热平衡计算剖析

1、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进入模腔的总热量Q二nxAixGin公式11-1）18式中：Qin进入模腔的总热量（KJ/h）n每小时注射次数Ai塑料熔体进入模腔时（皿乂）及冷却结束时（t1min）塑料热含之差（KJ/kg）查图4-2-13公式计算Ai=Cp（timax爲）+LE。（公式IDCp平均比热，查表4-2-4；LE潜热，查表4-2-4(kJ/kg)。公式11-3）每次注射量（kg）模具散热量Q=Q+Q+QoutcRL1）对流散发走的热量Qc=a1XFXL-10)(公式ll-4)式中：QC对流散发走的热量（KJ/h）"1传热系数数1=m-10公

2、式11-5）模具表面积（m2）12m模具平均温度（C）查表4-2-6t0室温(°C)公式11-6）F''F'为模具四侧面积，F''为模具对合面积t9”6+9'）为开模率t=gr公式11-7）e注射时间，9制件冷却时间，9»»注射周期A二4.1868x(0.25+)it+3002m当0<t300°C时，由实验得:2m2) 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

3、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 可查表4-2-5确定 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。公式11-8)仁ln兀2-kt制品的壁厚，mmTw模具温度，Cw表4-2-6Tm-塑料熔体温度表4-2-6Ts-塑件的热变形温度，sK塑料热扩散系数，m2/s表4-2-43) 由

4、辐射散发的热量公式11-9)(273+t丫2mI100丿(273+1)40I100丿式中：由辐射散发的热量(KJ/h)RF'为模具四侧面积(m2)辐射率，磨光面0.040.05一般加工面0.80.9（取一般加工面）毛坯1.0t室温t平均模温表4-2-6o2m4）向注塑机工作台面所传热量Q二3.6«F'''It-1（公式11-10）L2m0式中：Ql向注塑机工作台面所传热量（KJ/h）a传热系数，普通钢a=140（W/m2c）合金钢a=105（W/m2c）F'''模具与工作台接触面积（血2）热平衡条件Q=Q+Q+Q=Q当Q<

5、Q模具需设计冷却系统outcRLinoutin当Q>Q模具需设计加热系统当Q=Q.模具不需设计调温系统outinoutin2.冷却回路的尺寸确定当Q<Q模具需设计冷却系统AQ=Q-Qoutininout由于动定模的冷却水道是分别设置的，因此应将ql分解为凹模带走的热量Q和凸模带走的热量Q，由经验得:TQ=0.4AQ；Q=0.6AQAT公式11-11）1）冷却水用量计算AQ=mcp(t-1)woutinAQmw=CpC-1)woutin公式11-12）AQ冷却水每小时从模具所带走的热量，KJ/hm冷却水每小时用量，KJ/hwc冷却水比热容，4.18KJ/（Kg°C）wt模具

6、的出水温度，Cout匕进入模具的冷却水温度，c2）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：AQAt=t-1=t-0.5（t-1）At-A（KJ/h）t模具温度，。cm公式11-13)表4-2-6t冷却水平均温度，ccpAt模具与冷却水的平均温度差，cmcpmoutin冷却水的管壁传热系数，KJ/（m2hC）A管道的有效冷却面积，m长径比L/d50的细长冷却水管，载热模具管壁对冷却水的传热系数a=3.6A0d0.2式中，p冷却水密度v流速，(m/s)(查表6-4)d管径，（m）（查表6-4）A0冷却水物理性质参量的函

7、数（表4-1-1）Z0o6C0.4A=0。023-w0卩0.4水的热导率九，比热容C及粘度卩W均是水温的函数。3）冷却回路长度计算A=n兀dL简单粗略计算L-(AQ(3.6兀A.(pdh0一t4m5m理论计算t冷却水平均温度4mQ应排除的热量t5m冷却水管壁平均温度5m4）冷却回路压降计算Ap=32epp.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）on水在t时的运动粘度（m2/s）5mp水在t时的密度（kg/m3）5m水的流速（m/s）5）紊流计算（管径d,最低流速u,）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p=1000kg/m3每

8、小时用量mm冷却水的体积流量q=wv60p(m=AQ公式11-15)(m3/min)wCpVt一t丿woutin由紊流体积流量q_，查表4-2-2得处于紊流状态的管径d（mm）R=p-°-d>104e卩卩粘度圆管中紊流状态雷数的计算式：U:管中的最低流速（m/s）确定实际冷却水流速U=6：qvd60兀d2二0.0202qvm/s)6）冷却面积计算冷却水从模具中带走的热量为：Q=dAt-A（KJ/h）outAt=t-1mcp=t-0.5(t+1)moutint:模具温度，。cmt:冷却水平均温度，CcpAt:模具与冷却水的平均温度差，c:冷却水的管壁传热系数，KJ/（m2hC）A

9、:管道的有效冷却面积，m2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vd0.2式中,p-冷却水密度v:流速,(m/s)d:管径,(m)“：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°C2.302潜热，KJ/kg243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

10、初定查表4-2-6高密度聚乙烯模温5070C一般要求设计冷却系统;模温取值偏低值，为38C查表4-2-6高密度聚乙烯塑料熔料温度150C260C取稍高值，为230C取水温低于模温14C,为24Co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3C。查表11-5高密度聚乙烯热变形温度6082C模具外形400X400X400（mm）现拟出具体使用参数如下：熔料温度，C230模温，C38塑件脱模温度，C80注射量，kg/次0.186每小时注射量，,33.48比热，KJ/kgC2.302潜热，KJ/kg243成型时间，秒/模20每小时成型次数180水温C24平均水温C26计算步骤如下：1.热平衡

11、计算进入模腔的总热量（公式iii）Q=nxAixG=180x600x0.186=20088（KJ/h）inQin进入模腔的总热量（KJ/h）n每小时注射次数180Ai塑料熔体进入模腔时（t）及冷却结束时（1max1min）塑料热含之差（KJ/kg）查图4-2-13公式11-2）Ai=C(tt)+Lp1max1minE查图确定t1max=800(KJ/kg)t1min=200(KJ/kg)Ai=800200=600KJ/kg)模具散热量Qout=Qc+Qr+Ql(公式11-3)1)对流散发走的热量(公式11-4)Q=qxFx(tt)=6.58x0.88x18=104(KJ/h)c12m0式中：Q

12、c对流散发走的热量（KJ/h）彳专热系数a=A：tt=1.55xA.3820=6.5811V2m0公式11-5）A1=1.55360A=4.1868x(0.25+)1t+3002m模具表面积（m2）t模具平均温度（38°C）查表4-2-62m10室温20(C)F=F'+F%=0.4X0.4X4+0.4X2X0.3=0.88公式11-6）F'为模具四侧面积，F''为模具对合面积;06+0)201420=0.3公式11-7）0注射时间2秒，查表4-2-5,制件冷却时间12秒，9”注射周期20秒当0<t<300C时,2m2)由辐射散发的热量A二4

13、.1868x(0.251360+)t+3002mQF'-sR(273+t)I100丿=0.8F(273+38、100丿(273+20、100丿=15.9x0.64=10.2KJ/h)公式11-9)式中：QD由辐射散发的热量(KJ/h)RF'为模具四侧面积0.4X0.4X4=0.64(m2)辐射率，磨光面0.040.05一般加工面0.80.9(取一般加工面)毛坯1.0t室温20t平均模温38表4-2-6o2m3) 向注塑机工作台面所传热量Q3.6«-F'i-1L3.6x140xF'I38-209072x0.322903L2m0KJ/h)公式11-10)式

14、中：QL向注塑机工作台面所传热量(KJ/h)传热系数，普通钢a=140(W/m2jc)合金钢a=105(W/m2jc)F'''m模具与工作台接触面积0.4X0.4X2=0.32(QQ+Q+QoutcRL=10410.2'2903=3107KJ/h)热平衡条件Q=Q+Q+Q=Qoutcin当Q-Q.inoutin模具需设计冷却系统当Q、Qoutin模具需设计加热系统当QtQ.模具不需设计调温系统outin2.冷却回路的尺寸确定AQ=Qin一Q=20088-3017=17071KJ/hout由于动定模的冷却水道是分别设置的，因此应将Ql分解为凹模带走的热量匕和凸模带

15、走的热量Q，由经验得:TQ=0.4AQ=6828KJ/hAQ=0.6AQ=10242KJ/h(公式11-11)T1）冷却水用量计算AQm-c-p-(t-t)wwoutinAQ17071C-p(t-1)4.18x1000x3inout1.361m3/h(公式11-12)冷却水每小时从模具所带走的热量，KJ/h冷却水每小时用量，m3/h冷却水比热容，4.18KJ/（Kg°C）tout模具的出水温度24Ctin进入模具的冷却水温度27C2）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:AQa-At-A17071(KJ/h)

16、(公式11-13)Attm-tcptm-0.5(tout-n)=36.5C-模具温度，。C表4-2-6tcp冷却水平均温度，CAt模具与冷却水的平均温度差，C冷却水的管壁传热系数，KJ/（m2hC）A=17071/(XAt)=0.044m2管道的有效冷却面积，m2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a3.6A6v'0d0.28(1000x052).8-3.6x7.95x0000,5-106610.010.2式中，p冷却水密度v=0.52(m/s)流速，(查表6-4)D=10(m)管径,(查表6-4)A=7.95冷却水物理性质参量的函数（表4-1-1）水

17、的热导率，比热容C及粘度卩均是水温的函数。W简单粗略计算Z0o6-Co.4A二0。023w0卩0.43）冷却回路长度计算A=n兀dLL=An兀0.0442x兀x0.014）冷却回路压降计算公式11-14）Ap=32.q.p.u.、+L力2eLe式中：一一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）。n水在t时的运动粘度（m2/s）5mp水在t时的密度（kg/m3）5mv水的流速（m/s）寰2-4-1注射机公称注W*Qn与注射时间0公称注射量Qti(cms)60125250350bOO100020003000公称注射量Qn(cm3)400U6000800012000160002400

18、03200064000的关系（s）寒彳一28各种料材料的成型温度与模溫的关系材料.名称-.材斜温度CC）1模具温,®（°c）聚苯乙烯（PS）200務0;40GOAS树脂(AS)-.200260:4050ABS树脂(ABS)-"_2002604060丙烯酸树脂.-*-_._-_180250-|._.-4060聚乙烯（PE）：1302505070聚丙烯（FT）16Q26040&0聚酰胺(PA)200-3005565.-._I_-”.-*_-.聚甲醛(POM)I180220,80120聚碳酸酯(PC);280320:801丄0醋酸纤维素（CA）.16025。19

19、0120-:硬聚氯乙烯(RPVC)-._.180210，_：4060软聚氯乙烯（FP¥C）.170-J9014560i冇机玻璃（PM何A）22027030601氯化聚瞇CPE）1902104060聚苯醯(PBO)-k-._.2曲340；110150聚亦（PSF）300340100150礙&一1仏与水沒的羌系平均水温（X）01旦1520253035A°值5.71|6.166.607.0617.507*950.40j8.84平均水温（°C）40!45505560657075Ao值9.28!9.6610.051043110#82i11.16-°11,5

20、111.863二筹V800HDPE1FFXPA66PA6/2FTFE-3呂<1(b>图4-2-13臬些塑料熬*舍量与温度的关系表4一23常用址料熔ft凝固时放出的塑料品种Ai侑Ai值(tJ/kg)塑料品种(kJ/kg)ABS300400LDPE590690AS335:IIDPE690820POM420PC290PVAC290|ipp590丙烯酸类頰料290IPA6500600PMMA2101PS270CA290|；ptfe500CAB270iPVC170360PA6G650750|SAN270360農A2A塑料的导溫系数、导热系数、比热容、密度和潜热的关系密度P1潜热匚(kg/m&

21、#39;)(k*；kg)I热犷散率k丨导热系数X!比热容C料i5/)W/mJC)PSi8e9xlOa0.126i1*3391050ABS.,2.7x1旷八0.293'1,0471050RPVC6*2xlQe0.19b.1*8421400LDPEim0.335i2,093920130HOPE2,0XIO-7,0.481；2.553940243PP6,7xlO80.1171.926900180PA661.1X10-70.233-1.8841140130PC9.4X10-80.193i1,7161200POM9.2X1Q7:0,230|1.7581420163PMMAl#2xl0-70*20

22、9-.1.4651200聚三氟氯乙烯9t5xl010,209:1.047i2100PTFE1.1xIO'7*»-i*r0*244'；一-1E047'2100_一表4一25塑件障嵐与所禰冷却时间的关系-nipe"1:.rc''>v-制件厚度：冷PAj却时HDPE1间LDPE1ozPF'PVC(mm)1ABSPSG.5,1.8|1.810.8i1.82.5!'.3.02,33.01朋2.1一-1.0'2.93,84.513,54.52.9._*>nJ1,34.15_36.21.仁9£.24.14.61.5,5.7