Gehäusewärmeberechnung: ein Anwendungsbeispiel, von der Wärmelast zur Kühlung

Die Methode in einem Satz

Im stationären Zustand entspricht die vom Gerät erzeugte Wärme der Wärme, die das Gehäuse abführt. Bei einem geschlossenen Gehäuse ohne Kühlung erfolgt dies durch die Wände mittels natürlicher Konvektion und Strahlung. Kataloge für Gehäuseklimatisierung geben den Wandterm wie folgt an:

Qs = k x A x ΔT
Qs = Wärmeabgabe der Gehäuseoberfläche (W); k = Wärmeübergangskoeffizient (W/m²K); A = effektive Oberfläche (m²); ΔT = Innenlufttemperatur minus Außenlufttemperatur (K, entspricht der Differenz in °C).

Umgestellt ergibt sich der Temperaturanstieg für eine gegebene Wärmelast Qv zu ΔT = Qv / (k x A). Der Auslegungsleitfaden verwendet dies als erste Prüfung für ein 24 × 20 × 8 Zoll Gehäuse. Dieser Leitfaden führt das gleiche Gehäuse weiter: eine reale Wärmelast, einen Auslegungssicherheitszuschlag und die benötigte Kühlung. Der Gehäusewärmerechner führt diese Schritte für jede unserer Größen oder Ihre eigenen durch, wandmontiert oder von allen Seiten frei zugänglich.

Schritt 1: Innere Wärme aufaddieren

Der Wärmeeingang muss von den Geräteherstellern stammen: Deren Datenblätter nennen die Verlustleistung in Watt. Ist nur der Wirkungsgrad angegeben, wie bei den meisten Netzteilen, beträgt der Verlust:

Verlust = Ausgangsleistung x (1 / Wirkungsgrad - 1)

Für unser Beispiel nehmen wir diese Datenblattwerte an. Diese dienen nur zur Veranschaulichung; verwenden Sie Ihre eigenen.

Der thermische Leitfaden eines Gehäuseherstellers besagt, dass seine Methode zur Berechnung des Temperaturanstiegs nur eine Näherung ist, da Layout, interne Lüfter und die Luftbewegung um das Gehäuse das Ergebnis verändern, und empfiehlt einen Sicherheitszuschlag von 25% für kritische Anwendungen. Hier wenden wir diesen auf die Last an, sodass die Auslegungswärmelast 74.1 W beträgt.

Schritt 2: Zulässige Temperaturerhöhung festlegen

Die zulässige Erhöhung ist die maximale Innentemperatur minus der maximalen Außentemperatur. Das innere Limit ergibt sich aus dem Gerät mit der niedrigsten Einstufung im Gehäuse, und es zahlt sich aus, deutlich darunter zu bleiben: Derselbe thermische Leitfaden weist darauf hin, dass sich die Zuverlässigkeit elektronischer Bauteile für jeden Anstieg von 18 °F (10 °C) über der normalen Raumtemperatur von 72-75 °F (22-24 °C) halbiert.

Beispiel: Das am niedrigsten eingestufte Gerät ist für 50 °C ausgelegt; wir planen für 45 °C im Inneren, um eine Sicherheitsmarge einzuhalten. Der Raum erreicht am heißesten Tag 35 °C. Zulässiger Anstieg: 45 - 35 = 10 K (18 °F).

Schritt 3: Über die Wand ableitbare Wärme

Die Oberfläche eines Gehäuses mit A x B x C in Zoll beträgt 2[(A x B) + (A x C) + (B x C)] / 144 in ft², wobei alle sechs Seiten gezählt werden. Lassen Sie Seiten weg, die keine Wärme übertragen können, wie die Rückseite eines Wandgehäuses. Das Volumen kann nicht anstelle der Oberfläche verwendet werden. Verfeinertere Methoden wie die IEC 890 Oberflächenmethode aus Klimatisierungskatalogen gewichten die Flächen zudem nach der Montageart des Gehäuses: freistehend, an einer Wand oder nebeneinander.

Der Koeffizient k ist der Punkt, bei dem veröffentlichte Werte voneinander abweichen. Prüfen Sie daher, welchen Sie verwenden:

Der thermische Leitfaden eines Herstellers erläutert die Richtung: Unbehandelter Edelstahl und Aluminium strahlen Wärme weniger effizient ab als lackierte Oberflächen, weshalb sie bei gleicher Last heißer werden, während nichtmetallische Gehäuse sich ähnlich wie lackiertes Metall verhalten. Für blankes Aluminium weichen die veröffentlichten Koeffizienten stark voneinander ab, fragen Sie daher den Gehäusehersteller. Wir verwenden 3.7 W/m²K für Edelstahl, wie im Auslegungsleitfaden, und zeigen den niedrigeren Wert als Kontrolle. Konservativ gelesen impliziert das Temperaturanstiegsdiagramm eines Herstellers ebenfalls einen niedrigeren Wert, betrachten Sie also 3.7 als optimistischen Wert und behalten Sie den Sicherheitszuschlag bei.

Beispiel, Methode der freien Fläche: Das 24 × 20 × 8 Zoll Gehäuse an einer Wand exponiert seine Vorderseite (24 × 20), Ober- und Unterseite (2 × 24 × 8) sowie die Seiten (2 × 20 × 8): 480 + 384 + 320 = 1,184 in² = 8.22 ft² = 0.764 m² an freier Oberfläche. Dieser Leitfaden arbeitet das Beispiel mit der freien Fläche durch; der letzte Punkt unten liefert den IEC/TR 60890 Wert, den unsere Produktseiten, Größentabellen und der Wärmerechner verwenden.

• Wandableitung bei k = 3.7: 3.7 × 0.764 × 10 = 28.3 W.
• Mit dem niedrigeren veröffentlichten Wert von ca. 1.9 W/m²K: 1.94 × 0.764 × 10 = 14.8 W.
• Unsere Produktseiten verwenden stattdessen die effektive Oberfläche eines Wandgehäuses nach IEC/TR 60890, A = 1.4 x B x (H + T) + 1.8 x T x H (in Metern), welche die Ober- und Seitenteile nach ihrer Wärmeabgabefähigkeit gewichtet: 1.4 × 0.508 x (0.610 + 0.203) + 1.8 × 0.203 × 0.610 = 0.801 m², also 3.7 × 0.801 × 10 = 29.6 W, die ≈ 30 W auf der 24 × 20 × 8 Zoll Seite. Die beiden Methoden stimmen innerhalb von 5 % überein, und die glatte Fläche ergibt den niedrigeren, vorsichtigeren Wert.

Praxisbeispiel: Reicht ein geschlossenes Gehäuse?

Nein. Die Auslegungslast beträgt 74.1 W und die Wände führen bei dem zulässigen Anstieg (glatte Fläche) 28.3 W ab: ein Defizit von 45.8 W. Mit der Oberfläche nach IEC/TR 60890 führen sie 29.6 W ab, ein Defizit von 44.5 W: das gleiche Ergebnis.

• Was das abgedichtete Gehäuse tatsächlich erreichen würde: ΔT = 74.1 / (3.7 × 0.764) = 74.1 / 2.83 = 26.2 K, also 35 + 26.2 = etwa 61 °C im Inneren, über der Geräte-Herstellerangabe von 50 °C. Selbst ohne Sicherheitsmarge ergeben 59.3 / 2.83 = 21.0 K etwa 56 °C.
• Die Oberfläche, die eine abgedichtete Box benötigen würde: A = 74.1 / (3.7 × 10) = 2.00 m² (21.5 ft²), etwa 2.6 mal die 0.764 m² Fläche, die dieses Gehäuse exponiert.

Diese Last erfordert also eine aktive Kühlung, ein wesentlich größeres Gehäuse oder eine Auslagerung von Wärme, zum Beispiel ein extern montiertes Netzteil.

Schritt 4: Kühlung dimensionieren

Lüfter und Filter bewegen Außenluft durch das Gehäuse, wodurch die Innenseite alles mitnimmt, was die Außenluft trägt. Die Lüfterformel ignoriert, was die Wände abgeben, was konservativ ist. Die Luftmenge eines Lüfters im Katalog wird bei freiem Ablauf gemessen, und Filter an Eingang und Ausgang reduzieren sie, also den Arbeitspunkt anhand der Lüfterkurve ablesen, wie die Dimensionierung eines Filterlüfters für eine Steuerplatte aus Wärmelast und Delta T zeigt. Die beiden Versionen stimmen überein: 23 m³/h entspricht ungefähr 13.5 CFM. Die Luft ist in der Höhe dünner, wodurch der Faktor f auf 3.5 m³K/Wh bei 750-1,000 m ansteigt. Setzen Sie den Eingang auf einer Seite unten und den Ausgang auf der gegenüberliegenden Seite oben, machen Sie den Ausgang mindestens so groß wie den Eingang und bevorzugen Sie einen Lüfter, der am Eingang einbläst, was den Druck im Inneren erhöht und dabei Staub fernhält.

Wärmetauscher halten die Innenluft von der Außenluft getrennt. Ein Katalog für Klimatisierung empfiehlt sie dort, wo die Außenluft Staub, Öl oder aggressive Substanzen enthält, die nicht eindringen dürfen. Sie funktionieren nur, solange die Außenluft kühler als die Innenluft ist, und der Katalog bezeichnet eine Differenz von 10 K als ideal. Eine Gegenprüfung in US-Einheiten ergibt dasselbe Ergebnis: 74.1 / 18 = 4.12 W/°F, abzüglich der Wände mit 0.191 W/°F·ft² x 8.22 ft² = 1.57 W/°F, verbleiben 2.55 W/°F. Mit dem niedrigeren k-Wert steigt die Anforderung auf (74.1 - 14.8) / 10 = 5.9 W/K, wählen Sie also mit Sicherheitsmarge.

Klimageräte sind hier die einzige Option, um die Innentemperatur unter der Außentemperatur zu halten. Wenn der Raum heißer als das Gehäuse ist, leiten die Wände Wärme nach innen, und diese Wärme erhöht die Last. Sie entfeuchten auch die Luft im Inneren; der Kondensationsleitfaden beschreibt das Vorgehen bei Feuchtigkeit.

Die Einstufung: Alles, was in der Gehäusewand montiert wird, wird Teil des Gehäuses. Die NEMA-Regel besagt, dass die Einstufung einer Baugruppe durch die Komponente mit der niedrigsten Einstufung begrenzt wird. Daher muss ein Lüfter, Wärmetauscher oder Klimagerät an einem NEMA 4X-type Gehäuse selbst eine 4X Einstufung aufweisen, andernfalls ist das Gehäuse nicht mehr 4X. In Washdownbereichen schließt dies in der Regel Lüfter und Filter aus; siehe Washdowngehäuse.

Im Freien: Sonneneinstrahlung hinzufügen

Derselbe thermische Leitfaden gibt den solaren Gewinneintrag als Diagramm in Watt pro Quadratfuß in Abhängigkeit von der gewünschten Temperaturerhöhung und Farbe an. Für ein graues Gehäuse nach ANSI 61 nennt der Text etwa 14 W/ft² bei null Erhöhung (Gehäuse auf Umgebungstemperatur gehalten) und etwa 6 W/ft² bei einer Erhöhung um 20 °F (11 K). Angewendet auf die 8.22 ft² unseres Beispiels:

• Gehalten bei Umgebungstemperatur: 14 × 8.22 = 115 W durch Sonneneinstrahlung, plus 74.1 W durch die Ausrüstung = etwa 189 W abzuführen.
• Gehalten bei 20 °F über Umgebungstemperatur: 6 × 8.22 = 49 W plus 74.1 W = etwa 123 W.

Das gilt für eine graue Lackierung; die weißen und metallischen Kurven des Diagramms liegen deutlich darunter. Dennoch kann die Sonne bei diesem kleinen Gehäuse mehr Wärme eintragen als die Einbaugeräte. Beschattung und Farbe stehen an erster Stelle; der Ratgeber für Außengehäuse behandelt Sonnenschutzdächer und Oberflächen.

Prüfen Sie die Antwort auf der Website

Die gleiche Beziehung gilt auch umgekehrt. Ein Katalog zur Klimaregulierung weist darauf hin, dass, wenn der Wärmeverlust innerhalb eines Gehäuses nicht bekannt ist, man die Innen- und Umgebungstemperaturen messen und ihn aus Qs = k x A x ΔT berechnen kann. Messen Sie in der Nähe der heißesten Geräte, nicht nur in der Mitte des Gehäuses: die Berechnung ergibt einen Durchschnitt, und ein Komponente, die viel Wärme erzeugt oder neben einer solchen steht, kann viel heißer laufen. Mit einer Wärmebildkamera können Sie jede Oberfläche mit der Luft direkt um sie herum und mit dem eigenen Grenzwert dieses Geräts vergleichen, nicht mit einem festen Referenztemperatur; infrarot Temperaturanstieg in einem elektrischen Schaltschrank messen umfasst die Prüfungen. Halten Sie die gekühlte Luft von einem Wärmetauscher oder Klimagerät von aktiven Komponenten fern und lassen Sie genügend Platz um die Geräte, damit Luft sich bewegen kann; der Leitfaden zur Rückplatte behandelt Wärmebereiche und Abstände.

Häufig gestellte Fragen

Quellen

1. Rittal, Technischer Systemkatalog Klimatisierung, Berechnungsbasis (Qs = A k ΔT, k = 5.5 W/m²K Stahlblech, IEC 890 Oberfläche, Messung unbekannter Verlustleistung)
2. Rittal, Projektierung Filterlüfter (V = f Qv / ΔT, f nach Höhenlage)
3. Rittal, Projektierung Luft/Luft-Wärmetauscher (qw-Formel, 10 K ideal, Kühlluft nicht an Bauteilen)
4. Rittal, Projektierung Kühlgeräte (Kühlleistungsformel, Kühlung unter Umgebungstemperatur, Entfeuchtung)
5. Rittal, Auswahlkriterien Kühlgeräte (Montageart nach IEC 890)
6. nVent HOFFMAN, Spec-00488, Wärmemanagement (Oberflächenformel, Materialien, 25% Reserve, Zuverlässigkeit, Umlauflüfter, Solardiagramm und Beispiele, Lüfterformel und Platzierung)
7. Hammond Manufacturing, Produktauswahl für Heizprodukte (Wärmeübergangskoeffizienten)
8. AutomationDirect Bibliothek, "Auswahl eines Gehäusewärmetauschers" (W/°F Methode und Koeffizienten)
9. NEMA, "NEMA FAQs: Enclosures" (Q15, die Regel des schwächsten Glieds)