Что такое помпа для водяного охлаждения
Помпа в системе охлаждения станка с ЧПУ прокачивает воду или охлаждающую жидкость по замкнутому контуру. Шпиндель обрабатывающего станка развивает большую мощность при малых габаритах и под нагрузкой выделяет много тепла, которое компактный корпус сам не отводит. У шпинделя с водяным охлаждением вокруг статора проходит рубашка, у лазерной трубки CO2 колба охлаждения: помпа подаёт в них воду из бака, вода забирает тепло и возвращается в бак.
Для таких систем берут небольшие погружные помпы на 220 В мощностью в десятки ватт. Кроме помпы в контур входят трубки, фитинги и индикатор протока. От каждого элемента зависит, сколько воды на самом деле дойдёт до шпинделя или трубки, поэтому их подбирают вместе.
Как устроена погружная помпа
Погружная помпа это центробежный насос и электродвигатель в одном герметичном корпусе. Обмотку статора и электрические соединения заливают эпоксидным компаундом и отделяют от воды тонкой стенкой. В воде вращается ротор: постоянный магнит и крыльчатка, отлитые одной деталью на керамической оси. Магнитное поле статора проходит через стенку и вращает ротор, поэтому вала, выходящего наружу, и сальника, который мог бы протечь, в такой помпе нет.
Крыльчатка отбрасывает воду от центра к стенкам корпуса, в центре возникает разрежение, и помпа засасывает новую воду через решётку. Вода одновременно смазывает керамическую ось и охлаждает двигатель. Поэтому на корпусе таких помп пишут запрет работы без воды: всухую ось и втулка работают без смазки, а двигатель перегревается.
Степень защиты IPX8 означает, что корпус рассчитан на длительное погружение в воду, а допустимую глубину производитель указывает отдельно, например 1.5 м на маркировке помпы SQD-3200. Резиновые присоски на дне держат помпу на месте и гасят вибрацию. На выходной патрубок ставят переходник под трубку: штуцер-ёлочку для мягкого шланга или быстросъёмный фитинг под трубку 8 мм.
Hmax и Qmax: что значат цифры на корпусе
На маркировке помпы стоят две гидравлические цифры. Hmax это наибольшая высота, на которую помпа поднимает воду: на этой высоте расход падает до нуля. Qmax это наибольший расход, который помпа даёт без сопротивления, когда вода свободно выходит из патрубка на уровне бака. Обе цифры предельные и одновременно не достигаются.
Например, помпа с маркировкой Hmax 3.0 м и Qmax 3000 л/ч в открытой воде перекачивает 50 л/мин, но на высоте 3 м не даёт ни капли. В реальном контуре расход устанавливается там, где напор помпы равен сопротивлению трубок, фитингов и рубашки шпинделя. Для охлаждения нужны единицы литров в минуту: 2 л/мин это 120 л/ч, 4% от Qmax такой помпы. Поэтому при выборе важнее Hmax и сопротивление контура, а большой Qmax сам по себе ничего не говорит о расходе через тонкую трубку.
Потери напора в трубках
Вода в трубке теряет напор на трение о стенки, и чем тоньше трубка, тем сильнее. Потери считают по формуле Дарси-Вейсбаха h = λ x (L / D) x v² / (2g), где L длина трубки, D внутренний диаметр, v скорость воды. Коэффициент трения λ при ламинарном течении равен 64 / Re, при турбулентном в гладкой трубке его находят по формуле Блазиуса λ = 0.316 / Re0.25. Для воды при 20 °C потери на 1 м гладкой трубки такие:
| Внутренний диаметр | 0.5 л/мин | 2 л/мин | 3 л/мин |
|---|
| 5 мм | 0.056 м | 0.97 м | 1.97 м |
| 6 мм | 0.027 м | 0.41 м | 0.83 м |
| 8 мм | 0.008 м | 0.10 м | 0.21 м |
Пример: при расходе 2 л/мин 5 м трубки с внутренним диаметром 6 мм забирают 2.04 м напора, такая же трубка диаметром 5 мм 4.84 м, а диаметром 8 мм 0.52 м. Значит, помпа с Hmax 3 м не прокачает 2 л/мин через 5 м трубки 5 мм даже без подъёма воды. При турбулентном течении потери обратно пропорциональны диаметру в степени 4.75, поэтому переход с 5 на 6 мм уменьшает их в 2.4 раза.
В таблице нет фитингов, изгибов и каналов рубашки шпинделя, у каждого из них своё сопротивление. Поэтому к потерям в трубках добавляют высоту от уровня воды до самой высокой точки контура и оставляют запас до Hmax, а реальный расход проверяют мерной ёмкостью на возврате.
Сколько воды нужно шпинделю и лазерной трубке
Расход для шпинделя считают по тепловому балансу Q = P / (c x ΔT), где P тепловая мощность, c теплоёмкость воды 4186 Дж/(кг·°C), ΔT допустимый нагрев воды. Шпиндель 2.2 кВт при КПД 80% отдаёт в воду 440 Вт, и при нагреве воды на 5 °C через него нужно прокачивать 1.26 л/мин.
Для лазерной трубки CO2 расход и температуру воды задаёт производитель трубки в инструкции. Например, для одной из распространённых серий требуют чистую воду с температурой от 10 до 50 °C и расход от 2 до 5 л/мин. По таблице потерь видно, что для 2 л/мин на возврате нужны короткие трубки с внутренним диаметром от 6 мм.
Помпа тоже нагревает воду
Погружная помпа охлаждается той водой, которую качает, поэтому вся потребляемая мощность в итоге уходит в воду: потери двигателя сразу, а работа крыльчатки через трение воды в трубках. Помпа 60 Вт за час работы отдаёт в бак 216 кДж. Без учёта теплоотдачи стенок бака это нагрев воды за час:
| Мощность помпы | бак 10 л | бак 20 л | бак 40 л |
|---|
| 45 Вт | 3.87 °C | 1.94 °C | 0.97 °C |
| 60 Вт | 5.16 °C | 2.58 °C | 1.29 °C |
| 75 Вт | 6.45 °C | 3.23 °C | 1.61 °C |
| 80 Вт | 6.88 °C | 3.44 °C | 1.72 °C |
Для сравнения шпиндель 2.2 кВт при КПД 80% отдаёт в воду 440 Вт, и помпа 75 Вт добавляет к этому ещё 17%. Поэтому мощность помпы не берут с большим запасом, а бак делают больше. Предельную температуру воды для самой помпы производитель указывает на маркировке, например 35 °C у помпы SQD-3200. Это ниже 50 °C, которые допускает для воды инструкция к лазерной трубке из примера выше, и в жару первым ограничением становится помпа.
Трубки: полиэтилен, полиуретан, силикон
Трубку обозначают двумя размерами: 8x6 значит наружный диаметр 8 мм и внутренний 6 мм. По наружному диаметру подбирают фитинг, внутренний определяет потери напора. При одинаковом наружном диаметре 8 мм трубка 8x6 даёт в 2.4 раза меньшие потери, чем 8x5.
Для быстросъёмных фитингов подходят трубки из нейлона, полиэтилена и полиуретана. Нейлон и полиэтилен жёстче, полиуретан гибкий, но все три держат точный наружный диаметр и не сминаются под цангой. Допустимые материалы трубок производитель фитингов указывает в инструкции: нейлон и полиуретан, у части производителей и полиэтилен. Мягкая силиконовая трубка под цангой сминается и в быстросъёмные фитинги не подходит. Она хорошо гнётся и плотно садится на штуцер, её надевают на штуцер-ёлочку и при необходимости фиксируют хомутом. Такой трубкой подключают лазерные трубки CO2 и штуцеры с ёлочкой.
Трубки прокладывают без перегибов: перегиб сужает сечение, а по таблице выше даже уменьшение внутреннего диаметра на 1 мм увеличивает потери в 2.4 раза.
Быстросъёмные фитинги
Быстросъёмный, или цанговый, фитинг держит трубку цангой с зубьями, а герметичность даёт резиновое кольцо внутри. Трубку вставляют до упора, и цанга не даёт ей выйти под давлением. Чтобы снять трубку, нажимают на кольцо цанги и вынимают трубку, не отпуская кольцо.
Тип фитинга обозначают буквами, а число в обозначении это наружный диаметр трубки. По распространённой системе обозначений фитингов PU это прямое соединение двух трубок, PE тройник, PV угол, PY разветвитель в форме буквы Y. Фитинг PU-08 соединяет две трубки 8 мм, PE-08 делит поток одной трубки 8 мм на две. Буквы PE здесь обозначают тип фитинга, а не полиэтилен.
По инструкциям производителей фитингов трубку режут строго поперёк, вставляют прямо до упора и слегка тянут назад, чтобы проверить фиксацию. При повторном монтаже участок трубки со следами зубьев цанги обрезают, иначе соединение может подтекать. Фитинги, рассчитанные на воздух, работают и с водой, но в своих пределах: допустимую температуру воды производитель указывает отдельно, например от 0 до 40 °C для одной из распространённых серий.
Индикатор протока
Механический индикатор протока это прозрачный корпус с крыльчаткой, который ставят в разрыв трубки. Пока вода идёт, крыльчатка вращается, и сразу видно, работает ли помпа и не пережата ли трубка. Индикатор ставят на возвратную линию после шпинделя или лазерной трубки на виду у оператора: так он показывает проток через весь контур, а не только выход помпы.
Механический индикатор не выдаёт электрического сигнала и сам не остановит шпиндель. Для автоматической защиты нужен датчик протока с контактом, который подключают к контроллеру станка или в цепь пуска частотника или блока питания лазера.
Монтаж помпы и уход
Помпу ставят на дно бака и полностью погружают, иначе она засасывает воздух и теряет напор. Возвратную трубку выводят в бак подальше от помпы, чтобы тёплая вода успевала отдать тепло в баке, а не сразу уходила обратно в контур. Помпу включают раньше шпинделя или лазера и перед работой проверяют струю на возврате.
Со временем на роторе и крыльчатке нарастает слизь, а решётку забивает грязь, и расход падает. Помпу отключают от сети, снимают решётку, вынимают ротор и промывают их. Уровень воды в баке проверяют регулярно: вода испаряется, и помпа не должна оказаться над поверхностью.
Типичные ошибки
- Выбирать помпу по Qmax и не сравнить Hmax с высотой подъёма и потерями в трубках.
- Поставить трубку с внутренним диаметром 5 мм там, где нужна 6 или 8 мм.
- Включить помпу без воды или оставить её работать, когда уровень в баке опустился ниже корпуса.
- Запустить шпиндель или лазер, пока из контура не вышел воздух.
- Поставить индикатор протока на выход помпы, а не на возврат.
- Вставить трубку в фитинг не до упора или с косым срезом.
- Не учесть нагрев воды от самой помпы в маленьком баке.
