O método em uma linha
Em estado estacionário, o calor produzido pelo equipamento é igual ao calor que o gabinete dissipa. Para um gabinete selado sem resfriamento, isso ocorre através das paredes, por convecção natural e radiação. Catálogos de controle climático de gabinetes descrevem o termo da parede como:
Qs = k x A x ΔT
Qs = calor dissipado pela superfície do gabinete (W); k = coeficiente de transferência de calor (W/m²K); A = área de superfície efetiva (m²); ΔT = temperatura do ar interno menos temperatura do ar externo (K, mesma diferença em °C).
Reorganizado, o aumento de temperatura para uma determinada carga térmica Qv é ΔT = Qv / (k x A). O guia de dimensionamento usa isso como uma primeira verificação em um gabinete de 24 × 20 × 8 pol. Este guia leva o mesmo gabinete adiante: uma carga térmica real, uma margem de projeto e o resfriamento que você precisaria. A calculadora de calor do gabinete executa essas etapas para qualquer um de nossos tamanhos ou para o seu, montado na parede ou exposto em todos os lados.
Passo 1: some o calor interno
A entrada de calor deve vir dos fabricantes dos componentes: seus datasheets informam a perda de potência ou dissipação em watts. Onde apenas a eficiência é fornecida, como na maioria das fontes de alimentação, a perda é:
Perda = potência de saída x (1 / eficiência - 1)
Para o nosso exemplo, assumimos estes valores de datasheet. Eles são ilustrativos; use os seus próprios.
| Dispositivo | Base | Calor (W) |
|---|---|---|
| Fonte de alimentação de 24 V DC | Saída de 120 W com 90% de eficiência: 120 x (1/0.90 - 1) | 13.3 |
| PLC com I/O | Dissipação do datasheet | 10.0 |
| Switch Ethernet | Dissipação do datasheet | 6.0 |
| PC industrial pequeno | Dissipação do datasheet | 25.0 |
| Relés, terminais, fiação | Estimativa | 5.0 |
| Total | 59.3 | |
| Com 25% de margem | 59.3 × 1.25 | 74.1 |
O guia térmico de um fabricante de gabinetes afirma que seu método de aumento de temperatura é apenas uma aproximação, pois o layout, os ventiladores internos e a circulação de ar ao redor do gabinete alteram o resultado, e recomenda uma margem de segurança de 25% para aplicações críticas. Aqui, aplicamos isso à carga, portanto, a carga térmica de projeto é 74.1 W.
Etapa 2: defina o aumento de temperatura permitido
O aumento permitido é a temperatura interna máxima menos a temperatura externa máxima. O limite interno vem do dispositivo com a menor classificação pelo fabricante no gabinete, e é recomendável manter-se bem abaixo dele: o mesmo guia térmico observa que para cada aumento de 18 °F (10 °C) acima da temperatura ambiente normal de 72-75 °F (22-24 °C), a confiabilidade dos componentes eletrônicos cai pela metade.
Exemplo: o dispositivo de menor classificação é classificado para 50 °C; projetamos para 45 °C no interior para manter uma margem. A sala atinge 35 °C no dia mais quente. Elevação permitida: 45 - 35 = 10 K (18 °F).
Etapa 3: o que as paredes podem dissipar
A área de superfície de um gabinete de A x B x C pol é 2[(A x B) + (A x C) + (B x C)] / 144 em ft², contando todos os seis lados. Desconsidere qualquer lado que não possa transferir calor, como a parte traseira de um gabinete de sobrepor (montagem em parede). O volume não pode ser usado em vez da área de superfície. Métodos mais refinados, como o método de área de superfície IEC 890 usado em catálogos de controle climático, também ponderam as superfícies de acordo com a instalação do gabinete: autoportante, contra uma parede ou lado a lado.
O coeficiente k é onde os valores publicados divergem, portanto verifique qual você está usando:
| Material | Catálogo de controle climático / guia de aquecedores | Guia de seleção de trocador de calor |
|---|---|---|
| Aço pintado | 5.5 W/m²K (0.51 W/ft²K) | 0.22 W/°F·ft² (cerca de 4.3 W/m²K) |
| Aço inoxidável, sem pintura | cerca de 3.7 W/m²K (0.344 W/ft²K) | 0.10 W/°F·ft² (cerca de 1.9 W/m²K) |
| Plástico / não metálico | cerca de 3.5 W/m²K (0.325 W/ft²K) | 0.22 W/°F·ft² (cerca de 4.3 W/m²K) |
O guia térmico de um fabricante explica a direção: o aço inoxidável sem acabamento e o alumínio irradiam calor de forma menos eficiente do que superfícies pintadas, portanto, operam em temperaturas mais altas para a mesma carga, enquanto gabinetes não metálicos se comportam de forma semelhante ao metal pintado. Para alumínio bruto, os coeficientes publicados divergem amplamente, portanto, consulte o fabricante do gabinete. Usamos 3.7 W/m²K para aço inoxidável, conforme o guia de dimensionamento, e mostramos o valor mais baixo como verificação. Lendo de forma conservadora, a tabela de aumento de temperatura de um fabricante também implica um valor menor, portanto, trate 3.7 como o limite otimista e mantenha a margem.
Exemplo, método de área plana: o gabinete de 24 × 20 × 8 pol em uma parede expõe sua frente (24 × 20), topo e base (2 × 24 × 8) e laterais (2 × 20 × 8): 480 + 384 + 320 = 1,184 pol² = 8.22 ft² = 0.764 m² de área de superfície plana. Este guia utiliza o exemplo com a área plana; o último ponto abaixo fornece o valor IEC/TR 60890 que nossas páginas de produtos, tabelas de tamanho e calculadora de calor utilizam.
- Dissipação de parede a k = 3.7: 3.7 × 0.764 × 10 = 28.3 W.
- Com o valor publicado mais baixo de cerca de 1.9 W/m²K: 1.94 × 0.764 × 10 = 14.8 W.
- Nossas páginas de produtos usam a superfície efetiva IEC/TR 60890 de um gabinete de sobrepor (montagem em parede) em vez disso, A = 1.4 x L x (A + P) + 1.8 x P x A (em metros), que pondera o topo e as laterais pela eficiência na dissipação de calor: 1.4 × 0.508 x (0.610 + 0.203) + 1.8 × 0.203 × 0.610 = 0.801 m², portanto 3.7 × 0.801 × 10 = 29.6 W, o ≈ 30 W na página de 24 × 20 × 8 pol. Os dois métodos concordam dentro de 5 %, e a área plana fornece o valor mais baixo e mais cauteloso.
Exemplo prático: uma caixa selada é suficiente?
Não. A carga de projeto é 74.1 W e as paredes dissipam 28.3 W no aumento permitido (área plana): um déficit de 45.8 W. Com a superfície IEC/TR 60890, elas dissipam 29.6 W, um déficit de 44.5 W: a mesma resposta.
- O que a caixa selada realmente alcançaria: ΔT = 74.1 / (3.7 × 0.764) = 74.1 / 2.83 = 26.2 K, portanto 35 + 26.2 = cerca de 61 °C no interior, acima da classificação do dispositivo de 50 °C. Mesmo sem a margem, 59.3 / 2.83 = 21.0 K resulta em cerca de 56 °C.
- A superfície que uma caixa selada precisaria: A = 74.1 / (3.7 × 10) = 2.00 m² (21.5 ft²), cerca de 2.6 vezes os 0.764 m² que este gabinete expõe.
Portanto, esta carga requer resfriamento ativo, um gabinete muito maior ou que parte do calor seja movida para o exterior, por exemplo, uma fonte de alimentação montada em outro local.
Etapa 4: dimensione o resfriamento
| Opção | Fórmula | Resultado | Mantém o gabinete selado? |
|---|---|---|---|
| Ventilador de circulação | Mistura o ar interno | Até cerca de 10% mais dissipação; remove pontos quentes | Sim |
| Ventilador e filtro | V = f x Qv / ΔT, f = 3.1 m³K/Wh até 100 m de altitude; ou CFM = 3.16 x W / ΔT (°F) | 3.1 × 74.1 / 10 = 23 m³/h; 3.16 × 74.1 / 18 = 13 CFM | Não: circuito aberto |
| Trocador de calor ar-ar | qw = (Qv - k x A x ΔT) / ΔT | (74.1 - 28.3) / 10 = 4.58 W/K (2.55 W/°F) | Sim: malha fechada |
| Ar-condicionado para gabinete, ambiente a 45 °C, interno 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 | Sim: malha fechada |
Ventiladores e filtros movem o ar externo através do gabinete, então o interior vê o que o ar externo carrega. A fórmula do ventilador ignora o que as paredes eliminam, o que a torna conservadora. O fluxo de ar do catálogo do ventilador é medido em condições de livre saída, e os filtros na entrada e saída reduzem esse fluxo, então leia o ponto de trabalho na curva do ventilador, como dimensionamento de ventilador com filtro para painel de controle com base na carga térmica e delta T mostra. As duas versões concordam: 23 m³/h é aproximadamente 13.5 CFM. O ar é mais rarefeito em altitudes elevadas, então o fator f sobe para 3.5 m³K/Wh em 750-1,000 m. Coloque a entrada baixa em um lado e a saída alta no lado oposto, faça a saída pelo menos do mesmo tamanho que a entrada e prefira um ventilador soprando na entrada, o que aumenta a pressão interna e ajuda a manter a poeira fora.
Trocadores de calor mantêm o ar interno separado do ar externo. Um catálogo de climatização recomenda-os onde o ar ambiente carrega poeira, óleo ou substâncias agressivas que não devem entrar. Eles funcionam apenas enquanto o ar externo estiver mais frio que o interno, e o catálogo considera uma diferença de 10 K ideal. Uma verificação cruzada em unidades dos EUA dá a mesma resposta: 74.1 / 18 = 4.12 W/°F, menos 0.191 W/°F·ft² x 8.22 ft² das paredes = 1.57 W/°F, sobram 2.55 W/°F. Com o valor k menor, o requisito sobe para (74.1 - 14.8) / 10 = 5.9 W/K, então escolha com margem.
Ar-condicionados são a única opção aqui que pode manter o interior abaixo da temperatura externa. Quando a sala está mais quente que o gabinete, as paredes trazem calor para dentro, e esse calor se soma à carga. Eles também desumidificam o ar interno; o guia de condensação aborda o que fazer com a água.
A classificação: qualquer coisa montada na parede do gabinete passa a fazer parte do gabinete. A regra da NEMA é que a classificação de um conjunto é limitada pelo componente com a classificação mais baixa, então um ventilador, trocador de calor ou ar-condicionado em um gabinete NEMA 4X-type deve ter por si mesmo uma classificação 4X, ou o gabinete não é mais 4X. Em áreas de lavagem sob pressão, isso geralmente descarta ventiladores e filtros; consulte gabinetes para lavagem sob pressão.
Uso externo: adicione o sol
O mesmo guia térmico fornece o ganho solar como um gráfico de watts por pé quadrado em relação ao aumento de temperatura que você deseja manter, por cor. Para um gabinete cinza ANSI 61, o texto indica cerca de 14 W/ft² com aumento zero (mantendo o gabinete na temperatura ambiente) e cerca de 6 W/ft² com um aumento de 20 °F (11 K). Aplicado aos 8.22 ft² do nosso exemplo:
- Mantido na temperatura ambiente: 14 × 8.22 = 115 W do sol, mais 74.1 W do equipamento = cerca de 189 W para remover.
- Mantido a 20 °F acima da temperatura ambiente: 6 × 8.22 = 49 W mais 74.1 W = cerca de 123 W.
Isso é para um acabamento em pintura cinza; as curvas branca e metálica do gráfico ficam muito abaixo. Mesmo assim, neste gabinete pequeno, o sol pode adicionar mais calor do que o equipamento. Sombra e cor vêm primeiro; o guia de gabinetes para uso externo aborda proteções solares e acabamentos.
Verifique a resposta no site
A mesma relação funciona ao contrário. Um catálogo de controle climático observa que, se a perda de calor dentro do gabinete não for conhecida, você pode medir as temperaturas interna e ambiente e calculá-la a partir de Qs = k x A x ΔT. Meça perto dos dispositivos mais quentes, e não apenas no centro do gabinete: o cálculo fornece uma média, e um componente que produz muito calor ou está ao lado de outro pode ficar muito mais quente. Com uma câmera térmica, compare cada superfície com o ar ao redor dela e com o limite próprio desse dispositivo, e não com uma temperatura de referência fixa; leitura do aumento de temperatura infravermelha em um painel elétrico aborda as verificações. Mantenha o ar resfriado de um trocador de calor ou ar-condicionado longe dos componentes ativos e deixe espaço ao redor dos dispositivos para que o ar circule; o guia de layout da placa traseira aborda zonas térmicas e espaçamento.
Projetos personalizados. NEMA4 Enclosure gabinetes personalizados em 304 ou 316L aço inoxidável, aço carbono revestido com pó e alumínio são construídos no tamanho que você especificar, então você pode escolher a área de superfície necessária para a carga térmica; policarbonato e poliéster reforçado com fibra de vidro vêm em tamanhos moldados padrão cortados conforme seu layout. Conte-nos qual ventilador, trocador de calor ou ar-condicionado você vai instalar e cortamos a abertura para ele; a classificação da montagem final então será limitada pela classificação desse componente. Nossos gabinetes de sobrepor em 304 e 316L aço inoxidável são classificados NEMA 4X / IP66 pelo fabricante; não listado pela UL.
Perguntas frequentes
Como calculo a carga térmica em um gabinete elétrico?
Adicione a perda de potência de cada dispositivo a partir de seu datasheet. Para fontes de alimentação, a perda é igual à potência de saída vezes (1 dividido pela eficiência, menos 1). Em seguida, adicione uma margem de segurança; um fabricante de gabinetes recomenda 25%.
Quanto calor um gabinete selado pode dissipar?
Multiplique o coeficiente de transferência de calor pela área de superfície efetiva e pelo aumento de temperatura permitido. Um gabinete de aço inoxidável de 24 × 20 × 8 pol em uma parede tem uma superfície efetiva IEC/TR 60890 de 0.801 m², portanto, a 3.7 W/m²K e um aumento de 10 K, ele dissipa cerca de 30 W.
Como dimensiono um ventilador para um gabinete?
O fluxo de ar em CFM é igual a 3.16 vezes a carga térmica em watts dividida pelo aumento permitido em °F, ou em m³/h, 3.1 vezes os watts divididos pelo aumento em kelvin ao nível do mar. Ventiladores trocam ar externo, portanto não mantêm uma vedação NEMA 4X a menos que a unidade do ventilador seja classificada como 4X.
Quando preciso de um ar-condicionado em vez de um trocador de calor?
Quando o interior deve ser mais frio que o ar circundante. Um trocador de calor só funciona enquanto o ar ambiente estiver mais frio que o interior; um ar-condicionado pode resfriar abaixo da temperatura ambiente.
Um gabinete de aço inoxidável aquece mais do que um gabinete pintado?
Para a mesma carga térmica, sim. Um guia térmico observa que o aço inoxidável sem acabamento irradia calor de forma menos eficiente do que superfícies pintadas, e os coeficientes de transferência de calor publicados para o aço inoxidável são menores do que para o aço pintado.
Fontes
- Rittal, Catálogo Técnico de Sistemas de Controle Climático, base de cálculo (Qs = A k ΔT, k = 5.5 W/m²K chapa de aço, área de superfície IEC 890, medição de perda de calor desconhecida)
- Rittal, planejamento de projeto de unidades de ventilação e filtragem (V = f Qv / ΔT, f por altitude)
- Rittal, planejamento de projeto de trocadores de calor ar/ar (fórmula qw, 10 K ideal, ar resfriado não nos componentes)
- Rittal, planejamento de projeto de unidades de resfriamento (fórmula de potência de resfriamento, resfriamento abaixo da temperatura ambiente, desumidificação)
- Rittal, critérios de seleção de unidades de resfriamento (tipo de instalação conforme IEC 890)
- nVent HOFFMAN, Spec-00488, gerenciamento térmico (fórmula de área de superfície, materiais, margem de 25%, confiabilidade, ventiladores de circulação, gráfico solar e exemplos, fórmula e posicionamento de ventiladores)
- Hammond Manufacturing, seleção de produtos de aquecimento (coeficientes de transmissão de calor)
- Biblioteca AutomationDirect, "Selecionando um trocador de calor para gabinete" (método W/°F e coeficientes)
- NEMA, "Perguntas Frequentes NEMA: Gabinetes" (Q15, a regra do elo mais fraco)
