3.2. Transferul termic în extruder

Pentru a înţelege transformările pe care le suferă un material în timpul operaţiei de extrudere termoplastică trebuie înţelese fenomenele de transfer care au loc în interiorul materialului şi între material şi mantaua extruderului. În principiu, trebuie să se ţină cont de transferul de căldură convectiv între material şi şnec şi între material şi mantaua extruderului, dar şi de posibilitatea existenţei unei surse interne de căldură pozitivă sau negativă. Variaţia entalpiei materialului în timp este dată de următoarea relaţie:

(3.1)

în care: H- variaţia entalpiei materialului în timp (W), q- debit de căldură generată (W), α₁-coeficientul de transfer termic între material şi mantaua extruderului (W/m² K), A₁-aria de transfer între material şi mantaua extruderului (m²), α₂-coeficientul de transfer termic între material şi şnecul extruderului (W/m² K), A₂-aria de transfer între material şi şnecul extruderului (m²), t_M-temperatura mantalei (⁰C), t_m-temperatura materialului (⁰C), t_s-temperatura şnecului (⁰C).

În extruderea termoplastică există disipare vâscoasă care este pozitivă şi căldură de reacţie care poate fi pozitivă sau negativă în funcţie de tipul reacţiei (exotermă sau endotermă). Disiparea vâscoasă depinde de proprietăţile reologice ale materialului, exprimate, mai ales, prin vâscozitatea sa. În extruderea termoplastică apar mai rar reacţii chimice. Un exemplu este transformarea cazeinei în cazeinat care este o reacţie exotermă.

Procesele care au loc în extruder sunt influenţate de proprietăţile fizice ale materialului extrudat. Dintre acestea se pot aminti: umiditatea materialului, densitatea sa, conductivitatea termică, punctul de topire, entalpia de topire şi conductivitatea termică. Conţinutul de umiditate se exprimă în procente şi la rândul său influenţează alte proprietăţi ale materialului. Trebuie făcută distincţie între umiditatea unui material uscat şi cea a unui material umezit. Prima se referă la cantitatea intrinsecă de apă care se găseşte în material, pe când în cazul materialui umezit această mărime se referă şi la apa adăugată în material. În ceea ce priveşte căldura specifică a materialelor extrudate, aceasta variază între 1500 până la 2500 J/kg K depinzând de natura şi de starea materialului. În cazul amestecurilor de materiale trebuie să se medieze căldura specifică ţinând cont de compoziţia amestecului. Conductivitatea termică a materialelor alimentare extrudate variază între 0.1 şi 0.5 W/m K. O menţiune specială se referă la proprietăţile reologice ale materialului. În acest caz este necesar să se cunoască vâscozitatea acestuia şi tipul de comportare reologică, deoarece aceste proprietăţi determină disiparea vâscoasă generată de eforturile de forfecare (Guy, 2000).

Valorile coeficientului de transfer termic între material şi manta variază de la 300 până la 500 W/m² K în funcţie de tipul extruderului şi de proprietăţile materialului. Studiile realizate arată că transferul este mai bun când materialul este topit şi când se utilizează extrudere cu două şnecuri. Există şi relaţii criteriale care permit calcul acestor coeficienţi, cum ar fi relaţia lui Todd (1988), relaţie valabilă pentru material topit şi extruder cu două şnecuri:

(3.2)

în care D_ext- diametrul extern al şnecului (m), N-viteza de rotaţie a şnecului (rpm), celelalte constante fizice se referă la material: ρ-densitatea materialui (kg/m³), η-vâscozitate (kg/m s), λ-conductivitate termică (W/m K), η_p-vâscozitatea materialui la temperatura peretelui (kg/m s), c_p-căldura specifică (J/kg K). Nu este criteriul Nusselt care se calculează cu diametrul exterior al şnecului. O altă corelaţie valabilă în aceleaşi condiţii îi aparţine lui Skelland (1958).