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¿Cómo calcular el
caudal extruido?
De forma simplificada el caudal extruido por el equipo es el
resultante de la adición de tres términos: Qtotal = Qarrastre -
Qpresión - Qretroceso
El caudal de arrastre (Qarrastre ) es el resultante del movimiento
relativo de la superficie del tornillo con respecto a la del
cilindro de la extrusora, (ver figura 9). El término de flujo por
arrastre es dependiente de la velocidad de giro del tornillo, su
geometría y los coeficientes de fricción: polímero-tornillo,
polímero-polímero y polímero-cilindro.
Una de las manifestaciones más evidentes
del efecto caudal de arrastre se presenta en la zona de alimentación
del tornillo.
Figura 9. Esquema simplificado de los
perfiles de flujo por arrastre y presion.
1: Estado de flujo inicial 2. Flujo de arrastre, 3:Flujo por
presión, 4: Flujo por arrastre y presión, 5: Flujo de retroceso.
El flujo por presión
(Qpresión ) es el caudal teórico de retorno, o pérdida, originado
por la presencia de restricciones que se oponen al flujo, existentes
en el tornillo: el cabezal y la boquilla, dadas por geometría y la
viscosidad de la masa polimérica.
El flujo de retroceso (Qretroceso ) es
el resultante de la "pérdida" de la eficiencia de bombeo de la
extrusora por la tolerancia entre el filete del tornillo y la pared
del cilindro. El término de flujo en retroceso depende de la
magnitud de la tolerancia entre el tornillo y el cilindro, de la
caída de presión en la extrusora y de la viscosidad del polímero.
La Tolerancia
entre el tornillo y el cilindro resulta un compromiso entre
productividad y calidad del extrudado.
Aunque el término de flujo en retroceso disminuye el caudal
extruido, mermando la productividad de la línea, contribuye con el
mezclado tanto distributivo (homogeneización) como el dispersivo
(reducción de tamaño de partícula de sustancias poliméricas y no
poliméricas). Tal compromiso resulta controlado a través del tamaño
de la tolerancia entre el tornillo y el cilindro.
Cilindro o Barril:
El barril o exterior de la extrusora es un cilindro metálico que
conforma, junto con el tornillo de extrusión, la cámara de fusión y
bombeo de la extrusora. En pocas palabras es la carcaza que envuelve
al tornillo.
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En el diseño de todo cilindro de extrusión se busca: 1) Máxima
durabilidad. 2) Alta transferencia de calor. 3) Mínimo cambio
dimensional con la temperatura.
En la fabricación de cilindros de extrusión tales exigencias logran
ser cubiertas utilizando materiales tales como: Xaloy 101 (para
extrusoras de propósito general, procesamiento de PEAD y PEBD),
Xaloy 800 (para el procesamiento de PELBD), ó Xaloy 306 (para
productos corrosivos, como los copolímeros ácidos) (2).
¿Qué son los Cilindros con Zonas
Acanaladas?
Son cilindros de extrusión que poseen una superficie interna con
canales de formas específicas. Zonas acanaladas ubicadas en la etapa
de alimentación de los cilindros de extrusión, suelen ser utilizadas
para favorecer el procesamiento de resinas de bajo coeficiente de
fricción (Ej.-HMW PEAD y PP).
Figura 10. Sección transversal de las
zonas de alimentación acanaladas.
Existe un variado
diseño de zonas de alimentación acanaladas; sin embargo, las de
canales de sección cuadrado maximizan el volumen de material
alimentado (6).
Las zonas de alimentación acanaladas permiten controlar el
coeficiente de fricción polímero-cilindro mediante la geometría;
reduciendo la sensibilidad con respecto a la temperatura y las
propiedades termodinámicas de las resinas. Por otro lado, las zonas
de alimentación acanaladas permiten incrementar el volumen de la
sección de alimentación, acelerando asi la fusión; con lo que se
logran importantes aumentos en el caudal de extrusión (ver tablas I
y II) (6).
Con mayores precauciones que con los extrusores tradicionales, las
secciones de alimentación acanaladas deben mantenerse refrigeradas y
aisladas del cilindro de extrusión; para favorecer el desplazamiento
axial del polímero.
Tabla1.
Caudales de extrusión de PEBD para maquinas con sección de
alimentación lisa y acanalada.
Tabla 2. Caudales de
extrusión de PP para maquinas con sección de alimentación lisa y
acanalada.
En los cilindros con
zonas de alimentación lisas (convencionales) las etapas de
dispersión y mezclado del tornillo se encuentran localizadas en la
zona de dosificación (última sección del tornillo); lo cual
frecuentemente genera merma en la producción (6).
En cilindros acanalados los mejores resultados se han obtenido
ubicando las etapas de mezclado a dos tercios (2L/3) de la longitud
del tornillo. Esta ubicación promueve la dispersión de aglomerados y
la finalización de la fusión (6).
¿Cómo
se logra el control de la temperatura en los cilindros?
Sistema de calentamiento del cilindro: El calentamiento del
cilindro se produce, casi exclusivamente, mediante resistencias
eléctricas.
El sistema de calentamiento de la
extrusora es responsable de suministrar entre un 20-30% del calor
necesario para fundir la resina. Para suministrar el calor
requerido, el calentamiento suele ser de 25 a 50 vatios/in2 (38750 a
77500 W/m2) (5).
Sistema de enfriamiento del cilindro: Aunque pueda lucir
contradictorio, cada zona de calentamiento del tornillo de la
extrusora está acompañada, en la mayor parte de los equipos
comerciales, de un ventilador el cual permite e! control de la
temperatura eliminando calor de la extrusora mediante el flujo de
aire sobre la superficie requerida. Los ventiladores son accionados
por controladores de temperatura que comandan la operación de los
calefactores eléctricos. Los ventiladores entran en operación cuando
la temperatura de una zona supera el punto prefijado, por efecto de:
a.- La transferencia excesiva de calor por parte de la resistencia
(Ej.- Durante el arranque de la máquina).
b.- La generación excesiva de calor por parte de los elementos de
mezclado presentes en el tornillo de la extrusora.
La temperatura de extrusión sólo puede ser controlada de manera
precisa mediante la acción combinada de las bandas de calentamiento
eléctrico y los ventiladores de cada zona.
Importancia de
la temperatura en la fase de alimentación de la resina:
Sistema de enfriamiento de la garganta: Con la mayor parte de
los materiales poliméricos, y en especial las poliolefinas, es
necesario mantener la temperatura de la zona de alimentación al
tornillo, conocida como "garganta de alimentación", al menos a 50°C
por debajo de la temperatura de fusión del polímero. Una temperatura
muy baja en la zona de alimentación impide que la fusión de la
resina produzca la adhesión de la misma a la superficie del
tornillo; minimizando el flujo de material por arrastre, y por lo
tanto el caudal extruido.
Generalmente, el uso de agua corriente permite mantener la
temperatura de la garganta en los límites deseados (Tm-50°C); sin
embargo, en ambientes calientes y con equipos de alto caudal de
producción puede requerirse el uso de agua enfriada en torres o
incluso, refrigerada.
El Motor: El motor de la extrusora es el componente del equipo
responsable de suministrar la energía necesaria para producir: la
alimentación de la resina, parte de su fusión (70 a 80%), su
transporte y el bombeo a través del cabezal y la boquilla.
Los motores incorporados en las líneas de extrusión son eléctricos y
operan con voltajes de 220 y 440 V. Las extrusoras modernas emplean
motores DC, ya que permiten un amplio rango de velocidades de giro,
bajo nivel de ruido y un preciso control de la velocidad. Se
recomienda que la potencia de diseño sea de 1 HP por cada 10 a 15
Ib/h de caudal, sin embargo para las aplicaciones fíe alto
requerimiento de mezclado esta relación puede llegar a ser de 1HP
porcada 3 a 5 lb./h(4).
La velocidad alcanzada por los motores resulta más elevada que la
requerida por el tornillo. Las cajas reducen la velocidad hasta en
un 20:1.
El Cabezal:
El componente de la línea denominado cabezal, es el responsable de
conformar o proporcionar la forma del extrudado.
¿Cuáles son los
componentes básicos de un cabezal de extrusión?
De forma detallada, los principales componentes de un cabezal para
la extrusión son:
Plato rompedor y filtros:
Constituyen el punto de transición entre la extrusora y el cabezal.
A estos componentes les corresponde una parte importante de la
calidad del material exírudado. El plato rompedor es el primer
elemento del cabezal destinado a romper con el patrón de flujo en
espiral que el tornillo imparte; mientras que la función de los
filtros es la de eliminar del extrudado partículas y/o grumos
provenientes de impurezas, carbonización, pigmentos y/o aditivos,
etc.
En lo que respecta a su diseño, el plato rompedor no es más que una
placa cilíndrica horadada. Por otro lado, las mallas deben ser
fabricadas con acero inoxidable, ya que las compuestas con cobre o
bronce tienen un efecto catalítico sobre las reacciones
termo-oxidativas.
Torpedo: Algunos cabezales de extrusión suelen presentar en
el ducto de acople entre la extrusora y el cabezal, un elemento que
contribuye con la función del plato rompedor (modificar el patrón de
flujo en espiral a uno longitudinal). Por su geometría, a este
dispositivo se le suele denominar torpedo (ver figura 11).
Figura 11. Esquema de un torpedo de un
cabezal de extrusión de película tubular.
Boquilla: La
boquilla de extrusión es el componente del cabezal encargado de la
conformación final del extrudado. Se debe velar por que el polímero
fluya, con volumen y velocidad de flujo uniforme, alrededor de toda
la circunferencia de la boquilla, de manera de lograr espesores
uniformes. Los diseños actuales de boquillas presentan dos secciones
claramente definidas (ver figura 12). La primera de estas secciones
es conocida como: cámara de relajación; mientras que la segunda
puede ser llamada cámara de salida (die land). La cámara de
relajación de la boquilla tiene como propósito producir la
desaceleración del material e incrementar el tiempo de residencia en
la boquilla de manera tal que el polímero relaje los esfuerzos
impartidos por el paso a través de los paquetes de filtros y el
plato rompedor. La cámara de descarga (Die land) produce el formado
del perfil deseado con las dimensiones requeridas.
Figura 12. Sección de
una boquilla circular de extrusión.
Los parámetros
básicos para la especificación de una boquilla son: el diámetro y la
abertura de la salida.
Adaptadores: Son requeridos cuando la boquilla no es diseñada
específicamente para un determinado extrusor. Debido a que los
fabricantes de extrusoras y boquillas no siempre son los mismos, el
uso de adaptadores suele ser común.
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