Технологии за охлаждане на шкафове за електроапаратура

• Прекомерното количество отпадна топлина, генерирана от оборудването в шкафа, е основен фактор за неговите работни параметри, надеждност и възникването на неизправности
  
  
• Разходите за охлаждане се увеличават прогресивно от естествена конвекция през принудителна конвекция до климатизация
  
  
• За шкафове с висока плътност на електроапаратурата понякога е най-подходящо използването на комбинация от смукателен и центробежен вентилатор

Важен и често пренебрегван аспект от поддържането на експлоатационните параметри на електроапаратурата е степента, до която топлината се извежда от шкафа, в който се намира оборудването. Електрическите и електронните устройства обикновено имат специфициран обхват на работната температура, поради което при поставянето им в шкаф отделянето на топлина се превръща в сериозен проблем. Прекомерното количество отпадна топлина, генерирана от оборудването в шкафа, е основен фактор за неговите работни параметри, надеждност и възникването на неизправности. Наличието на ефективна стратегия за охлаждане на шкафа може да спомогне за ефективното разсейване на топлината.

Топлопренос

Топлопреносът се осъществява по три начина – чрез излъчване, провеждане и естествена или принудителна конвекция. Преносът на топлина чрез излъчване се реализира чрез електромагнитни вълни, като пример за това е слънчевата енергия, достигаща до земята. Топлина може да бъде пренесена и чрез провеждане между два обекта в контакт един с друг – например един микропроцесорен чип може да бъде охладен чрез пряк контакт с топлоотвеждащ радиатор. Самият радиатор може да се охлажда посредством всеки един от изброените процеси на топлопренос. Повечето системи отстраняват топлината чрез комбинация от тези термични механизми.

Ключът към охлаждането на електроапаратурата е да се отстранява топлината от шкафа като същевременно се доставя охладен въздух до точките, които се нуждаят от това. Най-често това се постига чрез естествена или принудителна конвекция, но понякога се прилага и принудителна конвекция с охладен въздух (климатизация). Разходите за охлаждане се увеличават прогресивно от естествена конвекция през принудителна конвекция до климатизация.

Естествена конвекция

Охлаждането чрез естествена конвекция е подходящо за повечето приложения, при които се генерират малки количества топлина, при положение, че вътрешността на шкафа предлага възможност за безпрепятствено преминаване на въздушния поток. Трябва да се гарантира, че шкафът предоставя достатъчна вентилация от горната и долната си страна, за да се създаде въздушен поток и коминен ефект. Най-добрият начин за циркулация на естествения въздушен поток е изтеглянето му от дъното към горния край на шкафа.

Капаците и вратите с вентилационни отвори спомагат за извеждане на загретия въздух и охлаждане на вътрешността на шкафа. Някои производители предлагат вентилирани горни капаци с предварително пробити отвори за монтиране на смукателен вентилатор, ако има нужда от такъв.

Вентилационните жалузи на страничните панели и вратите насърчават по-лесното постъпване и извеждане на въздух за отстраняване на загретия въздух от вътрешността на шкафа чрез конвекционно охлаждане. Един от проблемите, свързан с въвеждането на въздух в шкафовете за електроапаратура, е рискът от постъпване на прах и други нежелани частици. Жалузите предоставят известна степен на защита срещу постъпването на прах, като прикриват инсталираното в шкафа оборудване.

Принудителна конвекция

Когато естествената конвекция не е достатъчна, може да се приложи принудителна конвекция с помощта на смукателни или центробежни вентилатори. Основните разлики между двата вида вентилатори са техните характеристики по отношение на дебита и налягането. Смукателните вентилатори предоставят въздушен поток, успореден на оста на вентилаторните перки, и могат да осигурят умерено високи дебити. Те са най-подходящи за ниски до средни противоналягания, при които електроапаратурата в шкафа създава малко съпротивление за въздушния поток.

Центробежните вентилатори обикновено предоставят въздух в посока, перпендикулярна на оста си, генерирайки обемни дебити до около 500 m3/h или повече при относително високи противоналягания. За шкафове с висока плътност на електроапаратурата понякога е най-подходящо използването на комбинация от смукателен и центробежен вентилатор.

Има няколко вида вентилатори, като най-разпространени са витловите, тръбно-аксиалните и лопатково-аксиалните. Витловите вентилатори са най-простите и се състоят само от двигател и витло. Лошите им показатели при съпротивление на потока или противоналягане, както и потенциалът за турбуленция, причинена от върхови завихряния, ги прави неподходящи за повечето шкафове за електроапаратура.

Тръбно-аксиалните вентилатори са най-често използваният вид в системи за охлаждане на шкафове за електроапаратура. Те са подобни на витловите вентилатори, но витлото е разположено в тръба на Вентури, което води до редуциране на завихрянията. Тръбно-аксиалните вентилатори, типично използвани за общо отстраняване на загрят въздух, както и за пренос на топлина от специфични нагрети точки, често имат сачмени лагери, осигуряващи дълъг експлоатационен живот. Лопатково-аксиалните вентилатори имат лопатки зад витлото, които изправят ускорения въздушен поток.

Смукателните вентилатори могат да се монтират от вътрешната или външната страна на горния край на шкафа. В някои приложения смукателни вентилатори се инсталират и на предния, задния и страничните панели на шкафа.

Когато един шкаф е запълнен с оборудване, използването само на смукателни вентилатори може да не е достатъчно за отстраняване на топлината заради високото съпротивление, което среща въздушният поток. За такива условия се използват центробежни вентилатори, които изтеглят хладен въздух от околната среда в шкафа.
Те могат да се монтират на дъното на шкафа, за да създадат високо налягане във вътрешността му. Загретият въздух може да бъде изведен от горната страна на шкафа през вентилационни отвори. В някои случаи добавянето на смукателен вентилатор в горния край на шкафа може да подобри въздушния поток. Повечето центробежни вентилатори са оборудвани с филтър при смукателния отвор, за да се предотврати навлизането на прах и власинки в шкафа. Високото налягане, създадено от центробежния вентилатор в шкафа, не позволява и навлизането на прах през други отвори.

При избора на вентилатори е добре да се обърне внимание на нивата на шум. Центробежните вентилатори обикновено имат нива на шум от 50 до 65 dB, докато за тръбно-аксиалните вентилатори са характерни нива на шум между 30 и 55 dB. Проектантите трябва да гарантират, че устройствата за принудителна конвекция, независимо от вида им, предоставят достатъчен въздушен поток в условия на противоналягане. Повечето производители предоставят таблици за ефективност, които дават информация за въздушния поток при различни нива на противоналягане.

Внимателното позициониране на смукателните и центробежните вентилатори в шкафа за електроапаратура подобрява ефективността на охлаждане. Центробежните вентилатори следва да се монтират в близост до входните отвори за хладен въздух на дъното на шкафа и далеч от големи източници на топлина. Ако е възможно, генериращите топлина устройства е добре да се поставят в близост до изходния отвор, за да може топлината да се извежда директно навън.

Ако шкафът е с полици или чекмеджета, пълни с оборудване, е възможно все още да има горещи точки, които са трудни за охлаждане заради възпрепятствания въздушен поток. За тази цел, в допълнение към центробежен и смукателен вентилатор, могат да се използват и вентилаторни подложки, които директно да охлаждат тези зони. Тези подложки представляват на практика група от малки тръбно-аксиални вентилатори, монтирани в един корпус и свързани към общ източник на захранване. Те да бъдат поставени директно под чувствителното оборудване или нагретия участък.

Климатизация

За повечето приложения охлаждането чрез комбинация от естествена конвекция и вентилатори върши работа. За критични и термочувствителни приложения обаче, както и за затворени шкафове, трябва да се използват климатизиращи устройства. Те се състоят от два топлообменника. Вътрешният вентилатор изтегля загретия въздух от шкафа и нагнетява охладен въздух във вътрешността му. Погълнатата топлина се пренася до външен топлообменник, където се охлажда от околния въздух посредством друг вентилатор. Климатиците за шкафове за електроапаратура използват сгъстен хладилен агент в процеса на охлаждане.

Повечето климатизирани шкафове са затворени и в тях циркулира само намиращият се вътре въздух. Това предотвратява навлизането на влажен въздух в шкафа, което може да доведе до конденз и повреда на чувствителното оборудване. Ако шкафът не е добре затворен и уплътнен обаче и температурата в него се поддържа по-ниска от тази на околната среда, трябва да се използва някакъв сушител, за да се предотврати кондензът.

Шкафовете за електроапаратура, разположени в индустриални среди с висока температура, например в близост до пещи, сушилни и др., не могат да разчитат на естествено охлаждане, защото температурата на околния въздух е близка или надвишава оптималните температури на електрическото оборудване и устройства като електрически задвижвания, които са податливи на прегряване, може да не функционират нормално или да спрат да работят изцяло. Въпреки че максималната работна температура на някои устройства достига 60°C, много други не могат да превишават 48°C. Във всички случаи, експлоатационният живот на компонентите се увеличава с всяко понижение на работната температура. Климатизацията е единственият жизнеспособен метод за поддържане на безопасност при шкафове за електроапаратура, разположени в горещи индустриални среди.

Фактори, влияещи на температурата в шкафа

Налице са различни фактори, които могат да окажат въздействие върху това как се затопля шкафът, което от своя страна може да повлияе на това коя би била най-подходящата форма на охлаждане. Повечето видове електроапаратура се доставя с препоръчителна максимална работна температура, чието превишаване следва да се избягва. Величината на тази температура трябва да се вземе предвид при избора на охлаждащо оборудване.

При избора на решение за охлаждане на един шкаф за електроапаратура трябва да се отчетат няколко съображения – размерът на шкафа, плътността на оборудването, условията на околната среда и електрическите изисквания.

Размерът на шкафа може да повлияе на ефективността на различните методи за охлаждане. По-големите шкафове може да се нуждаят от по-мощни методи на охлаждане, които да се справят с по-големия въздушен джоб, чиято температура трябва да се контролира. При по-малките шкафове може да е необходимо само естествено конвекционно охлаждане, за да се поддържа равновесие.

Броят на електрическите устройства, инсталирани в шкафа, също оказва влияние върху правилния вид охлаждане. Колкото повече оборудване има в едно малко пространство, толкова по-голямо ще е количеството топлина, която трябва да се разсее. Това може да наложи използване на охлаждащи решения с по-голяма мощност.

Условията на околната среда, в която е разположен шкафът също въздействат върху ефективността на различните методи на охлаждане. Например, ако шкафът е разположен в запрашена или влажна среда, методите, базирани на въздушно охлаждане, може да не са най-доброто решение, тъй като с въздуха в шкафа ще постъпват и прахови частици.

Изборът на метод на охлаждане зависи и от електрическите изисквания на оборудването в шкафа. По-високомощните приложения може да изискват прилагането на по-ефективни методи на охлаждане, например течно охлаждане.

Един от най-значимите фактори при разполагането на шкафове за електроапаратура на открито в слънцето. В резултат на попадащите върху шкафа слънчеви лъчи топлинното натоварване се увеличава допълнително, което следва да бъде отчетено при избора на охлаждащо оборудване. Поради тази причина финалното местоположение на вече изградения шкаф трябва да бъде известно от най-ранния етап. По този начин се гарантира, че при проектирането на шкафа и охлаждащото му оборудване ще бъде взета предвид цялата необходима информация.

Охлаждане при шкафове на открито

Също както хората, електрическото оборудване функционира трудно, когато температурите са прекалено високи. От критично значение е шкафовете за електроапратура да бъдат защитени от прегряване, особено когато са разположени на открито, където са изложени на метеорологичните условия, най-вече слънцето.

Прекомерната топлина може да редуцира експлоатационния живот на електрическото оборудване, да доведе до неочакван отказ и дори да създаде риск за безопасността, ако температурата стане прекалено висока. Изборът на погрешно решение за охлаждане на един шкаф за електроапаратура може да има катастрофално влияние, като отстраняването на възникналия вследствие проблем може да е времеемко и скъпо.

Естествена конвекция може да се използва само ако разположението на шкафа не предполага високи температури на околната среда (например през лятото), тъй като охлаждането би било невъзможно. Ако мястото на шкафа е такова, то трябва да се приложи активно охлаждане с климатизиращи модули.