Расчет теплового баланса в электротехническом шкафу

17.07.2017

Для продолжительной и бесперебойной работы электронного оборудования внутри электротехнического шкафа следует обеспечить надлежащий микроклимат внутри него, то есть постоянно поддерживать тепловой баланс.

Учитывая возможные расходы электроэнергии по поддержанию климата, температура воздуха в +35^оС будет идеальным значением для устройств внутри шкафа. Ниже рассмотрим расчет мощности климатического оборудования, в том числе и на типичных примерах.

Общее уравнение для расчета баланса температуры выглядит так:

P_k = P_v – P_r [Ватт], где

• P_k [Ватт] - мощность устройства охлаждения/нагрева.

• P_v [Ватт] - потеря тепла от рассеивания.

• P_r [Ватт] - теплоизлучение/теплоотдача.

Потеря тепла от рассеивания - тепловая энергия, образующаяся внутри шкафа за счет нагревания работающих приборов.

Чтобы узнать данную величину, следует заглянуть в технические характеристики установленного оборудования, в некоторых из них дано значение тепловых потерь. Для остальных устройств следует принять потери, составляющие примерно 10% от общей мощности потребления (её также можно найти в технических характеристиках). Нужно знать КПД и степень нагрузки для более точного расчета тепловой потери отдельного электротехнического компонента.

К примеру, если КПД частотного преобразователя составляет 95%, то условно 5% от его мощности потребления уходит на нагрев. Если же во время работы этот преобразователь работает на 70% от своего номинала, то мощность его тепловых потерь составит

70 · 5 / 100 % = 3,5 %

Таким образом, тепловая мощность шкафа будет равна сумме тепловых потерь всех устройств установленных в нём.

Теплоизлучение/телоотдача - теплоотдача через корпус электротехнического шкафа (не учитывая коэффициент изоляции). Теплоотдача шкафа рассчитывается по формуле ниже и измеряется в Ваттах:

P_r = k · A · ∆T [Ватт], где

• k [Вт/м² K] - коэффициент теплоотдачи.

• A [м²] - эффективная площадь электротехнического шкафа.

• ∆T [K] - разница температур воздуха внутри и снаружи шкафа.

Коэффициент теплоотдачи - мощность излучения на 1 м2 площади поверхности. Является постоянной величиной и зависит от материала:

Материал	Коэффициент теплоотдачи
Листовая сталь	5,5 Вт/м2 K
Нержавеющая сталь	5,5 Вт/м2 K
Алюминий	12,0 Вт/м2 K
Пластмасса	3,5 Вт/м2 K

Эффективная площадь поверхности электрошкафа измеряется в соответствии со спецификациями VDE 0660, часть 500. Расчет зависит от расположения шкафа:

Один шкаф, свободно стоящий A = 1,8·H · (W + D) + 1,4 · W · D

Один шкаф, монтируемый на стену A = 1,4 · W · (H + D) + 1,8 · D · H

Крайний шкаф свободно стоящего ряда A = 1,4 · D · (H + W) + 1,8 · W · H

Крайний шкаф в ряду, монтируемом на стену A = 1,4 · H · (W + D) + 1,4 · W · D

Не крайний шкаф свободно стоящего ряда A = 1,8 · W · H + 1,4 · W · D + D · H

Не крайний шкаф в ряду, монтируемом на стену A = 1,4 · W · (H + D) + D · H

Не крайний шкаф в ряду, монтируемом на стену, под козырьком A = 1,4 · W · H + 0,7 · W · D + D · H

где W — ширина шкафа, H — высота шкафа, D — глубина шкафа, измеряемые в метрах.

Разницу температур воздуха внутри и снаружи шкафа принято измерять в градусах Кельвина (разница температур в Кельвинах равна разнице температур в Цельсиях).

Разницу находят, вычитая из температуры внутри шкафа температуру окружающей среды:

∆T = Ti – Ta, где

• Ti - температуры внутри шкафа.

• Ta - температура окружающей среды.

Если температура окружающей среды отрицательная, к примеру, Ta = -10^оС, а требуемая внутри шкафа Ti = +35^оС, то

∆T = 35 - (-10) = 35 + 10 = 45^оK

Подставив в общее уравнение формулу по определению теплоотдачи шкафа, общее уравнение теплового баланса примет вид:

P_k = P_v – k · A · ∆T [Ватт]

Положительная величина полученной мощности указывает на то, что следует применять охлаждение, а отрицательная - нагрев.

РАССМОТРИМ ПРИМЕР:

Необходимо установить тепловой баланс отдельно стоящего электрошкафа с размерами 2000x800x600мм, изготовленного из стали, имеющего степень защиты не ниже IP54. Потери тепловой энергии всех компонентов в шкафу составляют Pv = 550 Вт.

В разное время года температура внешней среды может значительно меняться, поэтому рассмотрим два случая.

Рассчитаем поддержание температуры внутри шкафа Ti = +35^оС при внешней температуре

в зимний период:        Ta = -30^оС

в летний период:        Ta = +40^оС

A = 1,8·H · (W + D) + 1,4 · W · D = 1,8 · 2000/1000 · (800 + 600)/1000 + 1,4 · 800/1000 · 600/1000 = 5,712 м²

в зимний период:        ∆T = Ti – Ta = 35 – (-30) = 65^оK

в летний период:        ∆T = Ti – Ta = 35 – 40 = -5^оK

в зимний период:        Pk = Pv – k · A · ∆T = 550 – 5.5 · 5.712 · 65 = -1492 Вт.

в летний период:        Pk = Pv – k · A · ∆T = 550 – 5.5 · 5.712 · (-5) = 707 Вт.

Для надежной работы устройств по поддержанию климата, их обычно «недогружают» по мощности около 10%, поэтому к расчетам добавляют порядка 10%.

Таким образом, для достижения теплового баланса в зимний период следует использовать нагреватель с мощностью 1600 - 1650 Вт (при условии постоянной работы оборудования внутри шкафа). В тёплый же период следует отводить тепло мощностью порядка 750-770 Вт.

Нагрев можно осуществлять, комбинируя несколько нагревателей, главное набрать в сумме нужную мощность нагрева. Предпочтительнее брать нагреватели с вентилятором, так как они обеспечивают лучшее распределения тепла внутри шкафа за счет принудительной конвекции. Для управления работой нагревателей применяются термостаты с нормально замкнутым контактом, настроенные на температуру срабатывания равную температуре поддержания внутри шкафа.

Для охлаждения применяются различные устройства: вентиляторы с фильтром, теплообменники воздух/воздух, кондиционеры, работающие по принципу теплового насоса, теплообменники воздух/вода, чиллеры. Конкретное применение того или иного устройства обусловлено различными факторами: разницей температур ∆T, требуемой степенью защиты IP и т.д.

В нашем примере в тёплый период ∆T = Ti – Ta = 35 – 40 = -5^оK. Мы получили отрицательную разницу температур, а это значит, что применить вентиляторы с фильтром не представляется возможным. Для использования вентиляторов с фильтром и теплообменников воздух/воздух необходимо, чтобы ∆T была больше или равна 5^оK. То есть чтобы температура окружающей среды была ниже требуемой в шкафу не менее чем на 5^оK (разница температур в Кельвинах равна разнице температур в Цельсиях).

РАССМОТРИМ ДРУГОЙ ПРИМЕР:

Необходимо с помощью расчетов подобрать устройства поддержания микроклимата в шкафу, установленном в помещении. Шкаф изготовлен из стали, степень защиты не ниже IP54, его габариты 2000x800x600мм. Потери тепловой энергии всех приборов известны и составляют Pv = 550 Вт.

Требуется обеспечить внутреннюю температуру в холодный период не ниже Ti = +15^оС, а в летний – не выше Ti = +35^оС.

Внешняя температура равна: в зимний период Ta = 0^оС, в летний период Ta = +30^оС.

Необходимо выполнить следующие действия:

в зимний период:        ∆T = Ti – Ta = 15 – 0 = 15^оK

в летний период:        ∆T = Ti – Ta = 35 – 30 = 5^оK

в зимний период:        Pk = Pv – k · A · ∆T = 550 – 5.5 · 5.712 · 15 = 79 Вт.

в летний период:        Pk = Pv – k · A · ∆T = 550 – 5.5 · 5.712 · 5 = 393 Вт.

В результате вычислений мы получили положительные мощности, т.е. нагрев не нужен.

Таким образом, следует использовать только охлаждение круглый год. Но это применимо только при условии непрерывной работы электрооборудования и постоянного выделения тепла в холодный период. В случае остановки оборудования на профилактику, ремонт или модернизацию оно остынет и при включении не сразу выйдет на штатный режим работы, при котором и будет выделять Pv=550 Вт. В этом случае рассматривают так называемый «холодный пуск», т.е. расчеты производятся при условии, что оборудование не выделят тепло в холодный период времени, т.е. Pv= 0 Вт.

в зимний период:        Pk = Pv – k · A · ∆T = 0 – 5.5 · 5.712 · 15 = -471 Вт.

Получается, что для обеспечения климатического баланса следует использовать нагрев с мощностью в сумме 500-520 Вт. Отводить тепло в летний период следует порядка 430 Вт при температуре окружающей среды Ta = +30^оС.

Т.к. в жаркий период мы получили ∆T = 5^оK, то возможность отвести это тепло с помощью вентилятора с фильтром существует. Попробуем его подобрать.

Уравнение для расчета необходимого потока воздуха имеет вид:

V = 3,1 · P_v / ∆T  [м³/ч]

• V[м³/ч] - воздушный поток, создаваемый вентилятором с фильтром.

• P_v [Ватт] - потеря тепла от рассеивания.

• ∆T - разница температур воздуха внутри и снаружи шкафа.

Рассчитаем необходимый воздушный поток для нашего примера:

V = 3,1 · Pv / ∆T = 3,1 · 430 / 5 = 267 м³/ч

Смотрим в технические характеристики и подбираем нужный вентилятор с фильтром с воздушным потоком не менее 267 м³/ч. Здесь следует учесть, что вентиляторы с фильтром нужно использовать совместно с выпускной решеткой. Поэтому мы смотрим характеристику воздушного потока вентилятора с фильтром в комбинации с выпускной решеткой. Если характеристика воздушного потока в комбинации с выпускным фильтром производителем не указана, то берут характеристику воздушного потока вентилятора с фильтром на 10-15% выше, чем нужна по расчетам.

В итоге нам подойдет вентилятор производства Stego с фильтром WT310B с воздушным потоком 295 м³/час.