Cílené a efektivní chlazení

Aby se zabránilo vnikání nežádoucích látek, jako například mastného a vlhkého okolního vzduchu nebo prachu dovnitř skříně, musejí 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 – například zvýšení teploty o 10 K nad maximální povolenou provozní teplotu může zkrátit jejich životnost na polovinu a zdvojnásobit výskyt poruch.

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 jedním 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.

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.

V závislosti na 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 nekontrolo-vaně 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.

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.

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 vysokého 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.

Chlazení kapalinou nabízí tyto výhody:

• vyšší energetická hustota než například u vzduchu umožňuje u pohonů vyšší trvalý výkon při stejném konstrukčním objemu;

• jednoduchý transport energie například z budovy ven;

• kompaktní konstrukce při současném odvádění vyšších tepelných zatížení;

• vysoká akumulace tepla (např. možné pokrytí krátkodobých špičkových zatížení);

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

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.

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

Celosvětově nejrozšířenější a nejflexibilnější řešení pro odvádění tepla z elektrických rozváděčů je použití chladicích jednotek. Chladicími jednotkami lze dosáhnout vnitřní teploty v rozvaděči nižší, než je teplota okolního vzduchu. Pracují na stejném principu jako například 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 k předání kondenzačního tepla do okolního vzduchu. Následně kapalné chladivo proudí přes redukční orgán (expanzní ventil) do výměníku tepla (výparníku), kde dochází k vypařování chladiva a tím k ochlazování okolního vzduchu (tj. 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.

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.

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, neboť snižuje usazování průmyslových nečistot na lamelách, což usnadňuje čištění tepelných výměníků a prodlužuje intervaly údržby. Konstantně vysoká tepelná vodivost navíc zvyšuje bezpečnost provozu.

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 podle 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.

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 elektric-kým 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.

Ing. Zbyněk Ledvinka

Rittal

chromec.m@rittal.cz

www.rittal.cz