Режимы работы низковольтных комплектных устройств

Низковольтное комплектное устройство состоит из физических тел, излучающих или потребляющих тепловую энергию в ограниченном пространстве. Поскольку температура в различных точках НКУ неодинакова, внутри НКУ возникают тепловые потоки, которые можно описать уравнением теплового поля:

u = f (L,B,H,t) , (4)

где L, B, H —– длина, глубина и высота НКУ;

t — время.

Таким образом, температурное поле НКУ является трехмерным и неоднородным, что усложняет его расчет. Теплота в НКУ переносится в направлении стенок шкафов, так как они имеют температуру ниже, чем температура внутреннего объема шкафа. Тепловой поток согласно формуле Ньютона-Рихмана Q=qS_охл , (5)

где Sохл — площадь поверхности охлаждения, м2;

q — плотность теплового потока, Вт/м2.

Построив температурное поле внутреннего объема НКУ, можно представить наиболее уязвимые области НКУ, что облегчит работу по рациональному размещению элементов внутри НКУ. В качестве основного теплового параметра, характеризующего НКУ, используется допустимая температура нагрева частей элементов и конструкции НКУ. Снижение температуры внутри НКУ ниже допустимой приведет лишь к увеличению габаритных размеров НКУ и снижению его технико-экономических показателей.

Низковольтное комплектное устройство должно нормально функционировать при температуре среды внутреннего объема до +55° C, что является наиболее эффективным и рациональным [9].

Если u₁ температура окружающей НКУ среды, а u₂ температура внутри НКУ, то их соотношение имеет вид

u_2т = u₁+ q/k , (6)

где k_т — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 °C).

В практических расчетах часто используют понятие «перепад температуры», который определяется формулой Q = u₁ - u₂, и строят зависимости Q = f (q).

Для поддержания температуры внутри НКУ в допустимых пределах используются различные способы охлаждения — естественные и принудительные.

Естественное воздушное охлаждение является наиболее простым и распространенным охлаждением НКУ. Однако, его можно использовать лишь при небольшой плотности теплового потока внутри НКУ. Естественное охлаждение используется либо в полностью закрытых шкафах (за счет конвекции и излучения с наружной поверхности НКУ через металлические стенки), либо через специальные вентиляционные отверстия, расположенные в нижней и в верхней частях НКУ. При этом выделяющаяся в элементах тепловая энергия конвекцией передается потоку воздуха и уносится из шкафа.

Эффективность работы НКУ с естественной вентиляцией можно повысить, подбирая количество и форму вентиляционных отверстий, окраску теплоотдающих поверхностей и т. п.

Принудительная вентиляция наиболее эффективна при высокой плотности теплового потока внутри НКУ. Принудительное движение воздуха создается специальными вентиляторами, расположенными в верхней или нижней части НКУ. При этом возможны замкнутая или разомкнутая системы охлаждения. В замкнутой системе охлаждения воздух циркулирует внутри объема НКУ, а в разомкнутой – воздухообмен осуществляется между окружающей средой и внутренним объемом НКУ.

Принудительная вентиляция НКУ более широко применяется вследствие высокой ее эффективности, надежности и простоты.

Расчет теплового режима НКУ проводят для выбора необходимых габаритных размеров, которые обеспечивали бы нормальное тепловое состояние элементов НКУ.

НКУ представляет собой устройство, в котором протекают два воздушных потока с различными температурами, разделенных жесткой стенкой: внутренний тепловой поток определяется количеством теплоты, выделяемой элементами НКУ, а внешний тепловой поток — теплоотводящими свойствами стенок НКУ и окружающей средой.

Можно выделить два основных вида тепловых расчетов:

1) расчеты для определения площади теплоотдачи, а, следовательно, для выбора габаритных размеров НКУ. Эти расчеты выполняются на стадии проектирования НКУ;

2) расчеты для определения соответствия выбранных габаритных размеров нормальному тепловому режиму работы НКУ.

Такие расчеты выполняются на любом этапе проектирования, изготовления и эксплуатации НКУ

Уравнение теплового баланса НКУ в продолжительном режиме работы имеет вид:

P_п = Q, (7)

где Pп – суммарное количество теплоты, выделяемое элементами НКУ, Вт;

Q – количество теплоты, отводимой от НКУ в окружающую среду, Вт.

, (8)

где Р_пi — количество теплоты, выделяемой i-м элементом НКУ,

m — число элементов в НКУ.

Количество теплоты, отводимой от НКУ в окружающую среду, определяется согласно (5).

Расчет количества теплоты, выделяемой внутри НКУ, представляет определенную сложность. Упростить задачу можно, рассчитав количество теплоты P_п по номинальным параметрам, однако точность такого расчета невелика. Лучшие результаты дает расчет количества теплоты P_п [6] с учетом коэффициента загрузки элементов и особенностей технологических процессов производства.

Более сложной является задача расчета количества теплоты, отводимой от НКУ в окружающую среду, и определение коэффициента теплоотдачи, зависящего от температуры [9].

Если в результате расчета теплового баланса количество теплоты Р_п превышает количество теплоты Q, то необходимо либо изменить систему охлаждения, либо увеличить габаритные размеры НКУ, либо заменить элементы, сильно влияющие на тепловое состояние внутренней области НКУ.

Точный аналитический расчет теплового состояния НКУ связан с большими трудностями, поэтому наибольшее распространение получили упрощенные методы расчета с учетом экспериментальных данных (тепловых характеристик).