Вытяжка и фильтрация для лазерного станка: как рассчитать производительность вентилятора

О чём эта статья и о чём нет

Что такое местный отсос, какие материалы нельзя резать на лазере и почему запрещена рециркуляция при веществах 1-го и 2-го классов опасности, мы разобрали в статье о вытяжке и безопасности, и повторять это не будем. Здесь только расчёт: сколько воздуха нужно, какой диаметр трубы взять, что делать с тепловыми потерями и когда выгоднее фильтр. Расчёт инженерный, на уровне прикидки. Окончательные цифры даёт паспорт вашего станка и вентилятора, а для цеха с несколькими станками — проект вентиляции.

Шаг 1. Сколько воздуха нужно станку

Вытяжка работает так: вентилятор создаёт разрежение в камере станка, и воздух втекает через щели, зазоры стола и отверстия обратно в станок, унося дым. Чтобы дым не выходил в помещение, скорость втекания через самое большое открытое сечение должна быть не ниже 0,5 м/с, при резке акрила и толстой фанеры лучше 0,7–1 м/с. Формула:

Q = 3600 × A × v

где Q расход в м³/ч, A суммарная площадь открытых щелей и отверстий в м², v скорость в м/с.

Пример с допущениями. Допустим, у станка 1200×900 мм открытая площадь зазоров вокруг стола и под крышкой 0,12 м², скорость берём 0,7 м/с: Q = 3600 × 0,12 × 0,7 ≈ 300 м³/ч. Для станка с большим полем и сотовым столом открытая площадь выше, и расход вырастает до 500 м³/ч и больше. Реальная площадь зазоров у конкретной модели в карточке не указана, поэтому спросите расход вентилятора и рекомендуемый диаметр воздуховода у поставщика.

У части станков вытяжка уже в комплекте. Например, по данным производителей, у моделей Wattsan 6040, 1290 ST и 1610 ST, а также Zerder FLEX 1060 и 1390 в комплект входят вытяжка и воздушный компрессор. А у фрезера A1 1325 той же марки в списке комплектации есть водяная помпа, а стружкоотсоса нет: его придётся подобрать отдельно (об этом ниже).

Шаг 2. Какой диаметр трубы взять

Скорость воздуха в трубе выбирают так, чтобы дым и сажа не оседали. Практика для вытяжки CO2-лазера: 8–12 м/с. Ниже смола оседает на стенках, выше растёт шум и сопротивление. Скорость равна расходу, делённому на площадь сечения: v = Q / (3600 × π × d² / 4).

Расчёт потерь давления для расхода 300 м³/ч. Принятая трасса: 5 метров гладкой оцинкованной трубы, 2 метра гофры у станка, три отвода 90° и вход с выходом. Коэффициенты: трение в гладкой трубе λ = 0,02, в гофре λ = 0,05, отвод ξ = 0,3, вход и выход вместе ξ = 1,5. Динамическое давление Pd = 0,6 × v², Па.

Выводы из таблицы.

1. Труба 75 мм при 300 м³/ч не работает. Потери больше килопаскаля, бытовой канальный вентилятор столько не даёт, и реальный расход упадёт в разы. Станки, у которых патрубок 75 мм, рассчитаны на меньший расход или на очень короткую трассу.
2. Диаметр 100 мм подходит с оговорками. Скорость 10,6 м/с в пределах нормы, но трасса должна быть короткой, а вентилятор давать 300 Па и больше на рабочем расходе. У вентиляторов в паспорте указано давление при нулевом расходе, на рабочей точке оно в несколько раз ниже: смотрите график характеристики.
3. Диаметр 125 мм даёт запас и тише. Если трасса длиннее 5 метров, берите его сразу.
4. Гофра дорогая. Два метра гофры стоят столько же давления, сколько пять метров гладкой трубы. Применяйте её только на коротком участке у станка.

Поэтому первое правило экономии: увеличьте диаметр и сократите трассу. Вентилятор помощнее ставят последним.

Шаг 3. Как выбрать вентилятор

Берите вентилятор по характеристике: расход Q и давление P в рабочей точке должны быть не ниже расчётных, с запасом 20–30 %. Для трассы Ø125 мм и расхода 300 м³/ч нужен вентилятор, который даёт 300 м³/ч при 110–150 Па, а не 300 м³/ч в свободном потоке. Ставьте его в конце трассы, ближе к выбросу, чтобы воздуховод работал под разрежением и дым не выдавливало в цех, как описано в статье о вытяжке и безопасности. Электрическая мощность вентилятора невелика, 0,2–0,5 кВт, и входит в нагрузку цеха из статьи об электричестве для станков.

Шаг 4. Приток и тепловые потери

Вытяжка выбрасывает воздух, и столько же должно войти. Если помещение герметичное, вентилятор не получает воздуха, поток падает, а недостающее поступает через щели, дымоход котла или соседнее помещение. Приток организуют решёткой или клапаном с противоположной стороны, а в холодное время его подогревают.

Тепло, которое уносит вытяжка, считается по формуле P = 0,335 × Q × ΔT, где P в ваттах, Q в м³/ч, ΔT разность температур внутри и снаружи в градусах. Коэффициент 0,335 это произведение плотности и теплоёмкости воздуха, делённое на 3600.

Для станка 1200×900 мм с расходом 300 м³/ч это означает, что зимой отопление тратит на воздух, ушедший в вытяжку, втрое больше, чем потребляет сам станок по паспорту (1,2–2 кВт). За 100 часов работы в месяц это около 3 000 рублей при электрическом обогреве. Эти деньги входят в постоянные расходы цеха, и нормо-час в калькуляторе зимой выше летнего.

Шаг 5. Фильтр или выброс на улицу

Фильтровентиляционный блок возвращает очищенный воздух в помещение и экономит тепло: вместо 3 кВт потерь вы платите за электричество блока (около 0,35 кВт) и за фильтры. Но это возможно не всегда: по СП 60.13330.2020 рециркуляцию не допускают из помещений, где расход воздуха определяют вещества 1-го и 2-го классов опасности, и из помещений с резким запахом. Обычная резка фанеры и акрила под это не подпадает, но запах мономера акрила и смол остаётся, и угольный фильтр насыщается быстро.

Сравнение считают по стоимости часа:

• Выброс наружу: потери тепла зимой (30 ₽ в час при 300 м³/ч) плюс электричество вентилятора около 3 ₽.
• Фильтр: электричество блока около 4 ₽ плюс комплект фильтров. Стоимость в час равна цене комплекта, делённой на его ресурс в часах работы. Цены и ресурс возьмите из паспорта блока: ресурс угольной ступени при резке акрила заметно короче, чем при гравировке дерева.

Если фильтр стоит 12 000 рублей и служит 300 часов, это 40 ₽ в час, дороже зимних потерь тепла. Если ресурс 600 часов, 20 ₽ в час, выгоднее. Для настольных граверов и маркеров, где расход мал, фильтр почти всегда лучше. Для станка 1200×900 мм с постоянной резкой выброс наружу надёжнее и дешевле в расходниках.

Фрезер: расчёт стружкоотсоса

У фрезера по дереву другая задача: транспортировать стружку и мелкую пыль. Скорость воздуха в шланге должна быть выше, около 18–20 м/с по практике пылеудаления, иначе стружка оседает. Расход равен площади сечения на скорость:

Домашний пылесос даёт 100–200 м³/ч и не транспортирует стружку по шлангу 100 мм. Для фрезера с полем 1300×2500 мм нужен стружкоотсос на 800–1 300 м³/ч с мешком или циклоном и фильтром для мелкой фракции. Предельная концентрация пыли твёрдых пород дерева 3 мг/м³ за смену по рекомендациям британского HSE, мягких 5 мг/м³ (подробнее в статье об оснащении мастерской). Пыль из циклонов и пылесборных камер по правилам противопожарного режима нужно удалять своевременно (пункт 129 Правил), а стены, пол и оборудование чистить от пыли и стружки периодически (пункт 132). Подробности — в статье о пожарной безопасности.

Как проверить на месте

1. Включите вентилятор и поднесите к щелям станка полоску бумаги или дымок от палочки: она должна втягиваться внутрь.
2. Измерьте скорость анемометром в сечении трубы и пересчитайте в расход: Q = 3600 × v × A. Если результат ниже расчётного на 30 % и больше, ищите сужения, грязную крыльчатку, закрытую заслонку и негерметичные стыки.
3. Проверьте стыки дымом при работающем вентиляторе: дым должен втягиваться в стыки, а не выдуваться.
4. Осмотрите трубу и крыльчатку: смола и сажа оседают и горят.

Ещё одну проверку лучше сделать до покупки: на пусконаладке сервис продавца запускает станок вместе с вашей вытяжкой, а не вместо неё. Уточните у сервисной службы, какой расход и диаметр патрубка нужны модели, и согласуйте это с тем, кто будет монтировать воздуховод. Тогда инженер не уедет, не дождавшись воздуха на станке.