热平衡计算.(DOC)

2.热平衡计算单位时间内熔体固化放出的热量等于冷却水所带走的热量 ⑴ 进入模腔的总热量 G i n Q in⨯∆⨯= （公式11-1）式中：Q in ——进入模腔的总热量（/KJ h ）n ——每小时注射次数i ∆——塑料熔体进入模腔时（1max t ）及冷却结束时（1min t ）塑料热含之差（/KJ kg ）查图4-2-13 公式计算 1max 1min ()p E iC t t L ∆=-+。

（公式11-2）P C ——平均比热，查表4-2-4；E L ——潜热，查表4-2-4 （/kJ kg ）。

G ——每次注射量（kg ）⑵模具散热量L R c out Q Q Q Q ++= （公式11-3） 1)对流散发走的热量()021t t F Q m c-⨯⨯=α （公式11-4）式中： C Q ——对流散发走的热量（/KJh ）1α——传热系数0211t t A m -=α （公式11-5）F ——模具表面积（2m） 2m t —模具平均温度（℃）查表4-2-60t—室温（℃）'''F F F τ=+ （公式11-6）'F 为模具四侧面积，''F 为模具对合面积；τ为开模率()'''''θθθθτ+-=（公式11-7）θ注射时间，'θ制件冷却时间，''θ注射周期13604.1868(0.25)300A t =⨯++当0<2m t <300℃时,由实验得:2)制品所需冷却时间计算冷却时间定义：从熔体充满型腔起，到可以开模取出制件止的这段时间。

常以制件巳充分凝固，具 有一定强度和刚性为准，具体的标准为：(a)制件最厚部断面中心层温度冷却到该种塑料的热变温度以下所需的时间。

（b ）制件断面的平均温度，冷却到所要求的某一温度以下所要的时间：（c ）某些较厚的制品，断面中心部分尚未凝固，但有一定的壳层已经凝固，此时取出制品，可不产 生让大的变形，这段时间也可定为制件的冷却时间。

(d)结晶性塑料制件最厚部位断面的中心层温度，冷却到其熔点以下所需的时间。

2)制品所需冷却时间计算 ①可查表4-2-5确定 ②可理论计算制件最厚部断面中心层温度冷却到热变温度以下所需的时间。

⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅='W w 22--4ln k t T T T T S m ππθ （公式11-8） t--制品的壁厚，㎜w T --模具温度，℃ 表4-2-6m T --塑料熔体温度，℃ 表4-2-6 s T --塑件的热变形温度，℃κ --塑料热扩散系数，㎜2/s 表4-2-43)由辐射散发的热量（公式11-9）式中：R Q ——由辐射散发的热量（/KJh ）'F ——为模具四侧面积（2m ）⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅=442'R 100273100273Q t t F m εε—— 辐射率，磨光面0.04～0.05一般加工面0.8～0.9（取一般加工面） 毛坯 1.0t o 室温 t 2m 平均模温 表4-2-6 4)向注塑机工作台面所传热量（公式11-10）式中： L Q ——向注塑机工作台面所传热量（/KJ h ）α—— 传热系数，普通钢 α=140（2/W m ℃） 合金钢 α=105（2/W m ℃）'''F ——模具与工作台接触面积（2m ）⑶热平衡条件in L R c out Q Q Q Q Q =++= 当in out Q Q ≤ 模具需设计冷却系统当in out Q Q ≥ 模具需设计加热系统 当in outQ Q = 模具不需设计调温系统⒉冷却回路的尺寸确定当in out Q Q ≤ 模具需设计冷却系统 out in Q Q Q -=∆由于动定模的冷却水道是分别设置的，因此应将L Q 分解为凹模带走的热量A Q 和凸模带走的热量T Q ，由经验得：A Q =0.4Q ∆；T Q =0.6Q ∆； （公式11-11）1）冷却水用量计算()in out w w t -t c m Q ⋅⋅⋅=∆ρ ()in out w t t C Q-⋅⋅∆=ρwm （公式11-12）Q ∆ 冷却水每小时从模具所带走的热量，KJ/hw m 冷却水每小时用量，KJ/h w c 冷却水比热容，4.18KJ/（Kg ·℃） out t 模具的出水温度，℃in t 进入模具的冷却水温度，℃[]02'''L 6.3Q t t F m -⋅=α2）冷却面积、管径、流速确定 d 管径（m ）、v 流速（m/s ）（查表6-4可得） 1）（冷却面积计算）冷却水从模具中带走的热量为：()KJ/h A t Q⋅∆⋅=∆α （公式11-13）()in out m cp m t -t 0.5-t t -t t ==∆ t m模具温度，℃ 表4-2-6t cp 冷却水平均温度，℃ t ∆ 模具与冷却水的平均温度差，℃α冷却水的管壁传热系数，KJ/（m 2·h ·℃）A 管道的有效冷却面积，m 长径比L/d>50的细长冷却水管，载热模具管壁对冷却水的传热系数式中，冷却水密度----ρv 流速，（m/s ） （查表6-4）d 管径，（m ）（查表6-4） A 0 冷却水物理性质参量的函数（表4-1-1）水的热导率λ，比热容C W 及粘度 μ均是水温的函数。

3）冷却回路长度计算L d n A ⋅⋅⋅=π 简单粗略计算()()mm t t d A 548.006.3QL -⋅⋅⋅⋅⋅∆=νρπ 理论计算 t 4m 冷却水平均温度 t 5m 冷却水管壁平均温度 △Q 应排除的热量 4）冷却回路压降计算 ()2132pd Le +⋅⋅⋅⋅=∆υρη （公式11-14）式中： Le ——冷却回路因孔径变化或改变方向引起局部阻力的当量长度（m ）。

η 水在t 5m 时的运动粘度（m 2/s ） ρ 水在t 5m 时的密度（kg/m 3） ν 水的流速 （m/s ）()0.20.8d v 3.6A ⋅=ρα0.40.4W600C 0230A μλ⋅=。

5）紊流计算（管径d ，最低流速υ，）计算在紊流状态，冷却水的体积流量V 和相应的管径。

由于水的密度31000kg/m =ρ 每小时用量w m冷却水的体积流量ρ60m q w v =（()in out w t t C Q -⋅⋅∆=ρw m 公式11-15）（m 3/min ） 由紊流体积流量q v ，查表4-2-2得处于紊流状态的管径d （㎜） 。

圆管中紊流状态雷数的计算式： 4e 10dR ≥⋅⋅=μυρ υ:管中的最低流速（m/s ） 粘度 μ 确定实际冷却水流速υ2v2v d q 0.0202d 604q =⋅=π （m/s ）6）冷却面积计算冷却水从模具中带走的热量为：()KJ/h A t Q out ⋅∆⋅=α ()in out m cp m t t 0.5-t t -t t +==∆t m :模具温度，℃ t cp :冷却水平均温度，℃t ∆:模具与冷却水的平均温度差，℃α:冷却水的管壁传热系数，KJ/（m 2·h ·℃）A:管道的有效冷却面积，m 2长径比L/d>50的细长冷却水管，载热模具管壁对冷却水的传热系数()0.20.8d v ⋅=ρφα式中，冷却水密度----ρv:流速，（m/s ） d:管径，（m ）φ:与冷却水温度有关的物理系数 ，可查表求。

冷却回路计算示例有一成型高密度聚乙烯食品盒模具，每一模一件，塑件壁厚为1.9mm 。

工艺设计参数：注射量，kg/次 …………………… 0.186 每小时成型次数……………………180 每小时注射量………………………33.48比热，KJ/kg·℃……………………2.302潜热，KJ/kg (243)成型时间，秒/模 (20)热平衡设计：1)冷却水用量计算2)冷却面积计算3)冷却水体积流量计算及冷却水管径确定4)紊流计算5)冷却回路长度计算6)冷却回路压降计算加热或冷却方案初定查表4-2-6 高密度聚乙烯模温50～70℃一般要求设计冷却系统；模温取值偏低值，为38℃查表4-2-6 高密度聚乙烯塑料熔料温度150℃～260℃取稍高值，为230℃取水温低于模温14℃，为24℃。

根据塑件的质量要求，拟控制各条冷却回路的出入口温度为3℃。

查表11-5 高密度聚乙烯热变形温度 60～82 ℃模具外形 400×400×400（㎜）现拟出具体使用参数如下：熔料温度，℃ 230模温，℃ 38塑件脱模温度，℃ 80注射量，kg/次 0.186每小时注射量，, 33.48比热，KJ/kg·℃ 2.302潜热，KJ/kg 243成型时间，秒/模 20每小时成型次数 180水温℃ 24平均水温℃ 26计算步骤如下： 1.热平衡计算 ⑴ 进入模腔的总热量 （公式11-1）20088186.0600180=⨯⨯=⨯∆⨯=G i n Q in（/KJ h ）Q in ——进入模腔的总热量（/KJ h ）n ——每小时注射次数180i ∆——塑料熔体进入模腔时（1max t ）及冷却结束时（1min t ）塑料热含之差（/KJ kg ） 查图4-2-13 （公式11-2） 1max 1min ()p E iC t t L ∆=-+。

查图确定 1max t =800（/KJ kg ） 1min t =200（/KJ kg ）600200800=-=∆i （/KJ kg ）⑵模具散热量L R c outQ Q Q Q ++= （公式11-3）1)对流散发走的热量 （公式11-4） ()1041888.058.6021=⨯⨯=-⨯⨯=t t F Q m cα（/KJ h ）式中： C Q ——对流散发走的热量（/KJ h ）1α——传热系数 58.6203855.10211=-⨯=-=t t A m α （公式11-5）A 1=1.55F ——模具表面积（2m） 2m t —模具平均温度（38℃）查表4-2-60t —室温20（℃）'''F F F τ=+ =0.4×0.4×4＋0.4×2×0.3=0.88 （公式11-6）'F 为模具四侧面积，''F 为模具对合面积；τ为开模率()3.0201420'''''=-=+-=θθθθτ （公式11-7） 123604.1868(0.25)300m A t =⨯++θ注射时间2秒，查表4-2-5，'θ制件冷却时间12秒，''θ注射周期20秒当0<2m t <300℃时, 2)由辐射散发的热量（/KJ h ） （公式11-9）式中：R Q ——由辐射散发的热量（/KJ h ）'F ——为模具四侧面积0.4×0.4×4=0.64（2m ） ε—— 辐射率，磨光面0.04～0.05一般加工面0.8～0.9（取一般加工面） 毛坯 1.0 t o 室温20 t 2m 平均模温38 表4-2-6 3)向注塑机工作台面所传热量（/KJ h ）（公式11-10）式中： L Q ——向注塑机工作台面所传热量（/KJ h ）α—— 传热系数，普通钢 α=140（2/W m ℃） 合金钢 α=105（2/W m ℃）'''F ——模具与工作台接触面积0.4×0.4×2=0.32（2m ）L R c out Q Q Q Q ++==104＋10.2’＋2903=3107（/KJ h ）热平衡条件in L R c out Q Q Q Q Q =++= 当in out Q Q ≤ 模具需设计冷却系统当in outQ Q ≥ 模具需设计加热系统 当in out Q Q = 模具不需设计调温系统⒉冷却回路的尺寸确定out in Q Q Q-=∆=20088-3017=17071 KJ/h由于动定模的冷却水道是分别设置的，因此应将L Q 分解为凹模带走的热量A Q 和凸模带123604.1868(0.25)300m A t =⨯++2.1064.09.1510020273100382738.0100273100273Q 44'4042'R =⨯=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅=F t t F m ε[][]290332.0907220381406.36.3Q '''02'''L =⨯=-⨯⨯=-⋅=F t t F m α走的热量T Q ，由经验得：A Q =0.4Q ∆=6828 KJ/hT Q =0.6Q ∆=10242 KJ/h （公式11-11）1）冷却水用量计算()in out w w t -t c m Q ⋅⋅⋅=∆ρ()361.13100018.417071m w =⨯⨯=-⋅⋅∆=in out w t t C Q ρ m 3/h （公式11-12）Q ∆ 冷却水每小时从模具所带走的热量，KJ/hw m 冷却水每小时用量，m 3/hw c 冷却水比热容，4.18KJ/（Kg ·℃） out t 模具的出水温度24℃in t 进入模具的冷却水温度27℃2）冷却面积、管径、流速确定 d 管径（m ）、v 流速（m/s ）（查表6-4可得） （冷却面积计算）冷却水从模具中带走的热量为：()KJ/h17071A t Q =⋅∆⋅=∆α （公式11-13）()in out m cp m t -t 0.5-t t -t t ==∆= 36.5℃ t m模具温度，℃ 表4-2-6t cp 冷却水平均温度，℃ t ∆ 模具与冷却水的平均温度差，℃α冷却水的管壁传热系数，KJ/（m 2·h ·℃）A=17071/（α×t ∆）=0.044 m 2管道的有效冷却面积，m 2长径比L/d>50的细长冷却水管，载热模具管壁对冷却水的传热系数式中，冷却水密度----ρv =0.52（m/s ）流速， （查表6-4）D=10（m ）管径，（查表6-4） A 0 =7.95冷却水物理性质参量的函数（表4-1-1）()()1066101.052.0100095.76.3dv 3.6A 2.08.00.20.8=⨯⨯⨯=⋅=ρα水的热导率λ，比热容C W及粘度 μ均是水温的函数。