Para caracterizar adequadamente e em detalhe o coeficiente de transferência de calor na interface polímero-calibrador (h), foi desenvolvido um protótipo composto por uma cabeça de extrusão e um calibrador modular instrumentado [17]. O protótipo integrará uma linha de extrusão, esquematizada na Figura 6, constituída por uma extrusora e um sistema de puxo. O perfil extrudido tinha a geometria de uma fita retangular e as suas dimensões dependiam das condições do processamento. Associado ao protótipo encontra-se: um termorregulador, uma bomba de vácuo, um medidor de fluxo e um sistema de aquisição de dados.
Figura 6- Diagrama esquemático que ilustra todos os componentes da linha e acessórios.
Cada um dos equipamentos desempenha funções diferentes, a extrusora funde, homogeneiza e pressuriza o material, enquanto a fieira a ela acoplada define a geometria do perfil (Figura 7). Em seguida o “sistema protótipo” vai arrefecer e estabelecer as
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dimensões desejadas para o perfil. Este processo é possível devido ao gradiente de pressões criado pela bomba de vácuo, que vai forçar o extrudido contra a superfície do calibrador. O protótipo tem incorporado uma distribuição espacial de canais de arrefecimento, onde o fluído circundante é a água. O caudal de água, que percorre os canais de arrefecimento é controlado pelo medidor de fluxo, enquanto a temperatura da água é controlada com recurso a um termorregulador. O sistema de aquisição de dados permite o registo das temperaturas medidas experimentalmente. O sistema de puxo é a última etapa do processo de extrusão e promove o estiramento do perfil.
Figura 7- Linha de extrusão constituída por: (1) extrusora PERIPLAST O25 x 25D; (2) sistema e calibração-arrefecimento e (3) rolos de puxo PERIPLAST PUXO PT 70 x 450.
Este trabalho foca-se essencialmente no que acontece na etapa de calibração- arrefecimento. O “sistema protótipo”, como já referido, tem o objetivo de arrefecer e estabelecer as dimensões desejadas ao perfil, conseguido essencialmente através do gradiente de pressões criado pelo vácuo, uma vez que este é capaz de manter o perfil em contacto com o calibrador (Figura 8). Permitindo em simultâneo a observação e registo das temperaturas tanto nos módulos do calibrador como do perfil extrudido.
Figura 8- Contacto do perfil extrudido de poliestireno (1) com os rasgos do calibrador (2).
3
2
1
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Este sistema é suportado por uma estrutura de metal, esquematizada na Figura 9. Na parte inferior e superior ao calibrador existe uma régua, que tem como função suportar os sensores de infravermelhos. Os sensores de infravermelhos possibilitam a medição das temperaturas do perfil antes e após a passagem pelo calibrador.
Figura 9- Desenho do sistema de calibração protótipo [17]
No sistema de calibração são incorporados cinco termopares em cada módulo do calibrador (Figura 10), três na superfície superior e um em cada lateral. Todos os módulos possuem canais de arrefecimento, que permitem a refrigeração do perfil a uma temperatura controlada, e rasgos de vácuo na superfície de contacto com o polímero, cuja pressão poderá ser também variada. Destes módulos, o primeiro e o último têm metade do comprimento dos centrais. Para além disso são os únicos que não podem ser retirados para alterar o comprimento total do calibrador, por possuírem canais de entrada e saída do fluído de arrefecimento e os canais de entrada de vácuo.
Todas as temperaturas recolhidas pelos termopares e pelos sensores de infravermelhos são registadas por um sistema de aquisição de dados e mais tarde serão utilizadas no cálculo iterativo de h.
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Figura 10-Representação dos módulos do calibrador com os canais de vácuo e fluido de arrefecimento (1 e 3) e com vários módulos ajustáveis (2) [17]
Para o calibrador utilizou-se uma construção modular pois permite estudar com facilidade alguns dos parâmetros que poderão afetar h. Os parâmetros que dizem respeito às soluções construtivas adotadas para o calibrador e que podem ser estudados são o acabamento da superfície de contacto, o metal utilizado e o comprimento total do calibrador. Desta forma o protótipo foi desenvolvido com diferentes módulos, em que o módulo principal (Figura 11 (1)) alojará um inserto (Figura 11 (2)) que poderá ser construído de diferentes metais e possuir diferentes acabamentos superficiais. Foram ainda construídos vários módulos, possibilitando assim a realização de experiências com diferentes comprimentos de calibração.
Figura 11- Desenho 3D dos módulos do calibrador (1- módulo primário, 2- inserto) [20]
No que diz respeito ao trabalho experimental, o último passo refere-se ao puxo do perfil (fita retangular) por um sistema de rolos de puxo (Figura 12 e 13). Nestes a velocidade linear de puxo deve ser superior à velocidade linear de extrusão. A diferença
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de velocidades lineares foi comprovada através do cálculo do caudal para ambos os materiais, PS e ABS (ver Anexo 5).
Figura 12- Saída do perfil extrudido no sistema de rolos de puxo.
Figura 13- Sistema de Puxo
Aquando a realização do trabalho experimental devem ser tomados determinados cuidados (no Anexo 6 encontram-se listados alguns deles).
Após a conclusão do trabalho experimental e com o auxílio de um programa de simulação numérica procede-se à determinação do coeficiente de transferência de calor na interface polímero-metal e ao coeficiente de convecção natural do ar. O programa de simulação numérica modela o comportamento do sistema, considerando um subsistema constituído pelos módulos do calibrador e pela fita extrudida (Figura 14) [6].
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Para a resolução deste problema de transferência de calor 3D é necessário um conjunto de dados de entrada, tais como, a geometria do sistema, as condições de fronteira e as propriedades mais relevantes, tanto do polímero como do metal [6]. Em seguida o código numérico é utilizado de forma iterativa (Figura 15) a fim de definir o valor de dois parâmetros, o coeficiente de transferência de calor por convecção natural (hc) e o coeficiente de transferência de calor na interface polímero-calibrador (h).
Figura 15- Fluxograma da metodologia adotada para a determinação dos valores de h e hc.
A introdução dos respetivos dados de entrada é necessária para cada caso em estudo, esses dados dizem respeito à geometria do sistema (nomeadamente o comprimento do calibrador e o material constituinte dos insertos), a distribuição de temperaturas na superfície do calibrador, as propriedades dos materiais, tanto dos polímeros como dos metais (nomeadamente condutividade térmica, calor específico,
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massa volúmica), as temperaturas do perfil extrudido lidas pelos sensores de infravermelhos antes (Tin) e após (Tout) a passagem pelo calibrador (Figura 16) e a
velocidade linear.
Figura 16- Representação das temperaturas medidas pelos sensores de infravermelhos (IR) num perfil termoplástico extrudido antes e após a passagem pelo calibrador
Em seguida através do programa de simulação numérica é possível estipular um valor para hc e para h podendo-se então realizar as simulações 3D de transferência de calor. No caso de nos resultados obtidos se observar que as Tin são similares às
temperaturas calculadas pelo código de modelação numérica de transferência de calor, diz-se que hc é igual a hc estipulado para a condição estudada, caso contrário deve ser repetido o procedimento até as temperaturas terem um erro entre os 0⁰C e os 5⁰C.
No exemplo apresentado na Figura 17, inicialmente foi estipulado um hc igual a 20W/m2K verificando-se após a realização das simulações 3D que as Tin não são
similares às temperaturas calculadas pelo código de modelação numérica. Assim, é necessário verificar se as Tin são superiores ou inferiores às temperaturas calculadas
pelo código de modelação numérica de transferência de calor, de forma a identificar qual o valor de hc estipulado que deve adotado em seguida. Neste caso hc estipulado foi aumentado para 40W/m2K, no entanto esse valor tornou-se excessivo. Quando foi estipulado um valor de hc igual a 30W/m2K verificou-se que a curva de simulação sobrepôs perfeitamente os pontos correspondentes às temperaturas medidas experimentalmente (sombreado da Figura 17), podendo-se desta forma dizer que o valor de hc para esta condição é igual a 30W/m2K.
Calibrador
T
in28
Figura 17- Representação de três tentativas de cálculo de hc para a mesma condição de processamento.
Para determinar o h na interface polímero-metal segue-se um procedimento semelhante ao utilizado para o cálculo de hc, com a diferença que neste caso as temperaturas dadas pela simulação devem sobrepor-se às temperaturas de saída, Tout, tal
como é apresentado na Figura 18.
Figura 18- Representação de três tentativas de cálculo de h para a mesma condição de processamento.
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Antes deste processo é necessário conhecer as temperaturas lidas pelos termopares incorporados no calibrador e ajustá-las através de uma equação que descreve a distribuição real de temperaturas nas fronteiras do inserto que não contacta o polímero. A Equação 2 representa de forma paramétrica a distribuição de temperaturas em cada módulo do calibrador. ( ) ( ) (2) onde, (3) e (4)
onde x e y são as coordenadas dos pontos em que a temperatura foi medida (localização dos termopares) na direção de extrusão e ao longo da largura do calibrador, respetivamente, e a1, a2, a3, a4, b1, b2, b3, b4, c e d são constantes. As constantes são determinadas com o auxílio da ferramenta Solver em Excel. Este cálculo é realizado com o objetivo de ajustar o modelo de distribuição de temperaturas às medidas experimentalmente (Figura 19). As temperaturas calculadas com os coeficientes são consideradas uma condição de fronteira e são utilizadas como um dado de entrada no programa de simulação numérica para o cálculo iterativo de h.
Figura 19- Exemplo de temperaturas medidas pelos termopares (experimentalmente) numa determinada condição de processamento e as temperaturas dadas pela respetiva equação.
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