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Come calcolare la portata di raffreddamento di uno stampo

Indice

Uno stampo può avere un termoregolatore perfetto e raffreddare comunque male. Di solito il motivo è la portata: circuiti con poca acqua, mal distribuita o in regime laminare. La portata di raffreddamento dello stampo è la variabile più data per scontata e meno misurata. Questa guida spiega come calcolare il minimo necessario per ogni circuito, come verificare il salto termico e come misurarlo in reparto.

Due criteri da rispettare contemporaneamente

La portata di ogni circuito deve soddisfare due condizioni:

  1. Regime turbolento, perché l’acqua strappi calore alla parete del canale.
  2. Salto termico ridotto tra ingresso e uscita, perché lo stampo abbia la stessa temperatura lungo tutto il circuito.

La portata corretta è la maggiore delle due. Quasi sempre prevale la seconda, ma la prima è quella che si dimentica nei canali stretti.

Regime turbolento e numero di Reynolds

In regime laminare l’acqua si muove a strati e quella a contatto con la parete si rinnova appena: trasferisce poco calore. In regime turbolento si mescola e lo scambio si moltiplica. Lo indica il numero di Reynolds:
Re = v · D / ν

  • v: velocità dell’acqua (m/s).
  • D: diametro del canale (m).
  • ν: viscosità cinematica dell’acqua (m²/s). Circa 1,0 × 10⁻⁶ a 20 °C, 0,66 × 10⁻⁶ a 40 °C e 0,36 × 10⁻⁶ a 80 °C.

Sotto 2.300 il flusso è laminare; tra 2.300 e circa 4.000 è di transizione. Per raffreddare gli stampi si consiglia di lavorare con Re pari a 10.000 o più, con flusso chiaramente turbolento.

Esempio: canale da 10 mm con acqua a 40 °C

Per Re = 10.000: v = Re · ν / D = 10.000 × 0,66 × 10⁻⁶ / 0,010 = 0,66 m/s. La sezione di un canale da 10 mm è 7,85 × 10⁻⁵ m², quindi la portata minima è 0,66 × 7,85 × 10⁻⁵ = 5,2 × 10⁻⁵ m³/s, circa 3,1 l/min.
La tabella riporta la portata minima per circuito per Re = 10.000 in base al diametro e alla temperatura dell’acqua:

Diametro del canale Acqua a 20 °C Acqua a 40 °C Acqua a 80 °C
6 mm 2,8 l/min 1,9 l/min 1,0 l/min
8 mm 3,8 l/min 2,5 l/min 1,4 l/min
10 mm 4,7 l/min 3,1 l/min 1,7 l/min
12 mm 5,7 l/min 3,7 l/min 2,0 l/min
14 mm 6,6 l/min 4,4 l/min 2,4 l/min

Due conclusioni pratiche: l’acqua fredda richiede più portata per essere turbolenta, e l’olio, molto più viscoso, ancora di più. Nei circuiti a olio fai il calcolo con la viscosità dell’olio alla sua temperatura di lavoro.

Salto termico tra ingresso e uscita

Il secondo criterio deriva dal bilancio termico: Q = m · cp · ΔT. Perché lo stampo sia omogeneo, la differenza tra ingresso e uscita di ogni circuito non dovrebbe superare 2–3 °C, e nei pezzi tecnici o di precisione conviene avvicinarsi a 1–2 °C.
Esempio: uno stampo che deve smaltire 6 kW (per esempio, circa 36 kg/h di PP) con quattro circuiti uguali. Ogni circuito asporta 1,5 kW. Con ΔT = 2 °C: m = 1,5 / (4,18 × 2) = 0,18 kg/s, circa 10,8 l/min per circuito.
In un canale da 10 mm a 40 °C, il minimo secondo Reynolds era 3,1 l/min. Qui prevale il criterio termico: servono quasi 11 l/min, e con questa portata il flusso è chiaramente turbolento. Verifica poi che la pompa del termoregolatore fornisca questa portata totale (circa 43 l/min) con la perdita di carico reale dello stampo.

Bilanciare i circuiti

Calcolare la portata non serve a nulla se poi non arriva a ogni circuito. I problemi abituali:

  • Circuiti in parallelo diseguali: l’acqua va dove trova meno resistenza. Un circuito lungo o con molte curve riceve meno portata di uno corto.
  • Circuiti in serie: il salto termico si somma e l’ultima zona lavora più calda della prima.
  • Calcare e sporco: riducono la sezione utile e la portata senza che nessuno se ne accorga. Lo spieghiamo in calcare e incrostazioni nel circuito dello stampo.
  • Tubi e innesti rapidi stretti: un innesto a passaggio ridotto può limitare più del canale stesso.

Come misurarla in reparto

Ciò che non si misura non si controlla. Ci sono tre livelli:

  • Flussimetro per circuito: mostra la portata reale di ogni canale e individua circuiti ostruiti o sbilanciati. Se stai iniziando, leggi il nostro articolo sul flussimetro e consulta i nostri flussimetri industriali.
  • Misurare la temperatura di ingresso e uscita: il ΔT reale di ogni circuito conferma se la portata è sufficiente. È la base del controllo del delta T.
  • Distribuzione multicircuito con monitoraggio: misura in continuo portata e temperatura di ogni circuito e avvisa se uno si discosta. Guarda la distribuzione multicircuito elettronica.

Errori tipici

  • Fidarsi della portata nominale della pompa invece di misurare la portata reale di ogni circuito.
  • Collegare in serie circuiti che dovrebbero essere in parallelo, per risparmiare tubi.
  • Usare innesti rapidi a passaggio ridotto su canali di diametro maggiore.
  • Non controllare i circuiti finché non compaiono difetti sui pezzi.

Domande frequenti

Quale numero di Reynolds serve a uno stampo?

Come riferimento, 10.000 o più. Sotto 4.000 lo scambio termico cala in modo importante.

Quale ΔT è accettabile tra ingresso e uscita?

Tra 2 e 3 °C in generale, e 1–2 °C nei pezzi di precisione.

Più portata è sempre meglio?

No. Una volta in regime turbolento e con un ΔT ridotto, più portata aumenta solo la perdita di carico e il consumo della pompa.

Ogni quanto conviene misurare la portata?

L’ideale è monitorarla in continuo. Come minimo, a ogni montaggio dello stampo e quando cambia la qualità dei pezzi.

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Come calcolare la portata di raffreddamento di uno stampo

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