3 pasos para mejorar la eficiencia en procesamiento de plásticos

Una de las principales cosas que hay que hacer para mantener estable un proceso es normalizar la temperatura de partes como moldes, cilindros, etc., lo que se logra con el suministro adecuado de agua. Un sistema que asegura ésto es aquel que tiene un flujo de agua constante y suficiente para garantizar que la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida sea inferior a 1,5°C, aunque se puede hasta 2°C, y en donde además sea posible ajustar la temperatura del agua a la entrada, de acuerdo a las necesidades del proceso.

La razón de que ∆T, que es la diferencia de temperatura, deba ser máximo 2°C es que una mayor diferencia de temperatura del agua entre la entrada y la salida implica que el molde o cilindro está más caliente en la salida y, por lo tanto, el choque térmico de la resina con el molde es menor al igual que la evacuación de calor, lo que genera muchos problemas de calidad y otros.

Sin embargo, la práctica común -debido a problemas de diseño del sistema como tener un chiller para todos los equipos- es ajustar la temperatura variando el flujo de agua, lo que genera inestabilidad del proceso, disminuyendo la calidad, productividad, eficiencia y rentabilidad.

Los procesos de enfriamiento en plásticos se controlan manteniendo una temperatura del molde o rodillo constante, la cual se calcula con programas de simulación que también suministran el tiempo de enfriamiento o el tiempo en el que la resina debe estar en contacto con la parte fría y la temperatura a la que debe estar el agua. Se recomienda utilizar software de simulación debido a lo complejo de los cálculos, ya que la temperatura y el tiempo dependen de:

- Tipo de resina y más específicamente del coeficiente de transmisión térmica y de la capacidad térmica de la misma

- Material del molde o cilindro

- Espesor de la pieza

- Distancia entre los canales por donde circula el agua y las partes en contacto con la resina

- Temperatura de la resina fundida

- Temperatura de botado de la pieza

El coeficiente de transferencia térmica o conductividad térmica de la resina es la propiedad que dice que tan rápido entrega la resina el calor.

El flujo de agua es función de la cantidad de calor que hay que remover de la resina. Una vez conocida la temperatura del agua y el tiempo de enfriamiento, se procede a calcular el flujo de agua que se requiere para remover el calor y enfriar la resina, un cálculo bastante sencillo ya que involucra:

- El calor específico de resina, que es la propiedad que determina la cantidad de calor necesario para incrementar o disminuir un grado la temperatura de un material por unidad de masa determinada.

- El peso de la pieza o la cantidad de material, en contacto con el rodillo, de acuerdo a la velocidad.

- El tiempo de enfriamiento o de contacto de la resina con el rodillo.

- Diferencia de temperatura, entre el material fundido y la temperatura de botado o salida del rodillo.

El cálculo de la cantidad de agua requerida se hace utilizando la siguiente fórmula:

Qr = Cpr x Mr x ∆Tr

Donde
Qr: calor a remover de la resina
Cpr: calor específico de la resina
Mr: masa a enfriar
∆T: diferencia entre la temperatura de la resina fundida y la temperatura de la resina al momento de expulsión del molde o salida del cilindro

Para el agua la fórmula es:

Qa = Cpa x Ma x ∆Ta

Cpa: calor especifico del agua
∆Ta: diferencia de temperatura del agua entre la entrada y la la salida que es 1,5°C o 2°C
Ma: Masa de agua que se requiere, que es igual a flujo del agua por tiempo de enfriamiento

Y

Ma= F x t

F: flujo de agua
t: tiempo de enfriamiento, el cual es un dato que debe ser suministrado idealmente por lo programas de simulación

Como el calor a remover de la resina debe ser igual al calor que tiene que remover el agua, entonces:

Qr = Qa

Al hacer el despeje para averiguar el flujo de agua estas ecuaciones quedan así:

F= Qr/( Cpa x t x ∆Ta)

O

F= (Cpr x Mr x ∆Tr )/( Cpa x t x ∆Ta)

Como se puede ver claramente en las anteriores fórmulas, ni la temperatura del agua ni la temperatura del molde están dentro de las mismas y la única incógnita a averiguar es el flujo de agua, el cual depende de la cantidad de material a enfriar. Igualmente de la anterior fórmula se deduce que si se aumenta el flujo de agua, se disminuye el ∆Ta, lo cual es una situación excelente; si por el contrario se disminuye, se aumenta el ∆Ta y mientras mayor ∆Ta, mayores pueden ser los problemas.

Otro punto muy importante a tener en cuenta es el tipo de flujo de agua a través del molde y de las tuberías de suministro.

Es bueno diferenciar entre flujo y velocidad del agua. El flujo es la cantidad de agua que viaja por una tubería, se mide en unidades de volumen por unidad de tiempo y es igual al área de la tubería por la velocidad del agua. Hay básicamente dos tipos de flujo:

Laminar: es cuando el agua va a baja velocidad. Una característica es que el agua viaja más rápido en el centro y más despacio en los bordes. Este flujo es ideal en la conducción porque reduce las pérdidas de presión y de calor; el agua a baja velocidad en los bordes actúa como aislante térmico y en general la baja velocidad disminuye también las pérdidas de presión.

Turbulento: se dice cuando el agua va a alta velocidad. En este tipo de flujo, la velocidad del agua es prácticamente igual en el centro y en los bordes, por lo que hay que garantizar flujo turbulento dentro de los moldes y/o cilindros para asegurar homogeneidad en la temperatura del agua y con ello una temperatura homogénea en las superficies en contacto con la resina.

El tipo de flujo lo determina el número de Reynolds, el cual depende principalmente de la viscosidad, velocidad y diámetro de la tubería. La velocidad del agua se traduce en presión, a mayor velocidad, mayor presión y a menor velocidad, menor presión.

Para efectos prácticos, conservando el mismo flujo, si se aumenta el diámetro de la tubería se reduce la velocidad y si el flujo era turbulento se puede convertir en flujo laminar y viceversa.

Para garantizar que el flujo, a través de los canales de enfriamiento sea turbulento, éste se calcula consultando las tablas que dicen cuál es flujo recomendado de acuerdo al diámetro de la tubería, el cual es usualmente mucho mayor que el requerido para remover el calor de la resina.

Como la temperatura del molde o rodillo no dependen del flujo de agua, entonces cuando hay que hacer ajustes a los mismos se deben adecuar, según sea el caso, la temperatura del agua o de la resina y NO el flujo del agua. Por lo que lo recomendable es tener un sistema que permita ajustar la temperatura del agua de forma individual para cada molde o cilindro.

Una de las grandes diferencias en el diseño de los circuitos de suministro de agua para plantas de plástico, con el diseño de los mismos -por ejemplo para unidades residenciales-, es que en las unidades residenciales la temperatura del agua no importa, el flujo puede variar dentro de un amplio rango y además hay limitaciones muy grandes del diámetro de la tubería, por lo que el diseño se basa en definir la presión necesaria para garantizar un determinado rango de flujo de agua y en minimizar las grandes pérdidas de presión; mientras que en las plantas de plástico hay que asegurar una temperatura y un flujo CONSTANTES en los puntos de consumo y no hay mayores limitaciones en los diámetros de la tubería, al menos en la conducción, por lo que se recomiendo emplear mayores diámetros de tubería en conducción para reducir las pérdidas de calor y las de presión.

En resumen:

Si a un molde o cilindro se le suministra más agua de la cantidad óptima, no se reduce el tiempo de enfriamiento, solo se reduce la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida. La eficiencia y la calidad se mantienen constantes.

Si por el contrario se suministra menos agua de la necesaria usualmente se aumenta el tiempo de ciclo y además se reducen la eficiencia y los niveles de calidad.

Es por eso que para lograr una alta eficiencia, productividad y rentabilidad en conjunto, con un bajo consumo de energía, hay que seleccionar los equipos como chillers, bombas, etc. y las tuberías de acuerdo a los caudales máximos.

Nota:

Aquí me he referido a enfriamiento, sin embargo, hay algunos casos en donde es necesario adicionar calor, para los cuales la teoría es igual solo que el agua en vez de remover calor, tiene que adicionarlo.