Obecny postęp miniaturyzacji i zwiększenie zagęszczenia elektroniki w coraz mniejszych kubaturach szaf sterowniczych wymogły poszukiwania nowych rozwiązań w zakresie ich chłodzenia – rozwiązań o charakterze wyprzedzającym. Skąd takie określenie? Otóż jeszcze dość niedawno kwestia ta była bagatelizowana do tego stopnia, że system chłodzenia opracowywany był dopiero na końcu projektu. Czasem wręcz sprowadzało się to do poszukiwania odpowiedniego urządzenia chłodzącego już po zakończeniu projektu szafy sterowniczej, gdy administratorzy systemu mieli przysłowiowy „nóż na gardle”.

Zacznijmy od podstaw, czyli fizyki. Jak wiadomo chłodzenie to przepływ ciepła między różnymi systemami czy strukturami, których potencjały energetyczne różnią się między sobą. Strumień energii cieplnej zawsze przepływa od struktury o wyższej temperaturze do struktury o niższej temperaturze. W ten sposób struktury dążą do uzyskania stanu równowagi temperaturowej, czyli energetycznej. Taki transfer ciepła może się odbywać na trzy sposoby: poprzez wypromieniowanie termiczne, przewodzenie ciepła oraz konwekcję (swobodną lub wymuszoną), przy czym w systemach chłodzenia szaf sterowniczych wykorzystuje się tylko dwa ostatnie sposoby, gdyż skuteczność pierwszego jest znikoma. Wszystkie opisane w kolejnych rozdziałach technologie chłodzenia korzystają z właściwości którejś z tych metod lub z ich kombinacji. Przypomnijmy sobie zatem czym są konwekcja i przewodnictwo cieplne.

• konwekcja to rozchodzenie się ciepła pod wpływem ruchu nagrzanych cząsteczek cieczy lub gazu, przy czym rolę cieczy pełni zazwyczaj woda, zaś rolę gazu pełni powietrze lub para wodna. Zjawisko konwekcji możemy zauważyć np. podgrzewając wodę na palniku i obserwując pojawienie się jej powolnego ruchu od dna ku górze, stopniowo przybierającego na sile, w którym to cieplejsze cząsteczki wody aktywnie mieszają się z tymi chłodniejszymi i rozprowadzają ciepło. Identycznie ma się sytuacja z powietrzem, które nagrzane przez upał przy powierzchni jezdni zaczyna drgać i następnie poruszać się ku górze, ku rejonom w których temperatura jest niższa. Innym przykładem jest ruch mas powietrza, o którym słyszymy codziennie w prognozie pogody (parująca nad wodami ciepłych mórz woda unosi się ku górze, gdzie oddaje ciepło chłodnej atmosferze).
• przewodzenie ciepła to przekazywanie energii między dwoma stykającymi się ze sobą strukturami, których temperatury są odmienne. Oczywiście przewodzenie następuje w kierunku od cieplejszego ciała do chłodniejszego i nie chodzi tu o swobodny czy wymuszony ruch cząsteczek i ich mieszanie się lecz międzycząsteczkowe przekazywanie energii cieplnej. Doskonałym przykładem jest gwóźdź trzymany za jeden koniec pęsetą i podgrzewany na drugim końcu płomieniem palnika: już po chwili zauważyć można przewodzenie ciepła od podgrzewanego końca do tego trzymanego pęsetą, ale co więcej – po kolejnej chwili odczuwalne jest przeniesienie ciepła na samą pęsetę.

Szafy sterownicze chronią elektronikę sterowniczą przed udarami lub innymi mechanicznymi czynnikami, lecz istota ich funkcji leży w ochronie przed wodą i wilgocią, kropelkami oleju – często zawieszonymi w powietrzu czy też oparami agresywnych gazów technicznych. Zagrożenie może też stanowić strumień gorącego lub bardzo zimnego powietrza, bądź strumień takiego, które zawiera niebezpieczne pyły, jak choćby opiłki metali lub produkty wszelkich procesów ściernych. Trwała ochrona elektroniki przed wyżej wymienionymi czynnikami możliwa jest przy zachowaniu odpowiednio wysokiej szczelności obudowy szafy sterowniczej określanej kodami IP lub NEMA. Paradoksalnie ta szczelność obudowy jest jednocześnie wrogiem elektronicznych komponentów i podzespołów, ciasno upakowanych wewnątrz szafy, które podczas pracy wydzielają ciepło kumulujące się w środku szafy i doprowadzające do przeciążenia sterowników, przetwornic, komputerów, procesorów i innych elementów systemu. Bez systemów odprowadzania ciepła, temperatura wewnątrz szaf potrafi przekroczyć 75ºC, co skraca żywotność poszczególnych elementów, lub przeciąża system i w efekcie prowadzi do jego wyłączenia bądź uszkodzenia. Krótko mówiąc sprawne chłodzenie szaf sterowniczych ma bardzo wysoki priorytet i musi być uwzględniane już na samym etapie projektowania każdej szafy.

Dla każdej szafy sterowniczej jej optymalną temperaturę powinno się określać indywidualnie, korzystając z wyspecjalizowanego oprogramowania, które uwzględnia wiele czynników z przyszłym środowiskiem pracy danej szafy na czele. Niezależnie jednak od wskazówek takiego programu, powszechnie przyjmuje się, że optymalny przedział znajduje się między wartościami 20ºC i 35ºC. By stale utrzymywać temperaturę na takim poziomie, potrzebny jest skuteczny i dopasowany do szafy (grupy szaf) system chłodzenia oparty na wybranej metodzie odbioru ciepła z wnętrza szafy.

Chłodzenie poprzez konwekcję w asyście wentylatorów, dmuchaw i wymienników powietrza

Nie da się skutecznie wychładzać nowoczesnych szaf sterowniczych opierając się na swobodnej konwekcji, dlatego w pierwszym kroku konieczne jest sięgnięcie po wentylatory i dmuchawy, które montuje się wewnątrz na ściankach szaf bądź też wsuwa się do nich w postaci modułów o zróżnicowanej wydajności. Ich role są oczywiste: wentylatory zasysają ciepłe powietrze z wnętrza szaf i wydmuchują je na zewnątrz, zaś dmuchawy nawiewają chłodne powietrze z otoczenia do wnętrza szafy. Celem jest przetłoczenie powietrza wewnątrz szafy i wywołanie jego cyrkulacji w taki sposób by uzyskać chłodzenie nagrzanych elementów elektroniki oraz optymalny rozkład ciepła w szafie i przy jej ściankach. W ten sposób można też zapobiegać powstawaniu tzw. gniazd ciepła, czyli miejsc, które znalazły się poza strefą cyrkulacji i w których temperatura drastycznie rośnie. Największą wydajność uzyskuje się łącząc wentylatory z dmuchawami umieszczonymi odśrodkowo, przy czym istotne jest by wdmuchiwane chłodne powietrze nie padało bezpośrednio i prostopadle na najbardziej nagrzane elementy elektroniki, gdyż prowadzić to może do szoku temperaturowego i jej uszkodzenia. Trzeba też pamiętać o tym, że zbyt mocne wentylatory zasysające mogą wytworzyć podciśnienie wewnątrz szafy, a co za tym idzie wywołać niekontrolowany i niefiltrowany ruch powietrza dopływającego przez szczeliny, równoległego do nawiewu generowanego przez dmuchawę. Dobierając wentylatory i dmuchawy, oprogramowanie uwzględnia m.in. przewidzianą temperaturę wewnątrz, temperaturę zewnętrzną (różnica między nimi musi być dość istotna), architekturę w środku i kubaturę szafy. Te dane pozwalają na określenie wydajności dmuchaw i wentylatorów, wyrażanej w metrach sześciennych na godzinę (m3/h) oraz na wskazanie ich optymalnej średnicy (średnicy ich śmigieł) i najlepszych lokalizacji. Brana jest też pod uwagę głębokość montażowa wentylatorów i dmuchaw – oczywiście im mniejsza tym lepiej – jak też czystość powietrza wdmuchiwanego do szafy. Z reguły da się to rozwiązać montując na wszystkich wlotach i wylotach odpowiednie filtry, lecz jeśli szafy ulokowane są w pobliżu maszyn i urządzeń wydzielających duże ilości ciepła, drobiny oleju lub opiłki metali, wówczas trzeba sięgnąć po bezpieczniejsze i zarazem efektywniejsze systemy chłodzenia. Gdy różnica między temperaturą wewnętrzną i zewnętrzną wynosi przynajmniej 15 stopni Celsjusza i wsparta jest wysoką szczelnością szafy sterowniczej, wówczas możemy sięgnąć po dość popularne wymienniki ciepła typu powietrze/powietrze. Proces odprowadzania przez nie ciepła na zewnątrz szafy polega na wykorzystaniu krzyżowych wymienników do których doprowadza się z jednej strony powietrze ciepłe z wnętrza szafy, a z drugiej strony powietrze chłodne z otoczenia. Zgodnie z zasadą działania wymienników, zimne powietrze doprowadzane jest do tu po to, by przejąć ciepło od strumienia powietrza wewnętrznego, a więc żeby pozwolić mu się schłodzić. Potem ten strumień powietrza wraca na zewnątrz, zaś powietrze wewnętrzne po schłodzeniu w wymienniku zostaje na powrót skierowane w głąb szafy by przejmować od nowa ciepło od elektroniki. W ten sposób ryzyko, że wraz z powietrzem zewnętrznym do szafy dostaną się jakieś substancje bądź cząsteczki niebezpieczne dla elektroniki zostaje zniwelowane do zera. Wymienniki tego typu montowane są w różnych miejscach szaf, zależnie od oferty producenta: jedne mocowane są na nich, zaś inne wewnątrz nich. Warto jeszcze wspomnieć o coraz popularniejszych wymiennikach typu powietrze/woda (chłodzenie wodne pośrednie), w których strumień chłodnego powietrza zewnętrznego zostaje zastąpiony wodą. Cechują się bardzo wysoką wydajnością przy tych samych kubaturach oraz w warunkach wysokiej temperatury w otoczeniu szaf sterujących, jednak o tym dokładniej w kolejnych rozdziałach.

Klimatyzatory dla szaf sterowniczych

Nowoczesne szafy sterownicze często wyposaża się w klimatyzatory, które przyjmują postać gotowych modułów pełniących rolę gotowych ścian, zadaszeń, lub drzwi. Stanowią chyba najpopularniejszą metodę chłodzenia powietrza wewnątrz szaf sterowniczych poprzez stałe utrzymywanie optymalnej temperatury, która może być o 10 do 15 stopni Celsjusza niższa od otaczającej. W praktyce to elastyczne rozwiązanie sprawdza się najlepiej przy temperaturach zewnętrznych dochodzących do 55ºC, natomiast przy wyższych ich efektywność gwałtownie spada. Działanie klimatyzatorów można porównać z tym, jak działają typowe lodówki – one również korzystają z gazowych czynników chłodniczych, które odbierają ciepło z wnętrza szafy. Klimatyzatory działają de facto w oparciu o dwa obiegi – wewnętrzny i zewnętrzny, przy czym ten pierwszy to obieg chłodnego gazu (postać płynna), zaś ten drugi to obieg gazu zawierającego energię cieplną – właśnie tą, która została odebrana z wnętrza szafy i która musi zostać usunięta na zewnątrz. Analizując obieg czynnika chłodniczego w klimatyzatorach, warto zdać sobie sprawę z tego, że zderzenie chłodnych elementów instalacji z ciepłym powietrzem powoduje efekt wykraplania się kondensatu, który jest zagrożeniem dla elektroniki. To zjawisko jest nieuniknione, dlatego do niedawna kondensat odprowadzany był do tacek ociekowych, z których następnie usuwało się go przez zabezpieczenia przelewowe. Dziś jednak te zabezpieczenia stanowią wyjście awaryjne, zaś wiodącą metodą pozbywania się kondensatu jest jego odparowywanie przy użyciu wkładów grzewczych, którymi steruje elektronika dopasowująca moc grzewczą do kondensatu w oparciu o sygnały z czujników. Rozwój technik chłodzenia szaf sterowniczych przy pomocy klimatyzatorów poszedł na tyle daleko w ostatnich latach, że doszło do procesu unifikacji szaf z systemami klimatyzacji. Szafy sterownicze stały się szafami chłodniczymi. Co więcej, dla wygody użytkowników szaf, klimatyzatory stały się gotowymi modułami, wsuwanymi w szafy bądź stanowiącymi ich ściany, które montuje się na zasadzie Plug & Play. To ogromny postęp w porównaniu do rozwiązań sprzed 15 czy 20 lat. Warto też zauważyć, że przepisy wdrażane w Unii Europejskiej na polu rozwiązań energooszczędnych, objęły w ostatnich latach wszystkie urządzenia klimatyzacyjne – również te stosowane w szafach sterowniczych. To automatycznie wymusiło wdrożenie takich rozwiązań jak technologia inwerterowa (automatyczna regulacja obrotów sprężarki i wentylatorów poprzez napięcie i częstotliwość prądu), czy systemy monitorowania i inteligentnego sterowania parametrami pracy klimatyzatorów, przy jednoczesnym wdrożeniu systemów komunikacji. Klimatyzatory chłodzące szafy sterownicze, pomimo szeregu zalet, mają jednak pewną istotną wadę: są drogim rozwiązaniem. Wynika to nie tylko z ich ceny i z faktu, iż pobierają energię elektryczną, ale też z tego, że wymagają regularnej i nieraz kosztownej konserwacji.

 

Chłodzenie przy użyciu wody

Chłodzenie wodne to rozwiązanie bardzo drogie, ale zarazem najskuteczniejsze ze wszystkich tu omówionych, ponieważ pozwala odbierać największe ilości ciepła w małych przestrzeniach przy zachowaniu wysokiej szczelności szafy. Wymienniki typu powietrze/woda znajdują z reguły zastosowanie w dużych zakładach przemysłowych, wszędzie tam, gdzie temperatura zewnętrzna jest bardzo wysoka (huty, przemysł metalowy), a ilość ciepła generowanego przez elektronikę w szafie sterowniczej jest duża. Rozwiązanie to wymaga sporych nakładów finansowych na stworzenie przyłącza wodnego oraz na opracowanie systemu chłodzenia samej wody, która została nagrzana w wymienniku, lecz jego skuteczność wszystko wynagradza. Gwałtowny postęp na tym polu doprowadził do tego, że instalacje z wymiennikami typu powietrze/ woda stanowią często moduły zastępujące, czy raczej pełniące funkcję obudowy szafy (np. obie boczne ściany szafy) i pozwalają na montaż przyścienny, naścienny, czy też służą jako zabudowa dachowa. Co więcej – można z nich tworzyć zbiorcze systemy chłodzące całe szeregi szaf sterowniczych. Przypomina to modułowość klimatyzatorów, o czym była mowa w poprzednim rozdziale. Woda służy jako czynnik chłodzący nie tylko w układach pośrednich, lecz również w takich, które nazywa się bezpośrednimi, w których płyty (listwy) montażowe wyposaża się w wewnętrzne przewody wodne chłodzące elektronikę montowaną bezpośrednio na takiej płycie. Oczywiście wszystko opiera się na przewodzeniu cieplnym: schłodzona wodą płyta odbiera energię cieplną bezpośrednio od podzespołów i rozgrzanego wokół nich powietrza. Rozwiązanie to jest bardzo skuteczne, lecz wymaga pewnych nakładów na doprowadzenie wody i zorganizowanie systemu jej chłodzenia po tym jak odbierze ciepło (np. dzięki schładzarkom zwanym chiller-ami). Dzięki swej skuteczności płyty takie chłodzą m.in. radiatory procesorowe oraz inne podzespoły, od których trzeba odbierać duże ilości ciepła. Czasem są nawet stosowane do chłodzenia różnej mocy systemów napędowych, przemienników częstotliwości (w tym falowników) czy serwonapędów. Inna sprawa, że tak bliskie zetknięcie elektroniki i wody budzi czasem mieszane uczucia i część inwestorów nie do końca ufa temu rozwiązaniu, które – jak to zostało wspomniane wyżej – nie jest możliwe do zrealizowania w dowolnym miejscu i w dowolnych warunkach. W praktyce płyty montażowe chłodzone wodą często spotkać można w przemyśle związanym z budową maszyn czy w branży motoryzacyjnej.

Termoelektryczne moduły Peltiera

Chłodziarki termoelektryczne zwane modułami Peltiera (od nazwiska odkrywcy opisanego niżej „efektu termicznego”, Jeana Charlesa Peltiera), to urządzenia wykorzystujące zjawisko termoelektryczne do chłodzenia nagrzewających się ścianek szaf sterowniczych poprzez efektywne przenoszenie ciepła z jednej strony obudowy na drugą. Same jednak zużywają dość dużo energii elektrycznej i generują ciepło, dlatego ich zastosowanie powinno być wsparte co najmniej równoległą obecnością wentylatorów. Wszystko odbywa się w oparciu o zjawisko pochłaniania i jednocześnie emitowania energii cieplnej pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez półprzewodnikowe złącze Peltiera. Konstrukcja takiej chłodziarki jest prosta: dwa różne bloki metalowe łączy się szeregowo w obwód, przez który przepuszcza się prąd stały o określonym kierunku i natężeniu. Dzięki temu pojawia się „efekt termiczny”: miejsce styku bloków metalowych schładza się, zaś pozostałe części rozgrzewają się – teraz wystarczy przez schłodzone miejsce styku poprowadzić strumień ciepłego powietrza z szafy sterowniczej – np. wymuszając cyrkulację – i system zaczyna działać. Wadą tego rozwiązania jest niezbyt wysoka sprawność chłodziarek i znaczące zużycie energii elektrycznej. Z tego powodu chłodzenie termoelektryczne znajduje zastosowanie w szafach małogabarytowych. Natomiast istotną zaletą tych urządzeń są ich niewielkie rozmiary i ich elastyczność w kwestii miejsca montażu: można je instalować pionowo bądź poziomo oraz zarówno wewnątrz jak i na zewnątrz szaf. Przemawia za nimi również wygoda obsługi, gdyż coraz częściej oferowane są jako kompletne jednostki już gotowe do podłączenia.

Podsumowanie

Ważną kwestią na polu chłodzenia szaf sterowniczych jest komunikacja ich administratorów z funkcjonującym wewnątrz nich systemem monitorowania temperatur. Standardowo wygląda to tak, że wewnątrz szafy umieszczony zostaje mikrokomputer wyposażony w czujniki zbierające dane z różnych rejonów wnętrza szafy, który komunikuje się poprzez kilka protokołów z administratorami, a także wysyła raporty w oparciu o zapis wszystkich zdarzenia na skali czasowej. Kolejnym zadaniem systemu monitorowania temperatury jest sterowanie zapotrzebowaniem na chłodzenie. Jest to wręcz pożądane w dobie rozwiązań inwerterowych wprowadzonych do klimatyzatorów, ponieważ pozwala płynnie dopasować zapotrzebowanie na chłodzenie do aktualnych warunków i ewentualnie zmniejszyć je, jeśli nie jest potrzebne, co przekłada się na wymierne oszczędności.

Łukasz Lewczuk
Na podstawie materiałów publikowanych m.in. przez: Haas Factory Outlet – Polska, Astat Sp. z o.o., Rittal Sp. z o.o. oraz Depro Marek Dratkowski i Radiolex Sp. z o.o.