Kontrola temperatury w szafie sterowniczej – chłodzenie, ogrzewanie i dobór odpowiednich rozwiązań

W niniejszym artykule zajmiemy się niezwykle ważnym, a jednoczenie często marginalizowanym zagadnieniem jakim jest kontrola temperatury w szafie sterowniczej. Jest to temat bardzo istotny, a każdemu Automatykowi prędzej czy później przyjdzie się z nim zmierzyć.

W kontekście zarządzania temperaturą, najczęściej spotykamy dwie sytuacje:

- zbyt wysoka temperatura w szafie sterowniczej,

- zbyt niska temperatura i związane z nią zjawisko kondensacji wilgoci,

 

Zacznijmy od określenia optymalnej temperatury w szafie sterowniczej. Przyjmuje się , że optymalna temperatura powinna mieścić się w zakresie od +5°C do +40°C, choć niektóre źródła podają temperaturę +35°C. Obniżanie temperatury poniżej +5°C może prowadzić do powstania zjawiska kondensacji. Jeszcze bardziej niebezpiecznym zjawiskiem dla elektroniki występującej w szafach sterowniczych jest zbyt wysoka temperatura.

 

Dobór systemu chłodzenia

Standardowy układ chłodzenia w szafie sterowniczej składa się z termostatu ze stykiem NO, wentylatora oraz kratki z filtrem. W sprzedaży występują różne rozmiary kratek i wentylatorów. Wentylatory zasilane są napięciem 230V AC (standard) lub 24V DC. Najważniejszym parametrem doboru wentylatora jest wydajność  powietrza, czyli ilość powietrza przepływająca przez powierzchnię filtra w jednostce czasu. Wentylatory najczęściej montuje się w dolnej części rozdzielnicy (bok lub drzwi), natomiast kratki w jej górnej części – w tej sytuacji wentylator zaciąga chłodne powietrze z zewnątrz i wtłacza je do wnętrza szafy. Ciepłe powietrze z szafy, na zasadzie konwekcji wraca na zewnątrz przez kratkę z filtrem umieszczoną w górnej części szafy. Rzadziej spotykamy sytuację odwrotną, gdzie wentylator montowany jest w górnej części rozdzielnicy, a kratka z filtrem w jej dolnej części. W tym rozwiązaniu chłodne powietrze zaciągane jest przez kratkę, a ciepłe powietrze jest wyciągane na zewnątrz przez wentylator. Stosując tę metodę trzeba pamiętać o ”obróceniu” wentylatora przed montażem. Wytwarzane w ten sposób podciśnienie w szafie może powodować również zaciąganie przez kratkę zanieczyszczeń z otoczenia, co przekłada się na częstsze wymiany maty filtrującej. Warunkiem stosowania wentylatorów w obu przypadkach jest istnienie  różnicy temperatur między wnętrzem szafy a jej otoczeniem zewnętrznym.

Klimatyzatory

Drugim sposobem, zyskującym popularność, ale niestety bardzo kosztownym są klimatyzatory. Zastosowanie klimatyzatora, pod warunkiem, że zostanie odpowiednio dobrany rozwiązuje skutecznie problem chłodzenia w szafie. Dodatkową zaletą klimatyzatorów jest to, że osuszają powietrze wewnątrz rozdzielnicy. Klimatyzatory produkuje wiele firm np. Schneider Electric, Rittal czy COSMOTEC. Ogólnie nic nie stoi na przeszkodzie aby np. klimatyzatory Schneidera montować na szafach Rittala i odwrotnie (pod warunkiem dobrania odpowiednich gabarytów), natomiast polecamy stosowanie szaf i klimatyzatorów tego samego producenta. Jest to szczególnie istotne w przypadku klimatyzatorów dużej mocy. Należy pamiętać, że klimatyzator wymaga odpowiedniej eksploatacji i opieki serwisowej.

Dobór systemu grzania

System ogrzewania szafy sterowniczej składa się z termostatu ze stykiem NC oraz grzałki . Standardowo grzałki zasilane są  z  230V AC. Szafy ogrzewamy w celu uniknięcia zjawiska kondensacji. Kondensacja występuje gdy powietrze styka się  z komponentami mającymi temperaturę poniżej punktu rosy. Temperatura punktu rosy zależy od temperatury powietrza i od wilgotności powietrza w pomieszczeniu. Skutkiem tego zjawiska może być też szybsze utlenianie się styków i korozja elementów metalowych. Projektując rozdzielnicę, w której będzie zastosowana grzałka należy uwzględnić odpowiedni zapas miejsca wynikający z dokumentacji urządzenia.

Dobór systemu kontroli temperatury

Opisane wyżej zagadnienia spróbujmy opisać w sposób ilościowy. Można tego dokonać wykonując obliczenia, można też skorzystać z dedykowanych programów , jednym z nich jest Pro Clima. Oprogramowanie to znajdziemy na stronie  Schneider Electric. Jest to darmowy soft, wymaga jedynie zarejestrowania się. Działania wykonujemy poprzez przeglądarkę internetową.

Przyjmijmy , że chcemy dobrać system sterowania temperaturą dla szafy sterowniczej o wymiarach 2000x800x600 wykonanej z blachy malowanej proszkowo. Szafa będzie umiejscowiona na hali produkcyjnej, w której mogą występować temperatury w zakresie 20-30°C .  Wilgotność względna wynosi 60%. W szafie będzie zamontowany wyłącznik główny 125A, 2 falowniki 3 –fazowe o mocy 3KW, 2 falowniki 3-fazowe o mocy 5,5kW oraz zabezpieczania tych falowników.

Dane wejściowe wprowadzamy w 4 zakładkach: Dane projektu, Obudowa, temperatura, moc rozproszona

 

W zakładce Obudowa wybieramy rodzaj ustawienia naszej rozdzielnicy, materiał oraz wymiary. Pewnym ułatwieniem jest możliwość skorzystania z wbudowanego katalogu rozdzielnic Schneider Electric

 

 

Po dodaniu obudowy przechodzimy do zakładki Temperatura, wybieramy interesujące nas wartości, jest też możliwość dodania danych z rejestratora.

 

 

Jeśli mamy uzupełnione dane, przechodzimy do zakładki Moc rozproszona.

Informacje o mocy możemy wprowadzić na 3 sposoby:

- znamy moc rozproszoną i po prostu wpisujemy jej wartość

- wybieramy komponenty, które mamy zainstalowane w szafie i na tej podstawie program obliczy przybliżoną moc rozproszoną

-  moc uzyskana z temperatur (tylko dla istniejących instalacji, bez systemów chłodzenia) – możemy wprowadzić dane np. z rejestratorów.

W naszym przykładzie posłużymy się opcją Moc z listy, dodamy do projektu falowniki i wyłączniki zgodnie z założeniami.

 

 

 

Propozycję odpowiedniego rozwiązania termicznego znajdziemy w zakładce Rozwiązanie termiczne:

 

 

Jak widać program dopuszcza zastosowanie wentylatorów, klimatyzatora oraz wymienników powietrze- woda. Zdecydowanie najtańszą opcją będzie wybór wentylatora w wykonaniu standardowym.

 

 

 

W rezultacie naszych działań program dobiera nr katalogowe kratki, wentylatora i termostatu

 

 

 

Na koniec symulacji mamy możliwość wygenerowania eksportu danych w różnych formatach (Excel, Word, PDF) oraz raportu końcowego.

Podsumowanie

Świadome zarządzanie temperaturą w szafach sterowniczych automatyki ma duży wpływ na trwałość zainstalowanych w niej komponentów. Wykorzystanie dostępnych narzędzi jak np. oprogramowanie ProClima znacząco przyspiesza proces projektowania rozdzielnicy. Jak widać na wyżej przedstawionym przykładzie program oblicza niezbędne wartości nawet na podstawie małej ilości danych i proponuje Użytkownikowi różne warianty rozwiązania danego zadania. Znaczącym ułatwieniem jest również pomoc programu w doborze urządzeń, a projektant ma możliwość ich dopasowania pod względem cenowym.