Arrefecimento Eletrónico de armários: Termoelétricos vs. Compressores
Condicionadores de Ar Laird Thermal Systems
Nota de Aplicação
Introdução
Os condicionadores de ar que utilizam Módulos Termoelétricos
(TEMs) são frequentemente considerados como uma alternativa aos sistemas
convencionais de compressão de vapor para resfriamento de armários. Como um TEM
é compacto, robusto e completamente sólido, a confiabilidade inerente de tal
sistema é atraente para engenheiros e usuários finais. No entanto, há uma
relutância inerente em escolher um sistema baseado em termoelétricas devido a
preconceitos sobre eficiência energética ou falta de experiência com
termoelétricas. Aqui comparamos e contrastamos duas tecnologias de
refrigeração. Comparações de eficiência, confiabilidade, controle, bem como
instalação e manutenção, demonstram que uma solução baseada em termoelétrica
pode ter vantagens significativas sobre sistemas convencionais baseados em
compressores.
Comparação de tecnologia – Como funciona
Um sistema baseado em compressor convencional (mostrado acima) contém três partes fundamentais: 1) o evaporador, 2) o compressor; 3) o condensador.
O evaporador (seção fria) é onde o refrigerante pressurizado
passa pela válvula de expansão e se expande, ferve e evapora.
Durante essa mudança de estado de líquido para gás, a energia
(calor) é absorvida. O compressor atua como a bomba de refrigerante e
recomprime o gás em um líquido. O condensador expele o calor absorvido no
evaporador e o calor produzido durante a compressão para o ambiente.
Um sistema termoelétrico é composto por materiais do tipo p
e n colocados em contato para formar uma junção.
Quando o dispositivo estiver conectado a uma bateria ou outra
fonte de energia, os eletrões fluirão. Na junção fria, a energia (calor) é
absorvida pelos eletrões e passa de um estado de baixa energia no elemento
semicondutor do tipo p, para um estado de energia mais alta no elemento
semicondutor do tipo n. A bateria fornece a energia para mover os eletrões
através do sistema. Na junção quente, a energia é expelida para um trocador de
calor à medida que os eletrões se movem de um nível de alta energia para um
nível de energia mais baixo. A inversão da direção do fluxo de corrente inverte
a direção do bombeamento de calor. Isso permite que o dispositivo termoelétrico
forneça resfriamento e aquecimento com uma simples inversão da corrente.
Os TEMs são dispositivos de estado sólido sem partes móveis,
fluidos ou gases.
As leis básicas da termodinâmica se aplicam a esses
dispositivos, assim como se aplicam a bombas de calor convencionais,
refrigeradores de absorção e outros dispositivos que envolvem a transferência
de energia térmica.
As Termoelétricas de potência operam com energia CC. Estes
podem ser configurados para funcionar em uma variedade de tensões DC,
selecionando uma configuração em série ou paralela da construção interna de um
TEM. As tensões mais comuns são 24 e 48 VDC. Uma vez que eles exigem DC, uma
fonte de alimentação é frequentemente usada para converter AC para DC. A
operação CC oferece várias vantagens em relação à CA.
Portanto, quando as necessidades de resfriamento são baixas,
o MET consumirá menos energia para manter o controle da temperatura. Quando o
resfriamento adicional é necessário, o MET consumirá mais energia. Esse
controle permite o uso eficiente da energia, ao mesmo tempo em que reduz o
ciclo de energia inerente aos controladores do tipo liga-desliga. Além disso,
como os METs podem aquecer ou resfriar dependendo da direção do fluxo de
corrente, eles eliminam a superação da temperatura do ponto definido e um controle
de temperatura mais preciso pode ser alcançado.
Vários níveis de potência de linha em regiões geográficas
exigem que os compressores e ventiladores CA funcionem em tensões e frequências
específicas. Isso aumenta o número de componentes necessários para suportar
cada região e torna a unidade suscetível à possibilidade de apagão. As fontes
de alimentação, no entanto, podem operar em uma faixa universal de tensões e
frequências de entrada. Isso permite que o sistema de resfriamento funcione de
forma eficiente em áreas geográficas que têm potência de saída confiável
limitada e podem manter a operação de um MET durante um apagão (condição de
baixa tensão).
No modo de aquecimento, um sistema termoelétrico requer menos
consumo de energia do que um sistema baseado em compressor. Permitindo o
aquecimento ou resfriamento com o mesmo dispositivo termoelétrico, o MET requer
menos peças e evita a ciclagem rápida de superação térmica de componentes
concorrentes de resfriamento e aquecimento. Isso é feito invertendo a direção
da corrente para o TEM. O resultado líquido é um alto grau de controle,
eficiência energética e confiabilidade. Um sistema de compressor geralmente
incorpora um componente de aquecimento separado porque os compressores não
podem ser alimentados ao contrário.
Os condicionadores de ar convencionais baseados em compressores são normalmente alimentados por corrente alternada. Os compressores de hoje são mais eficientes do que há uma década. Em operação em estado estacionário com cargas térmicas máximas projetadas, eles podem ser a escolha mais eficiente em termos de energia. Sob essa condição, um sistema baseado em compressor bem projetado usará de 30% a 35% menos energia do que o sistema termoelétrico equivalente. Muitas aplicações de invólucros, especialmente aquelas em ambientes remotos ou ao ar livre, têm condições ambientais que flutuam ao longo do dia e ao longo de uma estação.
Os sistemas de compressores são totalmente "ON" ou
"OFF". Não há controle proporcional, portanto, o poder total deve ser
aplicado em todos os momentos. Além disso, a corrente de partida para um
sistema de compressor é muitas vezes três vezes a corrente de operação em
estado estacionário e o circuito deve ser dimensionado para lidar com isso.
Combinando a não-proporcionalidade, o controle ON-OFF repetido com o alto
consumo de potência na partida e os ganhos de eficiência no estado estacionário
são reduzidos.
Confiabilidade
O gerenciamento térmico de um gabinete é necessário para
estender a confiabilidade e manter o desempenho ideal da eletrônica. Por isso,
é fundamental que a tecnologia climatizada mais confiável seja aplicada. Um MET
é um dispositivo de estado sólido. Não há compressor, motor ou refrigerantes
envolvidos. As únicas partes móveis são os ventiladores laterais quentes e
frios para circulação de absorção de calor no gabinete e dissipação de calor 5
para o ambiente. Embora esses ventiladores sejam classificados para até 70.000
horas, eles também podem ser controlados em velocidades mais baixas para
estender a vida útil.
O TEMs com um controlador de Derivada Integral Proporcional
(PID), podem atingir mais de 70.000 horas de operação.
Com um controlador PID integrado, o TEM não sofre tensões
induzidas por picos de potência de stop /start ou variações de temperatura excessivas.
Portanto, a maior confiabilidade das condições de estado estacionário é
mantida. O sistema baseado em compressor depende de peças móveis e
refrigerantes para operação. Tanto o compressor quanto o motor são necessários
para mover o fluido de trabalho através do sistema, enquanto os ventiladores
são usados para circular o ar através do evaporador. Os componentes de um
sistema de compressor se desgastarão com o tempo devido ao atrito, expansão
térmica e controle liga-desliga. O desgaste por atrito é um problema constante
neste sistema e exacerbado pelas flutuações de temperatura no ambiente e no
lado do controle. Além disso, o vazamento do refrigerante pode ocorrer através
de vedações que fadigam da operação contínua. Essa perda de refrigerante
degradará o desempenho e deixará de proteger eletrônicos críticos.
Manuseio e Instalação
Um conjunto termoelétrico (TEA) não tem refrigerantes de
trabalho e pode ser enviado, manuseado e montado em qualquer orientação sem
afetar seu desempenho ou confiabilidade. Isso não apenas simplifica o método de
envio, mas oferece opções para orientar a unidade para maximizar a circulação.
Um único projeto TEA pode ser montado na parte superior, na parede ou na porta
na direção vertical ou horizontal e um modelo pode satisfazer várias opções de
instalação de orientação. A gravidade só afetará a orientação se a aplicação
atingir o ponto de orvalho, porque os métodos de roteamento de condensação
serão dependentes da gravidade e devem ser considerados no projeto.
Um TEA é menor, exigindo menos área de superfície para
montagem e volume total, do que um sistema baseado em compressor quando as
capacidades são inferiores a 500W (1700 BTU).
A economia típica de tamanho e peso pode variar de 25% a 50%.
Devido ao refrigerante, um sistema baseado em compressor deve ser mantido em
uma orientação específica durante o transporte, manuseio e instalação ou podem
ocorrer danos ao sistema. Os compressores também tendem a ser mais pesados e
são maiores do que sistemas termoelétricos comparáveis. Isso requer superfícies
de montagem e, possivelmente, vários técnicos necessários para a instalação.
Um sistema baseado em compressor não pode acomodar várias
orientações de montagem, portanto, uma unidade especial é necessária para a
instalação de montagem frontal e de montagem superior. Isso exige mais modelos
para carregar em estoque.
Vibração
A vibração tem um efeito cumulativo de afrouxamento da
conexão de hardware da unidade de resfriamento, bem como da eletrônica dentro
do gabinete. O TEA opera silenciosamente com mínima ou nenhuma vibração. A
única vibração vem dos ventiladores DC, que são vibrações amortecidas com
fixadores emborrachados. Os TEAs não contribuem para hardware solto ou outros
problemas de vibração que podem ocorrer a partir da operação a longo prazo.
Um sistema baseado em compressor tem várias partes móveis,
que giram e vibram constantemente quando ligadas. Isso contribui para um nível
geral de ruído e vibração mais altos, o que pode ser prejudicial para a
eletrônica de nível do sistema alojada dentro do gabinete.
Controle de temperatura
A especificação de controle de temperatura para um gabinete
eletrônico é tipicamente +/- 2°C ou maior. Isso permite que a histerese seja
projetada, reduzindo o ciclo entre resfriamento e aquecimento ou liga/desliga
quando o compartimento 6 está em sua temperatura de ponto definido. Esta faixa
é adequada para controle termostático, mas uma tolerância mais apertada requer
um tipo proporcional de controle. Um controlador termoelétrico pode conduzir a
temperatura de um gabinete para dentro de 0,5°C da temperatura do ponto
definido. Isso é realizado com o controle PID bidirecional integrado, ajustando
a potência líquida ao MET, permitindo ajuste fino e resposta rápida a
flutuações de carga térmica induzidas por componentes ou pelo meio ambiente.
A faixa de operação para um MET típico é de -40°C a +65°C
para a maioria dos sistemas.
Os sistemas baseados em compressores são normalmente
projetados para operação entre 20°C e 55°C.
Esse intervalo é útil para a maioria dos aplicativos de gabinete e
ambientes operacionais. Se for necessário aquecimento, deve ser utilizado um
aquecedor separado e um circuito de comutação ou, se forem desejadas
temperaturas mais altas ou mais baixas, deve ser concebido um compressor
especial para essa gama (refrigerante, hardware).
O gráfico abaixo compara a
capacidade de resfriamento de um TEA com um ar-condicionado baseado em
compressor a partir da ficha técnica de um fabricante. A interpretação inicial
é que o compressor parece ter mais poder de resfriamento do que um TEA (260W v.
250W) sob um ∆T = 0°C em um ambiente de ~ 50°C.
No entanto, em condições reais de
aplicação (∆T= 20°C), as capacidades de resfriamento das duas unidades são
semelhantes (140W v 138W)
Aplicação típica de gabinete para sistema de backup de
bateria de telecomunicações
Para confiabilidade e maximização da vida útil, as baterias
exigem controle de temperatura de um ambiente que pode flutuar acima e abaixo
dos limites de temperatura da bateria.
Condições de resfriamento/aquecimento
Temperatura ambiente: -33 a +50°C
(média +35°C) T
Temperatura de controle: +10 a +30°C
Taxa de vazamento de calor através
das paredes do armário: 5W/°C Ativo
Carga térmica interna: 20 Watts
TEM AA-250-48-44-00-XX
Classificações:
Resfriamento Útil @ L35, L35
(temperatura interna, externa, °C) = 244W
Resfriamento Útil @ L35, L50
(temperatura interna, externa, °C) = 166W
Tensão nominal: 48 a 56VDC
Uso de energia @ L35, L35
(temperatura interna, externa, °C) = 290W
Uso de energia @ L35, L50
(temperatura interna, externa, °C) = 259W
Dimensões L x A x P: 153 x 400 x 204
mm
Peso:
6,3 kg
Principais classificações de ar condicionado baseado em compressor:
Resfriamento útil @ L 35, L 35
(temperatura interna, externa, °C) = 300W
Resfriamento útil @ L 35, L 50
(temperatura interna, externa, °C) = 150W
Tensão nominal: 115VAC, 60Hz
Uso de energia @ L 35, L 35
(temperatura interna, externa, °C) = 290W Uso de energia @ L 35, L 50
(temperatura interna, externa, °C) = 340W
Dimensões: L x A x P: 525 x 340 x 135 mm
Peso: 17 kg Visão geral
Visão geral
Nesta aplicação, um banco de baterias dentro de um armário
requer controle de temperatura para estender a vida útil, para que possam ser
usadas durante quedas de energia de emergência.
A temperatura ambiente pode variar de uma máxima de +50°C a
uma mínima de -33°C.
O compartimento deve ser mantido entre +10°C e +30°C durante
estas condições ambientais para proteção da bateria. Essa comparação demonstra
o desempenho e a eficiência dos modelos termoelétricos e baseados em
compressores mais adequados e disponíveis comercialmente. Os dados utilizados
neste estudo são provenientes das fichas técnicas dos fabricantes e dos
softwares de modelagem; O uso de energia foi confirmado com representantes dos
fabricantes.
A taxa de vazamento de calor para dentro e para fora do
gabinete é determinada pela área de superfície e valor de isolamento.
Nesta comparação, a taxa de vazamento de calor foi de 5W/°C.
Por exemplo, uma diferença de temperatura de 20°C entre a
temperatura ambiente e interna resulta em uma perda/ganho de calor de 100W
(20°C x 5W/°C = 100W).
A solução de resfriamento e aquecimento deve compensar essas
perdas ou ganhos.
Modo de resfriamento: Demonstra o uso de energia necessário para manter a
temperatura do gabinete de acordo com a especificação (+30°).
Modo de aquecimento: Demonstra o uso de energia necessário para manter a
temperatura do gabinete de acordo com a especificação (+10°C). Os dados
compensam a carga ativa de 20W dentro do gabinete.
Notas especiais
Para garantir a precisão, esta comparação faz as seguintes
considerações:
• O TEA alimentado por corrente contínua é mostrado com
energia CC 100% e 90% eficiente. Os dados de 90% de eficiência demonstram o uso
de energia se a energia DC não for orgânica para o gabinete e uma fonte CA/CC
de nível comercial for necessária.
• O compressor extrai apenas 3.3A, embora a folha de
especificações mostre 4A. O fabricante sugere que o valor de corrente mais
baixo é mais preciso.
• A corrente de partida não foi considerada devido à
transitoriedade e curta duração. A corrente de arranque para o TEA é 25% maior
do que o estado estacionário; A corrente de arranque do compressor é 300%
superior à do estado estacionário.
• A unidade compressora não tem função de aquecimento e
utiliza um aquecedor resistivo auxiliar. Isso não foi incluído nos valores de
dimensão ou peso.
• O TEA pode exigir uma fonte de alimentação CC separada, se
não orgânica para o gabinete. Isso não foi incluído nos valores de dimensão ou
peso.
• O uso de energia TEA inclui alimentação interna e externa
do ventilador. • O uso de energia TEA é mostrado com controle proporcional e de
ciclo de trabalho (liga/desliga).
• O uso de energia do compressor é baseado no ciclo de
trabalho (ligar/desligar).
Resultados
As tabelas e gráficos abaixo fornecem as eficiências medidas
sob uma faixa de temperaturas ambientais.
Modo de resfriamento
O TEA é até duas vezes mais eficiente do que a unidade
baseada em compressor com controle proporcional em todas as condições de teste.
Quando o TEA é ligado/desligado, o compressor tem vantagens onde a diferença de
temperatura e carga térmica é menor. Em geral, a unidade baseada em
termoelétrica requer menos energia para manter a temperatura de ponto de ajuste
especificada do que uma unidade baseada em compressor.
Conclusão:
Um TEA tem vantagens consideráveis sobre uma solução baseada
em compressor de tamanho comparável em gabinetes eletrônicos climatizados. Ele
pode resfriar e aquecer, oferecendo um controle de temperatura mais preciso do
que uma unidade baseada em compressor e é mais eficiente em termos de energia
em toda a faixa de temperatura da aplicação, de 25% a mais de 90% no modo de
resfriamento e até 400% no modo de aquecimento. A construção em estado sólido
dos TEAs oferece vantagens em confiabilidade, instalação, vibração e baixo
custo de manutenção. Além disso, seu formato compacto e peso mais leve permitem
uma instalação mais fácil e ocupam menos espaço do que uma unidade baseada em
compressor. A unidade opera com alimentação CC. Isso torna muito mais fácil a
utilização global, independentemente da tensão e frequência da linha CA
disponível. A utilização de um TEA em gabinetes eletrônicos climatizados
fornece uma solução alternativa atraente devido à sua eficiência,
confiabilidade, precisão, design compacto, níveis de ruído insignificantes e
facilidade de instalação.
Sobre a Laird Thermal Systems
A Laird Thermal Systems desenvolve soluções de gerenciamento
térmico para aplicações exigentes nos mercados médicos, industriais, de
transporte e telecomunicações globais. Fabricamos um dos mais diversos
portfólios de produtos do setor, que vão desde componentes e conjuntos
termoelétricos ativos até controladores de temperatura e sistemas de
refrigeração líquida. Nossos engenheiros usam técnicas avançadas de modelagem e
gerenciamento térmico para resolver problemas complexos de controle de calor e
temperatura. Ao oferecer uma ampla gama de recursos de design, prototipagem e
testes internos, fazemos parcerias estreitas com nossos clientes em todo o
ciclo de vida de desenvolvimento de produtos para reduzir o risco e acelerar o
tempo de colocação no mercado. Nossos recursos globais de fabricação e suporte
ajudam os clientes a maximizar a produtividade, o tempo de atividade, o
desempenho e a qualidade do produto.
A Laird Thermal Systems é a escolha ideal para soluções térmicas padrão ou personalizadas.
Catálogo:https://drive.google.com/file/d/1D6s49orjh_6C3CMFotES7DL7x35X-DkQ/view?usp=drive_link
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