Чиллер для индукционной печи и нагревателя: расчёт мощности

Чиллер для индукционного нагревателя или печи рассчитывают на ту часть мощности установки, которая уходит не в металл, а в охлаждающую воду: потери в преобразователе частоты, конденсаторах и индукторе. Эта доля зависит от процесса и металла — от пятой части мощности при низкотемпературном нагреве стали до почти половины при плавке меди и алюминия. Калькулятор посчитает холодопроизводительность по мощности установки и процессу, а также расход воды.

Откуда берётся тепло

• Преобразователь частоты. Тиристоры или транзисторы, выпрямитель и дроссели теряют несколько процентов мощности, и это тепло снимает вода.
• Конденсаторная батарея. Через конденсаторы колебательного контура идёт реактивная мощность, в разы больше активной, и даже малые потери в них требуют водяного охлаждения.
• Индуктор. Ток в медной трубке индуктора греет её саму. Чем хуже металл заготовки поглощает энергию, тем больше остаётся в индукторе: сталь до точки Кюри (около 770 °C) греется эффективно, горячая сталь выше этой точки, медь и алюминий — заметно хуже.
• Тепло от заготовки или расплава. Раскалённые заготовки и металл в тигле излучают тепло через изоляцию и футеровку на индуктор, и его тоже уносит вода. Металл, разлитый в формы, охлаждают уже у литейной машины — это задача о литье под давлением.

Тепло, которое металл унёс с собой, в нагрузку на чиллер не входит, если его не снимает тот же контур: например, закалочная жидкость спрейера охлаждается отдельно.

Формула

Тепло в охлаждающую воду считают как долю мощности установки:

Q_в = N × k

Q_в — тепло в воду, кВт; N — мощность установки (преобразователя), кВт; k — доля мощности, уходящая в воду, по таблице ниже.

Q = Q_в × (1 + z / 100)

Q — холодопроизводительность чиллера, кВт; z — запас, %, обычно 10–20 %.

G = Q / (1,163 × Δt)

G — расход воды, м³/ч; Δt — нагрев воды в установке, °C; 1,163 — теплоёмкость кубометра воды, кВт·ч/(м³·°C).

Если в паспорте установки указаны расход и допустимый нагрев охлаждающей воды, нагрузку можно посчитать по ним в расчёте мощности по расходу и температурам и сравнить с результатом по доле мощности; для чиллера берут большее значение.

Пример расчёта

Индукционный нагреватель 160 кВт греет стальные заготовки под ковку. Установке нужна вода 25 °C, нагрев воды 8 °C, запас 15 %.

1. Тепло в воду: Q_в = 160 × 0,35 = 56,0 кВт.
2. Холодопроизводительность с запасом: Q = 56,0 × 1,15 = 64,4 кВт.
3. Расход воды: G = 64,4 / (1,163 × 8) = 6,92 м³/ч.
4. Вода 25 °C теплее, чем у серийных чиллеров (5–15 °C), поэтому нужен индивидуальный подбор в исполнении для тёплой воды.

Как выглядит установка на 64,4 кВт — компрессоры, потребление, расход воды, габариты и масса — показано на странице чиллера 65 кВт; температуру воды там задают свою.

Типовые ошибки

• Чиллер на полную мощность установки. В металл уходит большая часть мощности, в воду — от 20 до 45 %. Чиллер на 160 кВт для установки 160 кВт окажется в 2–5 раз больше нужного и будет работать короткими циклами.
• Вода холоднее точки росы. На трубках, тиристорах и конденсаторах выпадает конденсат, возможен пробой. Летом в цеху точка росы бывает около 20 °C, поэтому воду на индукционную установку обычно подают 20–30 °C, а не 10 °C. На прессах для алюминия такую же тёплую воду дают на закалку профиля и масло — задача о чиллере для экструзии алюминия.
• Жёсткая вода в открытом контуре. Каналы индуктора и силовых модулей узкие, накипь в них быстро снижает расход, и индуктор прогорает. Контур делают закрытым, с дистиллированной или обессоленной водой; если установка требует отдельный чистый контур, его отделяют от чиллера пластинчатым теплообменником — схемы в справочнике о теплообменниках чиллера.
• Закалочная жидкость забыта. Если спрейер охлаждается тем же чиллером, к нагрузке добавляется почти всё тепло, ушедшее в детали, с учётом доли времени нагрева в цикле: Q_зак ≈ (N − Q_в) × τ_н / τ_ц, где τ_н — время нагрева, τ_ц — время цикла. Для печи с закалкой газом в камере пик и среднее за цикл считают в задаче о чиллере для вакуумной печи.