Чиллер для ультразвуковой ванны: расчёт охлаждения раствора

Чиллер для ультразвуковой ванны считают по мощности генераторов: энергия, которую излучатели вводят в раствор, целиком превращается в его тепло, и без отвода ванна за час-два перегревается выше рабочих 40–60 °C. Калькулятор посчитает холодопроизводительность по числу ванн, мощности генераторов и продолжительности включения и покажет расход воды.

Откуда берётся тепло

• Ультразвуковые генераторы. Кавитация, трение и вязкие потери в жидкости переводят в тепло всю акустическую мощность, а потери в самих излучателях и их тепло на дне ванны уходят туда же. Считают по номиналу генератора и доле времени, когда он включён.
• Насосы фильтрации и мешалки. Циркуляция через фильтр и перемешивание греют раствор на величину мощности двигателя, как в расчёте тепловыделений от электродвигателей.
• Детали и корзины. Детали приходят холоднее раствора и тепло забирают, а не добавляют: для простоты и запаса их не учитывают.
• Нагреватели ванны. Они доводят раствор до рабочей температуры перед сменой и дальше не работают: в установившемся режиме ультразвук греет сильнее, чем ванна теряет через поверхность, и нагрузку несёт чиллер.

Промывочные и обезжиривающие ванны без ультразвука к чиллеру обычно не подключают, а ванны гальваники и анодирования считают по току и напряжению.

Формула

Q_г = n × P × ПВ / 100

Q = (Q_г + P_н) × (1 + k / 100)

G = Q / (1,163 × 5)

n — число ванн на одном чиллере; P — мощность генератора одной ванны, кВт; ПВ — продолжительность включения ультразвука, %; Q_г — тепло от генераторов, кВт; P_н — суммарная мощность насосов фильтрации и мешалок, кВт; k — запас, %; Q — холодопроизводительность чиллера, кВт; G — расход воды, м³/ч, при нагреве на 5 °C, как в расчёте мощности по расходу и температурам. Потери ванны через поверхность и стенки не вычитают: так расчёт идёт с запасом на случай крышки и утеплённого корпуса.

Температура воды от чиллера от раствора не зависит: тепло идёт через промежуточный теплообменник или змеевик, и для агрессивных растворов его делают из нержавеющей стали или титана. Если раствор держат при 20–25 °C, как для чувствительных деталей, вода нужна холоднее, 7–12 °C, и к нагрузке добавляются теплопритоки из цеха.

Пример расчёта

Линия из трёх ультразвуковых ванн с генераторами по 3 кВт, ПВ 80 %, насосы фильтрации 1 кВт, вода 12 °C, запас 15 %.

1. Тепло от генераторов: 3 × 3 × 80 / 100 = 7,20 кВт.
2. С насосами: 7,20 + 1,00 = 8,20 кВт.
3. Холодопроизводительность: 8,20 × 1,15 = 9,43 кВт, округлённо 9,4 кВт.
4. Расход воды: 9,43 / (1,163 × 5) = 1,62 м³/ч.

Как выглядит установка на 9,4 кВт — компрессоры, потребление, расход воды, габариты и масса — показано на странице чиллера 9 кВт; температуру воды там задают свою.

Типовые ошибки

• Считать по нагревателям. Нагреватель ванны 6 кВт нужен для разогрева, а в работе греет ультразвук. Чиллер считают по генераторам и насосам, а не по мощности ТЭНов.
• Вода чиллера прямо в ванну. Раствор с ПАВ, щёлочью или кислотой попадает в контур и разъедает испаритель. Контур разделяют теплообменником и заправляют по справочнику о воде для чиллера.
• Один компрессор на переменную нагрузку. Генераторы включаются и выключаются, и чиллер без бака работает короткими пусками. Объём воды в контуре проверяют по расчёту бака-аккумулятора.
• Уставка ниже точки росы. Вода 7 °C на змеевике в цехе с мойкой собирает конденсат на трубах и арматуре; трассу изолируют по расчёту теплоизоляции трубопроводов или поднимают уставку, если раствору хватает 12–15 °C.