Rotomoldagem – Aplicação de superfícies estendidas em Moldes

Aplicação de superfícies estendidas em moldes melhora troca térmica e acelera processo de transformação

Por motivos ligados à conveniência e à limpeza, grande parte dos sistemas de rotomoldagem utilizam sistemas de convecção com ar forçado para as fases de aquecimento e resfriamento.

A maioria dos esforços para reduzir o ciclo visa aprimorar os parâmetros de processo com a melhoria de projeto de máquinas e alteração das características térmicas do material do molde, entretanto pouca atenção é dada para a realização de modificações na superfície do molde como possível alternativa para melhorar a transferência de calor

Este estudo, realizado em uma renomada indústria de transformação de plástico no interior do Estado de São Paulo, pretende mostrar como o uso de aletas pode ser utilizado para intensificar a taxa transferência de calor mediante o aumento da área superficial, para redução do tempo de permanência no forno e do ciclo de rotomoldagem.

O princípio básico do processo de rotomoldagem consiste na adição de um material termoplástico em pó, em um molde oco, sendo este aquecido a uma temperatura externa de aproximadamente 300ºC (para se obter uma temperatura interna de aproximadamente 150ºC), girando-o em dois eixos de rotação.

Durante a rotação bidirecional, o pó se distribui uniformemente no interior do molde, depositando-se e se fundindo sobre a parede, de modo a formar uma película que aumenta de espessura à medida que outra camada de pó se sobrepõe à camada anterior.

Após o resfriamento, o produto é retirado do interior do molde e enviado para o acabamento final.

Figura 1 e figura 2

Plástico Moderno, Rotomoldagem - carregamento - aquecimento - resfriamento - desmoldagem
Etapas do Processo de Rotomoldagem

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Plástico Moderno, Rotomoldagem - Estação de carregamento - forno - estação intermediária -resfriador - estação de descarregamento
Etapas do processo de rotomoldagem para uma máquina tipo carrossel

Espessura da parede e transferência de calor

A rotomoldagem é um processo de transferência de calor no estado transiente, no qual as temperaturas do molde, pó e resina fundida estão continuamente aumentando ou diminuindo através de todo o ciclo, sem nunca atingirem o equilíbrio.

A relação entre as temperaturas do molde e da resina durante um típico ciclo de moldagem é mostrada esquematicamente na figura 3.

Plástico Moderno, Rotomoldagem: Aplicação de superfícies estendidas em moldes melhora troca térmica e acelera processo de transformação
Relação das temperaturas do molde e do polietileno durante um ciclo típico

O tempo de fusão é controlado basicamente pela espessura desejada da parede da peça. Com outros fatores constantes, se a espessura da parede é duplicada, o tempo de fusão será dobrado 1.

A etapa limitante de transferência de calor deste processo é a convectiva. Em processos de rotomoldagem a convecção forçada é promovida através de soprador de ar.

A taxa de transferência de calor convectiva é dada pela seguinte equação:

Plástico Moderno, Rotomoldagem - taxa de transferência de calor

Aletas

São superfícies que se estendem a partir de uma superfície de um objeto, de modo a aumentar a taxa de transmissão de calor.

Adicionando aletas a um objeto, aumenta-se a área superficial e pode ser uma solução econômica para problemas de transmissão de calor.

A seleção da geometria adequada da aleta é encontrada por uma análise das características de transmissão de calor, custo, peso, perda de carga e espaço disponível.

Para o caso estudado utilizou-se, por questão de disponibilidade no local, aletas cilíndricas.

Balanço de Energia

Considerando uma aleta cilíndrica e unidimensional exposta a um fluido cuja temperatura é T∞, como mostra figura 4. A temperatura da base da aleta é T0 .

Plástico Moderno, Rotomoldagem - aleta cilíndrica e unidimensional exposta a um fluido
Esquema para uma aleta em forma de pino, projetando-se de uma parede

Equações

 

Rotomoldagem Equação que define o termo de convecção (2) Equação o qual A é a área de superfície de troca de calor por convecção e P seu perímetro, temos

Rotomoldagem - As funções hiperbólicas são definidas como - Usando a equação de distribuição de temperatura, o calor ganho pela aleta poder ser calculado
Rotomoldagem – Eficiência da Aleta

Para avaliar o desempenho, compara-se o calor transferido com a aleta com a situação sem aleta.

A razão entre estas quantidades é:

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Materiais e métodos

Foram utilizados barras cilíndricas de alumínio liga 6063-T5 no diâmetro de 7,80 mm, fornecidas pela empresa, paquímetro digital da Western de resolução de 0,01 mm, balança digital da Thermkal modelo TKL-6501 e um molde de rotomoldagem de alumínio com espessura média de parede de 13,51 mm. Para os gráficos e tabelas foi utilizado o software Excel da Microsoft Office®.

Foram soldados 24 aletas com tamanho inicial de 10 cm sobre a tampa do molde, dispostos radialmente na seguinte configuração: 16 aletas a uma distância radial de 15,5 cm e 8 aletas a uma distância radial de 5,5 cm.

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Detalhe das aletas

O molde permaneceu no forno por 750 segundos a 280ºC. Após esta etapa, seguiu para a estação de pré-resfriamento e na sequência para o resfriador, onde permaneceu por 800 segundos, e finalmente foi encaminhado para a zona de descarregamento.

Para a análise dos dados foram utilizados cinco tamanhos diferentes de aletas, 10,00; 8,25; 6,25; 4,25 e 2,75 cm. Foram retiradas cinco peças ao dia de modo a se obter dez peças para cada tamanho de aleta.

Para a obtenção dos dados, primeiramente pesou-se a peça inteira para assegurar que a quantidade de material plástico colocado em cada molde fosse aproximadamente igual.

Em seguida a tampa do vaso foi retirada e também pesada.

Após a pesagem, foram realizados furos nas tampas com a finalidade de medir a espessura em diferentes pontos da peça.

Após a pesagem, a tampa foi cortada em várias seções para verificar se a espessura se mantinha uniforme ao longo da peça.

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Peça acabada – Rotomoldagem

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Resultados e discussão

Para garantir que todas as peças receberam aproxi­mada­men­te a mesma quantidade de material plástico, todas foram pesadas, conforme tabela 1.

Após a pesagem da peça, a amostra, tampa, foi retirada, pesada e furada para obtenção da espessura. Os resultados são apresentados a seguir:

Para o trecho analisado há uma relação linear entre tamanho de aleta e espessura da amostra, coeficiente de correlação de 0,997, entretanto essa relação não é válida para qualquer tamanho de aleta, pois a partir de um certo tamanho a aleta começa a atuar como uma resistência contra a transmissão de calor.

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Tabela 1 – Massas médias das Peças Tabela 2 – Massa médias das Peças e espessura média das amostras Gráfico 1 – Espessura média em função do tamanho da aleta

Para estimar o tamanho máximo da aleta para a máxima taxa de transmissão de calor é necessário estimar o valor do coeficiente convectivo de transferência de calor.

Assumindo a condição de estado estacionário unidimensional, uma vez que a rotomoldagem é um processo lento, o qual proporciona tempo suficiente para que as aletas fiquem nesta condição e utilizando a correlação de Churchill e Bernstein para Reynolds ente 100 e 1×107, temos que:

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O valor encontrado de foi de 233,09 W/m2.K.

Com o valor de e dos valores de eficiência calculados para cada aleta, foi calculado a taxa de calor transferida para cada situação. Tabela 3

O valor máximo de transferência de calor em função do tamanho pode ser determinado pela resolução analítica das equações apresentadas anteriormente.

Utilizando a ferramenta solver do Microsoft Office Excel chegou-se ao tamanho máximo de aleta para a máxima transferência de calor, conforme a tabela 4.

Com os valores calculados anteriormente é possível estimar o tempo de redução de forno para cada situação, conforme apresentado na tabela 5.

Nota-se pela tabela 5 que praticamente não há diferença significativa na redução de tempo entre as aletas de 8,25; 10,0 e 14,55; e portanto o uso de qualquer uma delas produzirá na prática o mesmo resultado.

Conclusão

A partir dos resultados obtidos, conclui-se que, para o caso estudado, o uso de aletas de 10 cm, permite uma redução de tempo de forno de 20,16% ou 2,52 minutos.

Foi possível também obter um aumento de espessura de parede de 28,5%. Em algumas aplicações na indústria de rotomoldagem, esse aumento de espessura tem grande valia, pois pode ser aproveitado para aumento de resistência em pontos específicos das peças.

Plástico Moderno, Rotomoldagem: Aplicação de superfícies estendidas em moldes melhora troca térmica e acelera processo de transformação
Tabela 3 – Fluxos d calor em função do tamanho de aleta Tabela 4 – Tamanho ótimo de aleta para máxima transferência de calor Tabela 5 – Redução de tempo de forno para cada tamanho de aleta

O uso de aletas ou superfícies estendidas se mostrou de fácil instalação e baixo custo de manutenção, indicando que o mesmo pode ser utilizado como uma alternativa para o aumento de transferência de calor e de redução do tempo de ciclo.

O autor agradece à empresa e ao Gerente Industrial Engº Adriano Persona M. Gomes pela oportunidade e pela disposição de materiais e espaço para a condução do estudo.n

Texto: Celso D. Madureira

 

O Autor

Plástico Moderno, Celso Dias Madureira é graduado em Engenharia Química pela Universidade Federal de São Carlos (UFSCar)
Celso Dias Madureira é graduado em Engenharia Química pela Universidade Federal de São Carlos (UFSCar)

Celso Dias Madureira é graduado em Engenharia Química pela Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), pós-graduado em Gestão em Refino de Petróleo, Petroquímica e Biocombustíveis pela Funcefet e atualmente é mestrando em Engenharia Química pela Universidade Federal de Alfenas (Unifal), Campus Poços de Caldas-MG.

Trabalhou como engenheiro químico junior entre 2007 e 2008 na empresa CBA do grupo Votorantim. De 2008 a 2009, atuou como engenheiro de projetos/consultor na área de eficiência energética da Figener.

De 2009 a 2010, operou como engenheiro de projetos na Desga Ambiental, voltando à Figener para o período de 2010 a 2015 como coordenador de projetos/consultor na área de eficiência energética. Desde 2015, tornou-se docente no departamento de Engenharia Química do Instituto Federal do Sul de Minas Gerais, campus de Pouso Alegre. n
Referências

  • CACCIA Engineering – Apostila Técnica Sobre Rotomoldagem, Itália, p. 5-7, 2004.
  • POLITENO – Apostila Técnica de Rotomoldagem, São Paulo, p. 7, 2003.
  • HOLMAN, J. P. – Transferência de Calor; Tradução: Luiz Fernando Milanez; São Paulo, McGraw-Hill do Brasil, p. 40-47, 1983.
  • KREITH, F. – Princípios da Transmissão de Calor; 3ª edição, São Paulo, Editora Edgard Blücher LTDA, p. 43-47, 1985.
  • INCROPERA, F. P.; WITT, D. P. – Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, 6ª edição, LTC editora, Rio de Janeiro, p. 84-93, 2008.

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