La conexión en serie y en paralelo de los canales de refrigeración es una práctica habitual en las instalaciones de producción. Las dos metodologías de conexión tienen efectos diferentes en la pérdida de presión, el rendimiento de la refrigeración y la eficiencia térmica general del molde. Comprender estos efectos es esencial para optimizar el proceso de refrigeración y garantizar una calidad constante de las piezas moldeadas.
En una configuración en serie, el medio refrigerante fluye secuencialmente a través de cada canal de refrigeración. El medio refrigerante entra en el primer canal, sale de él y entra en el siguiente, continuando esta ruta a través de todos los canales antes de volver al sistema de refrigeración. En una configuración paralela, por otro lado, el colector divide el flujo del medio refrigerante en múltiples corrientes que entran simultáneamente en cada canal de refrigeración. A continuación, el medio refrigerante se recoge en una única corriente antes de volver al sistema de refrigeración.
Efectos de las configuraciones en serie y en paralelo
- Pérdidas de presión
Canales de refrigeración en serie:
El refrigerante fluye secuencialmente a través de cada segmento del molde. Esta configuración provoca una pérdida de presión acumulativa, ya que el fluido encuentra resistencia en cada curva, giro o restricción de su recorrido. La pérdida de presión total en un sistema en serie puede describirse mediante la ecuación de Darcy-Weisbach:
Dónde:
 | Caída de presión |
 | Coeficiente de fricción |
 | Longitud del canal |
 | Diámetro del canal |
 | Densidad del líquido |
 | Caudal |
El recorrido ampliado del fluido con refrigeración en serie da lugar a mayores pérdidas de presión debido al aumento de la fricción y, posiblemente, a canales y mangueras de alimentación de menor diámetro. Esto puede dar lugar a mayores requisitos de descarga de la bomba de alimentación.
Canales de refrigeración paralelos:
En esta configuración, el refrigerante se divide en múltiples "ramificaciones", cada una de las cuales enfría una parte específica del molde. Como cada canal funciona de forma independiente, la pérdida de presión total es mucho menor, ya que el fluido no tiene que pasar por todos los canales secuencialmente.
Para cada rama, la pérdida de presión sigue rigiéndose por la ecuación de Darcy-Weisbach, pero las longitudes más cortas y las trayectorias individuales dan lugar a pérdidas de presión mucho menores.
La caída de presión total en un sistema paralelo puede modelarse como la suma de las caídas de presión en todos los canales, utilizando:
donde n es el número de circuitos paralelos.
- Turbulencia del flujo
Canales conectados en serie:
Cuanto más tiempo permanezca el fluido en el canal, mayor será la probabilidad de que pase a flujo turbulento, sobre todo si la velocidad del medio refrigerante es alta o el diámetro del canal es pequeño. El flujo turbulento mejora la transferencia de calor por convección, pero a costa de mayores pérdidas de presión y más energía necesaria para bombear el fluido.
Canales conectados en paralelo:
En el caso de los conductos paralelos, el flujo suele dividirse en flujos de menor velocidad, que suelen permanecer laminares o sólo ligeramente turbulentos. Esto conduce a un flujo más predecible y controlado, pero puede dar lugar a tasas de transferencia de calor más bajas si no se regula el caudal en cada uno de los circuitos de ramificación.
El número de Reynolds Re ayuda a determinar el régimen de flujo:
donde
 | Viscosidad dinámica del fluido |
.
En general, el flujo turbulento (número de Reynolds alto, Re>4000Re > 4000Re>4000) aumenta la transferencia de calor, pero también la pérdida de presión. En los conductos en serie, la turbulencia puede ser deseable, pero en los sistemas en paralelo, mantener un flujo más laminar puede proporcionar un mejor control y eficiencia.
- Eficacia de la transferencia de calor
Canales conectados en serie:
La temperatura del medio refrigerante aumenta a medida que se absorbe calor de las secciones sucesivas del molde. Cuando el refrigerante llega a las secciones finales, la eliminación del calor puede ser menos eficaz debido a la mayor diferencia de temperatura. El resultado es un enfriamiento desigual de todo el molde.
Canales conectados en paralelo:
La temperatura del medio es más uniforme en cada canal, ya que fluye simultáneamente en cada circuito. El resultado es una refrigeración más uniforme de todo el molde, lo que mejora la gestión del calor y, por tanto, la calidad de la pieza moldeada. Sin embargo, es necesario diseñar cuidadosamente los canales del lado del equilibrio térmico del molde para evitar "zonas muertas" o una disipación ineficiente del calor.
El número de Nusselt (Nu) se utiliza a menudo para cuantificar la eficacia de la transferencia de calor:
Dónde:
- h es el coeficiente de transferencia de calor por convección,
- k es la conductividad térmica del fluido.
En los sistemas conectados en serie, el número Nusselt local variará a lo largo de la longitud de los canales conectados y disminuirá a medida que se caliente el refrigerante, mientras que en los sistemas en paralelo nos resultará más fácil mantener un número Nusselt más constante en todos los canales.
- Impacto en la eficiencia de la refrigeración
Circuito conectado en serie:
- Gradiente de temperatura: El refrigerante que circula por una serie de canales absorbe calor y su temperatura aumenta. Esto da lugar a un gradiente de temperatura en el molde, en el que los primeros canales están más fríos y los canales posteriores están cada vez más calientes. Este enfriamiento desigual puede dar lugar a una velocidad de enfriamiento desigual en toda la pieza moldeada, lo que puede provocar la deformación de la pieza moldeada u otros defectos.
- Reducción del caudal: La pérdida de presión acumulada en una configuración en serie puede reducir significativamente el caudal total, reduciendo la capacidad del refrigerante para absorber eficazmente el calor. Esto puede provocar un aumento de la duración de los ciclos y una reducción de la eficiencia de la producción.
Conexión en paralelo:
- Distribución uniforme de la temperatura: En una configuración paralela, el refrigerante que entra en cada canal está aproximadamente a la misma temperatura, lo que conduce a un proceso de enfriamiento más uniforme en todo el molde. Esto ayuda a mantener una calidad constante de las piezas y reduce la probabilidad de defectos asociados a un enfriamiento desigual.
- Mayor caudal: Como las pérdidas de presión se reducen al mínimo en una configuración en paralelo, se puede mantener un mayor caudal, lo que aumenta la eficacia de la transferencia de calor. Esto puede reducir los tiempos de enfriamiento y aumentar los índices de producción.
