Jak zajistit odvod tepla z elektrických skříní?

Porozumění tepelným zatížením v elektrických skříních

Stanovení vnitřního výkonu vyvíjejícího se z výkonových komponent

Elektrické rozvaděče, které instalujeme, bývají uvnitř značně horké kvůli všem těm pracujícím výkonovým komponentům. Například transformátory, měniče frekvence (VFD) a spínací přístroje obvykle ztrácejí kolem 3 až 8 procent vstupní energie ve formě ztrátového tepla během provozu. Uvažujte například běžný transformátor 500 kVA – ten může vyzařovat tepelnou energii odpovídající zhruba 15 kilowattům. Podle norem IEC 60076-2023 se při provozu zařízení o jen 10 stupňů Celsia nad návrhovou teplotou zhruba napůl sníží jeho životnost. To činí správné výpočty tepelného zatížení naprosto klíčovými pro vhodný návrh systému. Při určování množství tepla, které se bude uvnitř těchto skříní hromadit, technici obecně analyzují údaje o příkonu jednotlivých komponent, berou v úvahu jejich provozní dobu a také konzultují údaje o účinnosti poskytované výrobci.

Posuzování vnějších tepelných vlivů: okolní podmínky a teplo ze slunečního záření

Celá řada vnějších podmínek zhoršuje tepelné namáhání ještě více, než jaké už je. Slunce může ozařovat skříně přibližně 150 watty na metr čtvereční dodatečného tepla a když teplota vzduchu stoupne nad 40 stupňů Celsia, výrazně poklesne účinnost přirozeného chlazení o zhruba 30 procent. Sezónní změny znamenají, že inženýři musí uvažovat dynamicky, nikoli se spoléhat na staré statické modely. To je obzvláště důležité ve továrnách v suchých oblastech, kde stroje skutečně potřebují o 25 % vyšší chladicí výkon ve srovnání s mírnějšími klimatickými podmínkami. Umístění zařízení do vhodných pozic pomáhá omezit přímé sluneční světlo a lépe využít místní směry větru, takže teplo uniká, aniž by byly zapotřebí složité systémy.

Výběr účinných metod odvodu tepla pro elektrické skříně

Pasivní řešení: chladiče, tepelné interfacové materiály a heat-pipe trubice

Pasivní chlazení využívá přirozených procesů ohřevu a ochlazování, což znamená, že nepotřebuje žádný externí zdroj energie. Když mluvíme o hliníkových nebo měděných chladičích, ti v podstatě vytvářejí větší plochu pro únik tepla prostřednictvím konvekce i sálání. Dobré návrhy dokážou snížit teplotu zařízení o přibližně 15 až dokonce 20 stupňů Celsia. Materiály pro tepelné rozhraní, tzv. TIM (z anglického Thermal Interface Materials), vyplňují malé vzduchové mezery mezi součástkami a jejich chladicími plochami. Tím se výrazně zlepší přenos tepla, někdy až pětinásobně ve srovnání s přenosem pouze vzduchem. Tepelné trubice jsou také velmi úžasné. Fungují na principu, kdy kapalina přechází do plynného skupenství a zpět, čímž efektivně odvádějí teplo. Tyto trubice dokáží přenést přibližně o 90 procent více tepla ve srovnání se stejným množstvím pevné mědi. Výrobci elektrických zařízení tyto metody pasivního chlazení velmi uvítají, protože obvykle vydrží více než deset let bez potřeby údržby a navíc s nimi není spojen žádný průběžný náklad na elektřinu.

Možnosti aktivního chlazení: Filtrovací ventilátory, výměníky tepla vzduch-vzduch a klimatizační jednotky pro skříně

Aktivní chladicí systémy se aktivují, když prostřední faktory překročí bezpečné limity nebo když vnitřní tvorba tepla převyšuje možnosti pasivních metod. Ventilátory s ochranou NEMA 4 brání vnikání prachu a zároveň dodávají asi 300 kubických stop vzduchu za minutu chlazeného vzduchu, což je vhodné pro situace se středním tepelným zatížením. Výměníky tepla vzduch-vzduch vytvářejí bariéru mezi vnitřním a vnějším vzduchem, která splňuje standard IP54, a tyto zařízení dokáží odvést přibližně 2 až 3 kilowatty nadbytečného tepla vedením. Pro extrémně náročné podmínky, jako jsou elektrárny venku nebo budovy v pouštních oblastech, jsou potřeba speciální klimatizační jednotky pro skříně, které udržují stálou teplotu 25 stupňů Celsia, i když čelí tepelnému zatížení vyššímu než 5 kilowattů. Řešení se silovým větráním určitě snižují teplotu horkých míst až o 35 stupňů Celsia, ale to má svou cenu, protože obecně spotřebují zhruba o 15 procent více energie ve srovnání s dobře optimalizovanými pasivními variantami.

Návrh optimálního průtoku vzduchu a uspořádání komponent v elektrických rozvaděčích

Strategické umístění za účelem vyhnutí se horkým místům a umožnění cest přirozené konvekce

Způsob uspořádání komponent hraje velkou roli při rozhodování o tepelném návrhu. Při umisťování zařízení s vysokým výkonem tepla, jako jsou měniče frekvence (VFD), dává smysl je umístit blízko míst s dobrým průtokem vzduchu, ale tato horká místa je třeba udržet daleko od citlivých přístrojů. Proč? Elektromagnetické rušení může způsobovat problémy a studie ukazují, že přispívá ke více než jedné třetině všech tepelně podmíněných poruch. Okolo každé součástky vyvíjející teplo je třeba ponechat alespoň 20 % volného prostoru, aby se vzduch mohl přirozeně proudit vzhůru. Představte si to jako efekt komínu, kdy studený vzduch sám vystupuje nahoru bez nutnosti použití ventilátorů nebo čerpadel. Tento jednoduchý trik může snížit vnitřní teplotu až o přibližně 15 stupňů Celsia. Správné nastavení vzdáleností je také důležité, protože blokovaný průtok vzduchu vytváří horká místa, která nikdo nechce, pokud se snaží udržet hladký chod celého systému.

Ventilace a řízení překážek skříně podle CFD

Použití simulací výpočetní dynamiky tekutin (CFD) může odhalit vážné tepelné problémy již dlouho před tím, než dojde k jakékoli skutečné výrobě. Když inženýři modelují proudění vzduchu zařízením, sledují změny tlaku na površích a identifikují místa, kde se komponenty mohou přehřívat, objeví celou řadu problémů, které by jinak nikdo normálně nezaznamenal. Například špatné umístění ventilací způsobuje turbulenci namísto hladkého proudění vzduchu, zatímco určité oblasti se stávají horkými místy, protože k nim vůbec žádný vzduch nedosahuje. Výzkum několika inženýrských firem ukazuje, že když navrhovatelé optimalizují skříně pomocí CFD metod, jejich produkty odvádějí teplo přibližně o 40 procent účinněji ve srovnání se standardními návrhy. Mezi praktické tipy, jak z CFD analýzy získat maximum, patří například natočení otvorů ventilace pod vhodným úhlem, aby se podpořily hladké vzduchové toky, umisťování elektrického vedení mimo hlavní ventilační kanály a zajištění, že výfukové otvory jsou výrazně větší než sací otvory – obvykle nejlepší funguje rozdíl mezi 20 až 30 procenty, což nejlépe podporuje přirozené konvekční proudy. Provedení tohoto druhu simulace v rané fázi návrhového procesu ušetří peníze v budoucnu tím, že zabrání nákladným přepracováním později, a zároveň pomáhá zajistit, že všechno zůstane v bezpečných teplotních rozmezích a současně splňuje všechny strukturální a environmentální bezpečnostní požadavky, které musí výrobci dodržovat.

Vyvážení ochrany životního prostředí a tepelného výkonu u elektroinstalačních skříní

Pro inženýry pracující na průmyslovém zařízení existuje při práci se skříněmi stále určitá rovnováha. Tyto skříně musí splňovat přísné požadavky na ochranu prostředí, jako jsou například krytí IP66 nebo certifikace NEMA 4X, ale zároveň musí umožnit odvedení dostatečného množství tepla, aby nedocházelo k přehřívání. Vysoká ochrana před prachem, vodou a agresivními látkami je pro důležité systémy naprosto nezbytná, to není pochyb o. Avšak pokud příliš utáhneme těsnění, teplo se uvnitř hromadí a ve skutečnosti urychluje poruchy komponent. Vezměme si jako příklad těsnicí podložky s tlakovým účinkem. Tyto podložky výborně zabraňují pronikání nečistot, ale poté potřebujeme něco dalšího, co zvládne akumulaci tepla. Obvykle to znamená přidání vodivých materiálů do stěn skříně nebo začlenění nějakého druhu chladiče do konstrukce. Jinak se všechna ta opatření k ochraně stanou součástí problému místo jeho řešení.

Ventilační řešení pomáhají eliminovat rozdíl mezi potřebou proudění vzduchu a ochranou proti náročným podmínkám. Mřížkové ventily vybavené filtrami pro částice dobře fungují spolu s ventilátory s certifikací NEMA, čímž umožňují cirkulaci vzduchu a zároveň chrání zařízení před prachem, koroze a vodou během čisticích operací. Pro tepelnou regulaci existuje několik přístupů, které stojí za zvážení. Tepelné rozhranové materiály zlepšují přenos tepla z horkých komponent na stěny skříní. Izolace lze rovněž strategicky umístit, aby chránila před teplotními výkyvy mimo skříň. Tyto metody jsou obzvláště důležité v určitých lokalitách. Pobřežní oblasti s vysokou vlhkostí velmi profitovaly z topných článků proti kondenzaci, které zabraňují poškození způsobenému vlhkostí. Podobně zařízení vystavené přímému slunečnímu záření potřebuje buď reflexní povlaky, nebo stínící konstrukce, aby snížilo hromadění tepla. Pokud se podíváme na stupně krytí IP a NEMA, je zřejmé, že ochrana prostředí a tepelné řízení nejsou oddělené otázky. Ve skutečnosti závisí jedna na druhé, aby zajistily spolehlivý provoz v čase u systémů rozvodu energie.

Často kladené otázky

Co je tepelné zatížení v elektrických skříních?

Tepelné zatížení označuje množství tepelné energie vznikající uvnitř elektrických skříní, hlavně v důsledku vnitřního vytváření tepla výkonovými komponenty, jako jsou transformátory, frekvenční měniče a spínací přístroje, a vnějšími vlivy, jako je okolní teplota a sluneční zisky.

Jak se liší pasivní a aktivní metody chlazení pro elektrické skříně?

Pasivní chlazení využívá přirozené procesy a materiály, jako jsou chladiče a tepelné trubice, zatímco aktivní chlazení zahrnuje mechanické systémy, jako jsou filtrující ventilátory a klimatizační jednotky pro skříně, které řídí nadbytečné teplo.

Jakou roli hraje CFD při návrhu elektrických skříní?

Výpočetní dynamika tekutin (CFD) se používá k simulaci a optimalizaci proudění vzduchu uvnitř skříní, přičemž identifikuje a eliminuje potenciální horká místa a změny tlaku ještě před výrobním procesem.

Proč je důležité vyvažovat ochranu životního prostředí a tepelný výkon?

Vyvážení těchto dvou aspektů zajišťuje, že elektrické skříně splňují požadavky na prostředí a zároveň se předchází přehřívání, čímž jsou chráněny proti prachu, vodě a korozi a umožňuje se dostatečný odvod tepla.