Сравнение систем охлаждения подшипников насосов: воздушное против масляного

При подборе метода отвода тепла из зоны качения необходимо обращать внимание на режимы нагрузки, скорость вращения и конструкционные особенности узла. В случае с горизонтальными агрегатами средней мощности, часто применяются оба варианта.

Воздушное охлаждение реализуется за счет ребристых корпусов и крыльчаток, создающих поток. Для масляного применяется циркуляция смазки, обеспечивающая отвод тепла.

При скорости вращения в пределах 1500–1800 об/мин и мощности двигателя до 50 кВт достаточно потоков, создаваемых вентилятором. Температура корпуса в таких условиях редко превышает 60–70 °C. Толщина стенок корпуса влияет на теплоотдачу. Для чугунных изделий применяются ребра с площадью не менее 1,5 м² на каждые 10 кВт.

В случае масляного варианта параметры иные. При тех же оборотах температура масла может доходить до 90 °C. Вязкость смазки по ISO VG 46 обеспечивает устойчивость пленки при таких значениях.

Если применяется циркуляция масла, типичный расход на подшипниковый узел составляет 0,5–1,2 л/мин. Давление подачи удерживается в пределах 0,3–0,5 бар. Для этой цели используются шестерёнчатые насосы с производительностью до 3 л/мин.

Для охлаждения масла подходит кожухотрубный теплообменник площадью 0,5 м² при потоке воды 1 м³/ч и перепаде температур 30 °C.

В установках, где рабочая жидкость прогревается выше 100 °C, воздушного охлаждения недостаточно. Масляный контур позволяет избежать перегрева. При тепловыделении более 5 кВт на узел использование воздушного способа нецелесообразно.

Стальные корпуса при таких нагрузках быстро нагреваются. В случае модульных насосов с встроенными подшипниками масляная ванна выполняется объемом не менее 2,5 л. Это обеспечивает необходимую инерцию тепла.

Материалы для подшипниковых крышек различаются. Для воздушного чаще применяют чугун марки СЧ20 или алюминиевые сплавы АЛ9 с теплопроводностью 140–160 Вт/(м·К). Для масляного узла предпочтительнее сталь 20Х13 или бронза БрО10Ф1.

Они выдерживают постоянный контакт с маслом без риска коррозии. Герметизация осуществляется манжетами из нитрильного каучука NBR с температурным диапазоном от −40 до +120 °C.

Для корректной работы системы смазки важен выбор фильтров. Для масляного контура применяются элементы тонкой очистки с ячейками 25 мкм и пропускной способностью 5 л/мин. Давление после фильтра не должно падать более чем на 0,1 бар. При превышении этого значения фильтрующий элемент подлежит замене.

При монтаже воздушного охлаждения учитывается направление вращения вентилятора. Поток должен быть направлен вдоль продольной оси корпуса. Если длина вала превышает 400 мм, на валу устанавливается дополнительная крыльчатка диаметром 120–150 мм. Частота вращения крыльчатки соответствует валу и достигает 1800 об/мин.

Величина тепловыделения рассчитывается по формуле: Q = P * η * (1 − η), где P — мощность, η — КПД. Для подшипниковых узлов средних размеров потери составляют 1,5–2 % от входной мощности. При P = 30 кВт и η = 0,92 тепловыделение составит около 500–600 Вт.

Толщина стенки теплообменника для масляного охлаждения выбирается 2–3 мм из меди или нержавеющей стали. Сопротивление потоку не должно превышать 0,1 бар на входе и выходе. В случае с воздушной системой масса ребристого корпуса увеличивается на 5–7 % относительно гладкого. Это повышает инерцию нагрева, что желательно при пульсациях нагрузки.

Габаритные размеры систем также различаются. При мощности насоса 30–40 кВт воздушный кожух имеет диаметр 250–300 мм и длину до 400 мм. Масляный бак подбирается объемом 3–4 л с габаритами 200×150×200 мм. Вес масляной системы увеличивает общую массу агрегата на 15–20 %. В случае с агрегатами, работающими в непрерывном режиме, такой рост массы оправдан повышением надежности.

В вязкостных режимах ниже ISO VG 32 использование масляного охлаждения становится нецелесообразным из-за низкой несущей способности пленки. Для таких условий подходит воздушный вариант. При высоких оборотах (выше 3600 об/мин) рекомендуется переходить на масляный контур независимо от нагрузки. Центробежные силы ухудшают распределение смазки в воздушной системе.

Важна правильная сборка. Для масляной схемы расстояние между соплом подачи и дорожкой качения не должно превышать 15 мм. Это обеспечивает точное попадание струи. Диаметр сопла — 2–3 мм. Для воздушной системы необходимо оставлять зазор между крыльчаткой и кожухом не менее 3 мм. Это снижает сопротивление потоку.

Для долговременной работы на температурах выше 80 °C масло с индексом вязкости не менее 100 предпочтительнее. Так, масло ISO VG 68 имеет индекс около 100 и кинематическую вязкость 68 мм²/с при 40 °C. В случае воздушного охлаждения смазка используется реже, чаще ограничиваются пластичной смазкой на основе литиевого мыла с каплепадением 180–200 °C.

При компоновке оборудования с вертикальным расположением вала предпочтительнее масляная система. Поток воздуха менее эффективен при вертикальной ориентации. Для горизонтальных компактных агрегатов с ограниченным пространством воздушный способ более удобен в монтаже.

Учитывая, что температура рабочей жидкости в химических насосах достигает 120–150 °C, чаще выбирается масляная система с дополнительным водяным теплообменником. При этом поток воды 1,5 м³/ч с перепадом 25 °C позволяет отводить до 44 кВт тепла. Диаметр трубопроводов — 15–20 мм.

При выборе метода отвода тепла желательно учитывать условия пуска и остановки. Масляная система сохраняет остаточное охлаждение дольше за счёт тепловой инерции жидкости. В случае остановки агрегата с воздушной системой температура падает быстрее. Это снижает риски перегрева во время последующего старта.

Использование сплавов с повышенной теплопроводностью позволяет повысить эффективность любого варианта. Для алюминия типично 160–220 Вт/(м·К), меди — 390 Вт/(м·К). Однако их применяют ограниченно из-за стоимости и коррозионной стойкости. Чаще используется чугун с показателем 40–60 Вт/(м·К), которого достаточно при нормальных режимах.