Ipari chiller méretezés a műanyagiparban: hogyan számoljuk ki a szükséges hűtőteljesítményt?

Q_hűtés = Q_olvadék + Q_hidraulika + Q_egyéb

Három tag. A legtöbb ajánlatkérés kettőt kihagy közülük, és utána csodálkozik, hogy a chiller nyáron nem bírja.

A hűtőteljesítmény méretezésére létezik egy közkézen forgó hüvelykujjszabály: negyed kilowatt minden óránként feldolgozott kilogramm műanyagra. Gyors, könnyen megjegyezhető, és a gyakorlatban rendszeresen jelentősen mellélő. Ez a cikk végigviszi a rendes számítást egyetlen, konkrét gépen, majd felskálázza egy hatgépes üzemre.

A számpélda fröccsöntésre épül, de a mögöttes módszertan más iparágakra is átvihető: a hőforrások tételekre bontása, a hőmérsékletszintek szétválasztása, a vízoldal külön ellenőrzése és a gépkiválasztás a tényleges üzemi pont szerint. A konkrét tételek és a szerszámgeometriára vonatkozó részek viszont műanyagipar-specifikusak.

Miért érdemes ezzel foglalkozni? Mert a hűtés a fröccsöntési ciklus messze leghosszabb szakasza (az ipari hűtés alapjairól szóló cikkünkben részletesen írtunk a technológiákról): hőre lágyuló anyagoknál a teljes ciklusidő kétharmadát is kiteheti. Ami a hűtésben szűk keresztmetszet, az közvetlenül a darabköltségben jelenik meg.

A hüvelykujjszabály pedig azért nem elég, mert egyetlen számban próbál összevonni több egymástól független hőforrást, amelyek aránya üzemenként teljesen más. A feldolgozott anyag típusa a felét is megváltoztathatja. A gép hajtástechnikája szintén. Nézzük őket sorban.

01. Az olvadékhő: az alapanyag sokat számít

Az első tétel az a hő, amit a megömlesztett anyagból ki kell vonni ahhoz, hogy a darab kidobható legyen. A képlet egyszerű:

Q olvadék [kW] = teljesítmény [kg/h] × Δh [kJ/kg] ÷ 3600

A Δh a fajlagos entalpiakülönbség az olvadék-hőmérséklet és a kidobási hőmérséklet között. És itt van az a pont, amit a legtöbb táblázat elhallgat: a részben kristályos anyagoknál (PP, PE, PA, POM) a Δh tartalmazza a kristályosodás látens hőjét is. Ez a hő úgy távozik, hogy közben a hőmérséklet egyáltalán nem csökken. Ezért kell a példánkban szereplő polipropilénből közel kétszer annyi hűtés, mint ugyanannyi polisztirolból.

1. ábra. A PP és a PS ugyanarról a hőmérsékletről ugyanoda hűl, mégis közel kétszer annyi hőt kell elvonni a PP-ből. A vízszintes szakasz a kristályosodás: a hőmérő áll, a hő viszont folyamatosan távozik. Ha a méretezés egyetlen átlagos Δh-val számol, itt keletkezik a hiba. Az ábra a lenti tervezési értékekkel készült, szemléltető jelleggel.

Irányadó tervezési értékek (230 → 60 °C)

Ezek irányadó tervezési értékek, nem anyagállandók. A tényleges Δh függ a konkrét típustól, a kristályossági foktól, valamint a felvett kezdő és véghőmérséklettől. Ahol elérhető, mindig az alapanyag-gyártó adatlapját használd.

Vegyünk egy konkrét gépet: 150 tonnás hidraulikus fröccsöntő, PP alapanyag, 15 kg/h átbocsátás.

15 × 600 ÷ 3600 = 2,5 kW

Miért entalpiával és nem a klasszikus fajhős képlettel?

Sok üzemben és több oktatóanyagban a régi, egyszerűbb képlet szerepel:

Q = anyagmennyiség × fajhő × hőmérsékletkülönbség

Fontos leszögezni, hogy a két módszer csak azonos kezdő- és végállapot mellett hasonlítható össze közvetlenül. A táblázatunk 230 °C-ról 60 °C-ra vonatkozik; ha valaki más ömledék- vagy véghőmérséklettel számol, a két eredmény eleve nem ugyanarról szól.

A fajhős képletnek ettől függetlenül van egy érdemi korlátja: nem kezeli explicit módon a kristályosodás látens hőjét és a fajhő hőmérsékletfüggését. Úgy kezeli a műanyagot, mint az acélt vagy a vizet, vagyis feltételezi, hogy a fajhő állandó és nincs fázisátalakulás. Részben kristályos anyagnál viszont van: a kristályosodási hő a hőmérséklet csökkenése nélkül távozik, és a fajhő sem ugyanaz olvadék és szilárd állapotban.

Amorf anyagoknál (PS, ABS, PC) nincs kristályosodási látens hő, ezért ott a fajhős közelítés általában kisebb hibát okoz. PP, PE, PA és POM esetén viszont a látens hő jelentős tétel, és ilyenkor az entalpiás módszer megbízhatóbb. Ez az egyik oka annak, hogy egy papíron elegendőnek tűnő chiller a gyakorlatban mégsem bírja.

Van egy körülmény, ami sokáig elfedte a különbséget: a régi képletet gyakran a szerszámhőmérsékletig alkalmazzák, holott a darab ennél melegebben kerül kidobásra. Ez a túl nagy hőfokkülönbség felfelé torzít, és részben ellensúlyozza a hiányzó látens hőt. A két hiba viszont nem egyforma nagyságú és nem is mindig egy irányba mutat, ezért a kioltásukra nem szabad építeni.

Összesítés · 150 t hidraulikus gép · PP · 15 kg/h

Olvadékhő	2,5 kW
Eddig	2,5 kW

A szerszám és a környezete: melyik irányba folyik a hő?

Jogos kérdés, hogy ez a 2,5 kW nem kevés-e egy szerszámhoz. A szám helyes, de érdemes tudni, mit jelent: ez az az energia, amit a polimerből el kell vonni. Hogy ebből mennyi megy a hűtővízbe, az attól függ, mit csinál a szerszám a környezetével.

És itt nem magától értetődő a hő iránya. A szerszám külső felületeinek hőmérséklete nem a vízé és nem is a fészeké, hanem valahol a kettő között. Ha ez a felület melegebb a csarnoklevegőnél, a szerszám hőt ad le, és a vízre kevesebb terhelés jut. Ha hidegebb, akkor fordítva: a csarnok és a szorítólapok fűtik a szerszámot, és ezt is a víznek kell elvinnie.

Melyik eset áll fenn? Nagyjából ez dönti el:

• Meleg szerszám (magasabb szerszámhőmérsékletet igénylő anyagok, forrócsatorna, nagy fajlagos átbocsátás): a külső felület jóval a csarnokhőmérséklet fölött van, a szerszám hőt veszít, ami csökkenti a vízoldali terhelést. A mértéke a szerszám felületétől, felületi hőmérsékletétől, a csarnok hőmérsékletétől és légmozgásától függ, tehát csak konkrét esetre számolható.

• Hideg szerszám (alacsony vízhőmérséklet, kis fajlagos átbocsátás): a külső felület a csarnokhőmérséklet alá kerülhet. Ilyenkor a környezet és a nagy tömegű szorítólapok hőt adnak a szerszámnak, ami többletterhelés. Kis fajlagos átbocsátásnál ez az eset valószínűbb, mert kevés olvadékhő érkezik, de önmagában a kg/h nem dönti el.

Ellenkező irányban egy tétel mindig ad hozzá: a plasztifikáló egység sugárzása és a fúvóka érintkezése hőt visz a szerszámba. Forrócsatornás szerszámnál pedig a fűtött elosztó vesztesége a szerszámlapokba jut, és azt is a hűtővíznek kell elvinnie. Ez utóbbi nem elhanyagolható, és külön kell számolni, a forrócsatorna-gyártó adataival.

A gyakorlati következtetés: a 2,5 kW a hideg kör gépoldali alapterhelése a polimer alapján. Ehhez a konkrét szerszám hőmérlegének tételeit hozzá kell adni vagy le kell vonni, és ezt szerszámonként kell elvégezni.

A harmatpont a rejtett korlát, ha nincs szerszámtér-szárítás

A hideg szerszámnak van egy súlyosabb következménye is, mint a száraz hőnyereség. Ha a szerszám felülete a csarnoklevegő harmatpontja alá kerül, pára csapódik ki rajta. Ez rozsdásodás és felületi hiba a darabon, a páralecsapódás pedig további, akár jelentős látens hőterhelést is okoz.

Konkrétan: 25 °C-os csarnokban 50 százalék relatív páratartalomnál a harmatpont körülbelül 14 °C, 60 százaléknál már 17 °C, 70 százaléknál 19 °C fölött van. Egy 15 °C-os szerszámkör tehát nyáron, párás csarnokban simán a harmatpont alá kerülhet.

Ezért nem az a kérdés a méretezésnél, hogy milyen hidegre tudsz menni, hanem hogy milyen hidegre szabad. Ha a központi hidegvízhálózat például 7 °C-os, a szerszámkör keveréssel vagy temperálóval ennél magasabb hőmérsékleten üzemeltethető. A hideg víz így tartalék marad, nem automatikusan üzemi beállítás.

Ez alól van kivétel: léteznek szerszámtér-szárító rendszerek, amelyek a kondenzáció megelőzésével harmatpont alatti szerszámhőmérsékletet is lehetővé tesznek. Ahol ilyen van, ott a korlát máshol húzódik.

02. A hidraulikaolaj: itt számít igazán a hajtástechnika

A szivattyú által felvett villamos teljesítmény jelentős része nem a darabba megy, hanem hővé alakul az olajban: fojtásokon, szelepeken, belső szivárgásokon. Klasszikus, állandó fordulatú hidraulikus gépnél az olajhűtés terhelése a felvett teljesítmény számottevő hányada.

A példaszámunkban 0,65-os szorzóval dolgozunk. Fontos tisztázni, hogy ez egy példafeltételezés, nem tervezési szabvány. Ha rendelkezésre áll gyártói hőterhelési adat vagy saját mérés, mindig azt kell használni helyette.

Az is fontos, hogy milyen korú géppel számolunk. A példánk egy 15–20 éves, klasszikus, állandó fordulatú hidraulikus gép.

Érdemes tudni, hogy erre a tételre több, egymástól eltérő becslési módszer van forgalomban. Van, amelyik a beépített hajtómotor teljesítményéből indul ki egy fix hányaddal, van, amelyik a ciklusátlagos felvett teljesítményből, és az iparági méretezési útmutatók sem ugyanazt az arányt használják. A mi 7,2 kW-unk az egyik lehetséges becslés, nem iparági igazság. Ha van gyártói hőterhelési adatod vagy mérésed, az mindegyiket felülírja.

A gépünk beépített hajtómotorja 22 kW, a valós ciklusátlag ennek nagyjából a fele, tehát 11 kW. Ebből a fenti feltételezéssel körülbelül 7,2 kW landol a hűtővízben.

A ciklusátlag maga is feltételezés, és erősen ciklusfüggő. Hosszabb hűtési idejű, alacsonyabb fajlagos átbocsátású gyártásnál jellemzően alacsonyabb. Ezt is érdemes mérésből venni, ha van rá mód.

Fontos, hogy a hidraulika hőterhelése nem a kg/h-val skálázódik, hanem a ciklussal és a hajtástechnikával. Szervo-hidraulikánál ez különösen jól látszik: a hűtési és állási fázisban a szabályozott szivattyúmotor akár le is állhat, ami érdemben csökkenti az olaj hőterhelését.

Itt van a méretezés legnagyobb szórású pontja. Újabb gépeknél ez a tétel érdemben kisebb, szervo-hidraulikusnál pedig jelentősen kisebb. A gépgyártók a hibrid és szervo-hidraulikus hajtásoknál kifejezetten a hűtővíz- és olajigény csökkenését emelik ki a hagyományos hidraulikához képest, egyes esetekben nagyságrendileg harmadával kisebb igényt kommunikálva. Teljesen elektromos gépnél a gép saját hűtővízigénye tovább csökken, bár a pontos mérték gépmérettől és kiviteltől függ. Ha tehát a te géparkod fiatalabb, ezt a tételt semmiképp ne vedd át a példából.

A gyakorlati következmény: egy elektromos gépekre lecserélt üzemben a régi chiller könnyen túlméretezetté válik. A túlméretezett chiller pedig rövid kompresszorciklusokkal, rossz részterhelési hatásfokkal dolgozik. Ez nem elméleti kockázat, hanem az egyik leggyakoribb ok, amiért egy jól működő üzemben magas a hűtés fajlagos energiaköltsége.

Összesítés · 150 t hidraulikus gép · PP · 15 kg/h

Olvadékhő	2,5 kW
Hidraulikaolaj (22 kW × 0,5 × 0,65)	7,2 kW
Eddig	9,7 kW

03. Az „egyéb", ami nem elhanyagolható

• Garat temperálása (feed throat): gépenként 1–2 kW. Kicsinek tűnik, de tíz gépnél már egy komplett kisebb chiller.

• Villamos szekrény hűtése: gépenként 0,5–1 kW, ha vízhűtéses szekrényhűtő van beépítve. Ezt a tételt szinte mindig kifelejtik a méretezésből, pedig folyamatosan üzemel, akkor is, amikor a gép éppen áll.

• Palackfúvó gépeknél külön: a fúvótüske hűtése. Ez a formázott palack nyakát hűti közvetlenül, tehát valóban hideg vizet kíván, és a ciklusidőt is közvetlenül befolyásolja.

• Szárítók, kompresszorok, granulátorok: ha ugyanarra a körre kötik őket, be kell számítani.

Amit ne számolj kétszer

A temperáló által a szerszámból átvett folyamathőt ne számold újra. Ez a hő már benne van az olvadékhőben; ha másodszor is beírod, ugyanazt a kilowattot fizeted ki kétszer.

Ez nem jelenti azt, hogy a temperáló hőmérlegileg semleges. A saját szivattyúvesztesége, a fűtése és az egyéb járulékos hőterhelése bekerülhet a rendszerbe, ezt külön kell mérlegelni. Csak a folyamathőt tilos duplán elszámolni.

A garat külön eset

A garat hőmérsékletét gép- és anyagfüggően szabályozni kell: a csiga felől folyamatosan hő vándorol felfelé, ugyanakkor a szárítóból érkező alapanyagnál a túlhűtés is problémát okoz. A szükséges vízhőmérsékletet és a tényleges hőterhelést a gépgyártó adatai alapján kell meghatározni, nem általános tapasztalati értékből.

Amit viszont a méretezésnél biztosan rögzíthetünk: ez nem a szerszámhűtés hőmérsékletszintje. A garat hőterhelése ezért nem automatikusan a chillerre tartozik. A példagépünknél a gépgyártó adatai alapján 1,5 kW garat és 0,5 kW villamos szekrény.

Összesítés · 150 t hidraulikus gép · PP · 15 kg/h

Olvadékhő	2,5 kW
Hidraulikaolaj	7,2 kW
Garat	1,5 kW
Villamos szekrény	0,5 kW
Gépenkénti hűtésigény	11,7 kW

Egy fogalom, ami innentől végigkíséri a számítást

A négy tétel nem ugyanazon a hőmérsékletszinten jelentkezik, és ennek a méretezés végén döntő jelentősége lesz. A szerszámhűtés valóban hideg vizet kér, jellemzően 7 és 15 °C között. A hidraulikaolajnak 25–30 °C is megfelel, a garat ennél is melegebben üzemel, a villamos szekrényhűtő pedig gyakorlatilag beéri a környezetivel.

Ezért érdemes a tételeket már most két csoportba osztani, és a cikk hátralévő részében ezekre a nevekre hivatkozunk:

• Hideg kör: ami valóban chillert igényel. A példagépünkben ez a szerszámhűtés 2,5 kW-ja.

• Meleg kör: ami magasabb hőmérsékletszinten is elvihető. A maradék 9,2 kW, vagyis a hidraulika, a garat és a szekrényhűtés.

Hogy ebből mekkora és milyen berendezés lesz, azt a 8. szakaszban számoljuk végig. Addig elég annyi, hogy a hőterhelésnek csak a kisebbik része az, amihez kompresszorra van szükség.

2. ábra. A négy tétel és a biztonsági ráhagyás egymásra épülve adja a gépenkénti méretezési alapot. A szaggatott függőleges a kilogramm alapú hüvelykujjszabály eredménye. Jól látszik, mire jó: nagyjából az anyagoldalt fedi le, a géphez kötött tételeket viszont nem. Az alsó sáv előrevetíti a 8. szakasz megállapítását: a hőterhelés közel négyötöde nem igényel hideg vizet.

04. Egy gépből üzem: egyidejűség és ráhagyás

Eddig egyetlen gépet néztünk. Skálázzuk fel egy tipikus közepes üzemre.

A példaüzem: hat, nagyságrendileg azonos, 150–200 tonnás hidraulikus fröccsöntő gép, mind PP-t dolgoz fel. A nyers összeg 6 × 11,7 = 70,2 kW.

Fontos, hogy mit jelent a 15 kg/h

A gépenkénti 15 kg/h a termelés közbeni átlagos átbocsátás, nem műszakra vetített átlag. Ha a te adatod már tartalmazza az állásidőt is, akkor az alábbi lépésben ne csökkents újra, mert azzal kétszer átlagolnál.

Amivel ne csökkents

Gyakori érv, hogy a gépek nem fröccsentenek egyszerre, ezért az összeg csökkenthető. A hőterhelés szempontjából ez nem áll meg. A chiller nem lövésenkénti csúcsteljesítményt lát, hanem időben kisimított hőterhelést: a rendszerben lévő víz hőkapacitása elnyeli a ciklusonkénti ingadozást. Az nem számít, hogy az egyik gép három másodperccel később fröccsent.

Ráadásul a számításunk már eleve átlagokkal dolgozik. A 15 kg/h átlagos átbocsátás, a 11 kW pedig ciklusátlag. Ha erre még rátennénk egy csökkentő szorzót a ciklusok eltolódására hivatkozva, kétszer átlagolnánk ugyanazt.

A termelőóra-arány önmagában nem elég

Itt van a legtöbb méretezés csendes hibája. Kézenfekvő érvelés, hogy a gyártásirányítás szerint a gépóráknak mondjuk 80 százaléka termelő óra, tehát szorozzunk 0,80-nal.

Energetikai átlagszámításhoz ez jó adat. Chiller-kapacitás méretezéséhez nem elég. A chillernek nem a műszakátlagot kell tudnia, hanem a tartós egyidejű terhelést. Hat gép lehet átlagosan 80 százalékban termelő úgy is, hogy naponta több órán át mind a hat egyszerre dolgozik. Az a néhány óra méretezi a berendezést, nem az átlag.

Csökkenteni tehát csak akkor szabad, ha van idősoros adatod, amiből kiolvasható, hány gép terhel tartósan egyszerre. Ez már nem termelőóra-arány, hanem egyidejűségi tényező, és a kettő nem ugyanaz. Ha csak az előbbi van meg, ne csökkents.

És ha van ilyen adat, akkor sem minden tételre egyformán

Ha idősoros egyidejűségi adatod van, még mindig nem szabad egyben ráengedni a teljes összegre.

Az olvadékhő egyenesen arányos a termeléssel: ha nem fröccsent a gép, nincs olvadék. A hidraulika terhelése nagyrészt szintén követi a gyártást, bár nem lineárisan.

A garat temperálása viszont akkor is fut, amikor a gép áll, de a csigaház meleg marad, tehát szerszámcsere és beállás alatt is. A villamos szekrény hűtése pedig addig üzemel, amíg a gép feszültség alatt van. Ezekre nem szabad szorozni, hacsak nem állnak le ténylegesen a géppel együtt.

Ráhagyás: a túlbiztosítás is tervezési hiba

A duplára méretezett chiller rövid kompresszorciklusokkal dolgozik, gyorsabban kopik, részterhelésen rosszabb hatásfokkal jár, és feleslegesen köti le a beruházási keretet. A példában 15 százalék ráhagyással számolunk.

Fontos, hogy ez a 15 százalék kifejezetten a gépoldali becslések bizonytalanságát fedi: az anyagadatokét, a hidraulika-becslését, a garat és a szekrényhűtés értékéét. A kör saját terheléseire (szivattyú, csőhálózat, páralecsapódás) nem vonatkozik, mert azok ekkor még nem ismertek. A végleges berendezéskiválasztásnál a tartalékot ezért újra kell értékelni, immár a teljes hőmérleg birtokában.

A példaüzemünkben nincs idősoros egyidejűségi adat, csak termelőóra-arány. Ezért nem csökkentünk.

Gépoldali alapterhelés · 6 gépes üzem · PP

Olvadékhő · 6 × 2,5	15,0 kW
Hidraulika · 6 × 7,2	43,2 kW
Garat · 6 × 1,5	9,0 kW
Villamos szekrény · 6 × 0,5	3,0 kW
Részösszeg × 1,15 ráhagyás	80,7 kW
Ha lenne 0,80-as egyidejűségi adat a gyártásfüggő tételekre	67,3 kW
Gépoldali alapterhelés	80,7 kW

Mit jelent ez a gyakorlatban

Adat nélkül 80,7 kW. Ez a helyes kiindulás, ha csak annyit tudsz, hogy a gépek nem járnak folyamatosan. A halvány 67,3 kW-os sor csak akkor lenne érvényes, ha idősoros terhelési adatod bizonyítaná, hogy a gyártásfüggő tételek tartósan is csak 80 százalékos szinten terhelnek.

A kettő között 13 kW van, ami ebben a mérettartományban nagyjából egy teljes gépméret-lépcső. Vagyis megéri kikérni a termelésirányítástól az óránkénti terhelési idősort, mielőtt ajánlatot kérnél.

Amit viszont ne csinálj: ne becsüld meg. Egy tippelt 0,8-as szorzó rosszabb, mint ha egyáltalán nem korrigálsz, mert pontosnak látszó számot ad egy olyan kérdésre, amire nincs adatod. Ha a chiller emiatt kicsi lesz, az a legmelegebb napokon derül ki.

Akkor rossz a kilogramm alapú szabály?

Nem. Ez fontos, mert a cikk eddig keményebben bánt vele, mint amennyire indokolt.

A 0,25 kW/(kg/h) szabály erre az üzemre 90 × 0,25 = 22,5 kW-ot ad. A mi számításunkban az anyagoldali terhelés 6 × 2,5 = 15 kW. Vagyis a hüvelykujjszabály az anyagoldalra nagyságrendileg jó közelítés, sőt ráhagyással.

A hiba nem a szabályban van, hanem a használatában. Aki a kilogramm alapú értéket a teljes gép chillerigényeként veszi, kihagyja a hidraulikát, a garatot és a szekrényhűtést. A példaüzemben ez a három tétel együtt 55,2 kW, vagyis a gépoldali terhelés nagyobbik része.

A helyes megfogalmazás tehát: a kilogramm alapú szabály használható gyors anyagoldali becslésre, de önmagában nem adja meg a teljes gép hűtésigényét. És minél kisebb a fajlagos átbocsátás, annál nagyobb a különbség a kettő között.

Fontos, hogy ez a 80,7 kW még nem a kiválasztandó gép. Ez a fogyasztók gépoldali alapterhelése. Hozzájön még a kör saját terhelése (05. szakasz), és hőmérsékletszint szerint szét is bomlik (08. szakasz).

05. Kilowattból liter per perc: a vízoldal

A hűtőteljesítmény önmagában semmit sem ér, ha a víz nem jut el a szerszámig kellő mennyiségben. Az összefüggés:

V [l/min] = Q [kW] ÷ (ΔT [K] × 0,0698)

A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy 5 K-es hőfoklépcsőnél minden kilowatthoz nagyjából 2,9 l/min, azaz 172 l/h víz kell. A 80,7 kW-os gépoldali alapterheléshez így körülbelül 231 l/min, vagyis 13,9 m³/h térfogatáram tartozik. Ez hőmérlegből számított térfogatáram, és nem automatikusan a végleges szivattyú-méretezési adat: a 6. szakasz megmutatja, hogy a szerszám turbulenciaigénye ennél nagyobbat is kikényszeríthet.

Ha a mért hőfoklépcső eltér a tervezettől, az diagnosztikai jel, de önmagában nem mondja meg az okot. Alacsonyabb ΔT-t okozhat a tervezettnél nagyobb térfogatáram, nyitva felejtett bypass, kisebb pillanatnyi hőterhelés vagy rossz hőátadás a szerszámban. Magasabb ΔT-t okozhat kevés víz, eldugult szűrő vagy a tervezettnél nagyobb aktuális terhelés. Az eltérés okát mindig a térfogatárammal és a pillanatnyi terheléssel együtt kell értékelni.

Egy gyakorlati jel, amit érdemes megjegyezni: ha a szerszámon átfolyó víz hőmérséklete nem emelkedik érdemben, az gyanús. Lehetséges ok többek között, hogy jóval több víz megy át a körön, mint kellene, vagy hogy a hűtőfuratok belső fala lerakódott, és a hő el sem jut a vízig. A második eset a rosszabb, mert lassan alakul ki, és sokáig nem tűnik fel. Már viszonylag vékony lerakódás is ronthatja a hőátadást és csökkentheti a szabad keresztmetszetet, mert a lerakódás hővezetése a szerszámacélénak töredéke. A ciklusidőre gyakorolt hatás azonban erősen függ a szerszám geometriájától, anyagától, valamint a lerakódás vastagságától és hővezetésétől, ezért általános szorzót nem érdemes megjegyezni.

Amit a rendszer magától hozzáad

A gépeknél számolt hőterhelés még nem a teljes kép. A hűtőkör maga is termel és nyel el hőt, és ezek a tételek éppen a hideg körnél fájnak a legjobban, mert ott a legkisebb az alapterhelés.

• A keringtető szivattyú. A tengelyteljesítménye gyakorlatilag teljes egészében a vízbe kerül. Egy 3 kW tengelyteljesítménnyel működő szivattyú tehát 3 kW többletterhelés. (A motor adattábláján szereplő villamos teljesítmény ennél nagyobb, a különbség motorveszteségként a környezetbe megy.) Egy 17 kW-os hideg körnél ez már közel húsz százalék.

• A csőhálózat hőnyeresége. A hideg víz egy meleg csarnokban folyamatosan melegszik. A mérték erősen függ a névleges átmérőtől, a csőanyagtól, a légmozgástól és a hőfokkülönbségtől, de hosszú, szigeteletlen elosztóvezetéknél kilowattos nagyságrendet is elérhet.

• Páralecsapódás. Ugyanaz a harmatpont-probléma, mint a szerszámnál, csak itt a csöveken. A kicsapódó pára rejtett hője terhelés, a csepegő víz pedig korróziós és balesetvédelmi kockázat.

• Puffertartály és szerelvények. Ugyanaz a logika, mint a csöveknél.

A meleg körnél mindez fordítva működik. A 28 °C-os vizet a 25 °C-os csarnok gyakorlatilag nem melegíti, a szigetelés ott jóval kevésbé kritikus. Ez újabb érv a körök szétválasztása mellett: nemcsak az energiaköltség, hanem a szigetelési igény is a hideg körre koncentrálódik.

Ezeket a tételeket a méretezés második körében kell hozzáadni, amikor a szivattyú és a nyomvonal már ismert. Előbb nem lehet, mert a szivattyú mérete a térfogatáramból következik, az pedig a hőterhelésből.

3. ábra. Ha a teljes hőterhelést egyetlen 12/7 °C-os körön vinnénk, ekkora térfogatáram tartozna hozzá. Ez szemléltetés, nem gépkiválasztás: a tényleges bontás a 8. szakaszban következik. A hőfoklépcső nem melléktermék, hanem tervezési paraméter, üzem közben pedig a leggyorsabb visszajelzés arról, hogy a rendszer a terv szerint működik-e.

06. A turbulencia, amiről senki nem beszél

Ez az a pont, ahol a legtöbb „gyenge a chiller" bejelentés valójában megoldódik. Ha a szerszám hűtőcsatornájában az áramlás lamináris, a fal mellett vastag, mozdulatlan határréteg alakul ki, ami hőszigetelőként viselkedik. Hiába 7 fokos a víz, a hő nem jut el hozzá.

A küszöb a Reynolds-szám 4000 körül van. Egy 8 mm-es hűtőfuratnál ez körülbelül 1,7 l/min térfogatáramot jelent. Csak ez a turbulencia kezdete, nem a tervezési célérték.

A szakirodalom ennél magasabb célértéket javasol. A leggyakrabban idézett gyakorlati érték Re ≈ 10 000, azzal az indoklással, hogy efölött a hőátadás javulása ellaposodik, tehát a további térfogatáram-növelés már többe kerül szivattyúzásban, mint amennyit hoz. Egyes geometriáknál a mért optimum ennél magasabbra esik, tehát univerzális célérték nincs, de a 4000 semmiképp nem az.

Számokban, 8 mm-es furatnál, 15 °C-os vízzel:

Térfogatáram-igény furatonként (8 mm, 15 °C)

Az értékek a furatátmérőtől és a víz hőmérsékletétől is függenek, más átmérőnél újra kell számolni.

Itt derül ki, miért félrevezető a szerszámkört pusztán kilowattban gondolni. A példagépünk szerszámköre 2,5 kW-ot kér, ami 5 K hőfoklépcsőnél alig 7 l/min lenne. Egy nyolc párhuzamos hűtőkörös szerszámnál viszont a Re ≈ 10 000 célértékhez körönként 4,3 l/min kell, tehát összesen mintegy 34 l/min. A tényleges hőfoklépcső így nem 5 K lesz, hanem alig 1 K. (Ha a nyolc furatszakasz sorba van kötve egyetlen körben, ugyanaz a 4,3 l/min folyik végig rajtuk, tehát a párhuzamos és a soros kialakítás között mérnökileg nagy a különbség.)

Ez nem hiba, hanem a szerszámkör természete: a térfogatáramot a hőátadás követelménye szabja meg, nem a hőmennyiség. A chiller a kilowattot látja, a szerszám a liter per percet kéri. A szükséges térfogatáramot a nagyobbik követelmény adja meg, a szivattyút pedig ebből a térfogatáramból és a teljes rendszer nyomásveszteségéből kell kiválasztani.

Ugyanez magyarázza, miért nem kevés a 2,5 kW. Nem a hőmennyiség kicsi a szerszámhoz képest, hanem a hőmennyiség és a szükséges vízáram között nincs egyenes összefüggés.

Ahol a turbulencia a gyakorlatban elvész

A cél-Reynolds-számhoz szükséges térfogatáramot a teljes kör nyomásvesztesége mellett kell biztosítani. A hosszú vagy szűk tömlők, a gyorscsatlakozók, a szűkítések és a hosszú hűtőfuratok mind növelik a rendszer ellenállását. Ha emiatt a szivattyú munkapontja kisebb térfogatáramra tolódik, a Reynolds-szám a kívánt érték alá eshet.

Univerzális megengedett nyomásesési érték nincs. A kört a szükséges térfogatáram és a rendelkezésre álló szivattyú jelleggörbéje alapján kell ellenőrizni.

Egy tétel, amit szinte soha nem néznek meg: a gyorscsatlakozók. Az üzemekben gyakoriak a túl hosszú, túl szűk tömlők, rajtuk kupplungokkal. Egy szelepes gyorscsatlakozó nyomásvesztesége többszöröse is lehet egy azonos névleges méretű, szabad átömlésű csatlakozóénak. A kiválasztást ezért az adott csatlakozó Δp–Q görbéje alapján kell elvégezni, nem névleges méret alapján.

Vagyis a szerszám hűtőkörének teljesítményét sokszor nem a chiller és nem is a furatgeometria korlátozza, hanem néhány rosszul megválasztott csatlakozó és egy túl hosszú tömlő. Ez a legolcsóbban javítható szűk keresztmetszet az egész rendszerben.

És nem csak energiakérdés: a temperálási hibák jelentős selejt- és minőségi kockázatot jelentenek, mert a szerszámfal hőmérsékletének egyenetlensége közvetlenül megjelenik a darab vetemedésében és felületén.

4. ábra. A lamináris áramlásnál a fal melletti álló vízréteg hőszigetelőként működik. Ilyenkor a chiller cseréje semmit nem javít: a szűk keresztmetszet a szerszámban van, nem a hűtőgépben.

07. Amit a katalógusadat nem mond el

A típuslapon szereplő hűtőteljesítmény nem univerzális szám, hanem egy konkrét mérési ponthoz tartozik: jellemzően 12/7 °C-os vízhez és 35 °C-os környezeti hőmérséklethez. Magasabb környezeti hőmérsékleten ugyanaz a levegős gép kevesebbet tud, méghozzá pontosan akkor, amikor a legnagyobb szükség lenne rá.

Hogy mennyivel kevesebbet, az nem általánosítható. Függ a kompresszortól, a kondenzátortól, a hűtőközegtől, az előremenő vízhőmérséklettől és a konkrét modelltől. A kiválasztásnál ezért mindig a gyártó teljesítménytáblázatából kell kiolvasni az adott üzemi ponthoz tartozó értéket. Az iTech chillerek teljesítménytáblázata ezt üzemi pontonként megadja.

5. ábra. Szemléltető példagörbe egy levegős chiller viselkedésére. A konkrét értékek modellenként, hűtőközegenként és vízhőmérsékletenként eltérnek, ezért a méretezésnél a gyártó teljesítménytáblázatát kell használni. Az elv viszont általános: nem a névleges kW-tal, hanem a tervezési üzemi ponthoz tartozó teljesítménnyel kell számolni.

Glikol: nem semleges hozzávaló

Kültéri egységnél fagyvédelem nélkül nem megy, de a glikol három dolgot is megváltoztat: csökkenti a keverék fajhőjét, növeli a sűrűségét, és jelentősen növeli a viszkozitását. Mindhárom hat a méretezésre, az utóbbi különösen a szivattyúzási számításnál. A szükséges térfogatáramot és a szivattyú emelőmagasságát ezért a tényleges glikolkoncentrációra újra kell számítani, a glikolgyártó mérnöki adataival. Ha a glikol utólag kerül a rendszerbe, a szivattyú eredeti méretezése elavul.

Hűtőközeg és szabályozás

Az F-gáz szabályozás, jelenleg a 2024/573/EU rendelet, forgalomba hozatali és szervizelési korlátozásokat tartalmaz bizonyos hűtőközegekre. Ez közvetlenül befolyásolja, hogy egy adott gép a beruházás élettartama alatt milyen feltételekkel tartható üzemben.

Az Ecodesign ettől független kérdés: nem a hűtőközegre, hanem a berendezés energiahatékonyságára ír elő minimumkövetelményeket. A két szabályozást a beruházási döntésnél külön kell értékelni.

08. A kétkörös rendszer: ahol a pénz van

Ha végignézzük a négy tételt, kiderül, hogy közülük mindössze egy igényel valóban hideg vizet. A gépenkénti 11,7 kW-ból a szerszámhűtés 2,5 kW-ja kér 7–15 °C-ot. A hidraulikaolaj beéri 25–30 °C-kal, a garat és a villamos szekrényhűtő pedig szintén magasabb hőmérsékletszinten üzemel.

Gépenkénti bontásban tehát a 11,7 kW-ból 9,2 kW, vagyis a hőterhelés 79 százaléka olyan szinten jelentkezik, amihez nem feltétlenül kell kompresszor. Ez az arány annál magasabb, minél kisebb a gép fajlagos átbocsátása.

Amit a szabadhűtő tud, és amit nem

Fontos itt pontosnak lenni, mert könnyű túlígérni. Egy száraz szabadhűtő akkor tud érdemben hűteni, ha a külső levegő kellő mértékben hidegebb a kívánt folyadékhőmérsékletnél. A hőcserélőnek ugyanis megközelítési hőmérséklet-különbségre is szüksége van: néhány fok eltérés még nem elegendő hajtóerő. Ha 25–30 °C-os vizet kell tartani, akkor egy 35 °C-os nyári napon a szabadhűtő önmagában nem oldja meg a meleg kört.

A helyes megfogalmazás ezért az, hogy a meleg kör hőterhelésének jelentős része az év megfelelő időszakaiban szabadhűtéssel elvihető. Magas külső hőmérsékleten kiegészítő gépi hűtésre, hibrid megoldásra, vagy a gépgyártó által engedélyezett magasabb vízhőmérsékletre lehet szükség. Hogy melyik az olcsóbb, azt a telephely klímaadataival és a szabadhűtő méretezésével kell kiszámolni.

A két kör számított hőterhelése

A hideg kör fogyasztóinak gépoldali alapterhelése körülbelül 17 kW, a meleg köré körülbelül 64 kW.

Ezek még nem a végleges hűtőberendezés-méretezési adatok. Hozzá kell adni a kör saját terheléseit az 05. szakaszból: a szivattyúmunkát, a csőhálózat hőnyereségét, a páralecsapódást. Ha például a hideg körön egy 3 kW tengelyteljesítményű szivattyú dolgozik, a 17 kW már önmagában 20 kW körül jár, még a csőhőnyereség előtt. Csak ezután jön a gépkiválasztás, körönként, a szükséges vízhőmérséklet és a tervezési külső hőmérséklet alapján.

Ez a lényeg: nem a 80,7 kW-os gépoldali alapterhelésre kell gépet választani, hanem körönként, a saját hőmérsékletszintjén. A hideg kör így lényegesen kisebb chillert igényel, mint amit a gépoldali alapterhelés sugallna.

Palackfúvó gépeknél a felosztás annyiban tér el, hogy a fúvótüske hűtése is a hideg körbe tartozik, mivel közvetlenül a palack nyakát hűti és a ciklusidőt korlátozza.

A körök szétválasztása a legnagyobb egyszeri megtakarítási lehetőség egy műanyagipari üzem hűtésében, és pontosan ezért érdemes már a méretezésnél eldönteni. Visszamenőleg ez csővezeték-átépítés, nem paraméterezés.

6. ábra. A négy tételből egyedül a szerszámhűtés kér hideg vizet. A szétválasztás után a hideg kör gépoldali alapterhelése kb. 17 kW, a meleg köré kb. 64 kW. A szabadhűtő önmagában csak akkor elegendő, ha a külső levegő kellő mértékben hidegebb a kívánt folyadékhőmérsékletnél, ezért a gépkiválasztást körönként, a tervezési külső hőmérséklettel kell elvégezni.

09. A méretezés menete, összefoglalva

• Gyűjtsd össze gépenként az anyagot, az óránkénti átbocsátást, a hajtómotor teljesítményét és a hajtástechnikát.

• Számold ki az olvadékhőt anyagspecifikus Δh-val, lehetőleg gyártói adatlapból. A részben kristályos anyagoknál ne átlagolj.

• Add hozzá a hidraulikaolaj terhelését gyártói adat vagy mérés alapján, ne sablonszorzóval.

• Vedd számba a garat temperálását, a villamos szekrény hűtését és minden más fogyasztót ugyanazon a körön, palackfúvásnál a fúvótüskét is. Ezekre kérj gépgyártói adatot.

• A temperáló által a szerszámból átvett folyamathőt ne számold újra.

• Jelöld meg minden tételnél, hogy milyen hőmérsékletszinten jelentkezik. Ez dönti el, mi kerül a chillerre.

• Csak akkor csökkents egyidejűségre, ha idősoros terhelési adatod van arról, hány gép terhel tartósan egyszerre. A termelőóra-arány önmagában nem elég. Ha nincs ilyen adat, ne csökkents. Ezután jön a ráhagyás.

• Ellenőrizd a vízoldalt: elegendő-e a térfogatáram, és turbulens-e az áramlás csatornánként. A szerszámkörnél a térfogatáram a mértékadó, nem a kilowatt.

• Nézd meg a tömlőket és a gyorscsatlakozókat is. Egy rossz kupplung többet ronthat a hűtőkörön, mint amennyit egy nagyobb chiller javít.

• Nézd meg a csarnok harmatpontját a tervezési páratartalomnál, és ehhez válaszd a szerszámkör vízhőmérsékletét. A chiller kimenő hőmérséklete és a szerszámkör hőmérséklete nem ugyanaz.

• Második körben add hozzá a rendszer saját tételeit: szivattyúteljesítmény, csőhálózat hőnyeresége, páralecsapódás. Forrócsatornás szerszámnál a forrócsatorna beviteli hőjét is.

• Olvasd ki a gyártó teljesítménytáblájából a tervezési üzemi ponthoz tartozó értéket, és számolj a tényleges glikolkoncentrációval. A gépkiválasztást körönként végezd, ne a teljes hőterhelésre egyben.

Ez a tizenkét lépés fél óra munka, ha megvannak az adatok. És ez az a fél óra, ami eldönti, hogy a következő tíz évben mennyit fizetsz a hűtésért.

A sorozat következő része: Hűtővíz-kezelés gyártóüzemekben: miért megy tönkre a chiller, amit senki sem néz meg? A vízminőség, a lerakódás és a mérési naplózás gyakorlata.