Estimation de la température à l'intérieur d'une armoire électrique extérieure

[invite344f854d]

Bonjour à tous,

Malgré de nombreuses recherches sur votre site je n'ai pas pu finaliser mon analyse.

Je souhaite estimer la température dans une armoire électrique de type ATEX (ATmosphère EXplosive, donc contrainte technique et réglementaire particulière).

Pour se faire je connais l'énergie émise par les différents composants (pour l’exemple disons 200 W), sa dimension (épaisseur du coffret de 15 mm et 960 x 660 x 460 mm), sa matière (alliage d'aluminium) , sa localisation (pour l'ensoleillement, Algerie : énergie max reçut en 1 journée : 7640 W/m²/jour), l'altitude (3.1 m souvent situé prêt de la mer) et ses températures extrêmes d'environnement (-5°C ; 40°C).

L'objectif est de définir s'il est nécessaire d'ajouter une ventilation spécifique car la température interne ne doit pas dépasser les 55°C.

Voici la formule que j'ai utilisée pour calculer l'élévation de température sans prendre en compte la chaleur générée par le soleil :
Delta Température sans Ventilation dt=Pd/(KxS)

Ce qui après une application numérique me donne une élévation de température de 9°C

Pourriez-vous me dire si cela vous semble correct?

Et m'aider à intégrer un modèle pour dimensionner le refroidissement et l'exposition au soleil?

En vous remerciant d'avance
Un stagiaire dans le mal
-----

[invite1a299084]

Bonjour,

Dans le cadre de ton stage tu n'as pas accès à la simulation numérique?

Bon courage.

[annjy]

Bjr,

il manque aussi une donnée, la couleur des boîtiers....
Pour évacuer les calories , l'idéal est le noir mat. Mais pour ne pas les faire entrer, l'idéal est le blanc brillant.........

dans un cas un peu similaire, j'ai fait réaliser un boîtier noir mat (parois faites de profils alu de radiateurs pour l'électronique) et protégés du rayonnement solaire par des plaques blanches (alu 3mm) fixées par des colonnettes à environ 10cm du boîtier noir. En faisant en sorte que l'air circule, et que le soleil ne vienne pas taper sur le boîtier noir.

Qu'en pense le maître de stage ?
bon courage,
Cdlt,
JY

[annjy]

Re,

si c'est possible, l'idéal est de faire une mesure de l'élévation de température interne au coffret par rapport à la température extérieure, en conditions réelles de consommation d'énergie (tous appareils branchés), en labo.

Je n'ai jamais aimé les simulations, plutôt des mesures réelles.

A+,
JY

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite1a299084]

Probablement une question de génération.

[annjy]

Probablement une question de génération.

ou 40 ans d'expérience professionnelle.....

A+,
JY

[invite344f854d]

Bonjour à tous,

Merci à tous de vos réponse et participation

Dans le cadre de ton stage tu n'as pas accès à la simulation numérique?

Malheureusement non. Connaîtriez-vous un logiciel de simulation gratuit ou à faible coût?

il manque aussi une donnée, la couleur des boîtiers....
Pour évacuer les calories , l'idéal est le noir mat. Mais pour ne pas les faire entrer, l'idéal est le blanc brillant.........

dans un cas un peu similaire, j'ai fait réaliser un boîtier noir mat (parois faites de profils alu de radiateurs pour l'électronique) et protégés du rayonnement solaire par des plaques blanches (alu 3mm) fixées par des colonnettes à environ 10cm du boîtier noir. En faisant en sorte que l'air circule, et que le soleil ne vienne pas taper sur le boîtier noir.

Les boîtiers sont généralement gris clair mais il est possible de les commander d'une autre couleur.
De plus il est possible d'installer des écrans pour protéger l'armoire du soleil.
Il vaudrait donc mieux que les armoires soient foncées?
Pourriez-vous me fournir une grille relatant les transfère de chaleur par rapport au couleur ?

si c'est possible, l'idéal est de faire une mesure de l'élévation de température interne au coffret par rapport à la température extérieure, en conditions réelles de consommation d'énergie (tous appareils branchés), en labo.

Je suis aussi partisan des essais plutôt que des simulations. Malheureusement mon entreprise s'occupe uniquement de la production des armoires et n'a donc pas accès aux différentes données. D'autant que 80% des armoires vont à l'export.

[annjy]

Bjr,

je n'ai pas d'abaques sur les transferts de chaleur.
ça doit se trouver sur le net....

ici, un cours, mais il est d'un niveau assez élevé :
https://www.google.com/url?sa=t&rct=...KSjk18sztxYFVb

Sinon, le rayonnement et l’absorption de chaleur par un solide obéissent à la même loi.
plus il est noir et mat, plus il absorbe le rayonnement solaire, plus il est blanc et brillant, moins il en absorbe.
ça se vérifie simplement en posant la main sur le capot d'une voiture blanche ou noire en plein soleil.

c'est pour cette raison que j'avais fait faire des boîtiers noir mat (ils rayonnent le plus possible l'énergie produite à l'intérieur), mais protégés du rayonnement solaire par des plaques peintes en blanc brillant.

cdlt,
JY

[invite344f854d]

Après de nouvelles recherches et en partant que mon armoire se comporter comme un radiateur afin de connaitre l'énergie qu'elle émet dans les pires conditions d'utilisations et donc l'énergie qu'elle est capable d'évacuer je suis tomber sur ce site :

http://herve.silve.pagesperso-orange.fr/radiateur.htm

Ce passage m'a interpellé et je souhaiterai avoir des précisions des connaisseurs.

Transmission par rayonnement.
La transmission thermique par rayonnement s'effectue par rayonnement électromagnétique et n'a pas besoin de matière pour se propager (le rayonnement solaire).
La quantité de chaleur transmise par rayonnement est calculée avec la formule suivante :
Qr = S x hr x (Tm - Ti)
S est la surface d'échange thermique de l'émetteur, en m²
hr est le coefficient de transmission thermique par rayonnement, en W/(m².K) et s'obtient de la façon suivante :
hr = Ec x (T1 + T2) x (T1² + T2²) x Co
Ec est l'émissivité de la surface qui vaut 1 pour un corps noir et qui est comprise entre 0 et 1 selon l'état de surface du matériau. Dans les locaux d'habitation les surfaces peuvent être considérées comme des corps noirs et la valeur de Ec est peu différente de l'unité mais la valeur moyenne pour Ec peut être prise égale à 0,9.
T1 et T2 sont les températures absolues, en K, des corps en présence, T1 pour la température moyenne de l'émetteur et T2 pour la température du local car on part de l'hypothèse que toutes les parois et objets sont à la même température que la température ambiante du local.
Co est la constante de Stefan-Boltzmann, et vaut 5,67051 x 10^-8
Tm est la température moyenne de l'émetteur, en °C
Ti est la température ambiante de la pièce, en °C

Transmission par convection.
La transmission thermique par convection s'effectue par un mouvement des molécules d'air. Pour le cas des radiateurs, la convection est naturelle (libre) et l'échange de chaleur est responsable de ce mouvement. C'est le transfert de chaleur qui provoque le mouvement de ces molécules par la différence de densité qui est fonction de la température.
La quantité de chaleur transmise par convection peu être calculée avec la formule suivante :
Qc = S x hc x (Tm - Ti)
S a la même signification que précédemment
hc est le coefficient de transmission thermique par convection, en W/(m².K) et peut être obtenu, pour un radiateur classique, avec la formule suivante (cette formule est empirique car le phénomène est plus complexe qu'il y paraît) :
hc = 5,6 x ((T1 - T2) / (T2 x h))^0,25
T1 et T2 ont la même signification que précédemment
h est la hauteur de la surface de chauffe, en m

Le fluide interne n'étant pas de l'eau cela devrait donc modifier les calcules?
Notamment par rapport à la transmission par convection, d'où vient la constante 5,6 dans cette formule : hc = 5,6 x ((T1 - T2) / (T2 x h))^0,25 ?

Et après une AN avec ses différent paramètre :
Ec = 0.8 (corps noir mais pas parfait)
T1 = Tint = 50°C (Valeur maximal)
T2 = Text = 45°C
h= 0.96 m

Je trouve
hr ≈ 5 W/(m².K)
hc≈ 34 W/(m².K)

Cela vous semble-t-il juste?

Bien cordialement

[invite344f854d]

Petite erreur de calcule
hc = 2 W/(m².K)

[invite344f854d]

Bonjour ANNJY,

c'est pour cette raison que j'avais fait faire des boîtiers noir mat (ils rayonnent le plus possible l'énergie produite à l'intérieur), mais protégés du rayonnement solaire par des plaques peintes en blanc brillant.

Aviez-vous fait une expérimentation afin de valider ce choix?

Si oui avez-vous encore les résultats?

Merci pour le lien, je l'ai justement lu ce matin afin de découvrir le monde du rayonnement.

[annjy]

Aviez-vous fait une expérimentation afin de valider ce choix?

Oui. Il s'agissait d'un équipement électronique à placer en haut d'un pylône, dans un boîtier étanche.
Le bureau d'études (ingés mécanique et thermique) a calculé la meilleure manière d'évacuer les calories. d'où le choix de faire la plupart des parois en profilés alu de radiateur pour l'électronique.

Une fois le boîtier réalisé, j'ai mesuré le Delta T entre l'intérieur et l'extérieur, équipement en fonction au max de sa puissance.

.....
Si oui avez-vous encore les résultats?
.........

Non, désolé, pour deux raisons:
- je suis maintenant retraité
- il s'agissait d'un équipement militaire. Donc pas de détails.

cdlt,
JY

[invite344f854d]

Une fois le boîtier réalisé, j'ai mesuré le Delta T entre l'intérieur et l'extérieur, équipement en fonction au max de sa puissance.

Auriez-vous au moins les ordres de grandeur de l’énergie dissipé à l'intérieur et le delta T?

[annjy]

Auriez-vous au moins les ordres de grandeur de l’énergie dissipé à l'intérieur et le delta T?

de mémoire de l'ordre de 300W, et un delta T inférieur à 15°.
tout dépend de la surface rayonnante (c'est pour cela que les profilés de radiateurs ont plein d'ailettes)

La puissance dissipée était tout simplement la puissance d'alimentation électrique de l'appareil.

Prévoir un ventilateur pour brassage de l'air intérieur au coffret, et une conception qui permet une bonne circulation de l'air afin d'éviter les points chauds.

JY

[invite344f854d]

Merci Annjy

[annjy]

Il faudrait l'avis d'un ingénieur thermicien...
Je ne suis qu'électronicien, mais la boîte avait un bon bureau d'études meca/thermique.

Au vu des dimensions de ton coffret, et si la puissance est de l'ordre de 200W, au pif, et vu mon expérience similaire, ça devrait passer.
A mon avis, il faudrait avoir le coefficient de rayonnement thermique du matériau du coffret pour plus de calculs

Mais je ferais tout de même les modifications suivantes:
- ventilation interne pour ne pas avoir de point chaud
- peinture extérieure du coffret en noir mat (ou oxydation anodique noir si l'alliage le permet)
- protection du rayonnement solaire par des plaques d'alu peintes en blanc brillant, fixées à quelques centimètres du coffret sur colonnettes. (pour permettre le rayonnement du coffret sans avoir d'apport d'énergie extérieure due au soleil)

Et un test en conditions réelles.....au besoin quelques projecteurs halogènes pour simuler le soleil ?

Bon courage,
JY

[invite344f854d]

Bonjour,

Petite question:
Les métaux transmettent mieux la chaleur, mais avec une épaisseur de 3 cm de la paroi le type de métaux est il significatif ?
En effet après de multiple calcule j'arrive à la conclusion que le type de métal ne fait varier la température que de 0.013° entre sa face interne et externe.
Et pour les formules de la convection avec de l'air le type de matériaux n'est pas pris en compte (voir en pièce jointe le formulaire qui m'a permis de calculer le nombre de Nusselt Nombre de Nusselt.pdf

merci d'avance de votre retour

Un stagiaire qui commence à comprendre de quoi il parle

[annjy]

Bsr,

non, tous les métaux ne transmettent pas la chaleur de la même manière (en gros, à la même vitesse).

le cuivre et l'alu sont par exemple de bons conducteurs de chaleur. l'acier inox bien moins par exemple.
En fait, au bout d'un temps infini, le métal, quel qu’il soit, aura quasiment la même température sur les deux faces.
La différence importante est que si on met 24h à évacuer les calories, ça va chauffer à l'intérieur......pendant 24h

Donc, utilisation d'un métal bon conducteur de chaleur pour le boîtier, et peint en noir mat pour la dissipation.....ça évitera que l'intérieur chauffe....

cdlt,
JY

[annjy]

Bsr

Un stagiaire dans le mal

B
Un stagiaire qui commence à comprendre de quoi il parle

Stagiaire....
y a-t-il un maître de stage ???

je me pose cette question.....

JY

[RomVi]

Bonjour,

Petite question:
Les métaux transmettent mieux la chaleur, mais avec une épaisseur de 3 cm de la paroi le type de métaux est il significatif ?
En effet après de multiple calcule j'arrive à la conclusion que le type de métal ne fait varier la température que de 0.013° entre sa face interne et externe.
Et pour les formules de la convection avec de l'air le type de matériaux n'est pas pris en compte (voir en pièce jointe le formulaire qui m'a permis de calculer le nombre de Nusselt Pièce jointe 366452

merci d'avance de votre retour

Un stagiaire qui commence à comprendre de quoi il parle

Bonjour

Effectivement la nature du métal n'a qu'une influence négligeable sur le bilan.
Au passage la couleur du boitier n'a pas d'influence non plus sur la puissance émise par radiation ; je ne sais pas d'où vient cette croyance que j'entend assez souvent :
La couleur est une caractéristique électromagnétique dans le domaine du visible, donc en gros de 400 à 700 nm. Ce domaine correspond à une température de plusieurs milliers de degrés.
Le domaine qui nous intéresse est autour de la température ambiante, ce qui correspond à une émission autour de 10 000 nm. Ce n'est pas parce qu'un boitier est noir dans le visible qu'il aura une bonne émissivité à cette longueur d'onde. Par contre un boitier noir se réchauffera beaucoup plus lorsqu'il sera exposé à un rayonnement visible (typiquement le soleil), donc ce conseil n'est pas très pertinent...
Qu'a tu utilisé comme corrélation avec quel résultat ?

[annjy]

Bsr,

- on ne rayonne pas nécessairement dans le visible, mais aussi dans l'infra-rouge
- pourquoi tous les radiateurs en électronique sont-ils noirs ?
- j'ai bien dit qu''il fallait protéger un boîtier noir du rayonnement solaire par des plaques blanches brillantes
- les rayonnements électromagnétiques obéissent aux mêmes lois en émission ou réception

A+,
JY

[RomVi]

on ne rayonne pas nécessairement dans le visible, mais aussi dans l'infra-rouge

C'est exactement ce que j'ai j'ai dis plus haut, et en quoi cela peut il être considéré comme un contre argument ?

pourquoi tous les radiateurs en électronique sont-ils noirs ?

Tous les radiateurs ne sont pas noirs, on en trouve en aluminium brut (lorsque le plus gros de l'échange est assuré par convection), ou parfois peint dans d'autres couleurs.

- j'ai bien dit qu''il fallait protéger un boîtier noir du rayonnement solaire par des plaques blanches brillantes

Il y a une expression pour ça : Mettre un pansement sur une jambe de bois. Le mieux est encore de ne pas utiliser un boitier noir vu que ça n'apporte rien.

- les rayonnements électromagnétiques obéissent aux mêmes lois en émission ou réception

Et en quoi cela peut il être considéré comme un contre argument ?

[invite344f854d]

Bonjour à tous,

Merci de vos retours qui me suscite quelques questions.

Vous trouverez ci-joint une version simplifiée (juste les calcule) de mon excel.
Estimation Temperature ATEX (public).xls

Stagiaire....
y a-t-il un maître de stage ???

je me pose cette question.....

Oui j'ai un maître de stage mais cette étude est à part car mon stage se porte sur le poste d'assistant responsable d'affaires.
Ceci n'est qu'un projet préliminaire qui se doit d’être fait. Et ni mon maître de stage, ni une autre personne dans l'entreprise n'ont de compétences dans ce domaine.


Question 1 :
Ma surface interne de l'armoire étant plus petite (1.36m² contre 1.73m² à l'extérieur) la température de ma surface extérieure sera donc plus faible ?
Résonnement :
E1=E2
E=λ*S*ΔT/e
Sint*ΔTint=Sext*ΔText
Sint<Sext => ΔTint>ΔText

Effectivement la nature du métal n'a qu'une influence négligeable sur le bilan.

Question 2:
Donc qu'il soit en acier ou en aluminium la quantité de chaleur dissipée dépendra principalement de sa surface et ne variera pas en fonction du matériau?


Question 3:
Par rapport au tableau ci-dessous, et pour un aluminium avec une surface non lisse (fabrication dans un moule = forte rugosité) et peinte, vers quel coefficient devrais-je m'orienter?
Je pensais utilisé le coefficient maximal de l'aluminium peint et le multiplier par rapport à celui de la peinture (blanc 10% gris 50% noir 90% )

Aluminum Commercial Sheet 0.09
Aluminum Heavily Oxidized 0.2 - 0.31
Aluminum Highly Polished 0.039 - 0.057
Aluminum Anodized 0.77
Aluminum Rough 0.07
Aluminum paint 0.27 - 0.67



Question 4:
Dans mon fichier je trouve une perte par convection élevée (1/3 de la chaleur dissipé). D’où vient l’erreur?
Voir fichier ci-joint


Enfin j'aimerais, si possible et si vous avez le temps une analyse critique de mon fichier.
(Si vous avez besoin de précision quant à la structure n'hésiter pas à me demander)

[annjy]

Bjr,

Je vais laisser RomVi donner les conseils pertinents.

J'ai précisé que j'étais électronicien, pas thermicien, et que le design avait été fait par le bureau d'études méca/thermique de la boîte.(Sachant qu'il fallait éviter une ventilation extérieure, difficile à étancher). Et ce n'était pas une PME de 50 personnes.....

Pour info, les systèmes fonctionnent depuis plus de 5 ans, 24h/24.

cdlt,
JY

[invite344f854d]

Qu'a tu utilisé comme corrélation avec quel résultat ?

Pour la corrélation, je la choisis en fonction du nombre de Grashof et du nombre de Prandt

Voila les différentes formules
Laminaire
Haut : 0,54*(Gr*Pr)^0,25
Bas : 0,25*(Gr*Pr)^0,25
Verticale : 0,68+0,67*(Gr*Pr)^(1/4)/((1+0,492/Pr)^(9/16))^(4/9)
Turbulent
Haut : 0,14*(Gr*Pr)^0,33
Bas : //
Verticale : (0,825+0,387*(Gr*Pr)^(1/6)/((1+0,492/Pr)^(9/16))^(8/27))^2

Avec Pr = 0.707 pour l'air

et Gr calculer de cette façon :
Gr = (αv.g.l3.ρ'².ΔT) / η²

vec αv(K-1)= coeff. de dilatation volumique isobare
g(m/s²)= pesanteur
l(m)= longueur caractéristique (diamètre)
ρ'(kg/m3)= masse volumique
T(K)= température
η(pl)= viscosité dynamique


Mais j'ai quelques soucis pour le Lc

Question 5 :
Dans la paroi verticale c'est la hauteur qui est prise en compte. Alors que sur des parois horizontales c'est bien la longueur la plus grande (dans mon cas la largeur)?
Merci de vos retours.

[invite344f854d]

Voici une version plus aboutie du fichier, pour ceux que ça peut aider et pour toute critique constructive !

Estimation Temperature ATEX V2 (public).xls

[RomVi]

Bonjour et désolé pour ma réponse tardive.

En pratique on ne s'encombre pas de telles formules, on considère que le coefficient d'échange superficiel est d'environ 10W/m²K, pour un boitier peint et en convection libre.

En réalité il faut surtout détailler ce qui se passe dans le boitier. La situation sera par exemple très différente entre un corps chaud unique qui dissipe 176W, ou un ensemble de composants qui produisent une chaleur homogène. La 1ere chose à faire (si possible) serait de faire une image thermique.
Si tu ne peux pas le faire il faudrait vérifier si tu peux partir sur l'hypothese

Une petite remarque au passage : Généralement pour un boitier en atmosphère ATEX il faut pressuriser la boite avec de l'air comprimé et un détendeur réglé à faible pression.

[invite344f854d]

Bonjour à toi RomVi

En pratique on ne s'encombre pas de telles formules, on considère que le coefficient d'échange superficiel est d'environ 10W/m²K, pour un boitier peint et en convection libre.

En effet mais l'étude étant faite je pense que je vais pas jeter mon travail par la porte. Mais je souhaiterai avoir une validation de mes formules, notamment pour la partie conduction et rayonnement...
Si tu as les compétences et le temps nécessaire j'aimerai biens avoir ton retour.

En réalité il faut surtout détailler ce qui se passe dans le boitier. La situation sera par exemple très différente entre un corps chaud unique qui dissipe 176W, ou un ensemble de composants qui produisent une chaleur homogène. La 1ere chose à faire (si possible) serait de faire une image thermique.
Si tu ne peux pas le faire il faudrait vérifier si tu peux partir sur l'hypothese

Dans la réalité c'est un ensemble de composent ce qui devrait répartir la chaleur, mais certains des composants chauffent plus que d'autres.
Je leur ai suggéré de rajouter un ventilateur afin de brasser l'air pour être sur de l'absence de point chaud. Mais si on pouvait s'en passer ce serait idéal.
Serait-il préférable de mettre les composants qui chauffent beaucoup en bas (premier tiers de l'armoire) afin de mieux répartir la chaleur, vu que celle-ci monte?

Je ne peux malheureusement pas faire d'image thermique...

Une petite remarque au passage : Généralement pour un boitier en atmosphère ATEX il faut pressuriser la boite avec de l'air comprimé et un détendeur réglé à faible pression.

Tout dépend du type de technologie utilisé, dans mon cas c'est un boitier du type "d" (enveloppe antidéflagrante) d'où les 3 cm d'épaisseur de l'armoire.

Merci d'avance de ton retour

[RomVi]

J'ai jeté un oeil à la feuille de calcul. La recherche du coefficient de convection est correcte, à cela près que la longueur caractéristique pour une surface horizontale est la largeur (ce qui est logique, le mouvement de l'air autour d'un câble par exemple n'est pas impacté par la longueur).
En ce qui concerne le calcul du rayonnement par contre je n'ai rien compris... Le rayonnement est égal à la différence des températures à la puissance 4 (Dt entre le boitier et l'environnement) * la constante de Stephan * l'emissivité * la surface radiante.
La puissance reçue par le soleil est égale à la puissance solaire * la surface * la réflectivité (dans le visible et le proche IR)
Pour la conduction je n'ai pas vu de calcul.

Attention, selon le cas de figure il faudra peut être calculer un coefficient de convection interne.

[annjy]

............

Dans la réalité c'est un ensemble de composants ce qui devrait répartir la chaleur, mais certains des composants chauffent plus que d'autres.
Je leur ai suggéré de rajouter un ventilateur afin de brasser l'air pour être sur de l'absence de point chaud. Mais si on pouvait s'en passer ce serait idéal.
Serait-il préférable de mettre les composants qui chauffent beaucoup en bas (premier tiers de l'armoire) afin de mieux répartir la chaleur, vu que celle-ci monte?

............

Bsr à tous,

pour moi le ventilo interne est incontournable.... mais pas forcément un truc de 100W....
mais aussi comme je l'ai dit au post #14, une conception mécanique qui optimise les flux d'air.
et le ventilo qui bien sûr souffle sur les éléments les plus chauds....

RomVi saura sans doute en dire plus.

Une petite remarque pour lui :
il dit : "il faut pressuriser la boite avec de l'air comprimé"
je comprends bien pourquoi, mais j'aurais dit de l'azote, par exemple, en atmosphère explosive.

bonne soirée,
cdlt,
JY