SCHRACK: Aktivní řízení teploty elektrických rozváděčů

Document Actions

Mezi aktivní metody řízení vnitřní teploty rozváděče řadíme všechny metody, využívající vnější energii pro dosažení požadované vnitřní teploty rozváděče. Metody jsou založeny na nucené výměně tepla mezi ...

Pavel Mindl, ze dne: 21.02.2008

ÚVOD
Odvod tepla z elektrických rozváděčů je klasickou úlohou, kterou řeší každý projektant těchto zařízení. Běžné rozváděče jak pro průmyslové objekty, tak pro administrativní nebo bytové budovy jsou navrhovány na přirozené chlazení přestupem tepla stěnou skříně rozváděče do okolního prostředí. Chlazení těchto rozváděčů je založeno na dostatečně velkém teplotním spádu mezi vnitřním prostředím rozváděče a okolím a dostatečně velkou teplosměnnou plochou skříně rozváděče. Dále se předpokládá relativně stabilní teplota okolního prostředí s nízkou relativní vlhkostí. Pokud výše uvedené podmínky nejsou splněny, může dojít v důsledku výkonových ztrát elektrického vybavení rozváděče k jeho nadměrnému ohřevu a selhání funkce některých přístrojů. K selhání vnitřního vybavení rozváděče však může dojít i vlivem příliš nízkých teplot a působením vlhkosti, zejména v případě použití elektronických přístrojů. Z těchto důvodů je nutné vnitřní teplotu rozváděče udržovat v poměrně úzkém rozmezí, které je v některých případech pasivními metodami těžko dosažitelné.

AKTIVNÍ METODY ŘÍZENÍ VNITŘNÍ TEPLOTY ROZVÁDĚČE
Mezi aktivní metody řízení vnitřní teploty rozváděče řadíme všechny metody, využívající vnější energii pro dosažení požadované vnitřní teploty rozváděče. Metody jsou založeny na nucené výměně tepla mezi rozváděčem a okolním prostředím a to buď prostou nucenou výměnou vzduchu mezi vnitřním a vnějším prostředím rozváděče (ventilace), výměnou tepla pomocí výměníku (výměníky vzduch/vzduch, vzduch/voda) nebo chladicí jednotkou vzduch/chladicí médium/vzduch s kompresorem.
Volba chladicích systémů je ovlivněna požadovaným chladicím výkonem, rozdílem mezi požadovanou vnitřní teplotou rozváděče a teplotou okolního prostředí a jejím kolísáním. V případě extrémních rozdílů vnějších teplot je v některých případech nutné použití přídavného topení.

NUCENÉ VĚTRÁNÍ
Je použitelné v případech, kdy je zajištěn alespoň minimální teplotní rozdíl mezi nejvyšší požadovanou vnitřní teplotou rozváděče a maximální předpokládanou teplotou vnějšího prostředí.
K nucenému větrání se používají elektrické ventilátory, které zajišťují dostatečně velkou výměnu vzduchu mezi vnitřním prostorem rozváděče a chladnějším okolním prostředím. Prouděním chladicího vzduchu uvnitř rozváděče se dosahuje zvýšeného odvodu tepla z jednotlivých součástí jeho výbavy a rovnoměrného rozložení teploty v jeho celém objemu. Místa s vyšší lokální teplotou jsou vlivem nucené cirkulace vzduchu lépe chlazena a tím se snižují rizika bodového přehřívání.
Vodítkem pro stanovení čerpacího výkonu ventilátoru (Q – [m³/h]) pro nucenou cirkulaci chladicího vzduchu je graf na obr.2.1.

Výchozími parametry návrhu jsou:

Ztrátový výkon výbavy rozváděče (Pd)
Rozdíl Td_max - Te_max maximální požadované teploty uvnitř rozváděče (Td_max) a maximální předpokládané teploty vnějšího prostředí (Te_max)
Aktivní ochlazovací povrch rozváděče.

S ohledem na požadavek maximální životnosti přístrojového vybavení jsou doporučovány následující parametry vnitřního prostředí rozváděče:

Teplotní rozmezí: +10 až +40°C
Relativní vlhkost: 30 až 90%
Povrchová teplota vnitřní výbavy rozváděče by neměla klesnout pod teplotu rosného bodu.
Nutno podotknout, že uvedený způsob chlazení je použitelný do nejmenšího rozdílu mezi Td max a Te max rovnému 5 °C. Při menších rozdílech či dokonce v podmínkách, kdy teplota vnějšího prostředí je vyšší než požadovaná maximální teplota uvnitř rozváděče, není ventilační metoda použitelná. Určitou nevýhodou nuceného větrání je propojení vnitřního a vnějšího prostoru rozváděče.
Proti pronikání prachu z vnějšího prostředí je nutné použít prachových filtrů na sacím otvoru chladicího vzduchu.

Klik pro větší náhled.
Obr.2.1 Graf pro určení výkonu ventilátoru.
V grafu je naznačen postup pro stanovení čerpacího výkonu ventilátoru rozváděče se ztrátovým výkonem výbavy Pd = 800W při teplotním rozdílu ∆T=5°C a aktivním povrchu skříně 4m².

TEPELNÉ VÝMĚNÍKY VZDUCH/VZDUCH
Tepelné výměníky vzduch/vzduch pracují na principu tepelné výměny v mezní vrstvě stěny výměníku. Výměníkem je kazeta s velkou teplosměnnou plochou (viz obr.2.2), na níž dochází k výměně tepla mezi teplým vzduchem cirkulujícím uvnitř rozváděče a studeným vzduchem z vnějšího prostředí. Umístění kompletního výměníku na boku skříně rozváděče je znázorněno na obr.2.3. I přes relativně malý ochlazovací výkon jsou tepelné výměníky vzduch/vzduch v řadě případů dobře použitelné. Jejich nespornou výhodou je vysoká spolehlivost a nenáročnost na údržbu (čištění teplosměnných ploch výměníku). Tepelné výměníky vzduch – vzduch jsou dokonalejší náhradou ventilace s dokonalým oddělením vnitřního a vnějšího prostoru skříně rozváděče.

Obr.2.2 Teplosměnná kazeta výměníku vzduch/vzduch

Klik pro větší náhled.
Obr.2.3 Schématické znázornění chladicí jednotky s výměníkem vzduch/vzduch. Vnitřní cirkulační okruh je zcela oddělen od vnějšího prostředí. Vnitřní nucená ventilace zajišťuje rovnoměrné rozložení teploty uvnitř rozváděče a omezuje lokální přehřívání.

TEPELNÉ VÝMĚNÍKY VZDUCH/VODA
Tepelné výměníky vzduch/voda poskytují v porovnání s výměníky vzduch/vzduch větší chladicí výkon při srovnatelných teplosměnných plochách. Vyžadují však poměrně náročné vodní hospodářství, ošetřené proti případnému zamrznutí v zimních měsících.
Jsou však jedním z vysoce účinných chladicích systémů i pro nejtěžší provozní podmínky (hutní provozy). Chladicí výkon je závislý na množství protékající vody a její teplotě. Systém chlazení umožňuje dosažení vysokého stupně krytí rozváděče, dokonalé oddělení jeho vnitřního a vnějšího prostoru a relativně malou údržbu. Rozváděč se stropním výměníkem vzduch/voda je znázorněn na obr.2.4.

Klik pro větší náhled.
Obr.2.4 Schématické znázornění chladicí jednotky s výměníkem vzduch/voda, umístěné na stropní části rozváděče. Vnitřní cirkulační okruh je zcela oddělen od vnějšího prostředí, pohyb vzduchu uvnitř rozváděče snižuje rizika lokálního přehřívání.
Množství a teplota cirkulující vody ovlivňují chladicí výkon jednotky.

CHLAZENÍ ROZVÁDĚČŮ PŘI EXTRÉMNÍCH TEPLOTÁCH OKOLNÍHO PROSTŘEDÍ

CHLADICÍ JEDNOTKY
Při teplotách okolního prostředí vyšších, než jsou požadované teploty uvnitř rozváděče, je nutno použít chladicí jednotky.
Současné typy chladicích jednotek jsou schopné dodat chladicí výkon až do 3kW, který zajistí nejenom odvod tepla, vznikajícího v důsledku výkonových ztrát výbavy rozváděče, ale odvést i teplo, pronikající povrchem rozváděče z vnějšího prostředí do jeho vnitřku. Jsou použitelné do maximální teploty okolního prostředí 55°C. Dosažitelná minimální vnitřní teplota rozváděče je 20°C. Při použití chladicích jednotek musí být uvažováno riziko kondenzace vodních par na příliš studených plochách uvnitř rozváděče.
Potřebný výkon chladicí jednotky Psis /W/ lze určit ze vztahu

Psis = Pd – K S (Td_max - Te_max)

Kde je:
Pd ztrátový výkon výbavy rozváděče /W/
K koeficient přestupu tepla stěnou rozváděče /W m² °C-1/
S Účinný chladicí povrch rozváděče /m²/
Td_max Maximální přípustná teplota uvnitř rozváděče /°C/
Te_max Maximální teplota okolního vzduchu /°C/

Chladicí jednotka s kompresorem a přídavným zařízením, osazená na boční stěně rozváděče je znázorněna na obr.3.1. Naznačené uspořádání zajišťuje dobré oddělení vnitřního prostoru rozváděče od okolního prostředí z hlediska možnosti pronikání prachu.

Klik pro větší náhled.
Obr.3.1 Schématické znázornění chladicí jednotky s kompresorem.
Vnitřní cirkulační okruh s výparníkem je oddělen od vnějšího prostředí kompresoru a chladiče.
Vnitřní i vnější nucená ventilace je zajištěna dvojitým větrákem.

URČENÍ POTŘEBNÉHO VÝKONU A TYPU CHLADICÍ JEDNOTKY
Při stanovení chladicího výkonu chladicí jednotky rozváděče je nutné vyjít z následujících údajů:

Určení účinné chladicí plochy skříně rozváděče
Ztrátového výkonu výstroje rozváděče
Parametrů okolního prostředí
Přípustného rozsahu vnitřních provozních teplot
Výsledné teploty uvnitř rozváděče dosažené při pasivním chlazení
Porovnání přípustných provozních teplot a teplot dosažených pasivním chlazením, stanovení chladicího resp. topného výkonu
Výběr chladicího zařízení

URČENÍ ÚČINNÉ CHLADICÍ PLOCHY SKŘÍNĚ ROZVÁDEČE
Určení účinného chladicího povrchu Ae skříně rozváděče vychází z publikace číslo 890 Mezinárodní elektrotechnické komise IEC.
Vhodným nástrojem je tabulka 4.1, se základními vztahy pro výpočet účinného chladicího povrchu rozváděče s ohledem na způsob jeho zástavby.

Klik pro větší náhled.
Tabulka 4.1 Účinný chladicí povrch krytu pro různé způsoby zástavby rozváděče

ZTRÁTOVÝ VÝKON VÝSTROJE ROZVÁDĚČE
Je dán součtem jmenovitých ztrátových výkonů jednotlivých součástí výstroje rozváděče.

PARAMETRY OKOLNÍHO PROSTŘEDÍ
Obsahují údaje o maximální a minimální teplotě a vlhkosti vzduchu a rosném bodu.

Typické hodnoty
Te_max	Maximální teplota okolního vzduchu /°C/	35°C
Te_min	Minimální teplota okolního vzduchu /°C/	15°C
Hr	Střední relativní vlhkost /%/	70%
Tr	Teplota rosného bodu /°C/	29°C

Pro určení teploty rosného bodu lze použít údaje z tabulky 4.2.

Tabulka 4.2 Teploty rosného bodu pro zadanou relativní vlhkost a teplotu vzduchu

Teplota vzduchu /°C/
Relativní vlhkost prostředí (%)		20	25	30	35	40	45	50	55
	40	6	11	15	19	24	28	33	37
	50	9	14	19	23	28	32	37	41
	60	12	17	21	26	31	36	40	45
	70	14	19	24	29	34	38	43	48
	80	16	21	26	31	36	41	46	51
	90	18	23	28	33	38	43	48	53
	100	20	25	30	35	40	45	50	55

PŘÍPUSTNÝ ROZSAH VNITŘNÍCH PROVOZNÍCH TEPLOT
Je ovlivněn vlastnostmi výstroje rozváděče. Rozsah provozních teplot musí být volen s ohledem na
nejchoulostivější součásti výstroje.

Typické hondnoty
Td_max	Maximální přípustná teplota vnitřního prostředí rozváděče /°C/	40°C
Td_min	Minimální přípustná teplota vnitřního prostředí rozváděče /°C/	15°C

VÝSLEDNÉ TEPLOTY UVNITŘ ROZVÁDĚČE PŘI PASIVNÍM CHLAZENÍ
Maximální a minimální teplotu uvnitř rozváděče lze stanovit na základě výpočtu. Pro maximální vnitřní teplotu Ti_max platí vztah:

Kde K je koeficientu přestupu tepla, jehož orientační hodnota je uvedena v tabulce 4.3.

Tabulka 4.3 Koeficienty přestupu tepla pro různé materiály skříní rozváděče

K /W m^{-2 °}C^-1/	Materiál skříně rozváděče
5,5	Ocelová skříň natřená
3,5	Polyesterová skříň
3,7	Nerezová skříň
12	Hliník

POROVNÁNÍ POŽADOVANÝCH PROVOZNÍCH TEPLOT A TEPLOT DOSAŽENÝCH PASIVNÍM CHLAZENÍM, STANOVENÍ CHLADICÍHO RESP. TOPNÉHO VÝKONU

Td_min < Ti_min	Td_min > Ti_min	Td_max < Ti_max	Td_max > Ti_max
Není zapotřebí žádná regulace teploty. Požadovaná minimální teplota vnitřního prostředí rozváděče je nižší než pasivním způsobem dosažená minimální vnitřní teplota rozváděče. Potřeba aktivního řízení teploty. Hrozí podchlazení vnitřního prostoru rozváděče. Je potřebný dodatečný ohřev.	Výkon topného zařízení při nepřetržitém provozu rozváděče: Psis = K.S.(Td_min-Te_min) – Pd Při přerušovaném provozu: Psis = K.S.(Td_min-Te_min)	Potřeba aktivního řízení teploty Nutná dodatečná ventilace, resp. doplňkové chlazení s výměníkem tepla či chladicí jednotkou. P_sis = Pd - K.S.(Td_max-Te_max)	Není zapotřebí žádná regulace teploty. Přípustná maximální teplota vnitřního prostředí rozváděče je vyšší než pasivním způsobem dosažená maximální vnitřní teplota rozváděče.

VÝBĚR CHLADICÍHO, RESPEKTIVE TOPNÉHO ZAŘÍZENÍ

Nucená cirkulace vzduchu
Omezení lokálního přehřívání	Instalace vnitřního ventilátoru pro nucenou cirkulaci vzduchu uvnitř rozváděče	Velmi jednoduché a ekonomické řešení beze změny IP skříně	Relativně malé zvýšení odvodu tepla
Aktivní chlazení
Teplotní podmínky	Řešení	Přednosti	Omezení
Výsledná maximální teplota Td_max uvnitř rozváděče přinejmenším o 5°C vyšší než maximální teplota okolního prostředí Td_max≥Te_max+5°C Požadovaná výsledná teplota uvnitř rozváděče Td_max nižší než maximální teplota okolí Te_max Zvýšená o 5°C Td_max≤Te_max+5°C	Zvětšit rozměry skříně rozváděče	Relativně snadné řešení bez nutnosti instalace dodatečného zařízení	Zvětšení rozměru zařízení
	Doplnění ventilačního větráku	Velmi ekonomické řešení bez nutnosti složité údržby, snadná realizace	Relativně nízká účinnost chlazení, omezení stupně krytí (IP)
	Nucená ventilace chladným vzduchem	Ekonomické řešení při relativně intenzivní výměně tepla	Vyžaduje pravidelnou údržbu filtrů, omezení stupně krytí (IP)
	Použití tepelného výměníku vzduch/vzduch	Snadná instalace, vysoký výkon tepelné výměny i při vysoké teplotě okolního prostředí	Vyžaduje pravidelnou údržbu filtrů
	Použití chladicí jednotky	Snadná instalace, vysoký chladicí výkon i při vysoké teplotě okolního prostředí	Vyžaduje pravidelnou údržbu filtrů, maximální teplota okolního prostředí 55°C
	Použití výměníku vzduch/voda	Snadná instalace, vysoký výkon tepelné výměny i při vysoké teplotě okolního prostředí.	Vyžaduje dostatečně dimenzovaný přívod chladicí vody
		Nevyžaduje žádný vzduchový filtr
Topení
Teplotní podmínky	Řešení	Přednosti	Omezení
Teplotní podmínky Teplota okolního prostředí nižší než požadovaná minimální teplota uvnitř rozváděče, možnost kondenzace vodních par	Použití odporového topného tělesa	Ekonomické a spolehlivé řešení	Zvýšená spotřeba energie, vyšší nároky na vnitřní prostor rozváděče
	Použití odporového topného tělesa pro ohřev nad teplotu rosného bodu	Ekonomické a spolehlivé řešení, umožňující ovládání vlhkosti vnitřního prostoru rozváděče	Zvýšená spotřeba energie, vyšší nároky na vnitřní prostor rozváděče

Výběr konkrétního chladicího zařízení se provede dle vypočteného chladicího nebo topného výkonu.

ZÁVĚR
Návrh rozváděče pro náročné teplotní podmínky je méně obvyklou úlohou. Nicméně i v našich zeměpisných podmínkách existuje řada průmyslových provozů, v nichž nevystačíme s pasivními metodami chlazení, ať již z důvodů vysoké okolní teploty nebo velkého ztrátového výkonu uvnitř rozváděče.

Doc. Ing. Pavel Mindl, CSc.