热压罐是一种体积较大、重量较重具有整体加热系统的大型压力容器。由于热压罐是一个压力容器,因此它常见的结构是一端封闭,另一端开门的圆柱体,为复合材料部件的压实和固化提供必要的热量和压力。通常情况下,制件的尺寸很大,热压罐要更大。同时,一些复合材料成型要求的压力和温度更高,针对这种情况,需要建造特殊的热压罐,但成本会相当高。幸运的是大多数应用只要求中等的温度和压力。
热压罐的主要优点之一就是适合于多种材料的生产,只要是固化周期、压力和温度在热压罐可制造范围内的复合材料都能生产。热压罐的另一优点是它对复合材料制件的加压灵活性强。通常制件铺放在模具的一面,然后装入真空袋中,施加压力到制件上使其紧贴在模具上,制件上的压力通过袋内抽真空而进一步被加强。因此,热压罐成型技术可以生产不同外形的复合材料制件。由于上述优点,热压罐被广泛应用于复合材料制件的生产。
复合材料的加工对压力和温度的要求各有不同,尤其是温度均匀性要求比较高。目前比较常见是电加热和导热油加热两种方式。
下面就如何选择加热方式作一下简单概述:
一、导热油电加热器的性能
1、能在交低的运行压力下(<0.5Mpa),获得较高的工作温度(≤320℃),降低了用热设备的受压等级,可提高系统的安全性。
2、加热均匀柔合,温度调节采用PID自整定智能控制,控温精度高(≤±1℃),可满足高工艺标准的严格要求。
3、体积小,占地少,可安装在用热设备附近,不需专设锅炉房,不需要设专人操作,可降低设备投资及运行费用,回收投资快。
4、运行控制及安全监测装置齐全完备,升温过程全自动控制,操作简捷,安装方便。
5、闭路循环供热,热量损失小,节能效果显著,无环境污染,使用范围广。
6、备有低温型(≤180℃),中温型(≤300℃),高温型(≤320℃),产品规格全,用户选择范围广。
二、导热油电加热器的特点
1、使用方便。系统全自动控制,无需专人值守。
2、安全。系统包括温度自动控制、上下班自动程序控制、液位 自动控制压差控制报警、压力自动控制,超温报 警、故障自动检测等多项控制使系统特别安全可靠。特殊的电热管设计使电热管本身更加安全,特殊的电热管设计包括低于2W/cm2的表面热负荷(仅为一般电热管的1/5),加热器之内100mm的非加热段保证了导热油的安全,加热器与接线盘之间的隔热段使电缆接线端子的温度基本不受导热油温度的影响。
3、使用寿命长
a.炉体为管架结构,导热油强制循环,流速均匀;
b.低于2W/cm2的电热管表面热负荷;
c.加热器之内法兰盘内侧100mm的非加热段;
d.加热器与接线盘之间设有隔热
以上措施延长了导热油及电加热管的寿命
4、安装方便。炉体、循环泵、过滤器、油气分离器、仪表、阀门出厂已组装为一体,安装时只需连接用热设备、膨胀罐即可。
三、电加热器的选择方法
怎样选择合适的加热器,首先要考虑加热器的功率大小。在满足时间参数的条件下,选择功率是为了满足加热介质所需发热量,确保加热器能实现加热目的,正常运行。
可以这样认为:电加热器的功率即为发热量。
1、功率选择的考虑
功率的计算选择应考虑以下三条:
⑴ 从初始状态,按规定时间要求实现加热介质至设定温度(工作温度);
⑵ 在工况条件下,发热量足以维持介质温度;
⑶ 应有一定的安全裕度,一般取1.2。
显然,从第⑴、⑵条选择功率的较大者,乘以安全裕度就是应选的功率。
2、从初始状态加热所需功率的计算
(1) 静态流体加热
(2) 流动流体加热
(3) 风道式加热器常压空气加热
以上三式中
P计 —— 电加热器所需功率 (KW);
Q散 —— 在设定温度下容器的散热量(KW);
式中:
C1 — 被加热介质的比热。(Kcal/(kg•℃)
C2 — 容器(系统)的比热。(Kcal/(kg•℃)
M1 — 被加热介质质量。(Kg);
M2 — 容器(系统)质量(Kg);
ΔT — 设定温度与初始温度的差值。(℃);
t — 从初始温度加热介质至设定温度所规定的时间。(h);
F — 加热介质流量,(一般取大流量)。(m /min);
S — 散热面积。 (m2) ;
q损 — (保温)材料在设定温度下,单位面积上的热损失量。 (Kwh/m )
3. 维持介质温度所需功率的计算
式中:
P维 — 电加热器维持介质温度所需功率。(KW)
M1增 — 每小时增加的介质质量。(Kg/h)
简单直接选购法
以下是简单的导热油加热器选购办法,只作为指引,以下详细介绍实际计算方法。
1. 按下式计算压铸模具加热需要的功率:
L1 = (Q1*X1) / (t*3600) watt
= (M*c*DnV1*X1) / (t*3600) watt
L1 = 压铸模半边加热功率,包括镶块或模具的其他零件 w (watt)
Q1 = 升高待加热材料的温度所需的热量 J (Joule)
M = 待加热部份重量 = 待加热体质量 (kg)
c = 比热 模具钢,约 500J / kgK (kg)
DnV1 = 开始加热和终止加热 (工作温度) 间的温差 。
t = 加热时间 (hr)
X1 = 安全系数,热幅射,热传递到模框、压铸机上的热损耗
(随着模具尺寸变大而升高) 1.2-2
例如:模具 重量 600Kg
加热时间表 2小时
加热到220oC(VF)(室内温度VA为20oC)
DnV1=VF-VA=220-20=200oC
L1=(600 X 500 X 200 X 1.5)/2 X 3600=12.5KW
2.在生产中,温度控制器冷却的功率可按下式计算:
A2 = (M*fq*X2)/3600 kW (1kW = 860kcal)
A2 = 由金属熔液带来的热,即通过冷却导出的热 kW
M = G*S = 重量 (1 小时的重量) kg/h
G = 铸件重量 (超过 1.5kg 的铸件,不包括浅道一般用水冷却) kg
S = 每小时铸件数 n
fq = 热系数 (见表 2)
X2 = 修正系数,模具大时为 1;模具小时为 1.5
例如:铸件重量 2.5Kg
铸件数 60/h
材料 铝(fq=798)
X2 1.1
A2=(2.5x60x798x1.1)/3600=36.6KW
假定模具的两边面积相等,则两个装置的功率为36.6/2=18.3KW
3. 泵所需流量取决于通道的横截面积 (尽量使选定的通道 适合于所有模具) 这里使用经实际验证的热载体流速 2~ 3 m/s 为基础,以下数据可为标准值:
通道直径mm 泵 V L/ mm
80 - 11 10 - 14 以齿轮泵为主
12 - 14 - 19 以齿轮泵为主
14 - 16 - 25 侧通道特制离心泵
16 - 18 - 32 侧通道特制离心泵
除「流速」外,还检验选定的泵输送量是否能运送能量。这可按下式进行:
V = 60 *(L/c*DnV*p)
V = 输送量 L/min
L = 工作过程的规定功率 (L1 或者 L2 中取较大值)
W (Watt)
DnV3 = 模具工作温度和载热体原始温度间的允许温差 (约 40-100)oC(k)
p = 载热体的密度 (见表 2) kg/dm3
c = 比热 (见表 2) J/kgK
例如:根据例3,18.3KW 即 18300W
若DnV3取40oC(例如:模具表面温度为240oC,油温为200oC,则
V=60*(18300/(2500*40*0.75))= 14.4L/min
4. 进一步验算通道表面积
确定模具内部加热通道的结构和尺寸是模具设计师的任务。通常载热体把热能传给模具或者将热量从模具带走,两者情况都一样,都决定于热传导系数 a,以 W/cm2 K 表示。
热传导系数 a 主要受下列因素影响:
载热体的流速§
模具与载热体间的温差§
系统均匀工作温度§ (初始温度)
是把接触面 (通道表面) 设计成能传递能量。如通道直径太细或长度不足,会
出现无法升温的情况,由于水冷通道一般较热油通道直径小,如不改设计,很多时导致接触面不足。
通道表面积计算公式如下:
A = L/(a*DnV3)cm2
A = 必要的热交换表面积 cm2
L = L1 或者 L2 工作加热或冷却功率 Watt
a = 热传导系数 W/cm2 K (a = 0.222 / DnV3 = 40,
a = 0.21 / DnV3 = 60)
DnV3 = 载热体的初始温度和模具工作温度的温差oC(k)
为避免温度波动,温差应尽可能小,力求达到40oC。如果用铝,即使 100oC 也能取得良好效果 (例如模具工作温度 250oC,初始温度 150oC),要避免 DnV3 超过 100oC,初始温度低于 150oC,否则,载热油的效率将变得不理想。
例如:按照 3,假定DnV3=40oC w=3m/s
A1=18300/0.222*40=2061cm2
或:DnV3=60oC,w=3m/s
A2=18300/0.21*60=1452cm2
w=3m/s=183000cm/min
V=14.4L/min=14400cm3/min
Aq 横切面积=V/w=0.8cm2(3.1416*r2)
->d=10mm
通道直径 10mm
通道长度:A1/3.1416*d=2061cm2/3.14cm=656cm
实际运用
所有举例的数值都经实践和试验的验证,它们可能受各种因素的影响,这些计算只能提供一些参考,并不担保适用于所有条件。
导热油之选择和使用须知
市面上有颇多可供选择的导热油,于选购时参考导热油加热器的温度限制及使用温度,沸点要高于 高温度限制,并留意供应商建议的热油寿命数据。老化的油会造成沉淀,性能降低,其表现于沸点降低及较易燃烧。一般来说350℃ 导热油加热器运用 370℃ 至 380℃ 沸点,350℃ 至 360℃操作温度之导热油;320℃ 导热油加热器选用 350℃ 沸点,320℃ 高操作温度的导热油。另外,要留意 低启动油温及 低运行油温的数据,以配合当地天气环境。导热油的质量的特征应包括氧化稳定性、防沉、防泡沬等使用寿命数据。
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