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Wärmemanagement Grundlagen der Schaltschrank-Klimatisierung, Teil 2

Autor / Redakteur: Ralf Schneider und Hans-Robert Koch * / Kristin Rinortner

Die immer leistungsfähigere Technik in den Produktionsprozessen lässt auch die Verlustleistung in Schaltschränken rasant anwachsen. Wir stellen Klimatisierungskomponenten und Kühlsysteme vor.

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System-Klimatisierung: Moderne Kühlsysteme bieten heute einen über 40% höheren Wirkungsgrad.
System-Klimatisierung: Moderne Kühlsysteme bieten heute einen über 40% höheren Wirkungsgrad.
(Bild: Rittal)

Mit hocheffizienten Klimalösungen, bei denen die Energieeffizienz im Mittelpunkt steht, trägt Rittal der höheren Verlustleistung in Schaltschränken Rechnung. Innovative Klimatisierungskomponenten und Kühlsysteme bieten heute einen über 40% höheren Wirkungsgrad als bisherige Systeme.

Im ersten Teil dieses Beitrags wurden die drei Möglichkeiten der Wärmeabführung – die Wärmeleitung, die Konvektion und die Wärmestrahlung – sowie die technologischen Varianten für unterschiedliche Aufgaben erläutert. Darüber hinaus wurden die Wärmeabführung durch thermoelektrische Kühlung, Luft/Wasser-Wärmetauscher und die Wasserkühlung erörtert.

Aktive Klimatisierung mit Schaltschrank-Kühlgeräten

Die weltweit verbreitetste und flexibelste Lösung zur Wärmeabführung sind Kühlgeräte, mit denen die Innentemperatur bis weit unter die Umgebungstemperatur abgekühlt werden kann. Sie arbeiten nach dem gleichen kältetechnischen Prinzip wie ein Kühlschrank, als Kühlmedium wird ein Kältemittel verwendet.

Das gasförmige Kältemittel wird in einem Kältekompressor verdichtet und erwärmt sich dabei. Durch Leitungen wird es über einen Außenluft-Wärmetauscher (Kondensator) geführt und seine Wärme an die Umgebungsluft abgegeben (gekühlt). Durch diese Abkühlung verflüssigt sich das Kältemittel und fließt über den Filtertrockner zum Expansionsventil. Hier erfolgt eine Druckabsenkung. Das Kältemittel wird entspannt und fließt über einen Innenluft-Wärmetauscher. Dort wird die Verlustleistung aus dem Schaltschrank aufgenommen. Durch die Erwärmung wird das Kältemittel wieder gasförmig und im Kältekompressor verdichtet. So beginnt der Kältekreislauf erneut.

Bildergalerie

Alle Schaltschrank-Kühlgeräte verfügen über zwei völlig getrennte Luftkreisläufe und erfüllen die Schutzart IP 54 im Innenkreislauf. Ihre industrielle Einsatzgrenze liegt in der Regel bei einer Umgebungstemperatur von 55°C. Sie müssen heute immer stärker an die jeweils örtlichen Gegebenheiten angepasst und integriert werden.

Entfeuchtung als willkommener Nebeneffekt

Ein willkommener Nebeneffekt bei Kühlgeräten ist die Entfeuchtung des inneren Schaltschranks. Beim Abkühlen der Innenluft kondensiert ein Teil der in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit am inneren Wärmetauscher (Verdampfer) und wird über den Kondensatablauf sicher nach außen abgeführt.

Wie viel Kondensat tatsächlich anfällt, hängt von der relativen Luftfeuchte, der Lufttemperatur und dem Volumeninhalt des Gehäuses ab. Durch Undichtigkeiten am Schaltschrank (Kabeldurchführungen, offene Bodenbleche oder Betrieb des Kühlgeräts bei offener Schaltschranktür) können jedoch deutlich höhere Kondensatmengen anfallen. Grundsätzlich gilt:

  • Betrieb der Kühlgeräte nur bei geschlossener Schaltschranktür;
  • immer Türendschalter verwenden;
  • Schaltschrank gemäß der geforderten Schutzart IP54 abdichten;
  • möglichst keine tiefere Innentemperatur wählen als 35°C, um übermäßige Abkühlung im Schaltschrank zu vermeiden;
  • Kondensat sicher, gemäß den Montagehinweisen, nach außen abführen.

Ergänzendes zum Thema
Das sollten Sie bei der Klimatisierung von Schaltschränken beachten
  • Die gesamte Verlustleistung der Komponenten im Schaltschrank darf die spezifische Kühlleistung des Kühlgeräts (gemäß Kühlgeräte-Kennlinienfeld) nicht überschreiten.
  • Bei hohen Umgebungstemperaturen strahlt zusätzliche Wärme über die Schrankoberfläche nach innen; auch sie muss gegebenenfalls „entsorgt“ werden.
  • Der ideale Aufstellungsort für das Kühlgerät sollte möglichst frei von starkem Schmutz sein. Ist das nicht möglich, sollte bereits bei der Auswahl auf eine schmutzabweisende Oberfläche (Nanobeschichtung) der relevanten Bauteile geachtet werden.
  • Der Schaltschrank – respektive die Schrankzeile – muss abgedichtet sein, um ein Eindringen von Umgebungsluft zu verhindern.
  • Die niedrigste Schaltschrank-Innentemperatur ist nicht die beste. Der voreingestellte Sollwert (35°C) ist ein bewährter Kompromiss in Bezug auf Lebensdauer und Kondensatanfall.
  • Ein Türkontaktendschalter verhindert einen Kühlbetrieb bei offenen Türen und damit eine übermäßige Kondensatbildung.
  • Der Abstand der Kühlgeräte zueinander, zur Wand sowie zu Bauteilen soll mindestens 200 mm betragen.
  • Kühlgeräte sind mit Filtermatten auszustatten, wenn die Umgebungsluft durch Schmutz- oder Staubpartikel stark belastet ist. Bei ölhaltiger Luft sind Metallfiltermatten vorzusehen. Alternativ empfiehlt sich der Einsatz von Kühlgeräten mit schmutzabweisender Nanobeschichtung der Verflüssigerlamellen. Entsprechende Geräte können in der Regel auch bei stark belasteter Umgebungsluft ohne Filter betrieben werden.
  • Für eine hohe Kühlleistung und beste Energieeffizienz sind die verwendeten Filtermatten regelmäßig zu reinigen bzw. auszutauschen.
  • Kondensat muss sicher abgeführt werden. Dabei sind die Hinweise in der Betriebsanleitung des jeweiligen Kühlgeräts zu beachten. Gefährliche Lachenbildung muss vermieden werden. Möglich ist auch eine automatische Kondensatverdunstung.
  • Großzügige Lüftungsfreiräume ober- und unterhalb der Komponenten vorsehen.
  • Zur Vermeidung von Wärmenestern eine gute Umströmung der aktiven Komponenten im Schaltschrank sicherstellen.
  • Ausreichend Depots zur Aufnahme von Dokumenten im Schaltschrank vorsehen. Auf Komponenten oder lose im Schrank abgelegt, behindern sie die Luftströmung.
  • Immer sicherstellen, dass Komponenten von unten nach oben von Kühlluft umströmt werden.
  • Kaltluft nicht direkt (per Kanal) auf aktive Komponenten richten: Temperaturschock und Betauung im Kühlbetrieb!
  • Bei Komponenten mit Eigenlüftung (Gebläse oder Axiallüfter) auf die Strömungsrichtung (von Komponenten und Kühlgerät) achten, um die Gefahr von Luftkurzschluss auszuschließen.

Den gestiegenen Ansprüchen hinsichtlich der Energieeffizienz tragen die „Blue e“-Kühlgeräte aus Herborn Rechnung. Sie verbrauchen im Vergleich zu etwa fünf Jahre alten Geräten bis zu 70% weniger Energie, vor allem aufgrund der aktuellen Kompressor- und Ventilatortechnologie (EC-Lüftermotoren). Zudem wurden die Schaltzyklen deutlich reduziert. Und mit Hilfe der Nano-Technologie beim Wärmetauscher im Außenkreislauf – inklusive des optimierten Betriebspunkts – wird auch die Lebensdauer der Komponenten erheblich verlängert.

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