Peletización de filamentos: pasos para determinar la longitud del baño de agua

En el peletizado de filamentos, determinar qué tan largo debe ser el baño de agua es probablemente una de las cuestiones más olvidadas en el diseño inicial del sistema. Esta longitud generalmente se decide no por un enfoque teórico o una experiencia práctica, sino por cuánto espacio queda en el piso de producción. Una longitud muy corta puede conducir a problemas de procesamiento y una longitud muy larga es un desperdicio de espacio.

Algunos procesadores tienen la suerte de tener experiencia previa que les permite estimar la longitud del baño de agua. Otros deberían considerar el uso de un enfoque teórico basado en ecuaciones de transferencia de calor en estado inestable para llegar a una longitud teórica para un baño de agua. Estos métodos teóricos han sido explorados por muchos expertos en extrusión a lo largo de los años.

El propósito de este artículo es proporcionar un atajo para poder estimar mejor la longitud de su baño de agua.

Lo primero es identificar la velocidad de la línea. Con esta información en mano necesita encontrar un gráfico de Heisler como el de la Fig. 1. Existen diferentes gráficos de Heisler para diferentes formas extruidas, así que asegúrese de elegir la correcta para su caso. Estos cuadros de Heisler están disponibles a través de búsquedas en Google. La Figura 1 es un diagrama de Heisler para un cilindro, muy parecido a los filamentos en una operación de peletización de filamentos.

Las líneas azules representan el número de Biot inverso (una cantidad adimensional utilizada en los cálculos de transferencia de calor) para el objeto que está tratando de enfriar. Para obtener un número estimado para la longitud de su baño de agua, use la línea azul designada con un 0. ¿Por qué? Debido a que los polímeros generalmente son malos conductores térmicos, los filamentos son delgados y usted tiene un flujo constante de agua a través de su baño de agua.

Si una de esas situaciones no se aplica, tendrá que encontrar el diámetro hidráulico de su baño de agua, además del número de Reynolds, Prandtl y Nusselt del agua en su baño o tanque y el coeficiente de transferencia de calor por convección para determinar la línea correcta a utilizar. Si eso suena aterrador, solo usa la línea azul designada con un 0.

Luego calculamos la temperatura de aproximación Θ *. Esto es básicamente la proporción de la temperatura del plástico a la salida del cabezal y la temperatura al final antes de ser cortada en pellets o gránulos. Si necesita orientación sobre cuál debería ser su temperatura plástica deseada, puede buscar en línea el "punto de ablandamiento" del polímero que le interesa y restar 20 °F de eso. Para polipropileno, se ha encontrado que 192 °F funciona bien, pero la temperatura deseada depende de las capacidades particulares del polímero y granulador. Por ejemplo:

Θ* = (T_{plástico, deseada} – T_agua)/(T_{plástico, inicial} – T_agua) =

(192 F – 78 F)/(420 F – 78 F) = 0.31

Con esta temperatura de aproximación podemos determinar nuestro número de Fourier a partir de la tabla de Heisler. Tomas la temperatura de aproximación Θ * a la izquierda y vas a la derecha hasta llegar a la línea azul que representa tu número de Biot inverso. Como se muestra en la Fig. 2, el número de Fourier es alrededor de 0,32.

Con el número de Fourier podemos calcular el tiempo requerido para que los filamentos de plástico alcancen la temperatura deseada. Para este ejemplo usé PP, con un radio del filamento de 0.00239 m (que obtuve a partir del cabezal).

α = Difusividad térmica del PP = 9.6 x 10^-8 m²/seg

t = (F₀ × r₀²)/α = (0.32 x 0.00239 m²)/(9.6 × 10^-8 m²/s) = 18.77 seg

Ahora que sabemos el tiempo requerido en el baño de agua, podemos usar la velocidad de la línea para estimar la longitud prevista del baño de agua.

L_{baño agua} = t × Velocidad de línea = 18.77 seg × 2.500 pies/seg = 47 ft

Si el baño de agua calculado es más largo que el espacio disponible en sus instalaciones puede intentar lo siguiente:

• Comprar o alquilar un enfriador o chiller para bajar la temperatura del agua entrante si es superior a 72 F.
• Usar barras de pulverización para aprovechar el enfriamiento por evaporación para enfriar más los filamentos.
• Rodillos ajustable en el baño de agua para realizar múltiples recorridos en el baño, sea en longitud o en altura.
• Usar múltiples baños de agua en lugar de un solo baño.
• Es importante recordar qué método solo es válido para tener un estimado de la longitud del baño de agua. Debe tener en cuenta que existen algunos inconvenientes para utilizar esta técnica, debido a que ignora los efectos de estos factores:
• El número de filamentos.
• El calor de fusión de los polímeros cristalinos cuando pasan de estado fundido a sólido.
• Los valores cambiantes de las constantes (ejemplo, capacidad calorífica) a medida que cambia la temperatura.
• El número de veces que el filamento entra y sale del baño de agua.
• Uso de aditivos o rellenos y sus efectos sobre las propiedades físicas.

Le recomiendo que verifique de primera mano las propiedades termofísicas del plástico que está tratando de enfriar, o de lo contrario se sorprenderá cuando su material no se comporte como dicen en los libros o los artículos técnicos que debería hacerlo.

NOTA DEL EDITOR: Este artículo se basa en una presentación que hizo el autor durante la Conferencia Extrusión 2019, que organizó Plastics Technology, realizada en septiembre en Rosemont, Illinois.