El método en una línea
En estado estacionario, el calor que produce el equipo es igual al calor que el gabinete elimina. Para un gabinete sellado sin refrigeración, esto significa a través de las paredes, por convección natural y radiación. Los catálogos de control climático de gabinetes escriben el término de la pared como:
Qs = k x A x ΔT
Qs = calor emitido por la superficie del gabinete (W); k = coeficiente de transferencia de calor (W/m²K); A = área de superficie efectiva (m²); ΔT = temperatura del aire interior menos la temperatura del aire exterior (K, igual que la diferencia en °C).
Reordenado, el aumento de temperatura para una carga térmica dada Qv es ΔT = Qv / (k x A). La guía de dimensionamiento utiliza esto como una primera comprobación para un gabinete de 24 × 20 × 8 pulg. Esta guía profundiza en el mismo gabinete: una carga térmica real, un margen de diseño y el enfriamiento que necesitaría. La calculadora de calor del gabinete realiza estos pasos para cualquiera de nuestros tamaños o el suyo propio, ya sea de montaje en pared o expuesto por todos sus lados.
Paso 1: sumar el calor interno
La entrada de calor debe provenir de los fabricantes de los componentes: sus hojas de datos indican la pérdida o disipación de potencia en watts. Cuando solo se indica la eficiencia, como ocurre con la mayoría de las fuentes de alimentación, la pérdida es:
Pérdida = potencia de salida x (1 / eficiencia - 1)
Para nuestro ejemplo, asumimos estos valores de la hoja de datos. Son ilustrativos; utilice los suyos propios.
| Dispositivo | Base | Calor (W) |
|---|---|---|
| fuente de alimentación de 24 V CC | salida de 120 W con 90% de eficiencia: 120 x (1/0.90 - 1) | 13.3 |
| PLC con E/S | Disipación según la hoja de datos | 10.0 |
| Switch Ethernet | Disipación según la hoja de datos | 6.0 |
| PC industrial pequeño | Disipación según la hoja de datos | 25.0 |
| Relés, terminales, cableado | Estimación | 5.0 |
| Total | 59.3 | |
| Con un 25% de margen | 59.3 × 1.25 | 74.1 |
La guía térmica de un fabricante de gabinetes indica que su método de aumento de temperatura es solo una aproximación, ya que la disposición, los ventiladores internos y el movimiento del aire alrededor del gabinete cambian el resultado, y recomienda un margen de seguridad del 25% para aplicaciones críticas. Aquí lo aplicamos a la carga, por lo que la carga térmica de diseño es 74.1 W.
Paso 2: establecer el aumento de temperatura permitido
El aumento permitido es la temperatura máxima interna menos la temperatura máxima externa. El límite interno proviene del dispositivo con la clasificación más baja en el gabinete, y conviene mantenerse muy por debajo de este: la misma guía térmica señala que por cada aumento de 18 °F (10 °C) por encima de la temperatura ambiente normal de 72-75 °F (22-24 °C), la confiabilidad de los componentes electrónicos se reduce a la mitad.
Ejemplo: el dispositivo con la clasificación más baja está clasificado para 50 °C; diseñamos para 45 °C en el interior para mantener un margen. La habitación alcanza los 35 °C en el día más caluroso. Aumento permitido: 45 - 35 = 10 K (18 °F).
Paso 3: cuánto pueden disipar las paredes
El área superficial de un gabinete de A x B x C pulg es 2[(A x B) + (A x C) + (B x C)] / 144 ft², contando los seis lados. Excluya cualquier lado que no pueda transferir calor, como la parte posterior de un gabinete de montaje en pared. El volumen no puede utilizarse en lugar del área superficial. Métodos más refinados, como el método de área superficial IEC 890 utilizado en catálogos de control climático, también ponderan las superficies según cómo se instale el gabinete: de pie, contra una pared o uno al lado del otro.
El coeficiente k es donde los valores publicados difieren, así que verifique cuál utiliza:
| Material | Catálogo de control climático / guía de calentadores | Guía de selección de intercambiadores de calor |
|---|---|---|
| Acero pintado | 5.5 W/m²K (0.51 W/ft²K) | 0.22 W/°F·ft² (aproximadamente 4.3 W/m²K) |
| Acero inoxidable, sin pintura | aproximadamente 3.7 W/m²K (0.344 W/ft²K) | 0.10 W/°F·ft² (aproximadamente 1.9 W/m²K) |
| Plástico / no metálico | aproximadamente 3.5 W/m²K (0.325 W/ft²K) | 0.22 W/°F·ft² (aproximadamente 4.3 W/m²K) |
La guía térmica de un fabricante explica la tendencia: el acero inoxidable sin acabado y el aluminio irradian el calor de manera menos eficiente que las superficies pintadas, por lo que operan a una temperatura más alta para la misma carga, mientras que los gabinetes no metálicos se comportan de forma muy similar al metal pintado. Para el aluminio sin acabado, los coeficientes publicados difieren ampliamente, por lo que debe consultar al fabricante del gabinete. Utilizamos 3.7 W/m²K para el acero inoxidable, como en la guía de dimensionamiento, y mostramos el valor más bajo como comprobación. Si se interpreta de forma conservadora, el gráfico de aumento de temperatura de un fabricante también implica una cifra menor, por lo que trate a 3.7 como el extremo optimista y mantenga el margen.
Ejemplo, método de área plana: el gabinete de 24 × 20 × 8 pulg en una pared expone su frente (24 × 20), parte superior e inferior (2 × 24 × 8) y laterales (2 × 20 × 8): 480 + 384 + 320 = 1,184 in² = 8.22 ft² = 0.764 m² de área de superficie plana. Esta guía trabaja el ejemplo con el área plana; el último punto a continuación proporciona la cifra IEC/TR 60890 que nuestras páginas de productos, tablas de tamaños y calculadora de calor utilizan.
- Disipación de pared a k = 3.7: 3.7 × 0.764 × 10 = 28.3 W.
- Con el valor publicado más bajo de aproximadamente 1.9 W/m²K: 1.94 × 0.764 × 10 = 14.8 W.
- Nuestras páginas de productos utilizan en su lugar la superficie efectiva IEC/TR 60890 de un gabinete de montaje en pared, A = 1.4 x W x (H + D) + 1.8 x D x H (en metros), la cual pondera la parte superior y los laterales según su capacidad de disipación de calor: 1.4 × 0.508 x (0.610 + 0.203) + 1.8 × 0.203 × 0.610 = 0.801 m², por lo que 3.7 × 0.801 × 10 = 29.6 W, los ≈ 30 W en la página de 24 × 20 × 8 pulg. Los dos métodos coinciden dentro de un 5 %, y el área simple proporciona la cifra más baja y cautelosa.
Ejemplo práctico: ¿es suficiente una caja sellada?
No. La carga de diseño es de 74.1 W y las paredes disipan 28.3 W con el aumento permitido (área plana): un déficit de 45.8 W. Con la superficie IEC/TR 60890, disipan 29.6 W, un déficit de 44.5 W: la misma respuesta.
- Lo que la caja sellada alcanzaría realmente: ΔT = 74.1 / (3.7 × 0.764) = 74.1 / 2.83 = 26.2 K, por lo que 35 + 26.2 = aproximadamente 61 °C en el interior, por encima de la clasificación del dispositivo de 50 °C. Incluso sin el margen, 59.3 / 2.83 = 21.0 K da aproximadamente 56 °C.
- La superficie que necesitaría una caja sellada: A = 74.1 / (3.7 × 10) = 2.00 m² (21.5 ft²), aproximadamente 2.6 veces los 0.764 m² que este gabinete expone.
Por lo tanto, esta carga requiere refrigeración activa, un gabinete mucho más grande o que parte del calor se desplace al exterior, por ejemplo, una fuente de alimentación montada en otro lugar.
Paso 4: dimensionar el enfriamiento
| Opción | Fórmula | Resultado | ¿Mantiene el gabinete sellado? |
|---|---|---|---|
| Ventilador de circulación | Mezcla el aire interior | Hasta aproximadamente un 10% más de disipación; elimina puntos calientes | Sí |
| Ventilador y filtro | V = f x Qv / ΔT, f = 3.1 m³K/Wh hasta 100 m de altitud; o CFM = 3.16 x W / ΔT (°F) | 3.1 × 74.1 / 10 = 23 m³/h; 3.16 × 74.1 / 18 = 13 CFM | No: lazo abierto |
| Intercambiador de calor aire-aire | qw = (Qv - k x A x ΔT) / ΔT | (74.1 - 28.3) / 10 = 4.58 W/K (2.55 W/°F) | Sí: lazo cerrado |
| Aire acondicionado para gabinete, sala a 45 °C, interior a 35 °C | QK = Qv - k x A x (Ti - Tu) | 74.1 - 3.7 × 0.764 x (35 - 45) = 74.1 + 28.3 = 102 W | Sí: lazo cerrado |
Los ventiladores y filtros mueven aire exterior a través del gabinete, por lo que el interior recibe lo que lleve ese aire. La fórmula del ventilador ignora lo que las paredes liberan, lo que la hace conservadora. El caudal de aire del catálogo de un ventilador se mide en condiciones de libre flujo, y los filtros en la entrada y salida lo reducen, así que lea el punto de funcionamiento en la curva del ventilador, como muestra dimensionar un ventilador con filtro para panel de control según la carga térmica y delta T. Las dos versiones coinciden: 23 m³/h es aproximadamente 13.5 CFM. El aire es menos denso a mayor altitud, por lo que el factor f sube a 3.5 m³K/Wh a 750-1,000 m. Coloque la entrada baja en un lado y la salida alta en el lado opuesto, haga que la salida sea al menos tan grande como la entrada, y prefiera un ventilador que inyecte aire en la entrada, lo que eleva la presión interior y ayuda a mantener el polvo fuera.
Intercambiadores de calor mantienen el aire interior separado del aire exterior. Un catálogo de control climático los recomienda cuando el aire ambiente transporta polvo, aceite o sustancias agresivas que no deben entrar. Solo funcionan mientras el aire exterior sea más frío que el interior, y el catálogo indica que una diferencia de 10 K es ideal. Una verificación cruzada en unidades de EE. UU. da la misma respuesta: 74.1 / 18 = 4.12 W/°F, menos los 0.191 W/°F·ft² x 8.22 ft² = 1.57 W/°F de las paredes, deja 2.55 W/°F. Con el valor k más bajo, el requisito aumenta a (74.1 - 14.8) / 10 = 5.9 W/K, así que elija con margen.
Los aires acondicionados son la única opción aquí que puede mantener el interior por debajo de la temperatura exterior. Cuando la habitación está más caliente que el gabinete, las paredes permiten la entrada de calor, y ese calor se suma a la carga. También deshumidifican el aire interior; la guía de condensación explica qué hacer con el agua.
La clasificación: cualquier componente montado en la pared del gabinete se convierte en parte del gabinete. La regla de NEMA es que la clasificación de un conjunto está limitada por su componente con la clasificación más baja, por lo que un ventilador, intercambiador de calor o aire acondicionado en un gabinete NEMA 4X-type debe tener por sí mismo una clasificación de 4X, o el gabinete dejará de ser 4X. En áreas de lavado a presión, esto generalmente descarta ventiladores y filtros; consulte gabinetes para lavado a presión.
Exterior: exposición al sol
La misma guía térmica presenta la ganancia solar como un gráfico de watts por pie cuadrado frente al aumento de temperatura que desea mantener, por color. Para un gabinete gris ANSI 61, su texto indica aproximadamente 14 W/ft² con un aumento de cero (manteniendo el gabinete a temperatura ambiente) y aproximadamente 6 W/ft² con un aumento de 20 °F (11 K). Aplicado a los 8.22 ft² de nuestro ejemplo:
- Mantenido a temperatura ambiente: 14 × 8.22 = 115 W del sol, más 74.1 W del equipo = aproximadamente 189 W a eliminar.
- Mantenido a 20 °F por encima de la temperatura ambiente: 6 × 8.22 = 49 W más 74.1 W = aproximadamente 123 W.
Eso es para un acabado de pintura gris; las curvas blancas y metálicas de la tabla se sitúan mucho más abajo. Aun así, en este gabinete pequeño, el sol puede añadir más calor que el equipo. La sombra y el color son lo primero; la guía de gabinetes para exteriores cubre los protectores solares y los acabados.
Verifique la respuesta en el sitio
La misma relación funciona al revés. Un catálogo de control climático señala que si no se conoce la pérdida de calor dentro del gabinete, puede medir las temperaturas interior y ambiental y calcularla a partir de Qs = k x A x ΔT. Mida cerca de los dispositivos más calientes, no solo en el centro del gabinete: el cálculo da un promedio, y un componente que produce mucha parte del calor o está junto a uno puede funcionar mucho más caliente. Con una cámara térmica, compare cada superficie con el aire que la rodea y con el límite propio de ese dispositivo, no con una temperatura de referencia fija; leer el aumento de temperatura infrarroja en un panel eléctrico cubre las verificaciones. Mantenga el aire enfriado de un intercambiador de calor o aire acondicionado alejado de componentes activos y deje espacio alrededor de los dispositivos para que el aire se mueva; la guía de diseño de placas traseras cubre zonas de calor y espaciado.
Diseños personalizados. NEMA4 Enclosure gabinetes personalizados en acero inoxidable 304 o 316L, acero al carbono con recubrimiento en polvo y aluminio se fabrican según el tamaño que usted especifique, para que pueda elegir el área de superficie que requiere la carga térmica; el policarbonato y el poliéster reforzado con fibra de vidrio (PRFV) vienen en tamaños moldeados estándar cortados según su diseño. Díganos qué ventilador, intercambiador de calor o aire acondicionado instalará y cortaremos la abertura para ello; la clasificación del conjunto terminado estará limitada por la clasificación de esa unidad. Nuestros gabinetes de montaje en pared en acero inoxidable 304 y 316L tienen una clasificación NEMA 4X / IP66 del fabricante; no listado por UL.
Preguntas frecuentes
¿Cómo calculo la carga térmica en un gabinete eléctrico?
Sume la pérdida de potencia de cada dispositivo según su hoja de datos. Para las fuentes de alimentación, la pérdida es igual a la potencia de salida multiplicada por (1 dividido por la eficiencia, menos 1). Luego, añada un margen de seguridad; un fabricante de gabinetes recomienda un 25%.
¿Cuánto calor puede disipar un gabinete sellado?
Multiplique el coeficiente de transferencia de calor por el área de superficie efectiva y el aumento de temperatura permitido. Un gabinete de acero inoxidable de 24 × 20 × 8 pulg en una pared tiene una superficie efectiva IEC/TR 60890 de 0.801 m², por lo que a 3.7 W/m²K y un aumento de 10 K, disipa aproximadamente 30 W.
¿Cómo dimensiono un ventilador para un gabinete?
El flujo de aire en CFM es igual a 3.16 veces la carga térmica en vatios dividida por el aumento permitido en °F, o en m³/h, 3.1 veces los vatios divididos por el aumento en kelvin al nivel del mar. Los ventiladores intercambian aire exterior, por lo que no mantienen un sello NEMA 4X a menos que la unidad del ventilador esté clasificada como 4X.
¿Cuándo necesito un aire acondicionado en lugar de un intercambiador de calor?
Cuando el interior debe estar más frío que el aire circundante. Un intercambiador de calor solo funciona mientras el aire ambiente sea más frío que el interior; un aire acondicionado puede enfriar por debajo de la temperatura ambiente.
¿Un gabinete de acero inoxidable se calienta más que uno pintado?
Para la misma carga térmica, sí. Una guía térmica señala que el acero inoxidable sin acabado irradia el calor de manera menos eficiente que las superficies pintadas, y los coeficientes de transferencia de calor publicados para el acero inoxidable son menores que los del acero pintado.
Fuentes
- Rittal, Catálogo Técnico de Sistemas de Control Climático, base de cálculo (Qs = A k ΔT, k = 5.5 W/m²K chapa de acero, superficie IEC 890, medición de pérdida de calor desconocida)
- Rittal, planificación de proyectos de unidades de ventilación y filtración (V = f Qv / ΔT, f según la altitud)
- Rittal, planificación de proyectos de intercambiadores de calor aire/aire (fórmula qw, 10 K ideal, aire refrigerado no en los componentes)
- Rittal, planificación de proyectos de unidades de refrigeración (fórmula de capacidad de refrigeración, refrigeración por debajo de la temperatura ambiente, deshumidificación)
- Rittal, criterios de selección de unidades de refrigeración (tipo de instalación según IEC 890)
- nVent HOFFMAN, Spec-00488, gestión térmica (fórmula de área superficial, materiales, margen del 25%, confiabilidad, ventiladores de circulación, tabla solar y ejemplos, fórmula y ubicación de ventiladores)
- Hammond Manufacturing, selección de productos de calefacción (coeficientes de transmisión de calor)
- Biblioteca de AutomationDirect, "Selección de un intercambiador de calor para gabinetes" (método W/°F y coeficientes)
- NEMA, "Preguntas frecuentes de NEMA: Gabinetes" (Q15, la regla del eslabón más débil)
