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電氣控制柜空調(diào)使用淺見
電氣控制柜空調(diào)使用淺見
一、 引言
在現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境中。各種類型的電氣控制柜隨處可見，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，各種電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度日益增高，系統(tǒng)本身向著高度集成化、高度自動(dòng)化、控制高精度方向發(fā)展，而且為了適應(yīng)高密度的生產(chǎn)計(jì)劃的需求，系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性要求也在日益提高。
系統(tǒng)的穩(wěn)定性不完全取決與系統(tǒng)本身的架構(gòu)，元器件（硬件）和軟件本身，同時(shí)取決于系統(tǒng)所處的運(yùn)行環(huán)境，而且這個(gè)因素十分重要，但最容易被忽略。
目前來看影響電氣系統(tǒng)的環(huán)境因素有以下幾個(gè)方面：
1、 粉塵類。如鋼鐵廠內(nèi)的金屬粉塵，產(chǎn)煤區(qū)域的煤粉塵，紡織類工作區(qū)間的各種纖維等等。
2、 霧類（氣體類）。有毒、有腐蝕性氣體，加工中心區(qū)域的油霧，汽車廠噴漆車間的噴霧等等。
3、 潮濕。如各種涉水作業(yè)的區(qū)域，雨天，以及江南地區(qū)的梅雨季節(jié)等等。
4、 溫度。各種高溫區(qū)域以及各種元器件的發(fā)熱量。
5、 干擾。如電磁干擾等。
以上這些環(huán)境因素影響問題的解決，在很多時(shí)候又是相互影響的。例如：現(xiàn)場最常見的第1、2類影響的解決，主要依靠提升元器件和柜體的IP等級(jí)來實(shí)現(xiàn)，或者說增加柜體的密封性，但這種做法的副作用就是嚴(yán)重影響了柜內(nèi)空氣的流動(dòng)，直接影響了散熱，但如果使用加裝風(fēng)扇的手段來解決散熱問題，那么又會(huì)對(duì)第1、2類的影響的解決帶來不利因素。所以，選擇一種能有效統(tǒng)籌解決以上5類問題的方案對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。
二、 控制柜空調(diào)的原理
在這里本文推薦采用空調(diào)（壓縮機(jī)制冷）的方式來實(shí)現(xiàn)該方案（如圖一）
其主要原理如下圖：
當(dāng)然，在文中所指的空調(diào)不是普通的家用空調(diào)（原理近似），這是一種電氣系統(tǒng)專用的空調(diào)設(shè)施，從結(jié)構(gòu)上來看其不但要保證制冷性能，而且安裝上要考慮系統(tǒng)整體的IP等級(jí)要求。
接下來讓我們看看這種設(shè)備是怎樣解決上述環(huán)境問題的。
首先，空調(diào)的安裝使用將不改變?cè)须姽竦拿芊庑裕↖P等級(jí)）。目前來說，一般廠商都在柜體與空調(diào)接口的安裝面上使用PE板或橡膠條（如圖二），通過安裝螺栓給予的預(yù)緊力使PE板或橡膠條壓縮變形以達(dá)到密封的要求，對(duì)于空調(diào)本身的蒸發(fā)器和冷凝器來說，一般采用隔板的形式加以區(qū)分。這樣的話，對(duì)于粉塵、油霧等的影響可以有效解決，而且也不影響金屬柜體抗外界的電磁干擾的功能。
其次，由于空調(diào)本身工作原理決定了制冷過程會(huì)伴隨有一個(gè)除濕過程。這樣，對(duì)于柜內(nèi)的絕對(duì)溫度和相對(duì)溫度的控制是會(huì)有效的。
最后，空調(diào)產(chǎn)生的最直接的效果就是在確保系統(tǒng)IP等級(jí)的條件下，能有效的控制電氣控制柜內(nèi)的溫度，使得系統(tǒng)能在最佳工作溫度條件下運(yùn)行。
三、 控制柜空調(diào)的分類
按照安裝形式的不同進(jìn)行分類：
按照安裝形式的不同，主要分為側(cè)掛式、頂置式和中央式。其中側(cè)掛式有可以分為嵌入式和非嵌入式，按冷風(fēng)出風(fēng)方式又可以分為上出風(fēng)式和下出風(fēng)式。
側(cè)掛式是目前的主流安裝形式，其特點(diǎn)是安全性高，蒸發(fā)器部位的冷凝水不易被帶出，而且安裝方便。其缺點(diǎn)是有效溫區(qū)范圍較小。側(cè)掛式最佳效果的安裝方式是針對(duì)主要發(fā)熱元器件直接安裝在柜門上（充分利用電柜較窄的特點(diǎn)來回避側(cè)掛的缺點(diǎn)。如圖三）
嵌入式和非嵌入式的區(qū)別。
正如圖中所示，其實(shí)嵌入式和非嵌入式的機(jī)組本身的厚度是相差無幾的，甚至嵌入式會(huì)略微厚一些。嵌入式在安裝時(shí)有一部分機(jī)體裝入柜內(nèi)，這樣其留在柜外的部分就少，從外面看好象空調(diào)機(jī)組非常薄，整體美觀性較強(qiáng)。但由于要占用柜內(nèi)較大空間，所以實(shí)用性并不強(qiáng)，對(duì)于現(xiàn)場技改的項(xiàng)目來說操作性差，對(duì)于配套原裝的項(xiàng)目來說會(huì)增加成本（柜子需放大）。
非嵌入式的實(shí)用性比嵌入式要好，而且成本較低，只是由于其完全安裝在柜外，美觀方面可能不如嵌入式。當(dāng)然，這也是智者見智。
側(cè)掛式按照冷風(fēng)出口方式有可以分為上出風(fēng)式和下出風(fēng)式。（如圖四）
先說一下下出風(fēng)式。在這里我個(gè)人覺得下出風(fēng)式從實(shí)際效果來看并不是太好。說這個(gè)問題時(shí)就要先看一下一般控制柜的布局。為了檢修和安裝方便等原因，像變頻器、PLC等主要的昂貴的器件一般布局在柜子的中上部，也就是一個(gè)普通人的高度（如圖五）。
眾所周知，冷空氣的密度大于熱空氣，下送風(fēng)會(huì)造成柜子底部溫度明顯低于中上部。這就帶來了幾個(gè)問題：第一，底部冷損失巨大，在實(shí)際現(xiàn)場中我們發(fā)現(xiàn)很多現(xiàn)場的柜體底部密封性較差（主要是電纜進(jìn)出造成）這樣整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的最低溫度的風(fēng)直接吹到非密封處，其冷損失可想而知，第二，而由于柜體一般均為鐵質(zhì)，并且不會(huì)做保溫措施，而如圖四所示柜子底部又是溫度最低區(qū)域，此時(shí)柜內(nèi)柜外的溫差為最大，此時(shí)的冷損失也很大，溫差每增加一度，對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)柜而言（2米高，1.8米寬，0.6米厚）其底部的冷損失就會(huì)增加100w左右，這樣制冷量白白損耗，而實(shí)際發(fā)熱元件的冷卻效果卻打折了。
而上出風(fēng)的空調(diào)由于冷風(fēng)出風(fēng)主要對(duì)準(zhǔn)發(fā)熱元器件，其效果就比較直接，而且柜體內(nèi)部的溫度分布比較均勻，冷損失方面要比下出風(fēng)小很多，而且由于直接吹在元器件上可以近似看作是一次循環(huán)的風(fēng)（這是由于元器件本身在發(fā)熱，冷風(fēng)過來后與之產(chǎn)生的熱量相抵，而且由于制冷原理產(chǎn)生的除濕效果，柜內(nèi)的溫度控制較低的水平）所以不會(huì)產(chǎn)生凝露水。
那么，對(duì)于柜子底部有大發(fā)熱量元器件的情況，上出風(fēng)式表現(xiàn)又怎么樣呢？
我們結(jié)合我公司的一個(gè)現(xiàn)場實(shí)例來分析，這是新飛冰箱廠內(nèi)膽生產(chǎn)線上。
由于現(xiàn)場控制柜底部有巨大的發(fā)熱源，而且我公司的GYF-2500的出風(fēng)口在柜體中間，使得底部發(fā)熱體的冷卻效果不是最佳。在遇到這種極端工況時(shí)，我公司會(huì)提供一種導(dǎo)風(fēng)板，利用空調(diào)本身的固定孔安裝在空調(diào)回風(fēng)口處（如圖六），這樣等于將空調(diào)的回風(fēng)口下移（具體尺寸甚至可以按現(xiàn)場工況定制），可以將發(fā)熱體的熱風(fēng)直接吸入空調(diào)，而上方的冷空氣又能下到柜體最下方，使得柜內(nèi)由上而下形成均勻的溫度梯度。這樣的冷卻效果最佳，相比下出風(fēng)式的空調(diào)損耗又是最小。
其實(shí)，到底是上出風(fēng)好還是下出風(fēng)好。這個(gè)問題從家用空調(diào)的使用中（圖七）也可以得到一些印證。在家用空調(diào)中，掛壁式空調(diào)采用的是下出風(fēng)，這是由于它的安裝高度往往高于人的身高。其實(shí)，對(duì)于人本身來講（對(duì)應(yīng)電氣柜的發(fā)熱體）其實(shí)它是上出風(fēng)的，而柜式空調(diào)的進(jìn)出風(fēng)形式就更明確的表現(xiàn)了這一點(diǎn)（幾乎沒有是下出風(fēng)的）。
頂置式是一種對(duì)于溫度均勻性和外觀美觀性都不錯(cuò)的選擇（如圖一）。但是由于其位于電氣柜的最頂部，出風(fēng)口又在頂部，冷凝水一旦處理不當(dāng)或者有意外，則冷凝水直接滴向電氣元件。所以，頂置式空調(diào)的安全性是最差的，目前一般都已經(jīng)不建議采用了。
最后說一下中央式，這是我公司推出的最新的空調(diào)型式，這里結(jié)合一下實(shí)例進(jìn)行分析。現(xiàn)場為杭州橫濱輪胎有限公司簾布?jí)貉訖C(jī)。現(xiàn)場的電氣控制柜為排柜，長度很長（見圖）有12米，每扇門內(nèi)均布有發(fā)熱量巨大的變頻器。如果采用常規(guī)側(cè)掛式的空調(diào)，是在兩端各布置一臺(tái)（見圖一），則在柜體中央部分的元器件將無法得到有效冷卻，，且總制冷量不夠（側(cè)掛單臺(tái)無法做大），如果在門上加掛，則會(huì)破壞美觀性，而且柜體本身門上有許多操作元件，已經(jīng)無法布置。有鑒于此，我公司采用了中央式的解決方案（如圖八）。
這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：
一、 外觀整齊美觀。
二、 制冷量可以隨意設(shè)計(jì)，不像側(cè)掛的受安裝體積的限制。
三、 由于機(jī)組本身與柜體同在一個(gè)水平面上，因此危險(xiǎn)性又比頂置式有效降低許多。
當(dāng)然這種做法的現(xiàn)場施工量會(huì)有所增加。
四、 對(duì)于選型和使用的一些看法
接下來再結(jié)合我們的使用經(jīng)驗(yàn)來回答一些問題。
一、 如何計(jì)算制冷量。
空調(diào)的制冷量Q冷的確定主要有兩部分組成：
a、 電器元件的發(fā)熱量Q熱
b、 冷損失Q損
一般來說電器元件的發(fā)熱量可以從一些手冊(cè)中查得，我們也有一些簡單的估算法，如果電源為220V/50Hz的則將電器總功率×3%來估算，如果電源為380V/50Hz則將電器總功率×2%來估算。
冷損失主要是由于柜體本身的保溫特性決定的，當(dāng)控制溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，冷損失就產(chǎn)生了。
Q損=K·S·Δt
K—一般情況下為自然對(duì)流 K＜10w/m2·k
Δt—柜內(nèi)實(shí)際溫度與環(huán)境溫度差值
S—柜體表面積
從以上公式也可以看出下出風(fēng)所產(chǎn)生的Q損會(huì)比上出風(fēng)大，因?yàn)楣褡拥撞繉?shí)際溫度會(huì)較低，溫差也就大了。
Q冷=Q熱+Q損
實(shí)際選型時(shí)按120%的幅度給以保險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)行選型。
二、 是否有無水空調(diào)
我們知道，由于制冷的熱力學(xué)特征，制冷過程一定會(huì)是一個(gè)除濕過程，所以冷凝水的產(chǎn)生是必然的，問題是如何處理這些冷凝水。通常的處理方式是引排水管。現(xiàn)在，市場上有些空調(diào)號(hào)稱是無水的，一般采用以下方式來處理冷凝水：
a、 加電加熱來蒸發(fā)水
b、 采用排氣管和冷凝器的熱量來蒸發(fā)
第一種方式可以使冷凝水完全蒸發(fā)，但增加了許多功耗，而且一但電加熱失效，而此時(shí)系統(tǒng)本身又不安排排水管路，則水會(huì)向柜內(nèi)滲入，對(duì)電器元件的危害性較大。
第二種方式只能是稱之為特定工況下的無水空調(diào)。因?yàn)橛捎诳諝鈼l件的千變?nèi)f化，如空氣中的含濕量小，而南方的含濕量大，江南地區(qū)的黃梅雨季，則空氣濕度更大。所以，此時(shí)空調(diào)本身產(chǎn)生的冷凝水量也是不一樣的。所以根本無法確保僅靠排氣溫度和冷凝溫度、進(jìn)行完全的蒸發(fā)。
綜上所述，無水空調(diào)是一個(gè)美好的愿望，在實(shí)際工況條件下是很難做到真正的無水空調(diào)。
五、 結(jié)束語
以上一些觀點(diǎn)只是依據(jù)我公司的一些經(jīng)驗(yàn)來闡述的，希望能得到大家的指正。
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