Thermische Optimierung

Klimamanagement im Schaltschrank mit Lütze

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Die freie Luftzirkulation in Schaltschränken wird sehr oft durch eine hohe Packungsdichte sowie die Kabelkanäle der Montagetafel verhindert. Die dadurch verursachten Wärmeprobleme lassen sich durch das kanallose Airstream-Verdrahtungssystem verhindern. Es setzt auf einen ganzheitlichen Ansatz und ermöglicht über Simulationen schon während der Projektierung eine thermische Optimierung.

Michael Bautz, Produktmanager Cabinet bei der Friedrich Lütze GmbH in Weinstadt

Inhaltsverzeichnis

1. Intensive Forschungsarbeit
2. Konkretes Beispiel aus der Automobilindustrie
3. Planung und Simulation

 

Immer wieder kommt es in Fertigungsanlagen in der Industrie zu teuren Stillstandzeiten. Ein Grund hierfür sind Komponenten, die durch zu hohe Temperaturbelastungen ausfallen oder gar zerstört werden. Dabei spielen viele Faktoren eine Rolle, unter anderem die Packungsdichte oder die Platzierung der Komponenten – speziell jener die temperaturempfindlich sind – sowie natürlich auch die richtige Klimatisierung des Schaltschrankes. Um diese thermisch bedingten Stillstandzeiten zu verhindern, müssen bereits am Beginn der Planungen alle wichtigen Punkte zu den technischen und örtlichen Gegebenheiten detailliert erfasst und ausgewertet werden. Dazu gehören unter anderem folgende Informationen:

  • Aufstellort der Anlage und gegebenenfalls vorherrschende höhere Umgebungstemperaturen
  • Ausfallzeiten von Bestandsanlagen und Bauteilen
  • Einsatz von Bauteilen
  • Allgemeine örtliche Gegebenheiten, Platzbedarf der Anlage
  • Anforderungen hinsichtlich der Energiekostenreduktion

Bereits in den frühen 1970er Jahren beschäftigte sich der Erfinder Friedrich Lütze mit der Herausforderung, Anwendern im Schaltschrank eine besonders platzsparende Lösung zur Verdrahtung der Komponenten anzubieten. Das dabei geschaffene kanallose Verdrahtungssystem entwickelte sich im Laufe der Jahre stetig weiter, beispielsweise in der Tiefe durch die Drahtführung über Bügel oder über abgerundete Steg-Profile, die eine besonders große Steifigkeit und Stabilität aufweisen. Und auch in jüngster Vergangenheit wurden viele mechanische Komponenten des Lütze-Systems noch weiterentwickelt: Beispielsweise verfügen verschiedene Befestigungskomponenten wie Rangierstege nun über eine verbesserte Stabilität und es werden neue Kammsegmente zur einfacheren Verdrahtung bereitgestellt.

Intensive Forschungsarbeit

Das aktuell verfügbare Airstream-Gesamtsystem beinhaltet darüber hinaus nicht nur die erwähnten mechanischen Weiterentwicklungen, sondern auch Ergebnisse intensiver Forschungsarbeit, welche Lütze gemeinsam mit dem Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik an der Universität Stuttgart betrieb und weiterhin betreibt. Dabei wurden bei Forschungsprojekten zum Thema „Thermisches Verhalten im Schaltschrank“ zahlreiche Erkenntnisse aus Theorie und Praxis zusammengeführt und so neue Ideen für ein optimiertes und ausgeglichenes Schaltschrankklima umgesetzt.

Aus diesen Projekten entstand beispielsweise die Airblower-Lüftereinheit, welche im Zusammenspiel mit den Airblade-Luftleitblechen für ein homogenisiertes Klima im Schaltschrank sorgt und die Gefahr von Hot Spots verringert. Auch das online frei zugängliche Berechnungstool Airtemp, welches deutlich mehr Informationen über das thermische Verhalten im Schrank zur Verfügung stellen kann als herkömmliche Anwendungen, resultiert aus dieser intensiv betriebenen Forschung. Somit steht mittlerweile ein Komplettsystem zur Verfügung, welches, beginnend mit dem Thema Platzersparnis, der modularen Bauweise und der Verdrahtungsfreundlichkeit über eine Erhöhung der Lebenszeit der Bauteile bis hin zu einem nachhaltigen Klimamanagement durch den Einsatz des Airblowers, erstmals eine ganzheitliche Betrachtung des Schaltschrankes möglich macht.

Konkretes Beispiel aus der Automobilindustrie

Die KLN Ultraschall AG mit Sitz in Heppenheim in Südhessen, gehört zu der international tätigen Crest Ultrasonics Corp. und ist ein Spezialist für Planung und Bau von Anlagen im Bereich der Kunststoffverbindungstechnik – hauptsächlich für Endkunden aus der Automobilindustrie. KLN konzentriert sich dabei auf die fünf Hauptverfahren Ultraschallschweißen, Vibrationsschweißen, Heizelementschweißen, Rotationsschweißen sowie thermische Verfahren. Für die Lieferung einer Ultraschallschweißanlage für die Herstellung von Kraftstoffbehältern für PKW sollten dabei nach Vorgabe des Endkunden aus Wolfsburg die Schaltschränke mit dem Verdrahtungssystem Airstream von Lütze aufgebaut werden.

Zum Systemgedanken gehört die ausführliche Beratung mit dem Ziel eines optimierten Schaltschrankklimas. Somit sind auch Anwender mit wenig Airstream-Erfahrung von Anfang an in der Lage, alle thermischen Vorteile des Systems voll auszuschöpfen. Im konkreten Fall wurde KLN schon sehr früh bei der Schaltschrankplanung unterstützt: Unter den Gesichtspunkten der Funktionalität aber auch der Wärmeentwicklung sollten insbesondere Komponenten mit großer Verlustwärme so platziert werden, dass eine gegenseitige Erwärmung der Bauteile möglichst vermieden wird. Durch den Wegfall der Kabelkanäle verfügt das Schaltschrankverdrahtungssystem Airstream zudem über ein Raumgewinnpotential von rund 30 % gegenüber der herkömmlichen Montagetafel. Dies schafft Spielraum beim Schaltschrankaufbau hinsichtlich der thermisch optimierten Platzierung der Bauteile. Im konkreten Fall musste außerdem die Höhe der Schaltschränke aufgrund der baulichen Gegebenheiten vor Ort von 2000 mm auf 1800 mm verringert werden, was durch den Wegfall der Kabelkanäle ebenfalls kein Problem darstellte.

Planung und Simulation

Die Planung der Verdrahtungsrahmen erfolgte mit dem online verfügbaren Airstream-Konfigurator. Dieser beinhaltet alle für den Rahmenaufbau notwendigen Standardkomponenten, was eine schnelle Umsetzung der Zeichnung ermöglichte. Danach wurden für die insgesamt sechs Schaltschränke mithilfe von Airtemp die zu erwartenden Innentemperaturen ermittelt. Aufgrund der vom Endkunden vorgegebenen hohen Umgebungstemperatur von bis zu 45 °C war schnell klar, dass die Verwendung von Klimageräten unumgänglich sein würde. Zur optimalen Abführung von Verlustwärme über das Schaltschrankgehäuse wurde jedoch zusätzlich in jedem Schrank ein Airblower-Lüfter eingeplant. Das Airstream-System verfügt konstruktionsbedingt auf der Vorderseite über eine Komponentenebene und auf der Rückseite über eine Verdrahtungsebene. Der Lüfter wird möglichst weit oben im Rahmen auf der Rückseite montiert. Mit einem Luftvolumen von mehr als 500 m³/h drückt er die warme Luft nach unten, anschließend steigt diese auf der Vorderseite wieder nach oben. Dabei wird über die Wände des Schaltschrankes permanent Wärme nach außen abgegeben. Innerhalb weniger Minuten entsteht so ein homogenes Schaltschrankklima und Wärmenester werden aufgelöst. In den Schaltschränken der Schweißanlage wird darüber hinaus mit Airblade-Luftleitblechen punktuell Luft aus dem Luftstrom von hinten nach vorne gebracht, um so die Temperatur an Geräten mit hoher Wärmeentwicklung zusätzlich zu reduzieren. Durch den Einsatz des Airstream-Systems konnte so Anzahl und Leistung der Klimageräte auf ein Minimum reduziert werden. Der Airblower selbst verfügt dabei nur über eine geringe Verlustleistung von 15 W. Nach der Installation und Inbetriebnahme der Anlage beim Endkunden, wird im nächsten Schritt das Monitoring der Schaltschranktemperaturen unter Einbeziehung der Laufzeiten von Klimageräten und Airblower umgesetzt, um so Erfahrungen für weitere Optimierungen zu sammeln. ik

www.luetze.de

Weitere Informationen zur Schaltschrankkühlung mit Airstream:

hier.pro/em5bY

Hannover Messe: Halle 9, Stand D54

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