Přečtěte si:  Smart city a elektromobilita pro praktický užitek a jejich aktuální výzvy

Invertorové chladiče: Energeticky úsporné chlazení obráběcích strojů

18.3.2013 Chlazení hraje při třískovém obrábění kovů nezastupitelnou úlohu. Přesnost obrábění je přímo závislá na konstantní teplotě chladicí kapaliny. Příkon chlazení činí přibližně 15 % celkové spotřeby energie obráběcího stroje a tomu úměrně odpovídá možný potenciál úspory energie. Chladicí jednotky s invertorovou technologií, které vyvinula společnost Rittal, výrazně zvyšují účinnost chladicího zařízení a díky tomu je celý systém energeticky úspornější.

Na výzkumném projektu MAXIEM (Maximalizace energetické účinnosti obráběcích strojů), jenž je podporován ministerstvem hospodářství a technologie SRN, pracují projektoví inženýři na optimalizaci obráběcích strojů pro třískové obrábění kovů. Jejich cílem je snížit spotřebu energie obráběcích strojů. Kromě výrobců strojů a dodavatelů jednotlivých komponent spolupracují na projektu také uživatelé těchto strojů z automobilového průmyslu a výzkumných ústavů. V rámci výzkumného projektu prověřoval tým Prof. Eberharda Aberle na Institutu pro řízení výroby, technologii a obráběcí stroje (PTW) Technické univerzity v Darmstadtu referenční stroj a poukázal na možnosti, jak lze zlepšit energetickou účinnost. Nejdříve analyzovali, kolik energie spotřebují jednotlivé komponenty a systémy. Jako jeden z důležitých výsledků bylo prokázáno, že chlazení obráběcího stroje tvoří 15 % z celkové spotřeby, přičemž 3 % připadají na chlazení elektrorozváděče a 12 % na chlazení vlastního obráběcího stroje. Právě na chlazení vřetena se klade velký důraz, protože teplota zde musí být regulována velice přesně. Obvykle je vyžadována hystereze 0,5 K, aby byla zaručena potřebná přesnost obrábění. Pokud teplota kolísá více, vede to díky teplotní roztažnosti komponent k výrobním nepřesnostem obrobku.

Obr. 1 Projekt MAXIEM zkoumá možnosti zvýšení energetické účinnosti u obráběcích strojů

Výrazné možnosti úspor

Aby bylo možno obráběcí stroj provozovat nezávisle na externím napájení chladicí vody, je do systému integrován chladič kapalin (chiller), který zajišťuje studenou vodu pro obráběcí stroj. Chladič kapalin je napojen na chladicí systém obráběcího stroje a zároveň zajišťuje klimatizaci elektrického rozváděče prostřednictvím tepelného výměníku voda-vzduch. V chladiči kapalin je veškeré teplo z technologie odvedeno do okolí za použití kompresorového chladicího okruhu. Běžnou regulací takového chladicího stroje je regulace start-stop. Při překročení nastavené teploty je chladič kapalin sepnut a při dosažení požadované teploty se opět vypíná.

Při tomto typu řízení však není možné použít malou hysterezi, a to z důvodu častého spínání kompresoru, které negativně ovlivňuje životnost kompresoru respektive celého chladiče. Jako alternativa se proto v klimatizační technice často používá tzv. regulace obtokem horkých par. Při tomto typu regulace běží kompresor chlazení stále s plným zatížením. Požadovaná teplota se pak reguluje tím, že se horké páry chladiva vrací z výtlaku kompresoru zpět na sání kompresoru přes regulační ventil a část chladicího výkonu je úmyslně z důvodu regulace mařena. Tento typ regulace výrazně snižuje energetickou účinnost chilleru.

Čím více budeme snižovat výkon chilleru, tím horší účinnosti budeme dosahovat, protože budeme nuceni mařit více energie. Je ovšem nutné pamatovat na to, že chiller je vždy navržen na maximální výkon při nejnepříznivějších provozních podmínkách. A z toho vyplývá, že energetická účinnost může být při nepříznivých provozních podmínkách velmi nízká.

Přesná regulace chladicího výkonu

Další možností k dosažení teploty s požadovanou přesností je použití frekvenčně (invertorově) řízených chladicích kompresorů. Invertorově řízené chladiče – jaké v současnosti vyvíjí společnost Rittal – k tomu používají chladicí kompresor s DC bezkartáčovým elektromotorem. Tento frekvenčně řízený trojfázový DC synchronní motor s permanentním buzením dosahuje vyšší účinnosti než běžné AC asynchronní motory a to ve většině provozních stavech. Měnič frekvence transformuje střídavé napětí na stejnosměrné, jež se poté ve formě impulzů přivádí do motoru. Regulace otáček se poté děje vždy podle potřeby výkonu pomocí pulzně šířkové modulace nebo – při vyšších výkonech – zvýšením amplitudy impulzu. U pulzně šířkové modulace má napětí konstantních 325 V, zatímco se šířka impulzu mění od 13 do 107 Hz. Při vyšší potřebě výkonu zvýší měnič napětí na 360 V DC.

Při použití této invertorové regulace kompresor vždy běží v optimálních otáčkách. S tímto typem regulace lze docílit úspor až 60 %. V rámci projektu MAXIEM na PTW v Darmstadu byly tyto úspory energie s invertorovou technologií prokázány i na reálném příkladu, při kterém byly na obráběcím stroji simulovány běžné provozní podmínky v průmyslu. Kromě nižší spotřeby energie se invertorové chladiče vyznačují i dalšími výhodami. Díky méně častému spínání chilleru se výrazně zvyšuje životnost kompresoru a dalších komponent chladicího okruhu. Dále jsou potlačeny rázy v chladicím okruhu, což snižuje vibrace a hluk celého chilleru.

Chladicí výkon od 2 do 8 kW

U invertorových chladičů není však pouze pohon kompresoru optimalizován na nejlepší možnou energetickou účinnost. Know-how, které společnost Rittal dává do těchto zařízení pro nepřímé chlazení, sahá od sestavení jednotlivých komponent až k vyladění regulace. Až souhra všech komponent vede k optimálnímu a energeticky účinnému řešení. Účinnost chladicího systému mohla být zvýšena až o 50 % ve srovnání s běžnými chladicími jednotkami díky optimálnímu návrhu všech komponent chladicího okruhu. Týká se to především vzduchem chlazeného kondenzátoru s úsporným EC ventilátorem, deskového výparníku či elektronicky řízeného vstřikovacího ventilu. Ovšem klíčovou roli hraje frekvenčně řízený kompresor s energeticky účinným DC motorem. Velká výhoda spočívá v tom, že se chladič vždy přizpůsobí požadovanému chladicímu výkonu. Disponuje chladicími výkony od 2 do 8 kW při neměnné vysoké energetické účinnosti. I pro klimatizaci skříňového rozváděče přináší s sebou invertorová technologie výhody. Například lze chladicí systém regulovat na konstantní vyfukovací teplotu studeného vzduchu ve skříňovém rozváděči. Tím se zamezí neustálé změně teploty ve skříňovém rozváděči zapínáním a vypínáním klimatizačního zařízení, což pro konstrukční součásti výkonové elektroniky znamená delší životnost. Tímto systémem lze zamezit i tvorbě kondenzátu. 

Obr. 2 Invertorově řízený chladič Rittal s chladicím výkonem 8 až 20 kW

Další vývoj pro budoucnost

S invertorovými chladiči vyvinula společnost Rittal energeticky účinné řešení nepřímého chlazení, jež například nabízí zmíněné výhody u obráběcích strojů. Vysokou energetickou účinnost na základě provedených měření potvrdil i Tomáš Holkup z Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii ČVUT Praha. Předmětem výzkumu bylo chlazení vřetena a momentových motorů na obráběcím stroji MAS Kovosvit při teplotě okolního prostředí od 22 do 25 °C. Objemový průtok vodního okruhu činil 25 l·min^–1 a teplota vody na vstupu byla 20 °C. Invertorový chladič dokonce při různých požadavcích na chladicí výkon stroje dosáhl vysoké přesnosti teploty ±0,2 K a extrémně vysoký COP (Coefficient of Performance) – vždy 3,3 při chladicím výkonu 4 000 W a 5 000 W. COP udává poměr mezi skutečným chladicím výkonem ve W a skutečným elektrickým příkonem ve W. U obvyklých systémů s regulací obtokem horkých plynů, jež dosahují srovnatelné přesnosti teploty, činí hodnota COP 1,1. Díky inovaci společnosti Rittal bylo dosaženo chladicího faktoru 3, což odpovídá úspoře spotřeby elektrické energie kolem 66 %.

U společnosti Rittal jsou přesvědčeni, že tato technologie nalezne uplatnění i v ostatních výkonových řadách, např. 8 až 20 kW a více. Protože při vyšších výkonech jsou potenciály úspory ve srovnání s potřebnými investicemi ještě atraktivnější, což nakonec vede ke kratší době amortizace. Z těchto důvodů společnost Rittal již vyvíjí další chladicicí jednotky s touto technologií.

Navštivte společnost Rittal na veletrhu Hannover Messe ve dnech 8. až 12. dubna 2013, hala 11, stánek E06.

Více informací najdete na www.rittal.cz

Přečtěte si také další související články:

Systém nosných ramen Rittal CP 60/120/180 pro rozhraní člověk-stroj

5.5.2014 Systémy nosných ramen umožňují snadné a přesné otáčení, jakož i zvedání a vychýlení ovládacího panelu. Tím je obsluha stroje kdykoliv „v naprostém obraze“ a má kontrolu nad strojem nebo zařízením. To, že i v systémech nosných ramen je ještě hodně inovačního potenciálu, ukazuje společnost Rittal v podobě systémové stavebnice pro rozhraní člověk-stroj. Rittal přináší na trh kompletní program nosných ramen ve shodném designu a s maximální nosností od 60 do 180 kg. 

Světová novinka Rittal RiMatrix S poprvé v České republice

25.4.2014 Světovou novinku v oblasti řešení datové infrastruktury RiMatrix S představila společnost Rittal poprvé na veletrhu CeBIT 2013. Dne 23. – 25. dubna 2014 měli možnost RiMatrix S shlédnout také odborníci v České republice, a to v rámci celoevropské roadshow, kterou společnost Rittal odstartovala začátkem dubna 2014. RiMatrix S je kompletní datové centrum, které se skládá z definovaného počtu serverových a datových racků řady TS IT, klimatizačních jednotek, napájecích zdrojů, záložních zdrojů a monitorovacích prvků.

Požadavky pro návrh chlazení elektrických rozváděčů

3.2.2014 V elektrickém rozváděči jsou umístěny elektrické prvky, při jejichž činnosti se část elektrické energie přemění ve ztrátové teplo. Množství ztrátového tepla závisí především na typu elektrického zařízení a jeho velikosti. Představíme-li si elektrický rozváděč jako uzavřený prostor s vnitřními zdroji tepla, umístěný v prostředí o určité teplotě, je nutné se ptát, při jakém teplotním rozdílu mezi vnitřní a vnější teplotou bude skříň rozváděče schopna odvádět veškeré teplo z rozváděče do okolí

Nový systém podstavců pro rozváděčové skříně – montáž bez použití nářadí

29.10.2013 Montáž podstavců z ocelového plechu vyžaduje určitý čas. Výrazně vyšší tempo při instalaci rozváděčových skříní nyní přináší nový systém podstavců Flex-Block vyvinutý firmou Rittal. Novinka z odolného plastu je zajímavá především díky rychlé montáži bez použití nářadí. Rozsáhlé příslušenství navíc dělá z podstavce funkční prostor. 

Chytré rozváděče Rittal

15.4.2013 Je jedna zásuvka stejná jako všechny ostatní? To je již minulostí, dnes obsahují inteligentní systémy silnoproudého rozvodu – Power Distribution Units (PDU) – mnoho přídavných funkcí. Aktuální modely měří, spínají a monitorují odevzdávaný výkon, na přání až na úroveň jednotlivých zásuvek. Důležité je, že se PDU přesně hodí pro požadavky uživatelů. 

Konstruování nízkonapěťových rozváděčů dle normy ČSN EN 61439

2.4.2013 V červnu minulého roku byla přepracována a nově vydána prvotní verze ČSN EN 61439-1 a ČSN EN 61439-2 z roku 2010 ve vydání 2. Přechodné období ČSN EN 60439-1 však nebylo změněno. Proto mají konstruktéři nízkonapěťových rozváděčů nejvyšší čas požadavky nové normy implementovat do svých zařízení. Výraznou podporu přitom nabízí nová verze plánovacího softwaru Power Engineering od společnosti Rittal. 

Copyright © 2012 – 2024 Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services