Rotomoldagem – Aplicação de superfícies estendidas em Moldes

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 . 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. 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: 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 . Equações Para avaliar o desempenho, compara-se o calor transferido com a aleta com a situação sem aleta. A razão entre estas quantidades é: 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. 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. 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. 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 1x107, temos que: 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. 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 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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