Применение УЗИП (ЩЗИП) в районах с тяжелыми климатическими условиями.
Часть 2
В качестве примера для расчета теплового баланса будем рассматривать шкаф ЩЗИП совмещенный с оборудованием САУ крановой площадки газопровода.
Рисунок 4 — Внешний вид ЩЗИП на объекте эксплуатации
ЩЗИП установлен на объекте Краснотурьинского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Югорск» в умеренном климатическом поясе. Лето умеренно теплое (от плюс 10 до плюс 25-28 °С). Зима холодная (от минус 50 до плюс 4 °С). Годовое количество осадков от 1000 до 3000 мм. Наблюдается значительное влияние западных ветров, приносящих осадки весь год. Значения климатических факторов среды в районе эксплуатации приняты согласно ГОСТ 15150-69, представлены в таблице 2.
Щиток оснащен системой автоматического поддержания заданной температуры и относительной влажности внутри щитка, обеспечивающей безопасную работу размещенного в нем оборудования.
Рабочая температура и относительная влажность поддерживаются при помощи обогревателя и вентилятора, управляемых двумя независимыми терморегуляторами и гигростатом. По умолчанию на терморегуляторах заданы значения плюс 10 °С и плюс 40 °С, соответственно. Таким образом, при понижении температуры в щитке включается обогреватель, а при повышении вентилятор. В рабочем диапазоне температур вентилятор и обогреватель выключаются автоматически (нагреватель при плюс 15 °С, вентилятор при плюс 35 °С). Относительная влажность внутри щитка поддерживается на уровне
65 %. При ее увеличении включается обогреватель, воздух подсушивается, и нагрев автоматически выключается. Таким образом, можно избежать выпадения конденсата. Для уменьшения тепловых потерь металлический корпус проклеен теплоотражающим материалом – пенофолом толщиной 10 мм.
Данные по типу оболочки ЩЗИП представлены в таблице 3.
Для определения мощности обогревателя/охладителя воспользуемся справочными таблицами 4 — 11.
В шкафу отсутствуют шины, кабели и проводники главных цепей. Рассчитаем потери в проводниках. Для расчета воспользуемся формулой (1) и справочными данными Приложения 1.
Рассчитаем суммарное выделение тепла.
Итого суммарная мощность 301.6Вт ~ 302 Вт. Определяем коэффициент распределения температуры «С» для оболочек без вентиляционных отверстий, с эффективной поверхностью охлаждения Аэ >1,25 м².
где: h – высота оболочки, Аосн – площадь основания, Тип установки определяется по условиям таблицы 4, С = 1,41, между значениями 1,435 и 1,415.
Превышение температуры на уровне высоты половины оболочки Δt1/2 составит:
Для определения температуры в верхней части оболочки Δt1 необходимо установить поправочный коэффициент f= 5,26. Коэффициент распределения температуры для оболочек без вентиляционных отверстий, с эффективной поверхностью охлаждения A > 1,25 м², С= 1,41.
Для исследуемого шкафа ЩЗИП расчётная температура в верхней части оболочки выше температуры окружающей среды на Δt1= 19,6 К. По упрощенной формуле (3), (4) для окрашенного шкафа превышение температуры внутри оболочки составит:
Ti = Q/(К × Аэ)=11 К.
Обе формулы расчета показали схожий результат при определении превышения температуры внутри шкафа. Методика стандарта МЭК 60890 точнее, но данные отличаются незначительно. Поэтому можно рекомендовать к применению обе формулы для вычислений, при этом особое внимание уделить реальным режимам работы, и, следовательно, мощности, которая преобразуется в тепло.
Приведенные методики расчета сводятся к определению превышения температуры внутри НКУ; подразумевается, что данное превышение будет существовать относительно температуры окружающего воздуха во всем диапазоне. Для определения относительной температуры внутри оболочки достаточно суммировать текущее значение окружающего воздуха со значением превышения. Разработчику остается, задавшись допустимым температурным диапазоном, получить значения по искусственному (внешнему) ограничению климатических условий, либо предусмотреть при необходимости вентиляцию (обогрев) и регулировать климатические параметров за счет внутренних устройств – обогреватели, вентиляторы, кондиционеры.
Вопросы теплопередачи, связанные с наличием разницы температур, материала, толщины стенки и эффективной площади рассеивания тепла могут быть рассмотрены с помощью формулы (16). Вот и все, а теперь с учетом известных значений температур окружающей среды (Temin, Temax), можно найти максимальные и минимальные значения температуры (°С) внутри шкафа: С учетом температуры окружающего воздуха по ГОСТ 15150-69 для интервала наблюдений 65 % и 100 % (верхнее и нижнее рабочее значение) внутри оболочки могут быть достигнуты значения температуры (Timax, Timin) указанные в таблице 11.
Полученные данные необходимо сравнить с температурными режимами оборудования. Если максимальное расчетное значение температуры менее заданного максимального (Timax < Tmax), то системы поддержания микроклимата (охлаждения) не требуется. Если минимальное расчетное значение температуры ниже заданного (Timin < Tmin), то необходимо предусмотреть электрический нагреватель. Для комплектующих, приименных в составе ЩЗИП, допустимый температурный диапазон указанный производителем составляет от минус 40 (Tmin) до плюс 60 °С (Tmax), следовательно, дополнительных мер по температурном регулированию не нужно.
Заметим, что данные полученные для температурных режимов следует рассматривать независимо от определения точки росы и образования конденсата.
Определяем необходимость утеплителя/обогрева/охладителя.
Суммарно тепловыделение внутри шкафа составляет 302 Вт. Предположим, что необходимо установить температурный режим работы в диапазоне, отличном от значений, полученных без регулирования. Для этого предусмотрено два возможных варианта. Мощность системы можно определить из выражения:
Необходимый поток воздуха [м3/ч] можно рассчитать:
где: Tmin — минимальное допустимое значения температур внутри шкафа после регулирования; Tmax — максимальное допустимое значения температур внутри шкафа после регулирования; f — поправочный коэффициент (коэффициент f = Сp × ρ, произведение удельной теплоемкости и плотности воздуха на уровне моря).
Для различных высот над уровнем моря коэффициент f имеет следующие значения:
• 0–100 м f = 3,1;
• 100–250 м f = 3,2;
• 250–500 м f = 3,3;
• 500–350 м f = 3,4;
• 750–1000 м f = 3,5.
При расчете воздушного потока, создаваемого вентилятором, необходимо учитывать потери нагрузки, вызванные выпускными компонентами (воздухораспределительная решетка и фильтр, наличие или отсутствие вентиляционной решетки). Следует учитывать потери, которые неизбежно будут возникать вследствие загрязнения фильтра и уменьшения пропускной способности фильтра. При проектировании должно быть обеспечено равномерное распределение потерь мощности внутри оболочки (шкафа), а расположение встроенного оборудования не должно препятствовать циркуляции воздуха. При мощности обогревателя более 250 Вт для эффективного рассеивания мощности желательно установить вентилятор. Несоблюдение этих правил потребует проведения более сложных тепловых расчетов для исключения вероятности локальных перегревов и эффекта байпаса. Предположим, что регулированием температурного режима надо обеспечить интервал от 10 Tmin до 25 °С Tmax во всем диапазоне эксплуатации включая верхние и нижние рабочие значения. В данном случае необходимо охлаждение (Timax > Tmax), и обогрев (Timin < Tmin).
Если температура воздуха внутри шкафа выше температуры окружающего воздуха, то естественно он будет греть окружающий воздух. Если температура воздуха снаружи шкафа выше температуры воздуха внутри шкафа, то шкаф соответственно будет нагреваться. Это классический случай теплопередачи через плоскую стенку. Складываем теплоприток через стенки и получаем суммарный теплоприток через все стенки шкафа.
Теплоприток рассчитывается по формуле:
где: K — коэффициент теплопередачи стенки, Вт/(м²xK); S – площадь стенки, м²; dT(tв-tн) – разность температур по обе стороны стенки, K; tв — температура воздуха внутри шкафа, С; tн — температура воздуха на улице, С; Q — тепловыделения в шкафу от установленного оборудования, Вт; Аэ — площадь стенок шкафа, соприкасающихся с наружным воздухом, м².
Коэффициент теплопередачи К, считается по формуле (исходим из того, что стенка шкафа не многослойная, а однослойная):
где: αн – Коэффициент теплопередачи внутренний стенки, Вт/м²хК; αв – Коэффициент теплопередачи наружный стенки, Вт/м²хК; δ – толщина стенки, м; λ – коэффициент теплопроводности стенки в зависимости от материала, Вт/мхК; теплопроводность стали λ = 45…50 Вт/мК; теплопроводность фольгированного пенофола λ = 0,049 Вт/мК.
Коэффициенты теплопередачи αн, αв зависят от скорости движения воздуха возле поверхности стенки. Ориентируйтесь на эти данные:
а) неподвижный воздух = 8-9 Вт/м2хК (αв);
б) скорость воздуха 4 м/с = 23 Вт/м2хК (αн);
в) скорость воздуха 7 м/с = 35 Вт/м2хК.
Рассчитаем теплопотери для металлического неутепленного стального корпуса и в случае применения в качестве утеплителя шкафа фольгированного пенофола толщиной 10 мм.
Сопротивление теплопередаче стали 2 мм равно:
Кс = 1/αн + δт/λт + 1/αв = 1/23+0,002/50+1/8 = 0,17 Вт/м2°С.
Сопротивление теплопередаче пенофола 10 мм без учета стали равно:
Кп = 1/αн + δт/λт + 1/αв = 1/23+0,01/0,049+1/8 = 0,36 Вт/м2°С.
Теплопотери через стенки металлического шкафа:
Qс=(tв-tн)/К * Аэ=(55/0,17)*5,5=1779 Вт (с учетом 302 Вт имеющихся) = 1477 Вт.
Теплопотери через стенки утепленного шкафа:
Qп=(tв-tн)/К * Аэ=(55/0,36)*5,5=840 Вт (с учетом 302 Вт имеющихся) = 538 Вт.
При tв = плюс 10 °С (температура внутри шкафа) и температуре наружного воздуха минус 45 °С теплопотери, которые необходимо компенсировать равны: Q= 1500 Вт для неутепленного и 500 Вт для утепленного соответственно.
На эту мощность и стоит подбирать электронагреватель. С запасом, мощности 0,5 кВт вполне хватит для утепленного шкафа для любых погодных условий. Для выбранного изначально нагревателя 250 Вт допустимая минимальная температура: Qп=(tв-tн)/К * Аэ=(55/0,36)*5,5= 550=((10-Х)/0,36)х5,5= — 26 °С, что является недостаточным для климатического района эксплуатации.
В электрических щитах уличного исполнения, которые отличаются высокой герметичностью, где необходимо поддерживать более высокую температуру, требуется устанавливать нагреватели со встроенным вентилятором для принудительной циркуляции воздуха. Встроенные вентиляторы рекомендуется применять при мощности нагревателей от 250 Вт для повышения эффективности обогрева. Варианты: мини-термостат, термостат с фиксированной уставкой или термостат с переключающим контактом, гигростаты (электронные или механические) приборы, включающие в себя как термостат, так и гигростат.
Рисунок 5 — Типовая схема включения системы обогрева
Теплопотери через стенки металлического шкафа (с) при температуре наружного воздуха плюс 40 °С составляют Qс=(tв-tн)/К * Аэ=(15/0,17)*5,5 = 485 Вт. Теплопотери через стенки утепленного пенофолом шкафа (п) составляют Qп=(tв-tн)/К * Аэ=(15/0,36)*5,5= 229 Вт.
При tв = + 25 °С (температура внутри шкафа) и температуре наружного воздуха плюс 40 °С теплопотери равны: Q= 500 Вт и 250 Вт соответственно. Собственное тепловыделение аппаратуры в шкафу составляет 302Вт, которое суммируем с теплопотерями через стенки шкафа.
На суммарную мощность и стоит подбирать вентилятор. С запасом, производительности 100м³/ч вполне хватит для утепленного шкафа. Типоразмер вентилятора 100 мм выбираем по диаграмме на рисунке 7 (мощность ~ 500 Вт, разница температур от 15 до 20 градусов).
Рисунок 6 — Расположение вентиляционных отверстий в шкафу ЩЗИП
На верхней диаграмме представлено соотношение между производительностью вентилятора и количеством отводимого тепла. Продлив вертикальную прямую до нижней диаграммы получаем оптимальный типоразмер вентилятора.
Рисунок 7 — Определение типоразмера для охладителя
Источники:
1. Технические условия ТУ 3434-001-79740390-2007 «Щитки защиты от импульсных перенапряжений низковольтные комплектные».
2. ГОСТ IEC 61643-11-2013 «Устройства защиты от импульсных перенапряжений низковольтные».
3. ГОСТ IEC 61643-21-2014 «Устройства защиты от импульсных перенапряжений в системах телекоммуникации и сигнализации (информационных системах)».
4. ГОСТ Р 51321.1-2007 «Устройства комплектные низковольтные распределения и управления. Часть 1. Устройства, испытанные полностью или частично».
5. ГОСТ Р 50571-4-44-2011 «Электроустановки низковольтные. Часть 4-44. Требования по обеспечению безопасности. Защита от отклонений напряжения и электромагнитных помех».
6. ГОСТ 15150-59 «Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней сред».
7. ГОСТ Р МЭК 61643-12-2011 «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений
в низковольтных силовых распределительных системах. Принципы выбора и применения».
8. ГОСТ IEC 61439-1-2013 Устройства комплектные низковольтные распределения и управления. Часть 1. Общие требования.
9. МЭК 60890:1987 «Узлы низковольтной аппаратуры и механизмов управления, частично подвергшиеся типовым испытаниям. Методы оценки повышения температуры с помощью экстраполяции».
10. Компания ОВЕН Конфигуратор расчета микроклимата шкафов управления http://www.owen.ru/catalog/68577860.
11. Журнал «Современная электроника» №6 за 2017.
