Чиллер для лазерного станка и CO2-лазера: расчёт мощности

Холодопроизводительность чиллера для лазерного станка зависит от мощности излучения и КПД источника: всё, что источник потребил и не превратил в луч, уходит в воду. Калькулятор считает тепло от источника и оптики и показывает расход воды.

Расчёт чиллера для лазерного станка

Тип лазера Волоконный Дисковый, с диодной накачкой CO₂ (газовый) Твердотельный с ламповой накачкой Мощность излучения, кВт

Вода на лазер, °C Нагрев воды в лазере, °C

Запас 10 % 15 % 20 % Выносной конденсатор

Вода 22 °C теплее, чем у серийных чиллеров (от 5 до 15 °C): нужен индивидуальный подбор.

Требуемый чиллер

13,2

кВт

Источник, кВт

11,1

Оптика, кВт

0,30

Расход воды, м³/ч

2,26

Температура воды, °C

22

Запросить подбор на 13,2 кВт

Письмо производителю xiron.ru с параметрами расчёта

Откуда берётся тепло

У лазерного станка водой охлаждают два узла.

• Источник излучения. Это основная нагрузка. Волоконный лазер превращает в излучение около трети потреблённой энергии, газовый CO₂-лазер — около десятой части. Остальное становится теплом.
• Оптика и режущая голова. Коннектор, линзы и защитные стёкла поглощают часть излучения. У волоконных станков оптику охлаждают отдельным контуром с более тёплой водой, чтобы на ней не выпадал конденсат.

Формула

Тепло от источника излучения:

Q_и = P × (1 − η) / η

Q_и — тепло от источника, кВт; P — мощность излучения, кВт; η — КПД источника в долях единицы.

Последний столбец посчитан для КПД 0,35, 0,25, 0,12 и 0,03. Трубка CO₂ на 100 Вт выделяет около 0,7 кВт тепла — для таких станков хватает мини-чиллера. Для плазменной резки на том же портале нагрузку считают по току и напряжению дуги — задача о чиллере для плазменной резки.

Тепло от оптики у волоконных и дисковых лазеров принимают равным 5 % мощности излучения, затем добавляют запас:

Q = (Q_и + 0,05 × P) × (1 + k)

Q — холодопроизводительность чиллера, кВт; k — запас в долях единицы, обычно 0,10–0,20.

Расход воды:

V = Q / (1,163 × Δt)

V — расход воды, м³/ч; Δt — нагрев воды в лазере, °C; 1,163 — теплоёмкость кубометра воды, кВт·ч/(м³·°C). Если в паспорте источника указан расход, берут его.

Пример расчёта

Станок с волоконным лазером 6 кВт, КПД источника 0,35. Вода на источник 22 °C, нагрев 5 °C, запас 15 %.

1. Тепло от источника: 6 × (1 − 0,35) / 0,35 = 11,14 кВт.
2. Тепло от оптики: 0,05 × 6 = 0,30 кВт.
3. Холодопроизводительность с запасом: (11,14 + 0,30) × 1,15 = 13,16 кВт, округлённо 13,2 кВт.
4. Расход воды: 13,16 / (1,163 × 5) = 2,26 м³/ч.

Вода 22 °C теплее, чем у серийных чиллеров (от 5 до 15 °C). Поэтому чиллер для лазера подбирают индивидуально: с двумя контурами и нужной точностью температуры. Если лазер подключают к общему контуру цеха с более холодной водой, температуру поднимают подмесом обратки — расчёт температуры смешения.

Как выглядит установка на 13,2 кВт — компрессоры, потребление, расход воды, габариты и масса — показано на странице чиллера 13 кВт; температуру воды там задают свою.

Типовые ошибки

• Берут чиллер по мощности излучения. У волоконного лазера на 6 кВт тепла почти вдвое больше, чем мощности в луче. Чиллер на 6 кВт не справится, и источник остановится по перегреву. У принтеров по металлу к теплу источников добавляется тепло камеры — задача о чиллере для 3D-принтера по металлу.
• Считают CO₂-лазер как волоконный. КПД газового лазера втрое ниже, поэтому тепла на тот же ватт излучения в несколько раз больше. Трубка перегревается, теряет мощность и ресурс.
• Подают слишком холодную воду. Если вода холоднее точки росы в цехе, конденсат выпадает на оптике и внутри источника. Это выводит из строя оптику и электронику.
• Не смотрят на точность температуры. Источнику нужна вода со стабильностью в пределах градуса. При больших колебаниях плавает мощность излучения и качество реза. Такую точность дают инверторный компрессор или много ступеней — справочник о компрессорах чиллера. Если лазер сажают на общий контур цеха, воду 22 °C получают узлом подмеса — справочник о двух температурах воды от одного чиллера.