注塑機(jī)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

高瑞凱

（中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥230601）

1 引言

隨著液壓傳動技術(shù)和電子控制加速的快速發(fā)展，注塑機(jī)已廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、模具、家電、食品、醫(yī)藥等行業(yè)[1]。自2006 年以來塑料消費(fèi)年均增長9%左右，我國已成為世界最大的塑料制品生產(chǎn)和消費(fèi)市場之一。

注射成型是利用外部輔助熱源融化塑料顆粒，熔融狀態(tài)的塑料液體借助于注塑機(jī)注射入模具，然后，冷卻固化成型出所需要的塑料制品，整個(gè)過程包含：加料→熔化→施壓注射→模具冷卻→開模取件這5 個(gè)環(huán)節(jié)。

在注塑機(jī)注射成型過程的5 個(gè)環(huán)節(jié)中有施壓注射和模具冷卻2 個(gè)環(huán)節(jié)需要冷卻，其中，施壓注射冷卻系統(tǒng)主要用來冷卻液壓油，模具冷卻過程主要用來冷卻注塑制品。

冷卻時(shí)間在整個(gè)塑件生產(chǎn)周期所占的比例最高，約占成型周期的50%～80%，而冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到制品能否充分冷卻及能否縮短冷卻時(shí)間，以提高生產(chǎn)的效率[2，3]。

2 注塑循環(huán)水系統(tǒng)參數(shù)確定

2.1 模具冷卻循環(huán)水系統(tǒng)水溫

研究表明，當(dāng)液壓油溫度超過55℃時(shí)，液壓油的氧化加劇。油溫超過55℃后，溫度每上升10℃左右，液壓油的使用壽命要縮短一半，因此，控制油溫是防止液壓油氧化變質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。液壓系統(tǒng)的理想工作溫度應(yīng)為45～50℃，因液壓系統(tǒng)是依據(jù)選定的壓力油的黏度而設(shè)計(jì)[4]。因此，在設(shè)計(jì)過程中需考慮液壓油降溫冷卻系統(tǒng)，從而延長液壓油的使用壽命和保證注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的控制精度和靈敏度。

從熔融塑料注入模腔到制品脫模，需要對模具持續(xù)通循環(huán)水冷卻，注塑件成型周期越短，對循環(huán)水的冷卻效果要求越高。在白色家電領(lǐng)域，注塑件大部分比較小，通過優(yōu)化模具冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，注塑成型周期已經(jīng)被壓縮到45s 以內(nèi)，從而大大提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。合肥工業(yè)大學(xué)鳳貝貝在對冷卻水溫度和冷卻水流速2 個(gè)因素對冷卻效果的影響程度進(jìn)行比較得出：冷卻水溫度對冷卻效果影響非常顯著，冷卻水流速對冷卻效果影響顯著，在保證水流紊態(tài)的情況下，10℃供水溫度效果最佳。隨著注塑機(jī)制造工藝的不斷升級以及模具冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化研究，目前，推薦的循環(huán)水供水溫度10～15℃。循環(huán)水系統(tǒng)的供回水溫差對模具的成型精度和廢品庫有直接影響。精密模具冷卻系統(tǒng)出入水口溫度差應(yīng)在2℃以內(nèi)，普通模具也不可超過5℃。

液壓油降溫冷卻系統(tǒng)控制理想油溫為45～50℃，此系統(tǒng)對冷卻水溫度的要求遠(yuǎn)小于模具循環(huán)水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí)不宜將2 個(gè)系統(tǒng)合用。

2.2 冷卻水系統(tǒng)流量

冷卻水流量需要同時(shí)滿足系統(tǒng)散熱量和紊流換熱（理想雷諾數(shù)為104以上）2 個(gè)要求，因此，計(jì)算冷卻水流量應(yīng)該為2步進(jìn)行。

2.2.1 根據(jù)散熱量計(jì)算模具冷卻循環(huán)水系統(tǒng)流量

首先對冷卻過程進(jìn)行分析，整個(gè)冷卻過程可以分為下面幾個(gè)方面：模具輻射散熱、模具對流散熱、模具向注塑機(jī)其他部件傳導(dǎo)的熱量、循環(huán)冷凍水系統(tǒng)傳導(dǎo)熱量。其中，前3 部分均為自然散發(fā)熱量，模具冷卻循環(huán)水系統(tǒng)為強(qiáng)制散熱量。為了簡化計(jì)算過程，計(jì)算時(shí)忽略掉自然散熱的部分，默認(rèn)所有熱量均通過循環(huán)冷凍水系統(tǒng)冷卻。

冷卻過程總散熱量Q可根據(jù)塑料注塑成型機(jī)單位時(shí)間產(chǎn)量計(jì)算：

式中，Q為注塑設(shè)備總散熱量，kW，M為注塑機(jī)小時(shí)生產(chǎn)量，g；q為常用熱塑料塑料的注塑成型溫度下的總熱含量[5]（見表1）。當(dāng)注塑原料由多種組分組成時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)各組分質(zhì)量百分比計(jì)算出綜合q值。

式中，G為計(jì)算循環(huán)水流量，m3/h, Δt為循環(huán)冷凍水系統(tǒng)供回水溫差，℃。

表1 常用熱塑料的注塑成型溫度下的總熱含量

以某家用空調(diào)注塑車間為例，單個(gè)生產(chǎn)周期45s，單個(gè)注塑件重量20N（2.0kg）,注塑原料為ABS 熟料，模具冷卻循環(huán)水系統(tǒng)供回水溫度為10℃/15℃，代入上述公式（1）、公式（2）計(jì)算后得出循環(huán)水流量為3.04m3/h，與生產(chǎn)現(xiàn)場提供資料一致。

2.2.2 校核是否滿足紊態(tài)換熱要求

式中，Re為雷諾數(shù)；ρ為水的密度，kg/m3；v為水流速，m/s；d為管道直徑（特征長度），m；μ為水的運(yùn)動黏度系數(shù)，10℃時(shí)，取1.30×10-3kg/(m·s)。

經(jīng)查詢此注塑機(jī)樣本可知模具冷卻循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)出口管徑為DN50mm, 經(jīng)計(jì)算，管內(nèi)流速v=0.43m/s，代入上述公式（3）計(jì)算后，Re=16 538＞10 000，滿足紊流換熱要求。

3 注塑循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 常用模具冷卻循環(huán)水系統(tǒng)介紹

模具冷卻循環(huán)水系統(tǒng)全年均需要循環(huán)冷凍水降溫，為了保證生產(chǎn)效果，要求全年供水溫度均在10～15℃，滿足上述要求可采用以下2 種方案：

1）冷卻塔+水冷制冷機(jī)組（螺桿機(jī)或離心機(jī)）+板式換熱器系統(tǒng)，夏季運(yùn)行時(shí)開啟制冷機(jī)制冷，過渡季節(jié)運(yùn)行時(shí)根據(jù)室外溫度選擇制冷劑制冷或冷卻塔免費(fèi)供冷，冬季運(yùn)行根據(jù)室外溫度選擇冷卻塔免費(fèi)供冷或冷卻水內(nèi)循環(huán)供冷。此方案系統(tǒng)圖見圖1，運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換表見表2。

2）自然冷卻風(fēng)冷螺桿機(jī)組，機(jī)組內(nèi)置自然冷卻盤管、板式換熱器和乙二醇泵等。制冷機(jī)組分3 個(gè)工況運(yùn)行：夏季運(yùn)行時(shí)需采用制冷機(jī)制冷，壓縮機(jī)全部運(yùn)行；過渡季節(jié)當(dāng)室外環(huán)境溫度低于冷凍水回水溫度時(shí)，開啟自然冷卻功能預(yù)冷，然后再通過蒸發(fā)器制冷，壓縮機(jī)部分運(yùn)行；冬季當(dāng)室外環(huán)境溫度低于可供所有室內(nèi)需要冷量時(shí)，冷凍水經(jīng)過自然冷卻盤管冷卻；壓縮機(jī)關(guān)閉。經(jīng)過3 種運(yùn)行過程產(chǎn)生的低溫乙二醇溶液通過板式換熱器與循環(huán)冷凍水機(jī)組換熱產(chǎn)生設(shè)定溫度的循環(huán)水[6]。

圖1 注塑車間循環(huán)冷凍水系統(tǒng)圖

表2 運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換

3.2 模具冷卻循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

模具冷卻循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)特別注意水泵選型、系統(tǒng)補(bǔ)水、管路平衡和安裝和系統(tǒng)防腐等問題。

3.2.1 水泵楊程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過程中常會出現(xiàn)工藝專業(yè)注塑機(jī)壓降提資不準(zhǔn)確問題，從而導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)水泵楊程過小，注塑機(jī)無法滿足使用流量要求。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中筆者認(rèn)為應(yīng)該理解成閉式循環(huán)。水泵選型過程中楊程應(yīng)根據(jù)管路阻力、閥件阻力、過濾器阻力、蒸發(fā)器阻力（或板式換熱器阻力）、注塑機(jī)模具冷水管阻力，目前，家用空調(diào)領(lǐng)域國內(nèi)注塑機(jī)模具冷水管阻力約在10 ～20kPa。為了防止水泵楊程選型過大而導(dǎo)致水泵燒電機(jī)現(xiàn)象出現(xiàn)，建議冷水循環(huán)泵采用變頻控制。

模具冷卻循環(huán)水系統(tǒng)末端僅配有手動啟閉閥門，為降低系統(tǒng)輸配能耗，可采用一次泵變流量運(yùn)行，同時(shí)，供回水主管之間設(shè)置壓差旁通系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)旁通量控制水泵和主機(jī)運(yùn)行臺數(shù)。

3.2.2 補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因?yàn)閱闻_注塑機(jī)需要滿足不同的注塑制品要求，生產(chǎn)中經(jīng)常會出現(xiàn)模具更換的情況。在模具更換過程中，整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)不間斷運(yùn)行，存在循環(huán)水泄露損失，因此，在設(shè)計(jì)補(bǔ)水定壓系統(tǒng)時(shí)宜按系統(tǒng)水容量的2%計(jì)算，且補(bǔ)水泵宜設(shè)計(jì)2 臺。

3.2.3 管路平衡和安裝

末端輸配管路優(yōu)先采用同程式系統(tǒng)，各支路回水總管應(yīng)安裝靜態(tài)平衡閥，保證各支路流量分配平衡。支路管道宜不變徑，如需變徑不宜超過2 處。注塑車間生產(chǎn)過程中需要桁車或機(jī)械手等設(shè)備，管路布置空間受限，輸配管路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在牛腿以下貼近結(jié)構(gòu)柱安裝，單臺模具冷卻循環(huán)水系統(tǒng)管路應(yīng)采用下翻埋地或下翻管溝的方式接至設(shè)備循環(huán)水接頭。埋地接管示意見圖2。

圖2 注塑機(jī)循環(huán)冷凍水下翻埋地接管示意圖

3.2.4 防腐

輸配管材應(yīng)做好防腐處理。地埋管采用鍍鋅鋼管，管徑DN≤80mm 水管采用焊接鋼管，DN＞80mm 水管采用無縫鋼管，法蘭連接，焊接鋼管和無縫鋼管均需二次鍍鋅后安裝；或管徑DN≤80mm 水管采用焊接鋼管，DN＞80mm 水管采用無縫鋼管，法蘭連接，所有管材做內(nèi)涂塑處理。

水泵入口應(yīng)安裝4mm 孔徑過濾器，制冷主機(jī)入口應(yīng)安裝3～4mm 孔徑過濾器，注塑機(jī)入口應(yīng)安裝2.5mm 孔徑過濾器（注塑機(jī)自帶），水泵入口母管設(shè)全程水處理器。

4 結(jié)語

本文結(jié)合筆者白色家電領(lǐng)域多個(gè)注塑車間循環(huán)冷凍水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對該系統(tǒng)進(jìn)行探討。

首先，給出了模具冷卻循環(huán)水系統(tǒng)推薦的循環(huán)水供水溫度10～15℃；精密模具冷卻系統(tǒng)出入水口溫度差應(yīng)在2℃以內(nèi)，普通模具也不可超過5℃。提出了單臺注塑機(jī)冷卻水流量應(yīng)根據(jù)散熱量計(jì)算并應(yīng)通過計(jì)算Re校核計(jì)算結(jié)果。

其次，介紹了滿足全年10～15℃供水溫度要求的2 種系統(tǒng)方案，并就設(shè)計(jì)過程中需要特別注意的水泵選型、系統(tǒng)補(bǔ)水、管路平衡和安裝和系統(tǒng)防腐等問題進(jìn)行詳細(xì)的介紹，以供設(shè)計(jì)參考。