Що таке помпа для водяного охолодження
Помпа в системі охолодження верстата з ЧПУ прокачує воду або охолоджувальну рідину замкненим контуром. Шпиндель обробного верстата розвиває велику потужність при малих габаритах і під навантаженням виділяє багато тепла, яке компактний корпус сам не відводить. У шпинделя з водяним охолодженням навколо статора проходить сорочка, у лазерної трубки CO2 колба охолодження: помпа подає в них воду з бака, вода забирає тепло й повертається в бак.
Для таких систем беруть невеликі занурювальні помпи на 220 В потужністю в десятки ват. Окрім помпи, до контуру входять трубки, фітинги й індикатор протоку. Від кожного елемента залежить, скільки води насправді дійде до шпинделя або трубки, тому їх підбирають разом.
Як влаштована занурювальна помпа
Занурювальна помпа це відцентровий насос і електродвигун в одному герметичному корпусі. Обмотку статора й електричні з’єднання заливають епоксидним компаундом і відділяють від води тонкою стінкою. У воді обертається ротор: постійний магніт і крильчатка, відлиті однією деталлю на керамічній осі. Магнітне поле статора проходить крізь стінку й обертає ротор, тому вала, що виходить назовні, і сальника, який міг би протекти, у такій помпі немає.
Крильчатка відкидає воду від центру до стінок корпусу, у центрі виникає розрідження, і помпа засмоктує нову воду через решітку. Вода водночас змащує керамічну вісь і охолоджує двигун. Тому на корпусі таких помп пишуть заборону роботи без води: усуху вісь і втулка працюють без змащення, а двигун перегрівається.
Ступінь захисту IPX8 означає, що корпус розрахований на тривале занурення у воду, а допустиму глибину виробник вказує окремо, наприклад 1.5 м на маркуванні помпи SQD-3200. Гумові присоски на дні тримають помпу на місці й гасять вібрацію. На вихідний патрубок ставлять перехідник під трубку: штуцер-ялинку для м’якого шланга або швидкознімний фітинг під трубку 8 мм.
Hmax і Qmax: що означають цифри на корпусі
На маркуванні помпи стоять дві гідравлічні цифри. Hmax це найбільша висота, на яку помпа піднімає воду: на цій висоті витрата падає до нуля. Qmax це найбільша витрата, яку помпа дає без опору, коли вода вільно виходить із патрубка на рівні бака. Обидві цифри граничні й одночасно не досягаються.
Наприклад, помпа з маркуванням Hmax 3.0 м і Qmax 3000 л/год у відкритій воді перекачує 50 л/хв, але на висоті 3 м не дає жодної краплі. У реальному контурі витрата встановлюється там, де напір помпи дорівнює опору трубок, фітингів і сорочки шпинделя. Для охолодження потрібні одиниці літрів за хвилину: 2 л/хв це 120 л/год, 4% від Qmax такої помпи. Тому під час вибору важливіші Hmax і опір контуру, а великий Qmax сам по собі нічого не говорить про витрату крізь тонку трубку.
Втрати напору в трубках
Вода в трубці втрачає напір на тертя об стінки, і що тонша трубка, то сильніше. Втрати рахують за формулою Дарсі-Вейсбаха h = λ x (L / D) x v² / (2g), де L довжина трубки, D внутрішній діаметр, v швидкість води. Коефіцієнт тертя λ при ламінарній течії дорівнює 64 / Re, при турбулентній у гладкій трубці його знаходять за формулою Блазіуса λ = 0.316 / Re0.25. Для води при 20 °C втрати на 1 м гладкої трубки такі:
| Внутрішній діаметр | 0.5 л/хв | 2 л/хв | 3 л/хв |
|---|
| 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 |
Приклад: при витраті 2 л/хв 5 м трубки з внутрішнім діаметром 6 мм забирають 2.04 м напору, така сама трубка діаметром 5 мм 4.84 м, а діаметром 8 мм 0.52 м. Отже, помпа з Hmax 3 м не прокачає 2 л/хв крізь 5 м трубки 5 мм навіть без підйому води. При турбулентній течії втрати обернено пропорційні діаметру в степені 4.75, тому перехід із 5 на 6 мм зменшує їх у 2.4 раза.
У таблиці немає фітингів, вигинів і каналів сорочки шпинделя, у кожного з них свій опір. Тому до втрат у трубках додають висоту від рівня води до найвищої точки контуру й залишають запас до Hmax, а реальну витрату перевіряють мірною ємністю на поверненні.
Скільки води потрібно шпинделю й лазерній трубці
Витрату для шпинделя рахують за тепловим балансом Q = P / (c x ΔT), де P теплова потужність, c теплоємність води 4186 Дж/(кг·°C), ΔT допустимий нагрів води. Шпиндель 2.2 кВт при ККД 80% віддає у воду 440 Вт, і при нагріванні води на 5 °C крізь нього треба прокачувати 1.26 л/хв.
Для лазерної трубки CO2 витрату й температуру води задає виробник трубки в інструкції. Наприклад, для однієї з поширених серій вимагають чисту воду з температурою від 10 до 50 °C і витрату від 2 до 5 л/хв. За таблицею втрат видно, що для 2 л/хв на поверненні потрібні короткі трубки з внутрішнім діаметром від 6 мм.
Помпа теж нагріває воду
Занурювальна помпа охолоджується тією водою, яку качає, тому вся спожита потужність зрештою йде у воду: втрати двигуна одразу, а робота крильчатки через тертя води в трубках. Помпа 60 Вт за годину роботи віддає в бак 216 кДж. Без урахування тепловіддачі стінок бака це нагрів води за годину:
| Потужність помпи | 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 порівняння шпиндель 2.2 кВт при ККД 80% віддає у воду 440 Вт, і помпа 75 Вт додає до цього ще 17%. Тому потужність помпи не беруть із великим запасом, а бак роблять більшим. Граничну температуру води для самої помпи виробник вказує на маркуванні, наприклад 35 °C у помпи SQD-3200. Це нижче за 50 °C, які допускає для води інструкція до лазерної трубки з прикладу вище, і в спеку першим обмеженням стає помпа.
Трубки: поліетилен, поліуретан, силікон
Трубку позначають двома розмірами: 8x6 означає зовнішній діаметр 8 мм і внутрішній 6 мм. За зовнішнім діаметром підбирають фітинг, внутрішній визначає втрати напору. За однакового зовнішнього діаметра 8 мм трубка 8x6 дає в 2.4 раза менші втрати, ніж 8x5.
Для швидкознімних фітингів підходять трубки з нейлону, поліетилену й поліуретану. Нейлон і поліетилен жорсткіші, поліуретан гнучкий, але всі три тримають точний зовнішній діаметр і не зминаються під цангою. Допустимі матеріали трубок виробник фітингів вказує в інструкції: нейлон і поліуретан, у частини виробників і поліетилен. М’яка силіконова трубка під цангою зминається й у швидкознімні фітинги не підходить. Вона добре гнеться й щільно сідає на штуцер, її надягають на штуцер-ялинку й за потреби фіксують хомутом. Такою трубкою під’єднують лазерні трубки CO2 і штуцери з ялинкою.
Трубки прокладають без перегинів: перегин звужує переріз, а за таблицею вище навіть зменшення внутрішнього діаметра на 1 мм збільшує втрати в 2.4 раза.
Швидкознімні фітинги
Швидкознімний, або цанговий, фітинг тримає трубку цангою із зубцями, а герметичність дає гумове кільце всередині. Трубку вставляють до упору, і цанга не дає їй вийти під тиском. Щоб зняти трубку, натискають на кільце цанги й виймають трубку, не відпускаючи кільце.
Тип фітинга позначають літерами, а число в позначенні це зовнішній діаметр трубки. За поширеною системою позначень фітингів PU це пряме з’єднання двох трубок, PE трійник, PV кут, PY розгалужувач у формі літери Y. Фітинг PU-08 з’єднує дві трубки 8 мм, PE-08 ділить потік однієї трубки 8 мм на два. Літери PE тут позначають тип фітинга, а не поліетилен.
За інструкціями виробників фітингів трубку ріжуть строго впоперек, вставляють прямо до упору й злегка тягнуть назад, щоб перевірити фіксацію. Під час повторного монтажу ділянку трубки зі слідами зубців цанги обрізають, інакше з’єднання може підтікати. Фітинги, розраховані на повітря, працюють і з водою, але у своїх межах: допустиму температуру води виробник вказує окремо, наприклад від 0 до 40 °C для однієї з поширених серій.
Індикатор протоку
Механічний індикатор протоку це прозорий корпус із крильчаткою, який ставлять у розрив трубки. Поки вода йде, крильчатка обертається, і одразу видно, чи працює помпа й чи не перетиснута трубка. Індикатор ставлять на зворотну лінію після шпинделя або лазерної трубки на виду в оператора: так він показує протік через увесь контур, а не лише вихід помпи.
Механічний індикатор не видає електричного сигналу й сам не зупинить шпиндель. Для автоматичного захисту потрібен датчик протоку з контактом, який під’єднують до контролера верстата або в коло пуску частотника чи блока живлення лазера.
Монтаж помпи й догляд
Помпу ставлять на дно бака й повністю занурюють, інакше вона засмоктує повітря й втрачає напір. Зворотну трубку виводять у бак подалі від помпи, щоб тепла вода встигала віддати тепло в баку, а не одразу йшла назад у контур. Помпу вмикають раніше за шпиндель або лазер і перед роботою перевіряють струмінь на поверненні.
З часом на роторі й крильчатці наростає слиз, а решітку забиває бруд, і витрата падає. Помпу від’єднують від мережі, знімають решітку, виймають ротор і промивають їх. Рівень води в баку перевіряють регулярно: вода випаровується, і помпа не має опинитися над поверхнею.
Типові помилки
- Вибирати помпу за Qmax і не порівняти Hmax із висотою підйому та втратами в трубках.
- Поставити трубку з внутрішнім діаметром 5 мм там, де потрібна 6 або 8 мм.
- Увімкнути помпу без води або залишити її працювати, коли рівень у баку опустився нижче за корпус.
- Запустити шпиндель чи лазер, поки з контуру не вийшло повітря.
- Поставити індикатор протоку на вихід помпи, а не на повернення.
- Вставити трубку у фітинг не до упору або з косим зрізом.
- Не врахувати нагрів води від самої помпи в маленькому баку.
