一種新型高溫水式模溫機(jī)的設(shè)計(jì)

謝仲銘，吳峻睿，王澤文，黃偉釗

（東莞信易電熱機(jī)械有限公司，廣東東莞 523792）

0 引言

模具溫度控制機(jī)（以下簡稱模溫機(jī)）主要應(yīng)用于模具的加熱與恒溫，模溫機(jī)可以起到提高注塑產(chǎn)品的成型效率、降低不良品的產(chǎn)生以及提高產(chǎn)品外觀的作用，因此被廣泛應(yīng)用于模具注塑行業(yè)[1]。用水和導(dǎo)熱油作為傳熱媒介相比，水傳熱能力更好，速率更快[2]，將模具預(yù)熱到同一溫度時(shí)，水式模溫機(jī)比油式模溫機(jī)加熱時(shí)間少約50%，節(jié)能約40%，用水作為傳熱媒介具有傳熱速度快、傳熱效率高、使用方便、節(jié)能、不污染環(huán)境等特點(diǎn)[3]。現(xiàn)國內(nèi)市場上水式模溫機(jī)的最高控溫普遍為180℃，常用的普通油式模溫機(jī)的最高控溫為200℃，隨著注塑行業(yè)的發(fā)展，以及工廠車間對(duì)環(huán)保清潔要求越來越高，以低成本無污染的水作為傳熱媒介的模溫機(jī)在市場占比越來越高，而一款能控溫到200℃，可替代大部分油式模溫機(jī)的高溫水式模溫機(jī)，相信其對(duì)于提供國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，以及增強(qiáng)公司高端市場產(chǎn)品競爭力具有十分重要的意義。

根據(jù)溫度和飽和蒸氣壓可知，水的沸點(diǎn)與壓力存在近似線性的關(guān)系，當(dāng)大氣壓為常壓時(shí)，水的沸點(diǎn)為100℃，此時(shí)如果還繼續(xù)加熱，水只會(huì)沸騰蒸發(fā)而不會(huì)繼續(xù)升溫，要想將水加熱到200℃而不蒸發(fā)的話，就得施加1.55 MPa的壓力作用于加熱器內(nèi)的循環(huán)水，由于加熱器內(nèi)的壓力是通過加熱密閉系統(tǒng)中的水膨脹獲得的，同時(shí)又需要保證系統(tǒng)中各密封原件的安全性和穩(wěn)定性，因此在加熱升溫的過程中，需要有泄壓的邏輯，并在最高溫時(shí)泄壓后系統(tǒng)內(nèi)部的壓力還不能低于1.55 MPa，綜上所述，系統(tǒng)內(nèi)各閥件的耐溫不能低于200℃，且同時(shí)耐壓也不能低于1.6 MPa。

模溫機(jī)的耐壓閥件通常為電磁閥，可以用于開機(jī)排氣、冷卻，以及運(yùn)行中的泄壓，有著至關(guān)重要的作用，傳統(tǒng)高溫水式模溫機(jī)最高溫度為180℃，對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓為1.0 MPa，在泄壓邏輯下，系統(tǒng)內(nèi)部能承受1.2 MPa就夠用了，國內(nèi)一般耐溫耐壓高的電磁閥都能滿足此要求，但在溫度達(dá)到200℃后，國內(nèi)幾乎沒有電磁閥能同時(shí)耐壓達(dá)到1.6 MPa及其以上的，詢問過國外的品牌電磁閥，價(jià)格極高，后期維護(hù)更換也麻煩，考慮到機(jī)器成本以及后期維護(hù)的問題，希望能在結(jié)構(gòu)上解決電磁閥不能同時(shí)承受內(nèi)部高溫以及高壓的問題。

傳統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)采用套管式冷卻器，此種冷卻器在加熱時(shí)套管內(nèi)殘留冷卻水會(huì)被加熱桶表面高溫蒸發(fā)成水蒸汽[4]，對(duì)套管管壁造成腐蝕，機(jī)器升溫降溫時(shí)套管內(nèi)壓力波動(dòng)以及冷熱交替，焊接處在冷熱循環(huán)下極易發(fā)生疲勞開裂[5]，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在機(jī)器180℃時(shí)都已出現(xiàn)過套管泄漏的情況，200℃時(shí)機(jī)器如果還采用此種結(jié)構(gòu)的話泄漏情況肯定會(huì)更嚴(yán)重，為了解決此問題，本文設(shè)計(jì)了一種采用板式換熱器作為冷卻結(jié)構(gòu)的模溫機(jī)，通過理論分析及后期長期測試，驗(yàn)證了優(yōu)化的可能性，解決了上述的問題。

1 設(shè)備工作原理

設(shè)備工作原理如圖1所示。從模具20回來的高溫水經(jīng)過管路回到泵浦14入口，經(jīng)泵浦14加壓后輸送到加熱器3，通過加熱后輸送至模具20，如此循環(huán)。在此過程中，如果水位探針13檢測到液位下降到設(shè)定值后，機(jī)器啟動(dòng)柱塞泵16補(bǔ)水。如果溫度過高，系統(tǒng)啟動(dòng)冷卻電磁閥8，高溫水進(jìn)入板式換熱器9進(jìn)行冷卻，降低高溫水的溫度，從而實(shí)現(xiàn)恒溫的目的，如果高溫水的溫度還是維持高溫至系統(tǒng)設(shè)定值或超溫保護(hù)器6的設(shè)定溫度，系統(tǒng)啟動(dòng)高溫報(bào)警并停機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)壓力繼續(xù)升高到系統(tǒng)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)高壓報(bào)警并停止工作，機(jī)械式安全閥2開啟對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全泄壓，保證機(jī)器內(nèi)部壓力安全。

圖1 機(jī)器原理

2 傳統(tǒng)模溫機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能分析

如圖2所示，傳統(tǒng)高溫水式模溫機(jī)由加熱桶，泵浦，回水管部件等3大件組成，所用冷卻機(jī)構(gòu)為套管式冷卻結(jié)構(gòu)，即在加熱桶上焊接一個(gè)套管，加熱桶與套管內(nèi)有中空區(qū)域，冷卻時(shí)電磁閥打開冷卻水進(jìn)入套管內(nèi)對(duì)加熱桶內(nèi)部高溫水進(jìn)行間接冷卻，由于加熱桶管壁較厚（3 mm），熱交換阻力大，另套管內(nèi)冷卻水上進(jìn)下出，在重力的作用下，冷卻水很難完全布滿冷卻套管，導(dǎo)致機(jī)器冷卻效率較低。

圖2 傳統(tǒng)高溫水式模溫機(jī)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)高溫水式模溫機(jī)排氣電磁閥連接在水箱上，高壓蒸汽直接從水箱內(nèi)部排到電磁閥，電磁閥密封件所承受的溫度及壓力與機(jī)器內(nèi)部的溫度壓力相接近，180℃時(shí)對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓已接近機(jī)器所用電磁閥耐壓的臨界點(diǎn)。

3 新型高溫水式模溫機(jī)結(jié)構(gòu)及性能分析

傳統(tǒng)高溫水式模溫機(jī)工作溫度如果還想繼續(xù)升高，勢必要解決溫度升高后，各密封處耐溫耐壓的問題，通過柱塞泵直接加壓測試，發(fā)現(xiàn)原有加熱桶與電熱管的方形密封法蘭，在1.6 MPa壓力下，水會(huì)從法蘭四條邊的密封處滲漏出來，設(shè)計(jì)了一種圓形的密封法蘭[6]，在法蘭上側(cè)有兩條界面為三角形的同心圓溝槽（俗稱水線），其可在公稱壓力P＜2.45 MPa時(shí)使用。查詢電磁閥參數(shù)可知，在系統(tǒng)內(nèi)部液體為飽和水蒸汽時(shí)，最高耐溫為183℃，最大操作壓差為2.0 MPa，最大耐壓力為3.0 MPa，其最大操作壓差和最大耐壓力都可以滿足機(jī)器使用要求，只有最高耐溫參數(shù)不滿足機(jī)器使用要求，通過分析機(jī)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將泄壓電磁閥由連接在水箱處改到熱水冷卻回路上，即系統(tǒng)內(nèi)部高溫飽和水蒸汽經(jīng)過板換冷卻后再從泄壓電磁閥排出，泄壓電磁閥出口端連接冷卻水出口，同時(shí)也可給電磁閥降溫，再加連接管路的散熱，在機(jī)器200℃時(shí)，經(jīng)測溫儀器測試，此時(shí)從電磁閥排出的熱水已低于電磁閥的最高承受溫度。綜合上述所述，并經(jīng)過長期耐久測試，設(shè)計(jì)出了一款性能穩(wěn)定、安全耐壓的高溫水式模溫機(jī)，如圖3所示。

圖3 新型高溫水式模溫機(jī)結(jié)構(gòu)

3.1 使用板式換熱器替換套管式冷卻器

板式換熱器和套管式冷卻器分別如圖4和圖5所示。板式換熱器相對(duì)于套管式冷卻器具有冷卻效率高、安裝方便無需焊接、無泄漏的特點(diǎn)。板式換熱器由兩種不同的波紋板相互倒置，使流體在波紋板間流道內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)三維流動(dòng)，能在較低的雷諾數(shù)下產(chǎn)生紊流，由于冷熱兩種媒介逆流[7]，因此換熱效率更高，一般為套管式冷卻器換熱效率的3~5倍[8]，由于板式換熱器冷卻回路常開，持續(xù)給其降溫，可減少水垢的產(chǎn)生[9]堵塞板式換熱器，延長其使用壽命。

圖4 板式換熱器

圖5 套管式冷卻器

套管式冷卻器結(jié)構(gòu)為降溫時(shí)才通入冷卻水，機(jī)器正常運(yùn)行時(shí)管內(nèi)高溫，當(dāng)冷卻時(shí)冷水突然通入，縮口處在頻繁冷熱交替后存在開裂泄漏風(fēng)險(xiǎn)，兩端縮口需滿焊在加熱桶上，焊接困難，另維修成本也高，套管泄漏整個(gè)加熱桶都需要拆卸才能更換。

兩種結(jié)構(gòu)測試數(shù)據(jù)比較如表1所示。結(jié)合實(shí)際案例可分析，板式換熱器不僅冷卻效率高，安裝方便，并且維修成本更低，使用壽命更長。

表1 測試數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2 內(nèi)部高溫水經(jīng)過板式換熱器冷卻后再排出

機(jī)器的換熱設(shè)計(jì)為冷卻回路常開，而系統(tǒng)的泄壓端口在板式換熱器熱水出后方，即到達(dá)泄壓電磁閥的熱水已經(jīng)過板換降溫，如圖6所示，從加熱桶出來的熱水，經(jīng)過管道1流到板式換熱器中，被板式換熱器冷卻后從管道2達(dá)到泄壓電磁閥，此時(shí)高溫水的溫度已經(jīng)在電磁閥能承受的范圍內(nèi)，經(jīng)過3個(gè)月的高溫測試，電磁閥未出現(xiàn)泄漏和啟動(dòng)失效的情況，驗(yàn)證了該方法的可行性。

圖6 排氣結(jié)構(gòu)

3.3 密封處使用密封面帶溝槽的圓法蘭代替光面方法蘭

如圖7所示，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電熱管跟加熱桶通過方形法蘭連接在一起，兩法蘭之間用石墨墊片密封，4個(gè)角分布有螺絲安裝孔，經(jīng)測試，高壓時(shí)兩個(gè)螺絲之間會(huì)有滲漏，新結(jié)構(gòu)采用圓形密封法蘭，如圖8所示，周圍均布6個(gè)鎖螺絲孔，緊定更均勻，法蘭密封面車有兩道圓形V槽，耐壓力更高，經(jīng)長期高溫高壓測試，密封面無滲漏情況，驗(yàn)證了此種結(jié)構(gòu)的可行性。

圖7 傳統(tǒng)方形結(jié)構(gòu)

圖8 新型圓形結(jié)構(gòu)

3.4 采用雙冷卻水進(jìn)口結(jié)構(gòu)

如圖9所示，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)只有一個(gè)冷卻水進(jìn)口，進(jìn)入機(jī)器內(nèi)部后再分成冷卻水循環(huán)管路和內(nèi)部補(bǔ)水管路，此結(jié)構(gòu)兩條管路只能共用冷卻水，高溫工況下機(jī)器內(nèi)部及模具極易產(chǎn)生水垢[10]，縮短電熱管及各閥件的使用壽命，降低電熱管和模具傳熱效率[11]，造成電能的浪費(fèi)。

圖9 傳統(tǒng)冷卻水進(jìn)口結(jié)構(gòu)

如圖10所示，新型結(jié)構(gòu)采用雙冷卻水進(jìn)口，將冷卻水循環(huán)管路跟內(nèi)部補(bǔ)水管路分開，客戶可搭配純水過濾裝置使用，內(nèi)部水選擇使用過濾后的純凈水，極大地減少水垢的產(chǎn)生[12]，同時(shí)純水中不含雜質(zhì)顆粒物，可減少電磁閥卡死泄漏等異常發(fā)生，延長機(jī)器各零部件的使用壽命。

圖10 新型雙冷卻水進(jìn)口結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

本文針對(duì)目前油式模溫機(jī)在使用中存在的缺點(diǎn)，開發(fā)了一款最高加熱溫度為200℃的新型高溫水式模溫機(jī)，在相同的加熱功率和時(shí)間下，使用水式模溫機(jī)加熱更均勻，升溫速度更快，且不存在熱媒變質(zhì)和污染環(huán)境的問題?；趥鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)，新型結(jié)構(gòu)更改了排氣方式及密封法蘭形式，解決了高溫高壓泄漏的問題，更改了冷卻結(jié)構(gòu)及優(yōu)化了補(bǔ)水方式，提升了機(jī)器的使用性能，通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及長期耐久測試，確認(rèn)可取代油式模溫機(jī)使用。