Na wstępie przedstawione zostaną sposoby zabudowy szafy sterowniczej i płyty montażowej pod kątem poprawnego chłodzenia. Odpowiednie czynności gwarantują, że strumienie chłodnego powietrza w sposób niezakłócony dotrą do miejsc, w których są wymagane. Wynika to z zastosowania podstaw techniki chłodzenia.

Podstawy fizyczne

Podstawą każdego chłodzenia jest analiza przenoszenia ciepła pomiędzy dwoma, lub więcej, systemami. W przypadku różnych potencjałów ciepła, strumień ciepła przepływa zawsze od obszaru temperatury wyższej do temperatury niższej – wyrównywanie ciepła odbywa się zatem w kierunku mniejszej energii. Obowiązują sposoby wymiany ciepła:

- przewodzenie (przenoszenie energii kinetycznej pomiędzy sąsiadującymi częściami),

- konwekcja (ruch fluidów),

- promieniowanie (fale elektromagnetyczne, dynamika elektryczna).

Przewodzenie ciepła

Powstaje, gdy cząsteczki uderzają o siebie nawzajem z wyższą energią kinetyczną. Generalnie obowiązuje zasada, że dobry elektryczny przewodnik jest zarazem dobrym przewodnikiem termicznym. Wielkości wpływające na przenoszoną moc cieplną Fourier opisuje dla ciał stałych z dwoma równoległymi ścianami:

Zatem im wyższa jest różnica temperatury, tym większa jest ilość przenoszonego ciepła. Wzrost powoduje również powiększenie powierzchni A i w szczególności zwiększenie specyficznej przewodności cieplnej λ (której jednostką jest W/(mK) lub J/(smK)).

Konwekcja

Konwekcja (przenoszenie ciepła), to proces wynikający z makroskopowego ruchu materii w gazie bądź cieczy, np. powietrzu, wodzie. Rozróżnia się przy tym konwekcję swobodną (lub naturalną) i wymuszoną.

Konwekcja swobodna wywołana jest przez lokalne ogrzanie płynu, w którym różnice gęstości wyzwalają ruch cząsteczek. Konwekcja wymuszona to transport cząsteczek utrzymywany przez napęd zewnętrzny (np. wentylator, pompa). Konwekcja wymuszona (por. rys. 2) pełni główną rolę podczas klimatyzowania szaf sterowniczych (strumienie powietrza, obiegi wody).

Promieniowanie cieplne

Polega na przenoszeniu energii przez promieniowanie elektromagnetyczne emitowane w wyniku cieplnego ruchu cząsteczek. Wymiana ciepła przez promieniowanie nie wymaga obecności ośrodka pomiędzy ciałami między, którymi ciepło jest wymieniane, czyli może zachodzić przez próżnię. W systemach elektronicznych taki rodzaj wymiany ciepła pełni najczęściej rolę podrzędną i zostało tu wymienione jedynie w celach informacyjnych.

Jak widać, przewodzenie ciepła związane jest zawsze z cząsteczkami, a więc masami. Z tego wynika, że dla jednoznacznego zdefiniowania zadań podczas chłodzenia musi zostać określony strumień masy. Podanie przepustowości objętości nie jest precyzyjne, ponieważ wraz ze zmniejszającą się gęstością, przy tej samej objętości, może się poruszać mniej masy i tym samym może być transportowane mniej ciepła. Gęstość zmniejsza się wraz z rosnącymi temperaturami (z wyjątkiem wody, która w temp. 4°C ma największą gęstość), a w przypadku gazów także wraz z rosnącą wysokością nad poziomem morza. Także prędkość przepływu nie jest żadną dokładną daną. Wprawdzie można ją dość prosto zwiększyć przez zmniejszenie przekroju poprzecznego, ale uwarunkowana tym większa strata ciśnienia może warunkowo doprowadzić nawet do zmniejszenia wydajności chłodzenia, ponieważ obniża się suma strumienia masy!

Urządzenia do usuwania ciepła z szaf sterowniczych i ich obszary zastosowania

(...)

Precyzyjne wymiarowanie komponentów chłodniczych

(...)

Pomoc w zakresie wymiarowania

(...)

Termografia – późniejsza optymalizacja

(...)

W kolejnych częściach poruszone zostaną tematy: „Rozwiązania specjalne i obciążone otoczenie” (część 3) oraz „Wybór temperatury, usuwanie wilgoci i zarządzanie kondensatem” (część 4).