Reklama

Aktivní chlazení elektrických rozváděčů

11.8.2004

doc. Ing. Pavel Mindl, CSc.

Reklama

1. Úvod

Odvod tepla z elektrických rozváděčů je klasickou úlohou, kterou řeší (přesněji řečeno měl by řešit) každý projektant těchto zařízení. Běžné rozváděče do prostředí bytové nebo administrativní zástavby jsou navrhovány na přirozené chlazení, kdy přestup tepla z rozváděče do okolního prostředí je řešen na základě sálání nebo odvodem stavební konstrukcí. Základní funkce chlazení těchto rozváděčů je založena na dostatečně velkém teplotním spádu mezi vnitřním prostředím rozváděče a okolím a dostatečně velkou výměnnou 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 teplot, které je v některých případech pasivními metodami těžko dosažitelné.

2. Použití aktivních metod 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.

2.1 Nucené větrání
Využívá elektrické ventilátory, které zvyšují množství vzduchu, procházejícího skříní rozváděče. Nucenou cirkulací se dosahuje zvýšeného odvodu tepla z vnitřního prostoru rozváděče a dosahuje se rovnoměrného rozložení teploty v objemu rozváděče. Místa s vyšší teplotou jsou vlivem nucené cirkulace vzduchu lépe chlazena a tím se snižují rizika bodového přehřívání. Vodítkem pro stanovení výkonu ventilátoru (Q [m³/h]) nuceného chlazení může být nomogram na obr. 1. Výchozími parametry návrhu jsou: ztrátový výkon výbavy rozváděče (Pd), rozdíl maximální požadované teploty uvnitř rozváděče (Td _max) a maximální předpokládané teploty vnějšího prostředí (Te _max) a 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 %

Obr. 1: Nomogram pro určení výkonu ventilátoru. V nomogramu je naznačen postup
pro stanovení výkonu ventilátoru rozváděče se ztrátovým výkonem výbavy Pd = 800 W
při teplotním rozdílu ΔT = 5 °C a aktivním povrchu skříně 4 m²

Povrchová teplota vnitřní výbavy rozváděče by neměla klesnout pod teplotu rosného bodu. Nutno podotknout, že uvedený způsob chlazení je použitelný do rozdílu mezi teplotami Td _max a Te _max nejméně 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 do rozváděče je nutné použít filtr na sacím otvoru chladicího vzduchu.

2.2 Chlazení rozváděčů při extrémních teplotách okolního prostředí

2.2.1 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 3 kW, 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 m^-2 °C^-1/
S - účinný chladicí povrch rozváděče /m²/
Td _max - maximální přípustná teplota uvnitř rozváděče /°C/
Te _max - maximální teplota okolního vzduchu /°C/

Chladicí kompresorová jednotka osazená na boční stěně rozváděče je znázorněna na obr. 2. Naznačené uspořádání zajiš_uje dokonalé oddělení vnitřního prostoru rozváděče od okolního prostředí z hlediska možnosti pronikání prachu.


Obr. 2: Schematické znázornění kompresorové chladicí jednotky. Vnitřní cirkulační okruh s výparníkem je oddělen od vnějšího prostředí kompresoru a chladiče. Vnitřní i vnější nucená ventilace je zajištěna dvojitým větrákem		Obr. 3b: Schematické 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		Obr. 4: Schematické 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

2.2.2 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. 3a), 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. 3b. 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).

Obr. 3a: Teplosměnná kazeta výměníku vzduch/vzduch

2.2.3 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. 4.

3. Volba typu a určení potřebného výkonu chladicí jednotky

Při stanovení typu chladicího zařízení a potřebného chladicího výkonu je nutné vyjít z následujících údajů:
1. Určení účinné chladicí plochy skříně rozváděče
2. Ztrátového výkonu výstroje rozváděče
3. Parametrů okolního prostředí
4. Přípustného rozsahu vnitřních provozních teplot
5. Výsledné teploty uvnitř rozváděče dosažené při pasivním chlazení
6. Porovnání přípustných provozních teplot a teplot dosažených pasivním chlazením, stanovení chladicího, resp. topného výkonu
7. Výběr chladicího zařízení

3.1 Určení účinné chladicí plochy skříně rozváděče

Určení účinné chladicí plochy vychází z publikace číslo 890 Mezinárodní elektrotechnické komise IEC. Vhodným nástrojem pro její stanovení je tabulka 1, se základními vztahy pro výpočet účinné ochlazovací plochy rozváděče s ohledem na způsob jeho zástavby.

Symbol	Způsob zástavby Vztah pro výpočet účinného chladicího povrchu S
	Samostatné kryty přístupné ze všech stran S = 1,8 * H * (B + T) + 1,4 * B * T
	Samostatné kryty pro montáž ke zdi S = 1,8 * T * H + 1,4 * B * (H + T)
	Samostatný kryt umístěný bokem ke zdi S = 1,4 * T * (H + B) + 1,8 * B * H
	Samostatný kryt umístěný v rohu S = 1,4 * H * (B + T) + 1,4 * B * T
	Volně stojící řadový rozváděč S = 1,8 * B * H + 1,4 * B * T + T * H
	Řadový rozváděč pro montáž do zdi (vrch přístupný) S = 1,4 * B * (H + T) + T * H
	Řadový rozváděč pro montáž do zdi (vrch přístupný) S = 1,4 * B * H + 0,7 * B * T + T * H

Tab. 1: Účinný chladicí povrch krytu S pro různé způsoby zástavby rozváděče
B ... šířka krytu, H ...výška krytu, T ... hloubka krytu

3.2 Ztrátový výkon výstroje rozváděče Pd

Je dán součtem jmenovitých ztrátových výkonů jednotlivých součástí výstroje rozváděče. Orientační hodnoty ztrátových výkonů elektrických přístrojů pro výstroj rozváděčů jsou uvedeny v L1.

3.3 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 2.

3.4 Přípustný rozsah vnitřních provozních teplot

Je ovlivněn vlastnostmi výstroje rozváděče. Rozsah provozních teplot musí být volen s ohledem na nejchoulostivější součásti výstroje.

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

Relativní vlhkost prostředí /%/	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

Tab. 2: Teploty rosného bodu pro zadanou relativní vlhkost a teplotu vzduchu

3.4.1 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 koeficient přestupu tepla, jehož orientační hodnota je uvedena v tabulce 3.

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

Tab. 3: Koeficienty přestupu tepla pro různé materiály skříní rozváděče

4. Porovnání požadovaných provozních teplot a teplot dosažených pasivním chlazením, stanovení chladicího, resp. topného výkonu

Td_min < Ti_min	Není zapotřebí žádná regulace teploty. Požadovaná minimální teplota vnitřního prostředí rozváděče je nižší než pasivním způsobem dosažená minimální vnitřní teplota rozváděče
Td_min > Ti_min	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)
Td_max < Ti_max	Potřeba aktivního řízení teploty. Nutná dodatečná ventilace, resp. doplňkové chlazení s výměníkem tepla či chladicí jednotkou. Potřebný chladicí výkon: Psis = Pd - K . S . (Td_mac - Te_max)
Td_max > Ti_max	Není zapotřebí žádná regulace teploty. Přípustná maximální teplota vnitřního prostředí rozváděče je vyšší než pasivním způsobem dosažená maximální vnitřní teplota rozváděče.

5. Výběr chladicího, respektive topného zařízení

Nucená cirkulace vzduchu
Teplotní podmínky	Řešení	Přednosti	Omezení
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 je přinejmenším o 5 °C vyšší než maximální teplota okolního prostředí 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
Požadovaná výsledná teplota uvnitř rozváděče Td_max nižší než maximální teplota okolí Te_max Zvýšená o 5 °C Td_max < Te_max + 5 °C	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. Nevyžaduje žádný vzduchový filtr.	Vyžaduje dostatečně dimenzovaný přívod chladicí vody.

Topení
Teplotní podmínky	Řešení	Přednosti	Omezení
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.

6. 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, až již z důvodů vysoké okolní teploty nebo velkého ztrátového výkonu uvnitř rozváděče. Výše uvedený příspěvek volně navazuje na publikaci /L1/, v níž jsou uvedeny i údaje o výkonových ztrátách přístrojů, používaných pro výstroj rozváděčů.

Použitá literatura
/1/ Mindl, P.: Výkonové ztráty rozváděčů nízkého napětí Elektroinstalatér 3/2001, str. 31-34
/2/ Firemní materiály HIMEL
/3/ Firemní materiály Schrack Energietechnik