системы и способы терморегулирования электрооборудования

ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ È ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß
17
УДК 62.97
СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ
ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Агафонов В.Н., менеджер, Schneider Electric в России, г. Москва
E-mail: [email protected]
Рассматриваются системы и способы терморегулирования электрооборудования.
Особое внимание уделяется анализу внешних и внутренних тепловых условий
электрических шкафов. Во избежание аварийных ситуаций и нарушений в работе
установок автор советует прибегать как к активным, так и к пассивным
методам терморегулирования. В качестве специализированного программного
обеспечения по подсчету теплового баланса рассматривается программа
ProClima v5.0 от компании Schneider Electric. При применении рассмотренной
системы пассивного терморегулирования экономия энергии (измеряемая
увеличением холодопроизводительности) составляет около 25% для
металлических шкафов и 12% для шкафов из полиэфирного пластика.
Ключевые слова: терморегуляция, температурный режим, тепловые
условия, условия эксплуатации электрического шкафа.
SYSTEMS AND WAYS OF THERMAL REGULATION OF ELECTRIC EQUIPMENT
Agafonov V.N., manager, Schneider Electric, Moscow
In this article systems and ways of thermal regulation of electric equipment are examined. The special attention is paid to the analysis of external and internal thermal conditions of electric cases. In order to avoid emergencies and violations in work of installations,
the author advises to resort both to active, and to passive methods of thermal regulation. As the specialized software for the estimation of thermal balance is used the ProClima v5.0 program from the Schneider Electric company. At use of the considered system
of passive thermal regulation, the economy of energy (measured by increase in refrigerating capacity) makes about 25% for metal cases and 12% for cases of polyester plastic.
Key words: thermal control, temperature mode, thermal conditions, service conditions
of an electric case.
С каждым годом производство все более
и более автоматизируется. А это значит, что
в производственном процессе используется
все больше электроники.
Существует множество рисков, связанных с отсутствием терморегулирующих систем на производстве, вследствие которых
срок службы и качество работы оборудования систем управления и электрооборудования могут существенно снизиться, что
2013 • 12 • ЭЛЕКТРОЦЕХ
приведет к остановке производственного
процесса, следствием могут явиться потери
полученной прибыли, а в случае непрерывных процессов, к примеру металлургических
производств или банков, колоссальный или
даже критический ущерб.
Наличие эффективной системы терморегулирования электрических шкафов поможет
увеличить срок службы оборудования и сократить частоту его поломок. В арсенале ком-
18
ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ È ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß
пании Schneider Electric имеются различные
решения по оптимизации работы электрических установок в сложных условиях эксплуатации.
В абсолютном большинстве случаев причиной отключения или нарушения нормальной работы электрооборудования является
та или иная проблема, связанная с тепловым
режимом: слишком высокая или слишком
низкая температура электрических и особенно электронных устройств, установленных в шкафах.
Этому могут способствовать следующие
факторы:
– неконтролируемые внешние погодные
условия;
– внутренний тепловой баланс не рассчитан;
– загрязненная окружающая среда или
сложные условия эксплуатации.
Даже незначительные неисправности
или кратковременные перерывы в работе
систем управления и электроустановок могут иметь тяжелые — а иногда катастрофические — финансовые последствия для любого
предприятия.
Прежде чем рассматривать варианты
решения проблемы, необходимо составить
полный и достоверный тепловой баланс используемого оборудования.
Для этого необходимо:
1) провести измерения и анализ тепловых условий внутри шкафа;
2) проанализировать погодные условия
снаружи шкафа;
3) измерить и оценить степень загрязнения окружающей воздушной среды и сложности условий эксплуатации оборудования
автоматизации и электрораспределения.
Выполнение всех этих операций облегчит специа лизированное программное обеспечение по подсчету теплового баланса ProClima v5.0, предлагаемое
ком панией Schneider Electric. Программа
ProClima v5.0 предназначена для расчета и выбора устройств управления температурными
режимами, требующихся в шкафах, содержащих электротехническое и электронное оборудование. Для этого необходимо всего лишь
просто ввести в программу собранные данные
по тепловому состоянию. ProClima v5.0 пред-
ложит решения, максимально отвечающие
требованиям конкретной установки.
При анализе тепловых условий внутри
шкафа в первую очередь необходимо определить наиболее чувствительные устройства
и функции, защите которых следует отдать
приоритет. Ведь именно они могут стать причиной аварии или нарушения нормальной
работы всей установки.
Одним из способов проанализировать
тепловые условия внутри шкафа является измерение температуры воздуха. Рекомендуемая средняя рабочая температура внутри
шкафа составляет 35 °C. Именно значение является базовым для устройства управления,
входящего в состав системы терморегулирования. Процедура измерения температуры
должна выполняться за определенный период времени (например, один производственный цикл, 24 ч, одна неделя и т. п.). Кроме того, измерение температуры воздуха внутри
шкафа должно выполняться в трех разных
зонах (T1, T2 и T3). При этом не нужно забывать, что температура в разных зонах шкафа
напрямую зависит от потока горячего воздуха, возникающего при вентиляции шкафа.
Таким образом, среднюю температуру воздуха в шкафу можно вычислить по следующей
формуле: (T1 + T2 + T3)/3.
Данные, полученные в ходе измерения
температуры, будут нужны впоследствии для:
– проведения общего теплового анализа;
– защиты каждого устройства от превышения критической температуры;
– расчета рассеиваемой мощности (Вт)
для каждого устройства.
Также в анализ тепловых условий внутри
шкафа входит измерение рассеиваемой мощности. Прежде чем выполнять тепловой расчет,
необходимо получить точные данные о рассеиваемой мощности каждого компонента.
Анализ внешних условий эксплуатации
включает в себя измерение температуры
окружающего воздуха снаружи шкафа (максимальной и минимальной) и влажности.
В ходе измерения необходимо выяснить,
к какому типу относится воздушная среда в зоне установки: сухая (уровень влажности < 60%), влажная (уровень влажности
от 60 до 90%) или очень влажная (уровень
влажности > 90%). По колебаниям темпераЭЛЕКТРОЦЕХ • 12 • 2013
ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ È ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß
туры воздушной среды можно судить о наличии в ней конденсации влаги.
Также для получения полноценной картины о тепловом балансе необходимо выполнить
анализ факторов загрязнения воздушной среды и сложности условий эксплуатации в зоне
установки шкафов с электронной аппаратурой.
К сложным условиям эксплуатации относятся:
– зоны с высоким содержанием масел,
растворителей и агрессивных веществ
в воздухе;
– воздушная среда с высоким содержанием соли, сахара или коррозионноактивных веществ;
– сильно запыленная воздушная среда:
цементный, мукомольный или деревообрабатывающий завод, производство
керамики, резиновых изделий и т. п.;
– атомная, нефтехимическая и химическая промышленность и т. п.;
– винно-водочные заводы (высокий уровень влажности);
– металлообрабатывающие заводы;
– текстильные фабрики (волокна засоряют воздухозаборные решетки).
Существует два основных вида систем
терморегулирования:
•
так называемые «пассивные» системы (недорогие, использующие естественные способы терморегулирования, устанавливаемые выше по потоку от установки и т. п.),
•
так называемые «активные» системы
(корректирующие воздействие окружающей среды, имеющие точные
размеры и рабочие характеристики,
возможно, более дорогие и т. п.).
Компания Schneider Electric располагает
различными вариантами систем поддержания микроклимата Climasys:
– ClimaSys CV — системы вентиляции.
– ClimaSys CA — системы аэрирования.
– ClimaSys CE — системы кондиционирования воздуха.
– ClimaSys CU — теплообменные устройства.
– ClimaSys CR — резистивные нагреватели или нагревательные устройства.
– ClimaSys CC — устройства контроля
(термостаты, гигростаты, гигротермические и контрольные системы).
2013 • 12 • ЭЛЕКТРОЦЕХ
19
Этот набор позволит найти индивидуальное системное решение для каждого конкретного проекта: для одиночных и сдвоенных шкафов, а также для различных комбинированных конфигураций.
«ПАССИВНОЕ»
ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЕ
•
Выбор конструкционного материала
Выбор материала конструкции шкафа
(сталь, полиэфирный пластик) имеет принципиальное значение для естественного рассеяния тепловой энергии, выделяемой электрическими и электронными приборами.
При этом нужно не упустить из виду такое явление, как естественное (или пассивное) рассеивание тепловой энергии, эффективность
которого зависит от суммарного коэффициента теплопередачи ( K). Суммарная теплопередача ( Q) включает в себя все процессы,
обеспечивающие передачу тепла. Передача
тепла может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Q можно рассчитать по следующей
формуле: Q = K × S × (Te – Ti), где K — это
тепловой поток в стационарном режиме, поделенный на площадь поверхности и на разность температур оборудования, расположенного в разных концах системы. Он измеряется в Вт/м 2 × K. Использование полиэфирного пластика, к примеру, благодаря низкому
коэффициенту теплопроводности снижает
как капитальные, так и эксплуатационные затраты при климатизации шкафов и защите
от низких температур.
•
Увеличение размеров шкафа
Так же как и материал конструкции, размер
шкафа (занимаемая полезная площадь в м 2)
влияет на уровень температуры внутри шкафа.
Если естественная температура воздуха снаружи шкафа благоприятна для работы
электронной аппаратуры (< 35 °C), то экономия энергии может быть весьма значительной:
– до 50% для стальных шкафов;
– до 65% для шкафов из полиэфирного
пластика.
•
Положение шкафа
Такой фактор, как положение шкафа, также следует принимать во внимание, поскольку стенки шкафа оказывают заметное влияние на процесс теплопередачи. Например,
20
ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ È ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß
если шкаф установлен в аппаратном помещении с благоприятной температурой воздуха (< 35 °C), то со всех сторон шкафа должны
быть оставлены проходы для обеспечения
отвода рассеиваемого тепла.
•
Теплоизоляция шкафа
Если температура воздуха снаружи шкафа высокая (> 35 °C, например 45 °C), то тепло, отводимое через контактные поверхности, повышает температуру воздуха внутри
шкафа. Если постоянно регистрируется высокая наружная температура (> 40 °C) и источник излучения определен, то правильным
решением будет тепловая изоляция стенок
шкафа. В этом случае отвод теплоты должен
осуществляться «активными» средствами
с помощью кондиционера или водо-воздушного теплообменника, рис. 1.
Экономия энергии (измеряемая увеличением холодопроизводительности) составляет около 25% для металлических шкафов
и 12% для шкафов из полиэфирного пластика.
Теплоизоляцию можно также использовать в качестве средства «пассивного» терморегулирования, если наружная температура очень низкая и она постоянно выходит
за пределы рабочего диапазона температур
электронных устройств.
•
Распределение тепловой нагрузки
Распределение тепловой нагрузки в разных группах шкафов очень важно.
Кроме возможности экономить энергию,
распределение нагрузки дает много преимуществ:
– позволяет избежать нежелательных
«горячих» зон внутри шкафа;
– понижает среднюю температуру шкафа;
– облегчает задачу терморегулирования.
Рис. 2.
Если не обеспечено равномерное распределение нагрузки, то потребители с более низкой нагрузкой будут испытывать тепловое влияние со стороны потребителей
с более высокой нагрузкой.
При этом необходимо помнить, что:
– между приборами должны быть оставлены зазоры, обеспечивающие циркуляцию воздуха внутри шкафа;
– должен быть обеспечен воздушный
столб шириной от 100 до 200 мм по всей
высоте шкафа между воздухозаборным
Рис.1. Схема отвода тепла
Рис. 2. Распределение тепловой нагрузки
Рис. 3. Соединительные кабели являются
источниками тепла
и воздуховыпускным отверстиями. Это
позволит избежать перегрева и снижения эффективности теплообмена.
•
Установка пассивных электрических
нагрузок снаружи шкафа
В большинстве установок размещенное в шкафах электрическое оборудование
ЭЛЕКТРОЦЕХ • 12 • 2013
ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ È ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß
выделяет значительное количество тепловой энергии. В данном случае с тормозными резисторами преобразователей частоты
выделяемая тепловая мощность составляет от 0,5 до 3,5 кВт. Это тепло необходимо
отводить с помощью кондиционеров («активное» терморегулирование), если данное оборудование не установлено снаружи
шкафа.
•
Прокладка кабелей
Соединительные кабели приборов также могут являться источником тепловыделений, рис. 3
Поэтому рекомендуется выполнять следующие правила:
– кабели не должны лежать на приборах;
– кабели не должны перекрывать вентиляционные решетки и отверстия;
– следует фиксировать кабели в правильном положении с помощью соответствующих элементов крепления, а зажимы должны быть надежно затянуты.
•
Регулирование расхода воздуха: над
и под шкафом необходимо оставлять свободное пространство размером не менее 100 мм для вентиляции.
•
Естественная конвекция или вентиляция
Благодаря выделению тепла внутри
шкафа создается естественная конвекция
(удаление нагретого воздуха). В этом случае скорость воздушного потока низкая, если не применяется принудительная вентиляция внутренней части шкафа с помощью
вентилятора.
•
Естественная диссипация тепловой
энергии и циркуляция воздуха
Эффективность естественного (или пассивного) рассеивания тепловой энергии зависит от нескольких факторов:
— место установки шкафа (параметры
воздушной среды помещения);
— занимаемая шкафом полезная площадь (в м2);
— материал конструкции шкафа (сталь,
полиэфирный пластик);
— другие параметры (распределение
нагрузки, схема прокладки соединительных
кабелей, температура воздуха снаружи шкафа и т. п.).
2013 • 12 • ЭЛЕКТРОЦЕХ
21
Рис. 4. Схема циркуляции воздуха
Очень важно обеспечить перемешивание воздуха внутри шкафа, для того чтобы:
— выровнять и, по возможности, понизить температуру воздуха за счет равномерного распределения выделяемого тепла
по объему шкафа;
— охладить локальные зоны, имеющие
высокую температуру;
— равномерно распределять холодный
воздух, поступающий из блоков охлаждения
(кондиционера, теплообменников). Рис. 4.
Решения с использованием вытяжной
вентиляции применяются при эксплуатации
в агрессивной окружающей среде, когда
смешанного воздуха недостаточно для обеспечения теплового режима оборудования.
«АКТИВНОЕ» ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЕ
•
Устройства обеспечения терморегулирования
Использование таких регулирующих
устройств, как термостаты или гигростаты,
позволяет стабилизировать температуру
и влажность воздуха внутри шкафа. Это также позволяет оптимизировать потребление
22
ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ È ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß
электроэнергии, необходимое для поддержания нормальных тепловых условий.
•
Принудительная конвекция
К примеру, использование воздуховыпускных решеток для отвода тепла, выделяемого преобразователем частоты, позволяет
избежать повышения температуры внутри
шкафа.
•
Принудительная вентиляция
В сочетании с устройствами регулирования температуры система принудительной вентиляции является одним из лучших
решений с точки зрения энергетической
эффективности. Рабочие характеристики
системы принудительной вентиляции существенно зависят от температуры и чистоты
воздуха в помещении.
•
Регулирование температуры с помощью кондиционеров воздуха
Кондиционеры и блоки охлаждения широко используются для охлаждения шкафов,
содержащих аппаратуру со значительным
тепловыделением. Эти устройства осушают
воздух во всем объеме шкафа, конденсируя
содержащуюся в воздухе влагу и удаляя конденсат.
•
Регулирование температуры с помощью водовоздушных теплообменников
Водовоздушные теплообменники обычно используются для охлаждения или обогрева шкафов в сложных условиях эксплуатации: на цементных заводах, в цехах по производству лакокрасочных изделий, в мастерских с высоким содержанием масла в воздухе и т. п. Одним словом, в зонах, где засорение фильтров происходит очень быстро.
Данные системы отличаются герметичностью (степень защиты до IP54). Воздуховодяной теплообменник способен отводить
от шкафа значительное количество теплоты (за счет теплообмена с жидкостью). Эта
теплота затем сбрасывается в окружающую
среду снаружи установки (чиллер). Это означает, что охлаждающая вода может поступать из других источников.
•
Регулирование температуры с помощью воздухо-воздушных теплообменников
Для работы воздухо-воздушных теплообменников необходимо, чтобы разность
температур воздуха внутри и снаружи шкафа составляла не менее 10 °C. Воздухо-воздушные теплообменники — это герметичные системы, предназначенные для работы
со средами при относительно невысоких
температурах (приблизительно 25 °C). Применяются в установках со средней мощностью тепловыделения (1000 Вт на каждый
шкаф).
•
Электрические нагреватели
Изменение температуры наружного
воздуха (наружная установка) или слишком низкая температура (< 5 °C) могут стать
причиной образования конденсата на электронных устройствах, расположенных внутри шкафа, что может привести к нарушению нормальной работы оборудования
на этапе пуска. Изменяя температуру воздуха внутри герметичного шкафа (IP54 или
выше), можно регулировать относительную влажность и содержание водяных паров. Именно поэтому электронагреватели
являются самым эффективным решением
для предотвращения образования конденсата и чрезмерного повышения влажности
воздуха внутри шкафа, а также для защиты
установки от воздействия низкой температуры окружающей среды.
Таким образом, избежать или хотя бы
свести к минимуму количество неисправностей компонентов используемого электрооборудования можно с помощью эффективной системы терморегулирования.
Не секрет, что в последнее время природа преподносит нам свои сюрпризы, лето
2010 г. было показательным, итогом аномальной жары стал спад промышленного
производства, в частности из-за отсутствия
возможности эксплуатации в критических,
но вполне возможных условиях. Использование решений поддержания микроклимата ClymaSys от Schneider Electric позволит
решить данную задачу равно как на проектируемых объектах, так и на существующих
и действующих объектах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Средства терморегулирования электрооборудования. Рекомендации по применению». — М.: Schneider Electric, 2011. — 72 с.
ЭЛЕКТРОЦЕХ • 12 • 2013
ЧТОБЫ ТЕХНИКА НЕ ПОДВЕЛА!
В каждом номере: обзоры, экспертиза и технические параметры новых типов
электрооборудования; рекомендации по
монтажу, эксплуатации, техническому обслуживанию, мнения экспертов о новом
высокоэффективном оборудовании, которое повышает надежность и экономичность
систем электроснабжения; новые электроизоляционные материалы; диагностика
и испытания оборудования; мониторинг
низковольтного и высоковольтного оборудования, практика и рекомендации специалистов по обеспечению безаварийной
эксплуатации; вопросы энергосбережения;
новые типы вспомогательного электрооборудования: обзоры, технические параметры, экспертиза, диагностика; практические
советы ведущих специалистов по эксплуатации, обслуживанию и ремонту промышленного электрооборудования и электрических
сетей; актуальные вопросы энергоресурсосбережения и многое другое.
Наши эксперты и авторы: Н.И. Лепешкин, заместитель генерального директора ОАО «Центрэлектроремонт»;
С.А. Цырук, зав. кафедрой, проф. Московского энергетического института;
Ю.М. Савинцев, генеральный директор
корпорации «Русский трансформатор»,
канд. техн. наук; С.И. Гамазин, проф.
МЭИ; В.Н. Соснин, технический директор
компании «НПФ Полигон»; А.Н. Ерошкин, специалист НПО «Сатурн»; Ю.Д. Сибикин, генеральный директор НТЦ
«Оптим», канд. техн. наук; Е.А. Конюхова, д-р техн. наук, проф.; М.С. Ершов,
д-р техн. наук, проф., чл.-кор. Академии
электротехнических наук РФ и многие
другие ведущие специалисты.
Главный редактор – профессор
Э.А. Киреева.
Журнал входит в Перечень изданий ВАК.
Издается при информационной поддержке Московского энергетического
института и Российской инженерной
академии.
Ежемесячное издание. Объем –
80 с. Распространяется по подписке
и на отраслевых мероприятиях.
На правах рекламы
http://oborud.panor.ru
индексы
12532
84817
ВСЕ РИСКИ ПОД КОНТРОЛЕМ
http://ohrprom.panor.ru
В каждом номере: более 20 статей
по вопросам анализа производственных рисков; практические меры по снижению травматизма и профзаболеваний; правила и примеры расследования несчастных случаев;
новые технические средства безопасности,
коллективной и индивидуальной защиты.
Публикуются материалы по аттестации рабочих мест по условиям труда; экономической
эффективности затрат на охрану труда и технику безопасности; надзору и контролю.
Предлагаются практические советы специалистов по юридическим вопросам; судебной
и арбитражной практике; отраслевой специфике; страхованию жизни, здоровья и производственных рисков. В журнале представлены статьи об опыте зарубежных стран; новые
нормативные акты по охране труда; готовые
образцы внутренней документации.
Редакционный совет: Г. З. Файнбург,
д-р техн. наук, проф., директор Пермского
краевого центра охраны труда и Института
безопасности труда, производства и человека ПГТУ; С. А. Бабанов, д-р мед. наук,
проф. ГБОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава
России; В. И. Щербаков, руководитель Сервисного информационно-аналитического
центра охраны труда Тульской обл.,
чл.-корр. Академии наук социальных технологий и местного самоуправления, руково-
дитель группы управления профессиональными рисками; А. С. Державец, д-р техн.
наук, проф., академик РАЕН и МАНЭБ, член
Общественного совета при Федеральной
службе по экологическому, технологическому и атомному надзору; Н. Л. Вяткин, д-р
экон. наук, канд. техн. наук, техн. директор
ЗАО «Взрывиспытания».
Издается при информационной поддержке ФГБУ «ВНИИ охраны и экономики
труда» Минтруда России и Клинского института охраны и условий труда.
Ежемесячное издание. Объем —
80–96 с. Распространяется по подписке
и на отраслевых мероприятиях.
ОСНОВНЫЕ РУБРИКИ
r Управление охраной труда.
r Аттестация рабочих мест.
r Управление профессиональными рисками.
r Факультет промышленной безопасности.
r Надзор и контроль.
r Гигиена труда.
r Охрана труда и социальное партнерство.
r Вопросы страхования.
r Инструкции по технике безопасности.
r Новое в законодательстве.
r Выставки и конференции.
r Зарубежный опыт.
И другие рубрики.
На правах рекламы
индексы
16583
82721
Для оформления подписки через редакцию необходимо получить счет на оплату, прислав заявку по электронному адресу
[email protected] или по факсу (499) 346-2073, а также позвонив по телефонам: (495) 749-2164, 749-4273.