Опыт снижения разогрева рабочей жидкости

Принцип работы объемного гидропривода

Почему объемный гидропривод так широко применяется в технике? Ответ кроется в простоте и надёжности. Энергия потока сжатой жидкости от насоса через систему управления поступает в гидродвигатели — цилиндры или гидромоторы — которые совершают полезную работу. Заметьте: без перепада давлений между входом и выходом поток просто не возникнет.

Что это значит на практике? Если жидкость течёт через гидравлическое сопротивление (трубопроводы, фильтры, аппараты), в нём неизбежно возникают потери давления Δр. А поскольку при Δр = 1 МПа температура потока растёт примерно на 0,6 °С, определённый перегрев рабочей жидкости (РЖ) — это не исключение, а правило.

Признаться честно: игнорировать этот факт — значит рисковать надёжностью всего оборудования. Часть теплоты поглощается маслом (удельная теплоёмкость с = 1,88…2,1 кДж/(кг·°С)), часть рассеивается через стенки бака и трубопроводов. Но в большинстве случаев температура РЖ не должна превышать 55 °С. Вот почему расчёт теплового режима — обязательный этап проектирования.

Дроссельное и объемное регулирование

Гидроприводы делятся на два типа по способу регулирования скорости гидродвигателя. В системах объёмного регулирования изменение скорости достигается путём изменения рабочего объёма насоса или гидромотора. Гидравлические потери здесь минимальны — и это главное преимущество.

Дроссельное регулирование устроено проще: рабочие объёмы гидромашин постоянны, а скорость меняется за счёт изменения проходного сечения дросселей или регуляторов расхода. Быстродействие высокое, конструкция проста. Но есть обратная сторона: значительные потери мощности и, как следствие, повышенный разогрев РЖ.

Расчёт потерь мощности на примере лебедки

Рассмотрим дроссельный гидропривод лебедки, содержащий нерегулируемый насос с подачей 32 л/мин; предохранительный клапан, настроенный на давление 10 МПа; регулятор расхода, ограничивающий частоту вращения гидромотора; гидрораспределитель и гидрозамок.

Рис. 1. Гидропривод лебедки

Пусть при подъеме груза гидромотор потребляет расход РЖ, равный 25 л/мин, причем перепад давлений в его камерах Δрм составляет 8 МПа. Когда имеет место максимальный разогрев РЖ в баке: при подъеме пустой клети (вариант 1 с Δрм ≈ 0) или при наличии максимально допустимого груза массой m (вариант 2)?

Учитывая, что потери мощности Рп = Δр × Q / 60 (Δр – перепад давлений, МПа; Q – расход, л/мин; Рп, кВт), рассмотрим основные дроссельные потери в гидроприводе.

Как видим, ответ довольно неожиданный: при подъеме пустой клети дроссельные потери в гидроприводе почти втрое выше и, следовательно, больше разогрев РЖ.

Экспериментальный метод оценки потерь

При работе гидропривода происходит поглощение теплоты рабочей жидкостью и ее естественное рассеяние стенками бака. Сразу после включения насоса происходит исключительно первый из указанных процессов, поскольку практически отсутствует разность температур между баком и окружающим воздухом. Далее по мере разогрева прогрессирует второй процесс и, наконец, при достижении установившейся температуры он становится единственным.

Рис. 2. Экспериментальная кривая изменения температуры масла в баке

Таким образом, анализ экспериментальной кривой изменения температуры Δt во времени t (рис. 2), снятой за первые 20...30 мин работы гидропривода, позволяет оценить потери мощности Рп в гидросистеме. Для этого нужно провести касательную к кривой Δt = f(t) в начальной точке и определить градиент:

После чего можно подсчитать потери мощности, кВт, по формуле:

Рп = 0,032 × V × J

где V – вместимость бака, л.

Для примера, показанного на рис. 2, V = 25 л и J = 21/60 = 0,35 °С/мин, следовательно Рп = 0,032 × 25 × 0,35 = 0,28 кВт.

При Рп = const после экспериментального определения значения J можно прогнозировать ожидаемую величину превышения установившейся температуры масла в баке, °С, над температурой окружающей среды по формуле:

Требуемая вместимость бака:

Если принять Δtу = 35 °С, можно определить необходимую вместимость бака в зависимости от потерь мощности в гидроприводе (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость вместимости бака от потерь мощности

При работе гидрофицированного оборудования чаще всего Рп ≠ const, а изменяется в различных переходах цикла. В этом случае для расчета теплового режима определяют среднюю величину потерь мощности по формуле:

где Рi – мощность, потребляемая насосом в каждом из переходов цикла, кВт; рi и Qi – соответственно давления, МПа, и расходы, л/мин, масла, требующиеся для выполнения полезной работы; τi — времена переходов цикла.

Воздушные и водяные теплообменники

Если в соответствии с тепловым расчетом требуемая вместимость бака получается слишком большой (например, 600 л при Рп = 2 кВт), применяют устройства искусственного охлаждения — теплообменники, чаще всего воздушные или водяные. В воздушных теплообменниках сливающаяся из гидросистемы разогретая РЖ проходит через радиаторы, которые обдуваются вентилятором, установленным на валу электродвигателя (или гидромотора); в водяных — через систему трубопроводов (или пластин), омываемых охлаждающей водой.

Современные малогабаритные воздушные теплообменники предлагают ООО «Апрель ГПС Системы» и ОАО «Альфа Лаваль Поток». В качестве примера на рис. 4 показаны теплообменники фирмы SESINO мод. АР178Е и АР300Е. Последний имеет встроенный регулируемый термостат, обеспечивающий включение вентилятора при увеличении температуры РЖ до заранее заданного уровня. Как видно из характеристик теплорассеяния, для мод. АР300Е коэффициент Кт достигает величины 0,185 кВт/°С. Это значит, что при Δt = 35 °С рассеивается мощность Р = 0,185·35 = 6,47 кВт.

Рис. 4. Теплообменники фирмы SESINO

Воздушные теплообменники передовых фирм (Bosch Rexroth, Emmegi, Duplomatic, Hydac, SESINO, Vickers) рассчитаны на давление 1…2 МПа и рассеивают мощность до 130 кВт; теплообменники отличаются компактной конструкцией и низким уровнем шума. Теплообменники PTK фирмы Bosch Rexroth встраиваются в кронштейн, соединяющий насос с приводным электродвигателем, и успешно применяются для охлаждения дренажного потока, сливающегося из корпуса насоса. Теплообменники RAD-4 фирмы Duplomatic комплектуются встроенным реле давления, терморегулятором и перепускным клапаном.

Предлагаемые ЗАО «ГидраПак Силовые и Управляющие Системы» компактные малошумные кондиционеры мод. CSU фирмы Emmegi (рис. 5) габаритов 16, 20, 25, 35, 45, 50 и 53 способны при перепаде температур 35 °С рассеивать соответственно 2,6; 3,9; 7,3; 8,9; 12,3; 14,4 и 21,3 кВт мощности. Они могут комплектоваться фильтрами и/или тепловыми регуляторами, включенными параллельно теплообменнику и в зависимости от текущего значения температуры РЖ перепускающими часть потока в бак, минуя теплообменник.

Рис. 5. Малошумный кондиционер CSU фирмы Emmegi

Водяные теплообменники по сравнению с воздушными существенно компактнее, бесшумны, имеют б?льшее теплорассеяние, однако они требуют подвода охлаждающей воды и канализации; в ряде случаев имеется опасность попадания воды в масло.

Водяные теплообменники ведущих зарубежных фирм способны рассеивать мощность до 500 кВт. Фирмы Bosch Rexroth и Hydac предлагают компактные автономные кондиционеры с насосом, водяным теплообменником и встроенным фильтром (тонкость фильтрации 3, 5, 10 или 25 мкм). Фирма Emmegi поставляет теплообменники различных монтажных вариантов, в том числе для встройки непосредственно в баки.

В компактных пластинчатых водяных теплообменниках ведущих фирм удачно решена проблема герметизации масляной и водяной полостей. В качестве примера на рис. 6 показан теплообменник ОАО «Альфа Лаваль Поток» с разборными пластинами размером 208×78 мм, способный рассеивать мощность до 16 кВт. Чередующиеся пластины, через которые проходят потоки РЖ и охлаждающей воды, собираются в пакет, а соединительные отверстия уплотняются эластомерными прокладками, причем даже в случае их разгерметизации имеют место наружные утечки масла или воды, а не смешивание их потоков.

Рис. 6. Пластинчатый водяной теплообменник с разборными пластинами

Для комплектации теплообменников широко используются различные терморегулирующие устройства. Например, термостатические клапаны AVTA фирмы Emmegi способны автоматически регулировать поток охлаждающей воды с целью ее экономного расходования. Перепускные клапаны AIB фирмы Hydac обеспечивают гидравлическую защиту теплообменника от перегрузки.

Как подобрать систему охлаждения

А теперь — важный нюанс. Выбор между воздушным и водяным теплообменником зависит от условий эксплуатации:

Практические рекомендации

Что в сухом остатке? Богатый опыт эксплуатации показывает: проблема перегрева РЖ решается прежде всего сокращением потерь мощности. И только при необходимости — подключением теплообменников.

Вот почему грамотный расчёт на этапе проектирования экономит время, деньги и нервы в эксплуатации. Заметьте: даже небольшая оптимизация гидросхемы может снизить нагрев на 10–15 °С — без дополнительных затрат на охлаждение.

А если тепловой режим всё же требует искусственного отвода тепла? Выбирайте решение под задачу: воздушное — для мобильных и компактных систем, водяное — для стационарных мощных установок. И не забывайте про терморегуляцию: она продлевает ресурс и масла, и оборудования.