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climatização em quadros eléctricos

O avanço da electrónica tem sido um ele-mento chave para a competitividade das indústrias. Através de autómatos, variado-res, entre muitos outros equipamentos, as-sistimos a processos automatizados, com o objectivo de maximizar a produção com o menor consumo energético, menor emissão de resíduos, com melhores condições de se-gurança, ou ainda, reduzir o esforço ou a in-terferência humana no processo fabril.

Estes equipamentos possuem como pontos fracos a sua sensibilidade a factores exter-nos, tais como pó, óleo, humidade e tempe-ratura. O calor em particular é o pior inimigo, encurtando drasticamente o tempo de vida destes equipamentos.

O quadro eléctrico, sempre presente em to-das as instalações eléctricas, serve de “fato” a estes equipamentos, protegendo-os dos ambientes agressivos, na grande maioria nas indústrias. A necessidade de ventilação e refrigeração dos quadros eléctricos surge quando temos uma temperatura ambien-te elevada e uma dissipação de calor pelos aparelhos. É nesse sentido que surge este artigo de apoio ao dimensionamento destas soluções.

Existem várias formas de dissipar o calor de

Cláudio MaiaManager Account

Rittal Portugal

A necessidade de ventilação e refrigeração dos quadros eléctri-cos surge quando temos uma temperatura ambiente elevada e dissipação de calor pelos aparelhos. O presente artigo aborda a metogologia para o dimensionamento as soluções de venti-lação e refrigeração.

dentro dos armários eléctricos, tais como, ventiladores, permutadores de calor ar/ar (ar-condi-cionados) e permutador de calor ar/água. Em caso de necessidade de aumentar a temperatura dos armários, existem as resistências de aquecimento.

1› Noções básicasAo iniciar o dimensionamento de um sistema de ventilação ou refrigeração, é necessário ini-cialmente considerar as suas condições periféricas, como a temperatura externa, temperatura interna e o grau de protecção (IP) do armário eléctrico.

Antes de partirmos para o dimensionamento das várias formas de dissipação da temperatura, é necessário ter em conta os seguintes cálculos:

1.1› cálculo da superfície efectiva do armárioA superfície efectiva do armário (A) é a área que o armário tem disponível para dissipar energia calorífica para o exterior. Um armário individual não encostado a nenhum objecto ou parede dissipa mais energia calorífica do que um armário encostado a uma parede. As fórmulas de cálculo de A, estão descritas em DIN 57 660 secção 500 ou em IEC 890.

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1.2› base de cálculo de climatização de armários

A auto-convecção faz com que a potência libertada pelos equipamentos se dissipe para o exterior do armário, através das paredes do mesmo. Para isso é necessário que a temperatura exterior seja mais baixa do que a temperatura interior do armário.

O aumento máximo da temperatura (ΔT)max. no armário, em relação com a temperatura ex-terior, é dada por:

(ΔT)max = Q v

k . A

Caso se desconheça a potência a dissipar no interior, sabendo a temperatura ambiente exterior e interior, podemos calculá-la através da seguinte fórmula: Q s = A . k . ΔT (watts)

2› Métodos de cliMatização de arMários

2.1› VentiladoresOs ventiladores com filtro são adequados para dissipar grandes quantidades de calor de uma

forma económica. A condição para a sua instalação é de um ambiente relativamen-te limpo, com uma temperatura exterior ao armário abaixo da temperatura desejada no interior do armário.

Podemos ter como exemplo caudais de apro-ximadamente 700 m^3, IP 54 com possibi-lidade de compatibilidade electromagnética (EMC).

Ventilador e Filtro

Fluxo do Caudal

Cálculo para o caudal de ar:

V = f . Q v

ΔT

Em que f:

QV = Potência dissipada dentro do armário [W]

QS = Potência calorífica que se dissipa através da superfície do armário [W]

QS > 0: Radiação (Ti > Tu)

QS < 0: Irradiação (Ti < Tu)

QE = Potência frigorífica necessária de um refrigerador [W]

QH = Potência calorífica necessária de uma resistência de aquecimento [W]

QW = Potência calorífica específica de um permutador de calor [W/K]

V = Caudal de ar necessário de um ventilador com filtro para manter diferença de temperatura máxima admissível entre o ar de entrada e de saída [m3/h]

DT = Ti – Tu = Diferença máxima de temperatura [K]

A = Perda caloríficas efectivas dissipadas pela superfície do armário segundo IEC 890 [m2]

K = Coeficiente de transmissão calorífica do armário [W/m2K], no caso de chapa de aço k = 5.5 W/m2K

Tw = Temperatura da água de entrada (º C)

Qk = Potência útil de refrigeração (W)

Ti = Temperatura interior do armário (º C)

.

.

. .

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Como alternativa à formula,

2.2› Permutadores de calor ar/arPara aplicações quando a temperatura ex-terior é mais baixa que a interior do quadro eléctrico, em ambientes com poeiras e óleos.

Permutador de Fluxo do Caudal calor ar/ar

Cálculo para a potência calorífica específica do permutador:

qw = Q v – (A . ΔT . k)

ΔT

.

Como alternativa à fórmula,

2.3› refrigerador (ar-condicionado)Ideal para aplicações onde a temperatura interior pretendida é mais baixa do que a temperatura exterior. Possui como vanta-gens principais, o baixo custo de refrigeração (eficiência energética) e o aumento de vida dos equipamentos.

Possuem um controlador digital que permi-te a programação da temperatura adequada dentro do quadro. A temperatura máxima dentro do quadro será de 35º C (normal-mente aparelhos programados de fábrica). O utilizador pode baixar a temperatura no interior, no entanto, é necessário ter em con-sideração a possível condensação devido a diferenças de temperatura ambiente entre o interior e exterior do quadro eléctrico.

Ar-condicionado

Fluxo do Caudal

Estes equipamentos possuem a particula-ridade de terem uma função adicional, de-sumidificação do ar no interior do quadro. Assim será necessária uma estanquicidade aproximada IP55, especialmente na zona de entrada de cabos.

Para um correcto funcionamento, quer na parte exterior e interior, o equipamento não deve estar obstruído, dando lugar a um cir-cuito (fluxo) natural.

Cálculo para a potência energética:

Q E = Q v . k . A . ΔT

2.4› Permutadores de calor ar/águaPara locais muito agressivos em pó, óleos e temperaturas elevadas, a aplicação do per-mutador de calor ar/água é o mais indicado. Quando aplicado no quadro eléctrico, o apa-relho funciona com o apoio de um circuito de água exterior.

Permutador de calor Ar/Água

Fluxo do Caudal

. .

f = 3,1 m^3 * K/Wh h = ( 0 até 100 )

f = 3,2 m^3 * K/Wh h = ( 100 até 250 )

f = 3,3 m^3 * K/Wh h = ( 250 até 500 )

f = 3,4 m^3 * K/Wh h = ( 500 até 750 )

f = 3,5 m^3 * K/Wh h = (750 até 1000)

f = Factor de compensação

h = Altura por cima do nível do mar (m)

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Cálculo para a potência de refrigeração:

Q E = Q v . k . A . DT

Exemplo de um diagrama de potência de um permutador de 1000 W:

Caso não esteja disponível um circuito de água fria na instalação, temos como aplica-

. .

PUB

ção auxiliar um Chiller (refrigeração de um circuito de água ou óleo).

2.5› Resistência de aquecimentoA resistência calorífica surge como forma de evitar condensações devido às baixas tem-peraturas exteriores.

Resistência

Cálculo para a potência calorífica:

Q H = A . DT . k

Diagrama de potência calorífica:

.