Każdy z Was będąc na serwisie układu sterowania, obowiązkowo musiał zaglądnąć do szafy sterowniczej. Zapewne po pewnym czasie zrobiło Ci się bardzo gorąco. Nie zastanowiło Cię czy temperatura panująca w szafie nie jest za wysoka?
Specjalnie dla Ciebie postanowiłem zgłębić temat! Na tapetę wziąłem rozwiązania firmy Rittal jednego z wiodących na rynku producentów szaf sterowniczych oraz klimatyzatorów do szaf sterowniczych. Zadałem sobie jedno ważne pytanie – Czy moja szafa sterownicza potrzebuje chłodzenia? Zapraszam do mrożącego krew w żyłach artykułu.
Na samym początku chciałbym przedstawić coś, co lubi każdy inżynier – TEORIA.
Sposoby odprowadzania ciepła z szaf sterowniczych
W związku z rozwojem technologii nastąpiła miniaturyzacja podzespołów oraz zwiększenie mocy urządzeń instalowanych w szafach sterowniczych. Jest to zarówno korzyść, w postaci optymalizacji zagospodarowania miejsca na sterowanie, jak i może powodować zagrożenie w postaci emisji nadmiernej ilości ciepła. Obok negatywnych wpływów zewnętrznych, jak powietrze zawierające olej i wilgoć oraz pył, wrogiem numer jeden dzisiejszej wysokowydajnej elektroniki i komponentów elektronicznych w szafie sterowniczej jest przede wszystkim ciepło. W związku z tym należy zadbać o zapewnienie odpowiedniego chłodzenia.
Wyróżniamy aktywne oraz pasywne metody odprowadzania ciepła z szaf sterowniczych. Na podstawie stosunku temperatury otoczenia (Tzew) do żądanej temperatury wewnętrznej szafy sterowniczej (Twew) można z góry określić rodzaj możliwej klimatyzacji. O ile metody pasywne: chłodzenie przez ściany szafy sterowniczej przy dodatniej różnicy temperatur Twew > Tzew oraz chłodzenie strumieniem powietrza, czyli przewodzenie ciepła od wewnątrz na zewnątrz także przy Twew > Tzew, wiążą się ze stosunkowo niskimi kosztami eksploatacji, o tyle mogą powstawać w szafie gniazda ciepła.
Maksymalna temperatura wewnętrzna szafy sterowniczej (Twew) musi zostać wyznaczona na podstawie zainstalowanych w szafie komponentów elektrycznych i elektronicznych. Zgodnie z normą IEC 60 204-1 „Bezpieczeństwo maszyn“, elektryczne wyposażenie maszyn musi być w stanie prawidłowo pracować w przewidzianej temperaturze powietrza otoczenia. Minimalny wymóg to prawidłowa praca w temperaturach otoczenia między +5°C a +40°C. Odnośnie do zalecanej temperatury wewnętrznej szafy sterowniczej przyjęła się średnia wartość +35°C. Nie ma żadnego technicznego uzasadnienia, aby ustawiać tę temperaturę niżej. W przypadku niższej temperatury w szafie sterowniczej, np. +15°C, dochodzi do znacznie większej kondensacji. Również podzespoły i komponenty są przechłodzone co po wyłączeniu chłodzenia lub otwarciu drzwi szafy może skutkować natychmiastowym tworzeniem się kondensatu. Co jest niekorzystnym efektem. W związku z tym należy mieć kontrolę nad temperaturą. Dzięki rozwiązaniom umożliwiającym nam aktywne chłodzenie. Wymienię tylko kilka najbardziej znanych metod klimatyzacji aktywnej: wymuszona cyrkulacja powietrza, wentylatory filtrujące i filtry wylotowe, wymienniki ciepła powietrze/powietrze, odprowadzanie ciepła przez chłodzenie termoelektryczne, wymienniki ciepła powietrze/woda, systemy schładzania / zimnej wody, klimatyzatory szaf sterowniczych.
W tym artykule wziąłem pod lupę klimatyzatory szaf sterowniczych. Jednak zanim zacznę chciałbym nadmienić kilka słów o popularnych wentylatorach filtrujących i filtrach wylotowych. Najlepiej stosować tę metodę chłodzenia, kiedy temperatura otoczenia jest niższa od temperatury panującej wewnątrz szafy sterowniczej (Twew > Tzew). Pomimo niskiej ceny tego rozwiązania oraz tego, że jest to łatwa metoda chłodzenia, to utrzymanie stałej temperatury wewnątrz szafy sterowniczej na wymaganym poziomie +35°C jest trudne do osiągnięcia. Dochodzą dodatkowe koszty konserwacji w wyniku częstych wymiany filtrów, w zanieczyszczonym powietrzu. Z kolei stosując klimatyzatory w szafie sterowniczej jesteśmy w stanie utrzymać zadaną temperaturę.
Dlaczego potrzebne są klimatyzatory szaf sterowniczych?
Nowoczesna klimatyzacja do szaf sterowniczych musi w pełni odpowiadać nowym warunkom w odniesieniu do najlepszych rozwiązań technicznych i z uwzględnieniem efektywności energetycznej. Jak już wspomniano, główną odpowiedzialność za to, że w szafie sterowniczej dochodzi do awarii podzespołów elektronicznych, ponosi ciepło. Po podwyższeniu temperatury o 10 K (Kelwin) powyżej maksymalnej dopuszczalnej temperatury pracy, żywotność tych podzespołów spada o połowę, a awaryjność się podwaja. Idealnie ukazuje to wykres Arrheniusa.
Technologia klimatyzatorów do szaf sterowniczych
Najbardziej rozpowszechnionym na świecie i najelastyczniejszym rozwiązaniem odprowadzania ciepła z szaf sterowniczych i obudów urządzeń elektronicznych są dedykowane im klimatyzatory.
Dzisiejsze klimatyzatory szaf sterowniczych oferują użytkownikom maksymalną elastyczność. Dzięki temu są uniwersalne. Pozwala to na integrację z infrastrukturą maszyny niezależnie od miejsca zainstalowania.
Pod względem technicznym działają na tej samej zasadzie, co lodówka. Podobnie jak w lodówce, jako medium używa się czynnika chłodniczego. Gazowy czynnik chłodniczy zostaje sprężony w kompresorze chłodniczym, jednocześnie się nagrzewając. Niezbędnymi przewodami czynnik chłodniczy jest prowadzony przez wymiennik ciepła powietrza otoczenia (kondensator, skraplacz). Ciepło czynnika chłodniczego jest oddawane do powietrza otoczenia (schładzanie). W wyniku schłodzenia czynnik chłodniczy skrapla się i płynie przez osuszacz do zaworu rozprężnego. Tutaj następuje obniżenie ciśnienia. Czynnik chłodniczy rozpręża się i płynie przez drugi, znajdujący się w obiegu wewnętrznym wymiennik ciepła powietrza wewnętrznego. Wymiennik ten odbiera moc traconą z szafy sterowniczej. W wyniku ogrzania czynnik chłodniczy ponownie przechodzi w postać gazową i zostaje sprężony w kompresorze chłodniczym. W tym miejscu obieg chłodniczy rozpoczyna się od nowa.
Każde urządzenie posiada obwód chłodzenia, który jest istotą klimatyzatora.
Wszystkie klimatyzatory szaf sterowniczych dysponują dwoma, całkowicie niezależnymi obiegami powietrza i spełniają stopień ochrony IP 54 w obiegu wewnętrznym. Zastosowania przemysłowe stawiają wobec klimatyzatorów szaf sterowniczych wysokie wymagania techniczne. Wyznaczanie granicy zastosowania dla klimatyzatorów szaf sterowniczych jest określone w normie EN 14511. Z reguły dla klimatyzatorów szaf sterowniczych jest to temperatura otoczenia +55°C. Sposób działania klimatyzatora szafy sterowniczej wraz z niezbędnymi komponentami przedstawiono na poniższym schemacie.
Coś, co przykuło moją uwagę i zasłużyło na opisanie w tym artykule, to uzyskana lepsza efektywność energetyczna dzięki nanopowłokom firmy Rittal.
W analizie kosztów (Total Cost of Ownership) dla klimatyzatora szafy sterowniczej można stwierdzić, że w rozpatrywanym okresie 5 lat ok. 60% kosztów całkowitych stanowią same koszty energii i konserwacji. W związku z tym Rittal poszukiwał dróg możliwie maksymalnego zredukowania tych kosztów. Okazało się, że nanopowłoka skraplacza w obiegu zewnętrznym klimatyzatora jest optymalnym rozwiązaniem dalszego obniżenia kosztów konserwacji i energii.
Zalety nanopowłok Rittal:
- Niezmiennie wysoka przewodność cieplna;
- Zwiększenie bezpieczeństwa eksploatacji;
- Znaczne zredukowanie częstości konserwacji;
- Mniejsze osadzanie brudu przemysłowego na płytkach, dzięki temu jest możliwe łatwiejsze czyszczenie wymienników ciepła;
Efekt ten pokazano na poniższym zdjęciu (z lewej strony zastosowano nanopowłokę firmy Rittal, natomiast z prawej strony jest standardowa powłoka)
Efekt uboczny, ale mile widziany? Tak!
Stosując klimatyzator, powietrze we wnętrzu szafy sterowniczej jest osuszane. Dla człowieka takie powietrze jest niekorzystne, ale dla urządzeń elektronicznych i elektrycznych wręcz idealne! Podczas chłodzenia powietrza wewnątrz szafy, część zawartej w nim wilgoci kondensuje się w wewnętrznym wymienniku ciepła (parowniku). Woda ta (kondensat) jest bezpiecznie odprowadzana przez odpływ na zewnątrz szafy sterowniczej.
Jak dobrać klimatyzator do szafy sterowniczej?
Skoro już wiemy co nieco o klimatyzatorach, to w takim razie zastanówmy się jak dobrze dobrać go do naszej szafy sterowniczej?
W trakcie projektowania szafy należy znaleźć odpowiedzi i uwzględnić następujące kwestie:
- Jaka jest wysokość temperatury otoczenia (Tzew) i wilgotność w miejscu zainstalowania?
- Jaka jest dopuszczalna maksymalna temperatura wewnętrzna szafy (Twew)?
- Jaka moc tracona występuje w szafie sterowniczej ?
- Jakie normy krajowe i międzynarodowe (DIN, UL, CSA itd.) muszą spełniać klimatyzatory szaf sterowniczych?
- Jaki jest wymagany stopień ochrony?
Przykład doboru klimatyzatora szafy sterowniczej
Załóżmy takie dane wejściowe:
- Moc tracona w szafie sterowniczej (Qv): Qv = 2000 W;
- Wymiary szafy sterowniczej A (szer. x wys. x głęb.) = 600 x 2000 x 500 mm, szafa wolnostojąca;
- Temperatura otoczenia: T zew = 45℃
- Żądana temperatura wewnętrzna: T wew = 35℃
Krok 1 – Obliczenie powierzchni szafy sterowniczej wg normy VDE 0660 część 500:
- A = 1,8 · wys. · (szer. + głęb.) + 1,4 · szer. · głęb.
- A = 1,8 · 2,0 · (0,6 +0,5) + 1,4 · 0,6 · 0,5
- A = 4,38 m² – nasza obliczona powierzchnia szafy sterowniczej
Krok 2 – Obliczenie mocy napromieniowania otoczenia +45°C do wewnątrz +35°C (Twew < Tzew), przy stałej k=5,5:
- Qs=k · A · (Twew-Tzew)
- Qs=5,5 · 4,38 · (45 – 35)
- Qs=242 W – obliczona moc napromieniowania
- Qe= Qv+Qs=2000+242
- Qe=2242 W – ta moc tracona musi być odprowadzona na zewnątrz przez klimatyzator szafy sterowniczej
Krok 3 – Wynik
Należy zatem wyszukać klimatyzator o mocy chłodniczej 2242 W przy temperaturze otoczenia +45°C i temperaturze wewnętrznej szafy sterowniczej +35°C.
Dzięki powyższej metodzie staliśmy się mistrzami w wyznaczaniu odpowiedniej mocy chłodniczej klimatyzatora szafy sterowniczej. Jednak w celu zaoszczędzenia sobie czasu, możemy pominąć obliczenia i skorzystać ze schematu wyboru rzeczywistej mocy chłodniczej klimatyzatora zamieszczonego poniżej.
Dobre praktyki przy doborze, projektowaniu i eksploatacji klimatyzacji
Chciałbym jeszcze opisać kilka ważnych i przydatnych uwag dotyczących projektowania i eksploatacji.
Poza obliczeniem i wyborem rozwiązań do odprowadzania ciepła z szafy sterowniczej i obudowy do elektroniki, ważne jest również prawidłowe rozplanowanie i rozmieszczenie urządzeń i środków roboczych. Urządzenia i komponenty elektryczne powinny być zainstalowane w szafie sterowniczej zgodnie ze wskazówkami danego producenta oraz parametrami w instrukcji urządzenia.
Ważne jest, aby kierunek przepływu zimnego powietrza przez komponenty był skierowany od dołu do góry.
Następnie między podzespołami i komponentami elektrycznymi musi być przewidziana wystarczająca ilość miejsca dla przepływu powietrza. Ważne jest względnie estetyczne ułożenie przewodów umożliwiające swobodny przepływ powietrza przez szafę sterowniczą i otwory wentylacyjne.
We wszystkich rozwiązaniach klimatyzacji należy zwracać uwagę na to, aby dopływ i odpływ powietrza komponentów klimatyzacji nie był utrudniony przez ściany, maszyny lub inną zabudowę.
Cyrkulacja powietrza w szafie sterowniczej
Prowadzenie powietrza w szafie, z uwzględnieniem kierunku powietrza komponentów elektronicznych z własnymi dmuchawami lub wentylatorami, musi być uwzględnione już w projektowaniu. W klimatyzacji należy unikać prowadzenia powietrza w kierunku przeciwnym do przepływu powietrza podzespołów elektronicznych. Tego typu problemy występują szczególnie w urządzeniach do zabudowy dachowej. Tutaj optymalnym rozwiązaniem technicznym są klimatyzatory i wymienniki ciepła powietrze/woda z kanałami prowadzenia powietrza.
Szczególnie w przypadku stosowania urządzeń dachowych należy zwracać uwagę na strumień powietrza własnych dmuchaw komponentów elektroniki.
Konserwacja
Konserwacja wentylatorów filtrujących, wymienników ciepła powietrze/ powietrze i klimatyzatorów szaf sterowniczych obejmuje w pierwszej linii filtry zewnętrzne tych komponentów. Należy unikać obciążania filtrów pyłem i oleistym brudem w stopniu nie gwarantującym prawidłowego działania urządzeń. Należy stosować tylko zalecane przez producenta maty filtrujące.
Dla klimatyzatorów nie zaleca się stosowania filtrów ze sprasowanej włókniny. Przy dużym obciążeniu pyłem należy stosować filtry PU i regularnie je wymieniać. W zapylonym powietrzu otoczenia klimatyzatory Rittal nie wymagają osobnych filtrów dzięki powłoce RiNano. Dla powietrza zawierającego olej należy stosować filtry metalowe. Oddzielają one kondensat olejowy z powietrza i można je myć środkami czyszczącymi rozpuszczającymi tłuszcze.
Blue e+
Klimatyzatory serii Blue e+ są uznawane za najefektywniejsze na świecie.
Co je wyróżnia spośród innych klimatyzatorów na rynku?
- Efektywność – dzięki komponentom z regulacją obrotów i technologii heat pipe e+ osiąga do 75% oszczędności energii;
- Elastyczność:
- możliwość zastosowania klimatyzatorów serii e+ na całym świecie dzięki funkcji obsługi wielu napięć;
- uproszczona konstrukcja pozwala na jeszcze więcej wolnej przestrzeni;
- brak różnic w urządzeniach i częściach zamiennych;
- niższe koszty magazynowania i logistyki;
- Bezpieczeństwo – wydłużona żywotność wszystkich komponentów w szafie sterowniczej i klimatyzatorze dzięki chłodzeniu dostosowanemu do potrzeb;
- Prostota – intuicyjna obsługa za pomocą ekranu dotykowego oraz inteligentnych interfejsów;
Co jest istotą technologii Blue e+?
Przekonaj się na własne oczy, jak prezentuje się produkt Rittal- The System Blue e+
Program Therm oraz Aplikacja Blue e+
Therm służy do obliczenia parametrów klimatyzacji. Dobrany interfejs do użytkownika pozwala w łatwy sposób prawidłowo przypasować wymiary elementów układu klimatyzacji. Z obliczeń otrzymujemy szczegółową dokumentację, którą można wydrukować lub dalej edytować w dowolnym programie tekstowym. Każda analiza oparta jest na wytycznych norm IEC/TR3 60890 AMD 1 i DIN 3168 dotyczących klimatyzatorów szaf sterowniczych. Jest to oprogramowanie stworzone z myślą o projektantach, aby przy doborze rozwiązania klimatyzacji zaoszczędzili masę pracy i czasu.
Natomiast Aplikacja Therm, jest dostępna zarówno na komputer PC, jak i na smartfona z systemem Android i iOS (iPhone).
W kilku prostych krokach chcę pokazać jak obsłużyć aplikacje Therm na systemie Android. Aplikacja jest dostępna do pobrania w platformie Google Play.
Aby sprostać wymaganiom Industry 4.0, firma Rittal opracowała aplikację Blue e+ dzięki której możesz w łatwy sposób zmienić konfigurację klimatyzatora. Która również dostępna jest dla systemów Android w Google Play.
Zobacz jakie to proste!
Dodatkowym rozwiązaniem jest Interfejs IoT. Służy do łączenia klimatyzatorów Blue e+ i chillerów Blue e+ w sieć z indywidualnymi systemami monitorowania, zarządzania energią i/lub systemami nadrzędnymi. Odtąd analizy, konfiguracje i udostępnienia danych przez powszechnie stosowane interfejsy komunikacyjne są w jednym miejscu.
Podsumowanie
Dlaczego warto inwestować w „chłodne szafy”? Zaawansowane urządzenia oraz moduły zasilające zaszyte w szafach sterowniczych wytwarzają szkodliwe dla nich ciepło. Musi ono zostać odprowadzone, aby układ sterowania i zasilania działał poprawnie. Zadaniom tym sprostają tylko klimatyzatory, które zostały specjalnie zaprojektowane w tym celu. Elastyczna oferta firmy Rittal umożliwia nam zastosowanie urządzeń chłodniczych, które mogą być implementowane dowolnie do naszych potrzeb. Stosunkowo proste urządzenie, jakim jest klimatyzator, spełnia wszystkie oczekiwania Industry 4.0. Mam nadzieję, że pokazałem Wam, jak ważne jest, aby wnętrze naszej szafy utrzymywało stałą temperaturę. Inwestycja w klimatyzator szafy sterującej pozwoli zmniejszyć ryzyko wystąpienia awarii, a przez to zapewni ciągłość procesów produkcji i przy okazji, przy „dobrych ustawieniach” schłodzi Wasz ulubiony napój 🙂
Trzymajcie się ciepło!
