Чиллер для вакуумной печи: расчёт охлаждения рубашки и закалки

Чиллер для вакуумной печи считают по двум нагрузкам: теплу нагревателей, которое через водяную рубашку камеры уходит в воду всё время нагрева и выдержки, и теплу садки, которое при закалке газом за минуты снимает встроенный теплообменник. Калькулятор складывает их в среднем за цикл, показывает пик при закалке, по которому подбирают буферный бак, и расход воды на печь.

Откуда берётся тепло

• Водяная рубашка камеры. Вакуумная печь — двустенный сосуд, между стенками которого циркулирует вода. Всё, что нагреватели отдают через теплоизоляцию горячей зоны, токовводы и смотровые окна, попадает в рубашку: в среднем за цикл ориентировочно половина установленной мощности нагревателей.
• Закалка газом. После выдержки камеру заполняют азотом или аргоном, вентилятор гонит газ через садку и встроенный водяной теплообменник. Тепло садки — десятки киловатт-часов на тонну — уходит в воду за 10–20 минут, и в этот момент нагрузка в разы выше средней.
• Насосы и приводы. Диффузионный насос, двигатель вентилятора закалки, силовые трансформаторы охлаждаются той же водой; это единицы киловатт, которые покрывает запас. Установки напыления с магнетронами и диффузионными насосами считают отдельно — задача о чиллере для вакуумного напыления.

Закалка в масляном баке вакуумной печи считается отдельно, по садкам в час, — в задаче о закалочной ванне. Если печь только нагревает и охлаждает садку вместе с камерой без газовой закалки, пика нет, но среднее тепло садки то же: оно просто уходит в рубашку медленнее.

Формула

Q_н = N × d

E = m × c_ст × (t_н − 60) / 3600

Q = (Q_н + E / τ) × (1 + k / 100)

V_б = (E / τ_з − Q) × τ_з / (1,163 × Δt_б)

Q_н — тепло нагревателей в рубашку, кВт; N — установленная мощность нагревателей, кВт; d — её доля, уходящая в воду в среднем за цикл, в калькуляторе 0,5; E — тепло садки, кВт·ч; m — масса садки с оснасткой, кг; c_ст — средняя теплоёмкость стали, 0,65 кДж/(кг·°C); t_н — температура нагрева, °C, садку считают охлаждённой до 60 °C; τ — цикл от загрузки до выгрузки, ч; k — запас, %; Q — холодопроизводительность чиллера, кВт; τ_з — длительность закалки, в калькуляторе 0,25 ч; V_б — объём буферного бака, м³, при допустимом нагреве воды в нём Δt_б, °C.

Доля мощности нагревателей в воду зависит от изоляции горячей зоны и от того, сколько времени цикла занимает выдержка: на выдержке почти вся потребляемая мощность уходит в рубашку, при разогреве часть запасается в садке. Если известна средняя потребляемая мощность печи по счётчику, её и берут за Q_н. Воду на печь подают не холоднее 15 °C, чтобы на камере не выпадал конденсат; печи с допуском воды до 30 °C подбирают индивидуально.

Пример расчёта

Печь с нагревателями 150 кВт, садка 500 кг с оснасткой, нагрев до 1050 °C, цикл 4 часа, вода на печь 15 °C, запас 15 %.

1. Тепло нагревателей: 150 × 0,5 = 75,0 кВт.
2. Тепло садки: 500 × 0,65 × (1050 − 60) / 3600 = 89,375 кВт·ч; в среднем за цикл 89,375 / 4 = 22,34 кВт, округлённо 22,3 кВт.
3. Холодопроизводительность: (75,0 + 22,34) × 1,15 = 111,9 кВт.
4. Пик при закалке за 15 минут: 89,375 / 0,25 = 357,5 кВт.
5. Буферный бак при нагреве воды в нём на 5 °C: (357,5 − 111,9) × 0,25 / (1,163 × 5) = 10,6 м³.
6. Расход воды через чиллер при нагреве на 5 °C: 111,9 / (1,163 × 5) = 19,3 м³/ч.

Бак на 10 м³ велик, поэтому на практике его уменьшают: допускают нагрев воды в баке на 10–15 °C, если печь это позволяет, или берут чиллер больше среднего. Объём бака под чиллер и его место в контуре описаны в расчёте объёма бака-аккумулятора.

Как выглядит установка на 357,5 кВт — компрессоры, потребление, расход воды, габариты и масса — показано на странице чиллера 350 кВт; температуру воды там задают свою.

Типовые ошибки

• Считать чиллер по пику закалки. Чиллер на 360 кВт для печи на 150 кВт работает четверть часа за цикл; пик снимает бак, а чиллер считают по среднему.
• Считать по нагревателям без садки. У печи с частыми короткими циклами и тяжёлой садкой тепло садки сравнимо с теплом нагревателей, и чиллер «по паспорту печи» не справляется.
• Холодная вода на камеру. При воде 7 °C на наружной стенке камеры и на фланцах выпадает конденсат, который разъедает уплотнения и капает в электрику. Печи требуют воду близко к цеховой, часто 20–30 °C, — такой чиллер подбирают индивидуально, как для масла гидростанции.
• Грязная или жёсткая вода. Каналы рубашки и теплообменника закалки узкие, накипь в них не промыть; контур печи делают закрытым с подготовленной водой — требования в справочнике о воде для чиллера, а если печь на общем цеховом контуре, её отделяют теплообменником.