Jak skutecznie odprowadzać ciepło z szafy sterowniczej?
Zapewnienie odpowiedniego systemu chłodzenia jest podstawą poprawnego funkcjonowania szaf sterowniczych. Bez takich rozwiązań podwyższona temperatura wewnątrz szafy może bowiem doprowadzić do awarii lub skrócenia żywotności zwłaszcza wrażliwych komponentów elektronicznych.
We wszystkich obiektach przemysłowych (choć nie tylko), w których występują bardziej rozbudowane instalacje elektryczne, systemy automatyki czy energetyki, szafa sterownicza jest dziś niezbędnym elementem wyposażenia. Jej głównym zadaniem jest bezpieczne użytkowanie i ochrona znajdujących się w ich wnętrzu urządzeń i podzespołów elektronicznych i elektrycznych. Jednak duże nagromadzenie tych elementów wewnątrz szafy może prowadzić do niekorzystnego dla ich funkcjonowania wzrostu temperatury.
– Rozwój procesów automatyzacji produkcji prowadzi do coraz gęstszej zabudowy szaf sterowniczych o aparaturę aktywną. Aparatura ta w szczelnej szafie wytwarza coraz więcej ciepła co jest sytuacją niebezpieczną i za wszelką cenę musimy dbać o odprowadzenie ciepła na zewnątrz – tłumaczy Marcin Lisowski, Product manager ds. klimatyzacji i systemów chłodzenia w firmie Rittal.
Różne metody chłodzenia szafy sterowniczej
W pewnych warunkach skuteczne odprowadzanie ciepła z wnętrza szaf mogą gwarantować naturalne procesy (tzw. pasywne), czyli głównie cyrkulacja powietrza oraz konwekcja. Pierwsza metoda będzie skuteczna w przypadku szaf otwartych bądź o dużym stopniu przepuszczania powietrza. Z kolei konwekcja własna, czyli naturalna wymiana ciepła przez powierzchnię szafy, zależy m.in. od różnicy temperatur
W większości przypadków takie naturalne metody chłodzenia mogą okazać się jednak niewystarczające. Konieczne może być więc użycie dodatkowych urządzeń wspomagających proces odprowadzania ciepła.
W metodzie wymuszonej cyrkulacji powietrza znajdujące się w szafie wentylatory powodują stały ruch powietrza wewnątrz obudowy. Tym samym zapewniają one lepszy rozkład ciepła i skuteczniejszy proces konwekcji.
Znacznie skuteczniejsza jest metoda odprowadzania ciepła przy wykorzystaniu wentylatorów filtrujących. Montowane w ścianie obudowy wentylatory nie zajmują dużo miejsca w szafie, a jednocześnie zapewniają stały i równomierny przepływ powietrza. W dostępnych na rynku rozwiązaniach znajdziemy zarówno wentylatory wtłaczające powietrze do szafy, jak i zasysające powietrze z obudowy.
Przy konieczności zapewnienia wysokiego poziomu szczelności szafy, stosowanie wentylatorów z filtrem może okazać się złym rozwiązaniem. W takiej sytuacji można postawić np. na odprowadzanie ciepła przez wymienniki powietrze/powietrze. W metodzie tej wentylator wewnątrz szafy kieruje ciepłe powietrze do wymiennika ciepła, do którego trafia również powietrze z otoczenia. Dzięki osobnym obiegom powietrza oba prądy jednak się nie mieszają. Chłodniejsze powietrze zewnętrzne przejmuje część ciepła i jest odprowadzane poza wymiennik. Z kolei schłodzone powietrze z szafy powraca do jej wnętrza. Skuteczność tej metody jest tym większa, im większa jest różnica temperatur w szafie i otoczeniu.
Analogicznie odprowadzane jest ciepło w przypadku wymienników powietrze/woda. Wentylator wewnątrz szafy kieruje ciepły strumień powietrza do wymiennika, gdzie jest on chłodzony przez krążącą w tym wymienniku wodę, a następnie wraca do szafy. Metoda ta jest skuteczniejsza od chłodzenia wymiennikiem powietrze/powietrze. Co więcej, dzięki niej można uzyskać temperaturę w szafie niższą od temperatury otoczenia. Metoda ta wymaga podłączenia do przyłącza wodnego oraz zapewnienia jej zamkniętego obiegu, co jednak w większości zakładów przemysłowych nie powinno stanowić problemu.
Również woda jest odpowiedzialna za chłodzenie wnętrza szafy w metodzie bezpośredniego chłodzenia wodnego. Medium to jest dostarczane do płyty montażowej, do której montowane są poszczególne komponenty szafy. Zaletą tej metody jest oszczędność miejsca, równomierne odprowadzanie ciepła i zapewnienie stałej temperatury w szafie. Wymaga jednak dość skomplikowanego systemu doprowadzania wody.
Najbardziej skuteczny sposób odprowadzania ciepła zapewniają klimatyzatory szaf sterowniczych. Urządzenia te wykorzystują czynnik chłodniczy, który w wyniku nagrzewania i schładzania, sprężania i rozprężania, odprowadza ciepło do powietrza otoczenia. Przy zastosowaniu tej metody odprowadzania ciepła można obniżyć temperaturę wewnątrz szafy znacznie poniżej temperatury otoczenia. Ponadto obieg zamknięty sprawia, że do szafy nie przedostaną się żadne zanieczyszczenia z zewnątrz. Kolejną zaletą systemów klimatyzacji jest osuszanie powietrza w szafie.
Ważne parametry
Skuteczność odprowadzania ciepła z szaf sterowniczych będzie różna w zależności od co najmniej kilku czynników. Przede wszystkim istotne jest, czy obudowa jest szczelna, czy otwarta (przepuszcza powietrze). Kolejnym ważnym czynnikiem jest różnica temperatur pomiędzy otoczeniem, w którym znajduje się szafa, a jej wnętrzem. Przy czym ważne jest, by uwzględniać maksymalne temperatury, jakie mogą panować w otoczeniu i wewnątrz obudowy.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Istotna dla doboru metody chłodzenia może być także obecność w powietrzu szkodliwych czynników (np. wilgoć, pył, kurz, chemiczne opary). O skuteczności chłodzenia będzie decydować także ustawienie szafy. Pojedyncza szafa wolnostojąca będzie oddawać do otoczenia więcej ciepła niż szafa przyścienna, stojąca w szeregu z innymi szafami, zabudowana we wnęce lub zintegrowana z maszyną.
Klimatyzacja czy wentylacja szafy sterowniczej?
Wybierając pomiędzy najpopularniejszymi metodami odprowadzania ciepła – wentylacją i klimatyzacją – należy wziąć pod uwagę kilka najważniejszych czynników.
– Elementem determinującym wybór odpowiedniego systemu chłodzenia szaf sterowniczych jest przede wszystkich temperatura otoczenia oraz stopień zabrudzenia środowiska zewnętrznego – tłumaczy Marcin Lisowski. – Przy temperaturach otoczenia niższych niż temperatura zakładana wewnątrz szaf sterowniczych mamy do dyspozycji systemy wentylacyjne, czyli wentylator, kratka wentylacyjna oraz termostat.
Jeżeli środowisko jest jednak bardzo agresywne, występują kwasy, zasady, ługi jesteśmy zmuszeni odizolować wnętrze obudowy od warunków otoczenia. – W takim wypadku musimy skorzystać z systemów klimatyzacji lub wymienników woda/powietrze, które pozwalają nam całkowicie odizolować się od środowiska zewnętrznego, jak również eliminują problem wysokiej temperatury otoczenia – dodaje Marcin Lisowski. – Nowe klimatyzatory Rittal Blue e+ całkowicie zabezpieczają szafy sterownicze przed wysokimi temperaturami otoczenia nawet do 60C, są w stanie odprowadzać duże ilości ciepła z obudowy do 6 kW oraz pozwalają na oszczędności nawet do 75% energii elektrycznej.
Wymienniki woda/powietrze posiadają w zasadzie bardzo zbliżone zalety do urządzeń klimatyzacyjnych, jednocześnie nie wymagają praktycznie prac serwisowych, są idealnym rozwiązaniem, gdy na obiekcie przemysłowym istnieje już infrastruktura wodna pozwalająca zasilić wymienniki.
Równie ważna ekologia
Przy projektowaniu współczesnych klimatyzatorów szaf sterowniczych coraz ważniejsze stają się również kwestie ekologiczne. Jak wyjaśnia Marcin Lisowski, firma Rittal kładzie olbrzymi nacisk, aby nowe systemy chłodzenia szaf sterowniczych oraz procesów przemysłowych były jak najbardziej efektywne energetycznie.
Nowa technologia pozwala na zmniejszenie zużycia energii i emisji CO2 o średnio 75%. Tajemnica sukcesu tych urządzeń tkwi w technologii hybrydowej: działają one w oparciu o wyrafinowaną współpracę klimatyzatora sprężarkowego i technologii heat pipe. Sprężarka znajduje zastosowanie tylko wówczas, gdy chłodzenie pasywne staje się niewystarczające. Ponadto dzięki opatentowanej technologii inwerterowej mamy możliwość pełnej regulacji pracą urządzenia. Jeżeli spada obciążenie produkcją oraz obniża się temperatura wewnątrz szaf sterowniczych, klimatyzator obniża obroty zarówno silników parownika i skraplacza, ale również samej sprężarki, przez co praca urządzeń jest jeszcze bardziej ekonomiczna.
