Zarówno szeregowe jak i równoległe łączenia kanałów chłodzących jest często spotykaną praktyką w zakładach produkcyjnych. Obydwie metodyki podłączeń mają ma inny wpływ na utratę ciśnienia, wydajność chłodzenia i ogólną wydajność cieplną formy. Zrozumienie tych efektów jest niezbędne do optymalizacji procesu chłodzenia i zapewnienia stałej jakości wypraski.
W konfiguracji szeregowej medium chłodzące przepływa sekwencyjnie przez każdy kanał chłodzący. Płyn chłodzący wpływa do pierwszego kanału, opuszcza go, a następnie wchodzi do następnego kanału, kontynuując tę ścieżkę przez wszystkie kanały, zanim powróci do układu chłodzenia. Z kolei w konfiguracji równoległej kolektor dzieli przepływ medium chłodzącego na wiele strumieni, które jednocześnie wpływają do każdego kanału chłodzącego. Następnie medium chłodzące zbierane jest z powrotem w jeden strumień, zanim powróci do układu chłodzenia.
Skutki konfiguracji szeregowych i równoległych
- Straty ciśnienia
Szeregowe kanały chłodzące:
Chłodziwo przepływa kolejno przez każdy segment formy. Taka konfiguracja prowadzi do skumulowanych strat ciśnienia, gdy płyn napotyka opór na każdym zakręcie, zakręcie lub ograniczeniu na swojej drodze. Całkowitą stratę ciśnienia w układzie szeregowym można opisać równaniem Darcy’ego-Weisbacha:
gdzie:
 | Spadek cieśnienia |
 | Współczynnik tarcia |
 | Długość kanału |
 | Średnica kanału |
 | Gęstość cieczy |
 | Prędkość przepływu |
Wydłużona droga płynięcia medium przy chłodzeniu szeregowym powoduje większe straty ciśnienia na skutek zwiększonego tarcia i ewentualnie mniejszych średnic kanałów i węży doprowadzających. Może to prowadzić do wyższych wymagań dotyczących wydatku pompy podającej.
Równoległe kanały chłodzące:
W tej konfiguracji chłodziwo jest podzielone na wiele ‘gałęzi’, z których każda chłodzi określoną część formy. Ponieważ każdy kanał działa niezależnie, całkowita strata ciśnienia jest znacznie mniejsza, ponieważ płyn nie musi przechodzić przez wszystkie kanały sekwencyjnie.
Dla każdej gałęzi strata ciśnienia jest nadal regulowana równaniem Darcy’ego-Weisbacha, ale krótsze długości i poszczególne ścieżki powodują znacznie mniejsze straty ciśnienia.
Całkowity spadek ciśnienia w układzie równoległym można modelować jako sumę spadków ciśnienia we wszystkich kanałach, korzystając z:
gdzie n jest liczbą równoległych obiegów.
- Turbulentność przepływu
Kanały łączone szeregowo:
Im dłużej płyn pozostaje w kanale, tym większa jest szansa, że przejdzie w przepływ turbulentny, zwłaszcza jeśli prędkość medium chłodzącego jest duża lub średnica kanału jest mała. Przepływ turbulentny poprawia konwekcyjny transfer ciepła, ale kosztem większych strat ciśnienia i większej ilości energii potrzebnej do przepompowania medium.
Kanały łączone równolegle:
W przypadku kanałów równoległych przepływ jest zwykle dzielony na strumienie o niższej prędkości, które zwykle pozostają laminarne lub tylko lekko turbulentne. Prowadzi to do bardziej przewidywalnego i kontrolowanego przepływu, ale może skutkować niższymi szybkościami wymiany ciepła, jeśli natężenie przepływu w każdym z rozgałęzionych obiegów nie jest regulowane.
Liczba Reynoldsa Re pomaga określić reżim przepływu:
gdzie
 | Dynamiczna lepkość płynu |
.
Ogólnie rzecz biorąc, przepływ turbulentny (wysoka liczba Reynoldsa, Re>4000Re > 4000Re>4000) zwiększa wymianę ciepła, ale także zwiększa straty ciśnienia. W kanałach szeregowych pożądane może być osiągnięcie turbulencji, ale w systemach równoległych utrzymanie bardziej laminarnego przepływu może zapewnić lepszą kontrolę i wydajność.
- Efektywność wymiany ciepła
Kanały łączone szeregowo:
Temperatura medium chłodzącego wzrasta w miarę pochłaniania ciepła z kolejnych sekcji formy. Zanim chłodziwo dotrze do końcowych sekcji, usuwanie ciepła może być mniej skuteczne ze względu na większą różnicę temperatur. Powoduje to nierównomierne chłodzenie całej formy.
Kanały łączone równolegle:
Każdy kanał ma bardziej równomierną temperaturę medium, ponieważ wpływa ono jednocześnie do każdego obiegu. Powoduje to bardziej spójne chłodzenie całej formy, co prowadzi do lepszego zarządzania ciepłem a tym samym jakością wypraski. Jednakże konieczne jest staranne zaprojektowanie kanałów od strony bilansu termicznego formy, aby uniknąć „martwych stref” lub nieefektywnego odprowadzania ciepła.
Liczba Nusselta (Nu) jest często używana do ilościowego określenia wydajności wymiany ciepła:
gdzie:
• h jest współczynnikiem konwekcyjnego przenikania ciepła,
• k jest przewodnością cieplną płynu.
W systemach łączonych szeregowo lokalna liczba Nusselta będzie zmieniać się wzdłuż długości łączonych kanałów i zmniejszać się w miarę nagrzewania się chłodziwa, natomiast w systemach równoległych łatwiej będzie nam utrzymać bardziej stałą liczbę Nusselta we wszystkich kanałach.
- Wpływ na efektywność chłodzenia
Układ łączony szeregowo:
• Gradient temperatury: Płyn chłodzący przepływający przez szereg kanałów pochłania ciepło, a jego temperatura wzrasta. Prowadzi to do powstania gradientu temperatury w formie, gdzie pierwsze kanały są chłodniejsze, a późniejsze coraz cieplejsze. To nierównomierne chłodzenie może skutkować nierównomierną szybkością chłodzenia całej formowanej części, co może prowadzić do deformacji wypraski lub innych wad.
• Redukcja natężenia przepływu: Skumulowana strata ciśnienia w konfiguracji szeregowej może znacznie zmniejszyć całkowite natężenie przepływu, zmniejszając zdolność chłodziwa do efektywnego pochłaniania ciepła. Może to prowadzić do wydłużenia czasu cyklu i zmniejszenia wydajności produkcji.
Połączenie równoległe:
• Jednolity rozkład temperatury: W konfiguracji równoległej chłodziwo wpływające do każdego kanału ma w przybliżeniu tę samą temperaturę, co prowadzi do bardziej równomiernego procesu chłodzenia w całej formie. Pomaga to utrzymać stałą jakość części i zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia defektów związanych z nierównomiernym chłodzeniem.
• Wyższe natężenie przepływu: Ponieważ w konfiguracji równoległej straty ciśnienia są zminimalizowane, można utrzymać wyższe natężenie przepływu, co zwiększa efektywność wymiany ciepła. Może to skutkować krótszym czasem chłodzenia i wyższą wydajnością produkcji.