У наших китайских товарищей подсмотрел интересную конструкцию охлаждения шкафов электрооборудования. Необычность конструкции заключается в полном отсутствии вентиляторов, датчиков температуры, регулятора и исполнительного механизма, но при этом конструкция автоматически поддерживает температуру внутри шкафа в допустимых пределах.
Суть идеи китайских товарищей состоит в использовании естественного движения теплоносителя (воздуха), аналогично тому как это происходит в гравитационных системах отопления. Схематически конструкция шкафа.
Я сделал расчёт теплопотерь такой конструкции шкафа. Расчёт доказывает что идея вполне рабочая. Почему же тогда её не предлагает ни один из производителей корпусов для средств автоматизации? Наверное потому, что такое решение охлаждения корпусов автоматизации каннибализирует другие, более маржинальные, решения предлагаемые этими производителями — вентиляторы с фильтрующим элементом и тепловые насосы.
Очевидно что теплопотери складываются из двух основных составляющих. Это теплопотери через ограждающие конструкции и, в рассматриваемой схеме, тепловые потери с теплоносителем (воздухом). Расчётов теплопотерь через ограждающие конструкции в открытых источниках достаточно, поэтому я воспользовался готовым который взял тут.
Принято: высота шкафа 1.8 м, ширина 1.2 м, глубина 0.6 м, температура окружающей среды 25 С, температура внутри шкафа 45 С, площадь фильтрующего элемента — весь пол шкафа, диаметр вытяжной трубы 300 мм, высота вытяжной трубы 3 м, шкаф установлен средним в ряду шкафов. Для фильтрующего элемента применён материал ФВР-1 G2. Характеристики фильтрующего материала приведены тут.
Низкий класс фильтрации выбранного материала, G2, не должен смущать, так как фильтрующий материал разработан для систем с принудительным движением теплоносителя, то есть расчитан на работу при значительно более высокой фронтальной скоростью. (здесь и далее термины в определении ГОСТ P EH 779—2014) Критерием выбора материала является меньший перепад при меньшей фронтальной скорости. При работе с меньшей фронтальной скоростью фильтрация будет эффективнее. Почему это будет так хорошо объясняет вот эта статья. Специальные фильтровальные материалы для систем фильтрации с естественным побуждением движения теплоносителя не производятся.
Расчёт в табличном файле в формате LibreOffice тут, в формате Microsoft Excel 2003 тут.
Расчёт тепловых потерь с теплоносителем приведён на листе «потери с теплоносителем». По умолчанию принято что всё дно шкафа это фильтрующий элемент, именно так как это нарисовано на схеме китайского шкафа. Но ничто не мешает подставить ваши фактические параметры фильтрующего элемента. Если фильтрующий элемент у Вас фактически расположен сбоку, так как это изображено на фотографии в конце статьи, то высоту шкафа следует указать как расстояние от центра фильтрующего элемента до потолка шкафа, а не от дна до потолка.
Сначала расчитывается расход теплоносителя исходя из того что вытяжная труба "не душит" тот расход достичь который позволяют параметры фильтрующего элемента и вычисляются параметры вытяжной трубы исходя из этого расхода. Затем выполняется расчёт вытяжной трубы. По умолчанию подставлен ранее вычесленный рекомендуемый диаметр, но ничто не мешает подставить ваш фактический.
Расчёт тепловых потерь через ограждающие конструкции приведён на листе «потери через стенки». Расчёт не мой, там есть ссылка откуда он взят. По ссылке всё хорошо объяснено, комментировать мне нечего.
Общие тепловые потери это сумма тепловых потерь обоих видов.
Следует отметить что не все шкафы автоматизации скомпонованы удачно. Встречаются шкафы с верхним расположением наиболее тепловыделяющего оборудования. Для таких шкафов расчеты обих видов тепловых потерь дадут неверный результат. Чтобы этого не произошло в такие шкафы необходимо установить «перемешивающий» вентилятор. Этот не очень мощный вентилятор должен быть расположен по возможности в центре шкафа внизу, но направлен на центр двери шкафа. Такое расположение не только создаст перемешивающий эффект, но и послужит срыву пристенного слоя, что несколько увеличит тепловые потери через ограждающие конструкции по сравнению с расчётными.
Расчёт тепловых потерь через ограждающие конструкции хорошо рассмотрен в статье по указанной выше ссылке, поэтому останавливаться на нём не буду. Рассмотрим расчёт тепловых потерь за счёт естественного (гравитационного) движения теплоносителя (воздуха). Путь движения теплоносителя состоит из двух участков: первый участок — через фильтрующий элемент до входного отверстия вытяжной трубы, второй участок — от входного отверстия вытяжной трубы до выходного отверстия вытяжной трубы (зонт на схеме не указан). Располагаемый гравитационный перепад давления общий для обоих участков, однако для второго участка сделан запас 10%, как это рекомендуется в справочной литературе, так как вытяжная труба не утеплена.
Общие тепловые потери шкафа почти 4,5 кВт. Это позволяет разместить в этом шкафу, например, частотный преобразователь на 100 кВт, работающий 100% циклом.
На аналогичную схему охлаждения был переделан шкаф расположенный в весьма запылённой зоне где фильтрующие элементы вентиляторов приходилось менять два раза в неделю. «Неожиданный» эффект — срок службы фильтрующих элементов увеличился до более чем полугода. Я написал «более чем полгода» потому, что через полгода, несмотря на то, что шкаф был оборудован системой мониторинга температуры и там не наблюдалось ничего подозрительного, фильтрующие элементы были заменены. Просто у обслуживающего персонала «сдали нервы». По сути, работавшая ранее система охлаждения шкафа с механическим побуждением движения теплоносителя фильтровала воздух в цеху, что делать совершенно бессмысленно.
Поскольку иногда "руки опережают голову", тут ранее написанная статья про альтернативное охлаждение шкафов, но без расчёта. В планах написать статью про систему мониторинга температуры в шкафах в виде инструкции.
Успехов!