Este artigo fornece informações valiosas sobre as como evitar pontos de calor nos painéis de controlo. A presença de pontos quentes pode prejudicar o desempenho e reduzir a vida útil dos dispositivos. Desta forma, são apresentadas cinco estratégias eficazes para a montagem de painéis de controlo de forma a garantir uma dissipação eficiente do calor, preservando a eficiência energética.
Mais potência – menos espaço para montagem – mais calor
Os avanços tecnológicos permitem a redução do tamanho dos componentes, mas, ao mesmo tempo, resultam em maiores densidades de potência nos painéis de controlo. Este aumento de densidade pode levar à formação de pontos quentes nos painéis de controlo, que são prejudiciais ao bom funcionamento dos dispositivos. Muitas empresas enfrentam dificuldades com o sobreaquecimento, mas soluções inovadoras estão disponíveis. Por isso, é fundamental aplicar estratégias para evitar pontos quentes para garantir o correto funcionamento dos sistemas.
Princípios da Física dos Painéis de Controlo
Tudo o que precisa de saber sobre a montagem de painéis de controlo: considere o fluxo de ar
O problema da acumulação de calor não afeta apenas os servidores de dados. Uma elevada saída de potência num espaço pequeno também provoca a acumulação de pontos de calor nos painéis de controlo. A maior capacidade de processamento e throughput, juntamente com o facto de o equipamento ser cada vez mais compacto, exige um esforço considerável para dissipar esse calor.
Utilizar o calor para aquecer casas, contudo, não é uma solução viável para este problema. Atualmente, os painéis de controlo estão equipados com dispositivos muito compactos e modernos, o que faz com que muitos condutores de cabos fiquem sobrelotados. Como resultado, formam-se bolsas de calor porque não há fluxo de ar suficiente para dissipá-lo. Mesmo um sistema de arrefecimento ativo pode falhar, já que o ar frio tende a descer na frente dos dispositivos, sem remover o calor dos mesmos.
Maior dissipação de potência, mais calor
À medida que os dispositivos se tornam mais compactos, os engenheiros instalam mais tecnologia em espaços cada vez menores. Isso significa que uma quantidade maior de energia entra no painel de controlo, aumentando a densidade energética. Como todos os dispositivos técnicos demonstram uma eficiência abaixo do ideal, o painel de controlo dissipa mais potência. Portanto, à medida que os dispositivos ficam mais compactos, o aumento da quantidade de dispositivos gera uma maior dissipação de potência. A dissipação de potência, por sua vez, representa a parte da corrente que é convertida em energia térmica. Se olhar para as eficiências de componentes elétricos, como fontes de alimentação comutadas (50…95 por cento), LEDs (5…25 por cento) e transformadores (50…97 por cento), percebe rapidamente quão longe estamos da eficiência ideal (ou seja, 100 por cento). Além disso, condições de operação desfavoráveis ou o uso de processadores também podem reduzir a eficiência.
Problemas com o equipamento causados pelo calor
Os hot spots, ou pontos quentes, afetam diretamente o desempenho e a vida útil do equipamento incorporado. Nos dispositivos de medição, a temperatura influencia significativamente a precisão geral. Normalmente, os técnicos calibram esses dispositivos a uma temperatura ambiente entre 20 e 25 °C. No entanto, quando a temperatura de operação aumenta, o erro adicional que ocorre pode duplicar o erro global do dispositivo.
Se a temperatura permanecer constante, os técnicos conseguem corrigir esse erro, se necessário. Flutuações irregulares de temperatura já não podem ser compensadas, o que resulta numa medição pouco fiável. Em casos extremos, o dispositivo acaba por operar fora das especificações definidas. Fora dessas especificações, o fabricante não garante a precisão ou o funcionamento correto do dispositivo.
Além disso, o aumento da temperatura impacta diretamente a vida útil do equipamento. Dependendo do nível e da variação da temperatura, a durabilidade dos componentes semicondutores e eletrónicos diminui significativamente. Sistemas mais complexos, como controladores, sofrem mais com esse fenómeno do que dispositivos de comutação simples. Por consequência, o aumento da temperatura pode causar falhas a curto prazo ou até danificar permanentemente o dispositivo num curto espaço de tempo.
Objetivo: Garantir um fluxo de ar suficiente
Para proteger os dispositivos, os painéis de controlo dissipam calor de forma controlada para o exterior. O calor precisa de ser encaminhado para o painel do painéis de controlo e dissipado através de aberturas de ventilação ou pelo painel metálico. Nos painéis de controlo bem montados, a corrente de convecção que resulta da elevação da temperatura é suficiente para realizar essa função. Deve haver espaço suficiente dentro do painéis de controlo para permitir um fluxo de ar que consiga arrefecer eficazmente os dispositivos, e não apenas passar por eles. Se isso não for possível, apenas medidas ativas e direcionadas de arrefecimento podem ajudar.
A forma passiva de arrefecimento, no entanto, limita-se quando se necessita de mais de 500 W de potência de arrefecimento.
Casos Especiais
Os pontos de calor nos painéis de controlo também podem ser causados por outros fatores além da elevada densidade de componentes. Picos esporádicos de calor, por exemplo, resultam muitas vezes de fatores externos ao painel de controlo. Casos conhecidos incluem painéis de controlo expostos ao sol em determinados períodos do dia, o que naturalmente resulta em elevados níveis de calor no quadro metálico. A instalação de um telhado para fornecer sombra ajuda a resolver esta questão.
As seguintes cinco estratégias de solução ajudam a regular a acumulação de calor nos painéis de controlo. Todas as estratégias exigem ou tentam garantir um fluxo de ar suficiente.
De forma alguma devem ser vistas como soluções exclusivas entre si. Pelo contrário, para criar uma montagem de painéis de controlo estável em termos de calor, será necessário um conjunto de medidas das cinco estratégias, de acordo com a aplicação.
5 Estratégias para Manter um Painel de Controlo a uma Temperatura Ótima
1. Topologia dos Dispositivos
Nos procedimentos tradicionais de montagem de painéis de controlo, os técnicos inserem os dispositivos em linhas horizontais. Da mesma forma, os cabos são encaminhados através de condutas horizontais. No entanto, é fundamental garantir que essas condutas de cabos não fiquem demasiado baixas, pois isso pode cercar os dispositivos e bloquear o fluxo de ar necessário para dissipar o calor.
Por outro lado, ao optar pela montagem vertical, o efeito de chaminé pode ser aproveitado. Nesse caso, o ar quente sobe pela frente dos dispositivos, absorve o calor e transfere-o para o painel do painel de controlo. Isso melhora a circulação natural do ar e ajuda a manter os dispositivos mais frescos.
Independentemente de escolher uma montagem vertical ou horizontal, agrupar os dispositivos em blocos continua a ser uma prática recomendada. Agrupar os dispositivos permite que o ar circule ao redor de todos os lados desses blocos, o que, sem dúvida, facilita a dissipação do calor. Quanto maior for o bloco, mais crítica será a temperatura dos dispositivos localizados no centro, e é necessário garantir que o fluxo de ar alcance essas áreas.
2. Design do Painel de Controlo
Os dispositivos em painéis de controlo são geralmente montados numa calha DIN, localizada na parte frontal do painel traseiro do painel. Ao encaminhar os cabos através de condutas, muitas vezes cria-se barreiras que interferem com o fluxo de ar, bloqueando o caminho para uma dissipação eficaz de calor.
No entanto, um conceito alternativo propõe um sistema de cablagem sem condutas de cabos dentro do painel. Neste caso, os técnicos encaminham os cabos diretamente para os dispositivos, por trás da estrutura de fiação, criando uma camada adicional para o encaminhamento dos cabos. Isso evita que as condutas bloqueiem o fluxo de ar, garantindo uma refrigeração ótima dos dispositivos.
Embora esse conceito de cablagem sem condutas seja eficaz, ele exige que o painel de controlo tenha profundidade suficiente. Dispositivos de interface padrão, como controladores e fontes de alimentação, geralmente têm mais de 12 centímetros de profundidade, o que requer espaço adicional. Mesmo assim, este design pode ser utilizado tanto com ventiladores passivos quanto com sistemas de ar condicionado ativos, melhorando significativamente a eficiência energética e ajudando a regular temperaturas extremas nos painéis de controlo.
3. Ventilação
Arrefecimento sem ventiladores
A convecção do ar aquecido gera, por si só, um ligeiro fluxo de ar. Dependendo do tamanho e da capacidade do painel de controlo, bem como da temperatura externa, este fluxo pode ser suficiente para arrefecer os dispositivos. Portanto, é possível contar apenas com o movimento natural do ar em certos casos para garantir o arrefecimento.
Arrefecimento passivo usando ventiladores
No entanto, em muitas situações, é necessário garantir ventilação adicional com ventiladores convencionais. Estes ventiladores asseguram que uma quantidade adequada de ar circule e dissipe o calor de forma eficaz. Com isso, o desempenho térmico do painel de controlo melhora consideravelmente.
Instalar defletores de ar
Empresas especializadas em montagem e arrefecimento de painéis de controlo fornecem defletores de ar que direcionam o fluxo de ar para os pontos críticos dentro do painel. Assim, é possível eliminar as bolsas de calor de maneira precisa e eficiente. Os defletores de ar representam uma alternativa viável ao aumento do desempenho de refrigeração, sendo uma solução mais económica quando comparada a sistemas mais robustos.
Arrefecimento ativo com ar condicionado
Os fornecedores de painéis de controlo oferecem várias opções de arrefecimento ativo, como o uso de ar condicionado ou placas de montagem com refrigeração por água. Embora essas opções sejam eficazes, elas podem impactar negativamente a eficiência energética do sistema. Assim, é importante lembrar que o ar condicionado mais potente só arrefece adequadamente se o ar frio atingir os dispositivos e dissipar o calor corretamente. Além disso, a combinação dessas estratégias também contribui para melhorar a eficiência energética do painéis de controlo quando se utiliza o ar condicionado.
4. Tenha em conta a quantidade de calor que os dispositivos emitem e a sua suscetibilidade ao calor
Nem todos os dispositivos instalados nos painéis de controlo são igualmente sensíveis a altas temperaturas. Além disso, nem todos os dispositivos emitem a mesma quantidade de calor. Ao projetar painéis de controlo, é importante avaliar cada dispositivo em termos da quantidade de calor que emite e da sua suscetibilidade ao calor, para que seja posicionado adequadamente dentro do painel de controlo.
Por exemplo, posicionar os dispositivos mais sensíveis ao calor na parte inferior, onde a temperatura tende a ser mais baixa. Em contrapartida, instalar os dispositivos que emitem mais calor na parte superior, já que, como sabemos, o calor sobe naturalmente. A prática comum de instalar o PLC no topo do painel de controlo nem sempre é a mais adequada. Na verdade, faz mais sentido instalar o PLC na parte inferior, pois a maioria dos PLCs opera com uma temperatura máxima de 55 °C, o que pode ser crítico em um ambiente que já tenha 40 °C.
Além disso, dispositivos de medição também são extremamente sensíveis à temperatura. Altas temperaturas podem afetar a precisão das medições, portanto, evita posicioná-los perto de fontes de calor. Dispositivos que geram grandes quantidades de calor, como fontes de alimentação e conversores de frequência, devem ficar afastados o suficiente para garantir que o calor não afete os dispositivos sensíveis.
Se possível, coloque os componentes que dissipam mais energia próximos da fonte de ar frio. Como a distância entre a saída de ar frio e a extração de ar quente de um ar condicionado não pode ser modificada, organize os componentes de modo a evitar a formação de pontos quentes.
Esteja sempre atento às leituras de temperatura!
As mudanças de temperatura dentro do painel de controlo são frequentemente difíceis de prever. Quando os dispositivos falham, geralmente, já é tarde demais para tomar medidas para os arrefecer. Muitas vezes, decisões fundamentais erradas já foram tomadas nesse ponto. Monitores de painéis de controlo, como o CCM (Cabinet Condition Monitoring), podem ajudar nesta situação. O CCM monitoriza continuamente as leituras de temperatura e humidade. Estas podem ser armazenadas temporariamente num data logger ou transmitidas continuamente.
Vários CCMs podem ser instalados em painéis de controlo que sejam particularmente grandes. Quando conectados entre si, requerem apenas um cabo para fins de controlo. Os dispositivos são simplesmente encaixados na calha DIN, como outros dispositivos de interface.
5. Conectividade e tecnologia de ligação
Espessura dos Cabos
Ao utilizar cabos suficientemente grossos, é possível regular eficazmente a acumulação de calor. Quando aplicada demasiada potência em cabos finos, os níveis de resistência aumentam, o que, por consequência, provoca uma grande acumulação de calor. Além disso, deve sempre escolher um comprimento de cabo adequado, pois cabos mais longos apresentam resistências mais elevadas e, assim, geram mais calor. No entanto, cabos excessivamente longos precisam ser instalados em laços, o que, por sua vez, pode prejudicar a ventilação e comprometer o arrefecimento.
Terminais de Parafuso ou de Mola
Se não apertar corretamente os terminais de parafuso, cria-se uma resistência de transição, o que gera calor e pode sobreaquecer os terminais ou a isolação. No entanto, ao utilizar terminais de mola, é garantido que a pressão sobre o cabo se mantém relativamente constante, o que reduz o risco de sobreaquecimento. Além disso, ao desconectar o cabo, normalmente consegue um isolamento completo, proporcionando uma ligação mais segura.
Conclusão
Mesmo considerando todas estas estratégias, os fabricantes de quadros de controlo precisam manter em mente que não podem aumentar a densidade energética no painel em demasia. Além da acumulação de calor, com todos os efeitos negativos que isso acarreta, conforme descrito anteriormente, também devem considerar quanta energia a instalação irá consumir e quão rentável será.
Fonte: Turck
