Zadanie: wybór klimatyzatorów

Klimatyzacja ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania nowoczesnych linii produkcyjnych. W przypadku niewłaściwego zestawienia komponentów trzeba liczyć się nie tylko z kosztami elementów zniszczonych lub uszkodzonych przez zbyt wysoką temperaturę, lecz także ze stratami spowodowanymi zatrzymaniem produkcji. Odpowiedni dobór klimatyzacji gwarantuje bezpieczną i ekonomiczną eksploatację, dlatego warto poświęcić mu trochę uwagi. Firma Rittal – pionier w dziedzinie klimatyzacji szaf sterowniczych – doradza co, kiedy i jak zastosować.

Niedostateczne chłodzenie układów energoelektrycznych i energoelektronicznych może skutkować uszkodzeniami spowodowanymi przegrzaniem. Z drugiej strony przewymiarowanie – z myślą o zapewnieniu bezpieczeństwa – uniemożliwia ekonomiczną eksploatację. Im większa różnica temperatury pomiędzy źródłem ciepła i jego otoczeniem, tym odprowadzanie ciepła jest wydajniejsze. Innymi słowy, w przypadku braku różnicy temperatur odprowadzanie ciepła nie jest możliwie. W takiej sytuacji należy stworzyć „sztuczny przyrost entalpii”. Można to zrobić przy użyciu aktywnych chłodziarek (zgodnie z zasadą „pompy cieplnej”), a także za pośrednictwem zimniejszego czynnika roboczego (woda, powietrze). Bogaty wybór innowacyjnych produktów i usług w dziedzinie klimatyzacji szaf sterowniczych oferuje firma Rittal.

Wentylatory, modułowe wentylatory wsuwane i dmuchawy odśrodkowe
Gdy nie wystarcza już naturalna wentylacja i konwekcja – a przy dzisiejszej gęstości upakowania jest tak właściwie zawsze – można zastosować wentylatory i dmuchawy. Mogą być one jedynymi komponentami służącymi do odprowadzania ciepła lub wspierać inne rozwiązania. W drzwiach lub ścianach szafy montowane są wentylatory z matą filtracyjną. Warunkiem ich optymalnego wykorzystania jest względnie czyste powietrze otoczenia o temperaturze niższej niż oczekiwana w szafie sterowniczej. Wentylatory są stosowane razem z odpowiednimi kratkami wylotowymi, które umieszczane są po przeciwległej stronie. Prosty montaż zatrzaskowy pozwala zaoszczędzić czas, także kiedy trzeba zmienić wentylator z wywiewnego na tłoczący. Typowe klasy wydajności wynoszą od 20 do kilkuset m3 na godzinę. Dzięki opcjonalnej regulacji prędkości obrotowej, emisja hałasu jest utrzymywana na możliwie najniższym poziomie. Wentylatory Rittal dostępne są również w wersji EMC, z pokrywą ze stali nierdzewnej i zwiększoną klasą ochrony (odporność nawet na strumień wody). Mogą być wykorzystywane dla wszystkich powszechnych rodzajów napięcia roboczego.

Duże zyski ciepła odprowadzają z szaf dmuchawy odśrodkowe. W gęsto wyposażonych elektronicznych modułach wydajne dmuchawy na prąd stały (RiCool) zasilają zimnym powietrzem nawet najbardziej ukryte zakamarki. Modułowe wentylatory wsuwane zapobiegają tworzeniu się hot-spotów, zarówno bezpośrednio pod podzespołem mocy, jak i nad nim. Zadanie to spełniają również specjalne systemy kierowania powietrza.

Wymienniki ciepła powietrze/powietrze i powietrze/woda
Zaletą wymienników ciepła powietrze/powietrze jest to, że obiegi zewnętrzny i wewnętrzny są całkowicie od siebie oddzielone. Oznacza to, że pył i korodujące opary nie mogą przeniknąć przez obieg wentylacyjny do wnętrza szafy lub obudowy. Dzięki temu zostaje całkowicie zachowana klasa ochrony obudowy. Należy jednak pamiętać, że wymienniki ciepła powietrze/powietrze (podobnie jak wentylatory) wymagają do prawidłowej pracy różnicy temperatury pomiędzy temperaturą zewnętrzną i oczekiwaną temperaturą wewnętrzną. W programie Rittal, obok ogólnie znanych wielkości konstrukcyjnych, znajdują się również urządzenia o bardzo niewielkich rozmiarach. Ich wydajność cieplna właściwa wynosi od 17,5 W/K do 90 W/K (montaż odbywa się z reguły na pionowej powierzchni).

Temperaturę powietrza we wnętrzu szafy można obniżyć poniżej poziomu temperatury zewnętrznej za pomocą wymienników ciepła powietrze/woda (LWWT) oraz agregatu chłodzenia cieczy (patrz poniżej)

Odprowadzanie ekstremalnie wysokich obciążeń cieplnych: wymienniki ciepła powietrze/woda chłodzą szafy sterownicze w temperaturach otoczenia do +70°C

Jeśli agregat chłodniczy dostarczający wodę do chłodzenia został ustawiony na zewnątrz, wówczas ciepło wytworzone w szafie nie zwiększa temperatury otoczenia. Rittal oferuje trzy warianty wymienników ciepła powietrze/woda: do montażu naściennego, montażu dachowego oraz do instalacji jako ściana boczna zastępująca standardową ścianę boczną systemu szaf Top TS8. Do chłodzenia układów energoelektronicznych w obudowach obsługi i obudowach małogabarytowych można nabyć wymienniki o wielkości od 150 x 300 x 85 mm (wys. x szer. x głęb.), w klasach mocy od 300 W do 5.000 W (Tpowietrza=35 Twody=10). Dokładną regulację wymienników ciepła powietrze/woda umożliwia sterownik podstawowy lub komfortowy.

Wydajne chłodzenie z możliwością skalowania zapewnia innowacyjny wymiennik ciepła powietrze/woda – Rittal Liquid Cooling Package LCP. Jest przeznaczony do szczególnie efektywnego chłodzenia szaf w pełni zabudowanych elementami energoelektronicznymi. W szafie klimatyzowanej w sposób tradycyjny urządzenia w górnej części znajdują się pod dużym wpływem temperatury, ponieważ znacznie cieplejsze powietrze unosi się z płaszczyzn pod nimi, i są przez to narażone na uszkodzenia oraz krótszą żywotność. Rittal LCP zapobiega takiej sytuacji – wymiennik zastępuje zwykłą ścianę boczną szafy lub dwie ściany boczne (jeśli zostanie zamontowany pomiędzy szafami). Standardowa wydajność chłodzenia przy pełnej rozbudowie wynosi 30 kW. Zimne powietrze jest wdmuchiwane poziomo, bezpośrednio przed komponentami elektroniki, co zapewnia równomierne warunki termotechniczne w szafie. Wentylacja serwera front-to-back jest w ten sposób wspierana optymalnie.

Aktywne chłodziarki

Za pomocą aktywnych chłodziarek, które pracują według zasady „pompy cieplnej”, temperatura wewnątrz szafy sterowniczej utrzymywana jest na stałym poziomie (może być ona niższa od temperatury pomieszczenia). Dzięki oddzielnym obiegom zewnętrznym i wewnętrznym zachowana zostaje klasa ochrony szafy, a do obudowy nie przenika pył ani opary oleju. Ten rodzaj chłodzenia jest wykorzystywany m.in. w szczelnie zamkniętych systemach szaf, co umożliwia utworzenie prawidłowego obiegu wewnętrznego, a jednocześnie zapobiega powstawaniu skroplin. Chłodziarki są dostępne w wersji naściennej i dachowej. Ich typowa użytkowa moc chłodnicza wynosi od 100 W do prawie 5 kW (Twewn.=35 Totoczenia=35). Uzupełniają je gotowe rozwiązania systemowe, w tym klimatyzowane szafy, drzwi oraz ściany boczne.

Chłodziarki można nabyć w wersjach dla różnych napięć roboczych, również dla prądu 3-fazowego. Firma Rittal standardowo oferuje nanopowłoki i zintegrowaną wyparkę kondensatu, zwiększające bezpieczeństwo eksploatacji i przyczyniające się do obniżenia jej kosztów. Dodatkowy moduł CMC-TC umożliwia zdalne monitorowanie i sterowanie. Rittal nieustannie udoskonala swoje produkty, prowadzi intensywne prace nad rozwiązaniami uwzględniającymi oczekiwania związane z funkcjonalnością oraz ochroną środowiska naturalnego – przykładem jest klimatyzacja szaf sterowniczych z wykorzystaniem CO2.

Bezpośrednie chłodzenie cieczą
Nawet najsilniejszy strumień zimnego powietrza nie jest wystarczający do niektórych zastosowań. Nowoczesne procesory o wysokiej wydajności wytwarzają na przykład większą ilość ciepła na jednostkę powierzchni niż płyta kuchenna. W takich sytuacjach najlepiej sprawdzi się bezpośrednie chłodzenie cieczą – woda ma o wiele większą wartość ciepła właściwego niż powietrze i dlatego może być efektywnie stosowana do odprowadzania dużych ilości ciepła. Firma Rittal oferuje kompletną infrastrukturę w tym zakresie. Obejmuje ona m.in. radiatory chłodzone wodą dla procesorów, bezpieczną infrastrukturę zasilającą umożliwiającą serwis bez przerwania eksploatacji, jak również dokładne wyregulowanie i monitorowanie parametrów pracy.

Efektywne chłodzenie falowników. Płyta montażu częściowego, przez którą przepływa ciecz, odprowadza duże zyski ciepła

Rittal proponuje też rozwiązanie Direct Cooling Package DCP, które poniekąd także polega na bezpośrednim chłodzeniu wodą (wykorzystuje technikę Cold Plate). Pozwala ono efektywnie chłodzić komponenty układów energoelektronicznych – np. falowniki, softstarty, serworegulatory, regulatory silnikowe, oporniki hamowania, filtry napięcia sieciowego i dławiki silnikowe – za pomocą płyty montażu częściowego, przez którą przepływa ciecz. Zmienny system mocowania przy użyciu rowków teowych i obejm zaciskowych umożliwia montowanie falowników i serworegulatorów w bardzo krótkim czasie. Użytkownicy mają do dyspozycji Cold Plate z kompletnie wolną powierzchnią na otwory gwintowane, co w praktyce oznacza montaż komponentów zgodnie ze wskazówkami klienta. Rittal DCP to najbardziej efektywne rozwiązanie do chłodzenia w technice Rear Flat lub Cold Plate. Jest ono szczególnie przydatne tam, gdzie w szafach sterowniczych należy zachować wysokie stopnie ochrony. W zależności od warunków otoczenia i wielkości Cold Plate można odprowadzać zyski ciepła od 2,5 do 6 kW (bez znacznego ocieplenia Cold Plate, a przez to także szafy sterowniczej).

Agregaty chłodzenia cieczy
Agregaty chłodzenia cieczy – w połączeniu z wymiennikami ciepła powietrze/woda, bezpośrednim chłodzeniem cieczą procesora czy techniką Cold Plate – zapewniają bezawaryjną klimatyzację szaf sterowniczych nawet w najtrudniejszych warunkach otoczenia. W przypadku chłodzenia procesów produkcyjnych, narzędzi i urządzeń gwarantują wymaganą precyzję i prędkość obróbki materiałów.

Rittal oferuje bogate portfolio agregatów chłodzenia cieczy o wydajności chłodniczej od < 1 kW do > 462 kW. Urządzenia te mogą być montowane jako moduł wsuwany do szafy lub zostać zabudowane w systemie szaf Top TS8 i szczelnie połączone z szeregiem szaf. Aby sprostać nawet najbardziej specyficznym wymaganiom, firma proponuje klientom m.in. agregaty o podwójnej pompie, regulację względem temperatury otoczenia, skraplacze chłodzone wodą i automatyczne napełnianie zbiornika.

Ogrzewanie szafy sterowniczej
Skraplanie pary wodnej może stanowić poważne zagrożenie dla elektroniki sterowania. Ogrzewanie szafy dopasowane do klasy mocy pozwala uniknąć obroszenia w warunkach silnie zmieniających się temperatur otoczenia (dzień/noc czy eksploatacja/przestój). Rittal udostępnia ciągłą moc grzewczą od 10 W do 1.000 W wraz z systemami regulacji.

Podsumowanie
Technikę chłodzenia najlepiej opracować już we wczesnej fazie projektowania całej instalacji. Platforma systemowa Rittal TopTherm (RTT) to obszerna rodzina rozwiązań do klimatyzacji urządzeń elektrycznych i elektronicznych o wysokiej wydajności. Użytkownicy mają do dyspozycji m.in. łatwe w montażu wentylatory, dmuchawy, wymienniki ciepła, chłodziarki, bezpośrednie systemy chłodzenia oraz agregaty chłodzenia cieczy. Co ważne, rozwiązania firmy Rittal umożliwiają elastyczne reagowanie na indywidualne wymagania względem komponentów. Rozwój strategii platformowej zmierza do minimalizacji różnorodności podzespołów poprzez standaryzację części. Pozwoli to zagwarantować krótki czas ich produkcji przy zachowaniu najwyższej jakości, przyspieszy także seryjną produkcję części innowacyjnych.