Todo lo que siempre quiso saber sobre el enfriamiento por extrusión

Alan Griff | 12 de enero de 2023

La columna de extrusión de este mes es fría, apropiada para enero. A menudo, en la extrusión hace frío y humedad, lo que es aún más apropiado este año.

Para que un termoplástico se ablande lo suficiente como para extruirlo, es necesario calentarlo: el termo en termoplástico. Antes de continuar, dejemos claras dos cosas.

Primero,El calor es una forma de energía , para que pueda ser contado y medido. La energía tiene muchas formas, pero no aparece ni desaparece. Sin magia. Se puede medir en calorías: el calor que eleva un gramo de agua 1°C. Esa es una cantidad pequeña, por lo que es común usar letras mayúsculas: Calorías (Cal) o Kalories (Kal o Kcal) para representar 1000 calorías pequeñas. Si usa julios: 4,2 julios = 1 caloría.

Los números se conocen desde hace mucho tiempo, pero a veces se ignoran o se evitan cuando contarlos no es bienvenido. Lo mismo ocurre con las personas que no quieren contar las calorías de los alimentos, lo cual no es científico pero permite otros placeres de comer, como el sabor y la “libertad” de seguir impulsos e imágenes, como, “Si es verde, es bueno para ti. "

Los científicos también podemos disfrutar de la comida, incluso si contamos las calorías: 9 Kcal/gramo de grasas o aceites y 4 Kcal/gramo de proteínas y carbohidratos (almidón, azúcares), si están digeridos y disponibles. Sí, las grasas son nutrientes como fuente de energía, y las proteínas son lo mismo que los almidones y los azúcares, pero la imagen pública dice lo contrario. El agua (80% para la carne y variable en las verduras) también es buena para la salud, pero no es una fuente de energía. Entonces, no cuenta. Internet y las etiquetas de los alimentos están llenas de esta información, pero recuerda que es por gramo, por lo que la cantidad que comes es importante. Alrededor de 30 gramos = una onza y 454 gramos = 1 libra, así que no dejes que los gramos te detengan.

El segundo elemento que hay que aclarar esescalas de temperatura . Necesitamos hablar tanto C como F, y si tenemos un indicador o punto de datos, saber cuáles son las unidades. Es fácil: 5°C = 9°F y 0°C son 32°F (el agua se congela hasta convertirse en hielo, las mismas moléculas pero estructura organizada). Fahrenheit (F) inventó el termómetro en 1717, pero Celsius (C) basó la escala en el agua que se congela y hierve en la costa de Suecia, al igual que en el nivel del mar de EE. UU. (varía con la altitud, pero él no lo sabía).

Volvamos a los plásticos. Para entender la refrigeración, debemos entender la calefacción. No existe el frío: enfriar significa eliminar energía. Se necesitan alrededor de 138 Kcal (0,16 kWh) para calentar 2,2 libras (1 kilogramo) de polietileno de baja densidad (LDPE) desde una temperatura ambiente de 73 °F (25 °C) hasta una temperatura de extrusión de 410 °F (210 °C). ). Eso es aproximadamente 0,61 Kcal por libra. Estas cifras son ideales, pero en el mundo real hay pérdidas reales; Si no tengo otra información, supongo que se necesita el doble. Por lo general, sigue siendo demasiado poco para preocuparse por el coste, pero no por el sobrecalentamiento.

La mayor parte de esta energía proviene del motor, que supera la fricción para mover el tornillo hacia adelante en la masa fundida pegajosa. Parte proviene de calentadores de matriz y también de calentadores de barril para plásticos de alta temperatura como PET y nailon. Esas cifras incluyen tanto el aumento de la temperatura como la ruptura de la cristalinidad, que ronda el 40% para el LDPE.

Es difícil encontrar esos datos incluso en Internet. Utilizo Rao & O'Brien (Hanser, 1998), y los científicos de polímeros conocerán otras fuentes, pero los extrusores no se preocupan mucho por eso, ya que la mayoría de la maquinaria puede agregar calor más que suficiente. Sin embargo, lleva a un malentendido común: la mayor parte del calor proviene de los calentadores de barril, porque esas son las temperaturas que regulamos tanto con los calentadores como con el enfriamiento por aire o agua.

Pero la importancia del calor del barril es cierta sólo para máquinas muy pequeñas, o cualquier máquina que funcione lentamente, algunas de recubrimiento por extrusión, algunas gemelas y polímeros de alta temperatura, como se señaló anteriormente. Los calentadores son necesarios para el arranque y útiles para mantener las cosas estables, pero generalmente no son una fuente importante de calor. La temperatura del cañón trasero es crítica por otra razón: controla el deslizamiento de los pellets en las paredes del cañón en la(s) primera(s) zona(s) y, por lo tanto, controla la tasa de entrada/salida.

Las extrusoras de cilindro ranurado son un caso especial importante y se utilizan a menudo para PE de alta densidad (HD). Si tiene uno, obtenga más información sobre cómo funciona. La primera zona está refrigerada por agua para evitar que se pegue y se derrita allí. En el caso de los barriles planos, también puede haber enfriamiento para evitar que se peguen los conductos de entrada de alimento, pero a menos que haya ranuras, esto rara vez se controla estrechamente.

Una vez que el plástico está lo suficientemente caliente como para salir del troquel, se debe eliminar el calor sin distorsionar las dimensiones del producto. Hay tres refrigerantes principales: agua, aire y una superficie metálica enfriada, como un rollo. Los fluidos de transferencia de calor se utilizan donde se desean temperaturas superiores a 100 °C, como en el interior de algunos rollos para líneas de láminas.

Para la mayoría de los perfiles, incluidos los tubos y tuberías, el agua es suficiente, con un dispositivo de dimensionamiento en la entrada y tanques de agua largos (canales) que alimentan un extractor, cortador o bobinador. También puede haber una impresora en esa línea.

Estos productos normalmente se enfrían con agua en la superficie exterior de la masa fundida emergente. Tenga en cuenta que algunos polímeros flotan y todos los tubos se empujarán hacia arriba si se sumergen, por lo que los aerosoles integrales permiten una uniformidad total. Con la inmersión total hay contacto total, pero es posible que sea necesario empujar algo hacia abajo y esto puede distorsionar el producto.

El espesor importa, ya que el calor se mueve lentamente a través del plástico y, en proporción a la diferencia de temperatura, más grueso = más lento. Todos los plásticos se encogen al enfriarse, especialmente los semicristalinos. Si se enfría demasiado rápido, habrá más tensiones en el producto, lo que puede o no importar (puede probar esto con termorretracción).

Los dispositivos de dimensionamiento pueden tener refrigeración separada, incluso aquellos que pueden variar las dimensiones del producto sobre la marcha. Se puede aplicar un anillo de agua al producto a medida que ingresa al calibrador para provocar un pequeño encogimiento y lubricar su entrada.

Se puede usar vacío para dimensionar, ya sea para sacar el plástico caliente hasta alcanzar dimensiones metálicas fijas (manguito de dimensionamiento) o, con productos huecos como tuberías, para reducir la presión en el espacio de aire de modo que la presión del aire dentro del producto hueco lo empuje hacia afuera para ajustarlo. al hardware del calibrador. Demasiado vacío puede ralentizar o detener el movimiento deslizante, por lo que se necesita un buen control de la presión y materiales lubricantes.

El compuesto y algunos filamentos se pueden extruir hacia abajo en un tanque de agua. El ajuste de nivel controla la distancia entre el molde y el agua, y la temperatura del molde, el derretimiento y el agua son importantes.

Los mezcladores de mayor rendimiento pueden tener enfriamiento interno, donde el agua está dentro y debajo de un troquel redondo con una cuchilla de corte giratoria en el interior que arroja los gránulos calientes a la corriente de agua. Los troqueles lineales (una o dos filas de orificios) generalmente se extraen como hebras a través de un tanque de agua externo, aunque las hebras de troqueles redondos también se pueden enfriar de esta manera.

El mayor uso del aire como refrigerante es en películas delgadas sopladas (tubulares), donde un tubo caliente sale del troquel hacia arriba (algunos van hacia abajo o hacia los lados) y un anillo de aire sopla aire sobre la superficie emergente, que también se expande y adelgazamiento debido a la presión del aire interno. El aire exterior se puede enfriar para acelerar la producción. Como se trata de un mercado grande, existen muchas variaciones de este principio, en particular el enfriamiento interno de burbujas y la extrusión descendente con agua y aire como refrigerantes. Los lirios extraen el aire caliente de la superficie para que el aire más frío pueda entrar y ganar velocidad.

Las superficies de los rollos de metal son comunes para enfriar la mayoría de las láminas planas, revestimientos por extrusión y algunas películas. Las más comunes para las hojas son las pilas de varios rollos; la mayoría están colocados verticalmente y algunos están en ángulo, incluso horizontalmente, y pueden permitir que la masa fundida caiga en un estrecho. Las películas y recubrimientos delgados pueden tener solo un gran rodillo de enfriamiento con el que el plástico entra en contacto cuando sale del molde (distancia ajustable).

Las verticales a menudo corren hacia abajo por la pila, con la superficie inferior de plástico golpeando primero el rollo del medio, rodeándolo y luego enfriando la otra superficie del rollo debajo del primero. El rodillo superior no se enfría mucho pero aplica presión al extruido emergente; también puede precalentar, estampar y/o aplicar una capa de laminación. Cuando la superficie superior es crítica, el sistema puede subir por la pila, manteniendo la primera superficie enfriada siempre en el lado superior y, por lo tanto, sin hacer contacto con los rodillos de soporte.

En el enfriamiento por rodillos, las temperaturas del agua se controlan estrechamente con intercambiadores de calor, si es necesario. Preste atención a las diferencias entre el centro y el extremo en las temperaturas del dado, que en los dados planos pueden ser más fáciles de manejar dentro/sobre el dado (espacio, aislamiento y calentamiento de puntos, y ajustes) que en el enfriamiento. Estos cambios de troquel también pueden ser útiles para otros troqueles, no sólo los planos, y es posible que todos necesiten un termómetro infrarrojo de ángulo estrecho.

Los bordes de los productos planos que se van a recortar pueden encerrarse y enfriarse con aire o ser más delgados para evitar un enfriamiento más lento y enviar menos recortes para rectificar. Además, los ventiladores sobre superficies expuestas (incluida la parte inferior) pueden aumentar el enfriamiento.

Gran parte del moldeo por soplado se realiza mediante extrusoras, y algunos de los comentarios anteriores se aplican, especialmente los que se refieren a tuberías. El enfriamiento, sin embargo, está en los moldes y está más relacionado con el moldeo por inyección que con la extrusión de tubos.

Los fluidos refrigerantes pueden refrigerarse para una mejor refrigeración, pero si están demasiado fríos, sus conductos de transporte pueden condensar el agua de la atmósfera y calentarse, por lo que el aislamiento puede amortizarse por sí solo. El aire enfriado para película soplada es un costo operativo significativo a menos que se gestione bien (con mediciones de temperatura y valores deseados conocidos).

La temperatura del alimento a menudo se descuida y es especialmente importante si el alimento se almacena al aire libre. Dicha variación (día-noche, estacional o causada por el sol) se puede evitar precalentando el alimento incluso si no es necesario para eliminar la humedad, ya que la temperatura uniforme del alimento puede ser una ventaja suficiente para justificar su costo. Aísle la tolva y tal vez algunas líneas de transmisión para reducir la pérdida de radiación. La alimentación en polvo es un problema real pero superable.

El precalentamiento también es un remedio para sistemas donde el motor no genera suficiente calor y el cilindro y la matriz no pueden compensar o no están completamente disponibles.

Preenfriar la alimentación puede ser útil para mantener constante la temperatura de la alimentación, pero es poco común, ya que solo significa que se necesita más calor en la extrusión real.

Algunas líneas pueden dirigir el aire caliente desde alrededor del barril hacia la alimentación. No es común, pero es atractivo en climas muy fríos o donde los costos de energía son inusualmente altos. En gran parte de América del Norte, los costos de la energía son lo suficientemente bajos como para desalentar esos ahorros, pero eso puede cambiar en el futuro, o incluso ahora, si la administración está tratando de reducir la dependencia de la red eléctrica. Alguien debería saber cuánto se ganaría y no debería tener que adivinar.

Esto también se puede hacer con agua de refrigeración, pero hay menos extrusoras enfriadas por agua y el ahorro de costes por sí solo puede no justificarlo.

La reutilización del calor procedente del enfriamiento del producto no es común, pero es posible, y merece atención si puede aumentar la velocidad de producción y se puede vender de manera rentable el aumento. La eficiencia de las líneas enfriadas por agua a menudo se puede optimizar haciendo pasar el producto a través de cortes que eliminan la capa de agua caliente alrededor del producto y, así, estimulan el flujo de agua más fría cerca de las superficies del producto.

No olvide la contracción posterior al enfriamiento, que puede afectar la impresión y las dimensiones recortadas. No todo termina cuando puedes apilarlo o enrollarlo, ya que algunos plásticos se encogen durante horas o más después del enfriamiento en línea, y algo de esto depende de la velocidad de ese enfriamiento.

Por último, pero no menos importante, muchos tornillos pueden refrigerarse internamente por líquido durante el funcionamiento mediante un intercambiador de calor para garantizar una temperatura de entrada constante. Esto no elimina mucho calor del sistema, pero mejora la mezcla. Es reversible, no necesita maquinaria nueva, pero reducirá la producción por rpm. Si el aumento de la velocidad del tornillo puede recuperar la pérdida, esuna situación en la que todos ganan.

Sobre el Autor

Allan Griff es un ingeniero de extrusión veterano que comenzó en el servicio técnico de un importante proveedor de resina y ahora trabaja por su cuenta durante muchos años como consultor, testigo experto en casos legales y, especialmente, como educador a través de seminarios web y seminarios, tanto públicos. y presencial, y ahora en su versión virtual. Escribió Plastics Extrusion Technology, el primer libro práctico sobre extrusión en los Estados Unidos, así como el Plastics Extrusion Operating Manual, actualizado casi todos los años y disponible en español, francés e inglés. Obtenga más información en su sitio web, www.griffex.com, o envíele un correo electrónico a [email protected].

No hay ningún seminario en vivo previsto en un futuro próximo, o tal vez nunca, ya que su seminario audiovisual virtual es incluso mejor que en vivo, dice Griff. Sin viajes, sin esperas por fechas en vivo, las mismas diapositivas de PowerPoint pero con explicaciones en audio y una guía escrita. Míralo a tu propio ritmo; La asistencia al grupo se ofrece por un precio único, incluido el derecho a hacer preguntas y obtener respuestas completas por correo electrónico. Llame al 301/758-7788 o envíe un correo electrónico a [email protected] para obtener más información.

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