ПОСТАВЩИК: ООО "Локальные системы НН"
Адрес: РФ, 603081, г. Нижний Новгород, ул.Корейская, оф.42А;
Телефон: +7 831 431-06-66
ИНН: 5261105617 / КПП: 526101001
Банковские реквизиты:
р/с 40702810029080000889 в АО "Альфа-Банк" код 270 г. Нижний Новгород
БИК 042202824

Телефон: +7 831 431-06-66   +7 831 439-65-55
Написать нам Заказать звонок
Расчет теплового баланса в электротехническом шкафу

Расчет теплового баланса в электротехническом шкафу

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 +35оС 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:

Pk = Pv Pr [Ватт], где

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

  • Pv [Ватт] - потеря тепла от рассеивания.

  • Pr [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:

Pr = 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 = -10оС, а требуемая внутри шкафа Ti = +35оС, то

∆T = 35 - (-10) = 35 + 10 = 45оK

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

Pk = Pv – 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 = +35оС при внешней температуре

в зимний период:        Ta = -30оС

в летний период:        Ta = +40оС


1.       Рассчитаем эффективную площадь электрошкафа.

Поскольку площадь измеряется в м2, то его размеры следует перевести в метры.

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


2.       Определим разницу температур для разных периодов:

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

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


3.       Рассчитаем мощность:

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 = -5оK. 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 5оK. То есть чтобы температура окружающей среды была ниже требуемой в шкафу не менее чем на 5оK (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 = +15оС, а в летний – не выше Ti = +35оС.

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

Необходимо выполнить следующие действия:


1.         Вычислить эффективную площадь шкафа с данными размерами (её мы уже считали A = 5,712 м2).

2.         Определить разницу температур для разных периодов:

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

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


3.         Рассчитать мощность:

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 = +30оС.

Т.к. в жаркий период мы получили ∆T = 5оK, 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 · Pv / ∆T  [м3/ч]

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

  • Pv [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

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.

Возврат к списку

Коммерческое предложение действительно на 12.11.2019 г.