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2- Acionamento de Aquecimento para Termofusão de Polímeros

O termo “Termofusão de Polímeros” é fortemente vinculado aos processos de soldagem de termoplásticos, tais como a união entre tubo e conexão plásticos, que se consegue através de fusão molecular, executada com um termofusor a uma temperatura média de 260°C. Todavia, no contexto desta dissertação, “termofusão” refere-se ao processo de “derretimento por ação de calor” de substâncias poliméricas que são usados como elementos adesivos em processos de “colagem a quente” de substratos (Adesivos Hot Melt), tais como: caixas e cartuchos em papelão ou papel cartonado para embalagens e em estabilização de paletes.

Tais processos são realizados por dispositivos denominados “Coleiros” e envolvem, além do derretimento, também a aplicação do adesivo sobre os substratos que, conforme a necessidade da aplicação, poderá ser “pulverizado” ou “filetado” sobre a superfície do substrato. O processo de derretimento e de aplicação é realizado sobre temperatura controlada, realizando medições de temperatura em múltiplos pontos de interesse, formando laços de regulação em malha fechada. Aquecer e medir a temperatura de aquecimento, corretamente é muito importante nestas aplicações. Muitas propriedades físicas dos materiais dependem da sua temperatura precisa. Por exemplo, a fase do material, se ele é sólido, líquido ou gasoso, tem relação com sua temperatura. Outras propriedades como a densidade, a solubilidade, a pressão de vapor, a condutividade elétrica, entre várias, dependem da temperatura.

Esta dissertação tem o objetivo de discorrer, apenas, sobre “como aquecer” os polímeros adesivos Hot Melt, e outras dissertações correlatas explicarão o sistema de controle desse processo.

André Luis Lenz [email protected] 1

1. Exemplo de uma Aplicação Prática Utilizando SSRs de Potência:


O diagrama elétrico apresentado na página anterior, representa um exemplo de aplicação prática com a utilização de SSRs de potência. Nele, um conjunto de cinco peças de SSR de potência são empregados para o acionamento de cinco conjuntos resistências elétricas em um sistema de aquecimento com controle de temperatura.

Neste sistema, a temperatura atual é monitorada em seis diferentes zonas de controle do aquipamento, por onde circulará um fluido que deverá ser aquecido ao derretimento e movimentado sob temperatura controlada. No caso deste exemplo, o fluído trata-se de um adesivo termofundível do tipo hot-melt. As zonas de controle de temperatura do equipamento serão as seguintes:

1. O Coleiro: que é o recipiente metálico (cuba), aonde os blocos ou de fragmentos de adesivo seco serão aquecidos até atingir um ponto adequado de derretimento;

2. A bomba: instalada na parte inferior da cuba, ela produz a pressão que suga o adesivo, já derretido, para fora da cuba, impelindo-o a circular, através de duas mangueiras termoelétricas, em direção aos respectivos bicos aplicadores do adesivo.;

3. A Mangueira 1: que serve de meio condutor do fluxo do adesivo, derretido e pressurizado, desde o duto de saída da Bomba, mantendo-o adequadamente aquecido, ao longo de todo o percurso, até que ele alcance o Bico Aplicador 1, instalado na extremidade vazante;

4. O Bico Aplicador 1: Que acondiciona, aquecendo, dando forma, controlando a vazão de saída do fluxo do adesivo, formando o filete de adesivo a ser aplicado no substrato, que tem comprimento variável controlado, definido pelo operador. O corte preciso do filete da aplicação e feito por meio de uma válvula solenoide de alto desempenho;

5. A Mangueira 2: atua de modo semelhante a Mangueira 1;

6. O Bico Aplicador: atua de modo semelhante ao Bico Aplicador 1. As figuras a seguir ilustram o exemplo:


Os plásticos, mesmo os termoplásticos, não são bons condutores de calor, de modo que o aquecimento ocorre muito mais por radiação do que por condução. Dai a necessidade da uma boa distribuição das fontes térmicas (as resistências de aquecimento) ao longo de todo o percurso de transporte (pelas mangueiras) e em outros pontos diferentes (como no bloco dos bicos aplicadores), por onde o fluído do Hot Melt circulará e poderá ficar estanque, solidificando-se, depois que o equipamento é desligado.

2. Propriedades Térmicas de Polímeros Fundidos:

A natureza da estrutura molecular dos plásticos torna as propriedades desses materiais fortemente dependentes da temperatura. A condutividade térmica, difusividade térmica e o calor específico, conhecidos como propriedades térmicas, são as três propriedades físicas mais importantes de um material em cálculos de transferência de calor.

Valores confiáveis dessas propriedades são essenciais em polímeros, tanto em problemas envolvendo estado estacionário como em estado não estacionário de troca de calor. Hoje, várias técnicas diferentes para a determinação da condutividade térmica e difusividade térmica podem ser encontradas na literatura. A técnica de fio quente paralelo é empregada na determinação experimental das propriedades térmicas de polímeros. O método termoanalítico mais importante para polímeros é o DSC - Differential Scanning Calorimeter ou Calorimetria Exploratória Diferencial, para investigar efeitos térmicos e amplitudes derivacionais, como propriedades de fusão, cristalização, cross-linking, transição vítrea, calor específico e oxidação.

Do ponto de vista do projeto elétrico de um coleiro, conhecer o calor especifico do polímero é fundamental para o adequado dimensionamento da potência elétrica necessária para elevar a temperatura de um volume máximo de abastecimento da cuba do coleiro com o material termofundível, em um determinado intervalo de tempo aceitável. A demanda de potência elétrica, por sua vez, incidirá na definição do tipo de rede elétrica a ser usada, se 220V monofásica, ou 220V trifásica ou 380V trifásica, e também o valor nominal da resistência ôhmica da resistência de aquecimento a ser empregada, bem como o seu porte (potência nominal máxima).

O calor específico de polímeros amorfos aumenta linearmente com a temperatura abaixo e acima da temperatura de transição vítrea (Tg), sendo que ao redor dessa temperatura ocorre uma variação brusca dessa propriedade. No caso de polímeros semicristalinos essa variação em Tg é menos pronunciada, ocorrendo, entretanto, um máximo distinto no ponto de fusão cristalino. Para uma estrutura cristalina perfeitamente uniforme o calor específico é teoricamente infinito no ponto de fusão. Desde que esse não é o caso de polímeros semicristalinos, esses materiais exibem no ponto de fusão um pico com uma certa largura. Quanto mais estreito for o pico mais uniforme é a morfologia cristalina. Acima do ponto de fusão o calor específico aumenta suavemente com a temperatura.

A Capacidade Térmica de uma substância é a quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo para que sua temperatura se altere de 1ºC. A capacidade térmica de uma substância depende tanto da natureza quanto da quantidade da substância. A capacidade térmica caracteriza o corpo, e não a substância que o constitui. Dois corpos de massas e de substâncias diferentes podem possuir a mesma capacidade térmica. Dois corpos de massas diferentes e de mesma substância possuem capacidades térmicas diferentes.

Já o Calor Específico depende apenas da natureza da substância (não depende da quantidade), não obstante, com a evolução das técnicas de medida, verificou-se que o calor


específico não era constante com a temperatura, de modo que o próprio calor específico pode também variar (e normalmente varia), com a variação da temperatura. O gráfico a seguir apresenta o comportamento do calor especifico de um polímero adesivo hotmelt típico, versus variação de temperatura, confrontado com a potência média necessária para o aquecimento.

A Capacidade Térmica é definida pela equação:

onde: C: Capacidade Térmica do corpo;Q: quantidade de calor trocada pelo corpo (em Joule);∆T: variação de temperatura do corpo (em ºK).

A unidade de Capacidade Térmica no S.I. é o J/ºK (joule por grau kelvin). Em calorimetria, quando se fala de Quantidade de Calor, está se falando, de fato, em energia (energia térmica).

Por sua vez. a relação entre a Capacidade Térmica e o Calor Específico é dado pela equação:

onde: cp: calor específico de um dado material (em J/(ºK.kg))C: capacidade térmica da amostra deste material (em J/ºK);m: massa da amostra deste material (em Kg)

A Potência Elétrica Média demandada para um determinado aquecimento pode ser calculada a partir do calor específico, então, o ideal, é tentar se obter-se dos fabricantes de adesivo Hot Melt um gráfico que apresente o comportamento do calor específico do polímero termofundível em função da temperatura, que cubra um largo espectro de temperatura, todavia essa informação tem se verificado bastante difícil de ser disponibilizada.

A difusividade térmica é importante em problemas envolvendo estado não-estacionário, o que ocorre durante o aquecimento e resfriamento de um polímero. Em processamento é uma propriedade fundamental, no processo de moldagem por injeção, para a determinação do tempo de ciclo de moldagem. Na análise da maioria dos problemas de extrusão ela é considerada constante, embora na realidade ela dependa da pressão, temperatura e orientação.

No entanto, o mais comum é os fabricantes de materiais adesivos Hot Melt fornecerem apenas o valor do condutividade térmica, nos datasheets de seus produtos. Essas quatro propriedades estão relacionadas entre si pela equação:

α=k

ρ⋅c p

onde: α = difusividade térmica (m2/s), κ = condutividade térmica (W/m.ºK), ρ = densidade volumétrica ou massa específica (kg/m3), cp = calor específico a pressão constante (J / Kg.ºK).


C=Q∆T

Uma técnicas para a determinação da condutividade da difusividade térmica de polímeros é por um ensaio realizado com o auxilio de um equipamento de análise térmica (DSC) na qual amostra e referência ficam submetidas a um calorímetro diferencial, que realiza uma medida exata do calor de transição entre esses materiais, independente do calor específico, e outras variáveis da amostra. Utilizando o valor da propriedade térmica do calor específico do polímero, podemos calcular a potência elétrica média, demandada para um aquecimento, partir da seguinte expressão prática:

P=m⋅cP⋅(T 2+T1)

860⋅honde: P = Potência (KW);

m = Massa da substância a ser aquecida (Kg);cP = Calor específico da substância (Kcal/Kg.ºC)T2 = Temperatura final (ºC);T1 = Temperatura inicial (ºC);h = Tempo desejado para o aquecimento (h);860 = Constante para ajuste das unidades de medida.

Note, ainda, que no contexto da termodinâmica e da calorimetria existe uma grande diversidade de unidades de medida em uso, o que pode tornar o tal calculo acima bastante trabalhoso.

3. Elementos Aquecedores (Resistências Elétricas de Aquecimento):

A temperatura inicial (T1) depende da temperatura do ambiente e pode mesmo ser considerada como a própria temperatura do ambiente. A maioria das tabelas de quantidades termodinâmicas são compilados em temperaturas específicas, mais comumente a 298,15 ºK (exatamente 25 °C). Estritamente falando, a grandeza “temperatura” não é parte da definição de um estado padrão, deste modo, se o equipamento for destinado a funcionar em regiões muito frias, por exemplo, no Alasca, é bastante recomendável se considerar uma temperatura inicial bem inferior, talvez, 273.15 ºK (exatamente 0 °C).

Para qualquer uma das zonas de controle do equipamento, a temperatura final (T2) é uma temperatura qualquer que permita a operação de bombeamento e / ou de aplicação do material do adesivo Hot Melt. Podemos situar está temperatura dentro da faixa compreendida entre o ponto abaixo, a uma certa margem segura (5% inferior), da temperatura de ponto de fulgor (flash point) declarada pelo fabricante do material do adesivo Hot Melt e o ponto acima, a temperatura do ponto de amolecimento.

No caso do produto adesivo Hot Melt usado como exemplo, temos:

• Temperatura de amolecimento = 152°Climite operacional inferior = 152ºC

• Temperatura de fulgor = 238°Climite operacional superior = 238 – 5% = 226°C

• Faixa de Operação: 152ºC ~ 226°C

Todas as zonas de controle do equipamento deverão ter suas temperaturas de referência definidas com valores dentro da faixa de operação.

Como exemplo, podemos utilizar para o cálculo da potência, a condição em que o bombeamento só poderá ser habilitado após o aquecimento ter sido ligado e a temperatura do adesivo, na zona da bomba, ter atingido o limiar operacional mínimo (T2 = 152ºC). Consideraremos


que, ao dar a partida no aquecimento, o sistema se encontre com sua temperatura inicial estabilizada, condicionada ao ambiente (T1= 25ºC).

∆T=T1T 2=15225=127ºC

O tempo desejado de aquecimento (h), pode ter uma definição determinada por exigência da necessidade de um determinado cliente ou do mercado. O tempo de aquecimento é um fator importante no diferencial do equipamento pois determina a produtividade do mesmo. Apenas para efeito de cálculos, vamos considerar um tempo de aquecimento de ½ hora (relativamente curto).

Já, por sua vez, para determinar a massa da substância a ser aquecida (m), deve ser considerada a capacidade máxima de abastecimento da cuba do coleiro (em litros), que também é determinada pela necessidade do cliente e a gravidade especifica do produto Hot Melt a ser utilizado. Como exemplo, tomemos em consideração uma cuba com capacidade de 20 litros e o produto Hot Melt com gravidade específica de 1,09.

Água destilada e seus pesos e massas específicos em diversas temperaturas:

ºC 0 1 2 3 4 5 10 15N/m3 9805,36 9805,93 9806,34 9806,57 9806,65 9806,57 9803,99 9798,08N/l 9,80536 9,80593 9,80634 9,80657 9,80665 9,80657 9,80399 9,79808

Kg/l ,99987 ,99993 ,99997 ,99999 1,00000 ,99999 ,99973 ,99913

ºC 20 25 30 35 40 45 50 60N/m3 9789,32 9777,96 9764,24 9748,38 9730,53 9711,01 9689,74 9642,27N/l 9,78932 9,77796 9,76424 9,74838 9,73053 9,71101 9,68974 9,64227

Kg/l ,99823 ,99707 ,99568 ,99406 ,99224 ,99025 ,98808 ,98324

É bom lembrarmos que o litro de referência, quando a água tem massa de exatamente 1kg, refere-se ao líquido a uma temperatura próxima a 4ºC. Depois aquecida para 25 ºC, há uma pequena expansão, o que a torna menos densa do que na temperatura de referência. É bom lembrarmos também que a força peso que conhecemos depende da massa do corpo, mas não é equivalente a ela conceitualmente, de modo que o peso é dado pela massa multiplicada pela aceleração da gravidade local (que varia de 9,789 m/s² no equador, até 9,823 m/s² nos pólos), sendo amplamente adotado o valor 9,80665 m/s².

Assim, a massa total, contida numa cuba com capacidade volumétrica de 20 litros, abastecida com o Hot Melt do exemplo (c/ gravidade específica de 1,09), para a condição de temperatura de 25ºC, será de:

m=0,99707⋅20⋅1,09=21,736Kg

O calor especifico do produto Hot Melt em questão (obtido por cálculos a partir dos dados do fabricante) é: cP = 0,56297 Kcal/Kg.ºC = 0,56297 Kcal/Kg.ºK = 2357,04 J / Kg.ºK

Uma calculadora conversora de unidade de medida de grandezas de calorimetria on-line, está disponível em: http://www.phe.com.br/conversao_calor_especifico.htm

Deste modo, o valor Potência de Aquecimento necessária será:

P=21,736⋅0,56297⋅(127)

860⋅0,5=3,614KW


Lembramos ainda que:

• Em se tratando de mudança de estado, deve ser levado em consideração, também, o calor latente da quantidade do produto abastecido, que sendo de valor razoável, deverá ser adicionado a P;

• 1 kcal é a energia necessária para elevar 1 kg de água, de 14,5ºC para 15,5ºC, sob condição natural de pressão.

• 1Kcal = 4186 Joules• 1 kW.h = 3600 Joules• 1kW.h = 0,860 kcal = 860 cal• Se a solução for aquecida em tanques abertos, adicionar ao resultado obtido, o valor

extrapolado do gráfico de perdas para superfícies livres.• Deverá ser dado ainda um acréscimo de 5 a 30% sobre o resultado obtido, para compensar

as perdas térmicas, dependendo sempre de como será feita a isolação térmica do aparelho ou recipiente.

Um equipamento mecanicamente bem constituído apresentará baixa perda, estimativa em torno de até 5% é factível, hoje em dia. Deste modo, acrescentamos mais potência necessária:

P=3,614⋅1,05=3794,7=3,8KW=3800W

As resistências de aquecimento convertem energia elétrica em calor por meio do processo de aquecimento denominado efeito Joule, descoberto por James Prescott Joule em 1841; ao fazer circular uma corrente elétrica por um condutor observou que se libertava calor devido à resistência oferecida pelo condutor.

Atualmente as resistências de aquecimento são utilizadas para uma infinidade de aplicações. A grande maioria delas é fabricada com um fio de uma liga de níquel (80%) e crómio (20%). Esta liga suporta temperaturas muito altas (até 1000ºC), é resistivo (condição necessária para produzir calor), é muito resistente aos impactos e é inoxidável.

3.1 Resistências tipo Cartucho (Alta e Baixa Densidade):

São uma solução para aplicação em média e alta temperatura: as Resistências tipo Cartucho. Construídas em espirais liga NiCr 80/20 compactada em óxidos de magnésio e em cerâmica técnica, as Resistências tipo Cartucho estão disponíveis em dois modelos: Alta Carga: para alta temperatura ou peças sujeitas à vibração. Média Carga: para média temperatura com menor grau de vibração.

Aplicações: Estas resistências provêm aquecimento localizado para coleiros Hot Melt e outros equipamentos tais como:

• Moldes;• Estampos quentes;• Extrusora de plástico;• Injetoras plásticas;• Aquecedores de cera;• Seladora etiquetadoras;• Equipamentos médicos.


Dados Técnicos:

• Diâmetros: 6,00mm a 19,05mm;

• Comprimento: 30mm a 1500mm;

• Capa: aço AISI 304;• Cabo de ligação: silicone,

fibra de vidro, cordoalha, aço, malha de blindagem, teflon, etc;

• Temperatura de trabalho máxima: 700ºC;

• Os tubos de suporte produzidos em cerâmica técnica são fabricados com matérias-primas de alta pureza (geralmente alumina, com baixo teores de ferro e óxidos), de alta refratareidade e boa resistência ao choque térmico.

3.1.1 Dimensionamento de resistências de cartucho:

Algumas regras para o bom funcionamento da resistências cartucho:

• Escolher o numero de cartuchos a colocar para obter uma boa distribuição de calor (Notadamente, no caso de um Coleiro, para uma melhor distribuição da energia térmica, ao invés de uma única resistência, temos um conjunto de resistências associadas (no caso do exemplo, elas estarão associadas em paralelo), que se encontram alojadas, estrategicamente, distribuídas no corpo do recipiente metálico (cuba) do coleiro);

• Procurar escolher cartuchos de 8 a 11 w/cm2 (comum) ou de 12 a 19 w/cm2 (alta densidade ou alta carga) e alojá-los em furos com tolerância H7 sem rachaduras;

• Utilizar cartuchos diâmetro 3/8 `` ou 10 mm traz melhor custo beneficio;

• E conveniente que o furo de alojamento tenha entrada e saída,utilizar lubrificante ajuda montagem e melhora a condutividade térmica;

• Não deixar os cabos dentro do alojamento nem da zona calefatora pois pode ocorrer o caso em que as conexões se fundam;

• Proteger o extremo não soldado e as conexões contra líquidos, umidade e partículas metálicas, plásticos, etc;

• Proteger os cabos contra vibrações e atrito;

• A separação mínima entre cartuchos e de dois diâmetros.

Para serem fabricadas as resistências precisam ser definidas com as seguintes especificações:

Mecânicas: Elétricas:Diâmetro (mm) Potência (watts)Comprimento (mm) Tensão (volts)Comprimento de conexões (mm) Resistência ôhmica (ohms)


Para se determinar Diâmetro e Comprimento, deve-se ter em mente o valor total da Potência Elétrica demandada pelo aquecimento, acrescentar a este valor um fator de segurança adequado, dividir o resultado por um valor inteiro, que será a quantidade de resistências associadas utilizadas no arranjo de geração térmica bem distribuída. Tomemos, por exemplo, a potência necessária para aquecer o coleiro, que é de 3,8KW: acrescentando um fator de segurança de 10% chegamos a 4,2KW (4200W). Se usarmos distribuir a fonte térmica em oito elementos (oito resistências) iguais, chegamos ao valor de 525W por resistência.

Pela Tabela apresentada a0 lado (que são as algumas opções padronizadas oferecidas por um determinado fabricante de resistências), podemos verificar que o valor de Potencia Nominal mais aproximado (sempre à maior, nunca à menor) é o de 550W, que apresentam as dimensões de ½' de diâmetro e 310mm de comprimento. Fica definido, ainda, que esta resistência deverá ser alimentada por uma rede de 220-240VCA. Caso o fabricante ofereça o produto em diâmetros ainda maiores, o comprimento da resistência tenderá a cair e pode aparecer a possibilidade de se alimentar a resistência com rede de 127 VCA, todavia, tal opção, apresenta características que, muito provavelmente resultarão em uma solução de pior relação custo/benefício.

Podemos também optar por distribuir a Potência não em oito, mas, por exemplo, em dez elementos (dez resistências). Ai, pelo mesmo caminho de seleção, chegamos à resistências com Potência Nominal de 475W, as quais têm diâmetro também de ½', porém com comprimento menor, de apenas 250mm. Os custos orçados, a viabilidade técnica mecânica de alojamento das resistências, bem como, e principalmente, a necessidade de distribuição do calor[, devem ser analisadas para se tomar a decisão.

Para determinar o valor da resistência ôhmica, é preciso lembrar que, 550W é a Potência Nominal de cada resistência (que foram selecionadas a maior e com fator de segurança prévio), ou seja a potência máxima que as resistências suportarão trabalhar. Mas é a Potência máxima necessária para o aquecimento (3800W) é que efetivamente se distribuirá pela oito resistências quando em funcionamento.

O valor da resistência ôhmica pode ser calculado pela fórmula: R=V2

P

Se escolhemos trabalhar com oito resistências:3800/8=475W → R1=2202

475=102Ω

Se escolhemos trabalhar com dez resistências: 3800/10=380W → R2=2202

380=127Ω

O próximo passo, é a determinação da corrente efetiva: i=√ PR

Se escolhemos trabalhar com oito resistências: i1=√ 475102

=2,16A

Se escolhemos trabalhar com dez resistências: i 2=√ 380127

=1,73A

Com o valor da corrente calculado, entramos na tabela abaixo (que é elaborada apenas para


dimensionamento de resistências com ½' de diâmetro) e escolhemos, na coluna correspondente a 200ºC, a linha que apresenta o valor (a maior) mais próximo do valor da corrente:

Para a primeira opção, o fio escolhido é o AWG 22 (0,64mm2), que apresenta a característica 3,5 Ω/m. Já, para a segunda opção o fio é o AWG 24 (0,509m2), com 5,5 Ω/m. Podemos, agora, calcular agora o comprimento (L) total do fio de níquel-cromo necessário:

L1=R1

(Ohms/m)=

1023,5

=29,14m L2=R2

(Ohms/m)=127

5,5=23,09m

Tabela p/ dimensionamento do resistor de fio NiCr 80/20 c/ Ø = ½' como elemento de aquecimento:

Características: Ampéres:

AWG:Diâmetro em mm:

Secção mm²

Gramas por m:

Ohms por m:

200°C 400°C

0 8,245 53,4 422,4 0,02148 115,2 182,41 7,338 42,3 332,8 0,02734 99,2 153,62 6,54 33,6 268,8 0,03375 81,6 1283 5,819 26,6 211,2 0,04296 68,8 108,84 5,195 21,2 166,4 0,0546 57,6 91,25 4,624 16,8 134,4 0,0675 49,6 76,86 4,115 13,3 105,6 0,0859 40,8 647 3,656 10,5 83,2 0,10937 34,4 54,48 3,26 8,35 67,2 0,135 28,8 45,69 2,909 6,65 52,8 0,17187 24,8 38,410 2,59 5,27 41,6 0,21875 20,4 3211 2,298 4,15 33,6 0,27 17,2 27,212 2,049 3,3 26,4 0,34375 14,4 22,813 1,829 2,63 20,8 0,4375 12,4 19,214 1,631 2,09 16,8 0,54 10,2 1615 1,449 1,65 13,2 0,6875 8,6 13,616 1,286 1,3 10,4 0,875 7,2 11,417 1,15 1,04 8,4 1,08 6,2 9,618 1,02 0,818 6,6 1,375 5,1 819 0,909 0,65 5,2 1,75 4,3 6,820 0,809 0,515 4,2 2,16 3,6 5,721 0,719 0,407 3,3 2,75 3,1 4,822 0,64 0,322 2,6 3,5 2,55 423 0,569 0,255 2,1 4,325 2,15 3,424 0,509 0,204 1,65 5,5 1,8 2,8525 0,449 0,159 1,3 7 1,55 2,426 0,4 0,126 1,05 8,65 1,275 227 0,36 0,102 0,825 11 1,075 1,728 0,32 0,0805 0,65 14 0,9 1,42529 0,289 0,066 0,525 17,3 0,775 1,230 0,25 0,0491 0,4125 22,1 0,637 131 0,229 0,0415 0,325 28 0,537 0,85


32 0,199 0,0314 0,2625 34,6 0,45 0,71233 0,179 0,0254 0,2062 44,2 0,387 0,634 0,159 0,0201 0,1625 56 0,318 0,535 0,14 0,0154 0,13125 69,2 0,268 0,42536 0,129 0,0132 0,10312 88,4 0,225 0,35637 0,11 0,00951 0,08125 112 0,193 0,338 0,0999 0,00785 0,06562 138,4 0,159 0,2539 0,0899 0,00636 0,05156 176,8 0,134 0,21240 0,0799 0,00502 0,04062 224 0,112 0,18

Note que, o diâmetro do tubo de cerâmica técnica, que serve de suporte, sobre o qual o fio da resistência é enrolado, possui um diâmetro ligeiramente menor do que aquele que a resistência possuirá depois que receber a blindagem.

Como vimos, para o dimensionamento das resistências, foi necessária a definição de um tempo total ideal, para o aquecimento de uma determinada zona máquina (no caso o coleiro), partindo de uma temperatura ambiente mínima, até a estabilização da temperatura final. Para se definir este tempo, deve ser considerado, também, uma boa coordenação entre os tempos de estabilização da temperatura de aquecimento, nos valores ideais, das diversas zonas de controle envolvidas. Um tempo de aquecimento menor será, sempre, um diferencial desejável, que torna o equipamento mais interessante e competitivo no mercado.

Pesquisas realizadas em países onde existe uma forte interação entre as universidades e as indústrias apontam para que, em breve, as técnicas de aquecimento por indução poderão vir a ser, na prática, bastante consideradas para aplicações envolvendo processamento de Hot Melt. Pequenos aparelhos portáteis usados na aplicação de adesivo para instalação de carpetes já são uma realidade de novidade e de sucesso no mercado.

3.2 Mangueiras Térmicas (Mangueiras Termoelétricas Flexíveis):

As Mangueiras Térmicas são flexíveis e podem operar em condições de movimentos contínuos. Com um sistema de aquecimento interno espiralado ao redor do tubo (interno) em passos regulares, promovem uma homogenização da temperatura, ao longo da mangueira. Os elementos aquecedores são vulcanizados, isolados com múltiplas camadas de malha de fibra de vidro e borracha de silicone. As Mangueiras Térmicas normalmente tem garantia de um ano ou 2000 horas de trabalho.


Foram criadas para dar suporte a diversas aplicações industriais, se destacando, dentre elas, a transferência de fluidos aquecidos como: gases, óleos e principalmente adesivos e colas Hot Melt.

Aspecto Interno de uma Mangueira Termoelétrica p/

HOT MELT

Por ser uma parte do equipamento, comumente sujeita a estresses operacionais, elas podem ser fabricadas, também, como peças para reposição, podendo ser compatíveis com coleiros equipamentos nacionais e importados, tais como: Nordson®, ITW®, Slautterback®, Robatech®, Meltex®, Mactron®, Jemak® Priscel® e outros.

Sistema de Isolação Térmica e Proteção dos Componentes:

Trama externa em aço inoxidável 18/8-AISI 304, assegura a proteção e resistência às pressões de trabalho, protegendo toda a mangueira contra abrasão. Terminais em nylon resistentes a quedas e temperatura de trabalho. Isolação interna resistente quimicamente, antichama e à umidade, mantendo a flexibilidade geral da mangueira.

Isenção de substância à base de cloro nas fibras isolantes. Saída de terminais com cordoalha metálica ou em tubo termo retrátil. Em casos especiais poderão ter proteção extra contra jato d’água grau IP-56.

Medidas de Temperatura/Aquisição de Dados:

Mais comumente são utilizados sensores PT 100, ou então NI 120 ou ainda “J” fabricados com as normas de qualidade seguindo a norma IEC 751. São alojados disponíveis em pontos pré-determinados nas mangueiras (ou locais específicos, a pedido do cliente), assegurando uma melhor resposta nas leituras e proporcionando maior vida útil nos elementos internos.

Elementos Aquecedores:

São fabricados em rígidos padrões, com fio de níquel-cromo 80/20 adequado, dimensionado de acordo com a potência, em isolação e rigidez dielétrica calculados de forma que sua densidade superficial em watts reduz sua queima precoce.

Características:

• Operam em temperatura até 230ºC (450ºF);• Máxima pressão hidráulica 1550 PSI (110 kg/cm2);• Tensão de operação 200V a 240V;• Alta Flexibilidade;• Resistente à Umidade (standard ou IP-56);• Isolação isenta de produtos de cloro;• Comprimentos de 1m a 10m;• Tubo condutor interno em PTFE com diâmetro de 6mm a 22mm;


Aplicações Típicas:

• Transferência de Produtos (Hot Melt adesivos, alimentos, óleos, gordura, produtos à base de óleo, cera e água);

• Amostragem de Gases (gás chaminé, máquina de teste de emissão, processo e linha de instrumentação);

• Controle de Viscosidade (Tinta para impressora quando a melhora da fluidez for essencial).

Mercados de Atuação: Indústrias de embalagem, Moveleira, Higiênica, Calçadista, Química, Farmacêutica, Alimentícia, Gráfica, Laboratorial, Automobilística

Exemplo de aplicação – Coleiro:

4. O Controle de Temperatura:

O monitoramento da temperatura atual é feito por meio de Detectores de Temperatura Resistivos (em inglês Resistance Temperature Detectors or RTDs) do tipo Pt100. Os RTDs são, normalmente, fornecidos encapsulados em sondas para detecção e medição de temperatura e se encontram alojados estrategicamente, para medir a temperatura do adesivo em pontos que correspondem as seis zonas de controle referidas, considerando que é necessário que todo o corpo da sonda esteja com a temperatura estabilizada para a correta indicação.

Os sinais provenientes dos PT100 exigem a utilização de circuito de interface que realizem um adequado acondicionamento destes sinais. No caso do exemplo apresentado, o acondicionamento dos sinais é realizado por conjunto de seis módulos especiais, um para cada zona de controle.

Tal acondicionamento se faz necessário, pois, apesar de os PT100 estarem entre os sensores de temperatura mais precisos disponíveis, com resolução e precisão de medição de ± 0,1 °C, a variação da resistência elétrica em função da temperatura é muito pequena. Os acondicionadores de sinal compensam, também, a resistência que deriva do comprimento do cabo, que aumenta a resistência embutida no sinal tendo como efeito de resultados de leitura errôneos. Daí a necessidade tanto de amplificar o sinal da sonda sensora, como também o de compensar os efeitos do cabo, se necessário.

6. Dimensionamento do Acionamento do Aquecimento:

As resistências de aquecimento serão acionadas por dispositivos de eletrônica de potências denominados Relés de Estado Sólido (SSR).

A saída dos SSRs aplicarão os impulsos de energia às resistências elétricas que, por efeito Joule, produzirão a energia térmica que causarão aquecimento (calor), em cada uma das seis zonas de controle do equipamento.


As resistências de aquecimento são energizadas pela aplicação de uma tensão proveniente de uma rede de energia C.A. de valor de tensão nominal de 220V, com um lado conectado diretamente à uma extremidade das resistências e o outro lado conectado a saída do respectivo SSR (ver esquema elétrico apresentado no início dessa dissertação).

O controle é do tipo controle liga / desliga, aplicado aos SSRs, para se manter a temperatura atual estabilizada, num valor o mais próximo possível a um valor de temperatura ideal, que é determinado para uma determinada zona, no entanto, na fase inicial do aquecimento, a partir da temperatura ambiente, as resistências serão acionadas continuamente, por um longo tempo (½ hora neste exemplo).

De qualquer modo, o pico de potência desenvolvida será sempre nos instantes iniciais após acionado o aquecimento, e estes podem durar vários minutos e isso deve ser atentado para especificar a potência nominal dos SSRs.

SSRs subdimensionados, em termos de potência, estarão sujeitos a sofrerem estresses que poderão levar a avarias, as quais, deverão ocorrer sobretudo, nesses instantes iniciais do acionamento do aquecimento da máquina. Dai, as potências a serem consideradas devem ser aquelas que se desenvolvem sob as condições mais extremas, ou seja, considerando:

• Temperaturas operacionais de início de acionamento mínimas;• Valores de resistências ôhmica mínimas, em função de variações tolerada, inerentes

aos processos de confecção de tais resistências;• Valores da tensão da rede de alimentação C.A. máximos, em função de possíveis

variações toleradas.

Além disso, uma razoável margem de segurança extra é, ainda, recomendável, para garantir um alto tempo de vida útil dos dispositivos de eletrônica de potência envolvidos no acionamento.

O emprego de qualquer dispositivo de eletrônica de potência trazem preocupação com respeito a dissipação da energia térmica produzida no corpo do dispositivo. No caso dos SSRs envolvem questões tais como o uso ou não de dissipadores térmicos especiais, a fixação direta na placa do painel, a espessura da chapa do painel, o distanciamento entre as peças, o local de posicionamento, bem como, em certos casos, a necessidade ou não de algum tratamento da superfície do local da placa do painel onde os SSRs serão instalados. De modo geral, o uso de pasta térmica é, sempre, altamente recomendável.

O principal parâmetro a se considerar e a corrente, que pode ser determinada pelo conhecimento da Potência Efetiva Máxima (que no exemplo é de 3800W para o coleiro) e da Tensão Nominal da alimentação (no exemplo é 220VCA), como mostrado a seguir:

i= PV

=3800220

=17,3A

Referindo-se ao datasheet de exemplo, que se encontra na página 10 da literatura “Relés de Estado Solido (SSR - Solid State Relays)”, encontramos o SSR do fabricante Crydom, modelo CSW2425, que suportam correntes de até 25A (portanto com uma boa margem de segurança), como o indicado para realizar esse acionamento.


Para o acionamento das resistências de aquecimento das mangueiras, vale lembrar que a potência demandada dependerá do comprimento da mangueira e do diâmetro do tubo condutor interno. De qualquer modo, a potência demandada, costuma nunca ultrapassar a marca de 1200W. Vale lembrar ainda que são partes do equipamento que podem sofrer reposições periódicas e, em certos casos, necessitar de alterações em função de modificações de leiaute de planta.

Isso tudo faz com que seja prudente uma padronização do SSR empregado, geralmente com uma margem de segurança bem grande. Além do mais, SSRs de potência com corrente máxima inferior a 10A são pouco comuns e costumam não ser muito interessantes na relação custo benefício. Se padronizarmos o SSR para acionamento do aquecimento de mangueiras para 10A, já estaremos economizando cerca de US$10 por peça, em relação ao SSRr de 25A (usado para acionar o aquecimento do coleiro) e estaremos garantindo versatilidade com total segurança.

Podemos adotar também, o mesmo modelo de SSR (10A), para acionamento do aquecimento dos blocos dos bicos aplicadores.

7. Considerações Finais e Agradecimentos:

Esta dissertação faz parte de uma série "Eletroeletrônica Industrial em Controle de Automáticos", cuja lista de temas é:

1- Relés de Estado Solido (SSR - Solid State Relays);

2-Acionamento de Aquecimento para Termofusão de Polímeros;

3- Acionamento Sincronizado de Máquinas (Coleiro + Esteira);

4- Polímeros Adesivos Termofundíveis (Hot Melt);

5- Controle de Temperatura de Aquecimento em Multizonas;

6- Comutação Rápida de Eletroválvulas em Aplicadores Hotmelt.

Portanto, o assunto aqui abordado (Acionamento de Aquecimento para Termofusão de Polímeros) prosseguirá, complementado, nas dissertação consequentes e subsequentes.

Agradecimentos especiais à empresa Priscell Ind. Com. Ltda., que me contratou como projetista e supervisor de montagens eletroeletrônicas, por um certo período nos anos de 2010/2011, me propiciando, assim, o aprimoramento do conhecimento técnico e tecnológico, essencial, que tornou esta dissertação possível.

8. Referências Bibliográficas:


Documents

2 acionamento de aquecimento para termofusão de polímerosbb