El enfriamiento en extrusión es cuestión de turbulencia

Independientemente de lo que se está extruyendo, para maximizar el enfriamiento es necesario generar turbulencia en la superficie de intercambio de calor.

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La refrigeración adecuada en la extrusión es crítica porque a menudo controla la producción. Las partes extruidas se pueden enfriar con gases, líquidos o contacto con una superficie que absorbe calor, como rodillos refrigerantes o calibradores. Los perfiles, tuberías, tubos y revestimientos de cables generalmente se refrigeran con agua; otros tipos de extrusiones (como la película soplada) se enfrían por aire o gases, ya sea total o parcialmente. Muchas de las mismas técnicas que se utilizan para optimizar el enfriamiento en otros procesos, especialmente el moldeado, también se aplican a los productos extruidos. Una de las más importantes es la necesidad de turbulencia del refrigerante en la superficie de la extrusión. Cuando el agua o un gas fluyen a baja velocidad, forma capas. Esto se llama flujo laminar. Bajo flujo laminar, la tasa de transferencia de calor es igual al área superficial multiplicada por la diferencia de temperatura dividida por la distancia desde la superficie. Esto significa que hay un gradiente de temperatura desde la superficie hacia afuera en el refrigerante.

Con flujo laminar, la capa de refrigerante más cercana a la extrusión, a menudo llamada capa límite, tiene una velocidad baja debido a su arrastre sobre la superficie del extruido. En consecuencia, se calienta más que el refrigerante circundante. Dado que el flujo de calor desde la superficie del extruido es proporcional a la diferencia de temperatura entre la extrusión y el refrigerante, la capa más caliente en la superficie del extruido reduce la transferencia de calor global.

Una mayor velocidad del refrigerante crea turbulencias en la capa límite y mezcla el cuerpo principal del refrigerante con la capa límite cerca de la superficie extruida. Además, la turbulencia en la superficie del extruido reduce el arrastre. Finalmente, el aumento de la velocidad aleja el refrigerante más caliente del extruido. Por lo tanto, un aspecto importante de la transferencia de calor es la velocidad del agua o el gas cerca de la superficie del componente de extrusión o herramental. Puede ser más importante que la temperatura real del refrigerante. El flujo turbulento aumenta la transferencia de calor por convección, aumenta la transferencia de masa y el mezclado, y reduce el arrastre, todos los cuales son favorables para un enfriamiento mayor del material extruido.

Los números de Reynolds (Re) por debajo de 1000 se consideran indicativos de flujo laminar. Los números que van de 1000 a 10,000 se consideran una zona de transición, y más allá de eso es el flujo turbulento. La turbulencia se determina calculando el número de Reynolds de la siguiente manera:

Re= udn/V

u = velocidad, dn = diámetro hidráulico, and V = viscosidad cinemática.

En el gráfico adjunto, el Re se compara con el número de Nusselt, que es una relación de convección a conducción de transferencia de calor, para un tubo corrugado y otro liso. Un número de Nusselt más alto indica una mayor transferencia de calor por convección.

Al comparar el número de Nusselt de Re = 1000 a Re = 3000, se observa un aumento de más de dos veces la transferencia de calor por convección. Se requeriría un cambio significativo en la temperatura del agua para que coincida con el efecto de la turbulencia.

¿Cómo aplica esto a su proceso? Cada proceso debe tratarse de manera diferente, pero con el mismo objetivo: lograr turbulencias en la superficie de intercambio de calor para maximizar la transferencia de calor. Por ejemplo, en un rollo de enfriamiento para lámina / película, se crea turbulencia de enfriamiento en las secciones en espiral para enfriar la superficie. Para moldes de soplado, se genera turbulencia en los pasos de agua del molde. En herramientas de perfil, la turbulencia se establece en los herramentales de calibración.

En los procesos donde los herramentales hacen la refrigeración, la Re se puede usar para dimensionar los canales de enfriamiento e incluso la velocidad en la  superficie de la película en el herramental de calibración. Sin embargo, en grandes tanques de enfriamiento es más difícil establecer un flujo turbulento. Por lo tanto, para aplicaciones de peletización, tubería, manguera y algunos perfiles, puede ser difícil aumentar significativamente la velocidad del agua de refrigeración hasta el rango turbulento. En esos casos, puede usar chorros, generadores de burbujas o deflectores para generar la velocidad localizada necesaria para romper la capa superior.

Aunque la temperatura de la masa total de agua puede permanecer baja, la capa límite invisible y su gradiente de temperatura que rodea el extruido restringen la transferencia de calor.


ACERCA DEL AUTOR: Jim Frankland es un ingeniero mecánico que ha participado en todo tipo de procesos de extrusión por más de 40 años. Ahora es Presidente de Frankland Plastics Consulting, LLC. Pónganse en contacto con jim.frankland@comcast.net o al (724)651-9196.