Com assegurar l'efecte de dissipació de calor en les armaris elèctrics?

Comprendre les càrregues tèrmiques en armaris elèctrics

Quantificació de la generació interna de calor a partir de components d'alimentació

Els panells elèctrics que instal·lem solen arribar a temperatures força elevades a l'interior a causa de tots aquests components energètics en funcionament. Prenguem com a exemple els transformadors, les freqüències variables (VFD) i els sistemes de commutació: aquests dispositius solen perdre al voltant del 3 al 8 per cent de l'energia d'entrada en forma de calor residual quan estan en funcionament. Penseu només en un transformador estàndard de 500 kVA: podria estar generant uns 15 quilowatts de calor. Segons les normes establertes per la IEC 60076-2023, si un equip funciona tan sols 10 graus Celsius per sobre de la temperatura per a la qual ha estat dissenyat, la seva vida útil pràcticament es redueix a la meitat. Això fa que els càlculs termoelèctrics adequats siguin absolutament crítics per a un disseny correcte del sistema. Quan es calcula la quantitat de calor que s’acumularà a l’interior d’aquests embalatges, els tècnics normalment analitzen les especificacions de potència dels components, consideren la freqüència d’operació de cada peça i consulten també les taules d’eficiència proporcionades pels fabricants.

Avaluació de les influències tèrmiques externes: condicions ambientals i guany solar

Un conjunt considerable de condicions externes fa que l'estrès tèrmic sigui encara més greu del que ja és. El sol pot bombardejar les carcasses amb uns 150 watts per metre quadrat de calor addicional, i quan la temperatura de l'aire supera els 40 graus Celsius, les coses es tornen molt dolentes per als processos de refredament natural, reduint la seva eficàcia aproximadament un 30 per cent. Els canvis entre estacions fan que els enginyers hagin de pensar de manera dinàmica en comptes d'aferrar-se a models estàtics antics. Això té especial importància a les fàbriques situades a zones àrides, on les màquines necessiten realment un 25% més de potència de refredament comparat amb llocs de climes més temperats. Col·locar l'equipament en posicions intel·ligents ajuda a reduir l'exposició directa al sol i aprofitar millor les direccions locals del vent, de manera que la calor s'escapi sense necessitat de sistemes sofisticats.

Selecció de mètodes eficaços de dissipació de calor per a armaris elèctrics

Solucions passives: dissipadors de calor, materials d'interfície tèrmica i tubs de calor

El refredament passiu funciona aprofitant els propis processos naturals de calefacció i refredament, el que significa que no necessita cap font d’energia externa. Quan parlem de dissipadors tèrmics d'alumini o coure, bàsicament creen més superfície perquè la calor s'escapi tant per convecció com per radiació. Els dissenys adequats poden arribar a reduir la temperatura del dispositiu entre 15 i fins i tot 20 graus Celsius. Els materials d'interfície tèrmica, anomenats TIM en l’àmbit industrial, omplen els minúsculs espais d’aire entre les peces i les seves superfícies de refredament. Això millora significativament la transferència de calor, fins a cinc vegades més eficient que si només hi actua l’aire. Les bombes de calor també són impressionants. Funcionen segons un principi en què un líquid es transforma en vapor i torna a ser líquid, transportant la calor de manera molt eficient. Aquestes bombes poden transferir aproximadament un 90 per cent més de calor en comparació amb la mateixa quantitat de coure sòlid. Els fabricants d’equips elèctrics troben aquests mètodes de refredament passiu molt atractius perquè solen durar més d’una dècada sense necessitar gaire manteniment, a més de no tenir cap cost energètic addicional.

Opcions de Refredament Actiu: Ventiladors amb Filtratge, Intercanviadors Tèrmics Aire-aire i Unitats de Climatització per a Encapsulats

Els sistemes de refrigeració activa s'activen quan els factors ambientals superen el que es considera segur o quan la generació de calor interna supera el que poden gestionar els mètodes passius. Els ventiladors amb classificació NEMA 4 ajuden a mantenir fora el pols mentre impulsen al voltant de 300 peus cúbics per minut d'aire refrigerat, cosa que funciona bé en situacions amb demandes tèrmiques mitjanes. Els intercanviadors tèrmics aire-aire creen una barrera entre l'aire interior i l'exterior que compleix amb els estàndards IP54, i aquests dispositius aconsegueixen eliminar uns 2 a 3 quilowatts de calor excedentària mitjançant conducció. Per a ubicacions especialment exigents, com ara subestacions elèctriques a l'aire lliure o edificis situats en climes desèrtics, calen unitats especialitzades de climatització per a recobriments per mantenir les temperatures estables als 25 graus Celsius malgrat càrregues tèrmiques superiors als 5 quilowatts. Les solucions de ventilació forçada redueixen sensiblement les temperatures dels punts calents, fins a uns 35 graus Celsius de vegades, però tenen un cost addicional, ja que generalment necessiten uns volts un 15 per cent més d'energia en comparació amb les seves contraparts passives optimitzades correctament.

Disseny per a un flux d'aire òptim i distribució de components en armaris elèctrics

Col·locació estratègica per evitar punts calents i permetre trajectes de convecció natural

La manera com es disposen els components té un paper fonamental en les decisions de disseny tèrmic. Quan es col·loquen dispositius amb alta generació de calor, com ara variadors de freqüència (VFD), és convenient situar-los a prop de zones amb bon flux d'aire, però aquests punts calents han d'estar allunyats dels instruments delicats. Per què? Perquè les interferències electromagnètiques poden causar problemes, i estudis mostren que contribueixen a més d'un terç de totes les avaries relacionades amb la temperatura. Cal deixar almenys un 20% d'espai lliure al voltant de qualsevol element que generi calor per tal que l'aire pugui ascendir de manera natural. És com crear un efecte de xemeneia, on l'aire fresc puja per si sol sense necessitat de ventiladors o bombes. Aquest truc senzill pot reduir realment la temperatura interna uns 15 graus Celsius. També és important encertar l'espaiat, ja que un flux d'aire bloquejat crea punts calents que ningú no desitja quan es vol mantenir tot el sistema funcionant correctament.

Ventilació d'envolvents i gestió d'obstruccions informat per CFD

L'ús de simulacions de dinàmica de fluids computacional (CFD) pot descobrir problemes tèrmics greus molt abans que comenci cap fabricació real. Quan els enginyers modelen com flueix l'aire a través de l'equip, controlen els canvis de pressió a les superfícies i detecten àrees on els components podrien sobrecalentar-se, troben tot tipus de problemes que normalment ningú no veuria. Per exemple, una mala col·locació dels orificis de ventilació genera turbulències en lloc d’un flux d’aire suau, mentre que certes zones es converteixen en punts calents perquè no arriba aire a cap d’elles. Recerques d’algunes empreses d’enginyeria indiquen que quan els dissenyadors optimitzen els envolvents mitjançant tècniques CFD, els seus productes dissipen la calor aproximadament un 40 per cent més eficientment en comparació amb dissenys estàndard. Algunes recomanacions pràctiques per aprofitar al màxim l’anàlisi CFD inclouen inclinar els orificis de ventilació amb l’angle adequat per afavorir patrons de flux d’aire suaus, mantenir els cables elèctrics lluny dels canals principals de ventilació i assegurar-se que els orificis d’escapament siguin significativament més grans que les entrades d’aire —normalment entre un 20 i un 30 per cent més grans funciona millor per crear corrents de convecció natural—. Fer aquest tipus de simulació al principi del procés de disseny estalvia diners més endavant, evitant reestructuracions costoses posteriorment, i a més ajuda a garantir que tot romangui dins dels límits segurs de temperatura, alhora que compleix amb tots els requisits estructurals i medioambientals de seguretat que els fabricants han de seguir.

Equilibrar la protecció ambiental i el rendiment tèrmic en les carcasses elèctriques per a habitatges

Per als enginyers que treballen en equipaments industrials, sempre hi ha aquest equilibri a l’hora de dissenyar carcasses. Aquestes han de complir especificacions ambientals exigents, com ara les qualificacions IP66 o NEMA 4X, però al mateix temps han de permetre dissipar prou calor perquè els components no s’escalfin excessivament. Una bona protecció contra el pols, l’aigua i els elements corrosius és absolutament essencial per a sistemes importants, sense cap mena de dubte. Tanmateix, si exagerem amb el segellat, la calor queda atrapada a l’interior i, de fet, accelera la fallada dels components. Preneu com a exemple les juntes de compressió: funcionen molt bé per impedir l’entrada d’elements externs, però llavors necessitem alguna altra solució per gestionar l’acumulació de calor. Normalment això implica afegir materials conductors a les parets de la carcassa o incorporar algun tipus de dissipador de calor en el disseny. Altrament, totes aquestes mesures protectores acaben convertint-se en part del problema, en lloc de ser-ne la solució.

Les solucions de ventilació ajuden a tancar la bretxa entre les necessitats de flux d'aire i la protecció contra condicions extremes. Les reixes amb filtres de partícules funcionen bé al costat de ventiladors amb classificació NEMA per mantenir el flux d'aire mentre es protegeix l'equipament contra la pols, la corrosió i l'exposició a l'aigua durant els rentats. Per al control tèrmic, hi ha diversos enfocaments que val la pena considerar. Els materials d'interfície tèrmica milloren la transferència de calor des dels components calents fins a les parets de l'envolvent. A més, l'aïllament es pot col·locar estratègicament per protegir contra les fluctuacions de temperatura a l'exterior de l'envolvent. Aquests mètodes resulten especialment importants en determinats llocs. Les zones costaneres amb alta humitat s'beneficien enormement dels calefactors anticondensació que eviten danys per humitat. De manera similar, l'equipament exposat a la llum solar directa necessita revestiments reflectants o estructures d'ombra per reduir l'acumulació de calor. Quan es consideren les classificacions IP i NEMA, el que veiem és una evidència clara que la protecció ambiental i la gestió tèrmica no són qüestions separades. De fet, depenen l'una de l'altra per garantir un funcionament fiable al llarg del temps en sistemes de distribució d'energia.

FAQ

Què és la càrrega tèrmica en les armaris elèctrics?

La càrrega tèrmica fa referència a la quantitat d'energia calorífica generada dins dels armaris elèctrics, principalment deguda a la generació de calor interna provinent de components de potència com transformadors, variadors de freqüència (VFD) i equips d'interruptors, així com a influències externes com la temperatura ambient i la radiació solar.

En què es diferencien els mètodes de refredament passiu i actiu per als armaris elèctrics?

El refredament passiu confia en processos naturals i materials com dissipadors de calor i tubs de calor, mentre que el refredament actiu implica sistemes mecànics com ventiladors filtrants i unitats de climatització per a armaris per gestionar l'excés de calor.

Quin paper té la CFD en el disseny d'armaris elèctrics?

La Dinàmica de Fluids Computacional (CFD) s'utilitza per simular i optimitzar el flux d'aire dins dels armaris, identificant i mitigant possibles punts calents i canvis de pressió abans del procés de fabricació.

Per què és important equilibrar la protecció ambiental i el rendiment tèrmic?

Equilibrar aquests dos aspectes assegura que les caixes elèctriques compleixin les especificacions ambientals i evitin la sobrecàrrega tèrmica, protegint-les així contra el pols, l’aigua i la corrosió, alhora que permeten una dissipació de la calor adequada.