserwacji. Ponadto są na ogół dużych rozmiarów, ze względu na sprężarki, wentylatory i wężownice czynnika chłodzącego.
Wymiary obudów urządzeń elektrycznych i elektronicznych o małej objętości mogą nie wystarczyć do zainstalowania nawet najmniejszych dostępnych klimatyzatorów.
Wiele klimatyzatorów do obudów zawiera integralny termostat, który steruje ich działaniem. Klimatyzator bez integralnego termostatu powinien zostać zainstalowany wraz z normalnie otwartym termostatem w celu zapobieżenia ciągłej pracy urządzenia. Spowodowałaby ona niepotrzebny pobór energii, a więc zwiększenie kosztów i skrócenie czasu eksploatacji.
Kompaktowe schładzacze wirowe
Alternatywą dla klimatyzatora jest schładzacz wirowy typu vortex (fot. 3). Pobiera on strumień przefiltrowanego sprężonego powietrza i nadaje mu dużą prędkość obrotową. W efekcie tworzy się wir i powietrze rozdziela się na strumień zimny oraz gorący. Ten pierwszy jest wprowadzany do obudowy w celu chłodzenia znajdujących się w niej podzespołów. Ponadto wypiera z wnętrza obudowy ciepłe powietrze, które jest następnie wysysane przez strumień gorącego powietrza ze schładzacza.
Schładzacze wirowe do obudów nie są systemami działającymi w zamkniętej pętli, jak wymienniki ciepła czy klimatyzatory, gdyż powietrze wewnątrz obudowy ulega wymianie. Ponieważ jednak zostaje ono zastąpione raczej przefiltrowanym sprężonym powietrzem niż tym z otoczenia obudowy, schładzacze tego rodzaju mogą być stosowane z obudowami NEMA 4, NEMA 4X lub NEMA 12, w budynkach i na zewnątrz, pod warunkiem zapewnienia odpowiedniego źródła czystego, sprężonego powietrza.
Schładzacze wirowe do obudów mają dodatkową zaletę – wytwarzają wewnątrz obudowy nadciśnienie, co sprawia, że po otwarciu drzwi nie następuje zassanie pyłu i innych zanieczyszczeń unoszących się w powietrzu. Ponadto są znacznie mniejsze od wymienników ciepła czy klimatyzatorów, co stanowi zaletę w sytuacjach, gdy każdy kawałek przestrzeni bywa na wagę złota.
Schładzacze wirowe nie mają ruchomych części, ich czas eksploatacji jest bardzo długi, a jeżeli dostarczane do nich sprężone powietrze jest czyste, wymagają bardzo ograniczonych czynności serwisowych i konserwacyjnych (zwłaszcza że nie zawierają freonów – CFC) lub wręcz stają się bezobsługowe. Są jednak hałaśliwe, a większe modele pobierają duże ilości sprężonego powietrza.
Mogą długo pracować bez ujemnych efektów, jednak aby zminimalizować pobór sprężonego powietrza i zarazem zmniejszyć koszty eksploatacji, muszą być zazwyczaj sterowane przez połączenie termostatu z zaworem elektromagnetycznym, zainstalowanymi przy źródle sprężonego powietrza.
Schładzacze termoelektryczne – pompowanie i odprowadzanie ciepła
Inną alternatywą dla konwencjonalnych klimatyzatorów są schładzacze termoelektryczne. To półprzewodnikowe pompy ciepła, wykorzystujące zjawisko zwane efektem Peltiera. Polega ono na tym, że gdy prąd stały płynie przez dwa różne i złączone ze sobą półprzewodniki, to jedna ze stron złącza schładza się, a druga nagrzewa. Zimna część schładzacza termoelektrycznego jest więc umieszczana wewnątrz obudowy, a gorąca na zewnątrz. Dodatkowo po obu stronach mogą być zainstalowane wentylatory, aby zwiększyć odprowadzanie ciepła.
Schładzacze termoelektryczne dostępne są dla obudów NEMA 4, NEMA 4X i NEMA 12. Podobnie jak schładzacze wirowe, nie mają części ruchomych, dlatego wymagają tylko ograniczonych czynności serwisowych i konserwacyjnych, a ich czas eksploatacji jest długi. Nie wykorzystują freonów i są dostępne w bardzo małych wymiarach, do zastosowania również w mniejszych obudowach.
Z drugiej strony wykazują się znacznie mniejszą sprawnością energetyczną niż klimatyzatory, bo aby zapewnić ten sam efekt chłodzenia co one, zwykle zużywają od nich ok. cztery razy więcej energii elektrycznej. Ponadto ich zastosowanie jest ograniczone ze względu na ilość odprowadzanego ciepła przypadającą na jednostkę powierzchni strony zimnej, tak więc modele o dużej mocy chłodniczej mogą mieć bardzo duże rozmiary. Aby zminimalizować pobór energii elektrycznej, schładzacze termoelektryczne są przeważnie sterowane przez termostaty.
Poznaj możliwe opcje
Ogrzewanie obudów jest więc bardzo proste w porównaniu z chłodzeniem. W dodatku często nie jest w ogóle wymagane, w przeciwieństwie do konieczności stosowania różnorodnych układów chłodzenia – od prostej konwekcji naturalnej do bardziej złożonych systemów chłodniczych.
Poznanie możliwych opcji, z ich zaletami i ograniczeniami, pomoże w dokonaniu najlepszego wyboru dla danej aplikacji.
Jody T. Kinney jest menedżerem produktu w firmie AutomationDirect. Odpowiada za analizę i strategię rynku, wybór produktu i kontakt z dostawcą w zakresie obudów do urządzeń elektrycznych, produktów do klimatyzacji wnętrz obudów oraz narzędzi.
