热传导、热对流与热辐射：深入了解热传输机制

热传递有传导、对流和辐射三种方式，它们都影响热流道系统的热平衡。

1.热传导

图4-1 注射模热流道系统的传导热流

固体内部的热传导是由于相邻分子在碰撞时传递振动能的结果。金属的导热能力很强，是因为其内部自由电子发生转移。注射模热流道系统的传导热流如图4-1所示，热源为流道板和喷嘴的电加热，以及注射生产中周期性输入熔融塑料携带的热量。热量主要从承压圈、喷嘴和连接螺钉等经定模的接触面耗散。空气的热导率很小，定模框与流道板之间的空气隙起到绝热作用。各种材料的热导率λ（又称导热系数）见表4-2。空气、塑料和陶瓷常作为绝热材料。空气在200℃时热导率为0.039W/（m·K），20℃时热导率为0.026W/（m·K）。塑料的热导率为0.15～1.2W/（m·K），PEI和PEEK等耐高温塑料可用来制作喷嘴浇口的隔热帽。陶瓷的热导率约为3W/（m·K），可用于制造阻热承压圈。钢材根据不同的化学成分，有不同的热导率[14～40W/（m·K）]，需根据各钢种实际测定。热流道系统零部件不但用各种合金钢制造，还用不锈钢和钛合金钢阻热，用铜和铍青铜导热。钛合金TiAl6V4的热导率为6.5W/（m·K），也可用于制造阻热承压圈。在热流道工程计算中，通常不考虑温度梯度随时间的变化，只考虑位置温差的热传导。

表4-2 各种材料的热导率λ [单位：W/（m·K）]

根据傅里叶定律，物体存在温度梯度ΔT=T₁-T₂。传导热量Q_c流过单层的平直模壁（见图4-2a），可被描述为

式中 Q_c——物体的传导热量（W）；

λ——材料的热导率[W/（m·K）]；

d——物体传热方向的厚度（m）；

A_c——物体传热面积（m²），A_c=bh；

T₁——热源温度（℃）；

T₂——被测点的温度（℃）。

常用到多层物体的平壁热传导（见图4-2b），其传导热量可被描述为

式中 i——物体间壁面的数量。

图4-2 单层和多层平壁的热量传导

a）单层物体 b）多层物体

对喷嘴等圆筒形零部件，传导热量Q_c流过单层的圆柱壁（见图4-3a），可被描述为

式中 l——圆柱壁面的长度（m）；

T_i——里筒壁温度（℃）；

T_o——外筒壁温度（℃）；

r_o——圆筒外径（m）；

r_i——圆筒内径（m）。

图4-3 单层和多层的圆筒的热量传导

a）单层圆筒 b）多层圆筒 1—内层圆筒 2—外层圆筒

传导热量Q_c流过多层的圆柱壁（见图4-3b），可被描述为

式中 r_i2=r_o1。

例如，流道板上的承压圈可用两种不同的材料组成。如图4-4a所示，两种材料串联连接时的热导率λ_s为

如图4-4b所示，两种材料并联连接时的热导率λ_p为

λ_p=φ₁λ₁+φ₂λ₂ （4-9）

式（4-8）和式（4-9）中，（i=1、2），φ₁+φ₂=1。其中，φi为体积分数，V_i为单件体积，V为总体积。

图4-4 两种不同材料的连接方式

a）串联连接 b）并联连接(www.xing528.com)

例如，筒形的喷嘴在线圈外加热时为多层圆柱壁串联的热传导。如图4-5所示的串联的热导率λ_r为

图4-5 多层圆柱壁串联

2.热对流

在注塑生产中会遇到流体在流过固体表面时与该表面发生热量交换。从固体壁面到流体介质的热量传递称热对流。图4-6所示为在注射生产中热流道注射模的热对流状态。一方面流道板和喷嘴的壁面向周围的空气传递对流热量Q_f。同时，定模框又向环境空气传递对流热量。在热流道工程计算中常用的是对前者的简化算法。加热后的空气变得更轻而向上自然流动。

图4-7所示为平板壁面与空气的对流热量传递，这种对流热量的计算公式为

Q_f=α_fA_f（T_W-T_g） （4-11）

式中 Q_f——对流热量（W）；

α_f——给热系数[W/（m²·K）]，空气自然对流α_f=5～10W/（m²·K）；

A_f——壁表面面积（m²）；

T_W——壁面的温度（℃）；

T_g——周边环境空气的温度（℃）。

图4-6 热流道注射模的热对流状态

图4-7 平板壁面与空气的对流热量传递

给热系数α_f可以通过传热学理论计算，也可在理论指导下由实验测得。如果是周边空气被强迫流动，则给热系数α_f=10～100W/（m²·K），而空气自然流动时α_f=5～10W/（m²·K）。曾有试验得到的α_f值更小。先进的热流道板的绝热和反辐射措施很多，相应的热传递计算将在本书第8章中进一步介绍。

图4-8 注射模热流道系统中热量的辐射传递

3.热辐射

任何物体都会不停地以电磁波形式向外界辐射能量，同时又不断地吸收外界其他物体的辐射能，当辐射能与吸收能不相等时，就会产生热量传递，这种热量传递方式称为热辐射。所谓黑体，是指能吸收所有辐射能的理想物体。可以假定辐射传递热量与通过的气体、液体和固体等介质无关。图4-8所示为注射模热流道系统中热量的辐射传递，如热流道板和周围的模板之间发生辐射能量的交换。流道板的保温设计，应让辐射能尽量多地反射回去。避免黑体效应，减少周围的模板吸收辐射能，就要阻隔热流道系统与周围的模板之间辐射能的传递。

如图4-9所示，高温平板表面向外界辐射热量为Q_r。这种辐射传热与热辐射系数α_r关系用式（4-12）描述：

Q_r=α_rA_r（T₁-T₂） （4-12）

式中 Q_r——传递的辐射热量（W）；

α_r——热辐射系数[W/（m²·K⁴）]；

A_r——辐射体的表面面积（m²）。

其中，

式中 T₁——高温壁面的热力学温度（K）；

T₂——低温壁面的热力学温度（K）；

ΔT=T₁-T₂

C_o——热辐射系数[W/（m²·K⁴）]。

图4-9 两物体热量的辐射传递

表4-3列出了不同材料表面质量和材料组合下的热辐射系数C_o。为了使由热辐射引起的热损失最小，C_o的值要小。为此，可在热流道板表面做涂镍处理，C_o=0.12W/（m²·K⁴）。也可在流道板表面覆铝箔，C_o=0.18～0.22W/（m²·K⁴）。流道板的热阻隔措施将在本书第8章中介绍。

表4-3 不同材料表面质量和材料组合下的热辐射系数Co

（续）