Nie ma wątpliwości co do tego, że nowoczesna elektronika, w tym urządzenia odpowiedzialne za sterowanie, wymagają odpowiedniego chłodzenia. Od jego skuteczności zależy bezpieczeństwo procesów, maszyn i niejednokrotnie ludzi.
Wentylatory
Wentylatory instaluje się na ścianie szafy lub na jej dachu. Urządzenia tego typu wymagają względnie czystego powietrza otoczenia o temperaturze niższej niż ta, która jest oczekiwana wewnątrz szafy sterowniczej. Wentylatory mają za zadanie usuwanie rozproszonego ciepła z wnętrza obudowy. Chłodniejsze powietrze znajdujące się na zewnątrz szafy jest poddawane procesowi filtracji. W następnym etapie powietrze zostaje wtłoczone do dolnej części obudowy. Z kolei za pomocą kratki wentylacyjnej ciepłe powietrze wydostaje się na zewnątrz szafy. Ze względu na to, że ciśnienie wewnątrz szafy jest dodatnie, nie dostają się przez nieszczelności do wnętrza obudowy pyły i drobinki kurzu. Oferowane na rynku wentylatory to zazwyczaj urządzenia nadmuchowe. Jednak nabyć można modele w wersji wyciągowej. W większości urządzeń przewidziano zmianę trybu pracy, która jest regulowana za pomocą termostatu lub higrotermostatu.
Odpowiedni wentylator można dobrać do aplikacji, które pracują w wyjątkowo trudnych warunkach środowiskowych. Stąd też warto zwrócić uwagę na modele o stopniu ochrony IP 55. Urządzenia tego typu są również odporne na działanie promieni UV. Istotną rolę w niektórych modelach odgrywa specjalna pokrywa, która umożliwia pracę na zewnątrz pomieszczeń. Opcjonalnie można zastosować osłonę ze stali nierdzewnej. Interesujące rozwiązanie stanowią modele, które powstały z myślą o wymaganiach względem kompatybilności elektromagnetycznej. W niektórych urządzeniach przewidziano specjalne sprężynki pełniące rolę styków do kontaktu z wycięciem w panelu. Konstrukcje nowoczesnych wentylatorów zapewniają szybki montaż bez śrub. Ważny jest także płytki profil. W niektórych wersjach przewidziano montaż na zatrzaski. Na uwagę zasługuje również duża powierzchnia filtrująca.
Wentylatory są dobierane w zależności od obciążenia ciepła i wielkości obudowy. O skutecznym działaniu wentylatora decyduje odprowadzenie określonych strat mocy, przy utrzymywaniu oczekiwanej maksymalnej temperatury we wnętrzu obudowy. To właśnie te parametry określają niezbędny strumień przepływu powietrza. Firma Depro na swojej stronie internetowej podaje, jak prawidłowo wybrać wentylator filtrujący. Stąd też wymagana wielkość przepływu powietrza dla wentylatora filtrującego jest zależna od całkowitej ilości ciepła wytwarzanego w szafie oraz różnicy temperatur ΔT, występującej pomiędzy bezpiecznym wnętrzem szafy a środowiskiem na zewnątrz niej. Uwzględnia się przy tym następujący wzór:
V(m³/h) = [3,1 x P(W)]/ΔT(K),
gdzie:
V – wymagany przepływ powietrza (m³/h),
P – straty ciepła w watach (W),
ΔT – różnica temperatur wewnątrz i poza szafą w kelwinach (K),
3,1 – stała wartość numeryczna dotycząca parametrów związanych z powietrzem.
Klimatyzatory
Oferowane na rynku klimatyzatory do szaf sterowniczych, oprócz parametrów związanych z wydajnością, różnią się między sobą sposobem zabudowy. Stąd też w przypadku chłodziarek naściennych ważne jest określenie wycięcia zależnego od montażu, który może bazować na dobudowaniu, wbudowaniu lub częściowym wbudowaniu. Dzięki odpowiedniej konstrukcji klimatyzatorów podzespoły, ich rozmieszczenie i dzielone wnętrze ułatwia prace konserwacyjne i serwisowe. Na uwagę zasługuje również duża odległość pomiędzy wlotem a wylotem powietrza w obwodzie wewnętrznym, co zapewnia dużą skuteczność chłodzenia. Dodatkowo pomiędzy klimatyzatorem a kontrolerem można uwzględnić wymianę danych za pomocą interfejsu komunikacyjnego RS-232, RS-485 lub RS-422.
Nowoczesne chłodziarki do zabudowy dachowej cechują się tylko trzema wycięciami montażowymi. Powietrze ogrzane jest odsysane centralnie. Wypływ powietrza może odbywać się w czterech rogach. Opcjonalnie można zastosować regulację za pomocą mikrokontrolera z cyfrowym wskaźnikiem temperatury i wolnym potencjałowym zestykiem informującym o usterce. Istotną rolę odgrywają ostrzeżenia przed kondensatem. Zastosować można również pompę i parownik kondensatu.
Klimatyzatory Protherm z oferty firmy Astat zaprojektowano z myślą o montażu na ścianach/drzwiach obudów sprzętu elektronicznego. Klimatyzatory tej serii można nabyć w zakresie mocy od 330 W do 4000 W. Na uwagę zasługuje kilka opcji zasilania nie tylko dla 50 Hz, ale również przy uwzględnieniu częstotliwości 60 Hz, zgodnie ze standardami CE, CSA oraz UL. Większość modeli wyposażono w rozpraszacz skroplin. W hermetycznej sprężarce przewidziano termiczne zabezpieczenie nadprądowe. Wymiana ciepła odbywa się poprzez skraplanie i parowanie. Do tego celu jest przeznaczony miedziany skraplacz rurkowy z aluminiowym parownikiem. Zarówno w wewnętrznych, jak i zewnętrznych wentylatorach przewidziano łożyska kulkowe z wewnętrznym zabezpieczeniem termicznym. Wewnętrzny mechaniczny termostat jest nastawiony na 35°C przy histerezie 4°C. Ramę poddano procesowi cynkowania.
Chłodzenie cieczą
W systemach chłodzenia szaf sterowniczych niejednokrotnie uwzględnia się rozwiązania bazujące na cieczy jako czynniku chłodzącym. Typowy system tego rodzaju składa się ze zbiornika, pompy oraz techniki regulacyjnej. W zakres modułu chłodzenia wchodzi natomiast sprężarka, skraplacz i parownik. W przypadku cieczy chłodniczej pojemność cieplna przypadająca na jednostkę objętości jest większa w porównaniu z powietrzem. W niektórych rozwiązaniach przewidziano obejście wodne, które zabezpiecza pompę przy blokowaniu odbiornika wody. Istotną rolę w systemie odgrywają czujniki przepływu. Użytkownik ma możliwość ustawienia stałej wartości temperatury lub przełączenia na regulację według wartości referencyjnej. Agregaty chłodnicze są podłączane do obiegu chłodzenia wymienników ciepła powietrze–woda. Nie mniej ważne pozostają również regulatory przepływu i zawory. To właśnie one zapewniają szafom określoną ilość wody chłodzącej. Bezpieczeństwo gwarantują z kolei czujniki wycieków. Użytkownik za pomocą wyświetlacza jest informowany o usterkach. Dane w tym zakresie są również wysyłane do jednostek monitorujących. Są przy tym zamykane zawory magnetyczne. W nowoczesnych systemach chłodzenia cieczą przewidziano tylko jeden kompresor i jedną pompę, dzięki czemu zyskuje się mniejsze zapotrzebowanie na energię i niższe koszty konserwacji. Nowoczesne agregaty chłodzenia bazują na czynniku chłodniczym typu R410A o wysokim poziomie pojemności cieplnej.
Wybrane rozwiązania
W klimatyzatorach serii JET firmy BKT Elektronik o mocach chłodniczych do 3800 W przewidziano zwiększoną powierzchnię filtrowania oraz wyświetlacz w każdym modelu. Przydatne rozwiązanie stanowi funkcja zabezpieczająca i alarmowa regulatora. Specjalna siatka odpowiada za osuszanie nawiewanego powietrza. Opcjonalnie można zastosować filtr oraz łatwo demontowaną kratkę montażową. Klimatyzatory z tej serii łączą cechy wspólne, takie jak chociażby zastosowanie jednostki standardowej bez filtra oraz skraplacza przystosowanego do pracy bez filtra. Wspólny jest również poziom ochrony IP54 wewnętrznego obiegu oraz poziom ochrony IP34 dla obiegu zewnętrznego. Czynnikiem chłodzącym jest czynnik R134A. Do podnoszenia urządzenia przewidziano śruby oczkowe. Opcjonalnie można zastosować system „Click ‘n’ clean” pozwalający na łatwy montaż filtra i siatki. Producent oferuje filtr poliuretanowy lub aluminiowy. Przydać może się również zewnętrzny zbiornik na kondensat, elektryczny rozpraszacz skroplin, rama do instalacji wewnętrznej oraz deflektor do rozprowadzenia strumienia zimnego powietrza.
Liquid Cooling Package firmy Rittal to modułowy, dozbrajany i neutralny temperaturowo koncept chłodzenia. Maksymalna moc chłodzenia może wynosić 12 kW, przy trzech modułach chłodzenia na rack chłodniczy. Na moduł o wydajności powietrza 800 m3/h przypada około 4 kW mocy chłodniczej. Na uwagę zasługuje zoptymalizowane prowadzenie powietrza. Chłodne powietrze jest bowiem wdmuchiwane z boku, zapewniając równomierny jego rozdział przed poziomem E 19″. W zależności od wybranego wariantu można chłodzić 1 lub 2 racki serwera, przy możliwości ustawienia pojedynczego lub szeregowego. Opcjonalnie uwzględnia się regulację i monitoring racka chłodzonego poprzez Rittal CMC. Dwudzielne moduły pozwalają na łatwy montaż w wąskich ciągach.
Firma Pfannenberg oferuje między innymi wymienniki ciepła powietrze – woda (model WD 5000), przeznaczone do zamontowania na dachu. Urządzenie osiąga wydajność chłodzącą, która mieści się pomiędzy 2150 W a 3400 W. Maksymalne ciśnienie robocze wynosi 10 barów. Kluczową rolę odgrywa uszczelnienie powierzchni dla ochrony przeciwko wdarciu się wody przez dach szafy sterowniczej. Regulacja temperatury odbywa się poprzez zintegrowany termostat oraz zawór magnetyczny.
Panele wentylacyjne i dmuchawy kątowe Schroff z oferty firmy CSI Computer Systems for Industry są przeznaczone do montażu w szafach rackowych zgodnie z IEC 60297-3-101. Jest również możliwe, za pomocą dedykowanego zestawu montażowego, integrowanie w jedną całość z kasetami 19”. Prędkość obrotowa wentylatorów z podwójnymi łożyskami kulkowymi jest regulowana w zależności od warunków panujących w szafie. Są również dostępne wersje z ekranowaniem EMC. Czas MTBF paneli wentylacyjnych w temperaturze 40°C wynosi 40 000–60 000 godzin. Dmuchawa zasysa powietrze od przodu przez panel czołowy i tłoczy je do góry. Wysokość dmuchawy wynosi 2U lub 3U, a głębokość może osiągać 160 mm lub 220 mm. Prędkość obrotowa paneli wentylacyjnych 19” i dmuchaw jest regulowana w przedziale od 30% do 100% prędkości maksymalnej wentylatora. Tym sposobem zyskuje się zmniejszenie hałasu oraz wydłużenie trwałości urządzenia. Panele wentylacyjne mogą być wyposażone w 3, 6, 9, 12 wentylatorów zasilanych napięciem 230 VAC lub 115 VAC.
Autor: Damian Żabicki
