Enfriamiento y transferencia de calor en la extrusión de polímeros

Refrigeración de formas extruidas y medios de enfriamiento

Cada forma extruida debe refrigerarse a una temperatura a la que mantenga sus dimensiones deseadas, mediante el uso de un medio de refrigeración como gas, líquido o una superficie de contacto con metal. Independientemente de la forma extruida o el medio de enfriamiento, la eliminación del calor para mantener las dimensiones es tan importante para un proceso como agregar el calor durante la extrusión para hacer que el polímero fluya.

Expectativas erróneas en los requerimientos de enfriamiento

Muchos procesadores esperan que los requerimientos de enfriamiento se basen simplemente en la producción o en las libras por hora. Esto a menudo conduce a falsas expectativas cuando se cambian la forma o el espesor.

Debido a la baja conductividad térmica de los polímeros, el límite de enfriamiento es determinado a menudo por la transferencia de calor a través del polímero, más que por el medio de refrigeración, salvo para formas muy finas. En el caso de formas gruesas, puede ser bastante complicada la predicción de las tasas de enfriamiento.

Ecuación de transferencia de calor en procesos de extrusión

Un cálculo para determinar la transferencia de calor en su proceso puede obtenerse con el uso de la ecuación de transferencia de calor. Esto le da el coeficiente global de transferencia de calor, que es la transferencia de calor entre el polímero y el medio de enfriamiento.

Determinación experimental de coeficientes globales de transferencia de calor

Aunque hay varios datos publicados para los coeficientes globales de transferencia de calor entre polímeros y el medio de refrigeración, generalmente no son específicos para su operación y deben ser determinados experimentalmente. Mediante la sustitución de una situación real de extrusión, puede determinarse el coeficiente global de transferencia de calor (Uo), en esta sencilla fórmula:

Q  =  U₀A₀ΔT₀ cuando:

Q  =  la tasa de transferencia de calor (Btu/hr) = lb/hr × calor específico × (temperatura de la masa fundida menos la temperatura de salida).

U₀ = Coeficiente global de transferencia de calor (Btu/hr-ft2 -°F).

A₀  =  El área total transversal de transferencia de calor (ft2) = perímetro x ft/hr. ΔT₀ = Diferencial total de la temperatura (°F) = temperatura de la masa fundida menos temperatura de salida.

Conociendo el coeficiente global de transferencia de calor

Una vez que conoce el coeficiente global de transferencia de calor puede sustituir datos reales en esta fórmula para estimar diferentes producciones y/o temperaturas diferenciales para la misma sección transversal. 

Sin embargo, al calcular una sección diferente (dimensiones, forma) o un polímero diferente, este cálculo no puede utilizarse. Los cálculos de enfriamiento se vuelven mucho más complicados porque las propiedades térmicas del polímero, más que el medio de enfriamiento, limitan a menudo la transferencia de calor. 

El número Biot y la relación entre resistencias internas y externas

Puede utilizar un número Biot (Bi), que compara la relación de la resistencia de calor interno a la resistencia de calor externo en la superficie; indicará si la transferencia de calor interno o externo es el parámetro limitante en la refrigeración. Un producto con un Bi menor que 1 tiene poco gradiente de la temperatura interna y enfría como un cuerpo uniforme.

Cuando el Bi aumenta por encima de 1, la pieza tiene un gradiente térmico progresivamente mayor en la forma, a medida que enfría. Usar un Bi proporciona un análisis rápido y simple en cuanto a si el proceso de enfriamiento lo dominará la transferencia de calor interno a través de la forma del polímero o el medio refrigerante externo. 

Número de Biot (Bi) = (coeficiente de transferencia de calor × la mitad de espesor)/conductividad térmica 

Coeficiente de transferencia de calor =U₀

Espesor=Ft

Conductividad térmica=Btu/Ft-Hr-°F

Determinación del efecto del polímero en el tiempo de enfriamiento

Para determinar si una forma o grosor diferente del polímero tendrá un efecto significativo sobre el tiempo de enfriamiento, necesita saber el efecto de la transferencia de calor térmico en el polímero. Puede obtener un enfoque aproximado al usar una tabla Heisler o una calculadora en línea para determinar el número Fourier (τ). Con el número Fourier, el efecto del coeficiente de transferencia de calor interna puede ser calculado y separado del coeficiente externo de transferencia de calor. 

Número Fourier (τ) = (K/Cs × S.W. × t)/L²

Uso de la tabla Heisler y la temperatura adimensional

Esto se realiza ubicando la "curva" Biot y la temperatura adimensional (θ) en la tabla de Heisler. 

(θ) = Temperatura final en el centro- temperatura de enfriamiento/temperatura inicial- temperatura enfriamiento 

El número de Fourier se obtiene cuando (θ) y la curva de Bi se intersectan. Se compone de la conductividad térmica del polímero (K), el calor específico (Cs) y el peso específico (S.W.), más la distancia (L) al centro de la forma extruida, y el tiempo de enfriamiento (t). El tiempo puede determinarse por la substitución de las otras variables. 

Generalmente no se recomienda usar los números Fourier por debajo de 0.2. Pueden encontrarse en línea las instrucciones completas para el uso y la interpolación de las gráficas Heisler para varias formas. Se pueden hacer ajustes para acomodar el enfriamiento de un lado de un lado, ya sea con tubos, botellas o película soplada.

La tabla Heisler puede aproximar las tasas de enfriamiento a través de amplios datos experimentales y cálculos complejos que requieren un programa de computación y un avanzado conocimiento de matemáticas avanzadas.