Google+

Dążenie do zminimalizowania rozmiarów szaf sterowniczych oraz rozdzielnic sprawia, że ich wewnętrzny układ przypomina skrupulatnie zaprojektowany i idealnie dopasowany mechanizm. Jednocześnie rodzi problemy z nagromadzeniem ciepła i potrzebę jego odprowadzania.

Fot. 1. Przy braku takiej ochrony dochodzi do awarii komponentów elektronicznych
i w końcu do zatrzymania całych linii produkcyjnych. W wyniku awarii linii
produkcyjnej powstają koszty, które mogą się sumować do ogromnych kwot. Fot.: RITTALFot. 1. Przy braku takiej ochrony dochodzi do awarii komponentów elektronicznych i w końcu do zatrzymania całych linii produkcyjnych. W wyniku awarii linii produkcyjnej powstają koszty, które mogą się sumować do ogromnych kwot. Fot.: RITTAL

Zwiększenie gęstości upakowania poszczególnych aparatów w szafach sterowniczych i rozdzielczych może powodować problemy z wydzielaniem oraz kontrolowaniem oddawania ciepła. Zwiększona temperatura sprawia z kolei, że rośnie awaryjność i tym samym zmniejsza się trwałość układów – po podwyższeniu temperatury o 10 K powyżej maksymalnego dopuszczalnego poziomu żywotność podzespołów spada o połowę, a awaryjność podwaja się. Z drugiej strony wyposażenie szaf sterowniczych i rozdzielnic jest coraz lepszej jakości, jednak układy typu przemienniki częstotliwości, styczniki, przekaźniki, transformatory czy elementy rozdziału mocy potrzebują coraz lepszych warunków pracy. Aby zminimalizować negatywne działanie wysokiej temperatury i nie doprowadzać do przegrzania, wykorzystuje się m.in. kratki wentylacyjne, wentylatory filtrujące, wymienniki ciepła oraz klimatyzatory.
O ryzyku przegrzewania się poszczególnych modułów w szafach sterowniczych i rozdzielnicach należy pomyśleć na jak najwcześniejszym etapie – najlepiej podczas projektowania systemu. Pamiętajmy m.in. o uszczelnieniu szafy sterowniczej tak, aby powietrze z otoczenia nie wnikało do jej wnętrza, tym bardziej przy wysokich temperaturach. 35°C to temperatura optymalna dla zainstalowanych elementów (o ile nie są to wrażliwe na ciepło elektroniczne komponenty; z kolei zbyt niska temperatura powoduje wytwarzanie dużej ilości kondensatu).

Rys. 1. Sposób wentylacji dobierzmy do
warunków otoczenia, potrzeb aparatów
oraz usytuowania szafy sterowniczej
w hali. Rys.: ASTATRys. 1. Sposób wentylacji dobierzmy do warunków otoczenia, potrzeb aparatów oraz usytuowania szafy sterowniczej w hali. Rys.: ASTAT

Przy doborze mocy urządzenia chłodzącego należy ustalić, jakie są straty mocy komponentów zainstalowanych w szafie, oprócz tego pod uwagę bierzemy ustawienie szafy (czyli: w którym miejscu w obiekcie, hali ją zamontowano, czy przylega tylnym panelem oraz bokiem do ściany, czy jest wolnostojąca itd.), jej wymiary oraz materiały, z jakich została wykonana. Poza tym musimy określić, jaka jest temperatura otoczenia oraz jaka powinna być utrzymana we wnętrzu szafy lub rozdzielnicy. Do dokładnego doboru wielu producentów udostępnia specjalne programy – w postaci prostych tabel lub intuicyjnych aplikacji komputerowych.
Najprostsze urządzenia chłodnicze montujemy, zachowując odstęp min. 200 mm od ściany i innych elementów. Przepływ zimnego powietrza z układu powinien odbywać się w kierunku od dołu do góry. Strumienia powietrza nie należy kierować bezpośrednio na aparaturę, szok termiczny mógłby negatywnie wpłynąć na ich pracę – najlepiej, aby zimniejsze powietrze swobodnie krążyło wokół zainstalowanych aparatów. Aby nie blokować przepływu i prawidłowej cyrkulacji, należy oczyścić wnętrze szafy z wszelkich zbędnych elementów, czyli np. odłożyć dokumenty do specjalnej kieszeni, miast kłaść je luźno na komponentach. Nie zapominajmy również o konieczności odprowadzania kondensatu, choć wiele urządzeń umożliwia jego automatyczne odparowanie.

Gdy nie ma dużych strat mocy

Fot. 2. Po podwyższeniu temperatury w szafie
o 10 K powyżej maksymalnej dopuszczalnej
temperatury pracy,
żywotność tych podzespołów spada
o połowę, a awaryjność podwaja się. Fot.: RITTALFot. 2. Po podwyższeniu temperatury w szafie o 10 K powyżej maksymalnej dopuszczalnej temperatury pracy, żywotność tych podzespołów spada o połowę, a awaryjność podwaja się. Fot.: RITTAL

W przypadku, gdy nie odnotowaliśmy dużych strat mocy w szafie, rozważmy po prostu zamontowanie kratek wentylacyjnych z filtrem, które usprawnią proces odprowadzania ciepłego powietrza wskutek naturalnej konwekcji cieplnej – powietrze doprowadzane przez dolną część urządzenia staje się cieplejsze, lżejsze i zostaje odprowadzane przez kratkę zamontowaną w górnej części obudowy. Kratki wyposażone są w specjalne filtry zabezpieczające wnętrze szafy przed zanieczyszczeniami z zewnątrz, jak pył i kurz ze strefy roboczej obiektu. Innym rozwiązaniem stosowanym w celu polepszenia konwekcji, przy ścianach szafy sterowniczej od wewnątrz na zewnątrz, jest zamontowanie tzw. wentylatorów recyrkulacji, dzięki czemu uzyskujemy lepszy rozkład ciepła w szafie.

Wentylatory filtrujące

Rys. 2.
Fot. 3.
Wymienniki ciepła typu powietrze-
powietrze można stosować
tam, gdzie powietrze zewnętrzne
może być stosowane do chłodzenia
pomieszczenia w obiegu
wewnętrznym. Rys.: ASTATRys. 2. Wymienniki ciepła typu powietrze- powietrze można stosować tam, gdzie powietrze zewnętrzne może być stosowane do chłodzenia pomieszczenia w obiegu wewnętrznym. Rys.: ASTAT

Jednak w większości przypadków do osiągnięcia wspomnianej już temperatury 35°C nie wystarczy sama konwekcja. Polecane są wentylatory filtrujące pozwalające na odprowadzenie nadmiaru ciepła, jednak ich użycie jest zasadne tylko przy względnie czystym powietrzu otoczenia oraz o temperaturze niższej od pożądanej temperatury wewnątrz szafy. Producenci polecają zastosowanie urządzenia naściennego (na ścianie szafy) lub dachowego, wentylatory mogą być montowane „z nadmuchem” do szafy lub „z wydmuchem” z szafy (urządzenia z nadmuchem instaluje się w celu uniknięcia podciśnienia w szafie sterowniczej, które mogłoby spowodować niekontrolowany przepływ powietrza). Dobór wentylatora uzależniamy od obciążenia ciepła i wielkości obudowy – dobre urządzenie odprowadza określone straty ciepła przy utrzymaniu oczekiwanej maksymalnej temperatury w szafie sterowniczej lub rozdzielnicy. Według zaleceń producentów należy dobierać wentylatory filtrujące o wydajności powietrza większej o ok. 20% do wyniku kalkulacji. Pozwoli to uwzględnić również zabrudzenie maty filtracyjnej wskutek zanieczyszczenia powietrza otoczenia.

Korzystnym rozwiązaniem jest zastosowanie wentylatorów diagonalnych w roli wentylatorów filtrujących. Nowoczesna konstrukcja pozwala na równomierną i stałą wydajność powietrza przy optymalnym przepływie oraz niewielkiej głębokości montażowej (pozostawiając jednocześnie więcej miejsca w szafie sterowniczej w porównaniu ze standardowymi wentylatorami filtrującymi z technologią osiową).

Wymienniki ciepła

Rys. 3. Działanie klimatyzatora do zewnętrznego
montażu naściennego
na drzwiach lub ścianach szafy
z aparaturą elektryczną. Rys.: ASTATRys. 3. Działanie klimatyzatora do zewnętrznego montażu naściennego na drzwiach lub ścianach szafy z aparaturą elektryczną. Rys.: ASTAT

W przypadku, gdy różnica temperatur pomiędzy powietrzem otoczenia a wnętrzem szafy jest dodatnia, możemy zastosować wymienniki ciepła powietrze/powietrze – przy dużych różnicach temperatur na zewnątrz szafy sterowniczej odprowadza się większą traconą moc. Jak to działa? Ciepłe powietrze z wnętrza obudowy zasysane jest w górnej części przez wentylator, następnie transportuje się je przez krzyżowy wymiennik. Jednocześnie system doprowadza zimniejsze powietrze z otoczenia, przy czym oba strumienie, przepływając przez wymiennik, nie mieszają się. Powietrze zimniejsze schładza wymiennik, a po stronie szafy sterowniczej chłodne powietrze kierowane jest do dolnej części szafy.
Nowoczesne urządzenia tego typu mają moc od 17,5 do ok. 100 W/K oraz wysoki stopień ochrony przed pyłem, olejem i wilgocią. Usprawnienia typu regulacja z cyfrowym wskaźnikiem temperatury czy bezpotencjałowy zestyk alarmu przy przekroczeniu danej temperatury sprawiają, że użytkowanie wymiennika ciepła powietrze/powietrze jest bezpieczne, a obsługa – intuicyjna.
Na rynku dostępne są również wymienniki powietrze/woda – to właśnie tych produktów dotyczy najbardziej prężny rozwój. Poleca się je szczególnie przy ekstremalnych warunkach, urządzenia umożliwiają osiągnięcie najwyższej mocy chłodniczej w ograniczonej przestrzeni. Zasada działania jest podobna jak w wymiennikach powietrze/powietrze, z tą jedynie różnicą, że za źródło chłodu służy woda. Urządzenia korzystają z istniejącego obiegu wody lub podłączonego agregatu chłodniczego. Tym chętniej rozwiązanie wdrażane jest w zakładach produkcyjnych, w których centralne zasilanie w wodę chłodzącą z reguły już istnieje.

Fot. 3.
Wymienniki ciepła typu powietrze-
powietrze można stosować
tam, gdzie powietrze zewnętrzne
może być stosowane do chłodzenia
pomieszczenia w obiegu
wewnętrznym.
To, jaki rodzaj odprowadzania ciepła jest możliwy, zależy nie tylko od tego, czy szafa
sterownicza jest otwarta czy zamknięta, lecz przede wszystkim od maksymalnej
temperatury otoczenia w miejscu zainstalowania szaf sterowniczych oraz od maksymalnej
temperatury wewnętrznej w szafie. Fot.: RITTALFot. 3. Wymienniki ciepła typu powietrze- powietrze można stosować tam, gdzie powietrze zewnętrzne może być stosowane do chłodzenia pomieszczenia w obiegu wewnętrznym. To, jaki rodzaj odprowadzania ciepła jest możliwy, zależy nie tylko od tego, czy szafa sterownicza jest otwarta czy zamknięta, lecz przede wszystkim od maksymalnej temperatury otoczenia w miejscu zainstalowania szaf sterowniczych oraz od maksymalnej temperatury wewnętrznej w szafie. Fot.: RITTAL

Włączamy klimatyzację

O ile przy optymalnych parametrach powietrza otoczenia możliwe jest zastosowanie standardowego urządzenia chłodniczego, o tyle w mniej pomyślnych warunkach (wysoka temperatura otoczenia, zanieczyszczone powietrze) należy sięgnąć po bardziej zaawansowane rozwiązania, jak klimatyzatory lub wymienniki ciepła. Klimatyzator dobieramy, biorąc pod uwagę m.in. straty ciepła urządzeń, współczynnik przenikalności względnej, współczynnik powierzchni i różnicę temperatur. Dzięki zamkniętemu obiegowi powietrza klimatyzatory skutecznie zapobiegają stratom energii wskutek nagromadzenia ciepła w szafie. Ciepło odprowadzane jest dzięki zastosowaniu wymienników, nagrzewających się i przejmujących energię z aparatów z wnętrza oraz zamontowanych na zewnątrz, w których czynnik chłodniczy oddaje odebrane ciepło – nagrzane powietrze zasysane jest przez kanał wlotowy, schładzane w urządzeniu oraz z dużą prędkością wdmuchiwane do rozdzielnicy, a następnie rozchodzi się po szafie, wymuszając obieg powietrza oraz schładzając urządzenia.

Fot. 4. Zagrożenie bezpieczeństwa działania podzespołów elektrycznych i elektronicznych
w szafie sterowniczej występuje nie tylko przy zbyt wysokich, lecz także przy zbyt
niskich temperaturach. Fot.: RITTALFot. 4. Zagrożenie bezpieczeństwa działania podzespołów elektrycznych i elektronicznych w szafie sterowniczej występuje nie tylko przy zbyt wysokich, lecz także przy zbyt niskich temperaturach. Fot.: RITTAL

Producenci usprawniają tradycyjne metody, sprawiając, że proces klimatyzacji szaf sterowniczych i rozdzielnic jest coraz efektywniejszy, a przy tym energooszczędny. Dotyczy to m.in. chłodzenia termoelektrycznego za pomocą klimatyzatorów Peltiera. Modułowa konstrukcja oraz niewielka masa sprawiają, że możliwe jest łączenie szeregowe i równolegle do pięciu urządzeń – a przy tym pracę nie tylko w trybie chłodzenia, ale też ogrzewania.
Nie zapominajmy, jak groźne może być w skutkach przegrzanie komponentów w szafie sterującej lub rozdzielnicy. Opisane urządzenia przedstawiają jedynie wycinek szerokiej oferty producentów, w której znajdziemy również układy do bezpośredniego chłodzenia wodą, zaawansowane technologicznie klimatyzatory, a nawet mobilne aplikacje do ich obsługi. Prawidłowe dobranie systemu zapewni bezawaryjną pracę aparatów w szafie sterowniczej lub rozdzielnicy niezależnie od warunków zewnętrznych.

Iwona Bortniczuk
Na podstawie materiałów firm: Astat, Rittal, Depro