Problemi di surriscaldamento? Un armadio elettrico resistente risolve i problemi termici

Comprensione dell'accumulo di calore negli armadi elettrici

Principali fonti interne ed esterne di calore negli armadi elettrici

Gli armadi elettrici che installiamo quotidianamente devono affrontare serie sfide termiche provenienti da fonti interne ed esterne. All'interno di questi armadi, elementi come alimentatori e azionamenti per motori generano calore: si stima che circa il 15% dell'energia vada persa sotto forma di calore durante il funzionamento. All'aperto? Anche il sole incide notevolmente. Le temperature superficiali degli involucri esterni spesso aumentano di circa 20 gradi Celsius rispetto all'ambiente circostante. E non bisogna dimenticare tutte quelle operazioni industriali che avvengono nelle vicinanze. Fonderie di metalli, impianti di lavorazione chimica: irraggiano calore che influisce sul nostro equipaggiamento. Sommando tutti questi fattori, ci troviamo di fronte a carichi termici che in installazioni particolarmente dense possono superare i 500 watt per metro cubo. Ciò significa che una corretta progettazione termica deve iniziare fin dalla fase di progetto, se si vuole garantire prestazioni affidabili nel tempo.

Riconoscere i segnali di surriscaldamento: dallo stress dei componenti al guasto del sistema

Quando l'equipaggiamento inizia a surriscaldarsi, ci sono segnali evidenti come relè che funzionano in modo anomalo, PLC più lenti del normale e accumulo di umidità all'interno a causa dei continui cambiamenti di temperatura. Il vero problema si verifica quando la situazione peggiora. Cominciamo a notare danni fisici sui componenti: ad esempio, schede PCB con macchie marroni dove il rame si è ossidato, scatole di derivazione metalliche deformate e condensatori rigonfi, quasi pronti a scoppiare. Se lasciati senza intervento, questi problemi portano a guasti seri. La resistenza d'isolamento scende drasticamente al di sotto dei valori normali (tipicamente intorno a 1 milione di ohm, ma può ridursi del circa 70%) e i contattori tendono a guastarsi molto più spesso quando esposti a calore costante. Di conseguenza, gli arresti imprevisti diventano molto più probabili, causando perdite di tempo e denaro alle aziende.

Come la temperatura ambiente influisce sull'efficienza del raffreddamento degli armadi elettrici

L'efficienza dei sistemi di raffreddamento dipende fortemente dalla differenza di temperatura tra l'interno dell'apparecchiatura e l'aria circostante. Quando la temperatura ambiente supera i 25 gradi Celsius (circa 77 gradi Fahrenheit), la convezione naturale smette di funzionare efficacemente. Per ogni aumento di 10 gradi oltre questo valore, l'efficacia diminuisce di circa il 35%. La situazione diventa critica quando la temperatura esterna raggiunge circa 40 gradi Celsius (104 gradi Fahrenheit). A questo punto, molti contenitori sigillati iniziano a superare la soglia pericolosa dei 55 gradi (circa 131 gradi Fahrenheit), che rappresenta l'inizio di un incremento esponenziale dei guasti ai semiconduttori. A causa di questi rischi, soluzioni di raffreddamento attivo diventano assolutamente necessarie nelle regioni con temperature elevate o negli spazi con scadente circolazione d'aria.

Progettare Armadi Elettrici Durevoli per una Prestazione Termica Ottimale

Selezione dei Materiali: Alluminio vs. Acciaio vs. Contenitori Compositi

La scelta del materiale per gli alloggiamenti è fondamentale per determinarne l'efficienza nella gestione del calore e la durata nel tempo. Prendiamo l'alluminio, ad esempio. Conduce il calore a circa 205 watt per metro Kelvin, ovvero da tre a cinque volte meglio rispetto all'acciaio. Ciò significa che l'alluminio riesce a dissipare passivamente il calore in modo piuttosto efficiente, risultando quindi ideale in applicazioni come i sistemi di controllo per impianti HVAC o nelle grandi installazioni fotovoltaiche. Tuttavia, anche l'acciaio mantiene un suo ruolo importante grazie alla maggiore resistenza strutturale, motivo per cui molte industrie pesanti continuano a preferirlo nonostante la conducibilità termica dell'acciaio si attesti intorno ai 45 watt per metro Kelvin. Questo valore più basso richiede solitamente soluzioni aggiuntive di raffreddamento. Esistono poi opzioni composite come il poliestere rinforzato con fibra di vetro. Questi materiali presentano un'elevata resistenza alla corrosione e tollerano temperature moderate, risultando pertanto scelte indicate in ambienti difficili dove sono presenti sostanze chimiche o sulle piattaforme offshore, dove l'aria salmastra deteriorerebbe più rapidamente altri materiali.

Valutazioni IP e NEMA/UL: abbinare la protezione alle esigenze termiche

Attribuire correttamente le classificazioni di protezione ambientale significa adattarle effettivamente alle esigenze del dispositivo in termini di gestione del calore. Prendiamo ad esempio gli involucri con grado di protezione IP54: questi tengono lontani polvere e schizzi d'acqua, ma permettono comunque il passaggio naturale dell'aria, favorendo un raffreddamento autonomo. Poi ci sono le cabine NEMA 12, che impediscono l'ingresso di oli e refrigeranti senza bloccare completamente il flusso d'aria. Queste consentono una sufficiente convezione affinché i componenti non surriscaldino. Per situazioni in cui la presenza di umidità o sostanze chimiche rappresenta un problema, entrano in gioco progetti certificati UL Type 4X. Tali soluzioni integrano filtri speciali respingenti acqua e prese d'aria posizionate con cura lungo tutto il sistema. Questa configurazione mantiene stabile la temperatura interna anche in condizioni esterne difficili, garantendo al contempo un ambiente operativo pulito all'interno dell'involucro. Molte strutture industriali ritengono che questa combinazione sia la più adatta alle loro specifiche applicazioni.

Design innovativi per il flusso d'aria naturale e la resistenza al calore

I design degli armadietti oggi sono sempre più intelligenti per quanto riguarda il raffreddamento passivo. Caratteristiche come tetti perforati, lamelle inclinate e componenti disposti in posizioni sfalsate lavorano insieme per far risalire l'aria calda ed allontanarla dalle delicate parti elettroniche interne. Secondo una ricerca di ABB del suo studio termico del 2022, questo approccio può effettivamente ridurre la temperatura interna tra gli 8 e i 12 gradi Celsius. Un'altra innovazione chiave prevede guarnizioni in polimero termoconduttivo posizionate in tutte le giunzioni. Questi materiali speciali permettono al calore di dissiparsi ma bloccano comunque polvere e umidità, elemento fondamentale per apparecchiature utilizzate in parchi solari o turbine eoliche situate in ambienti difficili come deserti o regioni tropicali dove sono comuni escursioni termiche estreme.

Soluzioni di raffreddamento attivo per applicazioni con elevato calore negli armadi elettrici

Utilizzo di condizionatori e ventilatori per armadi per un raffreddamento attivo affidabile

Quando si affrontano situazioni di calore estremo, gli impianti di raffreddamento attivo combinano solitamente condizionatori per armadi con ventilatori a velocità variabile per evitare che l'interno diventi troppo caldo. Queste unità di raffreddamento funzionano piuttosto bene anche se la temperatura esterna supera i 45 gradi Celsius. Dispongono di sensori termici integrati che controllano costantemente la situazione e regolano il flusso d'aria in modo corrispondente. Il grande vantaggio è che questi sistemi non funzionano continuamente come quelli tradizionali, ma si attivano solo quando necessario, riducendo il consumo di energia elettrica del 30-50 percento. Questo fa una grande differenza in luoghi come le fabbriche, dove le macchine generano molto calore, o nelle strutture per lo stoccaggio delle batterie, dove la temperatura può variare notevolmente a seconda della quantità di energia accumulata o rilasciata in un determinato momento.

Sistemi di Raffreddamento a Circuito Chiuso: Mantenere Pulizia ed Efficienza

I sistemi di raffreddamento a circuito chiuso aiutano i componenti a durare più a lungo perché mantengono l'aria esterna fuori dal sistema. Invece di aspirare aria normale dall'ambiente circostante, questi sistemi trasferiscono il calore attraverso scambiatori di calore speciali posizionati all'interno e all'esterno. Una ricerca pubblicata lo scorso anno ha mostrato che i componenti in luoghi come aree industriali polverose o vicino alla costa possono effettivamente durare circa il 40% in più utilizzando questo approccio. Il motivo? Le particelle di polvere e la nebbia salina non entrano nell'apparecchiatura, dove potrebbero causare danni nel tempo. Questo è molto importante per impianti come quelli di produzione di semiconduttori e piattaforme petrolifere offshore, dove un guasto dell'equipaggiamento comporta costi elevati e tempi di fermo.

Caso di studio: Prevenire i guasti dell'equipaggiamento con la gestione attiva del calore

Un produttore di inverter solari ha ridotto i tempi di fermo imprevisti di quasi quattro quinti installando questo particolare sistema ibrido di raffreddamento. Il sistema combina piastre refrigerate a liquido per i componenti di potenza con normali unità di condizionamento per armadietti. Cosa è successo? La temperatura all'interno è rimasta costantemente fresca, a 22 gradi sotto il livello che causerebbe problemi, anche quando tutto funzionava al massimo regime. L'assenza di danni da surriscaldamento alle delicate schede elettroniche significa che la manutenzione non deve più avvenire ogni sei mesi, ma può essere effettuata ogni due anni. Inoltre, tutte queste modifiche hanno permesso di rimanere in conformità con i rigorosi requisiti di sicurezza UL 508A che tutti nel settore devono rispettare.

Strategie di Raffreddamento Passivo per Armadi Elettrici Sostenibili e a Basso Intervento di Manutenzione

Radiazione Termica, Convezione e Conduzione nella Dissipazione del Calore Passiva

Il raffreddamento passivo funziona principalmente attraverso tre meccanismi fondamentali. Il primo è la radiazione, quando le parti emettono calore sotto forma di onde infrarosse. Poi c'è la convezione, in cui l'aria calda sale naturalmente ed esce attraverso aperture superiori nell'apparecchiatura. Il terzo metodo è la conduzione, che coinvolge tipicamente dissipatori di calore realizzati in metalli come l'alluminio, i quali allontanano il calore da componenti sensibili. Ciò che rende così interessanti i sistemi passivi è che non richiedono parti meccaniche né fonti esterne di energia elettrica. Nonostante questa semplicità, la maggior parte delle fabbriche trova questi approcci sufficienti per mantenere temperature operative accettabili. Secondo una ricerca pubblicata lo scorso anno su Thermal Systems Journal, circa otto impianti industriali su dieci rimangono effettivamente entro i margini di sicurezza utilizzando esclusivamente tecniche passive.

Massimizzare la superficie e la ventilazione senza compromettere il grado di protezione IP

Nuovi approcci progettuali aiutano a eliminare l'eccesso di calore mantenendo comunque un impatto ambientale ridotto. Quando gli armadi presentano pareti ondulate o a forma di alette, aumentano effettivamente la superficie disponibile per l'irraggiamento e il trasferimento del calore per convezione del 25-40 percento circa. Le griglie di ventilazione svolgono una doppia funzione: indirizzano il flusso d'aria ma resistono comunque a polvere ed acqua, conformemente ai livelli di protezione IP54 e IP65 considerati importanti dalla maggior parte degli utenti. I punti di ingresso per i cavi, dotati di fori, permettono all'aria calda di fuoriuscire senza compromettere la tenuta complessiva dell'involucro. Prendiamo ad esempio gli involucri in alluminio: quando i produttori posizionano correttamente le aperture di ventilazione, la temperatura interna si riduce di 8-12 gradi Celsius rispetto alle tradizionali soluzioni in acciaio pieno. Questo fa una grande differenza sulle prestazioni dei dispositivi sotto carico.

Quando scegliere il raffreddamento passivo rispetto a quello attivo in ambienti gravosi

Il raffreddamento passivo funziona molto bene in luoghi dove la temperatura ambiente rimane abbastanza stabile al di sotto di circa 35 gradi Celsius o 95 Fahrenheit. È anche adatto a situazioni in cui ogni armadio non genera più di circa 500 watt di calore, oltre a installazioni situate in posizioni remote o che richiedono manutenzione minima. Tuttavia, quando il calore supera i 800 watt oppure se le temperature esterne fluttuano notevolmente al di fuori dei range normali, allora diventa essenziale il raffreddamento attivo. Lo stesso vale per applicazioni che richiedono un controllo termico molto preciso, entro soli due gradi in più o in meno. Gli approcci ibridi offrono una soluzione intermedia tra questi estremi. Si basano principalmente su tecniche passive, ma intervengono con componenti aggiuntivi di raffreddamento come ventole o refrigeratori ogni volta che si verifica un picco di domanda. Questo metodo misto aiuta a risparmiare energia mantenendo comunque condizioni operative adeguate.

Domande Frequenti

Quali sono gli indicatori comuni di surriscaldamento negli armadi elettrici?

I segni di surriscaldamento includono un funzionamento anomalo dell'equipaggiamento, prestazioni più lente, accumulo di umidità all'interno, danni fisici ai componenti come le schede a circuito stampato e il rigonfiamento dei condensatori. Il surriscaldamento può portare a una riduzione della resistenza d'isolamento e al malfunzionamento dei componenti.

Perché la selezione dei materiali è importante nella progettazione di armadi elettrici?

La selezione dei materiali influisce sulla gestione del calore e sulla durata. L'alluminio dissipa efficacemente il calore grazie alla sua elevata conducibilità termica, risultando adatto per sistemi HVAC e impianti solari. L'acciaio offre resistenza strutturale ma richiede misure aggiuntive di raffreddamento. I materiali compositi sono resistenti alla corrosione e gestiscono calore moderato, ideali per ambienti chimici aggressivi.

Qual è l'importanza delle classificazioni IP e NEMA/UL nella progettazione degli armadi elettrici?

Le classificazioni di protezione ambientale garantiscono che gli armadietti possano gestire le esigenze di dissipazione del calore. Gli involucri con grado di protezione IP54 favoriscono il flusso d'aria naturale, mentre gli armadi NEMA 12 proteggono da oli e refrigeranti. Le soluzioni UL Type 4X sono adatte ad ambienti umidi e ricchi di sostanze chimiche, mantenendo temperature stabili.

Come funzionano le strategie di raffreddamento passivo?

Il raffreddamento passivo sfrutta radiazione, convezione e conduzione senza parti meccaniche né alimentazione elettrica esterna. I metodi tipici prevedono l'uso di dissipatori di calore e armadi progettati strategicamente per mantenere temperature di funzionamento sicure attraverso la dissipazione naturale del calore.