DOBÓR WENTYLATORA I DMUCHAWY

Poprawny dobór wentylatorów i dmuchaw do szafy sterowniczej powinien polegać na określeniu ilości powietrza, jakie należałoby wydmuchiwać z obudowy w trakcie pracy urządzeń. Wśród danych technicznych wentylatorów, jakie podają producenci, znajdują się między innymi takie parametry jak przepływ powietrza i ciśnienie statyczne. Przepływ wyrażany jest m.in. w stopach sześciennych na minutę (CFM), a ciśnienie np. w milimetrach słupa rtęci (mmHg).

Ta pierwsza wartość pozwala porównać wydajność poszczególnych wentylatorów o różnych konstrukcjach. Istotne mogą być także parametry takie jak pobierana moc, liczba obrotów na minutę oraz poziom generowanego szumu. Biorąc pod uwagę wydajność i moc urządzenia, można także porównywać sprawność wentylatorów. W przypadku dmuchaw producenci podają często także charakterystyki określające przepływ powietrza w zależności od ciśnienia atmosferycznego. Sugeruje się, aby przepływ powietrza wynosił:

A – przepływ powietrza wyrażony w CFM, P – moc zainstalowanych w szafie urządzeń elektronicznych wyrażona w kilowatach, ΔT – różnica temperatur pomiędzy powietrzem wywiewanym a otoczeniem wyrażona w °C.

Fot.3. Moduł wentylatorów

Zazwyczaj przyjmuje się wartość 10‒12°C. Instalując system wentylacji, należy zwrócić uwagę na jego rozmieszczenie. Bardzo ważne jest, aby wentylatory nie nadmuchiwały powietrza prostopadle do płaskich obudów urządzeń, lecz by powietrze owiewało elementy. Wentylatory powinny mieć odpowiednio dużą wolną przestrzeń w swoim otoczeniu, z której mogłyby zasysać powietrze. Wszystkie urządzenia należy ustawić pod odpowiednimi kątami, gdyż tylko niektóre konfiguracje nawiewno-wywiewne pozwalają na uzyskanie maksymalnej wydajności chłodzenia.

Zasad montażu jest w praktyce znacznie więcej i w doborze wentylatora do aplikacji często pomóc może jego dostawca, jeżeli specjalizuje się on w technice wentylacji i chłodzenia. W niektórych sytuacjach zdarza się, że nagrzewające się elementy znajdują się pomiędzy dwoma płaskimi obudowami, leżącymi prostopadle do kierunku przepływu powietrza. W takiej sytuacji, np. w szafach 19-calowych, możliwe jest zastosowanie dodatkowych modułów chłodzących, na które składają się 19-calowe moduły z wentylatorami. Zasysają one lub wydmuchują powietrze równolegle do nagrzewających się powierzchni,kierując je następnie albo bezpośrednio na zewnątrz szafy, albo w stronę prostopadłego strumienia powietrza wywiewającego ciepło na zewnątrz obudowy.

KLIMATYZATORY

Znaczna część instalacji przemysłowych może pracować chłodzona jedynie za pomocą wentylatorów, ale zdarzają się sytuacje, gdy wymagane są niższe temperatury lub ilość powstającego ciepła jest zbyt duża, aby odprowadzić ją za pomocą konwekcji wymuszonej. W takich przypadkach stosuje się klimatyzatory (chłodziarki), które umożliwiają znaczne obniżenie temperatury danego systemu. Zastosowanie klimatyzatorów jest o wiele bardziej kosztowne niż klasycznej wentylacji, ale niekiedy stanowić może jedyne rozwiązanie.

Fot.4.Centrala wentylacyjno-klimatyzacyjna firmy Dospel

Dzieje się tak, gdyż klimatyzatory, w przeciwieństwie do dotąd omówionych systemów, mogą pracować w obiegu zamkniętym. Możliwa jest ich instalacja wewnątrz szczelnie zamkniętych szaf, co pozwala na zachowanie wysokiego stopnia ochrony tych ostatnich. Moce tego typu urządzeń zależą głównie od stosowanych w nich wentylatorów i wynosić mogą od kilkuset watów do kilku kilowatów. Ciepło odprowadzane jest poprzez dwa wymienniki – jeden wewnątrz szafy, który nagrzewa się od zainstalowanych tam urządzeń, a drugi, na zewnątrz, w którym czynniki chłodniczy oddaje zgromadzoną energię. Wymienniki montowane są zazwyczaj na dachu, naściennie lub jako element szafy, który zastępuje jej ścianę. W przypadku, gdy konieczne jest zastosowanie chłodzenia szafy pracującej w warunkach ekstremalnych, gdzie wymaga się odprowadzania dużych ilości ciepła przy wysokich temperaturach zewnętrznych, stosować można wymienniki powietrze-woda.

W tym przypadku istnieje możliwość zwiększenia możliwości chłodzenia poprzez obniżanie temperatury cieczy, np. stosując agregat do jej chłodzenia. Pozwala to również na odprowadzanie ciepła w przypadku, gdy wykorzystywane w szafach urządzenia cechują się dużymi poziomami jego emisji. Moc chłodnicza dużych urządzeń tego typu wynosi do kilkudziesięciu kilowatów na szafę. Naturalnie analogicznie jak w przypadków wentylatorów, warunkiem ich wydajnego działania jest odpowiednia różnica temperatur pomiędzy otoczeniem a spodziewaną temperaturą powietrza w szafie.

Do określania wydajności chłodzenia korzysta się często z parametru użytkowej mocy chłodniczej, która podawana jest najczęściej dla warunków L35/L35 (wg DIN 3168), czyli określonej temperatury wewnętrznej oraz temperatury zewnętrznej – w wymienionym przypadku obydwie temperatury wynoszą 35°C. Przyjęło się też podawać wymienioną moc dla innych wartości – np. L35/L50. Instalacja klimatyzatora w szafie nie redukuje potrzeby zaprojektowania odpowiedniego przepływu powietrza. Powinno ono obiegać wszystkie nagrzewające się elementy, z tym że zamiast być zasysane z zewnątrz, będzie ono krążyć w obiegu zamkniętym. Doboru odpowiedniego klimatyzatora można dokonać poprzez wykorzystanie oprogramowania, jakie dostarczają producenci tego typu urządzeń. Pozwala ono określić ilość ciepła, jakie należy odprowadzić z systemu i wybrać urządzenia o adekwatnej wydajności.

CHŁODZENIE TERMOELEKTRYCZNE

Oprócz już wymienionych urządzeń chłodzących, na rynku dostępne są także wersje wykorzystujące zjawisko termoelektryczne. Polega ono na wydzielaniu lub pochłanianiu energii cieplnej pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez złącze półprzewodnikowe lub wykonane z odpowiednich przewodników. Złącze to wraz z obudową stanowi tzw. moduł Peltiera. W efekcie jego działania ciepło pochłaniane z jednej strony modułu przenoszone jest na drugą stronę, gdzie zostaje rozproszone.

Urządzenia termoelektryczne pozwalają skutecznie chłodzić silnie nagrzewające się powierzchnie, choć same przy okazji zużywają dosyć dużo energii elektrycznej, która także rozpraszana jest w postaci ciepła. Dlatego często wraz z nimi stosuje się wentylatory gwarantujące odpowiedni przepływ powietrza po wtórnej stronie elementu. Moduły stosowane są też tam, gdzie pojedynczy obiekt ma zostać ochłodzony do temperatury niższej niż jego otoczenie. Ponadto mogą one być one łatwo wykorzystane w instalacjach hermetycznie zamkniętych.

KOSZT CHŁODZENIA

Koszt zasilania systemów chłodzenia jest często pomijany przez twórców systemów automatyki. Gdy jednak urządzenia zainstalowane są w szafach lub niewielkich pomieszczeniach technicznych, może być on istotny ze względu na konieczność zwiększonego chłodzenia. Pobór energii elektrycznej, który przekłada się na koszt chłodzenia, jest zależny od instalacji i ilości odprowadzanego ciepła. W przypadku wentylatorów ich sprawność zależy przede wszystkim od sposobu ich umieszczenia, więc jest trudna do określenia.

Dla bardziej zaawansowanych urządzeń chłodniczych, np. klimatyzatorów, sprawność można wyliczyć. Jest ona oznaczana jest jako COP (Coefficient Of Performance) lub jako EER (Energy Efficiency Ratio) – współczynnik efektywności energetycznej. Wartość COP jest często traktowana jako równoznaczna wartości EER – obie w uproszczeniu definiowane są jako stosunek ilości energii ciepła, które urządzenie może odprowadzić, do ilości energii elektrycznej pobieranej przez urządzenie. W przypadku klimatyzatorów coraz częściej do porównywania ich sprawności stosuje się współczynnik ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio). Wartość ta pozwala w postaci pojedynczej liczby przedstawić średnią ważoną sprawność urządzenia chłodniczego przy uwzględnieniu różnych wartości współczynnika EER dla różnych stopni obciążenia systemu. Wartość ESEER dla klimatyzatorów wynosi zazwyczaj od 2,5 do 6, choć zdarzają się także systemy o większej sprawności.

ZAAWANSOWANE FUNKCJE

Warto na koniec dodać, że producenci nowoczesnych systemów chłodzenia wyposażają je w dodatkową funkcjonalność, która pozwala zwiększyć poziom ochrony urządzeń przed przegrzaniem lub zmniejszyć zużycie energii. W tym celu w systemach integruje się czujniki temperatury i wilgotności, które stale monitorują warunki pracy urządzeń w szafie sterowniczej oraz w jej otoczeniu. Zliczają one pojawiające się błędy w pracy urządzenia oraz analizują czas łączenia i stopień obciążenia chłodziarek.

Zbierane informacje mogą być przechowywane w module chłodzącym i wykorzystywane w celu zmniejszenia lub zwiększenia intensywności chłodzenia, co pozwala minimalizować zużycie energii. W systemach najbardziej zaawansowanych technicznie informacje te mogą być przesyłane do innych urządzeń np. poprzez sieć Ethernet. Systemy te mogą być także centralnie sterowane z poziomu oprogramowania zainstalowanego na serwerze monitorującym warunki pracy wykorzystywanych urządzeń.

Zcentralizowane zarządzanie instalacją chłodzenia, które uwzględnia lokalne zmiany temperatur, jest najbardziej efektywną metodą regulacji warunków środowiskowych, gdyż pozwala dynamicznie sterować pracą całego systemu, przydzielając moc jego najbardziej wydajnym elementom.

Przykładowo, gdy odprowadzanie ciepła bezpośrednio z urządzeń najbardziej się nagrzewających odbywa się wystarczająco wydajnie, system klimatyzacji w pomieszczeniu pozostaje wyłączony. W momencie, gdy wydzielanie ciepła przez urządzenia wzrasta, system może włączyć klimatyzatory, tak aby schłodzić pomieszczenie. Jednocześnie regulowana jest wydajność pracy wentylatorów w szafie sterowniczej.

Marcin Karbowniczek, Zbigniew Piątek