Calcul de la chaleur dans le coffret : un exemple pratique, de la charge thermique au refroidissement

La méthode en une ligne

En régime permanent, la chaleur produite par l'équipement est égale à la chaleur que le coffret évacue. Pour un coffret scellé sans refroidissement, cela signifie par les parois, par convection naturelle et par rayonnement. Les catalogues de régulation thermique pour coffrets présentent le terme relatif aux parois ainsi :

Qs = k x A x ΔT
Qs = chaleur dégagée par la surface du coffret (W) ; k = coefficient de transfert thermique (W/m²K) ; A = surface effective (m²) ; ΔT = température de l'air intérieur moins la température de l'air extérieur (K, soit la même différence qu'en °C).

Réorganisée, l'élévation de température pour une charge thermique donnée Qv est ΔT = Qv / (k x A). Le guide de dimensionnement utilise cela comme première vérification pour un coffret de 24 × 20 × 8 po. Ce guide va plus loin : une charge thermique réelle, une marge de conception et le refroidissement nécessaire. Le calculateur de chaleur du coffret effectue ces étapes pour n'importe laquelle de nos dimensions ou les vôtres, qu'il soit mural ou exposé sur tous les côtés.

Étape 1 : additionner la chaleur interne

L'apport de chaleur doit provenir des fabricants des composants : leurs fiches techniques indiquent la perte de puissance ou la dissipation en watts. Lorsque seule l'efficacité est indiquée, comme pour la plupart des alimentations, la perte est :

Perte = puissance de sortie x (1 / efficacité - 1)

Pour notre exemple, nous supposons ces valeurs de fiche technique. Elles sont fournies à titre illustratif ; utilisez les vôtres.

Le guide thermique d'un fabricant de coffrets indique que sa méthode d'élévation de température n'est qu'une approximation, car l'agencement, les ventilateurs internes et le mouvement de l'air autour du coffret modifient tous le résultat, et recommande une marge de sécurité de 25 % pour les applications critiques. Ici, nous l'appliquons à la charge, de sorte que la charge thermique de conception est de 74.1 W.

Étape 2 : définir l'élévation de température admissible

L'élévation admissible est la température intérieure maximale moins la température extérieure maximale. La limite intérieure est déterminée par le composant ayant l'indice déclaré le plus bas dans le coffret, et il est préférable de rester bien en dessous : le même guide thermique note que pour chaque élévation de 18 °F (10 °C) au-dessus de la température ambiante normale de 72-75 °F (22-24 °C), la fiabilité des composants électroniques est divisée par deux.

Exemple : le dispositif ayant l'indice le plus bas est classé pour 50 °C ; nous concevons pour 45 °C à l'intérieur afin de conserver une marge. La pièce atteint 35 °C lors de la journée la plus chaude. Élévation autorisée : 45 - 35 = 10 K (18 °F).

Étape 3 : capacité de dissipation des parois

La surface d'un coffret de A x B x C po est de 2[(A x B) + (A x C) + (B x C)] / 144 ft², en comptant les six faces. Ne tenez pas compte des faces qui ne peuvent pas transférer de chaleur, comme l'arrière d'un coffret mural. Le volume ne peut pas remplacer la surface. Des méthodes plus précises, telles que la méthode de surface IEC 890 utilisée dans les catalogues de climatisation, pondèrent également les surfaces en fonction de l'installation du coffret : autoportant, contre un mur ou côte à côte.

Le coefficient k est le point où les valeurs publiées divergent, vérifiez donc celui que vous utilisez :

Le guide thermique d'un fabricant explique la tendance : l'acier inoxydable non fini et l'aluminium rayonnent la chaleur moins efficacement que les surfaces peintes, ils chauffent donc davantage pour une même charge, tandis que les coffrets non métalliques se comportent de manière similaire au métal peint. Pour l'aluminium brut, les coefficients publiés divergent considérablement ; demandez donc au fabricant du coffret. Nous utilisons 3.7 W/m²K pour l'acier inoxydable, comme dans le guide de dimensionnement, et nous indiquons la valeur la plus basse pour vérification. En lisant de manière conservatrice, le graphique d'élévation de température d'un fabricant implique également un chiffre inférieur ; considérez donc 3.7 comme la limite optimiste et conservez la marge.

Exemple, méthode de la surface plane : le coffret de 24 × 20 × 8 po fixé sur un mur expose sa face avant (24 × 20), le dessus et le dessous (2 × 24 × 8) ainsi que les côtés (2 × 20 × 8) : 480 + 384 + 320 = 1,184 po² = 8.22 pi² = 0.764 m² de surface plane. Ce guide traite l'exemple avec la surface plane ; le dernier point ci-dessous donne la valeur IEC/TR 60890 utilisée par nos pages de produits, nos tableaux de dimensions et notre calculateur thermique.

• Dissipation murale à k = 3.7 : 3.7 × 0.764 × 10 = 28.3 W.
• Avec la valeur publiée inférieure d'environ 1.9 W/m²K : 1.94 × 0.764 × 10 = 14.8 W.
• Nos pages de produits utilisent plutôt la surface effective du coffret mural définie dans l'IEC/TR 60890, A = 1.4 x W x (H + D) + 1.8 x D x H (en mètres), qui pondère le haut et les côtés selon leur capacité à dissiper la chaleur : 1.4 × 0.508 x (0.610 + 0.203) + 1.8 × 0.203 × 0.610 = 0.801 m², donc 3.7 × 0.801 × 10 = 29.6 W, soit environ 30 W sur la page 24 × 20 × 8 in. Les deux méthodes s'accordent à l'intérieur de 5 %, et la surface brute donne la valeur plus basse, plus prudente.

Exemple pratique : un boîtier scellé est-il suffisant ?

Non. La charge de conception est de 74.1 W et les parois dissipent 28.3 W à l'élévation autorisée (surface plane) : un déficit de 45.8 W. Avec la surface IEC/TR 60890, elles dissipent 29.6 W, soit un déficit de 44.5 W : le même résultat.

• Ce qu'atteindrait réellement le coffret étanche : ΔT = 74.1 / (3.7 × 0.764) = 74.1 / 2.83 = 26.2 K, soit 35 + 26.2 = environ 61 °C à l'intérieur, au-dessus de l'indice nominal de 50 °C des composants. Même sans la marge, 59.3 / 2.83 = 21.0 K donne environ 56 °C.
• La surface dont un coffret étanche aurait besoin : A = 74.1 / (3.7 × 10) = 2.00 m² (21.5 pi²), soit environ 2.6 fois les 0.764 m² exposés par ce coffret.

Cette charge nécessite donc un refroidissement actif, un coffret beaucoup plus grand, ou l'évacuation d'une partie de la chaleur vers l'extérieur, par exemple avec une alimentation montée ailleurs.

Étape 4 : dimensionner le refroidissement

Les ventilateurs et les filtres déplacent l'air extérieur à travers le coffret, donc l'intérieur subit ce que l'air extérieur transporte. La formule des ventilateurs ignore ce que les parois émettent, ce qui en fait une approche conservatrice. Le débit d'air du catalogue d'un ventilateur est mesuré en libre soufflage, et les filtres à l'entrée et à la sortie le réduisent, donc lisez le point de fonctionnement sur la courbe du ventilateur, comme le montre la détermination de la taille d'un ventilateur de filtre pour panneau de contrôle à partir de la charge thermique et du delta T. Les deux versions s'accordent : 23 m³/h est environ équivalent à 13.5 CFM. L'air est plus léger en altitude, donc le facteur f monte à 3.5 m³K/Wh à 750-1,000 m. Placez l'entrée basse sur un côté et la sortie haute sur le côté opposé, faites en sorte que la sortie soit au moins aussi grande que l'entrée, et préférez un ventilateur qui souffle à l'entrée, ce qui augmente la pression intérieure et aide à garder la poussière à l'extérieur.

Les échangeurs de chaleur maintiennent l'air intérieur séparé de l'air extérieur. Un catalogue de climatisation les recommande lorsque l'air ambiant transporte de la poussière, de l'huile ou des substances agressives qui ne doivent pas pénétrer. Ils ne fonctionnent que lorsque l'air extérieur est plus frais que l'air intérieur, et le catalogue préconise une différence de 10 K comme idéale. Une vérification en unités US donne le même résultat : 74.1 / 18 = 4.12 W/°F, moins les 0.191 W/°F·ft² x 8.22 ft² = 1.57 W/°F des parois, ce qui laisse 2.55 W/°F. Avec la valeur k plus faible, l'exigence passe à (74.1 - 14.8) / 10 = 5.9 W/K, choisissez donc avec une marge de sécurité.

Les climatiseurs sont la seule option ici permettant de maintenir l'intérieur à une température inférieure à celle de l'extérieur. Lorsque la pièce est plus chaude que le coffret, les parois laissent entrer la chaleur, ce qui augmente la charge. Ils déshumidifient également l'air intérieur ; le guide de condensation explique la marche à suivre pour la gestion de l'eau.

L'indice : tout élément monté dans la paroi du coffret devient partie intégrante du coffret. La règle de NEMA est que l'indice d'un ensemble est limité par son composant le moins bien classé ; ainsi, un ventilateur, un échangeur de chaleur ou un climatiseur sur un coffret NEMA 4X-type doit lui-même posséder un indice de 4X, sinon le coffret n'est plus 4X. Dans les zones de lavage à haute pression, cela exclut généralement les ventilateurs et les filtres ; voir les coffrets de lavage à haute pression.

Extérieur : résistance au soleil

Le même guide thermique donne le gain solaire sous la forme d'un graphique de watts par pied carré par rapport à l'élévation de température souhaitée, par couleur. Pour un coffret gris ANSI 61, son texte indique environ 14 W/ft² à une élévation nulle (maintien du coffret à la température ambiante) et environ 6 W/ft² à une élévation de 20 °F (11 K). Appliqué aux 8.22 ft² de notre exemple :

• Maintenu à température ambiante : 14 × 8.22 = 115 W provenant du soleil, plus 74.1 W provenant des équipements = environ 189 W à évacuer.
• Maintenu à 20 °F au-dessus de la température ambiante : 6 × 8.22 = 49 W plus 74.1 W = environ 123 W.

Cela s'applique à une finition de peinture grise ; les courbes du graphique pour le blanc et le métallique sont bien plus basses. Même ainsi, sur ce petit coffret, le soleil peut ajouter plus de chaleur que l'équipement. L'ombre et la couleur sont prioritaires ; le guide des coffrets extérieurs traite des boucliers solaires et des finitions.

Vérifiez la réponse sur le site

La même relation fonctionne à l'envers. Un catalogue de contrôle climatique note que si la perte de chaleur à l'intérieur d'un coffret n'est pas connue, on peut mesurer les températures intérieure et ambiante et la calculer à partir de Qs = k x A x ΔT. Mesurez près des appareils les plus chauds, et non seulement au centre du coffret : le calcul donne une moyenne, et un composant qui produit beaucoup de chaleur, ou qui se trouve à côté d'un autre, peut atteindre une température bien plus élevée. Avec une caméra thermique, comparez chaque surface avec l'air autour d'elle et avec la limite de ce dispositif lui-même, et non une température de référence fixe ; lecture de l'augmentation de température infrarouge dans un coffret électrique couvre les vérifications. Éloignez l'air refroidi d'un échangeur thermique ou d'un climatiseur des composants actifs, et laissez de l'espace autour des appareils pour que l'air puisse circuler ; le guide de disposition de la plaque arrière couvre les zones thermiques et l'espacement.

Foire aux questions

Sources

1. Rittal, Catalogue technique du système de régulation thermique, base de calcul (Qs = A k ΔT, k = 5.5 W/m²K acier en tôle, surface IEC 890, mesure de la perte de chaleur inconnue)
2. Rittal, planification de projet d'unités de ventilation et filtration (V = f Qv / ΔT, f selon l'altitude)
3. Rittal, planification de projet d'échangeurs de chaleur air/air (formule qw, 10 K idéal, air refroidi non situé au niveau des composants)
4. Rittal, planification de projet d'unités de refroidissement (formule de puissance frigorifique, refroidissement sous la température ambiante, déshumidification)
5. Rittal, critères de sélection des unités de refroidissement (type d'installation selon IEC 890)
6. nVent HOFFMAN, Spec-00488, gestion thermique (formule de la surface, matériaux, marge de 25 %, fiabilité, ventilateurs de circulation, diagramme solaire et exemples, formule et emplacement des ventilateurs)
7. Hammond Manufacturing, sélection de produits de chauffage (coefficients de transmission thermique)
8. Bibliothèque AutomationDirect, « Sélection d'un échangeur thermique pour coffret » (méthode W/°F et coefficients)
9. NEMA, « FAQ NEMA : Coffrets » (Q15, la règle du maillon le plus faible)