Чиллер для гидроабразивной резки: расчёт по насосу

Чиллер для гидроабразивной резки охлаждает масло насоса высокого давления: у насоса с мультипликатором в масло уходит ориентировочно 30 % мощности привода, у плунжерного прямого действия — около 12 %, а остальная энергия улетает со струёй в ванну-ловушку. Калькулятор считает холодопроизводительность по мощности и типу насоса, загрузке станка и, если нужно, по теплу струи в ванне.

Откуда берётся тепло

• Масло насоса с мультипликатором. Электродвигатель 37–75 кВт вращает гидронасос, масло давит на поршень мультипликатора, а тот — на воду до 4000–6000 бар. Потери гидравлики — в насосе, клапанах и уплотнениях — греют масло; без охлаждения оно за час уходит за 60 °C, уплотнения мультипликатора начинают течь.
• Насос прямого действия. Коленвал давит на плунжеры без гидравлической ступени, греется только картерное масло и сальники: тепла в разы меньше, но охлаждение всё равно нужно — рубашка или теплообменник на контуре.
• Струя в ванне-ловушке. Вся энергия струи — мощность насоса за вычетом потерь — гасится в воде ванны. Ванна на 2–4 м³ прогревается за смену на 10–15 °C; если вода нужна холодной для абразива и защиты от испарения, чиллер охлаждает и её — флажок в калькуляторе.
• Загрузка. Станок режет не всё время: смена заготовок, прожиг, холостые ходы. Доля работы под давлением — 50–90 %, за неё и считают.

Формула

Q_м = n × P × a × z

Q_в = n × P × 0,8 × z

Q = (Q_м + Q_в) × (1 + k)

V = Q / (1,163 × Δt)

• Q_м — тепло в масле насосов, кВт; n — число станков; P — мощность привода насоса высокого давления, кВт.
• a — доля мощности, уходящая в масло: 0,30 для насоса с мультипликатором, 0,12 для насоса прямого действия (ориентировочно, по данным производителей насосов).
• z — загрузка станка, доля времени под давлением: 0,5–0,9.
• Q_в — тепло струи в воде ванны-ловушки, кВт; 0,8 — доля мощности насоса, доходящая до ванны. Учитывается, только если чиллер охлаждает и ванну; иначе Q_в = 0.
• k — запас в долях единицы, 0,10–0,20; V — расход воды, м³/ч; Δt — нагрев воды в маслоохладителе, принят 5 °C; 1,163 — теплоёмкость кубометра воды, кВт·ч/(м³·°C).

Пример расчёта

Один станок с насосом 37 кВт с мультипликатором, серийная резка — загрузка 70 %. Вода на маслоохладитель 25 °C, ванну не охлаждают, запас 15 %.

1. Тепло в масле: 1 × 37 × 0,30 × 0,7 = 7,77 кВт.
2. Ванна не охлаждается: Q_в = 0.
3. Холодопроизводительность с запасом: 7,77 × 1,15 = 8,9355 кВт, округлённо 8,9 кВт.
4. Расход воды: 8,9355 / (1,163 × 5) = 1,54 м³/ч.

Вода 25 °C теплее, чем у серийных чиллеров (от 5 до 15 °C), поэтому чиллер для масла подбирают индивидуально, в исполнении с температурой воды до +30 °C — так же, как для масла гидростанции. Если включить охлаждение ванны, к расчёту добавится 37 × 0,8 × 0,7 = 20,72 кВт, и чиллер нужен уже на 32,8 кВт.

Типовые ошибки

• Считать по полной мощности насоса. Электродвигатель 37 кВт не значит 37 кВт тепла в масле: в масло уходит треть, остальное — в струю. Чиллер на 37 кВт будет работать на четверть нагрузки и часто пускаться.
• Просить воду 7 °C. Маслу нужна вода 20–30 °C: холодная вода конденсирует влагу на маслоохладителе и переохлаждает масло, вязкость растёт, насос работает тяжелее. Какая вода нужна маслу и какой теплообменник ставят, разобрано в справочнике об охладителе масла; если на площадке только холодная вода, температуру поднимают подмесом — расчёт температуры смешения.
• Забыть про ванну. Вода ванны греется струёй на десятки киловатт; если абразив и детали нужно держать холодными, нагрузка на чиллер вырастает в три-четыре раза, и это отдельное решение при подборе.
• Один чиллер на станок и на лазер. Лазеру нужна вода 20–22 °C с точностью ±1 °C, насосу — 25 °C без особой точности: контуры разводят через бак или два чиллера; как это делают для станков с разной водой, показано в задаче о чиллере для лазерного станка, а объём бака для насоса с паузами считает расчёт объёма бака-аккумулятора.