Чиллер для станка с ЧПУ: охлаждение шпинделя и СОЖ

Фрезерный станок со шпинделем 15 кВт к концу смены перестает держать размер. Рядом стоит чиллер для станка чпу «на 15 кВт, как у шпинделя». Он работает, а тепло все равно копится. Причин может быть несколько: бак СОЖ, тактование машины, сдвиг рабочей точки после смены уставки, сам шпиндель. Начните с замеров, описанных ниже. По оценке (КПД мотора 0,85–0,93, не паспорт конкретного шпинделя) в воду со шпинделя S1 15 кВт (S1 — режим непрерывной нагрузки) уходит порядка 1–3 кВт: это потери мотора и подшипников, а не мощность резания. Чиллер «как у шпинделя» для этого контура завышен примерно в 5–15 раз. Одновременно бак СОЖ греется от насоса: в условном примере 20 бар × 50 л/мин это 1,7 кВт, около 5 К в час на баке 300 л без учета потерь в цех.

Коротко

• Контуров два: шпиндель (малый расход, чистая жидкость) и бак СОЖ (стружка, масло, мощный насос).
• Уставку и допуск берем из паспорта станка и шпинделя; если паспорт молчит, спрашиваем производителя шпинделя.
• Просите расчет по своим данным и кривую мощности при максимальной температуре воздуха, а не подбор по киловаттам.

Охлаждение СОЖ на станке и шпиндель: два контура с разным расходом и давлением

Рубашка шпинделя работает с малым расходом и низким давлением; значения берите из паспорта шпинделя. В контуре СОЖ стружка, масло и насос на 20–70 бар (в условных примерах; у вашего станка по паспорту). Рубашку на общий контур с насосом СОЖ не сажаем: стружка и масло забьют каналы. Привод подач и гидравлика станка — отдельные источники тепла; чем и с какой уставкой их охлаждать, указано в паспорте станка. В расчет этой статьи они не входят.

На фото: воздушный моноблок КРИО-A — смотреть в каталоге

Допуск по температуре. Единой цифры для всех станков нет. Окно уставки и допуск для шпинделя задает производитель шпинделя в паспорте; если паспорт молчит, спросите у него. Для СОЖ допуск задает паспорт станка. Какое из двух окон уже, без этих паспортов сказать нельзя. Довод за два контура другой: у рубашки шпинделя малый расход и низкое давление, а в контуре СОЖ стружка, масло и насос высокого давления.

Чем грозит неверная уставка СОЖ. Слишком теплая СОЖ: выше примерно 30 °C бактерии в водных СОЖ размножаются заметно быстрее (по данным производителей СОЖ), но и при 20 °C они растут, поэтому охладитель не заменяет контроль концентрации, pH и чистку бака; кроме того, возможен дрейф размера и термокомпенсации станка. Слишком холодная: конденсат на станке и разница температур между СОЖ и деталью, которая меняет размер (оценка: у стальной детали около 1,2 мкм на каждый К на каждые 100 мм размера, α≈12·10⁻⁶ 1/К).

Один чиллер на оба контура возможен через пластинчатый теплообменник на СОЖ, но уставку придется занижать на температурный напор, и добавляются насос и бак. Если допуски расходятся, нужны раздельные контуры.

Как посчитать тепло и расход: формулы для вашего станка

Это инженерные оценки; давления и мощности условные, замените их данными своего станка.

1. Тепло шпинделя в воду. По КПД: при 0,85–0,93 для 15 кВт потери составят 1,1–2,6 кВт (потери = P·(1/КПД − 1)); для консервативного подбора берут около 20 % от S1, то есть около 3 кВт (инженерный ориентир, не паспорт). Точнее измерить на станке под нагрузкой: расход и ΔT между входом и выходом рубашки. Тогда Q = V̇ × 0,0697 × ΔT, где Q в кВт, V̇ в л/мин, ΔT в К; коэффициент 0,0697 для воды, для пропиленгликоля 30 % он 0,0656.

2. Расход: Q = 0,0697 × V̇ × ΔT для воды. Для 3 кВт при ΔT 2 / 3 / 5 К расход 21,5 / 14,4 / 8,6 л/мин.

3. СОЖ: тепло насоса P = Δp × V̇ / 600 (бар, л/мин → кВт). 20 бар × 50 л/мин = 1,67 кВт, 70 бар × 30 л/мин = 3,5 кВт плюс потери мотора. Нагрев бака без охладителя: dT/dt = Q × 3600 / (V × 4,1), К/ч, V в литрах.

Тепло в бак, кВт	Бак 300 л, К/ч	Бак 1000 л, К/ч
0,7	2,0	0,6
1,5	4,4	1,3
3	8,8	2,6

Это начальный наклон: кривая выходит на плато, когда потери в цех сравняются с нагревом. Метод: выключить охладитель, засечь рост температуры бака и посчитать Q = V × 4,1 × dT/dt / 3600; это оценка снизу. Весь поток СОЖ через чиллер дает малый перепад (при 3 кВт и 30 л/мин всего 1,4 К), поэтому охладитель ставят в бак или на ветку.

4. Воздух цеха и трубы. Воздух и потери в трубах подогревают воду: учитывайте поправкой и запасом.

Итог: сумма нагрузок плюс поправка на воздух и трубы плюс запас 10–25 % дает порядок мощности. Запас — инженерная практика, не норматив. Ошибка «мощность станка = мощность чиллера» бывает двух сторон. Завышение: подбор по киловаттам станка. Для одного шпиндельного контура S1 15 кВт машина в 5–15 раз больше его тепла (1–3 кВт), тактует и хуже держит температуру. Недобор: не учтены тепло резания и воздух цеха, в жару уставка не держится.

Уставка и рабочая точка: неисправность или новый режим

Перепад задает нагрузка при данном расходе, не чиллер: 3 кВт при 20 л/мин дают 2,2 К, 1 кВт дает 0,7 К. Поэтому упавший ΔT при держащейся уставке означает меньшую нагрузку, байпас, выросший расход или неточные датчики, но не потерю мощности чиллера; байпас и датчики при этом проверьте.

На фото: холодильный агрегат КРИО-K2 — смотреть в каталоге

Подняли уставку: это сдвиг рабочей точки без пересчета. Нагрузка и расход те же, ΔT прежний. Меняется поведение чиллера: производительность растет примерно на 3 % на каждый градус температуры кипения (температура хладагента в испарителе; порядок величины в пределах 10–15 °C от паспортной точки). Ступени (секции компрессора, включающиеся по очереди) разгружаются, циклы короткие, машина тактует и недогружена. Обратный случай: опустили уставку или цех стал жарче, производительность падает; если нагрузка выше упавшей мощности, уставка не держится и компрессор работает на 100 %.

Как отличить режим от поломки. Если ΔT и расход прежние, уставка держится, а изменились только число включений и загрузка компрессора, это режим. Если уставка не держится при компрессоре 100 %, это нехватка мощности или неисправность; различить помогает таблица ниже. Уставка не ниже Td + 2–3 К (Td — точка росы; инженерная рекомендация, не норматив).

Проверка стоящего чиллера: пять замеров.

1. Расход, л/мин, против минимального по паспорту шпинделя.
2. Температуры входа и выхода и ΔT; по ним нагрузка Q = 0,0697 × V̇ × ΔT.
3. Давление конденсации и температура воздуха у машины.
4. Перегрев на выходе испарителя, по паспорту модели.
5. Уставка против положения компрессора и ступени загрузки.

Что видим	Режим или неисправность	Что делать
Уставка держится, компрессор не на 100 %, ΔT мал, расход обычный	Режим: недогруз или сдвинутая рабочая точка	Чиллер не чинить; пересчитать точку, проверить датчики входа и выхода (при ΔT около 0,6 К погрешность ±0,3–0,5 К дает ошибку 50–80 %, порядок величины), при тактовании проверить бак-накопитель
Уставка не держится, компрессор 100 %, расход обычный, ΔT выше расчетного	Нагрузка выросла: нехватка мощности	Измерить нагрузку по формуле, пересчитать подбор
Уставка не держится, компрессор 100 %, давление конденсации высокое	Грязный конденсатор или жара в цехе	Почистить, сверить с кривой мощности при максимальной температуре воздуха
Расход ниже паспортного	Неисправность контура воды: фильтр, насос, воздух	Проверить сетчатый фильтр и насос, удалить воздух
Уставка не держится, расход и давление конденсации обычные, перегрев вне паспортного	Неисправность холодильного контура	Вызвать сервис; уставкой не лечить

Подробнее: «Охлаждение шпинделя и СОЖ: почему уходит точность на станке с ЧПУ».

Какой тип охлаждения выбрать: чиллер для станка чпу и охладитель СОЖ под условия цеха

Тепло можно отдать только в среду холоднее уставки: проточная вода и драйкулер подходят, пока вода из сети или наружный воздух холоднее уставки с запасом; когда они теплее, нужен чиллер; окно уставки производители шпинделей дают в паспорте. Как устроен контур, описано в материале про принцип работы чиллера.

На фото: воздушный чиллер КРИО-AL — смотреть в каталоге

Тип	Что охлаждает	Жара в цехе	Пыль и масляный туман
Драйкулер	Шпиндель, центральный контур	Работает, пока воздух у блока холоднее уставки с запасом	Выносной блок, ребра пылятся
Чиллер с воздушным конденсатором	Шпиндель, центральный контур	Мощность падает с ростом температуры воздуха; предел в паспорте модели	Пыль и туман забивают конденсатор
Погружной в бак	СОЖ одного станка	Зависит от модели	Чистку бака планируют с остановкой охладителя
Циркуляционный	СОЖ нескольких станков	Зависит от модели	Трубопровод и фильтры

Нагрузка	Что ставят	Почему
Контур шпинделя, 1–5 кВт тепла	Воздушный моноблок КРИО-A с баком и насосом	В карточках 1,6 кВт при 4,6 л/мин и 5,2 кВт при 14,8 л/мин: перепад около 5 К; иной перепад и расход подтверждаем у производителя
Бак СОЖ станка, единицы кВт	Погружной КРИО-CI, 0,6…35 кВт	Нагрузка бака от насоса в условных примерах 1,7–3,5 кВт плюс потери мотора, без тепла резания; модель берем по вашему расчету
Центральный контур нескольких станков	Циркуляционный КРИО-C	Мощность по сумме нагрузок; в карточках ряда расход от 20 до 390 л/мин

Кривую мощности при 32/40/45 °C запрашиваем у производителя конкретной модели при подборе. Для задач «охладитель СОЖ промышленный» смотрите категорию «Охлаждение СОЖ и масла».

Что убивает чиллер в цеху: ошибки подбора

• Грязный конденсатор или фильтр. Симптом: авария по высокому давлению в жару. Расчетный пример, не измерение: если загрязнение поднимет температуру конденсации на 8 К, мощность упадет порядка на 20 % (около 2,5 % на каждый К, порядок величины). На сколько градусов поднимет конденсацию конкретная пыль или масляный туман, зависит от вашего цеха.
• Выбор по номиналу без кривой. Симптом: срыв уставки в жару. Мощность воздушных машин при росте воздуха с 32 до 45 °C падает, величину дает кривая модели; для КРИО-A кривой в карточках нет, запрашиваем у производителя.
• Погружной охладитель. При потере герметичности испарителя хладагент и масло могут попасть в СОЖ; защиту уточняйте у производителя.

Что передать нам, чтобы получить расчет, а не «подберем по киловаттам»

1. Мощность шпинделя S1 и модель станка (из паспорта: температура жидкости, допуск, минимальный расход).
2. Что охлаждаем: шпиндель, СОЖ или оба контура, сколько станков.
3. Объем бака СОЖ, давление и подача насоса, по возможности dT/dt бака при выключенном охладителе.
4. Температура и допуск ±K для шпинделя и СОЖ.
5. Расход и температуры входа и выхода, если чиллер уже стоит.
6. Максимальная температура воздуха, пыль и масляный туман, расстояние до станка, фото места.
7. Питание 220/380 В и минимальная температура цеха на простое (нужен ли гликоль).

Отправьте данные через форму заявки на krio-term.ru или письмом менеджеру КРИОКОНТ. Стоящий чиллер посмотрим по вашим замерам. Весь ряд оборудования — в каталоге.