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Schaltschrank
15. Oktober 2018, 9:00 Uhr | Nach Unterlagen von Rittal
Komponenten in Steuerungs- und Schaltschränken geben Verluste in Form von Wärme ab. Um die Komponenten vor zu hohen Temperaturen zu schützen, muss die Wärme effizient aus dem Schaltschrank abgeführt werden. Doch nicht immer ist eine aktive Kühlung notwendig.
Herkömmlich sind die in einem Schaltschrank verbauten Komponenten für eine maximale Betriebstemperatur von +50°C ausgelegt. Wie lange diese Komponenten eingesetzt werden können, hängt aber stark von der Temperatur ab: Eine um 10K niedrigere Temperatur verdoppelt die Lebensdauer. Als optimaler Kompromiss zwischen der Lebensdauer der Komponenten und dem Aufwand für die Schaltschrank-Klimatisierung gilt daher eine Temperatur von +35°C im Inneren des Schaltschranks.
Um Verlustleistung in Form von Wärme aus dem Schaltschrank abzuleiten, gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: Der Einsatz eines Kühlmediums (Luft oder Kühlwasser), das die Wärme aus dem Schaltschrank transportiert, oder die Übertragung der Wärme mittels Konvektion über die Oberfläche des Schaltschranks. Bei der ersten Möglichkeit – der aktiven Kühlung – sind zusätzliche Geräte notwendig. Dies sind beispielsweise Filterlüfter, Kühlgeräte oder Luft-Wasser-Wärmetauscher. Bei der passiven Entwärmung erfolgt der Wärmetransport ausschließlich über die Wände des Schaltschranks.
Die Vorteile dieser Lösung liegen auf der Hand: Die Kosten sind niedriger, da keine zusätzlichen Geräte benötigt werden. Gleichzeitig spart der Anwender auch noch im Betrieb – sowohl bei den Energie- als auch bei den Wartungskosten. Da keine zusätzlichen Öffnungen in den Schaltschrankwänden nötig sind, ist die Anlage besser vor Staub und Feuchtigkeit geschützt. Gleichzeitig ist ein komplett geschlossener Schaltschrank besser vor elektromagnetischer Strahlung geschützt. Auch eine Kondensatbildung, wie sie bei der aktiven Kühlung vorkommen kann, ist so ausgeschlossen. Und da sich bei gleichbleibender Verlustleistung eine konstante Temperatur im Schaltschrank einstellt, ist die Belastung der Komponenten durch Temperaturwechsel geringer als bei der aktiven Klimatisierung.
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Mehr Wärmetransport durch größere Flächen
Allerdings hat die passive Entwärmung auch physikalisch bedingte Grenzen. So funktioniert diese Methode umso besser, je niedriger die Umgebungstemperatur ist. Entscheidend für die Entwärmung sind außerdem der Wärmeübertragungskoeffizient des Materials und der effektiven Oberfläche des Schaltschranks. In der DINEN0660-600-1 Beiblatt2 / IECTR60890 ist angegeben, wie diese berechnet wird. Die effektive Oberfläche ist bei gegebener Schaltschrankgröße maximal, wenn der Schaltschrank einzeln und frei im Raum steht. Sie verringert sich,wenn mehrerer Schaltschränke aneinandergereiht sind, an den Wänden etwas angebaut ist oder wenn die Dachflächen abgedeckt sind. Sind die Verlustleistung der Komponenten im Schaltschrank und die Umgebungstemperatur gegeben, lässt sich die mittlere Temperatur im Inneren des Schaltschranks einfach berechnen (Bild1).
Liegt die berechnete Temperatur über der gewünschten Innentemperatur, ist nicht unbedingt eine aktive Kühlung notwendig. Nutzt man zum Beispiel einen etwas größeren Schaltschrank, kann dies ausreichen, um doch noch mit passiver Entwärmung auszukommen. Insbesondere bei kleinen Schaltschränken kann eine geringfügige Vergrößerung der Schrankoberfläche, die maximale Innentemperatur deutlich senken. Dies ist bei der Dimensionierung eines Steuerungs- und Schaltschranks mit geringer Wärmelast zu berücksichtigen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Komponenten mit besonders hoher Verlustleistung – etwa Bremswiderstände – außerhalb des Schaltschranks zu installieren. Mit geschickter Planung einer Steuerungs- und Schaltanlage lassen sich so Kosten für die Entwärmung effektiv sparen. Die Größe der Schaltschränke, deren Aufstellung und die Positionierung der Komponenten mit der größten Verlustleistung spielen dabei die entscheidende Rolle.
Das Gehäusematerial beeinflusst ebenso die Schaltschrank-Klimatisierung: Werden im Maschinenbau traditionell überwiegend Gehäuse aus lackiertem Stahlblech oder Edelstahl mit einem Wärmeübertragungskoeffizienten etwa 5,5W/(m²∙K) eingesetzt, so ändert sich dieser Wert durch die Konstruktion z.B. bei doppelwandigen oder isolierten Gehäusen für andere Branchen oder für Outdoor-Anwendungen.
Beispielrechnung
Welche Innentemperatur stellt sich bei einem freistehenden geschlossenen Gehäuse mit den Abmessungen 600mm × 2000mm × 600mm (B×H×T) mit einer Gesamtverlustleistung von 500W und einer Umgebungstemperatur von +25°C ein?
1) Berechnung der Schrankoberfläche nach DINVDE0660 Teil500 / IEC890:
2) Berechnung der Innentemperatur eines Schaltschranks bei einem Wärmeübertragungskoeffizienten k von 5,5W/(m²∙K) für Stahlblech:
In diesem Beispiel beträgt die Innentemperatur des Schaltschranks +43,9°C und liegt damit etwas über dem empfohlenen Bereich von +35°C bis +40°C. Somit ist der Schrank über eine aktive Klimatisierung zu entwärmen. Deren Nachteile lassen sich vermeiden, wenn ein etwas größerer Schrank gewählt wird: Hätte dieser die Abmessungen 1000mm × 2000mm × 600mm, ergibt sich unter identischen Aufstellungs- und Umgebungsbedingungen eine effektive Schrankoberfläche von 6,60m² und damit eine maximale Schaltschrank-Innentemperatur von +38,8°C. Nun liegt der Wert innerhalb des empfohlenen Temperaturbereichs. Damit wäre eine kostengünstige, rein passive Entwärmung über die Schrankoberflächen möglich.
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