Přečtěte si:  Publikace Elektromobilita v praxi: Jak se zorientovat na poli elektromobility

Základy klimatizace rozváděčových skříní

Cílené a efektivní chlazení

23.6.2015 Nárůst výkonu výrobních technologií zvyšuje potřebu odvodu ztrátového tepla z rozváděčových skříní. Na základě požadavku větších chladicích výkonů Rittal poskytuje vysoce efektivní klimatizační řešení, která se zaměřují především na energetickou účinnost. Inovativní komponenty klimatizace a chladicí systémy dnes nabízejí o více než 40 procent vyšší účinnost než dosavadní systémy.

Aby se zabránilo vnikání nežádoucích látek, jako například mastného a vlhkého okolního vzduchu nebo prachu dovnitř skříně, musí mít rozváděče vysoký stupeň krytí. Ovšem vysoký stupeň krytí zabraňuje přirozenému odvodu tepla mimo rozváděčovou skříň. Vysoká teplota je největším nepřítelem pro výkonovou mikroelektroniku a elektronické komponenty v rozváděčové skříni: např. zvýšení teploty o 10 K vzhledem k maximální povolené provozní teplotě může zkrátit jejich životnost na polovinu a zdvojnásobit výskyt poruch.

Ztrátový výkon elektronických komponent se sice v posledních letech výrazně zmenšil, zároveň se však značně zvětšila hustota zástavby v rozváděčových skříních, takže ztrátový výkon na jednotkovou plochu celkově vzrostl o 50 až 60 procent. Tím se také mění požadavky na odvod tepla z rozváděčových skříní. Moderní chlazení rozváděčových skříní musí být kombinací nejlepšího technického řešení s maximální možnou energetickou účinností.

Tři možnosti odvodu tepla

Existují tři různé způsoby přenosu (sdílení) tepla: vedení (kondukce), proudění (konvekce) a sálání tepla (radiace). V rozváděčových skříních a skříních pro elektroniku převažuje kondukce a konvekce. Sálání tepla hraje vedlejší roli, protože teplo je zde přenášeno ve formě sálavé energie bez nosného média z tělesa na těleso. U otevřených skříní, které propouštějí vzduch, lze teplo odvádět zevnitř ven pomocí výměny vzduchu (konvekce). Musí-li zůstat skříň zavřená, tedy neprodyšná, může být teplo odváděno jen přes stěnu skříně.

Aby docházelo k odvodu tepla z rozváděče, musí být teplota okolního vzduchu nižší než požadovaná vnitřní teplota v rozváděčové skříni (doporučená teplota je 35 °C). Vnitřní teplota je jeden ze základních údajů pro návrh chlazení rozváděčů. Dalším důležitým faktorem návrhu je druh instalace: volně stojící skříň může prostřednictvím svého povrchu odvést více ztrátového výkonu než rozváděčová skříň zabudovaná do výklenku nebo do stroje.

Volba způsobu chlazení pro různé požadavky

Pro aktivní odvádění tepla z rozváděčové skříně existují nejrůznější metody. Při nuceném oběhu se používají cirkulační ventilátory pro zlepšení sdílení tepla, tedy přenos tepla skrz stěny rozváděče. Ventilátory zajišťují cirkulaci vzduchu uvnitř skříně, a zajišťují tak lepší rozdělení tepla ve skříni a na stěnách. Toto řešení má však svoje omezení.

Ve většině případů totiž samotný prostup tepla stěnou rozváděče nestačí zajistit požadovanou konstantní teplotu uvnitř skříně (standardně 35 °C). Nejjednodušším řešením je použití ventilátorů s filtrem. Diagonální ventilátory nabízejí konstantní aerodynamický výkon s optimalizovaným vedením vzduchu a velmi malou montážní hloubkou, takže v porovnání s běžnými axiálními ventilátory potřebují menší instalační prostor.

Řada ventilátorů s filtrem TopTherm Rittal s EC technologií nabízí vedle inteligentních regulačních a monitorovacích funkcí také úsporu energie o více než 60 procent.

Podle požadavku lze tyto ventilátory s filtrem zabudovat do rozváděčové skříně jako ventilátory tlačné nebo nasávací. Doporučované je řešení s tlačnými ventilátory, aby v rozváděčové skříni nevznikal podtlak. Při podtlaku totiž proudí přívodní vzduch nekontrolovaně dovnitř, a to nejen sáním přes filtr, ale také všemi kabelovými průchodkami a jinými netěsnými místy. Nefiltrovaný okolní vzduch s nečistotami a vlhkostí proudící dovnitř může způsobit problémy. Ve variantě s tlačnými ventilátory je vzduch cíleně veden do rozváděčové skříně a nekontrolované proudění okolního vzduchu do rozváděče je vyloučeno.

Díky provozu s minimálními vibracemi a malé hmotnosti je termoelektrický chladič od Rittalu ideálním doplňkem systémů nosných ramen.

Jednoduchý princip s velkým účinkem

Musí-li být pro rozváděčovou skříň dodržen stupeň krytí IP 54, lze použít výměník tepla vzduch/vzduch. Jeho princip funkce je jednoduchý, ale velmi účinný. Teplý vnitřní vzduch je v horní části rozváděčové skříně nasáván ventilátorem a veden křížovým výměníkem tepla. Studenější okolní vzduch je rovněž nasáván ventilátorem a také veden tímto výměníkem tepla, proudy vzduchu se však nesmíchávají. Proud okolního vzduchu chladí přes výměník tepla vnitřní proud vzduchu a odvádí ztrátové teplo do okolí. Vnitřní vzduch je v tepelném výměníku ochlazován a veden do spodní části rozváděčové skříně. Výměník tepla vzduch/vzduch lze v závislosti na potřebě místa a požadavcích instalovat na rozváděčovou skříň nebo dovnitř skříně.

Úspěšný rozvoj výměníků tepla vzduch/voda

Vedle chladicích jednotek pro rozváděčové skříně se velmi úspěšně prosadilo používání výměníků tepla vzduch/voda, také proto, že z hlediska tepelné techniky lze na velmi malém prostoru dosáhnout velkého chladicího výkonu. Užitečný chladicí výkon závisí na vnitřní teplotě rozváděčové skříně, vstupní teplotě vody a objemovém proudu vody v tepelném výměníku. Plně uzavřená rozváděčová skříň dosahuje stupně krytí IP 55. Vnitřní vzduch lze přitom ochladit pod teplotu okolního prostředí.

Ztrátový výkon rozváděče je odváděn do kapaliny, která cirkuluje v uzavřeném okruhu. Výměník tepla je napojen na centrální nebo samostatný zdroj chladu (chiller), kde dochází k opětovnému ochlazení ohřáté kapaliny. V závislosti na typu rozváděče je možné použít nástěnnou nebo střešní variantu.

Vyšší energetická účinnost díky chlazení kapalinou

Chlazení kapalinou nabízí tyto výhody:

•    větší energetická hustota než např. u vzduchu umožňuje u pohonů větší trvalý výkon při stejném konstrukčním objemu,

•    jednoduchý transport energie např. z budovy ven,

•    kompaktní konstrukce při současném odvádění větších tepelných zatížení,

•    velká akumulace tepla (např. možné pokrytí krátkodobých špičkových zatížení),

•    volně rozšiřitelný chladicí výkon: modulární, otevřený, možnost sestavení do stavebnicových systémů.

Tepelné výměníky vzduch/voda firmy Rittal s regulací v režimu „Eco“ jsou důsledně optimalizovány pro vysokou energetickou účinnost.

Ze srovnávacích výpočtů vyplynulo, že použití více výměníků tepla vzduch/voda může být v porovnání s chladicími jednotkami investičně i provozně zajímavou alternativou. Ve vzorovém řešení s výměníky tepla vzduch/voda a centrálním chillerem tak byly energetické náklady nižší o 40 procent. Vyšší investiční náklady se díky úspoře energie amortizovaly během necelého roku.

Specialista na velké ztrátové výkony

Stále více jsou v průmyslových aplikacích požadovány výměníky tepla vzduch/voda, které dokáží zajistit až 10kW chladicího výkonu. Speciálně proto vyvinula firma Rittal výkonné průmyslové výměníky tepla LCP (Liquid Cooling Package), které umožňují nejenom velký chladicí výkon, ale také se dají snadno a flexibilně integrovat do systému rozváděčových skříní TS 8 firmy Rittal. Umístění výměníku je možné je možné vlevo, vpravo nebo uprostřed rozváděčových skříní.

Technologie LCP (Liquid Cooling Package) etablovaná již v serverových rozváděčích je k dispozici také s výkonem 10 kW pro průmyslové aplikace ve výrobě strojů a zařízení. Inteligentní vedení vzduchu: Teplý vzduch v rozváděčové skříni je v horní části skříně nasáván a po ochlazení opětovně přiváděn do skříně ve spodní části.

Aktivní chlazení chladicími jednotkami pro rozváděčové skříně

Celosvětově nejrozšířenější a nejflexibilnější řešení pro odvádění tepla z elektrických rozváděčů je použití chladicích jednotek. Chladicími jednotkami lze dosáhnout vnitřní teploty v rozváděči nižší než je teplota okolního vzduchu. Pracují na stejném principu jako např. domácí chladnička za použití teplonosného média – chladiva. Plynné chladivo je stlačováno kompresorem do výměníku tepla (kondenzátoru), kde dochází ke kondenzaci par chladiva (zkapalnění) a zároveň předání kondenzačního tepla do okolního vzduchu. Následně kapalné chladivo proudí přes redukční zařízení (expanzní ventil) do výměníku tepla (výparníku), kde dochází k vypařování chladiva, a tím ochlazování okolního vzduchu (vzduchu uvnitř rozváděče). Dále pak vypařené chladivo nasává kompresor a celý oběh se opakuje.

Všechny chladicí jednotky pro rozváděčové skříně mají dva oddělené okruhy vedení vzduchu a ve vnitřním okruhu splňují stupeň krytí IP 54. Jejich průmyslové použití má zpravidla svůj limit při teplotě okolního vzduchu +55 °C.

Inovativní technika zajistí úsporu dvou třetin energie

Zvýšené nároky na energetickou účinnost splňují chladicí jednotky „Blue e“ firmy Rittal. V porovnání s o pět let staršími zařízeními spotřebují až o 70 procent méně energie, především díky nejnovější technologii kompresorů a ventilátorů s EC motory. Pomocí nanotechnologie použité u výměníku tepla ve vnějším okruhu a optimalizovaného provozního bodu se významně prodloužila životnost jednotlivých komponent chladicího okruhu.

Firma Rittal nechala energetickou účinnost všech chladicích jednotek ze svého programu TopTherm, k nimž patří také chladicí jednotky „Blue e“, nezávisle přezkoušet v TÜV Nord.

Podle analýzy nákladů (Total Cost of Ownership) pro chladicí jednotku rozváděčové skříně představují v pětiletém uvažovaném horizontu jen náklady na energie a údržbu zhruba 60 procent celkových nákladů. Povrchový nanonátěr kondenzátoru ve vnějším okruhu se zde osvědčil jako optimální řešení pro další snížení nákladů na údržbu a energii. Snižuje usazování průmyslových nečistot na lamelách, což usnadňuje čištění tepelných výměníků a prodlužuje intervaly údržby. Konstantně velká tepelná vodivost navíc zvyšuje bezpečnost provozu.

Řízení ventilátoru dle potřeby

Nový vývoj ukazuje, že i drobná energeticky účinná opatření vedou k nadprůměrným úsporám a realizace nemusí být spojena s velkými investicemi. Typickým příkladem je nová regulace v režimu „Eco“ firmy Rittal pro chladicí jednotky rozváděčových skříní série „Blue e“. Výparníkové ventilátory (vnitřní ventilátory) jsou obvykle po zapnutí napájení v permanentním provozu, a zajišťují tak nepřetržitou cirkulaci vzduchu uvnitř skříně. A to i tehdy, když kompresorové chlazení není vlivem teploty dočasně v provozu. Regulace v režimu „Eco“ zde nabízí efektivní řešení. Vypne nebo zapne ventilátor dle potřeby v závislosti na teplotě v rozváděčové skříni. Nachází-li se vnitřní teplota o 10 °C pod nastavenou teplotou, ventilátor se vypne. Pro efektivní měření teploty uvnitř rozváděčové skříně se ventilátor každých deset minut zapne na 30 vteřin, a zajistí tak cirkulaci vzduchu v rozváděčové skříni.

Složitý výpočet optimálního řešení klimatizace pro rozváděčové skříně lze nyní provést také ve smartphonu pomocí nové aplikace Therm firmy Rittal.

Elektrické odpařování eliminuje riziko úrazu

V automobilovém průmyslu byl stanoven požadavek zamezit nebezpečí úrazu v důsledku shromažďování vody (kondenzátu) na jednom místě, avšak bez nutnosti instalace odpadního potrubí pro odvod kondenzátu. Proto byly vyvinuty chladicí jednotky s integrovaným elektrickým odpařováním kondenzátu. Jedná se o účinnou topnou patronu PTC s automatickým přizpůsobením topného výkonu podle množství kondenzátu. Výkon odpařovače je cca 120 ml vody za hodinu a v případě, že tento výkon nestačí, je kondenzát bezpečně odváděn mimo rozváděč.

Ve druhém svazku své technické knihovny „Chlazení rozváděčových skříní a procesů“ popisuje firma Rittal, co byste měli vědět o nejnovějších trendech chlazení rozváděčových skříní a strojů.

Společnost Rittal přináší svým zákazníkům stále něco nového. Promyšlený koncept „Rittal – The System.“ poskytuje řešení v oblasti rozváděčů, rozvodů proudu, chlazení a IT infrastruktury, včetně softwaru a služeb, napříč všemi sektory průmyslu. Celosvětovou dostupnost nabízených produktů a řešení zajišťuje více jak 10 000 zaměstnanců, 11 výrobních závodů a 64 dceřiných společností.

Letní měsíce jsou z hlediska kontroly klimatu v rozváděčích tím nejnáročnějším obdobím. Nečekejte na okamžik, kdy vlivem teploty dojde k výpadku výroby. Zajistěte si léto bez „teplotních“ stresů.

Rittal

Foto © Rittal

Více na www.rittal.cz

Přečtěte si také:

Zařízení pro odvod ztrátového tepla z elektrických rozváděčů

3.3.2014 V tomto článku se seznámíme s nejběžnějšími principy odvodu ztrátového tepla z elektrických zařízení. Vyjmenujeme vše, co ovlivňuje výběr jednotlivých typů chladicích zařízení a jak je možné řídit vnitřní klima elektrických rozváděčů. Základní dělení způsobu chlazení elektrických rozváděčů je na pasivní a aktivní. 

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

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