Effizient

Schaltschrank – Cold-Plate-Technologie von Rittal und Antriebstechnik von Lenze sorgen für Hochverfügbarkeit in der Viskose- und Acrylfaserherstellung bei Kehlheim Fibres.

21. Mai 2008

In Schaltschränken eingebaute Umrichter lassen sich mit dem flüssigkeitsbasierten DCP Direct Cooling Package vor aggressiven Umgebungsbedingungen schützen und effektiv kühlen. Mit der Kombination aus Rittal-Cold-Plate-Technologie und Lenze-Servo-Umrichtern der Typenreihe 9300 in der Ausführung ›Cold Plate‹ verfügt der Faserproduzent aus Kelheim über ein auf seinen individuellen Bedarf zugeschnittenes Wärmerückführungssystem seiner Schaltanlagen. Als einer der bedeutendsten Hersteller von Viskose- und Acrylfasern produziert Kehlheim Fibres jährlich als Weltmarktführer bei Tamponfasern im Hygienebereich 70.000 Tonnen Viskosefasern und 12.000 Tonnen Acrylfasern, die unter anderem bei Markisen und Autoverdecken eingesetzt werden. Um eine höhere Verfügbarkeit der rund um die Uhr laufenden Produktionsanlagen – auch in Spitzenzeiten – zu gewährleisten, deren Lebensdauer zu verlängern sowie die Energieeffizienz zu verbessern und Wartungskosten möglichst niedrig zu halten, setzt das Unternehmen bei der Kühlung der Frequenzumrichter und Servoregler auf flüssigkeitsbasierte Cold-Plate-Technologie.

Die Frequenzumrichter und Servoregler von Lenze, die in den Anlagen zum Einsatz kommen, erzeugen Verlustleistungen von teilweise über 1.200 Watt pro Schaltschrank. Ohne eine effiziente Kühlung würden die Elektronik-Komponenten beschädigt, was zwangsläufig zu Ausfällen führen würde. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von aktiven Klimakomponenten, wie etwa Filterlüfter und Kühlgeräte, die in der Regel viel Platz im Schaltschrank erfordern. Eine Alternative zur internen Luftkühlung ist die Durchstecktechnik, bei der die Gehäuserückwand ›durchbrochen‹ wird, sodass der hinten aus dem Gehäuse herausragende Kühlkörper von der Außenluft umströmt wird. Hohe Schutzarten wie IP54 und höher sind mit dieser Technik allerdings nur schwer zu gewährleisten. Das Verfahren scheidet daher in sehr rauen Umgebungen aus.

Gute Gründe für die Cold-Plate-Technik

Zum Abführen der Verlustleistungen in den Schaltschränken hatte der Faserhersteller bislang Filterlüfter eingesetzt. Da durch die Umgebungsluft bei der Faserproduktion die Filter regelmäßig verstopften, bestand das Risiko eines Anlagenausfalls. Aufgrund der schwierigen Umgebungsbedingungen und der Wand-an-Wand-Aneinanderreihung der Schaltschränke im Kelheimer Werk kam auch alternativ die Platz erfordernde Durchstecktechnik nicht infrage.

Die Cold-Plate-Technologie bringt demgegenüber zahlreiche Vorteile mit sich. Sie macht sich die Vorteile der Flüssigkeitskühlung zunutze: Wasser ist rund tausend Mal wirkungsvoller zum Transport von Verlustwärme als Luftkühlung. Flüssigkeitsbasierte Lösungen arbeiten zudem geräuschlos und lassen sich auch in hermetisch abgeriegelten Gehäusen realisieren, wodurch eine hohe Schutzart erreicht werden kann. Erforderlich ist nur der Anschluss an einen Kühlwasserkreislauf – dieser war bei Kelheim Fibres gegeben – oder an einen Rückkühler. Gegenüber der internen Luftkühlung punktet das Cold-Plate-System durch einen flexibleren und kompakteren Aufbau der Leistungselektronik, die Reduzierung der Gefahr von Wärmenestern und die Verringerung der Einbautiefe durch Wegfall des Kühlkörpers. Vorteile gegenüber der Durchstecktechnik sind die Verwendung von Gehäusen mit höherem IP-Schutz und die erhöhte Systemsicherheit durch Unabhängigkeit von Umgebungsbedingungen.

Herzstück der neuen DCP-Kühltechnik bildet die sogenannte Cold Plate, die als Systemlösung für die Montage und Kühlung der hitzigen Leistungselektronik dient. Die ›kalte Platte‹ ist eine von Flüssigkeit durchströmte Montageplatte, auf der sich hitzegeplagte Bauteile im Handumdrehen im Schrank installieren und runterkühlen lassen. Problemlos können die ›heißen Teile‹ auf Handwärme gebracht werden! Rund 80 Prozent der Abwärme lassen sich direkt über die ›kalte Platte‹ ableiten. Um auf Nummer sicher zu gehen, ist die Lage der in die flache Cold Plate integrierten Kühlrohre (Kupfer oder Edelstahl) durch Aufdruck kenntlich gemacht. So gibt es keine bösen Überraschungen bei der kundenspezifischen Umsetzung von Bohrungen oder Öffnungen. Zuverlässigkeit und Sicherheit stehen bei der Cold Plate von Rittal ganz oben. So wurde die flüssigkeitsgekühlte Montageplatte vom TÜV mit der Zertifizierung ›Baumuster geprüft‹ ausgezeichnet und ist für Drucke bis zu 10 bar zugelassen.

»In enger Kooperation mit Rittal haben wir ein auf die Anforderungen von Kelheim Fibres zugeschnittenes Produkt aus Cold-Plate-Technik und anspruchsvollen Lenze-Antriebssteuerungen entwickelt«, erklärt Walter Pieper, Projektleiter des Lenze-Anlagenbaus. Die kundenspezifische Lösung sei angesichts der Montagefreundlichkeit der ›kalten Platte‹ dann sehr schnell umgesetzt worden, so Pieper. Der Umstand, dass im Kelheimer Werk die notwendigen Kühlwasserleitungen zur Inbetriebnahme der Lösung bereits existierten, erleichterte die Planungen.

Verbesserte Verfügbarkeit

Dank des DCP-Kühlsystems ist die Gefahr von Wärmenestern, sogenannten Hot-Spots, gebannt. Hitzestaus lassen sich genau dort effizient abführen, wo sie entstehen. Das minimiert das Risiko eines Maschinen- und Produktionsausfalls wesentlich. Auch die Verstopfung der Filterlüfter gehört der Vergangenheit an. Durch die Staubfreiheit und die gezielte Wärmeableitung erhöht sich die Lebensdauer der Bauteile, was dem Arrhenius-Gesetz entspricht, wonach sich bereits bei einer Temperaturerhöhung von acht bis zehn Kelvin die Altersgeschwindigkeit der Leistungselektronik verdoppelt. Die Schränke sind hermetisch dicht und entsprechen somit den hohen Schutzanforderungen der Schutzart IP54. Die Leckagesicherheit ist dank der guten Abdichtungen der Wasserzufuhr im Schaltschrank gegeben. Aufgrund der einfachen Montage sind die Wartungskosten niedrig. Sollten einmal Probleme auftreten, lässt sich die Montageplatte leicht abbauen. Die zu Projektbeginn gestellten hohen Anforderungen konnten komplett erfüllt werden: maximale Verfügbarkeit der zur Steuerung der Produktionsanlagen eingesetzten Leistungselektronik, Erhöhung der Gerätelebensdauer durch effiziente Abführung der Verlustwärme und schließlich kompletter Schutz der Schaltschränke vor aggressiven Staubpartikeln, die bei der Faserherstellung entstehen.

Rittal bietet das Direct Cooling Package bei Anfragen als komplette Infrastruktur an. Dazu gehören Schaltschrank-Systeme, Komponenten der Flüssigkeitsversorgung und -verteilung, Rückkühlanlagen zur zentralen Bereitstellung des Kühlmediums sowie die Regelung der Kühlkomponenten einschließlich Überwachung aller sicherheitsrelevanter Parameter des Schaltschrankes.

Hans-Robert Koch, Thorsten Höhne, Rittal

Cooler

Unter dem Namen ›Rittal Thermoelectric Cooler‹ präsentierte Rittal auf der Hannover Messe 2008 eine Weltneuheit im Bereich der System-Klimatisierung.

Die auf Peltiertechnik basierten, leistungsstarken Kühlgeräte in Leichtbauweise stellen derzeit die effizienteste Art der Klimatisierung von Bedien- und Kleingehäusen dar. Rittal rundet damit das TopTherm-Programm im unteren Leistungsbereich ab.

100 W Kühlleistung

Mit ›Rittal Thermoelectric Cooler‹ bietet Rittal neue thermoelektrische Kühlgeräte in Leichtbauweise mit 100 W Kühlleistung. Überzeugende Vorteile versprechen die auf modernster Peltiertechnik basierten Kühlgeräte insbesondere im Bereich der Kühlung von Bedien- und Kleingehäusen. Die Weltneuheit verfügt über einen COP (Coefficient of Performance) von größer 1, minimales Bauvolumen von nur 125 x 155 x 400 mm (BxHxT) und ein Gewicht von unter 3 kg. Die Rittal-Innovation bietet bei gleicher Kühlleistung eine Effizienz, die über 100 Prozent größer ist als bei herkömmlichen Geräten der Branche. Neben den niedrigeren Anschaffungskosten lassen sich mit Rittal Thermoelectric Cooler zudem über 60 Prozent Energiekosten einsparen.

Konstante Gehäusetemperatur

Eine energieeffiziente Regelung mit Pulsweitenmodulation und innovativer Softstartfunktion sichert eine konstante Gehäusetemperatur und sorgt für Langlebigkeit der Peltierelemente. Übertemperaturen werden sicher erfasst und signalisiert. Ein innovatives Luftführungssystem gewährleistet dabei die optimale Anströmung der Peltierelemente. Durch die modulare Bauweise ist die Kühlleistung je nach Bedarf durch Skalierbarkeit erweiterbar. Die Peltiertechnik ermöglicht eine horizontale und vertikale Montage und den problemlosen Betrieb an Bediengehäusen. Die flexible Montage gewährleistet je nach Platzverhältnissen den Anbau oder auch den kompletten Einbau des Geräts in ein Bediengehäuse. Von Vorteil sind zudem der wartungsfreie Geräteaufbau sowie die Schnittstelle zur Temperatureinstellung und -abfrage und Systemmeldung durch einen PC.

Komplett anschlussfähige Einheit

Die Rittal Thermoelectric Cooler sind als komplett anschlussfertige Einheiten in zwei Versionen erhältlich: in 24 V DC (ohne Netzteil) mit einem Gewicht von weniger als 3 kg oder in 94 V bis 264 V, 50/60 Hz (AC) mit integriertem Netzteil mit einem Gewicht von rund 3,5 kg. Da bei dieser Technologie keine Kompressoren benötigt werden, sind die Geräte vibrationsarm und eigenen sich daher exzellent für Präzisionsanwendungen.

Hans-Robert Koch, Rittal

Erschienen in Ausgabe: 03/2008