Die Reihen- und Parallelschaltung von Kühlkanälen ist eine gängige Praxis in Produktionsanlagen. Die beiden Verbindungsmethoden haben unterschiedliche Auswirkungen auf den Druckverlust, die Kühlleistung und die thermische Gesamteffizienz der Form. Das Verständnis dieser Auswirkungen ist für die Optimierung des Kühlprozesses und die Gewährleistung einer gleichbleibenden Formteilqualität von entscheidender Bedeutung.
Bei einer Reihenschaltung fließt das Kühlmedium nacheinander durch jeden Kühlkanal. Das Kühlmedium tritt in den ersten Kanal ein, verlässt ihn und tritt dann in den nächsten Kanal ein, wobei es diesen Weg durch alle Kanäle fortsetzt, bevor es in das Kühlsystem zurückkehrt. Bei einer parallelen Konfiguration hingegen teilt der Verteiler den Kühlmittelstrom in mehrere Ströme auf, die gleichzeitig in jeden Kühlkanal eintreten. Das Kühlmedium wird dann in einem einzigen Strom gesammelt, bevor es zum Kühlsystem zurückkehrt.
Auswirkungen von seriellen und parallelen Konfigurationen
- Druckverluste
Serielle Kühlkanäle:
Das Kühlmittel fließt sequentiell durch jedes Segment der Form. Diese Konfiguration führt zu einem kumulativen Druckverlust, da die Flüssigkeit bei jeder Biegung, Kurve oder Verengung ihres Weges auf Widerstand stößt. Der Gesamtdruckverlust in einer Serienkonfiguration kann durch die Darcy-Weisbach-Gleichung beschrieben werden:
Wo:
 | Druckverlust |
 | Reibungskoeffizient |
 | Länge des Kanals |
 | Durchmesser des Kanals |
 | Dichte der Flüssigkeit |
 | Durchflussmenge |
Der verlängerte Strömungsweg des Mediums bei Serienkühlung führt zu höheren Druckverlusten durch erhöhte Reibung und ggf. zu kleineren Durchmessern der Förderkanäle und Schläuche. Dies kann zu höheren Förderanforderungen an die Förderpumpe führen.
Parallele Kühlkanäle:
Bei dieser Konfiguration wird das Kühlmittel in mehrere "Zweige" aufgeteilt, von denen jeder einen bestimmten Teil der Form kühlt. Da jeder Kanal unabhängig arbeitet, ist der Gesamtdruckverlust viel geringer, da die Flüssigkeit nicht alle Kanäle nacheinander durchlaufen muss.
Für jeden Zweig wird der Druckverlust immer noch durch die Darcy-Weisbach-Gleichung bestimmt, aber die kürzeren Längen und individuellen Pfade führen zu viel geringeren Druckverlusten.
Der Gesamtdruckverlust in einem parallelen System kann als Summe der Druckverluste in allen Kanälen modelliert werden:
wobei n ist die Anzahl der Parallelschaltungen.
- Turbulenz der Strömung
In Reihe geschaltete Kanäle:
Je länger die Flüssigkeit im Kanal verbleibt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie in eine turbulente Strömung übergeht, insbesondere wenn die Geschwindigkeit des Kühlmediums hoch oder der Kanaldurchmesser klein ist. Die turbulente Strömung verbessert die konvektive Wärmeübertragung, allerdings um den Preis höherer Druckverluste und eines höheren Energiebedarfs zum Pumpen der Flüssigkeit.
Parallel geschaltete Kanäle:
Bei parallelen Kanälen wird die Strömung in der Regel in Ströme mit niedrigeren Geschwindigkeiten aufgeteilt, die in der Regel laminar oder nur leicht turbulent bleiben. Dies führt zu einer besser vorhersehbaren und kontrollierten Strömung, kann aber zu geringeren Wärmeübertragungsraten führen, wenn die Durchflussmenge in den einzelnen Verzweigungskreisen nicht geregelt wird.
Die Reynolds-Zahl Re trägt zur Bestimmung des Strömungsregimes bei:
wobei
 | Dynamische Flüssigkeitsviskosität |
.
Im Allgemeinen erhöht eine turbulente Strömung (hohe Reynoldszahl, Re>4000Re > 4000Re>4000) die Wärmeübertragung, aber auch den Druckverlust. In Serienkanälen kann Turbulenz wünschenswert sein, aber in Parallelsystemen kann die Beibehaltung einer eher laminaren Strömung eine bessere Kontrolle und Effizienz bieten.
- Effizienz der Wärmeübertragung
In Reihe geschaltete Kanäle:
Die Temperatur des Kühlmediums nimmt zu, wenn Wärme aus den aufeinanderfolgenden Abschnitten der Form absorbiert wird. Wenn das Kühlmittel die letzten Abschnitte erreicht, kann die Wärmeabfuhr aufgrund des größeren Temperaturunterschieds weniger effektiv sein. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Abkühlung der gesamten Form.
Parallel geschaltete Kanäle:
Jeder Kanal hat eine gleichmäßigere Temperatur des Mediums, da es gleichzeitig in jeden Kreislauf fließt. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Kühlung der gesamten Form und damit zu einem besseren Wärmemanagement und einer besseren Qualität der Formteile. Allerdings müssen die Kanäle auf der Wärmehaushaltsseite des Werkzeugs sorgfältig ausgelegt werden, um "tote Zonen" oder ineffiziente Wärmeableitung zu vermeiden.
Die Nusselt-Zahl (Nu) wird häufig zur Quantifizierung der Wärmeübertragungseffizienz verwendet:
Wo:
- h ist der konvektive Wärmeübergangskoeffizient,
- k ist die Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit.
Bei in Reihe geschalteten Systemen variiert die lokale Nusselt-Zahl über die Länge der angeschlossenen Kanäle und nimmt mit der Erwärmung des Kühlmittels ab, während es bei parallelen Systemen einfacher ist, eine konstantere Nusselt-Zahl über alle Kanäle hinweg zu erhalten.
- Auswirkungen auf die Kühleffizienz
In Reihe geschalteter Stromkreis:
- Temperaturgefälle: Das Kühlmittel, das durch eine Reihe von Kanälen fließt, nimmt Wärme auf und seine Temperatur steigt an. Dies führt zu einem Temperaturgefälle in der Form, bei dem die ersten Kanäle kühler und die späteren Kanäle zunehmend wärmer sind. Diese ungleichmäßige Abkühlung kann zu einer ungleichmäßigen Abkühlungsrate im gesamten Formteil führen, was zu einer Verformung des Formteils oder anderen Defekten führen kann.
- Verringerung der Durchflussmenge: Der akkumulierte Druckverlust in einer Serienkonfiguration kann die Gesamtdurchflussmenge erheblich reduzieren, wodurch die Fähigkeit des Kühlmittels, Wärme effektiv zu absorbieren, verringert wird. Dies kann zu verlängerten Zykluszeiten und geringerer Produktionseffizienz führen.
Parallelschaltung:
- Gleichmäßige Temperaturverteilung: Bei einer parallelen Konfiguration hat das in jeden Kanal eintretende Kühlmittel annähernd die gleiche Temperatur, was zu einem gleichmäßigeren Abkühlungsprozess in der gesamten Form führt. Dies trägt zu einer gleichbleibenden Teilequalität bei und verringert die Wahrscheinlichkeit von Defekten, die durch ungleichmäßige Kühlung entstehen.
- Höhere Durchflussrate: Da die Druckverluste in der parallelen Konfiguration minimiert werden, kann eine höhere Durchflussrate beibehalten werden, was die Effizienz der Wärmeübertragung erhöht. Dies kann zu kürzeren Kühlzeiten und höheren Produktionsraten führen.
