Ako zabezpečiť odvod tepla z elektrických rozvádzačov?

Pochopenie tepelných zaťažení v elektrických rozvádzačoch

Stanovenie vnútorného generovania tepla zo silových komponentov

Elektrické rozvádzače, ktoré inštalujeme, sa zvnútra často dosť zohrejú kvôli všetkým tým pracujúcim výkonovým komponentom. Transformátory, frekvenčné meniče (VFD) a spínacie zariadenia napríklad pri prevádzke stratia približne 3 až 8 percent vstupnej energie vo forme strateného tepla. Predstavte si štandardný transformátor 500 kVA – môže uvoľňovať tepelnú energiu okolo 15 kilowattov. Podľa noriem IEC 60076-2023, ak zariadenie pracuje dokonca o 10 stupňov Celzia vyššie, než je jeho návrhová teplota, jeho životnosť sa v podstate skráti na polovicu. To znamená, že presné výpočty tepelného zaťaženia sú absolútne kritické pre správny návrh systému. Pri určovaní množstva tepla, ktoré sa bude hromadiť vo vnútri týchto skriňí, technici zvyčajne analyzujú údaje o príkone komponentov, berú do úvahy, ako často jednotlivé časti pracujú, a navyše konzultujú tabuľky účinnosti poskytované výrobcami.

Posudzovanie vonkajších tepelných vplyvov: okolité podmienky a zisky od slnečného žiarenia

Množstvo vonkajších podmienok spôsobuje, že tepelné zaťaženie je ešte horšie, ako už tak je. Slnko môže ohraničené priestory zasiať približne 150 wattami tepla na štvorcový meter a keď teplota vzduchu stúpne nad 40 stupňov Celzia, prirodzené procesy chladenia výrazne prestaňujú byť účinné – ich efektívnosť klesá približne o 30 percent. Zmeny počasia v rámci ročných období znamenajú, že inžinieri musia uvažovať dynamicky, namiesto toho, aby sa držali starých statických modelov. To najviac platí pre továrne v suchých oblastiach, kde stroje skutočne potrebujú o 25 % viac chladiacej kapacity v porovnaní s miestami s miernejším podnebím. Umiestnenie zariadení na vhodné miesta pomáha znížiť priamy slnečný žiar, využíva miestne veterné smery a umožňuje teplu uniknúť bez nutnosti použitia komplikovaných systémov.

Výber účinných metód odvodu tepla pre elektrické rozvádzače

Pasívne riešenia: chladiče, tepelné interfacové materiály a heat-pipe rúrky

Pasívne chladenie využíva vlastné prírodné procesy ohrevu a chladenia, čo znamená, že nie je potrebný žiadny vonkajší zdroj energie. Keď hovoríme o hliníkových alebo meďových chladičoch, v podstate vytvárajú viac priestoru na únik tepla prostredníctvom konvekcie aj žiarenia. Kvalitné návrhy dokážu znížiť teplotu zariadení približne o 15 až dokonca 20 stupňov Celzia. Materiály pre tepelné rozhranie, takzvané TIM, ktoré sú v priemysle bežne známe, vyplnia tie malé vzduchové medzery medzi súčiastkami a ich chladiacimi povrchmi. Tým sa výrazne zlepší prenos tepla, niekedy až päťnásobne lepšie ako pri samotnom vzduchu. Tepelné rúrky sú tiež veľmi úžasné. Fungujú na princípe, pri ktorom sa kvapalina mení na paru a späť, čím veľmi efektívne odvádzajú teplo. Tieto rúrky dokážu preniesť približne o 90 percent viac tepla v porovnaní s rovnakým množstvom pevnej medi. Výrobcovia elektrických zariadení považujú tieto metódy pasívneho chladenia za veľmi výhodné, pretože vydržia viac ako desať rokov bez väčšej údržby a navyše nevyžadujú žiadne náklady na elektrinu.

Možnosti aktívneho chladenia: Filterové ventilátory, výmenníky tepla vzduch-vzduch a klimatizačné jednotky na skrine

Aktívne chladiace systémy sa zapínajú, keď vonkajšie faktory prekročia hranice považované za bezpečné, alebo keď vnútorná tvorba tepla prevýši možnosti pasívnych metód. Ventilátory s ochranou NEMA 4 zabraňujú vnikaniu prachu a pritom prečerpávajú približne 300 kubických stôp vzduchu za minútu, čo je vhodné pre situácie so strednou tepelnou záťažou. Výmenníky tepla vzduch–vzduch vytvárajú bariéru medzi vnútorným a vonkajším vzduchom, ktorá spĺňa štandard IP54, a tieto zariadenia dokážu odstrániť približne 2 až 3 kilowatty nadbytočného tepla vedením. Pre náročné prostredia, ako sú vonkajšie elektrárne alebo budovy v púštnych oblastiach, sú potrebné špecializované klimatizačné jednotky pre rozvádzače, ktoré udržujú stabilnú teplotu 25 stupňov Celzia, napriek tepelným zaťaženiam vyšším ako 5 kilowattov. Riešenia s núteným vetraním určite dokážu znížiť teplotu horúcich miest o približne 35 stupňov Celzia, avšak súvisí to s vyššími nákladmi, keďže vo všeobecnosti spotrebujú približne o 15 percent viac energie v porovnaní s riadne optimalizovanými pasívnymi riešeniami.

Navrhovanie optimálneho prietoku vzduchu a usporiadania komponentov v elektrických rozvodniach

Strategické umiestnenie pre predchádzanie horkým miestam a umožnenie prírodných konvekčných ciest

Ako sú komponenty usporiadané, má veľký vplyv na rozhodnutia týkajúce sa tepelnej konštrukcie. Pri umiestňovaní zariadení s vysokým vývinom tepla, ako sú napríklad frekvenčné meniče (VFD), je rozumné ich umiestniť blízko miest s dobrým prietokom vzduchu, no tieto horúce miesta je potrebné držať odďaleké od citlivých prístrojov. Prečo? Pretože elektromagnetické rušenie môže spôsobiť problémy a štúdie ukazujú, že prispieva viac ako tretinou všetkých tepelne súvisiacich porúch. Okolo každého teplom vyvíjajúceho objektu nechajte voľný priestor aspoň 20 %, aby sa vzduch mohol samovoľne pohybovať smerom nahor. Predstavte si to ako efekt komína, pri ktorom studený vzduch sám vystupuje nahor bez potreby ventilátorov alebo čerpadiel. Tento jednoduchý trik môže znížiť vnútornú teplotu až o približne 15 stupňov Celzia. Dôležitá je aj správna voľba vzdialeností, keďže blokovaný prietok vzduchu vytvára horúce miesta, ktoré nikto nechce, ak sa snaží udržať bezproblémový chod celého systému.

CFD-Informed Vetranie Skrine a Riadenie Prekážok

Použitie simulačných metód výpočtovej dynamiky kvapalín (CFD) môže odhaliť vážne tepelné problémy už dlho predtým, než dôjde k akejkoľvek skutočnej výrobe. Keď inžinieri modelujú, ako sa vzduch pohybuje cez zariadenie, sledujú zmeny tlaku na povrchoch a identifikujú miesta, kde sa komponenty môžu prehrievať, objavia sa rôzne problémy, ktoré by bežne nikto nevidel. Napríklad zlé umiestnenie ventilácie spôsobuje turbulencie namiesto hladkého prúdenia vzduchu, zatiaľ čo určité miesta sa stávajú horúcimi bodmi, pretože k nim vôbec neprúdi vzduch. Výskum niekoľkých inžinierskych firiem ukazuje, že keď dizajnéri optimalizujú skrine pomocou CFD techník, ich produkty rozptyľujú teplo približne o 40 percent účinnejšie v porovnaní so štandardnými návrhmi. Niekoľko praktických tipov, ako maximalizovať výhody CFD analýzy, zahŕňa naklonenie otvorov vetracieho otvorenia presne pod správnym uhlom, aby sa podporili hladké vzory prúdenia vzduchu, umiestnenie elektrického vedenia mimo hlavných kanálov vetrania a zabezpečenie, že výfukové otvory sú výrazne väčšie ako sacie otvory – zvyčajne o 20 až 30 percent väčšie, čo najlepšie funguje pri tvorbe prírodných konvekčných prúdov. Vykonanie tohto typu simulácie v ranom štádiu návrhu ušetrí peniaze neskôr tým, že zabráni drahým prepracovaniam, a tiež pomáha zabezpečiť, že všetko zostane v bezpečných teplotných rozsahoch, pričom súčasne dodržiava všetky štrukturálne a environmentálne bezpečnostné požiadavky, ktoré musia výrobcovia dodržiavať.

Vyváženie ochrany životného prostredia a tepelného výkonu v elektrických skrinkách

Pre inžinierov pracujúcich na priemyselnom zariadení existuje vždy určitá rovnováha, pokiaľ ide o skrinky. Musia spĺňať prísne environmentálne špecifikácie, ako sú hodnotenia IP66 alebo NEMA 4X, ale zároveň musia umožniť odvod tepla, aby nedošlo k prehriatiu. Dôkladná ochrana pred prachom, vodou a korozívnymi látkami je nevyhnutná pre dôležité systémy, to nie je otázne. Avšak ak prehnáme tesnenie, teplo sa uviazne vo vnútri a tým sa zrýchli porucha komponentov. Vezmime si napríklad tesniace podložky. Tieto fungujú výborne pri vylučovaní nežiaducich látok, no potom potrebujeme niečo iné na odvod nahromadeného tepla. Zvyčajne to znamená pridať do stien skrine vodivé materiály alebo niekde v konštrukcii umiestniť chladič. Inak sa všetky tieto ochranné opatrenia stanú súčasťou problému namiesto riešenia.

Ventilačné riešenia pomáhajú preklenúť medzeru medzi požiadavkami na prúdenie vzduchu a ochranou pred náročnými podmienkami. Mriežkové ventily vybavené filtermi pevných častíc dobre spolupracujú s ventilátormi s hodnotením NEMA, čo zabezpečuje cirkuláciu vzduchu a zároveň chráni zariadenie pred prachom, koróziou a vodným prístupom počas čistenia. Pre tepelnú reguláciu existuje niekoľko prístupov, ktoré stojí za zváženie. Materiály tepelného rozhrania zlepšujú prenos tepla z horúcich komponentov na steny skrine. Izoľujúce materiály je možné tiež strategicky umiestniť, aby sa zabezpečila ochrana pred kolísaním teploty mimo skrine. Tieto metódy sú obzvlášť dôležité v určitých lokalitách. Pobrežné oblasti s vysokou vlhkosťou veľmi profitujú z ohrievačov proti kondenzácii, ktoré zabraňujú poškodeniu spôsobenému vlhkosťou. Podobne zariadenia vystavené priamemu slnečnému žiareniu potrebujú buď reflexné povrchy, alebo tieňové konštrukcie, aby sa znížilo hromadenie tepla. Pri pohľade na stupne krytia IP a NEMA je zrejmé, že ochrana pred vonkajším prostredím a riadenie tepla nie sú samostatné otázky. V skutočnosti závisia od seba, aby zabezpečili spoľahlivý prevádzku v čase v systémoch distribúcie elektrickej energie.

Často kladené otázky

Čo je tepelné zaťaženie v elektrických rozvádzačoch?

Tepelné zaťaženie označuje množstvo tepelnej energie vyprodukovanej vo vnútri elektrických rozvádzačov, najmä v dôsledku vnútorného generovania tepla výkonovými komponentmi, ako sú transformátory, frekvenčné meniče a spínacie zariadenia, a vonkajšími vplyvmi, ako je okolitá teplota a slnečný žiarivý tok.

V čom sa líšia pasívne a aktívne metódy chladenia pre elektrické rozvádzače?

Pasívne chladenie sa opiera o prírodné procesy a materiály, ako sú chladiče a heat-pipe rúrky, zatiaľ čo aktívne chladenie zahŕňa mechanické systémy, ako sú filtrované ventilátory a klimatizačné jednotky pre rozvádzače, na odvod nadbytočného tepla.

Akú úlohu hraje CFD pri návrhu elektrických rozvádzačov?

Výpočtová dynamika tekutín (CFD) sa používa na simuláciu a optimalizáciu prúdenia vzduchu vo vnútri rozvádzačov, pričom identifikuje a eliminuje potenciálne horúce body a zmeny tlaku ešte pred výrobným procesom.

Prečo je dôležité vyvážiť ochranu životného prostredia a tepelný výkon?

Vyváženie týchto dvoch aspektov zabezpečuje, že elektrické kryty spĺňajú environmentálne špecifikácie a zároveň zabráňujú prehrievaniu, čím chránia pred prachom, vodou a koróziou a zároveň umožňujú dostatočné odvádzanie tepla.