Transferencia térmica y productividad en plásticos

El procesamiento de plástico es un proceso de transferencia térmica y, por lo tanto, para que sea eficiente y optimizar el consumo de energía, hay que garantizar el buen funcionamiento del sistema de enfriamiento y entender cómo funciona la transferencia térmica, lo cual se explicará de manera resumida, junto con sus implicaciones, en este artículo.

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Los requisitos para el buen funcionamiento de los circuitos de enfriamiento son: que estén libres de óxido, que la temperatura sea homogénea y que el caudal sea suficiente.

El tamaño de la bomba, su tipo, el diámetro de las tuberías y su longitud, el balanceo de las redes y las pérdidas de presión a través de los moldes, son las principales variables a tener en cuenta para poder garantizar el adecuado suministro de agua.

El calor para elevar la temperatura del plástico proviene principalmente del cizallamiento de la resina en el tornillo, la boquilla y lo canales del molde. Las resistencias solo proveen alrededor de un 20% del mismo. En algunos casos, el cizallamiento puede generar más calor que el requerido. Cuando esto sucede hay que enfriar el barril.

El cizallamiento depende del diseño del tornillo, los diámetros de la boquilla y los canales del molde, la viscosidad de la resina y la tolerancia tornillo - barril.

El rol de los materiales

Todos los materiales tienen dos propiedades que dicen qué tan buenos son para transferir calor y qué tan fácil calientan. Estas son la capacidad térmica, o sea, cuántos grados se aumenta la temperatura con una determinada cantidad de calor y el coeficiente de transferencia térmica, es decir, qué tanto calor es capaz de transferir un determinado material por unidad de tiempo.

La capacidad térmica está relacionada con el consumo de energía durante el calentamiento de la resina y el coeficiente de transferencia térmica está relacionado con el enfriamiento. Una comparación entre el PS, el PP y el PE permite entender la importancia de estos valores. La capacidad térmica del PS es más baja que la del PP y a su vez esta es más baja que la del PE, por lo tanto, cuando un mismo artículo, como un recipiente de pared delgada, se inyecta en PS y tiene un ciclo de 5 segundos, al inyectarlo en PP con el mismo molde, el tiempo de ciclo se incrementará a unos 7 u 8 segundos y si se cambia a PE el tiempo de ciclo se incrementará a unos 10 u 11 segundos.

El coeficiente de transferencia o conductividad térmica indica qué tan rápido transmite calor un metal o plástico. Metales como el cobre-berilio son mucho mejores transmisores de calor que el acero normal y este a su vez es mejor transmisor que el inoxidable.

El plástico es un aislante térmico y en estado sólido tiene un coeficiente de transferencia térmica que es mucho menor que el de los metales, por lo tanto, apenas el plástico se empieza a solidificar la cantidad de calor que es capaz de entregarle al molde es muy inferior a la cantidad de calor que el metal del molde puede transferir. Esto es especialmente cierto en componentes de pared gruesa, por encima de 3 mm. Lo anterior explica porque, si los canales de enfriamiento están bien diseñados, libres de óxido y se cuenta con el adecuado flujo de agua, no hay una diferencia significativa en el tiempo de enfriamiento entre el cobre berilio y los aceros inoxidables para estas aplicaciones de pared gruesa.

El óxido y las incrustaciones son excelentes aislantes térmicos. Dos de los mejores aislantes de calor son el óxido de aluminio y el de hierro, debido a su bajísima conductividad térmica. O sea, una capa de óxido con espesor de micras es suficiente reducir la capacidad de remover calor de los circuitos de enfriamiento hasta un 30% o más; de ahí la importancia de mantener los circuitos de enfriamiento libres de oxido.

Reglas de oro

1. Metales como el cobre berilio, por ser muy costosos y más blandos, sólo se deben utilizar en los moldes para remover calor en zonas muy alejadas de los canales de enfriamiento o de difícil acceso con los mismos.

2. Los canales de enfriamiento deben tener un buen diámetro. Es preferible utilizar canales de enfriamiento de 12 mm de diámetro en vez de canales de 6 u 8 mm. En pulgadas es mejor canales de 1/2 que de 3/8 o que de ¼ , aún si esto implica utilizar más acero para la fabricación del molde. El aumento en el costo del acero, por utilizar canales de mayor diámetro, es insignificante comparado con la reducción del costo por maquinar canales de diámetro mayor o la reducción en los tiempos de ciclo y eso sin mencionar temas como la calidad.

3. Mientras más lejos se encuentren los canales de enfriamiento de las cavidades, menor temperatura debe tener el agua y mayor debe ser el diámetro de los mismos.  A mayor diámetro, menor pérdida de presión a través del molde y, por lo tanto, mayor flujo de agua, lo que mejora el enfriamiento y reduce el consumo de energía.

4. De lejos es más importante el flujo de agua y que la temperatura sea constante, que tener una menor temperatura. En otras palabras, es mejor más agua y más caliente, que menos agua, pero más fría.

5. En moldes de soplado, hay que tener en la parte del cuello y del fondo materiales de buena transferencia de calor con circuitos de frío independientes de buen diámetro.

6. En el proceso de extrusión soplado es muy importante controlar el espesor de pared, porque los excesos alargan mucho el tiempo de enfriamiento y con ello el ciclo. Además de que implican un aumento importante del costo de la resina.