La refrigeración en la transformación de plásticos

Las altas temperaturas de un proceso de transformación de plásticos deben controlarse, por un lado para conformar las piezas moldeadas, extruidas o sopladas, para que el material fundido solidifique y, por otro, para evitar averías mecánicas en la maquinaria, ya que el aceite de los mencionados circuitos hidráulicos debe permanecer en unos márgenes de temperatura determinados. Para ello tanto máquinas como moldes e hileras, disponen de circuitos internos para el paso de fluidos, cuya temperatura se debe controlar con precisión. Este cometido se puede realizar con diferentes tipos de máquinas, como refrigeradores de agua, termo convectores, torres evaporativas y termo reguladores.

El principal objetivo, enfriar, viene siendo efectuado en la mayoría de casos por los denominados refrigeradores a circuito cerrado. Estos equipos, que en función de las necesidades de la aplicación pueden ser de diversos tamaños, potencias y capacidades funcionan realizando un intercambio térmico indirecto entre el fluido refrigerante que llegará a la máquina (principalmente agua) y un gas que se enfría en un circuito interno. Estos equipos dotados de uno o varios compresores (según potencia requerida) hacen circular de forma continuada un gas refrigerante por un condensador, válvula de expansión y evaporador, y en el proceso de compresión y evaporación del gas que va pasando alternativamente de líquido a alta presión a gaseoso a baja presión, se genera frío, que refrigerará el agua para el proceso de refrigeración y se libera calor al ambiente. Existen refrigeradores condensados por aire, donde el condensador del gas es un radiador a través del cual unos ventiladores hacen circular aire a temperatura ambiente; o refrigeradores condensados por agua, en cuyo caso existe un intercambiador de calor que transmite este calor generado por el gas a otro fluido refrigerante (agua) que circulará a otro equipo remoto que la enfriará a temperatura ambiente. En ambos casos tenemos una máquina que proporciona agua fría para enfriar moldes, hileras o máquinas. Puede trabajar a varios grados bajo cero si se precisa, para lo cual hay que tratar el agua con glicol (anticongelante). Estos refrigeradores disponen de un panel electrónico de control, donde seleccionamos la temperatura del agua que queremos obtener. Suelen disponer de un depósito interno de acumulación, y bomba de recirculación y, en el rango de potencias consideradas pequeñas y medias (hasta 100.000 Kcal/h), son equipos monobloque, totalmente autónomos incluso algunos portátiles, con ruedas (normalmente hasta 20.000 Kcal/h.). La circulación del agua es siempre en circuito cerrado, no hay contacto con el medio ambiente ni otros fluidos.

La potencia de refrigeración de estas máquinas puede darse en k/cal/h o en kW/h, que serían los k" de frío generados cada hora. El cálculo de la potencia de refrigeración de una aplicación determinada viene determinada por el tipo de proceso a enfriar y las temperaturas de trabajo, pero se suelen emplear fórmulas simplificadas para efectuar este cálculo. Por ejemplo, en un proceso de inyección es determinante el tipo de material y su temperatura específica, y los kg por hora de este material que hay que enfriar. Se puede usar una sencilla fórmula: Q = P x K, donde P es la producción horaria y K la entalpía o Kcal/kg hora de cada material (se extrae de una tabla). Es decir, para enfriar un proceso de inyección de plástico convencional de 100 kg/h de polipropileno (entalpía = 150) tenemos: 100 x 150 = 15.000 Kcal/h. Precisamos un refrigerador que nos garantice, como mínimo 15.000 Kcal/h de capacidad frigorífica. Si para este mismo proceso de transformación por inyección queremos saber qué capacidad frigorífica adicional ha de tener nuestro refrigerador para enfriar el circuito hidráulico de la máquina o máquinas del proceso empleamos esta otra fórmula simplificada: Q = PM x 860* x K. Donde PM es la potencia en kW de los motores que mueven la bomba hidráulica, 860 son las Kcal/h necesarias por cada kW de potencia y K el factor de utilización, generalmente 0,5. Si tuviésemos en este caso 100 kW de potencia nos daría: 100 x 860 x 0,5 = 43.000 Kcal/h.

Habitualmente para los cálculos de potencia necesaria de refrigeración, los distribuidores de los equipos pueden aconsejar al utilizador final acerca de la potencia necesaria en cada caso.

Son determinantes también la temperatura ambiente de trabajo máxima del equipo refrigerador y la temperatura de trabajo del agua refrigerante, ya que cuanto más extremos sean estos valores, menor rendimiento tendrá el equipo. Por ejemplo un refrigerador cuyo fabricante determine que tiene una capacidad de refrigeración de 100.000 Kcal/h a 25 °C de temperatura ambiente y con el agua de enfriamiento a 15 °C en unas condiciones de trabajo extremas de 35 °C de temperatura ambiente y agua de enfriamiento seleccionada a 10 °C el equipo solo proporcionará 74.000 Kcal/h. Este punto se ha de tener en cuenta y verificar la capacidad frigorífica de un equipo determinada por un fabricante, a qué temperaturas de trabajo las da y a que temperaturas de trabajo reales ha de trabajar.

Otros equipos de refrigeración empleados en la industria del plástico son las torres evaporativas. No disponen de compresor ni circuito de gas y trabajan intercambiando el calor del agua de refrigeración proveniente de la aplicación con el aire a temperatura ambiente. Debido al proceso natural de evaporación de esta agua que en la torre trabaja en circuito abierto y tiene contacto directo con el medio ambiente, se pueden conseguir temperaturas del agua algunos grados por debajo de la temperatura del aire, pero en condiciones extremas, por ejemplo, con temperatura ambiente de 35 °C, el agua de refrigeración que enviemos a máquinas o moldes no bajará de 30 °C. Además, esta agua debe ser tratada ya que al haber evaporación existe riesgo de depósitos calcáreos, contaminación por legionela del medio ambiente; y en los últimos tiempos la rigidez de las normativas medioambientales, el coste del tratamiento del agua y de los análisis periódicos que deben hacerse han hecho que aparezcan en el mercado un tipo de sistema de refrigeración alternativo, los termo convectores. La torres evaporativas tienen como principal ventaja la sencillez técnica y coste asequible en comparación con los refrigeradores, y como desventajas las mencionadas anteriormente al respecto del contacto del agua con el medio ambiente y la escasa precisión en el control de la temperatura del agua de refrigeración, muy dependiente de la temperatura ambiente.

Los termo convectores vienen a ser sistemas similares a las torres evaporativas, pero a diferencia de estas el agua circula en un circuito cerrado, sin contacto con el medio ambiente. Estos suelen ser radiadores dotados de ventiladores y un control electrónico que variando la velocidad de estos logra una alta precisión en el control de la temperatura del agua de refrigeración. Al no haber evaporación, la temperatura de trabajo mínima se iguala a la temperatura ambiente, aunque sistemas de nebulización de agua, denominados de emergencia estival, pueden conseguir temperaturas del agua de refrigeración algo inferiores a la temperatura ambiente, si la instalación está bien hecha.

En procesos en que no solo se ha de refrigerar sino mantener una temperatura determinada que en algunos casos puede ser algo elevada, se emplean los termorreguladores. Estos equipos disponen de un depósito interno, bomba, resistencia de calentamiento, circuito de refrigeración interno directo o indirecto y pueden trabajar con aceite diatérmico como fluido de termorregulación para altas temperaturas o en la mayoría de los casos con agua, pudiendo llegar a los 95 °C o hasta 160 °C si el agua está presurizada. Como en el caso de todos los equipos anteriormente mencionados existen de diversa capacidad y potencia, según la aplicación y permiten, por ejemplo, calentar de forma rápida un molde para iniciar un proceso de moldeo rápidamente, y una vez estabilizada la temperatura de trabajo, mediante el calentamiento del líquido termorregulador o su enfriamiento, mantener esa temperatura de forma constante.

Otros equipos aparecidos recientemente en el mercado son equipos combinados de refrigeración/atemperación portátiles o de gran potencia, capaces de entregar agua caliente por un lado y agua fría por otro, o agua a dos temperaturas diferentes, en aplicaciones especiales.