Gehäusekondensation: Taupunkt, Heizungen und Entwässerungen

Warum ein geschlossenes Gehäuse innen nass wird

Luft enthält Wasserdampf, und die Menge, die sie aufnehmen kann, sinkt beim Abkühlen. Kühlt man kühle, feuchte Luft weit genug ab, erreicht sie ihren Taupunkt; darunter tritt Wasser in Form von Tropfen an den kältesten Oberflächen aus. In einem Gehäuse sind dies die Wände und die Tür, und das Wasser tropft dann auf alles, was sich darunter befindet.

Ein mit einer Dichtung versehenes Gehäuse hält Regen und Wasser aus dem Schlauch ab, aber es hält auch die Feuchtigkeit im Inneren, die beim Schließen der Tür in der Luft war, sowie alles, was später eindringt. Die Normen sagen das ganz deutlich. Der Geltungsbereich von NEMA 250 schließt den Schutz der eingeschlossenen Ausrüstung vor Bedingungen wie Kondensation, die innerhalb des Gehäuses auftreten, aus. IEC 60529 schließt durch Kondensation erzeugte Feuchtigkeit aus, und die Wassertests weisen darauf hin, dass während des Tests im Inneren entstehender Tau nicht mit Wassereintritt verwechselt werden darf. Eine NEMA 4X oder IP66 Einstufung ist daher keine Garantie für ein trockenes Inneres.

Taupunkt: die entscheidende Zahl

Der US National Weather Service veröffentlicht die Formeln hinter seinem Wetterrechner. Der Sättigungsdampfdruck beträgt es = 6.11 x 10^(7.5T / (237.3 + T)) hPa, mit T in °C; die Multiplikation mit der relativen Luftfeuchtigkeit ergibt den tatsächlichen Dampfdruck, und die Umstellung derselben Gleichung ergibt den Taupunkt. Werte aus diesen Formeln bei Meeresspiegeldruck:

So ist es zu lesen: Wenn ein Gehäuse an einem feuchten Nachmittag bei 30 °C und 80% relativer Luftfeuchtigkeit geschlossen wird, sammelt jede Innenfläche, die unter etwa 26 °C fällt, Wasser. Eine klare Nacht im Freien, das Abspülen mit kaltem Wasser oder ein klimatisierter Raum bewirken dies leicht. Unter den Bedingungen der letzten Zeile kondensiert fast jede kühlere Oberfläche.

Atmung: Temperaturzyklen pumpen feuchte Luft ein

Die in einem Gehäuse eingeschlossene Luft enthält nur wenig Wasser. Nach der NWS-Mischungsverhältnisformel enthält Luft bei 30 °C und 80 % etwa 21.6 g Wasser pro kg trockene Luft; gesättigte Luft bei 20 °C enthält etwa 14.7 g/kg. Für das Innenvolumen eines Gehäuses von 24 × 20 × 8 Zoll (0.607 × 0.505 × 0.200 m = 0.061 m³) bei einer Luftdichte von 1.2 kg/m³ werden beim Abkühlen vom ersten in den zweiten Zustand 0.061 × 1.2 × 6.9 = etwa 0.5 g Wasser freigesetzt. Das sind ein paar Tropfen.

Das Problem ist die Wiederholung. IEC 60529 erkennt Gehäuse an, bei denen „der normale Arbeitszyklus der Ausrüstung Druckminderungen im Gehäuse unter dem Umgebungsdruck verursacht, beispielsweise durch thermische Zykluseffekte“, und seine Wasserprüfungen erfordern einen Druckausgleich, wenn das Wasser mehr als 5 K kälter ist als das Gehäuse. Die Abkühlung von 30 °C auf 20 °C schrumpft die eingeschlossene Luft um etwa 3.3% (293 K / 303 K), sodass jeder Zyklus Außenluft durch eine abgenutzte Dichtung, eine lose Kabelverschraubung oder ein Leitrohr ansaugen kann. Ein Hersteller von Ablaufventilen beschreibt diese temperaturbedingten Unterdrücke als Ansaugen von Wasser und Feuchtigkeit in das Gehäuse. Jede Ladung feuchter Luft hinterlässt ihr Wasser, und über Wochen werden aus den Tropfen eine Pfütze.

Kabelrohre verschlimmern das Problem: Der Geltungsbereich von NEMA 250 schließt zudem Bedingungen aus, die über Kabelrohre oder nicht abgedichtete Öffnungen eindringen, und eine Kabelrohrleitung aus einem wärmeren oder feuchteren Bereich leitet feuchte Luft direkt hinein. Dichten Sie Kabelrohreinführungen ab und verwenden Sie Verschraubungen, die der Gehäuseeinstufung entsprechen; siehe Ausschnitte und Verschraubungen.

Heizungen: halten die Wände über dem Taupunkt

Die direkteste Abhilfe ist, die Innenflächen wärmer zu halten als der Taupunkt der Luft im Gehäuse. Ein Gehäuseheizgerät erledigt das, und ein Heizleitfaden eines Gehäuseherstellers nennt einen weniger offensichtlichen Fall für den Einsatz einer solchen Heizung: Ein System kann den ganzen Tag laufen und sich beim Abschalten nachts schnell abkühlen, und dieser Temperaturabfall kann Kondensation und Korrosion verursachen.

Zwei veröffentlichte Auslegungsmethoden verwenden dieselbe Beziehung wie die Wärmeabgabe:

Heizleistung = ΔT x k x A - Wärmeabgabe der Komponenten
ΔT = gewünschter Temperaturunterschied zur Umgebungstemperatur (K); k = Wärmeübergangskoeffizient (etwa 3.7 W/m²K für Edelstahl, 5.5 W/m²K für lackierten Stahl); A = Oberfläche (m²). Bei einem Gehäuse im Außenbereich in bewegter Luft verdoppeln beide Methoden den Term ΔT x k x A.

Berechnungsbeispiel. Dasselbe 24 × 20 × 8 Zoll große Edelstahlgehäuse an einer Wand bietet 0.764 m² glatte Oberfläche (Vorn-, Ober-, Unterseite und Seiten), die Fläche, die diese Heizmethoden ansetzen; die 0.801 m² auf unseren Produktseiten sind die wirksame Oberfläche zur Wärmeableitung nach IEC/TR 60890. Für dieses Beispiel halten wir es 5 K über der Umgebungstemperatur und gehen davon aus, dass die Ausrüstung im Inneren nachts abgeschaltet ist und somit keine Wärme beisteuert:

• Im Innenbereich: 5 × 3.7 × 0.764 = 14.1 W.
• Im Außenbereich, verdoppelt: 2 × 14.1 = 28.3 W.
• Um im Außenbereich 10 K über der Umgebungstemperatur zu halten, wären 2 × 10 × 3.7 × 0.764 = 56.5 W erforderlich.

Ziehen Sie bei laufendem Betrieb die Wärmeabgabe der Geräte ab. Wählen Sie eine Heizung mit einer Leistung oberhalb dieses Ergebnisses und regeln Sie diese mit einem Thermostat, damit an heißen Tagen keine zusätzliche Wärme zugeführt wird; der Wärmeberechnungsleitfaden zeigt, wie schnell sich ein geschlossenes Gehäuse überhitzt.

Montageort: tief. Eine Luftstromstudie eines Klimasteuerungskatalogs ergab, dass die Bereiche unter einer Heizung nur minimal erwärmt werden, und bezeichnete die Montage der Heizung im Bodenbereich des Gehäuses als wesentlich für eine gleichmäßige Temperatur. Halten Sie den Bereich frei von Kabeln und hitzeempfindlichen Gegenständen.

Entwässerungen und Entlüftungen, passend zum Gehäusetyp eingestuft

Ein Entlüftungsabfluss, der am Boden des Gehäuses montiert ist, lässt Kondenswasser durch Schwerkraft ablaufen und gleicht den Druck aus, was das Vakuum verringert, das feuchte Luft einsaugt. Gelistete Entlüftungsabflüsse sind mit den Typ-Einstufungen 4 und 4X erhältlich und behalten bei ordnungsgemäßer Installation an einem gelisteten Typ 4 oder 4X Gehäuse die Einstufung bei. Bei einem vom Hersteller eingestuften Gehäuse wie unserem ist die Einstufung mit montiertem Abfluss die eigene Bewertung des Herstellers.

• An der tiefsten Stelle platzieren, an der sich das Wasser sammelt.
• Überprüfen Sie die Angabe des Ablaufs. Nach den NEMA-Regeln ist die Typeneinstufung einer vor Ort installierten Baugruppe durch die Komponente mit der geringsten Einstufung begrenzt, und Verschraubungen müssen gemäß einer Typeneinstufung geprüft sein, die der des Gehäuses entspricht oder besser ist.
• Eine offene Öffnung ist kein Abfluss bei einem 4X Gehäuse: Sie lässt Wasser aus dem Schlauch eindringen, und das Gehäuse entspricht nicht mehr dem Typ 4X.

Wasser, das hineingelangt, muss wieder heraus, aber ein Ablauf entfernt nicht die Feuchtigkeitsquelle. Kombinieren Sie es mit guten Dichtungen, abgedichteten Einführungen und, falls erforderlich, einem Heizgerät.

Trockenmittel für Gehäuse, die geschlossen bleiben

Trockenmittel absorbiert Wasserdampf, bis es gesättigt ist, und eignet sich daher für Gehäuse, die selten geöffnet werden. Seine Kapazität ist an offener Luft schnell erschöpft. In der Anwendungsnotiz eines Instrumentenbauers werden Tests des Trockenmittelherstellers bei 60 % relativer Luftfeuchtigkeit und 30 °C angeführt, bei denen nach einer Stunde Einwirkung etwa 25 % der Kapazität eines Beutels verbraucht waren, und es wird den Anwendern empfohlen, bei jedem Öffnen des Gehäuses und Freilegen der Elektronik neues Trockenmittel einzusetzen. Gleiches gilt für ein Gehäuse: Halten Sie Ersatzpackungen versiegelt, tauschen Sie diese aus, wann immer die Tür länger geöffnet war, und erwarten Sie nicht, dass Trockenmittel mit einem Schaltschrank fertig wird, der durch ein Undicht atmet.

Klimaanlagen und Washdown: zwei Sonderfälle

Gehäuseklimageräte entziehen der Innenluft als Nebeneffekt Wasser: Es kondensiert am kalten Verdampfer und muss aus dem Gehäuse abgeleitet werden. Ein Klimatisierungskatalog führt ein Beispiel auf: Bei geschlossener Tür setzt die Entfeuchtung eines 0.6-m³-Gehäuses 0.6 × 1.2 × 11 = 7.92 g frei, das sind etwa 8 ml. Bei schlecht abgedichteten Kabeleinführungen oder beschädigten Dichtungen wird die Luft ständig ausgetauscht, und bei einer Leckage von 5 m³/h können sich stündlich bis zu 80 ml Kondensat bilden. Der Rat dazu: Kühlgeräte nur bei geschlossener Tür betreiben, das Gehäuse rundum abdichten, einen Türschalter einbauen, die Innentemperatur nur so niedrig wie nötig einstellen und kalte Luft nicht direkt auf elektronische Bauteile richten. Wenn ein klimatisiertes Gehäuse dennoch feucht wird, zeigt warum Gehäusekühlung Kondensation verursacht die Wasserquelle auf: den Ablaufweg des Kühlers, undichte Dichtungen und Einführungen oder eine Oberfläche unterhalb des Taupunkts.

Washdown schafft beide Bedingungen gleichzeitig. Ein warmes Gehäuse, das mit kaltem Spülwasser getroffen wird, kühlt schnell ab und zieht Luft an, die nahezu gesättigt ist. Spülen Sie nach Möglichkeit mit Wasser nahe der Gehäusetemperatur, halten Sie Dichtungen und Kabelverschraubungen in gutem Zustand und installieren Sie eine Entlüftung mit Herstellerangabe zur Entwässerung. Siehe Washdown-Gehäuse für Lebensmittel und Getränke und für Außenstandorte elektrische Außengehäuse.

Häufig gestellte Fragen

Quellen

1. US National Weather Service (El Paso), „Dampfdruck“ Formelsammlung
2. US National Weather Service (El Paso), „Nasskugeltemperatur und Taupunkttemperatur aus Lufttemperatur und relativer Luftfeuchte“ (Taupunktformel)
3. US National Weather Service (El Paso), „Mixing Ratio“ Formelsammlung
4. ANSI/NEMA 250-2020, Inhalt und Geltungsbereich (Kondensation innerhalb des Gehäuses, Kabelkanäle und unversiegelte Öffnungen nicht abgedeckt)
5. IEC 60529 Ed. 2.2 (Anwendungsbereich; Gehäuse der Kategorie 1 und thermische Zyklierung; Wassertemperatur innerhalb von 5 K und Druckausgleich; Taupunkt während der Prüfungen)
6. NEMA, „NEMA FAQs: Gehäuse“ (Q15, Anschlussteile und die Schwächstglied-Regel)
7. Hammond Manufacturing, Auswahl an Heizprodukten (nächtliche Kondensation, Heizungsformel, Außenfaktor)
8. Rittal, Technischer Systemkatalog Klimatisierung, Gehäuseheizungen (Leistungsformel, Außenaufstellung, Heizung im Bodenbereich)
9. Rittal, Kühlgeräte (Kondensatberechnung, Leckagebeispiel, Tür geschlossen, Türschalter)
10. Rittal, Kühlgeräteauswahl (Kaltluft nicht auf Komponenten gerichtet, zur Vermeidung von Kondensatbildung)
11. nVent HOFFMAN, Produktdatenblatt für Entlüftungsentwässerungen (Schwerkraftentwässerung, Druckausgleich, temperaturinduzierte Vakua, Typ 4/4X)
12. Sea-Bird Electronics, Anwendungsbericht 71, „Einsatz und Regeneration von Trockenmitteln“ (Jan 2014)