Steuerung der Gehäusetemperatur: Die Wahl der richtigen Methode

Einführung

Stille ist in der Welt der industriellen Automatisierung und Dateninfrastruktur ein schlechtes Omen. Selbst eine stille Schalttafel bedeutet nicht unbedingt Effizienz, sondern kann ein Zeichen dafür sein, dass sich ein wichtiger Prozess verlangsamt. Der Bösewicht ist meist eine unheimliche, unsichtbare Gefahr, eine Bedrohung. Ein defektes Laufwerk, eine fehlerhafte SPS, eine ausgefallene Stromversorgung - das sind keine Unfälle. Sie sind Anzeichen für eine unzureichende Kontrolle der Temperatur in den Gehäusen.

Die Auswahl einer Wärmemanagementlösung ist kein weiterer Punkt auf einer Liste von Materialien. Es ist eine Entscheidung auf Leben und Tod, die sich direkt auf die Betriebszuverlässigkeit, den Lebenszyklus der Komponenten und die Gesamtbetriebskosten (TCO) auswirkt. Die meisten Ingenieure machen sich jedoch eines der folgenden Dinge schuldig: Entweder wird zu viel spezifiziert, d. h. es wird eine teure, stromfressende Klimaanlage eingebaut, obwohl nur ein Ventilator benötigt wird, oder es wird zu wenig spezifiziert, d. h. es wird erwartet, dass der Raum sich selbst kühlt, was in Zukunft mit ziemlicher Sicherheit zu Ausfallzeiten führen wird.

Eine Einheitsgröße für alle ist ein Geheimnis des Scheiterns. Die teuerste Lösung ist nicht unbedingt die beste, und die günstigste war noch nie die wirtschaftlichste.

Dies soll Ihnen eine Orientierungshilfe bei der Auswahl sein. Wir werden die Marketingargumente hinter uns lassen und die grundlegenden Faktoren untersuchen, die für Ihre Entscheidung ausschlaggebend sein müssen. Wir werden die wichtigsten Methoden zur Steuerung der Temperatur des Gehäuses vergleichen, d. h. von Klimaanlagen bis hin zu Filterlüftern, damit Sie das beste Gleichgewicht zwischen Schutz, Leistung und Kosten finden können.

Was passiert, wenn Elektronik überhitzt?

Die Bedeutung des Wärmemanagements erschließt sich erst, wenn wir uns der Schäden bewusst werden, die durch Wärme verursacht werden. Elektronische Bauteile, wie Mikroprozessoren, bis hin zu Kondensatoren, unterliegen den Gesetzen der Physik. Das bekannteste dieser Gesetze ist die Arrhenius-Gleichung, die in der Welt der Elektronik zu einer entmutigenden Faustregel wird:

Jede Erhöhung der Betriebstemperatur um 10 °C (18 °F) über die Nennbetriebstemperatur hinaus verringert die langfristige Zuverlässigkeit elektronischer Bauteile um einen Faktor von 50.

Es handelt sich nicht um einen geradlinigen, sondern um einen exponentiellen Rückgang. Ein 10-Jahres-Laufwerk, das für 25 °C spezifiziert ist, hat bei 35 °C nur noch eine Lebensdauer von 5 Jahren und bei 45 °C nur noch von 2,5 Jahren.

Diese zusätzliche Hitze führt zu einer Kettenreaktion von Krankheiten, bevor ein Element zu Grunde geht:

• Antriebe mit variabler Frequenz (VFDs): Sie sind wahrscheinlich das empfindlichste Element und neigen dazu, bei einer Übertemperaturstörung aus Selbstschutzgründen auszulösen. Dadurch wird Ihr Motor, Ihr Förderband oder Ihre Pumpe angehalten, was zu ungeplanten Ausfallzeiten führt.
• Speicherprogrammierbare Steuerungen (PLCs): Die Überhitzung eines Prozessors kann dazu führen, dass sich die SPS unregelmäßig verhält, Verarbeitungsfehler verursacht oder sogenannte Phantomfehler auftreten, die sehr schwer zu beheben sind.
• Stromversorgungen: Kondensatoren sind hitzeempfindlich. Das heiße Netzteil ist nicht in der Lage, eine konstante Spannung zu liefern, so dass es zu einem Spannungsabfall kommt, der zum Zurücksetzen oder zum Ausfall der Geräte führen kann. andere Komponenten im Schrank.
• HMIs und Anzeigen: Sie können beobachten, dass die Bildschirme verblassen, flackern oder inaktiv werden, lange bevor sie sich endgültig abschalten.

Der Preis für eine ausgefallene Schaltschranktemperatur umfasst niemals die Kosten für ein Ersatzteil. Es ist der Preis für die verlorenen Stunden oder sogar Tage der Produktion, der Preis für die Arbeit der Notfallwartung und der Preis für ein negatives Image bei den Fachleuten. Die richtige Kühlung ist nicht etwas, das kostet, sondern eine Versicherungspolice.

Schlüsselfaktoren, die Ihre ideale Lösung bestimmen

Sie sollten eine Entscheidung treffen, bevor Sie eine Methode auswählen können. Der Standort Ihres Geheges, die Objekte und das umgebende Mobiliar sind die Anhaltspunkte, die Sie benötigen, um die richtige Entscheidung zu treffen. Im Folgenden sind die drei nicht verhandelbaren Faktoren aufgeführt, die analysiert werden müssen.

Berechnung der Heizlast: Der erste Schritt zur Dimensionierung

Es ist unmöglich, ein Problem zu lösen, das nicht gemessen wurde. Ihre Wärmelast ist die Gesamtsumme der Wärme (in Watt oder BTU/Std.), die Ihre thermische Lösung kühlen muss, um Ihre Zieltemperatur zu halten.

Diese Schätzung besteht aus zwei wichtigen Variablen:

1. Interne Wärmebelastung ($Q_{internal}$): Dieser Wert ist die Wärmemenge, die durch die internen Komponenten im Schrank verloren geht. Alle VDFs, Stromversorgungen, SPS und Transformatoren erzeugen eine gewisse Abwärme. In den Datenblättern der Komponenten finden Sie deren "Wärmeabgabezahlen" oder Effizienzverlustzahlen in Watt.
2. Externe Wärmeübertragung ($Q_{external}$): Dies ist die Wärme, die durch die Wände des Gehäuses übertragen wird. Die Oberfläche (A) des Gehäuses, die Wärmeleitfähigkeit (U-Wert) des Materials und der Temperaturunterschied zwischen der Außenluft und der gewünschten Innentemperatur bestimmen dies.

Der formale Ausdruck ist kompliziert, aber die Sache ist nicht kompliziert:

$TGesamtwärmebelastung = Q_{intern} + Q_{extern}$

Wenn die Außentemperatur die gewünschte Innentemperatur übersteigt, nimmt das Gehäuse Wärme aus der Umgebung außerhalb des Gehäuses auf (oder anders ausgedrückt, Qextern). Wenn die Umgebungstemperatur niedriger ist, strahlt das Gehäuse Wärme an die Umgebung ab, d. h., das Gehäuse strahlt, um sich abzukühlen (Qextern ist negativ).

Offener Kreislauf vs. geschlossener Kreislauf: Muss Ihre Umgebung versiegelt werden?

Dies ist wohl die beste Entscheidung, die Sie treffen werden.

• Open-Loop-Kühlung: Bei dieser Methode wird die Umgebungsluft außerhalb des Schrankes genutzt. Sie saugt kühlere Umgebungsluft an und führt die heiße Innenluft ab.
  • Vorteile: Unkompliziert, extrem energiesparend und extrem günstig.
  • Nachteile: Es hält alles ab, was sich in der Umgebungsluft befindet - Staub, Feuchtigkeit, Ölnebel oder leitende Partikel - und dringt in Ihr Gehäuse ein.
  • Beispiele: Filter-Ventilatoren, Entlüftungen.
• Kühlung im geschlossenen Kreislauf: Es handelt sich um eine Technik, die das Gehäuse von der Außenwelt abschirmt. Sie lässt die Luft innerhalb des Gehäuses zirkulieren, um die bereits vorhandene Luft abzukühlen.
  • Vorteile: Bietet so viel Schutz wie möglich für Teile, die schmutzig, nass oder abgewaschen sind.
  • Nachteile: Sie sind komplizierter, teurer in der Anschaffung und verbrauchen mehr Energie.
  • Beispiele: Klimageräte, Luft-Luft-Wärmetauscher.

Was ist in der Luft über meinem Gehäuse? Wenn die Antwort nicht positiv ausfällt, d. h. wenn die Luft sauber und trocken ist, sollten Sie ernsthaft über ein geschlossenes System nachdenken.

Verständnis der NEMA-Einstufungen und Ihrer Umgebung

NEMA-Einstufungen (National Electrical Manufacturers Association) geben den Grad des Umweltschutzes eines Gehäuses an. Diese Einstufung steht in direktem Zusammenhang damit, ob es sich um einen offenen oder geschlossenen Kreislauf handelt.

Man kann nicht einfach ein Loch in eine NEMA 4-Gehäuseeinen Lüfter einbauen und hoffen, dass er seine Bezeichnung beibehält. Die zu verwendende thermische Lösung sollte nicht eine niedrigere NEMA-Einstufung als das Gehäuse haben.

Die vereinfachte Erklärung, wie die NEMA-Einstufungen Ihre Entscheidung beeinflussen können, lautet wie folgt:

Die Wahl einer Kühllösung, die eine niedrigere NEMA-Einstufung als das Gehäuse hat, beeinträchtigt den Schutz des gesamten Systems.

Methode 1: Gehäuse-Klimageräte

Die wichtigsten Werkzeuge für das Wärmemanagement sind Klimageräte für Schaltschränke. Dabei handelt es sich um aktive Systeme mit geschlossenem Kreislauf, die mit einem Kältemittelkreislauf (Kompressor, Kondensator und Verdampfer) arbeiten, um die Luft im Schrank aktiv zu kühlen.

Wie sie funktionieren: Sie ziehen die warme Luft im Schrank durch eine kalte Spule, die aus einem Verdampfer besteht, um die Wärme und Feuchtigkeit zu entziehen, woraufhin die kühle und trockene Luft zurückgeführt wird. Ein weiterer externer Ventilatorkreislauf drückt die Umgebungsluft über die heißen Wärmetauscher des Verflüssigers, um die aufgefangene Wärme abzuführen.

• Vorteile:
  • Hohe Kühlleistung: Kann mit extrem großen Wärmelasten (Tausende von BTU/Std.) umgehen.
  • Sub-Ambient-Kühlung: Das ist ihre besondere Vorliebe. Die einzige Möglichkeit, dies zu erreichen, ist eine Klimaanlage, die die Innenseite eines Schranks auf niedrigere Temperaturen als die Außentemperatur kühlen kann.
  • Hält die Versiegelung aufrecht: Sie verfügen über eine NEMA 4/4X-Dichtung, die ordnungsgemäß installiert ist, um sicherzustellen, dass sie für die Reinigung oder korrosive Bedingungen geeignet sind.
• Nachteile:
  • Hohe Anschaffungskosten: Dies ist kurzfristig gesehen die teuerste Lösung.
  • Hohe Betriebskosten: Ein kompressorbasiertes System hat einen hohen Energieverbrauch.
  • Wartung: Die Filter müssen häufig gereinigt werden; das Kompressor-/Kältemittelsystem hat eine begrenzte Lebensdauer und ist teuer in der Wartung.

  Am besten geeignet für: Die internen Wärmelasten sind hoch, die Umgebungstemperaturen sind immer höher als die angestrebte interne Temperatur, und Sie müssen NEMA 4/4X (abwaschbar/korrosiv) verwenden.

Methode 2: Luft-Luft-Wärmetauscher

Ein Wärmetauscher ist ein ausgeklügelter, geschlossener Kreislauf, der als Wärmetrenner dient. Er nutzt den Temperaturunterschied zwischen der Innen- und der Außenluft und lässt nicht zu, dass sich die beiden Luftströme vermischen.

Wie sie funktionieren: Er nutzt zwei verschiedene Lüfterkreise. Die heiße Innenluft wird von einem Kreislauf an einem Wärmeübertragungskern (in der Regel eine Reihe von Platten oder Röhren) vorbeigeführt. Der andere Kreislauf saugt Umgebungsluft an, die auf der anderen Seite des Kerns kühler ist. Die heiße Innenluft wird zum Heizen gebracht, und die kühlere Umgebungsluft wird durch diesen Prozess in den Schrank geleitet.

• Vorteile:
  • Hält die Versiegelung aufrecht: Eine echte Closed-Loop-Lösung, die die NEMA 4/4X-Einstufungen beibehält.
  • Niedrige Betriebskosten: Es ist viel energiesparender als eine Klimaanlage, da es nur zwei kleine Ventilatoren hat.
  • Geringer Wartungsaufwand: Kältemittelfrei, kompressorfrei, filterlos (innen versiegelt).
• Nachteile:
  • Umgebungsabhängig: Es ist nicht in der Lage, in der Umgebung auf eine niedrigere Temperatur als die der Außenwelt abzukühlen. Er braucht einen günstigen Temperaturunterschied, um zu arbeiten.
  • Geringere Kapazität: Nicht geeignet bei sehr hohen Wärmebelastungen.

    Am besten geeignet für: NEMA 4/4X-Bedingungen, bei denen die Umgebungsluft eine niedrigere Temperatur hat als die gewünschte Innentemperatur, und bei denen es wichtig ist, Staub oder Wasser fernzuhalten.

Methode 3: Filterlüfter und erzwungene Konvektion

Dies ist der am weitesten verbreitete und falsch verstandene Ansatz. A Filterlüfter ist ein offener Kreislauf, der die erzwungene Konvektion nutzt - er verwendet die Umgebungsluft als Kühlmittel.

Wie sie funktionieren: An der Unterseite des Gehäuses ist ein Ventilator (in der Regel mit Filter) angebracht, der frischere Luft aus der Umgebung ansaugt. Dadurch entsteht ein Überdruck, und die nach oben aufsteigende warme Luft wird über eine (ebenfalls gefilterte) Abluftöffnung nach außen geleitet.

• Vorteile:
  • Äußerst geringe Kosten: Sowohl die Anschaffungs- als auch die Betriebskosten sind wesentlich niedriger als bei Klimaanlagen oder Wärmetauschern.
  • Sehr energieeffizient: Läuft mit einem Ventilator mit geringer Wattzahl.
  • Einfach und zuverlässig: Der Einbau ist einfach, und es muss lediglich die Filtermatte ausgetauscht werden.
• Nachteile:
  • Open-Loop: Es führt Umgebungsluft ein und ist daher für NEMA 4/4X nicht geeignet.
  • Umgebungsabhängig: Er ist einem Wärmetauscher ähnlich und kann nur bis in die Nähe der Umgebungstemperatur kühlen. Unter die Umgebungstemperatur kann er nicht kühlen.
  • Erfordert saubere Luft: In einer stark staubigen oder öligen Umgebung sind die Filter schnell verstopft und müssen aufwendig gereinigt werden.

  Am besten geeignet für: NEMA 1, 12 oder 3R-Bedingungen, wenn die Umgebungsluft relativ sauber ist und eine Temperatur aufweist, die deutlich unter der gewünschten Innentemperatur liegt.

Methode 4: Andere Lösungen

Für besondere Fälle gibt es weitere Technologien:

• Thermoelektrische (Peltier-)Kühler: Dabei handelt es sich um Festkörperkühler mit geschlossenem Kreislauf, die den Peltier-Effekt zum Wärmeaustausch nutzen. Sie sind zuverlässig, enthalten keine beweglichen Teile (nur einige kleine Lüfter) und können sehr genau sein. Sie sind jedoch kostspielig und haben einen geringeren Wirkungsgrad und eignen sich daher nur für kleine Gehäuse oder zur punktuellen Kühlung wichtiger Elemente.
• Vortex-Kühler: Es handelt sich um Kühler, die mit einem Druckluftstrom arbeiten und die Luft in Rotation versetzen, um sie in heiße und kühle Luftströme aufzuteilen. Die kühle Luft wird in die Kammer gepresst. Sie bieten eine sofortige, intensive Kühlung und können unter extremen Bedingungen (hohe Temperaturen, Verschmutzung) eingesetzt werden, sind jedoch äußerst ineffizient (laut) und sehr teuer, da sie große Mengen an Druckluft verbrauchen.
• Gehäuseheizungen: Es gibt Fälle, in denen nicht die Hitze das Problem ist, sondern die Kälte. Eine niedrige Temperatur kann auch zu einem Kurzschluss durch Kondensation (Feuchtigkeit) an den Bauteilen im Freien oder in nicht klimatisierten Räumen führen. Eine kleine Heizung, in der Regel in Verbindung mit einem Thermostat oder Hygrostat, sorgt dafür, dass die Temperatur nicht unter den Taupunkt fällt.

Die kluge Wahl: Warum ein Ventilator oft die richtige Methode ist

Wenn man sich erst einmal all die Hightech-Lösungen für geschlossene Kreisläufe angesehen hat, kann man die Lösung überkonstruieren. Aber sehen wir uns die Daten an.

Die Umgebungsluft in einem typischen Innenraum, z. B. in einem Kontrollraum, in einer Fabrikhalle (nicht in einem Waschraum) oder in einem IT-Schrank, wird auf angenehme 20-25 °C (68-77°F) klimatisiert.

Sehen Sie sich nun die Nennwerte Ihrer Komponenten an. Die sichere Betriebstemperatur eines typischen VFD oder PLC ist 50 °C (122°F) oder sogar 60 °C (140°F). Um sicher zu gehen und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, sollte die Innentemperatur im Schrank bei 35-40 °C (95-104°F) liegen.

Dies bedeutet, dass Ihre Umgebungsluft einen festen Temperaturunterschied von 10-15 °C zwischen Ihrer Zieltemperatur und der Umgebungsluft aufweist.

In einem solchen Fall ist es gigantisch, Tausende von Dollar für eine Klimaanlage auszugeben (Methode 1), um aus Ihrem Schrank einen Kühlschrank zu machen. Sie müssten die Luft im Raum nicht erwärmen, sondern nur die heiße Luft abpumpen und die kühle Umgebungsluft zur Verfügung stellen.

Deshalb ist entweder ein einfacher Filterlüfter (Methode 3) oft die intelligenteste technische Entscheidung. Er ist nicht nur die billigste, sondern auch die kosteneffizienteste und energieeffizienteste Lösung. Er bietet genau die Leistung, die für die Anwendung erforderlich ist, und das bei möglichst geringen Gesamtbetriebskosten (TCO).

Wie ACDCFAN Ihre Herausforderungen in Bezug auf Größe und Hotspots löst

Dennoch ist es nur eine Sache, daraus zu schließen, dass ein Ventilator der richtige Weg ist. Es geht nicht nur um den Gesamtluftstrom (CFM), sondern auch um die Verteilung dieser Luft und ihre zuverlässige Bewegung. Ein Ventilator, der viel kostet, aber von schlechter Qualität ist und nach sechs Monaten nicht mehr funktioniert, ist keine Lösung.

Hier hat ein Spezialist für Ventilatoren wie ACDCFAN den entscheidenden Vorteil.

• Verlässlichkeit, auf die Sie bauen können: Immerhin ist ein Ventilator ein mechanisches Gerät. Sein schlechtester Aspekt ist sein Lager. Deshalb sind unsere Ventilatoren mit hochpräzisen Doppelkugellagern ausgestattet und haben eine Lebensdauer von über 70.000 Stunden. Es geht nicht nur um den Kauf eines Luftstroms, sondern um jahrelange, konstante Betriebszeit ohne Unterbrechung.
• Intelligente Kühlung auf Abruf: Warum sollte ein Ventilator rund um die Uhr mit 100 MW laufen? Das ist Energieverschwendung und unnötiger Lärm. Unsere High-Tech EC-Ventilatoren (Electronically Commutated) sind mit einer intelligenten PWM-Drehzahlregelung (Pulse Width Modulation) ausgestattet. Sie sind mit Ihrem Systemthermostat verbunden, um intelligente Kühlung nach Bedarf zu bieten: Sie laufen leise mit niedriger Drehzahl, wenn die Last gering ist, und erhöhen ihre Leistung nur, wenn Ihre VFDs volle Leistung benötigen. Dies ist die effizienteste und leiseste Methode der Wärmeregelung.
• Ventilatoren unter extremen Bedingungen: Glauben Sie, dass ein Ventilator zu klein ist, um mit einem NEMA 3R Außenschrank oder einem feuchten Verarbeitungsboden zu arbeiten? Denken Sie anders. Die IP68-zertifizierten Ventilatoren sind vollständig gekapselt und können nicht über einen längeren Zeitraum in Wasser eingetaucht werden; daher arbeiten sie in großen Höhen oder in Bereichen mit hoher Luftfeuchtigkeit mit optimaler Leistung.
• Der richtige Ventilator für Sie: Wir haben alle Lösungen für jede Anforderung: einen kleinen AC-Lüfter oder ein großes DC-Gebläse mit hohem statischem Druck oder einen intelligenten EC-Lüfter mit niedrigem Energiebedarf (alle zertifiziert nach ISO-, CE-, UL- und TÜV-Normen). Im Falle eines speziellen OEM-Bedarfs können wir innerhalb von 10 Tagen eine Rohfassung einer speziell zugeschnittenen Lösung liefern.

Eine Schnellvergleichs-Tabelle für alle Methoden

Um Ihnen bei der endgültigen Auswahl zu helfen, können Sie in dieser Tabelle die wichtigsten Kompromisse der einzelnen Temperaturregelungsmethoden für Schaltschränke vergleichen.

Schlussfolgerung

Die Wahl der richtigen Methode zur Regelung der Raumtemperatur ist ein Balanceakt. Sie erfordert eine ehrliche Bewertung Ihrer Umgebung, eine sorgfältige Berechnung Ihrer Wärmelast und einen klaren Blick auf Ihr Budget - nicht nur für die Erstanschaffung, sondern für die gesamte Lebensdauer des Systems.

Ein leistungsfähiges Klimagerät hat seine Berechtigung, aber in überraschend vielen Fällen ist es eine teure und ineffiziente Lösung für ein Problem, das mit einem intelligenten Luftstrom gelöst werden kann.

Bevor Sie sich für ein kostspieliges System mit geschlossenem Regelkreis entscheiden, sollten Sie Ihre $\Delta T$ überprüfen. Analysieren Sie Ihre Luftqualität. Sie werden oft feststellen, dass eine einfachere, zuverlässigere und weitaus energieeffizientere Lösung mit Zwangsumwälzung die bessere finanzielle und technische Wahl ist.

Die Wahl der richtigen Methode kann komplex sein, aber Sie müssen sie nicht alleine treffen. Wenn Sie auf der Suche nach einer zuverlässigen, effizienten und langlebigen Lüfterlösung zum Schutz Ihrer kritischen Anlagen sind, wenden Sie sich noch heute an die Wärmemanagement-Experten von ACDCFAN. Wir helfen Ihnen, Ihre Anforderungen zu analysieren und die perfekte Lösung zu finden.