El rendimiento es el parámetro que define la viabilidad comercial de una línea de extrusión de láminas. La capacidad de extrusión del diámetro del tornillo implica consideraciones específicas que difieren de los procesos de extrusión generales. Si es demasiado poco, el equipo posterior funcionará por debajo de su capacidad, lo que erosionará el margen. Demasiado, y los rodillos de enfriamiento no pueden solidificar la hoja lo suficientemente rápido, lo que obliga a reducir la velocidad de la línea. En el centro de este cálculo está el diámetro del tornillo extrusor, la única variable que limita más directamente la cantidad de polímero que la máquina puede procesar por hora. La capacidad de extrusión del diámetro del tornillo no es un número fijo; Depende de la velocidad del tornillo, las propiedades del polímero, la geometría del tornillo y la presión de funcionamiento. La relación entre estas variables se describe mediante las ecuaciones de flujo fundamentales de la extrusión de un solo tornillo, que separan la producción total en componentes de flujo de arrastre, flujo de presión y flujo de fuga. Este artículo explica la teoría detrás de los cálculos de la capacidad de extrusión, proporciona fórmulas prácticas y ofrece datos de rendimiento de referencia para polímeros de extrusión de láminas comunes. Para conocer el contexto más amplio del proceso de extrusión, consulte la guía sobre tecnología de extrusión de láminas.
La física de la salida del extrusor: flujo de arrastre, flujo de presión y flujo de fuga
La salida de una extrusora de un solo tornillo es el resultado neto de tres mecanismos de flujo. El flujo de arrastre es la acción de transporte hacia adelante producida por el movimiento relativo entre el tornillo y el cilindro. Es proporcional a la velocidad del tornillo, la profundidad del canal y el diámetro del tornillo, y representa la salida teórica máxima.
El flujo de presión actúa en la dirección opuesta. El troquel al final de la extrusora crea resistencia al flujo, generando un gradiente de presión que impulsa el flujo hacia atrás desde el extremo del troquel de alta presión hacia el extremo de alimentación de baja presión. El flujo de presión es proporcional al gradiente de presión y al cubo de la profundidad del canal. El flujo de fuga se produce a través del pequeño espacio libre entre las puntas de los tornillos y la pared del cilindro (normalmente entre el 0,1 y el 0,15 por ciento del diámetro del tornillo) y normalmente representa menos del 5 por ciento de la producción total.
La salida volumétrica total es el flujo de arrastre menos el flujo de presión y el flujo de fuga. En forma simplificada: Q = Q_arrastre - Q_presión - Q_fuga . La implicación práctica es que la producción de la extrusora no es un número único sino una función de las condiciones de operación. A una velocidad de tornillo determinada, la producción disminuye a medida que aumenta la presión del troquel. Un tornillo de canal poco profundo tiene una curva característica más plana, lo que significa que su salida es menos sensible a los cambios de presión del troquel; un tornillo de canal profundo tiene un mayor rendimiento a baja presión, pero cae más bruscamente a medida que aumenta la presión.
Diámetro del tornillo y ley de escala del rendimiento
El diámetro del tornillo afecta la salida a través del término de flujo de arrastre, proporcional al cuadrado del diámetro. Duplicar el diámetro del tornillo aumenta el rendimiento teórico en un factor de cuatro. Un tornillo de 150 mm puede procesar aproximadamente 2,25 veces la producción de un tornillo de 100 mm a la misma velocidad de tornillo. La escala no es perfectamente cuadrática porque la profundidad del canal, la relación L/D y la velocidad permitida del tornillo también cambian con el diámetro. Los tornillos más grandes normalmente funcionan a RPM más bajas para mantener la misma velocidad de la punta, limitada por la sensibilidad al corte del polímero.
El rendimiento práctico en todo el rango de diámetro común proporciona una guía de tamaño aproximada. Una extrusora de un solo tornillo de 65 mm que procesa PP puede producir entre 150 y 250 kg/h. Una máquina de 90 mm: 350-500 kg/h. Una máquina de 120 mm: 800-1200 kg/h. Una máquina de 150 mm: 1.200-1.800 kg/h. El La relación LD del diseño del tornillo de extrusión influye en el techo de rendimiento práctico: un L/D más largo proporciona más capacidad de fusión, lo que permite velocidades de tornillo más altas antes de que la fusión sea incompleta.
Tablas prácticas de rendimiento para polímeros en láminas comunes
Los siguientes rangos de rendimiento representan el rendimiento típico de extrusoras de un solo tornillo bien diseñadas que procesan polímeros en láminas comunes de 28:1 a 33:1 L/D. Los valores suponen un diseño de tornillo equilibrado con una relación de compresión y una sección de mezcla adecuadas para el polímero.
Hoja de polipropileno (PP):
65 mm: 150-220 kg/h
90 mm: 320-480 kg/h
120 mm: 750-1100 kg/h
150 mm: 1.100-1.700 kg/h
Hoja de polietileno (HDPE/LDPE):
65 mm: 130-200 kg/h
90 mm: 300-450 kg/h
120 mm: 700-1050 kg/h
150 mm: 1.050-1.600 kg/h
Hoja de PET:
65 mm: 120-180 kg/h
90 mm: 280-400 kg/h
120 mm: 650-950 kg/h
150 mm: 950-1450 kg/h
El rendimiento del PET es menor que el del PP con un diámetro de tornillo equivalente debido a la ventana de procesamiento más estrecha y al diseño del tornillo ventilado de dos etapas.
Hoja de poliestireno (PS):
65 mm: 140-210 kg/h
90 mm: 310-460 kg/h
120 mm: 720-1080 kg/h
150 mm: 1.080-1.650 kg/h
Estos rangos proporcionan un punto de partida para el tamaño de la línea. El rendimiento real debe verificarse mediante pruebas de extrusión o cálculos de ingeniería detallados.
El papel de las bombas de fusión en la capacidad de extrusión
Una bomba de fusión (una bomba de engranajes de desplazamiento positivo instalada entre la extrusora y el troquel) desacopla la salida del extrusor de la presión del troquel. La extrusora alimenta la bomba de fusión a una velocidad ligeramente mayor que el punto de ajuste de la bomba, manteniendo una presión de entrada constante. La bomba mide una salida volumétrica precisa al troquel, independientemente de las fluctuaciones de presión del troquel o la carga del paquete de cribas.
En una bomba de fusión, la extrusora funciona contra una contrapresión constante y más baja y la bomba asume la función de generación de presión. Esto permite que el tornillo se diseñe para lograr una eficiencia de fusión en lugar de generar presión. La salida de la bomba es casi independiente de la presión, por lo que las variaciones en la resistencia del dado no afectan el caudal másico al dado. El resultado es un espesor de lámina más consistente, particularmente durante el inicio y las transiciones del proceso. Para una línea con una bomba de fusión, el tamaño de la extrusora generalmente es para entregar entre un 10 y un 15 por ciento más de producción que la capacidad nominal de la bomba. El La selección del accionamiento de extrusión del motor estándar del servomotor para la extrusora y la bomba de fusión afecta tanto a la precisión del control de velocidad como a la eficiencia energética de la línea.
Adaptación del diámetro del tornillo al equipo aguas abajo
El equipo posterior (pila de calandrado, medidor de espesor y estación de bobinado o corte) debe dimensionarse para manejar la salida del extrusor a la velocidad de línea objetivo. Para un ancho, espesor y densidad de polímero de hoja determinados, la velocidad de línea requerida es la salida del extrusor dividida por el área de la sección transversal de la hoja y la densidad de la masa fundida. Si la velocidad de línea calculada excede la velocidad máxima de los rodillos de la calandria o de la bobinadora, la extrusora está sobredimensionada. Si la velocidad de la línea está por debajo de la velocidad mínima estable del equipo posterior, la extrusora tiene un tamaño insuficiente.
La capacidad de enfriamiento de los rodillos de calandria es otra limitación. El calor que se debe eliminar de la lámina es el producto del rendimiento, el calor específico del polímero y la caída de temperatura desde la masa fundida hasta el estado sólido. Si el sistema de enfriamiento del rodillo no puede eliminar este calor al ritmo requerido, la hoja saldrá de la calandria por encima de su punto de ablandamiento, provocando que se pegue o se deforme.
Seleccionar el diámetro de tornillo correcto para un objetivo de rendimiento determinado evita el error común de sobredimensionar o subdimensionar una línea de extrusión. JWELL proporciona cálculos detallados de rendimiento y proyecciones de capacidad durante la fase de especificación de la línea, ayudando a los clientes a seleccionar diámetros de tornillo de 65 mm a 200 mm según el tipo de polímero, la producción objetivo y los requisitos de procesamiento posteriores, un enfoque consultivo que garantiza que el equipo seleccionado cumpla tanto con las necesidades de producción actuales como con los objetivos de crecimiento futuros.
Preguntas frecuentes
¿Cómo se calcula la capacidad de extrusión a partir del diámetro del tornillo?
La salida teórica de una extrusora de un solo tornillo se calcula a partir de la ecuación de flujo de arrastre: Q = (1/2) * pi^2 * D^2 * N * H * sin(phi) * cos(phi), donde D es el diámetro del tornillo, N es la velocidad del tornillo en revoluciones por segundo, H es la profundidad del canal en la zona de medición y phi es el ángulo de hélice del vuelo del tornillo. La tasa de salida real es el flujo de arrastre teórico menos el flujo de presión y el flujo de fuga, que dependen de la presión del troquel, la viscosidad del fundido y la distancia de vuelo.
¿Cuál es la relación entre la velocidad del tornillo y la producción?
En teoría, la producción de la extrusora es directamente proporcional a la velocidad del tornillo. En la práctica, la relación es aproximadamente lineal pero no perfectamente proporcional. A velocidades de tornillo muy bajas, el componente de flujo de presión es una fracción mayor del flujo de arrastre y la salida cae por debajo de la proyección lineal. A velocidades de tornillo muy altas, la capacidad de alimentación del tornillo puede limitar la cantidad de material que ingresa al cilindro y la salida puede estabilizarse o incluso disminuir. Dentro del rango operativo normal de 30 a 80 por ciento de las RPM máximas, la salida es aproximadamente lineal con la velocidad del tornillo.
¿Un diámetro de husillo mayor implica siempre un mayor rendimiento?
Sí, la producción aumenta con el diámetro del tornillo, aproximadamente como el cuadrado del diámetro. Sin embargo, el rendimiento práctico máximo también está limitado por la capacidad de fusión del tornillo, la capacidad de enfriamiento del equipo posterior y la velocidad máxima de la línea de la calandria y la bobinadora. Un diámetro de tornillo más grande solo se traduce en una mayor producción si toda la línea está dimensionada para manejar el mayor rendimiento.
¿Cómo afecta la densidad del material fundido al cálculo de la producción?
La producción volumétrica calculada a partir de la ecuación del flujo de arrastre debe convertirse en producción en masa utilizando la densidad de fusión del polímero a la temperatura de procesamiento. La densidad de la masa fundida es menor que la densidad del sólido debido a la expansión térmica. Para el PP, la densidad fundida a 230 grados Celsius es de aproximadamente 0,75 g/cm3, en comparación con una densidad sólida de 0,90 g/cm3. El uso de la densidad del sólido en lugar de la densidad del material fundido sobreestima la producción de masa en aproximadamente un 20 por ciento. Los valores precisos de densidad de masa fundida a la temperatura de procesamiento son esenciales para realizar cálculos correctos del rendimiento.
