Enfriamiento en extrusión: cómo calcular carga térmica y capacidad

A lo largo de mi carrera he participado muchas veces en proyectos centrados en mejorar el rendimiento y la consistencia de las extrusoras. Sin embargo, curiosamente, durante este tiempo ha habido pocas consultas sobre cómo optimizar el enfriamiento de las piezas extruidas.

Recientemente, sin embargo, he recibido algunas consultas sobre cómo aumentar la producción total de la línea de extrusión, en las que los límites resultaron estar más relacionados con el enfriamiento después de la extrusión, que con la extrusora en sí. Esto parece ser más típico cuando el procesador improvisa líneas a partir de diversas fuentes, o intenta mejorar la capacidad de extrusión sin un conocimiento profundo de la capacidad de enfriamiento disponible.

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La capacidad de enfriamiento debe corresponderse estrechamente con la capacidad de extrusión para beneficiarse de cualquier técnica y equipo de extrusión mejorados. La mayoría de los productos extruidos se enfrían mediante algún método de transferencia de calor de polímero a agua.

La simple inmersión en agua se utiliza normalmente para productos como tubos, tuberías, cables, filamentos y la mayoría de los perfiles, mientras que las láminas se refrescan en rodillos enfriadores con flujo de agua interno.

Conozca la carga térmica

En todos los casos, para obtener los resultados deseados, debe tener un conocimiento completo de la carga térmica antes de poder determinar si se dispone de suficiente capacidad de enfriamiento. Una carga térmica aproximada es relativamente fácil de determinar: multiplique el calor específico del polímero concreto por la producción deseada y el cambio de temperatura necesario para manipular adecuadamente el extruido después del enfriamiento. Esto le dará una estimación bastante precisa de la carga térmica total para evaluar todos los componentes del sistema de enfriamiento.

Hay algunos factores de menor importancia que deben tenerse en cuenta si se requiere una precisión extrema. Dado que todos los polímeros tienen diferentes calores específicos y diversas temperaturas de salida de la línea para alcanzar la temperatura de manipulación adecuada, casi cada operación de extrusión es un caso diferente.

Por ejemplo, con este sencillo cálculo estimé que un sistema de enfriamiento que pudiera enfriar adecuadamente 2,000 libras/hora de HIPS solo sería capaz de enfriar unas 650-750 libras/hora de HDPE. Hace poco trabajé con un transformador que comparaba las diferentes tasas de línea de polímeros con base únicamente en la producción.

Estaba bastante decepcionado. Una vez más, esto se debe a que no tuvo en cuenta las grandes diferencias en las propiedades térmicas y físicas de los polímeros. Por lo tanto, es necesario comparar la carga térmica en todos los casos, porque incluso procesos diferentes con el mismo polímero pueden tener cargas térmicas distintas, debido a las diferencias en la temperatura de fusión o en la temperatura de manipulación requerida.

FIG. 1. El enfriamiento por agua (o aire) es mucho más eficaz con flujo turbulento que con flujo laminar. En el flujo laminar, una fina capa límite del fluido tiende a permanecer estacionaria en la superficie de la pieza extruida y tiende a aislarla del flujo principal de refrigerante. La turbulencia rompe esa capa y expone el material extruido a la temperatura del refrigerante principal.
Fuente: J. Frankland.

Normalmente, se utiliza una enfriadora de agua para eliminar el calor del polímero del agua de proceso y devolver agua fría a la temperatura necesaria para continuar el proceso. Ese constituye el primer punto de la investigación. ¿Es la enfriadora lo suficientemente grande para manejar la carga térmica con un poco de reserva? La capacidad de la enfriadora suele expresarse en “toneladas de enfriamiento”, y una tonelada equivale a 12,000 BTU/hora. También debe conocerse la tasa de flujo del agua refrigerada, que puede proceder de un sistema de bombeo integrado en la enfriadora o de un sistema de bombeo independiente.

Si el bombeo forma parte del sistema enfriador, esa información suele darla el fabricante de la misma. Si se utiliza un sistema de bombeo independiente, su bombeo o flujo a través del proceso es igualmente importante a distintas presiones.

El resto del rendimiento del sistema no es tan fácil de determinar. La caída de presión a través de todo el sistema de tuberías de refrigerante desde el depósito y hacia atrás debe determinarse para ver cuál será el flujo real, ya que la capacidad de la bomba es sensible a la presión.

Comprensión del flujo turbulento

El enfriamiento por agua (o aire) es mucho más eficaz con flujo turbulento que con flujo laminar, ya sea en un tanque abierto, un rodillo enfriador o un molde. Esto se debe a que una capa límite del fluido tiende a permanecer estacionaria en la superficie de la pieza extruida, lo que sirve para aislarla del flujo principal de refrigerante. La turbulencia rompe esa capa para exponer el extruido a la temperatura del refrigerante principal. En un artículo de 2017 hablé sobre la turbulencia y su efecto en la mejora del enfriamiento. El número de Reynolds cuantifica la velocidad de flujo en términos de laminar frente a turbulencia.

El flujo turbulento aumenta la transferencia de calor por convección, incrementa la transferencia de masa y la mezcla, y reduce la resistencia, todo lo cual favorece un mayor enfriamiento del material extruido.

Los números Reynolds (Re) inferiores a 1,000 se consideran indicativos de flujo laminar. Los que oscilan entre 1,000 y 10,000 corresponden a una zona de transición, y los superiores se consideran flujo turbulento. La turbulencia se determina calculando el número de Reynolds como sigue:

Re= udn/V, donde

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

Por ejemplo, un cambio en el flujo que provoque un cambio en el número de Reynolds de Re = 1,000 a Re = 3,000 da lugar a un aumento de más del doble de la transferencia de calor por convección. Se necesitaría un cambio significativo en la temperatura del agua para igualar el efecto de la turbulencia.

¿Cómo se aplica esto a su proceso? Cada proceso tiene que tratarse de forma un poco diferente, pero con el mismo objetivo: conseguir turbulencia en la superficie de intercambio de calor para maximizar la transferencia. Por ejemplo, en un rodillo de enfriamiento para lámina/película fundida, se genera turbulencia de enfriamiento en espirales para enfriar la carcasa. En el herramental para perfiles, la turbulencia se establece en la herramienta de calibración y en los tanques de refrigerante posteriores.

En procesos en los que la herramienta se encarga del enfriamiento, el Re puede utilizarse para dimensionar los canales de refrigeración e, incluso, la velocidad en la película superficial en la herramienta de calibración. Sin embargo, en grandes tanques de enfriamiento es más difícil establecer un flujo turbulento. Por eso, en aplicaciones de granulado, tuberías y algunos perfiles, puede resultar difícil aumentar significativamente la velocidad del agua de enfriamiento hasta el rango turbulento. En esos casos pueden utilizarse chorros, burbujeadores o deflectores que generen la velocidad localizada necesaria para romper la capa límite.

FIG. 2. En la transición de flujo laminar a turbulento, el (hx) o flujo de calor de una superficie calentada se duplica esencialmente. Esto ocurre con un aumento muy pequeño del flujo de refrigerante, por lo que es fundamental en todos los sistemas de enfriamiento conocer el flujo exacto y el número de Reynolds resultante.

Fuente: J. Frankland

Aunque la temperatura de la masa total de agua se mantenga baja, la capa límite invisible y su gradiente de temperatura alrededor del extruido restringen la transferencia de calor.

En la transición de flujo laminar a turbulento, el (hx) o flujo de calor de una superficie refrigerada esencialmente se duplica. Esto ocurre con un aumento muy pequeño del flujo de refrigerante, por lo que es fundamental conocer el flujo exacto y el número de Reynolds resultante en todos los sistemas de enfriamiento. Una vez más, la transición en tuberías lisas suele producirse a un número de Reynolds de 2,300-3,500, mientras que en una turbulencia abierta puede producirse entre 500-2,000.

En resumen, los cálculos de la capacidad de enfriamiento son un poco diferentes de los cálculos del rendimiento de la extrusora y pueden ser complicados de determinar, ya que a menudo hay una larga serie de componentes en el sistema de enfriamiento para su evaluación. Luego hay que compararlo con la carga térmica. Sin embargo, la capacidad potencial de extrusión nunca se puede utilizar plenamente si no se corresponde con la capacidad de enfriamiento.

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.