Schaltschränke richtig entwärmen, Teil 2

Auswahl und Dimensionierung von Aggregaten

17.03.2009 | Autor / Redakteur: Michael Maage* / Ines Stotz

Rittal TopTherm bei Thyssen
Rittal TopTherm bei Thyssen

In der Vergangenheit hat man bei der Projektierung von Anlagen deren Kühlung oft erst ganz zum Schluss betrachtet. Waren die konstruktiven Details der neuen Maschine oder Anlage zufriedenstellend gelöst, wurde nach einem geeigneten Kühlgerät gesucht. Besser ist, die Kühlung von Anfang an als wichtige Komponente für die störungsfreie Funktion der Elektronik exakt zu planen.

Teil 1 dieser Serie (siehe Link) hat als Schwerpunkt den kühlungsgerechten Aufbau von Schaltschrank und Montageplatte behandelt. Daraus ergeben sich entsprechende Maßnahmen, damit die Kühlluftströme unbehindert an die Stellen gelangen können, wo sie benötigt werden. Bevor nun dieser Teil die Auswahl und Dimensionierung näher behandelt, zunächst einige kühltechnische Grundlagen.

Physikalische Grundlagen

Die Grundlage jeder Kühlung ist die Betrachtung der Wärmeübertragung zwischen zwei oder mehr Systemen. Geht man von unterschiedlichen Wärmepotenzialen aus, so erfolgt der Wärmestrom immer von der höheren auf die niedrigere Temperatur – es findet also ein Wärmeausgleich in Richtung niedrigerer Energie statt.

Die drei Wirkprinzipien sind dabei:

  • Wärmeleitung (Übertragung kinetischer Energie zwischen benachbarten Teilchen),
  • Wärmemitführung (Konvektion, Fluidmechanik),
  • Wärmestrahlung (elektromagnetische Wellen, Elektrodynamik).

In Abhängigkeit von der Temperatur schwingen die Teilchen eines Systems und kommen erst beim absoluten Nullpunkt (-273,15°C oder 0 Kelvin) zum Stillstand. Diese kinetische Energie ist ein Maß für die Temperatur.

Wärmeleitung, das erste der drei Wirkprinzipien, ist die Folge von Zusammenstößen, wobei die Teilchen mit der höheren kinetischen Energie diese an benachbarte Teilchen abgeben. Generell gilt, dass ein guter elektrischer Leiter auch ein guter thermischer Leiter ist. Die Einflussgrößen der übertragenen Wärmeleistung beschrieb Fourier für feste Körper mit zwei parallelen Wandflächen:

In Worten sagt die Formel: Je höher die Temperaturdifferenz ist, desto mehr Wärme wird übertragen.

Positiv in diesem Sinne wirken auch eine Vergrößerung der Fläche A und insbesondere die Erhöhung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit λ (deren Einheit ist [W/(m×K)] beziehungsweise [J/(s×m×K)]).

Vom zweiten Wirkprinzip, der Konvektion — Wärmemitführung — spricht man, wenn die Wärmeübertragung über den Transport von Teilchen – unter Mitführung der kinetischen Energie – erfolgt. Hierbei wird zwischen freier (oder natürlicher) und erzwungener Konvektion unterschieden.

  • Freie Konvektion: Durch lokale Erwärmung hervorgerufene Dichteunterschiede lösen den Auf-/Abtrieb von Teilchen aus.
  • Erzwungene Konvektion: Der Teilchentransport wird durch äußeren Antrieb (z.B. Lüfter, Pumpe) in Gang gehalten.

Sowohl die Innen- als auch die Außenkreisläufe sind Beispiele für erzwungene Konvektion. Einander gegenüber gestellt werden richtige und schlechte Lösungen
Sowohl die Innen- als auch die Außenkreisläufe sind Beispiele für erzwungene Konvektion. Einander gegenüber gestellt werden richtige und schlechte Lösungen

Die erzwungene Konvektion hat für die Klimatisierung von Schaltschränken die dominierende Rolle (Luftströme, Wasserkreisläufe).

Weil das dritte Wirkprinzip des Wärmeausgleichs – die über elektromagnetische Wellen stattfindende Wärmestrahlung – in Elektroniksystemen meist eine untergeordnete Rolle spielt, sei sie hier nur der Vollständigkeit wegen erwähnt.

Wie sich aus obigen Ausführungen zeigt, ist die Wärmeleitung immer an Teilchen, also an Massen, gebunden. Daraus folgt: Für die eindeutige Definition einer Aufgabenstellung bei der Kühlung muss ein Massenstrom angegeben werden. Die Angabe eines Volumendurchsatzes ist unexakt, weil sich mit abnehmender Dichte, bei gleichem Volumen, weniger Masse bewegt und damit weniger Wärme transportiert werden kann.

Die Dichte verringert sich mit steigenden Temperaturen (mit der bekannten Ausnahme von Wasser, das bei 4°C seine größte Dichte hat) und bei Gasen auch mit zunehmender Höhe über Meeresniveau. Auch die Strömungsgeschwindigkeit ist an sich keine exakte Angabe. Zwar könnte diese relativ einfach über eine Verringerung des Querschnitts erhöht werden – aber der dadurch bedingte höhere Druckverlust kann u.U. sogar zur Herabsetzung der Kühlleistung führen, weil in Summe der Massenstrom sinkt!

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