Estudo numérico do arrefecimento de um molde no processo de moldação de embalagens de vidro

Abstract

A simulação numérica assume atualmente uma importância significativa nas áreas de projeto, investigação e desenvolvimento na medida em que os modelos computacionais permitem o estudo de modo versátil e detalhado de fenómenos físicos que, de outro modo, são por vezes de difíceis observação e análise. A sua utilização nas indústrias de processo, áreas cuja evolução está inevitavelmente dependente da experimentação e do conhecimento empírico, é hoje uma realidade. Deste modo, a indústria de produção de vidro de embalagem tem vindo a utilizar ferramentas de simulação computacional para otimizar alguns dos processos que mais influem no rendimento produtivo, nomeadamente, na modelação numérica dos fornos de fusão e da etapa de moldação. Porém, estes estudos de mecânica de fluidos computacional são ainda escassos e geralmente efetuados por empresas externas ligadas às áreas de projeto. Contrariando essa tendência, no presente trabalho recorre-se ao software Ansys® CFX para estudar numericamente o comportamento térmico de um molde de acabamento na fase de arrefecimento do processo cíclico de moldação de uma embalagem de vidro, uma garrafa de litro de cerveja. Com esse propósito, foram comparados moldes iguais de materiais diferentes: ferro fundido e bronze-alumínio. Verificou-se que o bronze-alumínio permite uma extração de calor mais eficaz durante o período de contacto entre o vidro e o molde, conduzindo a durações de moldação inferiores e aumentos de cadências de produção. Por interpretação das gamas de temperatura da moldação, foi elaborada uma análise aos pontos sensíveis à ocorrência de defeitos na garrafa moldada. Por fim, verificou-se que os regimes de escoamento do ar nos canais de arrefecimento são bastante expressivos, com elevados números de Reynolds e coeficientes de transmissão de calor. O estudo permitiu também a identificação de alguns aspetos de possível melhoria no projeto do molde.

Numerical simulation currently assumes a significant importance in the areas of design, research and development, allowing, in many cases, the obtention of results at a lower cost than through the more classic experimental approach. Its use in process industries, areas whose evolution is inevitably dependent on experimentation and empirical knowledge, is now a reality. Thus, the packaging glass manufacturing industry has been using computer simulation tools to optimize some of the processes that most influence the productive yield, namely, in the numerical modeling of the melting furnaces and the molding stage. However, studies with computational fluid dynamics are still scarce, usually carried out by external companies of the design areas. The present work uses Ansys® CFX software for a numerical study of the heat transfer processes taking place in the molding of glass bottles. For this study, two molding materials were considered: cast iron and aluminum-bronze. It has been found that aluminum-bronze allows more efficient heat extraction during the contact time between the glass and the mold, leading to lower molding times and increases in production rates. Potential locations for the occurrence of defects in the molded bottle were anticipated through the analysis of the temperature fields. Finally, it has been found that the air flow in the cooling channels are characterized by high heat transfer rates, at large Reynolds numbers. The study also allowed the identification of some points for improvement in the mold design.