流道板加热功率及热损失的计算方法

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的功率。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

加热流道板所需的功率由三部分组成：一是达到给定注射温度所需的电加热功率；二是补充流道板传导、对流和辐射热损耗的功率；三是考虑电网电压波动影响和加热器热效率的功率。

工程设计时流道板加热器功率的计算式为：

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·℃），钢材c=0.48kJ/kg·℃；

t——流道板的加热升温时间（min），通常为20～30min，时间长短取决于

流道板的尺寸大小和注射工艺温度；

ΔT——流道板注射工作温度与室温差（℃）；

η₀——流道板的加热效率系数，流道板的绝热条件良好时取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取_η0=0.33～0.38。

η₀=η_dη_e，其中ηd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η_d主要是考虑电网电压的影响，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，取η_d=0.8～0.9。

热流道对周边低温模板的热传递造成的热损失必须加热补充。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，此三种热损失总和是模板升温加热功率的60%～70%，取η_e=0.63～0.59。反之，绝热设计很差时，热损失是升温功率的150%左右，取η_e=0.42。

2.流道板热损失的控制

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8-18所示的热流道系统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；采用热导率较低的材料（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。热流道模具材料的热导率见表8-4。

图8-18 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

热流道系统的流道板的传导热损失计算式为

式中 Q_c——流道板的传导热损失（W）；

λ——绝热零件材料的热导率（W/m·℃）；

δ——绝热零件的厚度（m）；

A_c——绝热零件的接触面积（m²）；

T₁——流道板的注射工作温度（℃）；

T₂——注射模具结构件的温度（℃）。

表8-4 热流道模具材料的热导率（单位：W/m·℃）

（2）热对流 为了减小流道板的热损失，它与周围模具零件之间要留有空气间隙，如图8-19所示。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，还发生在流道板与注射模外的空气之间。减少流道板对流热损失常用的方法有：封闭流道板周边的间隙空间，限制和阻隔空气的流通；在流道板的大面积表面或在模具结构件内侧加装绝热板。

流道板与周围模具零件之间的间隙中的空气与金属表面间存在热交换。流道板的对流热损失的计算式为

Q_f=α_fA_f（T_w-T_g） （8-4）

式中 Q_f——流道板的对流损失（W）；

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

A_f——流道板的表面面积（m²）；

T_w——流道板壁面的温度（℃）；

T_g——周围环境空气的温度（℃）。

（3）热辐射 如图8-20所示，高温的热流道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。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有：流道板的各表面磨削后抛光；保持流道板周边间隙空间的清洁；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内表面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。光亮的铝箔覆盖，C_o=0.18W/m²·K；经抛光的光亮壁面，C_o=0.40W/m²·K；经发黑处理或锈蚀的灰暗壁面，C_o=2.62W/m²·K。C_o值越小，热辐射损失越小。

图8-19 热流道系统的热对流

T_w—流道板壁面的温度 T_g—周围环境空气的温度

图8-20 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

图8-20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。由前式（4-12）和（4-13）热辐射描述，对于热流道板用下式描述

Q_r=α_rA_r（T₁-T₂） （8-5）

式中 Q_r——流道板的辐射热损失（W）；

A_r——定模框壁的表面积（m²）；

α_r——热辐射系数（W/m²·K）；

其中，ΔT=T₁-T₂，T₁为流道板壁面的绝对温度（K），T₂为定模框壁的绝对温度（K），C_o为热辐射系数（W/m²·K⁴），见表4-3。

[例] 图8-21所示的流道板外形为80mm×500mm×46mm，有三个承压圈，支承垫外径为25mm，内径为14mm，厚5mm。要求流道板的最高工作温度为360℃，注射模的温度为100℃。计算加热功率。

图8-21 板式流道板的绝热设计(www.xing528.com)

1—承压圈 2—主喷嘴加热器 3—主流道杯 4—反射隔热板 5—绝热板 6—止转销 7—支承垫 8—中央定位销 9—热电偶 10—热流道分喷嘴 11—堵塞 12—销钉 13—金属管状电热弯管 14—旋塞

[解] ①计算流道板的质量。由钢的密度7.85kg/dm³，得

m=0.8×5×0.46×7.85kg=14.4kg

②计算流道板与定模的温差：

ΔT=T₁-T₂=（360-100）℃=260℃

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

④计算三个垫圈的热传导面积：

⑤计算垫圈的热传导功率损耗。用4Cr5MoSiV中碳合金钢，查表8-4有λ=26W/m·K，代入式（8-3），有

若用钛合金制造垫圈，由表8-4查得λ=7W/m·K，有传导热损耗

⑥计算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）K=373K，得ΔT=T₁-T₂=260K。发黑锈蚀暗表面的流道板的辐射系数C₀=2.62W/m²·K，而光亮铝箔覆盖时C₀=0.18W/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。

对无绝热设计的流道板，用式（8-6）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（8-4）和式（8-5）求此流道板的对流和辐射热损失：

Q_fr1=（α_f+α_r1）A_rΔT=（10+14.2）×0.134×260W=843W

对绝热设计的流道板，计算安装反射箔片时的热辐射系数：

见图8-21，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：

Q_fr2=[（α_f+α_r2）A_r1+（α_f+α_r1）A_r2]ΔT=[（10+0.98）×0.08+（10+14.2）×0.054]×260W=568W

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0.6P_n～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8-5列出了本例计算数据总汇。

表8-5 本例计算数据总汇 （单位：W）

从表8-5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66%，而其中维持热流道生产的电功率仅1176W。

3.流道板加热功率简便计算

简便算法考虑流道板的升温加热和工作状态的热补偿，需要计算流道板的体积和表面积。应该熟悉流道系统的热传导、热对流和热辐射的绝热设计。了解封闭式热流道的结构设计，要输入流道板支承物的几何和物理参量。流道板悬挂在定模里，各种承压圈或支承块用不锈钢、钛合金或陶瓷制成，有支承和隔热双重功能。

热流道板升温所需功率是指在1h或0.25h时间内，将钢制流道板从室温T₀加热到所需的流道板温度T_m所需的功率。计算式为

式中 P₁——流道板升温的加热功率（W）；

ΔT——所需升高的温度（℃），ΔT=T_m-T₀；

m——热流道板，包括螺钉等的总质量（kg）；

t——升温时间（min），大型模具t=30～60min，中型模具t=25～35min，小型模具t=15～25min；

c——比热容，钢的热比容为480J/kg·℃；

η_d——加热器效率，η_d=0.8。

在流道板温度200～300℃时，1cm²表面积热流道板辐射和对流引起的热损失（W）近似为

热辐射损失=（0.00302ΔT-0.356）α

对流热损失=0.00079ΔT-0.043

α为金属表面状态的热辐射率。流道板表面达到镜面时，α=0.04～0.05；车削表面，α=0.4；发黑表面，α=0.8～0.9；完全黑体，α=1。

现取发黑锈蚀表面α=0.8，设A为热流道板的表面积（cm²），则流道板热辐射和热对流两者的热损失为

P₂=（0.003206ΔT-0.3278）A （8-7b）

式中 P₂——流道板热辐射和热对流的功率损失（W）；

A——热流道板的表面积（cm²）。

热流道板传导引起的热损失主要是由于支承零件传热的结果。架空安装的空气传热在较大表面积时才计入，应做空气支承处理。各支承物的热传导损失为

式中 P₃——各支承物的总传导热损失（W）；

a——支承物的接触面积（cm²）；

ΔT′——热流道板与定模边各板的温差（℃），ΔT′=T_m-T_M，其中T_m为流道板工作温度，T_M为定模边的模板温度；

δ——支承物的厚度（cm）；

λ——支承物的热导率（W/cm·℃），中碳钢λ=0.5336W/cm·℃，不锈钢λ=0.1624W/cm·℃，空气λ=0.000356W/cm·℃。

考虑热流道板传导、对流、辐射引起的热损失，假设流道板温度为200～300℃，表面发黑锈蚀a=0.8，加热器效率η_d=0.8，并有1.1的计算余量，则由式（8-7a）～式（8-7c），加热流道板所需总功率的计算式为

[例] 某流道板表面积A=1848cm²。不计入加热器的热流道板总重m=23.4kg。要求升高ΔT=200℃温度，流道板温度T_m=（200+20）℃=220℃，定模板温度T_M=60℃，两者温差ΔT′=（220-60）℃=160℃。升温时间t=30min。现有中碳钢支承物，a=1.54cm²、δ=1cm的有四个；a=3.2cm²、δ=1cm的一个；a=2.17cm²、δ=2cm的有四个。热导率λ=0.5336W/cm·℃。求加热流道板所需总功率。

[解] 将数据代入式（8-7d），有