Kurzbeschreibung
Das Projekt "Energieeffizienzsteigerung in Schaltschränken" (EFFIS) wurde am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik im Auftrag der Friedrich Lütze GmbH durchgeführt. Ziel war es, die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der Friedrich Lütze GmbH im Rahmen der Innovationsallianz "Green Carbody Technologies" zu unterstützen.
Schaltschränke werden in modernen Produktionslinien zum Schutz elektronischer Bauteile eingesetzt. Durch die fortschreitende Miniaturisierung der Bauteile erhöht sich die Packungsdichte in Schaltschränken und die abgegebene Verlustleistung der elektronischen Komponenten steigt an. Dies führt zu hohen Lufttemperaturen innerhalb der Schaltschränke, die zu einer Überhitzung der Bauteile und somit einem Wärmetod führen können.
In der Regel wird deshalb eine zusätzliche aktive Kühlung in Form von Wärmeübertragern oder Kühlgeräten eingesetzt. Ressourcenknappheit sowie die damit verbundenen steigenden Energiekosten fordern jedoch ein Umdenken. Zur Steigerung der Energieeffizienz wurden Möglichkeiten gesucht, den direkten Abtransport der Wärme über Konvektion, Leitung und Strahlung zu maximieren. Die zur Verfügung gestellte Kaltluft sollte möglichst effizient zur Kühlung des Schaltschranks eingesetzt werden.
Labor-Teststand
Zur Erzeugung eines definierten stationären Betriebszustandes wird die Verlustleistung nicht über reale Bauteile sondern über Widerstandsheizer in den Schaltschrank eingebracht. Diese werden in unterschiedliche Leergehäuse eingebaut, um reale Bauteile zu imitieren. Der Vorteil gegenüber realen Bauteilen liegt darin, dass die Verlustleistung eindeutig bestimmt werden kann, da sie direkt von der am Widerstandsheizer anliegenden Spannung abhängt:
Somit kann der Betriebszustand eines Schaltschranks eindeutig charakterisiert und zur Verifizierung von CFD- Modellen eingesetzt werden.
Numerische Simulation
Im Rahmen des Projektes wurden verschiedene Betriebsweisen eines Schaltschranks in CFD- Modellen abgebildet.
Das Bild links zeigt den Betrieb eines Schaltschranks mit LSC-System (Alternativer Aufbau zu einer Montagetafel) und Querstromlüfter. Die Luft wird oberhalb der Bauteile angesaugt und hinter der Bauteilebene nach unten hin ausgeblasen. Dabei entsteht im Idealfall eine Zirkulationsströmung um den LSC-Rahmen.
Die Lufttemperatur im Schaltschrank liegt für diesen Betriebszustand zwischen 40 °C und 70 °C. Dabei unterscheiden sich die Lufttemperaturen im unverbauten Luftvolumen deutlich von den Lufttemperaturen in Bauteilnähe. Dort können Wärmenester (Hotspots) entstehen, wenn die von den Bauteilen abgegebene Wärme nicht durch geeignete Maßnahmen abgeführt wird (Bild rechts).
Laufzeit
03/2010 - 02/2013