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)