Какъв метод за изчисляване на топлинното разсейване се използва за подбор на размера на вентилатора за охлаждане на шкаф

Изборът на правилния вентилатор за охлаждане на шкаф започва много преди да се прегледа каталог. Размерът на вентилатора зависи от количеството топлина, която корпусът трябва да отведе, от температурното повишаване, което оборудването може да понася, и от необходимата скорост на въздушния поток, за да се отведе тази топлина. Грешка при приблизителна оценка води до прекомерно нагряване на електрониката и нейно изключване; прекалено голям вентилатор губи енергия и създава шум. Ако вентилаторът е недостатъчно мощен, проблемът остава скрит, докато лятната външна температура не повиши вътрешната температура над допустимия лимит и устройството не се изключи неочаквано.

Изчислете топлинната натовареност преди да изберете вентилатор

Избройте всички източници на топлина във ватове

Вентилаторът за охлаждане на шкафа работи само ако неговият въздушен поток съответства на действителната топлинна натовареност на корпуса. Започнете с изброяване на всички устройства в панела: честотни преобразуватели, сервоусилватели, трансформатори, захранващи блокове и модули на ПЛК. Във всяка техническа документация е посочена стойността на загубите, обикновено като процент от входната мощност. Сумирайте тези загуби, за да получите общата топлинна натовареност във ватове. Честотен преобразувател от 10 kW с загуби от 3 % допринася с 300 W; няколко малки модула добавят десетки ватове. Общата стойност определя всичко по-нататъшно.

Задайте допустимото повишаване на температурата (ΔT)

Повишението на температурата, обозначено като ΔT, представлява разликата между температурата на въздуха, влизащ в корпуса, и най-горещата вътрешна точка. Полупроводниковите устройства, като IGBT и изправители, бързо губят своя експлоатационен живот при температури над номиналната температура на прехода, затова повечето панели имат за цел ΔT от 10–15 °C. По-малко ΔT изисква по-голяма скорост на въздушния поток; по-голямо ΔT позволява използването на по-малък вентилатор за охлаждане на корпуса, но създава риск от напрежение върху компонентите. ΔT трябва да се определя въз основа на номиналната стойност на най-слабия компонент, а не от съображения за удобство. Стандартите IEC и EN за оборудване посочват максималните работни температури, а съответствието на проекта с тези граници гарантира, че корпусът остава в безопасните граници на термично съпротивление.

Приложете формулата за изчисляване на CFM и подбора на размерите

Преобразувайте ватовете в необходимата скорост на въздушния поток

Формулата за определяне на размерите свързва топлинната натовареност, въздушния поток и ΔT директно. За въздуха отстранената топлина е равна на масовия дебит, умножен по специфичната топлоемкост и температурното повишаване, изразено като Q = m·cp·ΔT. В имперските единици това се превръща в изчисление на CFM: необходимият въздушен поток в кубични фута в минута е равен на топлинната натовареност в ватове, разделена на (1,08 × ΔT в °C приблизително, като се използва имперската константа). Когато константата е изразена на градус Целзий, въздушният поток в m³/ч ≈ 3,6 × ватове / (1,2 × 1005 × ΔT). По какъвто и начин да се използва формулата, удвояването на топлинната натовареност удвоява необходимия въздушен поток при същото ΔT. Правилно подбран вентилатор за охлаждане на шкаф осигурява този въздушен поток при монтираната работна точка. Забележете, че тази формула за определяне на размерите предполага принудителна конвекция при плътност на въздуха, близка до морското равнище; за обекти на голяма надморска височина е необходима корекция за плътност, която увеличава необходимия въздушен поток.

Съгласувайте кривата на вентилатора със съпротивлението на системата

Кривата на вентилатора показва зависимостта между налягането и подавания въздушен поток за вентилатор, работещ свободно, но корпусът добавя системно съпротивление от филтри, решетки и вътрешни компоненти. Реалната работна точка се намира там, където кривата на вентилатора пресича кривата на системното съпротивление. Вентилатор с висок CFM при свободен въздушен поток може да „рухне“, когато се инсталира зад филтър, затова вентилаторът за охлаждане на шкафа трябва да се избира според работната точка при инсталиране, а не според стойността при свободен въздушен поток. Прочетете двете криви заедно, преди да вземете окончателно решение. Филтрите и решетките създават най-голямата част от системното съпротивление, затова миеше предварителен филтър, който остава чист, защитава реалната работна точка далеч по-ефективно от незначително увеличение на CFM при свободен въздушен поток.

Определяне на размерите на шкаф за VFD

Разгледайте пример за определяне на размерите на шкаф за честотен преобразовател: 22 kW преобразовател губи около 660 W, а добавянето на резистори за спиране допринася още 200 W, което прави общо приблизително 860 W. Панелът позволява повишаване на температурата с 12 °C. Използвайки формулата за определяне на размерите, необходимият въздушен поток е ≈ 3,6 × 860 / (1,2 × 1005 × 12) ≈ 0,43 m³/s или около 1540 m³/h. Единичен осев вентилатор с производителност 250 m³/h очевидно е недостатъчен; необходими са или няколко вентилатора, или филтър-вентилаторна система с по-висока производителност. Този етап предотвратява честата грешка да се избира шкаф според размера на рамката, а не според нуждите от отвеждане на топлина, и показва защо вентилаторът за охлаждане на шкафа трябва да следва уравнението на топлинния поток. Повторното изчисляване на CFM при повишаване на температурата с 15 °C намалява необходимата производителност до около 1230 m³/h, което показва как няколко градуса промяна на ΔT влияят върху целия подбор на вентилатор.

Конвекция, топлинно съпротивление и обем на корпуса

Защо обемът на корпуса и конвекцията имат значение

Конвекция пренася топлината от горещите повърхности към движещия се въздушен поток. По-голям обем на корпуса осигурява повече вътрешен въздух и по-бавно повишаване на температурата при преходни натоварвания, поради което един и същи вентилатор за охлаждане на шкаф работи по-ефективно в просторен панел, отколкото в стеснен. Топлинното съпротивление — т.е. спадът на температурата в градуси Целзий на ват между компонента и въздуха — намалява с увеличаване на скоростта на въздушния поток. Намаляването на вътрешните препятствия и поддържането на ясни пътища за въздушния поток намаляват топлинното съпротивление и позволяват дори скромен вентилатор да поддържа целевата разлика ΔT. Само естествената конвекция рядко е достатъчна за отвеждане на цялото топлинно натоварване в герметичен панел, затова принудителната скорост на въздушния поток от вентилатора става определящ фактор за постоянното повишаване на температурата.

Определете, проверете и поддържайте системата за охлаждане

Избирайте според реалната работна точка

Уточнете вентилаторите спрямо измерената работна точка при инсталиране и най-неблагоприятните амбиентни условия. Проверете дали моделът има съответните маркировки, например CE и UKCA, и дали степента на защита (IP44 или IP54) отговаря на изискванията за мястото — прашни или зони за миене изискват по-висока степен на защита. Потвърдете типа лагери и намотката на двигателя; единиците с чиста мед и топлозащитни лагери запазват производителността си по-дълго при непрекъснат режим на работа. Вентилатор за охлаждане на шкаф, избран единствено според размера на рамката, често не издържа реалната топлинна натовареност. Когато обектът е контролирана чиста стая, насоките на ISO 14644 относно въздушните твърди частици също влияят върху избора на филтър, тъй като по-плътен филтър увеличава съпротивлението на системата и променя работната точка.

Поддръжката осигурява стабилно отвеждане на топлината

Филтрите се запушват, перките се покриват с прах и лагерите остаряват – всичко това намалява въздушния поток и повишава температурното нарастване. Плановата инспекция – почистване на филтъра, проверка на оборотите в минута (RPM) и наблюдение за повишаване на температурата на компонентите – запазва проектираната топлоотделяне. Заменяйте многократно използваемите предварителни филтри според календарния график и проверявайте дали устройството все още осигурява зададения въздушен поток при монтираната работна точка. Редовното поддържане на вентилатора за охлаждане на шкафа е това, което гарантира валидността на първоначалното проектиране през годините на експлоатация. Прост запис на температурата на входа, състоянието на филтъра и тенденцията в оборотите в минута (RPM) позволява да се забележи намаляване на въздушния поток, преди то да увеличи вътрешната топлоотделяща товарност над проектната.

Често задавани въпроси

Въпрос

Кой метод за изчисляване на топлоотделянето съответства на размера на вентилатора?

Отговор: Методът сумира вътрешните загуби във ватове, задава допустимо повишаване на температурата ΔT и след това използва изчисление на CFM от уравнението Q = m·cp·ΔT, за да се получи необходимата скорост на въздушния поток. Вентилаторът за охлаждане на кабинета се избира така, че неговата характеристика (крива на вентилатора) да пресича системното съпротивление на корпуса. Проверката на работната точка при монтирано състояние, а не на номиналната стойност при свободен въздушен поток, гарантира, че избраният размер е подходящ за реалната топлинна нагрузка.

Въпрос

Защо характеристиката (кривата) на вентилатора е по-важна от CFM при свободен въздушен поток?

Отговор: Характеристиката на вентилатора показва зависимостта между налягането и въздушния поток само за самия вентилатор, докато корпусът добавя системно съпротивление от филтри и компоненти. Реалната работна точка е пресечната точка на двете криви. Високата стойност на CFM при свободен въздушен поток рязко намалява, щом се монтира филтър, затова оценката на устройството само по номиналната стойност при свободен въздушен поток е подвеждаща. Съгласуването на характеристиката с монтираното съпротивление дава истинската доставена скорост на въздушния поток.

Въпрос

Как се преобразува топлинната нагрузка в необходим скорост на въздушния поток?

Отговор: Топлинната мощност във ватове се преобразува чрез връзката Q = m·cp·ΔT, където масовият разход, умножен по специфичната топлина и температурното повишаване, е равен на отстранената топлина. При преобразуване на формулата получаваме: скорост на въздушния поток = топлинна мощност / (плътност × специфична топлина × ΔT). На практика изчислението на CFM използва фиксирана константа, така че ватовете и ΔT определят необходимия въздушен поток в кубични фута в минута. По-голяма топлинна мощност или по-малко допустимо ΔT изискват по-голям въздушен поток от избрания вентилатор.

Въпрос

Може ли обемът на корпуса да намали необходимия размер на вентилатора?

Отговор: По-големият обем на корпуса съдържа повече въздух вътре и забавя повишаването на температурата по време на кратки върхове на натоварването, което може да намали товара върху охладителното устройство. Конвекцията също се подобрява, когато пътищата за въздушен поток остават непречени, което намалява термичното съпротивление. Въпреки това обемът сам по себе си не може да замести правилното изчисление на CFM; постоянната топлинна мощност във ватове определя минималния въздушен поток. Първо изберете вентилатора въз основа на топлинното уравнение, а след това използвайте обема като резерв.

Въпрос

Кои сертификати се прилагат за промишлени вентилатори за корпуси?

Отговор: Свързани препратки включват CE и UKCA за европейския и британския пазар, както и стандартите на IEC и EN за ротационни електрически машини. За чисти стаи или контролирани среди ISO 14644 регулира частиците и термичните условия. Където има опасни зони, прилагат се ATEX и NFPA 70. Указването на вентилатори, които носят правилните маркировки за целевия пазар, подпомага съответствието и по-безопасната, по-дълготрайна експлоатация.