El comportamiento del flujo de refrigerante afecta a la transferencia de calor entre el molde y el refrigerante. La efectividad de la transferencia de calor aumenta cuando el flujo de refrigerante es turbulento, y no laminar. El flujo turbulento de refrigerante tiene un mejor gradiente de temperatura que el flujo laminar.
- El gradiente de temperatura a través del metal, que depende de la conductividad del metal
- El gradiente de temperatura a través de la interfase de refrigerante y metal, que depende del flujo de refrigerante
La ruta del flujo de calor desde el plástico hasta el canal de refrigeración
La velocidad del flujo de refrigerante puede afectar a la transferencia de calor.
A velocidades muy bajas el flujo es laminar; el calor debe conducirse a través de varias capas de refrigerante hasta el centro del canal. Dado que el refrigerante es un mal conductor del calor, la transferencia de calor es muy poco eficaz. Esto se muestra a continuación en el gráfico a, donde existe una diferencia de temperatura relativamente grande entre la interfase de refrigerante y metal y el centro del canal.
A medida que aumenta el flujo de refrigerante, la transferencia de calor aumenta a una velocidad marginal hasta que el flujo de refrigerante se hace turbulento. Ahora hay un componente de velocidad del refrigerante perpendicular al canal que causa una considerable mejora en la transferencia de calor. La mayor transferencia de calor que se muestra en el gráfico b da como resultado una temperatura más baja en la pared de la cavidad en el caso de los refrigerantes con un flujo turbulento.
En estos gráficos, los elementos de molde están representados por lo siguiente:- a = refrigerante
- b = interfase agua/metal
- c = pared de cavidad
- d = pieza de plástico
Flujo laminar y turbulento
La relación entre la transferencia de calor y el flujo de refrigerante puede expresarse como un factor exponencial. El flujo de refrigerante es laminar o turbulento, o en transición entre laminar y turbulento. Para el flujo laminar, la transferencia de calor aumenta de manera proporcional a la raíz cúbica de la velocidad del flujo.
Esto significa que, al doblarse el flujo de refrigerante, la transferencia de calor aumenta en un 24 por ciento, aproximadamente. Para el flujo turbulento, la transferencia de calor es proporcional al cuadrado de la raíz cúbica de la velocidad del flujo. En consecuencia, en la zona turbulenta, al doblarse el flujo de refrigerante, la transferencia de calor aumenta en un 59 por ciento.
La potencia necesaria para bombear refrigerante alrededor del sistema es proporcional a la velocidad del flujo elevada al cubo. Esto significa que para duplicar el flujo de refrigerante se necesitará ocho veces más potencia de bombeo.
Una vez que el flujo turbulento se haya desarrollado por completo, los mayores aumentos en la velocidad del flujo aumentarán la capacidad del molde para extraer calor. Sin embargo, la cantidad de calor que se puede extraer está limitada por la cantidad de calor que pasa al molde, y la extracción de calor no puede mejorarse más allá de esta limitación.
La condición más efectiva para la transferencia de calor consiste en asegurarse de que el flujo de refrigerante sea turbulento y que la capacidad para extraer calor no supere en gran medida la cantidad de calor disponible para la extracción. El siguiente gráfico muestra la extracción de calor del molde como función de la velocidad del flujo de refrigerante. En la región A la transferencia de calor es por conducción, en la región C la transferencia de calor es por convección y B es una región de transición. La línea sólida, E, refleja la capacidad de extracción de calor; la línea discontinua, H, indica la extracción real de calor.
Número de Reynolds
El número de Reynolds es una relación que define la velocidad del flujo de fluido en conducciones. El comienzo de la turbulencia en agua está entre 2300-4000. El número de Reynolds se asigna a circuitos de refrigeración cuando no se conoce la velocidad del flujo. Un número de Reynolds de 4.000 se considera completamente turbulento, pero es una buena práctica utilizar un número de Reynolds de 10.000 para representar el flujo turbulento al ejecutar un análisis.
Las ecuaciones del sistema de refrigeración tienen más información sobre el número de Reynolds.