Chłodzenie szaf sterowniczych i obudów – przegląd metod, zalecenia, błędy

Wyróżnić można trzy metody wymiany ciepła, przez: przewodzenie, konwekcję, promieniowanie. W obudowach i szafach sterowniczych znaczenie mają głównie przewodzenie oraz konwekcja. To, który z tych mechanizmów odprowadzania ciepła wybrać zależy od tego, czy obudowa jest otwarta (przepuszcza powietrze), czy zamknięta (szczelna).

Jaka metoda będzie najlepsza?

W pierwszej jego nadmiar można usunąć dzięki cyrkulacji powietrza przez przewodzenie. Jeżeli obudowa jest zamknięta ciepło jest odprowadzane dzięki konwekcji przez ściany. Ponadto warunkuje to temperatura otoczenia na zewnątrz osłony i maksymalna temperatura wewnątrz, ta spodziewana i ta wymagana – pewne metody chłodzenia można od razu wyeliminować porównując temperaturę otoczenia do wymaganej temperatury wewnątrz. Przykładowo gdy pierwsza jest większa nie można się opierać tylko na naturalnej konwekcji, ani wewnętrznej cyrkulacji powietrza, jedynie wymianie powietrza z otoczeniem, ani wymiennikach ciepła powietrze – powietrze. Gdy temperatura wewnątrz jest większa, niż temperatura otoczenia warto jest jednak te metody wziąć pod uwagę, uwzględniając także wymagany stopień IP. W przeciwnym razie lepszym rozwiązaniem będzie przykładowo zastosowanie wymiennika ciepła woda – powietrze albo chłodzenia wodą.

Ważna kwestia to też zdolność osłony do rozpraszania ciepła. Wpływa na to m.in. sposób jej zamontowania – szafa sterownicza wolnostojąca, odsłonięta z każdej strony, odprowadza je do otoczenia efektywniej, niż stojąca przy ścianie, we wnęce albo obudowa zintegrowana z maszyną.

Cyrkulacja powietrza i jego wymiana

By zwiększyć efektywność odprowadzania ciepła z wewnątrz przez ściany montuje się wentylatory, których rolą jest wymuszenie przepływu powietrza w obrębie obudowy. To zapewni równomierny rozkład ciepła w osłonie i przy jej ścianach. Skuteczność takiego rozwiązania przeważnie nie jest jednak duża.
Alternatywą jest zamontowanie wentylatorów z filtrem w ścianie obudowy, co ma na celu zapewnienie wymiany powietrza z wewnątrz na te z zewnątrz. Ich konstrukcja jest optymalizowana pod kątem zapewnienia równomiernego, stałego przepływu powietrza i zminimalizowania głębokości montażu, aby nie zajmowały za dużo miejsca w obudowie.

W zależności od potrzeb wentylatory mogą pracować w trybie wdmuchiwania powietrza do albo zasysania z obudowy. Generalnie jednak zaleca się pracę w pierwszym, aby uniknąć wytworzenia się w niej podciśnienia. Jeżeli bowiem takie warunki by powstały, powietrze z zewnątrz dostawałoby się do wnętrza osłony w niekontrolowany sposób przez wejścia kabli i inne niehermetyczne otwory. Napływ nieprzefiltrowanego powietrza z kurzem szkodziłoby urządzeniom wewnątrz obudowy. Zaleca się oprócz tego wybór zespołu wentylator – filtr o przepływie powietrza o około 20% większym, niż zapotrzebowanie w tym zakresie obliczone na podstawie ilości ciepła, które kumuluje się w osłonie. Zapewni to margines wydajności wymiany powietrza, a dzięki temu efektywność chłodzenia nie spadnie poniżej wymaganego poziomu, nawet w razie nagromadzenia się zanieczyszczeń na filtrze.

Wymienniki powietrze – powietrze

Jeżeli sprzęt w osłonie wymaga zapewnienia stopnia ochrony IP gwarantującego pyło- oraz wodoszczelność zamiast wentylacji otwartej lepiej zastosować wymienniki ciepła powietrze – powietrze. Im większa będzie różnica temperatur powietrza w otoczeniu i wewnątrz obudowy, tym skuteczniejsze będzie odprowadzanie ciepła nagromadzonego w osłonie na zewnątrz tą metodą.

W tym zastosowaniu wykorzystuje się m.in. krzyżowe wymienniki ciepła. Są zbudowane z płyt, które są ułożone naprzemiennie. Część z nich pełni rolę nawiewu, a pozostałe wywiewu. Zasada działania wymienników powietrze – powietrze tego rodzaju jest następująca: ciepłe powietrze z wnętrza szafy jest zasysane przez wentylator i prowadzone przez wymiennik. Podobnie chłodne powietrze z otoczenia jest zasysane przez drugi wentylator i też przepływa przez wymiennik. Ciepły strumień wywiewany nie miesza się z chłodnym strumieniem nawiewanym, lecz po schłodzeniu przez niego wraca do szafy.

W zależności od dostępnej przestrzeni oraz wymagań wymienniki ciepła powietrze – powietrze są montowane na szafie lub instalowane wewnątrz niej. Generalnie wydajność tej metody chłodzenia jest mniejsza, niż wymiany powietrza z otoczeniem przez wentylatory. Z drugiej strony wymienniki ciepła wyróżniają się niższymi wymaganiami w zakresie konserwacji. By ją jeszcze ułatwić ich producenci wprowadzają różne rozwiązania konstrukcyjne, jak na przykład wyjmowane kasety wentylatorów.

Wymienniki powietrze – woda

W tytułowych elementach wnętrze szafy jest chłodzone przez cyrkulację jej nagrzanego powietrza w wymienniku, w którym nadmiar ciepła jest odbierany przez też w nim krążącą wodę chłodzącą, która odprowadza je potem na zewnątrz. Wymaga to podłączenia jej źródła oraz zapewnienia jej zamkniętego obiegu – często w zakładach dostępne są centralne źródła wody chłodzącej, a jeśli trzeba skorzystać z lokalnego, w celu optymalizacji kosztów najlepiej podłączyć do niego jak najwięcej tego typu odbiorników. Wymienniki tego typu dostępne są w wersji do montażu na ścianie, w ścianie, na dachu. Ich skuteczność w zakresie chłodzenia zależy od: temperatury wewnątrz szafy sterowniczej, temperatury wody chłodzącej na wlocie wymiennika oraz objętościowego przepływu tego czynnika. Pod tym względem wyróżniają się one w stosunku do ilości miejsca, które zajmują, w porównaniu z innymi rozwiązaniami chłodzącymi, dzięki kompaktowej konstrukcji. Ponadto temperaturę wewnątrz szafy można dzięki nim obniżyć nawet poniżej temperatury otoczenia.

Chłodzenie wodą. klimatyzatory

Stosuje się poza tym bezpośrednie chłodzenie wodą. W tym celu wykorzystuje się m.in. płyty chłodzone tym medium, na których montuje się wyposażenie szafy. Rozwiązanie to zapewnia oszczędność miejsca, natomiast problemem może się okazać doprowadzenie wody.

Na koniec warto wspomnieć o klimatyzatorach. Wykorzystuje się w nich czynnik chłodniczy, który przechodząc przez wymienniki ciepła z otoczeniem i z wnętrzem szafy, sprężając się i rozprężając, czemu towarzyszy zmiana jego stanu z gazowego na płynny, odbiera nadmiar ciepła z obudowy i oddaje go do otoczenia. Klimatyzatory są popularne dzięki swojej elastyczności. Są w stanie zapewnić dużą różnicę między temperaturą wewnątrz szafy, a otoczeniem. Ponadto poza chłodzeniem dodatkowo osuszają powietrze w szafie.

Chłodzenie obudów i szaf – o czym trzeba pamiętać?

Zalecenia w zakresie efektywnego, a zarazem opłacalnego chłodzenia obudów i szaf sterowniczych można podzielić na ogólne wytyczne i te dotyczące konkretnych metod usuwania nadmiarowego ciepła. Jeżeli chodzi o te pierwsze, to przede wszystkim trzeba pamiętać, że potrzeby w zakresie chłodzenia należy rozpatrywać i odpowiadać na nie na etapie projektowania i montowania, a nie dopiero wówczas, gdy temperatura szafy / obudowy staje się nadmiernie wysoka. Inaczej można spodziewać się sytuacji, w której trzeba się będzie przed przegrzaniem ratować prowizorycznymi, nieprofesjonalnymi, a przez to mało skutecznymi sposobami schładzania awaryjnego, jak na przykład pracą przy otwartych drzwiach szafy, chłodzonej dodatkowo stojącym na zewnątrz wentylatorem.

Kolejnym powszechnym poważnym niedopatrzeniem jest brak wiedzy albo świadome ignorowanie warunków pracy szafy / obudowy. Chodzi tu przede wszystkim o temperaturę powietrza w miejscu instalacji. Jest to szczególnie niebezpiecznie w przypadku metod odprowadzania nadmiaru ciepła, takich jak chłodzenie wentylatorem, czy z wykorzystaniem wymienników ciepła, które spełniają swoją rolę pod warunkiem jednak, że obudowa będzie nagrzewać się bardziej, niż otaczające ją powietrze. Jeżeli jednak w danym miejscu spodziewane są temperatury zbliżone albo co gorsza większe, niż zalecana temperatura pracy komponentów / urządzeń w obudowie / szafie, istnieje wysokie prawdopodobieństwo ich przegrzania.

Wpływ otoczenia i planowanie rozmieszczenia

Analogicznie nie powinno się ignorować wpływu bezpośredniego oddziaływania promieniowania słonecznego, jeżeli szafa zostanie zainstalowana na zewnątrz, ani innych urządzeń, które się silnie nagrzewają. Pierwsze bowiem może zwiększyć całkowite obciążenie cieplne obudowy nawet o kilkadziesiąt procent!, zaś promieniowanie cieplne z pobliskich bardzo gorących urządzeń może oddziaływać nie tylko bezpośrednio, ale i pośrednio poprzez podniesienie temperatury powietrza otoczenia.

Kolejny bardzo ważny aspekt to prawidłowe rozmieszczenie podzespołów w obudowie i urządzeń w szafie sterowniczej. Odruchowo zwykle dąży się do zgrupowania ich w taki sposób (ze względu na przykładowo funkcjonalność, czy wzajemne zależności), by jak najbardziej ułatwić konserwację i rozwiązywanie problemów w przyszłości. Mając jednak na uwadze obciążenie cieplne i przez nie uwarunkowaną wymaganą wydajność chłodzenia lepiej jest pod uwagę wziąć z jednej strony to ile ciepła wytwarzają, a z drugiej to, jak wrażliwe są na przegrzewanie. Uwzględniając to zaleca się m.in., sprzęt wrażliwy na wysokie temperatury montować w dolnej części szafy, gdzie powietrze jest chłodniejsze, a ten silnie się nagrzewający jak najbliżej wlotu chłodnego powietrza.

Komponenty (jak przewody) i elementy konstrukcyjne (na przykład przegrody) należy także tak rozmieścić, aby nie blokowały ani nie ograniczały przepływu powietrza. Do drugiej kategorii zaleceń należą te dotyczące konkretnych metod chłodzenia. Dalej przedstawiamy wybrane z nich dla klimatyzatorów.

Klimatyzatory – najczęstsze błędy

Często projektując system chłodzenia szafy walczyć trzeba z pokusą, aby wyeliminować problem jej przegrzewania się definitywnie, co na przykład w przypadku klimatyzatorów zazwyczaj wiąże się z ich przewymiarowaniem. Nie jest to zalecanym rozwiązaniem, ponieważ takie urządzenie będzie zbyt szybko obniżać temperaturę. To z kolei oznacza, że utrudniona będzie efektywna kontrola wilgoci, sprężarka będzie nadmiernie obciążona, a temperatura w szafie będzie się znacząco wahać.

Kolejna kwestia, o której koniecznie trzeba pamiętać decydując się na klimatyzator dotyczy przypadku, w którym ma on zostać zainstalowany w już wentylowanej obudowie, w której przypadku jednak ta metoda odprowadzania nadmiaru ciepła okazała się niewystarczająca. Obowiązkowo należy wówczas zadbać o to, by otwory wentylacyjne szafy zostały uszczelnione. W przeciwnym razie będzie się nimi przedostawać ciepłe powietrze z zewnątrz, jak i zimne, schłodzone w obudowie. Taki niepożądany dopływ i wyciek będą dodatkowo obciążać sprężarkę. Oprócz tego w porze letniej, przy podwyższonych temperaturach, nie można w takim przypadku w ogóle oczekiwać, aby temperatura w szafie była właściwie kontrolowana.

Eksploatacja i konserwacja

Nie tylko wybór i instalacja, ale również eksploatacja klimatyzatorów wymagają uwagi, żeby spełniły one swoje zadanie, nie powodując nadmiernego wzrostu rachunków za prąd. Jedną z kluczowych kwestii, o których koniecznie trzeba pamiętać jest to, by nie zostawiać otwartych drzwi szafy jeżeli klimatyzator pracuje, w przeciwnym razie będzie on nadmiernie obciążony. Rozwiązaniem alternatywnym, w którym nie trzeba liczyć jedynie na to, że personel będzie pamiętał o zamykaniu drzwi, jest zamontowanie w drzwiach automatycznego wyłącznika, który odłącza zasilanie klimatyzatora po otwarciu drzwi szafy.

Ponadto klimatyzatory wymagają regularnej inspekcji, podobnie jak zresztą wentylatory. Kluczowe jest przede wszystkim utrzymywanie filtrów powietrza w czystości – jeżeli te elementy są zatkane nadmiernie obciążają klimatyzator, który często pracuje wtedy bez przerwy, zwykle nieskutecznie, co z kolei skutkuje przegrzewaniem się szafy.

Podsumowanie

Na koniec warto dodać, że wydajność klimatyzatora (czy innego urządzenia / rozwiązania) odprowadzającego ciepło z szafy sterowniczej / obudowy powinna być weryfikowana każdorazowo, kiedy jej wyposażenie jest rozbudowywane albo uszczuplane. W takich przypadkach bowiem łatwo jest zaburzyć równowagę między obciążeniem cieplnym a wydajnością chłodzenia. Zlekceważenie tego jest jedną z częstszych przyczyn problemów z systemami chłodzenia tytułowych osłon.

Monika Jaworowska