Нагрівання штампів і прес-форм
Вибір нагрівачів.
Для нагрівання штампів та форм, як правило, застосовуються ТЕНи патронного типу. Іноді застосовуються двокінцеві тени, плоскі міканітові або керамічні нагрівачі.
При виборі нагрівачів необхідно дотримуватися таких умов:
Питома поверхнева потужність (УПМ) не має перевищувати гранично допустиму. На графіку 1 показані рекомендовані УПМ залежно від робочої теператури форми. У разі перевищення рекомендованої УПМ або збільшеного зазору термін служби нагрівачів знижується.
Встановлення нагрівача в отвір форми має здійснюватися з мінімальним зазором. Діаметр нагрівача в холодному стані повинен бути на 0.05-0.07мм менше діаметра отвору у формі. Це дозволяє легко встановити нагрівач в отвір у холодному стані. Збільшення діаметру нагрівача у гарячому стані забезпечить щільну посадку з найкращими умовами теплопередачі. При установці нагрівачів рекомендуємо використовувати високотемпературну монтажну пасту GRIPCOTT NF.
Забезпечити захист нагрівачів від зовнішніх забруднень та вологи, особливо з боку дротів.
Забезпечити механічний захист дротів.
Графік 1. Рекомендована УПМ залежно від температури прес-форми
Приклад розрахунку.
Потрібно розрахувати необхідну потужність та підібрати нагрівальні елементи для прес-форми.
У технологічному процесі використовують 9 кг пластику. Формування пластику здійснюється за допомогою двох сталевих плит кожна розміром 610мм*305мм*76мм та масою 111кг при температурі 150 °С. Питома теплоємність пластику 1885 Дж/(кг*°С). Форму необхідно попередньо нагріти до 150 °С протягом 30 хв. Верхня та нижня поверхні форми покриті 12 мм шаром жорсткої теплоізоляції.
Для вирішення поставленої задачі необхідно розглянути два режими: режим попереднього нагрівання прес форми та робочий режим. Визначити необхідну теплову потужність для кожного режиму та з двох значень вибрати найбільшу. Це і буде шукана величина необхідної потужності нагрівання.
Режим попереднього нагрівання (необхідна потужність Рпопер)
Потужність, необхідна для попереднього нагрівання сталевої прес-форми до робочої температури (Р1)
Р1 = Mф *ссталі*∆T/t,
Де: Mф = 111кг*2=222кг – маса сталевої форми [кг]
ссталі = 500 [Дж/кг/0С] - питома теплоємність сталі [Дж/кг/0С]
∆T =(150-21)=129 °С - підвищення температури [°С]
t = 1800 c – час [с]
Р1 = 222*500*129/1800=7955 Вт
Потужність втрат із неізольованих торців прес-форми (Р2)
Р2= p2 * S1, [Вт],
Де:
p2=2150 Вт/м2 - питомі втрати з поверхні сталі за температури 150°С (визначаємо за графіком у розділі, або за формулою ps1=α*∆T , де α =16.6 [Вт/(м2*0С)] - коефіцієнт тепловіддачі з поверхні)
S1 = =4*0.076(0.61+0.305)=0.278 м2 - сумарна площа неізольованих поверхонь прес-форми.
Отже, Р2=2150*0.278=600 Вт
Потужність втрат від проходження тепла через теплоізоляцію верхньої та нижньої поверхні прес-форми (Р3)
Р3=S2* k *(T2-T1)/d,
Де:
S2 =2*(0.61*0.305)=0.372 м2 - сумарна площа ізольованих поверхонь прес-форми [м2],
k- коефіцієнт теплопровідності матеріалу теплоізоляції (визначаємо за таблицею теплопровідності матеріалів [Вт/(м*0С], для важкої мінеральної вати k=0.06 Вт/(м*0С)
(T2-T1) - різницю температур на внутрішній та зовнішній поверхні оболонки або теплоізоляції
d-товщина оболонки або теплоізоляції [м], d=0.012 м
Р3=0.372* 0.06 *(150-21)/0.012=240 Вт,
Середні втрати за час нагрівання до температури 150°С
Рср = (Р2+Р3)/2=(600+240)/2=420 Вт
Отже, Рпредв= Р1+ Рср=7955+420=8375 Вт
Робочий режим (необхідна потужність Рроб)
Потужність, необхідна для нагрівання пластику (Р4)
Р4= Mп * сп*(T2-T1)/t
Где:
Mп = 9кг – маса пластику [кг]
сп= 1885 Дж/кг/°С - питома теплоємність пластику [Дж/кг/0С]
∆T =(150-21)=129 °С - підвищення температури [°С]
t = 3600 c – час [с]
Р4= 9* 1885*(150-21)/3600=600 Вт
Загальна потужність втрат в робочому режимі (Р5)
Р5 = (Qsт+Qsи)=(600+240)=840 Вт
Отже, Рроб= Р4+ Р5=600+840=1440 Вт
Оскільки потужність попереднього нагрівання вища за потужність робочого режиму, приймаємо за встановлену потужність більше значення, тобто 8375 Вт
Вибір нагрівальних елементів для даного прикладу:
Варіант 1.
ТЕНи патронного типу у кількості 12шт
Довжина 300мм
Діаметр 16мм
Потужність 700 Вт
Напруга 220В
УПМ – 5 Вт/см2
Це значення УПМ відповідає рекомендованому значенню для температури форми дорівнює 150 °С (графік 1).
Варіант 2.
Двокінцеві ТЕНи у кількості 12шт
Довжина 600мм
Діаметр 10 мм
Потужність 700 Вт
Напруга 220В
УПМ – 4,3 Вт/см2
Це значення УПМ входить у рекомендоване ГОСТ 13268-88 значення (ТЕНи для прес-форм - УПМ до 4.5 Вт/см2).
Варіант 3.
Плоскі нагрівачі з міканітовою ізоляцією в кількості 6шт.
Розмір 300мм*200мм
Потужність 1400 Вт
Напруга 220 В
УПМ 2.4 Вт/см2
УПМ не перевищує рекомендоване значення для міканітових нагрівачів (3 Вт/см2)