湍流的重要性

几十年来，科学注塑的模具专家们一直都在讨论在模具冷却回路中实现湍流的重要性。但是什么使得湍流如此重要呢？如何才能确定湍流对于注塑企业的价值？下面跟着科学君一起来寻找答案。

在实验当中，科学注塑君选择了一个装有电热管的试验模具来进行研究。我们选择这种方法是因为改变一个电热源来模拟注射成型比使用一套实际的注塑模具要容易得多，成本也低得多。任何一个有经验的模塑工都知道，在工艺改变后，模具温度可能需要几个小时才能稳定下来。我们的测试模具设置提供了一种方便和准确的方法来控制变量，并在模具中复制模具钢的热响应。因此，它是一个更加方便和实用的研究工具。

实验过程

试验模具（如图1所示）的尺寸和形状类似于一个小工具，可以在100-150吨的注塑机上运行。两个由可变交流电压源供电的750W加热器芯可以启动到约5100 BTU/hr，大致相当于在570华氏度的熔体温度下成型15.4 lb/hr的PA6。测试模具有两个内径为7/16英寸、内径交叉的钻孔，不同长度的U形冷却环。我们可以根据实际需要使用一个或两个冷却回路，它们可以随意并联或串联。这些冷却回路的内壁干净光滑。在加热器和冷却回路之间放置一个温度传感器，以研究给定的热输入下模具钢对冷却条件变化的温度响应。

图1 实验模具示意图

在实验过程中，我们对冷却液流量和温度进行监测，并记录到适当的精度水平。随着流量的增加，流经模具的冷却剂的温度变化（ΔT）变得很小，因此这些温度测量必须非常精确且可重复。使用一对实验室级RTD传感器和读卡器测量进出水温度，其结果在0.1°C范围内。流量测量使用流量计。

整个实验过程中，科学注塑君在一个冷却回路和两个并联和串联回路上进行了实验。冷却液是自来水，经过处理以控制pH值和微生物的繁殖。试运行是在固定功率输入下进行的，而冷却液的流量在湍流范围内从低到高的变化。每次流量变化后，允许有足够的时间使模具钢的温度稳定下来，这个工作有时需要长达3小时。冷却液入口和出口温度、流量和模具钢的温度都在整个流量范围内记录。

我们在大量试验中收集的数据使我们能够准确计算冷却剂通过模具时的温度变化（ΔT）。知道了ΔT，我们就能计算出每加仑水所排出的BTU。我们绘制了BTU/gal与流量的关系图（见图2）。这张图表清楚地表明，BTU/gal随着流量的增加而减少，即使是在流量向湍流过渡时。结果有些出人意料。

图2 BTU/gal与水流量的关系图

水温的升高带走了模具的热量，公式如下：

BTU/gal=ΔT x（1 BTU/lb-°F）x 8.3磅/加仑

水通过模具的速度越快，温度升高得越少。这个结果让我们非常疑惑：湍流的“魔力”在哪里？

我们相信我们的数据会给我们一些启示，但我们必须用不同的方式思考。但在我们开始之前，让我们先回顾一下模具冷却的真正意义。我们真正需要完成的是什么？真正的目标是控制零件的冷却速度和温度，以便在保持所需性能和尺寸的同时，尽早将其订出，缩短成型周期，提高企业的盈利能力。当今的注塑生产监控技术以及是高度先进和精密的了，但要直接控制模具中的零件温度仍然是难以实现的。

如果能够精确控制模具的温度也是不错的替代方案，这样我们从而间接控制零件的冷却效率。

现在让我们把模具看作是一个热交换器。熔融的塑料向模具输出热量，而冷却液带走热量。然而，我们的模具/热交换器和传统热交换器之间有一些关键的区别。区别之一是我们要控制我们的热交换器（模具）的温度。区别之二是我们的换热器是一个大质量的金属，温度响应非常慢。任何“正常”换热器都具有与两种流体的入口和出口条件相关的某些性能特征。通过绘制模具钢温度与冷却液流速的关系图（图3），我们可以揭示出模具的传热性能。

图3 模具钢温度和冷却水流量关系图

诚然，模具的大小尺寸不尽相同，其热交换和冷却排布方案也存在着很大的差异，每套模具对热输入和冷却系统都有自己独特的响应和要求。对于每一套模具，都可以创建一个模具温度与冷却液流量的关系图。我们决定称之为“冷却价值曲线”。

通过图3的曲线，我们可以知道：垂直轴代表模具钢的温度，水平轴代表水的流量。两者的关系形成一条独特的L形曲线。

实验结论

通过曲线可以得知，向更水平形状区域的过渡发生在湍流流速点周围。陡峭的曲线显示模具钢的温度变化很大，这是由于冷却水流速变化很小造成的。曲线的水平部分显示了一个范围，即模具钢的温度仅随流量的大幅增加而略有变化。

通过曲线可以看出，在远低于湍流的流量值下（图3红线以左的区域），模具钢的温度很不稳定，随着冷却水流量的微小变化就能带来模具钢温度的巨大差异。相反，在曲线向湍流过渡后，曲线总体走向变平，模具钢的温度随冷却水流量的增加变化不大，换言之，曲线变得更加稳定。

将流量增加到远高于紊流的水平（图3的浪费区间）也不会产生额外的效益，而且就要产生如此高的流量需要花费很多的额外成本。因此，图3数值曲线表明，冷却剂流量略高于紊流速率的运行为模具钢提供了稳定和经济的冷却作用，而冷却剂流量大幅度增加则是浪费的行为。

因此，监控冷却回路的温度和流量是非常有必要的。也是企业实施科学注塑和系统成型成功的基石之一。