Sonntag, 8. Mai 2016

Auslegung Wasserkühlung der Chinaspindel - Dimensioning of Watercooling for the chinese spindle

Nachdem die 3,0 kW Spindel angesteuert werden kann, stellt sich die Frage "Wie wird gekühlt?"
Zu beginn müssen wir beantworten, wie viel Verlustwärme wird durch die Spindel erzeugt und muss abgeführt werden. Hierfür wurde ein Testaufbau gemacht: 
Eine Zimmerbrunnenpumpe (Abb. oben rechts) mit 250 ml/min (15 L/h) wird an die Spindel angeschlossen.
In einem Eimer wird 2L Leitungswasser gefüllt. Die Spindel wird nun ohne Last bei 24.000 U/min gestartet und  die Temperaturerhöhungen werden mit der Zeit erfasst. Nach einer bestimmten Zeit lässt sich die eingebrachte bzw. aus der Spindel "entommene" Wärmemenge errechnen. Nach 30 min Messung ergibt sich folgendes Diagramm:

Da die Frässpindel im Zimmer lag und das Kühlwasser aus dem Keller kommt, wurde die Spindel für ca. 7 min. mit dem Kühlwasser konditioniert, somit wurden beinahe gleiche Temperaturen für den Start genommen. (18,4 °C Spindel / 18,0 °C Kühlwasser). Die eingebrachte Wärmemenge in das Wasser kann nun durch die Formel: Q=c x m x delta(T) errechnet werden. Der Wärmestrom bezieht sich auf die Zeit.
Somit ist nun die erforderlich abzuführende Wärmemenge und der Wärmestrom im Leerlauf der Spindel ohne Last bekannt. Die Gerade kann nun extrapoliert werden und ich schätze den realen abzuführenden Wärmestrom im Betrieb auf ca. 300 Watt.
Bemerkung/Feststellung: Die Spindel erreichte eine Maximaltemperatur von 39 °C nach 30 min. Nachdem die Spindel ausgeschaltet wurde, ließ ich alles weiterlaufen, d.h. Temperaturerfassungen und Zimmerbrunnenpumpe. Nach 15 Min. kam ich wieder in den Keller und die Temperatur der Spindel und des Wasserreservoirs sinkte nicht. Da Wasser eine sehr hohe Wärmekapazität aufweist, reicht ein geringer Volumenstrom aus um die Wärmemenge aus der Spindel zu entziehen.Ich habe 1400ml des warmen Wassers aus dem Wasserreservoir entnommen und durch kühles Leitungswasser ersetzt, siehe da die Temperatur fiel bereits nach 1 Minute.
Fazit: Ein hoher Volumenstrom ist absolut nicht notwendig für diesen Zweck. Entscheidend ist der Kühleffekt des Radiators

Da aber die Ein- und Austrittsquerschnitte an der Spindel relativ klein sind, wird ein größerer Druckverlust erwartet. Weiterhin nimmt der Druckverlust mit zunehmender Leitungslänge zu. Die Förderhöhe spielt auch eine Rolle, doch Achtung, wird Wasser in einer Leitung hochgepumpt, so muss die Pumpe die Förderhöhe leisten. Wird jedoch wieder im gleichen geschlossenen System zurück gefördert, so gleicht sich die Förderhöhe beinahe aus und muss nicht berücksichtigt werden. 

Der errechnete Druckvelust einer geraden Leitung beträgt bei glatten gezogenen Kunststoffrohren und den o.g. Parametern - einem Schlauchdurchmesser von 6 mm - Schlauchlänge 6 m - 40 °C warmen Wasser - bei 250 ml/min:

pv=7,78 mbar = 0,01 bar

Folgende Tabelle veranschaulicht die Widerstände bei gleichbleibendem Schlauch und tatsächlichem Volumenstrom der Pumpe:


Die Aquarienpumpen haben meist einen großen Austrittsquerschnitt und einen hohen Volumenstrom. Ich habe mir nun eine 3500 L/H Pumpe (evtl. schafft diese den Druck im langen Schlauch zu  überbrücken) und einen 3x-Radiator besorgt und werde über den Druckverlust berichten.

Nachtrag 27.09.2016:  Nach einem 3h Holzbearbeitungsjob am Stück erreicht die Frässspindel bei einem 6er Fräserdurchmesser und ca. 20000 U/min kritische Temperaturen >60°C. Aus diesem Grund wurde ein Lüfter an den Radiator befestigt.
 



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