A produtividade é o parâmetro que define a viabilidade comercial de uma linha de extrusão de chapas. a capacidade de extrusão do diâmetro do parafuso envolve considerações específicas que diferem dos processos gerais de extrusão. Se for muito pouco, o equipamento downstream fica abaixo da capacidade, diminuindo a margem. Se for demais, os rolos de resfriamento não conseguem solidificar a folha com rapidez suficiente, forçando uma redução da velocidade da linha. No centro deste cálculo está o diâmetro da rosca da extrusora – a única variável que limita mais diretamente a quantidade de polímero que a máquina pode processar por hora. A capacidade de extrusão do diâmetro do parafuso não é um número fixo; depende da velocidade do parafuso, das propriedades do polímero, da geometria do parafuso e da pressão operacional. A relação entre essas variáveis é descrita pelas equações fundamentais de fluxo da extrusão de parafuso único, que separam a produção total em componentes de fluxo de arrasto, fluxo de pressão e fluxo de vazamento. Este artigo explica a teoria por trás dos cálculos de capacidade de extrusão, fornece fórmulas práticas e oferece dados de referência de rendimento para polímeros comuns de extrusão de folhas. Para um contexto mais amplo do processo de extrusão, consulte o guia em tecnologia de extrusão de folhas.
A física da saída da extrusora: fluxo de arrasto, fluxo de pressão e fluxo de vazamento
A saída de uma extrusora de parafuso único é o resultado líquido de três mecanismos de fluxo. O fluxo de arrasto é a ação de transporte para frente produzida pelo movimento relativo entre a rosca e o cilindro. É proporcional à velocidade do parafuso, profundidade do canal e diâmetro do parafuso e representa a produção teórica máxima.
O fluxo de pressão atua na direção oposta. A matriz na extremidade da extrusora cria resistência ao fluxo, gerando um gradiente de pressão que impulsiona o fluxo reverso da extremidade da matriz de alta pressão em direção à extremidade de alimentação de baixa pressão. O fluxo de pressão é proporcional ao gradiente de pressão e ao cubo da profundidade do canal. O fluxo de vazamento ocorre através da pequena folga entre as pontas do parafuso e a parede do cilindro – normalmente de 0,1 a 0,15 por cento do diâmetro do parafuso – e normalmente representa menos de 5 por cento da produção total.
A produção volumétrica total é o fluxo de arrasto menos o fluxo de pressão e o fluxo de vazamento. De forma simplificada: Q = Q_arrasto - Q_pressão - Q_vazamento . A implicação prática é que a produção da extrusora não é um número único, mas uma função das condições operacionais. A uma determinada velocidade da rosca, a produção diminui à medida que a pressão da matriz aumenta. Um parafuso de canal raso possui uma curva característica mais plana, o que significa que sua saída é menos sensível às mudanças de pressão da matriz; um parafuso de canal profundo tem maior saída em baixa pressão, mas cai mais acentuadamente à medida que a pressão aumenta.
Diâmetro do parafuso e lei de escala de rendimento
O diâmetro do parafuso afeta a saída através do termo do fluxo de arrasto, proporcional ao quadrado do diâmetro. Dobrar o diâmetro do parafuso aumenta a produção teórica por um fator de quatro. Um parafuso de 150 mm pode processar aproximadamente 2,25 vezes a saída de um parafuso de 100 mm na mesma velocidade do parafuso. A escala não é perfeitamente quadrática porque a profundidade do canal, a relação L/D e a velocidade permitida da rosca também mudam com o diâmetro. Parafusos maiores normalmente funcionam em RPM mais baixas para manter a mesma velocidade da ponta, limitada pela sensibilidade ao cisalhamento do polímero.
O rendimento prático em toda a faixa de diâmetro comum fornece um guia aproximado de dimensionamento. Uma extrusora de parafuso único de 65 mm que processa PP pode fornecer 150-250 kg/h. Uma máquina de 90 mm: 350-500 kg/h. Uma máquina de 120 mm: 800-1.200 kg/h. Uma máquina de 150 mm: 1.200-1.800 kg/h. O A relação LD do projeto da rosca de extrusão influencia o limite prático de rendimento: um L/D mais longo fornece maior capacidade de fusão, permitindo velocidades mais altas da rosca antes que a fusão se torne incompleta.
Tabelas práticas de rendimento para polímeros de folhas comuns
As faixas de produtividade a seguir representam o desempenho típico de extrusoras de parafuso único bem projetadas que processam polímeros de folhas comuns de 28:1 a 33:1 L/D. Os valores assumem um design de parafuso balanceado com taxa de compressão e seção de mistura apropriadas para o polímero.
Folha de polipropileno (PP):
65mm: 150-220 kg/h
90 mm: 320-480 kg/h
120 mm: 750-1.100 kg/h
150 mm: 1.100-1.700 kg/h
Folha de polietileno (HDPE/LDPE):
65mm: 130-200 kg/h
90 mm: 300-450 kg/h
120 mm: 700-1.050 kg/h
150 mm: 1.050-1.600 kg/h
Folha PET:
65mm: 120-180 kg/h
90 mm: 280-400 kg/h
120 mm: 650-950 kg/h
150 mm: 950-1.450 kg/h
A produtividade do PET é inferior à do PP com diâmetro de rosca equivalente devido à janela de processamento mais estreita e ao design da rosca ventilada de dois estágios.
Folha de poliestireno (PS):
65mm: 140-210 kg/h
90 mm: 310-460 kg/h
120 mm: 720-1.080 kg/h
150 mm: 1.080-1.650 kg/h
Esses intervalos fornecem um ponto de partida para o dimensionamento da linha. O rendimento real deve ser verificado através de testes de extrusão ou cálculos detalhados de engenharia.
O papel das bombas de fusão na capacidade de extrusão
Uma bomba de fusão – uma bomba de engrenagens de deslocamento positivo instalada entre a extrusora e a matriz – desacopla a saída da extrusora da pressão da matriz. A extrusora alimenta a bomba de fusão a uma taxa ligeiramente superior ao ponto de ajuste da bomba, mantendo uma pressão de entrada constante. A bomba mede uma saída volumétrica precisa para a matriz, independentemente das flutuações de pressão da matriz ou da carga do conjunto de telas.
Com uma bomba de fusão, a extrusora opera contra uma contrapressão mais baixa e constante, e a bomba assume a função de geração de pressão. Isto permite que o parafuso seja projetado para eficiência de fusão em vez de geração de pressão. A saída da bomba é quase independente da pressão, portanto variações na resistência da matriz não afetam a vazão de massa para a matriz. O resultado é uma espessura de chapa mais consistente, especialmente durante a inicialização e as transições de processo. Para uma linha com bomba de fusão, a extrusora normalmente é dimensionada para fornecer de 10 a 15% mais produção do que a capacidade nominal da bomba. O A seleção do acionamento de extrusão do motor padrão do servo motor para a extrusora e a bomba de fusão afeta a precisão do controle de velocidade e a eficiência energética da linha.
Correspondência do diâmetro do parafuso com o equipamento a jusante
O equipamento posterior – pilha de calandragem, medidor de espessura e estação de enrolamento ou corte – deve ser dimensionado para lidar com a saída da extrusora na velocidade de linha desejada. Para uma determinada largura de folha, espessura e densidade de polímero, a velocidade de linha necessária é a saída da extrusora dividida pela área da seção transversal da folha e pela densidade de fusão. Se a velocidade da linha calculada exceder a velocidade máxima dos rolos da calandra ou da bobinadeira, a extrusora está superdimensionada. Se a velocidade da linha estiver abaixo da velocidade mínima estável do equipamento a jusante, a extrusora está subdimensionada.
A capacidade de resfriamento dos rolos de calandra é outra restrição. O calor que deve ser removido da folha é o produto do rendimento, do calor específico do polímero e da queda de temperatura do estado fundido para o estado sólido. Se o sistema de resfriamento do rolo não conseguir remover esse calor na taxa necessária, a chapa sairá da calandra acima do seu ponto de amolecimento, causando aderência ou deformação.
Selecionar o diâmetro correto do parafuso para uma determinada meta de rendimento evita a armadilha comum de subdimensionar ou superdimensionar uma linha de extrusão. A JWELL fornece cálculos detalhados de rendimento e projeções de capacidade durante a fase de especificação da linha, ajudando os clientes a selecionar diâmetros de parafuso de 65 mm a 200 mm com base no tipo de polímero, produção alvo e requisitos de processamento downstream – uma abordagem consultiva que garante que o equipamento selecionado atenda às necessidades atuais de produção e às metas de crescimento futuras.
Perguntas frequentes
Como a capacidade de extrusão é calculada a partir do diâmetro do parafuso?
A saída teórica de uma extrusora de parafuso único é calculada a partir da equação de fluxo de arrasto: Q = (1/2) * pi ^ 2 * D ^ 2 * N * H * sin (phi) * cos (phi), onde D é o diâmetro do parafuso, N é a velocidade do parafuso em rotações por segundo, H é a profundidade do canal na zona de medição e phi é o ângulo da hélice do voo do parafuso. A taxa de saída real é o fluxo de arrasto teórico menos o fluxo de pressão e o fluxo de vazamento, que dependem da pressão da matriz, da viscosidade do fundido e da folga do voo.
Qual é a relação entre a velocidade do parafuso e a saída?
Em teoria, a saída da extrusora é diretamente proporcional à velocidade da rosca. Na prática, a relação é aproximadamente linear, mas não perfeitamente proporcional. Em velocidades de parafuso muito baixas, o componente do fluxo de pressão é uma fração maior do fluxo de arrasto e a saída cai abaixo da projeção linear. Em velocidades de rosca muito altas, a capacidade de alimentação da rosca pode limitar a quantidade de material que entra no cilindro e a saída pode estabilizar ou até diminuir. Dentro da faixa operacional normal de 30 a 80 por cento da RPM máxima, a saída é aproximadamente linear com a velocidade da rosca.
Um diâmetro de parafuso maior sempre significa maior produção?
Sim, a produção aumenta com o diâmetro do parafuso, aproximadamente igual ao quadrado do diâmetro. No entanto, o rendimento prático máximo também é limitado pela capacidade de fusão da rosca, pela capacidade de resfriamento do equipamento a jusante e pela velocidade máxima da linha da calandra e da bobinadeira. Um diâmetro de rosca maior só se traduz em maior produção se toda a linha for dimensionada para lidar com o aumento da produtividade.
Como a densidade do fundido afeta o cálculo da saída?
A saída volumétrica calculada a partir da equação do fluxo de arrasto deve ser convertida em saída de massa usando a densidade de fusão do polímero na temperatura de processamento. A densidade do fundido é inferior à densidade do sólido devido à expansão térmica. Para PP, a densidade de fusão a 230 graus Celsius é de aproximadamente 0,75 g/cm3, em comparação com uma densidade sólida de 0,90 g/cm3. Usar a densidade sólida em vez da densidade fundida superestima a produção de massa em cerca de 20%. Valores precisos de densidade de fusão na temperatura de processamento são essenciais para cálculos corretos de rendimento.
