Chlazení velkých obráběcích center

26. 6. 2020

Firma Rittal je známa především v elektroprůmyslu jako osvědčený dodavatel rozváděčových skříní všech typů a velikostí, pro různé druhy aplikací – od standardních až po velmi náročné aplikace v chemickém či jaderném průmyslu. S rozváděčovými skříněmi a výrobou elektrických rozváděčů souvisí další typy výrobků. Rittal výrobcům rozváděčů nabízí propracovaný systém rozvodu proudu a systém pokročilé automatizace výroby elektrických rozváděčů. Vedle těchto „elektrikářských“ oblastí výrobků nabízí Rittal nepostradatelnou součást provozu elektrických rozváděčů, a to systémy chlazení.
V oblasti chlazení se Rittal především orientuje na chlazení elektrických rozváděčů, kde se svým širokým portfoliem chladicích jednotek a díky svým jedinečným inovacím hraje hlavní roli na trhu.
Rittal má bohaté zkušenosti také v oblasti chlazení IT technologií a s chlazením výrobních (technologických) procesů, konkrétně s chlazením obráběcích strojů a obráběcích center.

26122815HQ2nCRGc 
Obr. 1 Chladič kapalin (chiller)

Právě chlazení obráběcích strojů je z pohledu projektanta chlazení velmi pestré a vytváří široký prostor pro různá technická řešení odvodu tepla z jednotlivých částí obráběcího stroje. Jako nejčastější a nejúčinnější způsob chlazení (odvod ztrátového tepla) je chlazení kapalinou. Pro chlazení této kapaliny (voda, olej, směs vody a glykolu) se používá tzv. průtokový chladič kapalin, jehož běžně používaný název (i v českém prostředí) je chiller.
Typů a velikostí obráběcích strojů je celá řada – od malých dílenských soustruhů a frézek až po velká portálová obráběcí centra, určená pro obrábění kovových dílců o hmotnosti několika set tun. Malé obráběcí stroje obecně neprodukují velké množství odpadního tepla a ve většině případů je teplo odváděno mimo obráběcí proces pomocí řezné kapaliny, která je chlazena přirozeně okolním prostředím.
U větších obráběcích strojů je nutné aktivně chladit řezný proces. Typ použitého chlazení závisí na tom, zda chladicí kapalina přímo oplachuje řezný nástroj, nebo zda je vytvořen labyrint kanálků pro odvod tepla z řezné hlavy. Při oplachování řezného procesu se, mimo jiné, musí řešit čistota chladicí kapaliny s ohledem na citlivost chladicího zařízení na nečistoty v chlazené kapalině.
Největší obráběcí centra vyžadují chlazení nejenom řezného procesu, ale i dalších prvků konstrukce obráběcího stroje, kde vzniká již nezanedbatelné odpadní teplo a toto přehřívání by mohlo mít zásadní vliv na funkčnost a přesnost obráběcího procesu.
Na začátku návrhu si musíme říci, jaké části obráběcího centra je nutné chladit. To je ve většině případů jasné a toto určují výrobci jednotlivých komponent a výrobci celého obráběcího stroje. U největších portálových obráběcích center se setkáváme s potřebou použít až šest různých chladicích agregátů (např. pro chlazení svislého vřeteníku, vodorovného vřeteníku, motorů a převodovek, hydrostatiky stroje, hydrostatiky vnitřního stolu, hydrostatiky vnějšího stolu). Každý tento agregát musí splňovat požadavky na chladicí výkon, požadované teploty, typ řízení, typ kapaliny, požadovaný výtlak čerpadla a třeba i konstrukční uspořádání tak, aby zapadl do celkové koncepce obráběcího centra.

Chladicí výkon
Určení chladicího výkonu, respektive výpočet ztrátového tepla, které je nutné odvést, provádějí konstruktéři obráběcích strojů teplotní analýzou. Jako kontrolní mechanizmus se používá empirické posouzení a porovnání s již realizovanými aplikacemi. 

Výkon čerpadla
Chladicí kapalina musí být z chladiče (chilleru) dopravena do místa, které chceme ochlazovat (například do hlavy obráběcího stroje, do motoru pohonu, převodovky, do nádrže s hydraulickým olejem atp.). K tomu slouží oběhové čerpadlo. Návrh oběhového čerpadla vychází z požadovaného průtoku kapaliny, tlakové ztráty a typu použité kapaliny. Potřebný průtok se odvíjí od chladicího výkonu a teplotního spádu chladicí kapaliny. Typ chladicí kapaliny je určen technologií, kterou chladíme (nejčastěji jsou použity oleje různých viskozit nebo směsi vody a nemrznoucích přísad). Určení tlakové ztráty bývá v některých případech obtížné, protože neznáme tlakovou ztrátu spotřebiče (místa, které chladíme) a velmi často, z důvodu bezpečnosti, dochází k předimenzování čerpadel, což zbytečně zhoršuje energetickou účinnost celého chladicího systému. Je nutné si uvědomit, že požadavek na vyšší tlak čerpadla je spojen se zvětšením motoru čerpadla, a tím i se zvýšením elektrického příkonu. Čerpadlo o dispozičním tlaku 2,5 bar (tj. 250 kPa) má elektrický příkon 1 kW, ale čerpadlo o stejném průtoku a dispozičním tlaku 7 bar (tj. 700 kPa) má elektrický příkon 3 kW. Tento rozdíl ve velikosti čerpadla bude mít vliv i na celkový chladicí výkon chladiče (chilleru), protože se nejenom zvýší elektrický příkon zařízení, ale část chladicího výkonu je využita na chlazení čerpadla. Je tedy zřejmé, že dimenzování čerpadla by mělo být přesné především u chladičů (chillerů) s malým výkonem, kde příkon čerpadla může mít zásadní vliv na celkový chladicí výkon chladiče (chilleru).

Nejpřesnější způsob, jak dimenzovat chlazení, je změřit tlakovou ztrátu spotřebiče a na základě tohoto měření navrhnout odpovídající oběhové čerpadlo. Jestliže měření není uskutečnitelné, lze použít čerpadlo s proměnlivým výkonem (invertorové), kde se výkon čerpadla přizpůsobí potřebám systému rozvodu chladicí kapaliny.

26123653KuMQDN7q
Obr.2 Chlazení obráběcího centra

Řízení a regulace

Další nedílnou a důležitou součástí chladicího systému je návrh řízení a regulace chladiče kapalin (chilleru) a jeho návaznost na nadřazený systém celého obráběcího centra. Nejjednodušším a nejčastějším způsobem řízení chladiče kapalin je řízení podle výstupní teploty kapaliny z chladiče kapalin (chilleru). Požadovaná teplota je buď pevně nastavena na konstantní hodnotu, nebo se mění s teplotou okolí (tzv. diferenciální řízení). Řízení na konstantní teplotu je používáno všude tam, kde potřebujeme pouze odvádět teplo a nechceme, aby teplota v chlazené části přesáhla určitou hodnotu. Jedná se například o chlazení motorů nebo převodovek. Při použití diferenciálního řízení je teplota chladicí kapaliny regulována podle teploty okolí. Tento typ regulace se používá pro chlazení všech částí obráběcího stroje, které mají vliv na přesnost obrobku; případná teplotní dilatace chlazené části totiž ovlivňuje přesnost obrábění. Cílem je odvádět teplo z kritických částí stroje tak, aby teplota chladicí kapaliny nebyla výrazně nižší než teplota okolí. V těchto případech je kapalina chlazena nejčastěji na teplotu o 2 °C nižší, než je aktuální teplota okolí. Tím je dosaženo odvodu tepla a zároveň nedochází k výrazným teplotním rozdílům v materiálu jednotlivých částí vzhledem k okolí. Tím se snižují teplotní dilatace obráběcího stroje a v důsledku toho se zvyšuje přesnost obrábění.
Diferenciální řízení teploty kapaliny je v současné době standardem u většiny dodávaných chladičů. Regulační systém chladiče na základě měřené teploty kapaliny zapíná a vypíná kompresor (regulace on/off), a tím zpětně ovlivňuje teplotu kapaliny. Tento typ regulace vnáší do systému určité nepřesnosti – nepřesnost z důvodu dopravního zpoždění měřené teploty kapaliny a nepřesnost systému regulace chladiče on/off. Dopravní zpoždění je způsobeno umístěním teplotního čidla přímo v chladiči kapalin a nikoliv v místě (v místech), které chceme ochlazovat. Regulace chladiče on/off nemusí vždy dostatečně pružně reagovat na proměnlivou potřebu obráběcího stroje, a tím dochází k odchylkám od požadované teploty kapaliny.
Ukazuje se, že další zvyšování přesnosti regulace chladicí kapaliny má zásadní vliv na přesnost obrábění. Jestliže dokážeme s předstihem určit požadovanou teplotu kapaliny a na základě této teploty plynule regulovat výkon chladiče kapaliny, dosáhneme vyšší přesnosti obrábění. Tento systém regulace vyžaduje „spolupráci“ obráběcího stroje a chladiče kapalin (chilleru). Řídicí systém obráběcího stroje určí na základě technologického postupu obrábění a vlastního měření požadovanou teplotu chladicí kapaliny a předá tuto informaci chladiči kapalin. Chladič pracuje s touto požadovanou teplotou a reguluje teplotu kapaliny tak, aby se skutečná hodnota co nejvíce blížila této požadované teplotě. Aby byla regulace co nejpřesnější, je nutné použít chladič (chiller) s plynulou regulací chladicího výkonu, který umožňuje řídit teplotu kapaliny s přesností v řádech desetin °C.

Celé obráběcí centrum je složeno ze souboru konstrukčních prvků a dalších podpůrných technologií, které mají vliv na výslednou přesnost obrobku. Realizované aplikace nám potvrzují, že v návrhu chlazení je stále vysoký potenciál ke zvyšování přesnosti obrábění, zvyšování spolehlivosti a úspor provozních nákladů obráběcího centra.

[Ing. Jan Glasnák, Rittal]


Scroll to Top