Чиллер для закалочной ванны: расчёт охлаждения масла и воды

Чиллер для закалочной ванны подбирают по теплу, которое садка отдаёт маслу или воде при закалке, и по тому, сколько садок проходит через ванну за час. Калькулятор считает тепло садки по её массе и температуре закалки, среднюю нагрузку по циклу, нагрев ванны за одну садку и показывает, какая вода нужна от чиллера и какой расход.

Откуда берётся тепло

• Садка. Детали с приспособлениями и корзиной приходят в ванну при температуре закалки, обычно 820–880 °C для стали, и остывают до температуры ванны. Всё это тепло — в несколько десятков киловатт-часов на тонну — уходит в закалочную среду за несколько минут.
• Насосы и мешалки. Циркуляция ванны и прокачка через охладитель добавляют свою мощность в масло; при больших ваннах это единицы киловатт, и их покрывает запас.
• Подогрев ванны. Масляную ванну между садками держат тёплой нагревателями, и охладитель не должен спорить с ними: его включают по верхней уставке температуры ванны.

Нагрузка на ванну импульсная: тепло садки приходит за минуты, а чиллер снимает его весь цикл. Поэтому ванну берут большой — она гасит скачок температуры, как бак-аккумулятор в контуре чиллера, — а чиллер считают по средней нагрузке за час, а не по пику. Как чиллер отводит тепло закалочного масла через маслоохладитель, описано в задаче о гидростанции: схема та же.

Формула

E = m × c_ст × (t_з − t_в) / 3600

Q = E × n × (1 + k / 100)

Δt_в = E × 3600 / (V × ρ × c)

E — тепло одной садки, кВт·ч; m — масса садки вместе с приспособлениями, кг; c_ст — средняя теплоёмкость стали между температурой закалки и ванны, в калькуляторе 0,65 кДж/(кг·°C); t_з — температура закалки, °C; t_в — температура ванны, °C; n — число садок в час; k — запас, в калькуляторе 15 %; Q — холодопроизводительность чиллера, кВт; Δt_в — нагрев ванны за одну садку, °C; V — объём ванны, л; ρ и c — плотность, кг/л, и теплоёмкость среды, кДж/(кг·°C).

Нагрев ванны за садку показывает, хватает ли объёма: для масла его обычно держат в пределах 20–30 °C, иначе садка в конце закалки остывает в слишком тёплом масле и твёрдость плавает. Если нагрев больше, увеличивают ванну, а не чиллер: чиллер снимает тепло за цикл, а скачок гасит только объём. Воду на маслоохладитель подают 25 °C, чтобы масло у стенок не густело; для водяной и полимерной ванны вода от чиллера на 10 °C холоднее ванны, но не теплее 15 °C. Расход воды считают при её нагреве на 5 °C.

Пример расчёта

Садка 500 кг с корзиной, две садки в час, закалка с 850 °C в масло 60 °C, ванна 8000 л.

1. Тепло садки: 500 × 0,65 × (850 − 60) = 256 750 кДж, или 256 750 / 3600 = 71,32 кВт·ч, округлённо 71,3 кВт·ч.
2. Средняя нагрузка: 71,32 × 2 = 142,64 кВт; с запасом 15 % Q = 142,64 × 1,15 = 164,0 кВт.
3. Нагрев ванны за садку: 256 750 / (8000 × 0,87 × 1,9) = 19,4 °C — в допустимых пределах.
4. Вода на маслоохладитель 25 °C, обратно 30 °C; расход 164,0 / (1,163 × 5) = 28,2 м³/ч.

Чиллер на воду 25 °C выходит за серийный ряд, поэтому кнопка открывает письмо с параметрами расчёта: для масла делают исполнение с водой до +30 °C. Что указать в задании, собрано в справочнике о подборе чиллера.

Как выглядит установка на 164 кВт — компрессоры, потребление, расход воды, габариты и масса — показано на странице чиллера 160 кВт; температуру воды там задают свою.

Типовые ошибки

• Считать чиллер по пику. Если делить тепло садки на минуты закалки, получится машина в десять раз больше нужной. Пик гасит ванна, чиллер считают по садкам в час. Так же, по среднему за цикл, считают закалку газом — задача о чиллере для вакуумной печи.
• Забыть корзину и приспособления. Они нагреваются вместе с деталями и часто весят столько же; масса садки — это всё, что опускают в ванну.
• Охлаждать масло холодной водой. На стенках маслоохладителя с водой 7–12 °C масло густеет, теплопередача падает, а зимой охладитель может забиться. Для масла нужна вода 25–30 °C, и это индивидуальный подбор, как и для масла гидравлики.
• Пускать масло или воду ванны через испаритель. Окалина и продукты разложения масла забивают пластины. Ванну охлаждают через отдельный теплообменник, который можно вскрыть и почистить, — справочник о теплообменниках чиллера. За сколько чиллер остудит саму ванну перед сменой, считают в расчёте времени охлаждения.