流道板加热功率与热损失计算方法

加热器的功率是在一定时间内，流道板从室温加热至塑料熔体注射温度所需功率。当流道板达到给定温度时，由温度调节器自动控制，补偿热损失功率，维持热流道温度的恒定。

1.流道板升温加热功率

加热流道板所需功率由三部分组成。其一是达到给定注射温度所需电加热功率；其二是补充流道板的传导、对流和辐射热损耗功率；其三是考虑电网电压波动影响和加热器的热效率。

工程设计时计算流道板的加热器功率

式中 P——流道板加热器的电功率（kW）；

m——流道板的质量（kg）；

C——流道板材料的比热容[kJ/（kg·℃）]，对钢材C=0.48kJ/（kg·℃）；

t——流道板的加热升温时间（min）通常为20～30min。时间的长短取决于流道板尺寸大小和注射工艺温度；

ΔT——流道板注射工作温度与室温之差（℃）；

η₀——加热流道板的效率系数，流道板的绝热条件良好时，η₀=0.47～0.56；承压圈和支承垫都能绝热，但无防辐射的铝箔设计时，取η₀=0.44～0.50；当流道板系统的绝热条件很差，承压圈和支承垫用碳钢制造，又无防辐射的措施时，则η₀=0.33～0.38。

此效率系数_η0=η_dη_e，其中η_d为加热器的电热效率；η_e是流道板热损耗的补充功率系数。

加热器的电热效率_ηd主要是考虑电网电压的影响

电网正常电压为220V，在有电压波动时

又考虑到电热元件的制造质量，电热器在流道板上的安装质量，及维护质量等都会影响电热效率。电热效率η_d=0.8～0.9。

对于热流道对周边的低温模板的热传递造成的热损失必须予以加热补充。尽管流道板悬挂在模框内，以空气绝热，但存在承压圈和支承垫的热传导，存在间隙中空气的热对流损失，还有流道板外表面的热辐射损失，在有良好的绝热条件下，此三种热损失总和与模板升温加热功率相比为（0.6～0.7）∶1。流道板热损失系数η_e=0.63～0.59。反之，绝热设计很差时，热损失是升温功率的1.5倍左右，η_e=0.42。

2.热损失的控制

塑料注射模热流道的热损失，包括热传导、热对流和热辐射。

（1）热传导 图12-67所示的热传导，主要由流道板上的承压圈、支承垫及固定螺栓或不加热的主流道喷嘴，传热给注射模的定模固定板、垫块和定模板。减小热传导损失的途径有：减小承压圈和支承垫的接触面积，从而减小热流；采用传热系数较低的材料，例如不锈钢，钛合金和烧结陶瓷制造承压圈和支承垫；用不锈钢制造固定螺钉。热流道模具材料的传热系数见表12-15。

图12-67 热流道系统的热传导

1—定模固定板 2—承压圈 3—流道板 4—垫块 5—支承垫 6—定模板 7—喷嘴 T₁—热流道板的注射工作温度T₂—注射模具结构件的温度

热流道系统的固态零部件的热传导由前式（12-1），描述为热流道板

式中 Q_c——热流道板的传热损失（W）；

λ——绝热零件材料的传热系数[W/（m·℃）]；

δ——绝热零件的厚度，m；

A_c——绝热零件的接触面积，m²；

T₁——热流道板的注射工作温度，℃；

T₂——注射模具结构件的温度，℃。

表12-15 热流道模具材料的传热系数λ（单位：W/（m·℃））

（2）热对流 热流道系统的热对流如图12-68所示。与周边模具零件之间间隙中的空气与金属间存在热交换和对流热损失。流道板的对流热损失，不但发生在它与注射模结构零件之间，甚至发生在流道板与注射模外的空气之间。减少对流热损失的常用方法有：封闭流道板周边的间隙空间，限制和阻隔空气的流通；在流道板的大面积的表面上，或在模具结构件里侧加装绝热板。

图12-68 热流道系统的热对流

T_W—流道板壁面的温度 T_g—周边环境空气的温度

流道板与周边模具零件之间。间隙中的空气与金属表面间的热交换，按式（12-8），对流热损失，按式（12-8）有

Q_f=α _f^A f（T_W-T_g）（12-29）

式中Q_f——流道板的对流损失（W）；

α_f——传热系数[W/（m²·℃）]；空气自然对流的α_f=5～10W/（m²·℃）；

A_f——流道板的壁表面面积（m²）；

T_W——流道板壁面的温度（℃）；

T_g——周边环境空气的温度（℃）。

（3）热辐射 图12-69所示，高温的热流道表面向外界辐射能量。这种辐射传热是的热流道系统热损失的组成部分。热辐射交换发生在流道板与定模模架结构件之间。降低热辐射损失途径：流道板表面磨削后抛光，板厚的四周侧面也应该如此；保持流道板周边间隙空间清洁；流道板外表面上安装光亮的大面积铝箔反射片；在流道板的外表面或在模框的里表面上安装大面积的绝热板。从流道板壁面的黑体辐射系数C_o，可以认识到流道板表面质量和光亮程度的重要性。有光亮的铝箔覆盖时C_o=0.18W/（m²·K）；经抛光的光亮壁面其C_o=0.40W/（m²·K）；经发黑处理或锈蚀的灰暗壁面的C_o=2.62W/（m²·K）。C_o值越小，热辐射损失越低。(https://www.xing528.com)

图12-69 热流道系统的热辐射

T₁—流道板壁面的温度 T₂—定模框壁的温度

如图12-69所示，高温的流道板表面向外界辐射能量。这种辐射传热是热流道系统热损失的组成部分。由式（12-9）和（12-10）热辐射描述，对于热流道板用下式描述

Q_r=α_rA_r（T₁-T₂） （12-30）

式中 Q_r——流道板的辐射热损失（W）；

A_r——定模框壁的表面面积（m²）；

α_r——热辐射系数[W/（m²·K）]；

式中 ΔT=T₁-T₂

T₁——流道板壁面的热力学温度（K）；

T₂——定模框壁的热力学温度（K）；

C_o——热辐射系数[W/（m²·K⁴）]，见表12-3。

[例1]图12-70所示的热流道系统，有流道板外形为80mm×500mm×46mm，有三个垫圈，其外径为25mm，内孔直径为14mm，厚为5mm。要求流道板的最高工作温度360℃；注射模的温度100℃。计算加热功率。

图12-70 流道板的绝热设计

1—主流道杯 2—过滤网套 3—支承垫圈 4—定位销 5—止转销 6—承压垫圈 7—端面堵塞 8—金属密封圈 9—热流道分喷嘴 10—金属管状电热弯管 11—热电偶 12—反射箔片 13—绝热板 14—销钉

[解]

1）流道板的质量，由钢的密度7.85kg/dm³，得

m=0.8×5×0.46×7.85kg=14.4kg

2）流道板与定模的温差

ΔT=T₁-T₂=360K-100K=260K

3）设流道板的升温时间20min，板材的比热容C=0.48kJ/（kg·℃），得流道板升温加热功率

4）三个垫圈的热传导面积

5）垫圈的热传导功率损耗。用4Cr5MoSiV1中碳合金钢，查表12-15得λ=26W/（m·K），代入式（12-28），有

若用钛合金制造垫圈，由表12-15查得λ=7W/（m·K），有传导耗热

6）流道板的热对流和热辐射的功率损失。流道板温度T₁=（273+360）K=633K，模具温度T₂=273+100=373K，得ΔT=T₁-T₂=260K。发黑锈蚀暗表面的流道板的辐射系数C₀=2.62 W/（m²·K）；而光亮铝箔覆盖时C₀=0.18 W/（m²·K）。已知流道板辐射表面积A_r=0.134m²。由两种状态计算功率损失。

无绝热设计的流道板，用式（12-31）先计算热辐射系数

再考虑流道板周边间隙中空气对流热损失。已知对流系数α_f=10W/（m²·K）。用式（12-30）求此流道板的对流和辐射热损失

Q_fr1=（α_f+α_r1）A_r·ΔT=（10+14.2）×0.134×260W=843W

绝热设计的流道板，计算安装反射箔片时的热辐射系数

如图12-70所示，大面积上安装反射箔片A_r1=0.08m²，小面积上无反射面A_r2=0.054m²。由此得对流和辐射热损失

7）讨论。若使流道板在20min内升温，所需的加热功率为P_n。根据理论分析计算，热损失功率达到1.4P_n。相反，绝热条件良好时，热损失仅为0.6～0.7P_n。可见流道板系统绝热条件对减少热损失的意义。节能是热流道系统的重要质量指标。

表12-16 本例计算数据总汇 （单位：W）

从表12-16所列数据可知，承压圈和支承垫采用绝热材料钛合金，是普通钢热传导损失的27%。如果再加装铝箔反射片，所需总功率为2676W，为无绝热设计总电功率的60%，而其中维持热流道生产的电功率仅为1176W。