Optimización del enfriamiento en la extrusión de láminas de plástico

Los plásticos extruidos se enfrían de varias maneras: con agua, con aire y con cilindros de enfriamiento. El enfriamiento por cilindros tiene el cálculo de enfriamiento que se puede definir más fácilmente, pero todavía veo una ambigüedad considerable cuando se trata de la selección de las torres de rodillos para láminas.

Para la extrusión de láminas es común tener alguna variación geométrica de una torre vertical de tres rodillos, con posiblemente algunos rodillos adicionales para líneas de muy alta velocidad donde el tiempo de contacto es corto. En la lámina, el rodillo superior tiene solo un efecto de enfriamiento menor porque el polímero presenta un área de contacto pequeña.

Hay cuatro aspectos principales por considerar al seleccionar la torre correcta para su aplicación: la capacidad de enfriamiento general, los productos para procesar, la capacidad mecánica y el diseño interno de los rodillos. Teniendo en cuenta solo la capacidad de enfriamiento, el rodillo superior está ahí para establecer el grosor de la lámina, así como su uniformidad.

Por lo general, menos del 10 % del rodillo está en contacto con el plástico, lo que minimiza el área para la transferencia de calor. El rodillo medio hace la mayor parte del enfriamiento porque tiene aproximadamente la mitad de su circunferencia cubierta con el polímero, y el plástico, más caliente allí, maximiza la transferencia de calor al rodillo enfriado.

El tercer rodillo también tiene el 50 % o más de su circunferencia en contacto con el plástico, pero dado que gran parte del calor en el plástico entra en el rodillo medio, la tasa de transferencia de calor suele ser mucho menor para el tercer rodillo. Sin embargo, dado que el tercer rodillo enfría el lado opuesto de la lámina del rodillo medio, se vuelve más efectivo para láminas más gruesas. Se necesita tiempo para que el calor se mueva a través de la lámina, y cuanto más gruesa sea la lámina, menor será el porcentaje extraído en un rodillo en particular.

Los diseños de J-Stack como este se usan típicamente para PET, PETG, PS y PP. (Foto: Davis-Standard)

Hay bastantes consideraciones para el tamaño adecuado del rodillo, basadas solo en las diferentes propiedades del polímero. Es decir, no hay un conjunto de rodillos universal. La eficacia de enfriamiento del rodillo varía según el tipo de polímero, el diseño del rodillo y el refrigerante. Me ceñiré a las diferencias de polímero en este artículo, ya que tienen un efecto significativo en el enfriamiento. La velocidad de transferencia de calor, el calor específico y la temperatura de fusión son los principales determinantes de la velocidad de enfriamiento.

Consideremos una línea de procesamiento de HIPS en comparación con una de procesamiento de HDPE, ambos con la misma temperatura de fusión de 190.5 °C (375 °F) y una temperatura de salida deseada de 48.8 °C (120 °F). Así que 190.5-48.8 = 141 °C de enfriamiento en ambos casos, pero si se multiplica eso por el calor específico del polímero, los resultados son bastante diferentes.

HIPS: 255 F × 0.32 BTU/l-°F = 81.6 BTU/l

HDPE 255 F × 0.55 BTU/l-°F = 140.3 BTU/l

Hay un 72 % más de calor que se debe eliminar del HDPE a la misma velocidad de salida (l/h). Sin embargo, la tasa de transferencia de calor en HDPE es más del doble que la de HIPS. Por lo tanto, a pesar de que hay más calor que transferir con el HDPE, se mueve a través de la lámina más del doble de rápido desde el polímero hasta la superficie del rodillo. Si bien eso significa que es posible enfriar estos dos polímeros a velocidades similares, el HDPE requeriría más flujo de enfriamiento para que eso suceda.

Ahora comparemos el HDPE con el PP:

PP: 255 F × 0.52 BTU/l °F = 132.6 BTU/l

HDPE: 255 F × 0.55 BTU/l-°F = 140.3 BTU/l

Están muy cerca en contenido de calor (0.55 vs. 0.52 BTU / l-°F) pero la tasa de transferencia de calor del PP es del 60 % de la del HDPE (0.15 vs. 0.09 BTU/Ft-H-°F). Eso significa que, en las mismas condiciones de salida, la temperatura del rodillo y la temperatura de fusión tomará un 60 % más de tiempo en los rodillos obtener la misma temperatura de salida para el PP que el HDPE.

Además de esas propiedades, la densidad de fusión entra en juego cuando las comparaciones se basan en libras por hora. En el caso del HIPS vs. HDPE, la fusión del HIPS es un 33 % más densa, por lo que el calor tiene una distancia más corta para viajar, eliminando la mitad de la ventaja en la tasa de transferencia de calor para HDPE. En la comparación PP/HDPE, el PP tiene una densidad de fusión ligeramente menor que el HDPE, por lo que el calor tiene una distancia levemente mayor de recorrido y empeora la comparación.

El punto de esta discusión es que no existe un equipo de enfriamiento de rodillos “universal” debido a las diferencias en las propiedades térmicas del polímero. Incluso, la densidad de fusión del polímero afecta la efectividad del enfriamiento del rodillo debido a las diferencias en la tasa de transferencia de calor. Cuando las propiedades térmicas del polímero se combinan con los requisitos mecánicos, el diseño/tamaño del rodillo y el sistema de enfriamiento del rodillo, la selección de la torre de rodillos se convierte en un problema bastante complejo.

Esto es particularmente importante en equipos fabricados en el extranjero o en equipos usados, en los que puede no estar disponible la experiencia y el conocimiento de un fabricante de maquinaria original. Al comprar equipos nuevos o usados asegúrese de que alguien pueda evaluar el enfriamiento por rodillos para su(s) aplicación(es) exacta(s).

Acerca del autor

Jim Frankland

Jim Frankland es un ingeniero mecánico que ha estado involucrado en todo tipo de procesos de extrusión durante más de 40 años. Ahora es presidente de Frankland Plastics Consulting, LLC. Contacto: jim.frankland@comcast.net o (724) 651-9196.