Чиллер для плазменной резки: расчёт охлаждения плазмотрона

Чиллер для плазменной резки считают по мощности дуги — току резки, умноженному на напряжение дуги, — и по доле этой мощности, которую забирает вода, охлаждающая плазмотрон. С учётом продолжительности включения (ПВ) и числа плазмотронов калькулятор показывает тепло в воду, холодопроизводительность с запасом и расход воды.

Откуда берётся тепло

• Плазмотрон. Дуга греет электрод, сопло и защитный колпачок; в плазмотроне с водяным охлаждением вода отбирает это тепло изнутри корпуса. В воду уходит ориентировочно пятая часть мощности дуги, остальное — в металл, шлак и воздух.
• Источник тока. У большинства установок источник охлаждается вентилятором. Если силовые модули на водяном контуре, их потери — ещё около десятой части мощности дуги — добавляют к нагрузке.
• Насос контура. Плазмотрон охлаждают не водой чиллера, а замкнутым контуром с деионизированной охлаждающей жидкостью и своим насосом; его мощность, обычно доли киловатта, покрывает запас.

Нагрузка идёт только пока горит дуга, поэтому её умножают на ПВ по самой загруженной смене: у машины с ЧПУ при раскрое листов это 50–80 %, при ручной резке заметно меньше. Контактную и дуговую сварку считают по тому же принципу в задаче о чиллере для сварки.

Формула

P = I × U / 1000

Q_в = P × ПВ / 100 × d × n

Q = Q_в × (1 + k / 100)

P — мощность дуги одного плазмотрона, кВт; I — ток резки, А; U — напряжение дуги, В; ПВ — продолжительность включения, %; d — доля мощности дуги, уходящая в воду; n — число плазмотронов, работающих одновременно; k — запас, %; Q_в — тепло в воду, кВт; Q — холодопроизводительность чиллера, кВт. Расход воды чиллера считают при её нагреве на 5 °C, как в расчёте мощности по расходу и температурам.

Напряжение дуги берут из паспорта источника или с его дисплея во время резки: у плазмотронов с воздушным охлаждением на малых токах это ориентировочно 100–130 В, у машинных плазмотронов на 200–400 А — 130–200 В. Если производитель установки указывает тепловую нагрузку на охладитель в киловаттах, берут её, а калькулятор используют для проверки. Вода от чиллера подаётся на теплообменник с температурой 15 °C: жидкость в плазмотроне не должна быть холоднее воздуха в цеху, иначе на нём выпадает конденсат.

Пример расчёта

Машина плазменной резки с одним плазмотроном на 260 А, напряжение дуги 150 В, ПВ 60 %, водой охлаждается только плазмотрон, запас 15 %.

1. Мощность дуги: 260 × 150 / 1000 = 39,0 кВт.
2. Тепло в воду: 39,0 × 60 / 100 × 0,2 × 1 = 4,68 кВт.
3. Холодопроизводительность: 4,68 × 1,15 = 5,382 кВт, округлённо 5,4 кВт.
4. Расход воды при нагреве на 5 °C: 5,382 / (1,163 × 5) = 0,93 м³/ч.

Как выглядит установка на 5,4 кВт — компрессоры, потребление, расход воды, габариты и масса — показано на странице чиллера 5 кВт; температуру воды там задают свою.

Типовые ошибки

• Считать по мощности источника из паспорта. Потребляемая мощность источника включает его собственные потери и максимальный ток, а в воду плазмотрона уходит лишь часть мощности дуги. Чиллер по паспорту источника получается в несколько раз больше нужного.
• Пускать воду чиллера прямо в плазмотрон. В плазмотроне нужна деионизированная жидкость с низкой проводимостью, иначе ток уходит по воде, а каналы зарастают. Воду чиллера подают через теплообменник, а требования к жидкости берут у производителя установки — о воде с особыми требованиями сказано в справочнике о воде для чиллера.
• Забыть второй плазмотрон. На портале с двумя плазмотронами или при резке с разметкой нагрузку считают по всем дугам, которые горят одновременно.
• Брать воду 7 °C. Холодная вода не ускоряет резку, зато плазмотрон потеет, а электроника источника получает конденсат. Температуру держат близко к цеховой, как и для лазерного станка.