Zakłócenia w przebiegu produkcji, spowodowane błędnym działaniem elektronicznych sterowników, zyskują ostatnio na znaczeniu. Postawienie diagnozy „termiczne przeciążenie” nie jest trudne, gdy porówna się gęstość upakowania w szafach sterowniczych przed 20 laty i dzisiaj (rys. 2 i 3).

Porównywalny widok wnętrza szafy sterowniczej z 1988 roku z małym udziałem układów elektronicznych	... i szafy dzisiejszej pokazuje, że do uniknięcia nadmiaru strat ciepła potrzeba dodatkowych starań.

Miniaturyzacja elektrycznych i elektronicznych modułów oraz wzrost zakresu funkcjonalności powoduje rosnące zwiększenie gęstości upakowania w szafach sterowniczych i powstawanie coraz większych strat mocy na jednostkę objętości. Coraz częściej obserwowane są zakłócenia produkcji przez termiczne przeciążenie przetwornic, sterowników, komputerów, sterowników PLC, kondensatorów elektrolitycznych lub innych układów elektroniki energetycznej. Oprócz bezpośrednich kosztów naprawy lub wymiany dochodzą koszty czasów przestoju produkcji.

Spotykając się na co dzień z powtarzającymi się błędami i problemami w zakresie klimatyzacji i chłodzenia Rittal wraz z uznanymi specjalistami z firm Audi (Ingolstadt), Daimler (Mettingen), Siemens (Chemnitz i Erlangen), Niles-Simmons (Chemnitz), Felsomat (Königsbach-Stein), Eplan (Monheim) zbudował zespół, które celem jest zebranie i przygotowanie gotowych wytycznych w celu uniknięcia błędów przy zastosowaniu chłodziarek i wymienników ciepła oraz przy kompleksowych rozbudowach płyt montażowych.

Wypracowane wytyczne bazują zarówno na wartościach doświadczalnych zaangażowanych firm w zakresie klimatyzacji szaf sterowniczych, jak i na wynikach symulacji komputerowych (analizy CFD) dotyczących rozwoju temperatury w szafach sterowniczych. Na przykład ten matematyczny model przedstawia podstawowe zależności pomiędzy strumieniem chłodnego powietrza a wynikającym rozdziałem temperatury (por. rys. 4 i 5). Rozwiązania i wyniki odnoszące się do firmowych elementów konstrukcyjnych, mogą być przenoszone na porównywalne komponenty.

Przykład analizy CFD dla szafy z wymiennikiem ciepła powierza/woda w zabudowie dachowej. Zamontowane są dwa systemy kanałów powierza.	Obliczony rozdział temperatury w szafie. Drzwi i ściany boczne są niewidoczne.

 

Część 1: Budowa szaf sterowniczych a wymagania odnośnie chłodzenia

Podstawą skutecznej i energooszczędnej klimatyzacji szafy sterowniczej tworzone jest prawidłowe rozmieszczanie wewnątrz urządzeń i materiałów eksploatacyjnych.

Stosowana dotychczas zasada: „Ciężkie na dole, lekkie u góry” ciągle ma znaczenie, ponieważ ten rodzaj zabudowy obok „komfortu” podczas montażu na decydujące znaczenie dla położenia punktu ciężkości. Jednak dzisiaj coraz większe znaczenie ma również „termotechniczne sąsiedztwo”.

 

Rozmieszczenie komponentów i prowadzenie powietrza w szafie sterowniczej

Jeśli urządzenie zasysa gorące powietrze sąsiedniego urządzenia, może szybko dojść do termicznego przeciążenia z całkowitą awarią, błędnego działania lub przynajmniej znacznego skrócenia żywotności. Podczas montażu i rozmieszczania najważniejsze są dane techniczne urządzeń, a szczególnie wymieniane w nich wartości orientacyjne oraz restrykcje odnośnie chłodzenia (kierunek montażu, wolna przestrzeń) i także odnośnie zgodności elektromagnetycznej (EMC). W szczególności w przypadku komponentów oddających ciepło, rozmieszczanych jeden na drugim, muszą zostać uwzględnione wymagalne minimalne odstępy pomiędzy nimi.

Na przykład dla zespołu napędowego należałoby szczególnie zwrócić uwagę, czy powyżej i poniżej komponentów zachowane są wystarczająco duże odstępy dla niezakłóconego przepływu powietrza, a kratki wentylacyjne nie są zasłonięte. W celu zapewnienia zgodności elektromagnetycznej należy zachować maksymalną długość przeważnie ekranowanych kabli mocy dla przewodów silnikowych i sieciowych. Generalnie rozmieszczenie komponentów powinno przebiegać jednoliniowo. Jeśli ze względu na ograniczoną ilość miejsca możliwa jest tylko zabudowa wielopoziomowa, konieczne jest zastosowanie prowadzenia powietrza chłodzącego poprzez kanały, czy dodatkowe filtry.

 

Obiegi cyrkulacji powietrza przy chłodziarkach szaf sterowniczych

Obieg zewnętrzny: otwory wlotu i wylotu powietrza chłodziarek szafy sterowniczej powinny być w min. 200 mm odstępu od ściany lub od siebie. Ewentualnie należy przez zastosowanie odpowiednich kształtek kierujących powietrzem zapobiec zwarciu wentylacyjnemu, które sprawia, że powietrze chłodzące będzie cyrkulowało w sposób nieefektywny. Możliwe skutki zwarcie powietrza:

• oblodzenie chłodziarki
• przegrzanie komponentów
• kompletne zatrzymanie instalacji

Obieg wewnętrzny: jeśli schłodzone powietrze będzie doprowadzane poziomo, konieczna jest wolna przestrzeń – w celu uniknięcia zwarć powietrza – wynosi przynajmniej 200 mm. W przypadku stromych wlotów powietrza konieczna minimalna przestrzeń to 50 mm pomiędzy płytą montażową a otworami wlotu i wylotu powietrza. Gdy montaż jest możliwy tylko przy ścianie tylnej szafy sterowniczej, należy przewidzieć w płycie montażowej otwory wlotu i wylotu powietrza o odpowiednich rozmiarach, aby chłodne powietrze mogło w sposób niezakłócony wpływać do szafy sterowniczej.

W celu zapewnienia bezzakłóceniowego chłodzenia należy uszczelnić szafę sterowniczą. Minimalnym wymaganiem jest klasa ochrony IP 54. Nieprawidłowo uszczelnione wprowadzenia kabli, uszkodzone uszczelki drzwi, brakujące uszczelnienia przy rozmieszczeniu kilku szaf lub nieprawidłowy montaż urządzeń wskazujących i obsługi na powierzchniach szaf może doprowadzić do tego, że każdego dnia będzie powstawało wiele litrów kondensatu. Z reguły występuje wówczas wyższy poziom temperatury w szafie sterowniczej i pogarsza się efektywność energetyczna.

Zapewnia chłodzenie: obieg powietrza zimnego
Prowadzenie zimnego powietrza ma bezpośredni wpływ na jakość usuwania ciepła z szafy sterowniczej, a tym samym pośredni na bezzakłóceniową pracę całej instalacji lub maszyny. Dlatego tak ważne jest prawidłowe wprowadzanie i rozdzielanie chłodzonego powietrza.

Zimne powietrze pochodzi albo z chłodziarek, umieszczonych przy ścianach bocznych lub drzwiach szafy sterowniczej, albo z urządzeń zabudowy dachowej. Trzecia możliwość to urządzenia umieszczone w obszarze podłogi. Niezależnie od rodzaju budowy urządzenia obowiązuje zasada, że powietrze chłodzące generalnie musi być dostarczane do szafy sterowniczej poniżej aktywnych komponentów.

Tak zwane urządzenia zabudowy naściennej stosowane są z reguły przy szafach sterowniczych, posiadających jednoliniowy zespół przetwornic. W tym celu umieszczane są na drzwiach szafy. Interesującym wariantem są funkcjonalne drzwi klimatyzacyjne, montowane są one do szafy zamiast drzwi standardowych. Wlot zimnego powietrza następuje poniżej zespołu przetwornicowego. Wymagany minimalny odstęp 200 mm pomiędzy wylotem zimnego powietrza i przeznaczonymi do chłodzenia komponentami zapewniony jest już przez konstrukcyjnie określony odstęp pomiędzy drzwiami szafy sterowniczej a płytą montażową. Jeśli z jakiegoś powodu tak nie jest, zimne powietrze może być kierowane przez kształtkę powietrzną kierującą przy wylocie zimnego powietrza urządzenia chłodniczego do obszaru podłogi poniżej chłodzonych komponentów. Odbieranie ciepłego powietrza odbywa się powyżej aktywnych komponentów – z reguły w obszarze dachu szafy sterowniczej.

W zakresie techniki klimatyzacji konieczne jest zamontowanie drzwi przy ścianie bocznej, ponieważ przy ostatnim zespole przetwornicowym zimne powietrze wpływa z boku. Przy tym powstaje ryzyko, że zimne powietrze zostanie częściowo przestawione i będzie przepływało “nieużyte” poniżej zespołu przetwornicowego. W celu uniknięcia niepożądanej „cyrkulacji powietrza pomocne mogą być grodzie pomiędzy zespołem przetwornicowym a ścianami szafy.

Chłodziarki montowane na dachu najlepiej nadają się do jedno- lub wieloliniowych zespołów przetwornicowych. Szczególną ich zaletą jest to, że ciepło odprowadzane jest z najwyższej możliwej pozycji szafy sterowniczej i doprowadzane jest do urządzenia chłodzącego. W ten sposób zapobiega się zatorowi cieplnemu bezpośrednio poniżej dachu, dzięki czemu także w tym rejonie mogą być montowane aktywne komponenty. Tego rodzaju chłodziarki mogą być wyposażone w wiele otworów wylotu powierza, rozmieszczone dookoła centralnego otworu wlotu powierza (rys. 6). Zimne powietrze z tych otworów powinno się szeroko rozchodzić poniżej chłodzonych komponentów. Jeśli nie jest to możliwe w sposób naturalny, musi zostać zapewnione przez systemy kanałów powietrznych. Precyzyjne prowadzenie zimnego powierza przez kanały jest zalecane także wtedy, gdy z powodu dużych elementów zabudowy i/lub urządzeń ze zintegrowanym wentylatorem zakłócone jest powstawanie równomiernego strumienia zimnego powietrza od dołu do góry.

Przykład dla chłodziarki dachowej z centralnym zasysaniem ciepłego powierza i czterema otworami wylotu powietrza, z których jeden wyposażony jest w kanał prowadzenia powietrza. Niepotrzebne wyloty można zamknąć zatyczkami, jednak należy zostawić wolne przynajmniej dwa.

Unikanie pułapek przy prowadzeniu powietrza kanałami
Podczas rozmieszczania odpowiednich kanałów powietrza należy uwzględnić, że

• zastosowanie systemu kanałowego zmniejsza moc chłodzenia urządzeń,
• na szafę sterowniczą przewidziane jest możliwie dużo systemów kanałowych,
• węże powietrzne muszą zostać ułożone bez zgięć,
• bezpośrednie dostarczanie zimnego powietrza do aktywnych komponentów jest niedopuszczalne,
• musi zostać zapewnione niezakłócone wydmuchiwanie zimnego powietrza przy końcu kanału,
• w przypadku chłodziarek montowanych na dachu, posiadających wiele otworów wylotu powietrza, wolny wylot powietrza musi być zapewniony z przynajmniej dwóch otworów.

Otwory wlotu i wylotu powietrza aktywnych komponentów w obiegu wewnętrznym pod żadnym warunkiem nie mogą być zabudowywane przez instalacje elektryczne! Często całkowicie nie docenia się tego, jak bardzo nawet “małe” przeszkody lub mieszanina kabli mogą doprowadzić do zwiększenia oporu przepływu. Jeśli nie jest możliwe uniknięcie montażu komponentów w bezpośrednim pobliżu otworów wentylacyjnych, należy przewidzieć koniecznie blachy kierujące powietrze w celu zapewnienia równomiernej cyrkulacji.

Chłodziarki montowane na dachu, które w połączeniu z systemami kanałów powietrza doprowadzają zimne powietrze do obszaru podłogi szafy sterowniczej, stanowią kolejne rozwiązanie w zakresie chłodzenia. Poprzez duży, wyposażony w otwory wylotu powietrza, kanał (dyfuzor) powietrze wylatuje z dużą prędkością. Charakterystyczne przy tym jest to, że tworzone jest dość równomierne rozdzielenie temperatury w szafie sterowniczej. Poza tym kierunek przepływu zimnego powietrza jest zgodny z kierunkiem przepływu wentylatorów zainstalowanych w komponentach przetwornicowych. Wadą jest to, że ta zasada chłodzenia tylko warunkowo nadaje się do klimatyzowania szaf sterowniczych z wieloliniowymi zespołami przetwornicowymi, ponieważ zimne powietrze dostarczane jest głównie najniższemu zespołowi, podczas gdy górne zespoły z reguły na tym tracą.

W kolejnych częściach zaprezentujemy: Wybór i określanie wielkości agregatów do odprowadzania ciepła z szaf sterowniczych” (część 2), „Rozwiązania specjalne i obciążone otoczenie” (część 3) oraz „Wybór temperatury, usuwanie wilgoci i zarządzanie kondensatem” (część 4).

 

Informacje o firmie Rittal
Firma Rittal Sp. z o.o. powstała w 1999 roku w Grodzisku Mazowieckim (k. Warszawy) jako polskie przedstawicielstwo koncernu Rittal GmbH, światowego lidera w dziedzinie systemów szaf sterowniczych i obudów kompaktowych. Rittal Sp. z o.o. oferuje ponad 10 000 produktów i zaawansowanych rozwiązań z zakresu systemów szaf sterowniczych, systemów zabudowy elektroniki, klimatyzacji systemowej, komponentów rozdziału mocy, infrastruktury IT oraz obudów zewnętrznych. Optymalne dopasowanie produktów do indywidualnych potrzeb klientów zapewnia Centrum Modyfikacji Rittal. Firma jest także dostawcą rozwiązań marki Lampertz, w tym pomieszczeń na serwerownie, sejfów na nośniki danych oraz sejfów modułowych do szaf sieciowych i serwerowych. Specjaliści Rittal Sp. z o.o. świadczą kompleksowe usługi serwisowe oraz doradcze. Firma posiada oddziały regionalne w Katowicach i Poznaniu. Więcej informacji na temat firmy Rittal Sp. z o.o. znajduje się na stronach internetowych: www.rittal.pl i www.lampertz.pl
 

Kontakt dla mediów:
Monika Kuciej
Marketing Manager

Rittal Sp. z o.o.
ul. Królewska 6
05-825 Grodzisk Mazowiecki
tel: 022 724 27 84 w.212
kom: 0 606 443 801
fax: 022 724 08 52
kuciej.m@rittal.pl