Ako znížiť spotrebu energie pri vytláčaní plastov

Spotreba energie na extrúziu plastov je jednou z tých nákladov, ktoré si skutočne všimnete, až keď sa objaví účet. Ak linka beží deň čo deň, vplyv je väčší. Skutočná otázka teda nie je o tom, že niekde ušetríme pár percent; zisťuje, kam vlastne energia ide. Akonáhle je tento obrázok na mieste, spôsoby, ako znížiť spotrebu energie extrudéra, začnú byť špecifické a uskutočniteľné.

V typickom závitovkovom extrudéri ide asi 60 – 70 % energie do motora a hnacieho systému, 20 – 30 % na ohrev valca (veľa riadkov to odhaduje ručne) a zvyšok na chladenie, pomocné zariadenia a stratu (obr. . 1). Tieto čísla sú užitočné ako hrubý východiskový bod - a nepochybne sa líšia od riadku k riadku - ale nie sú to pravidlá. Dokonca aj v rámci toho istého vedenia sa relatívne podiely budú posúvať v závislosti od konštrukcie skrutky, materiálu, priepustnosti, nastavených hodnôt teploty a spôsobu prevádzky linky.

Motor je niekedy popisovaný ako jednoduché otáčanie skrutky. Tomuto popisu chýba väčšina práce. V skutočnosti musí pohon dopravovať tuhé látky cez valec, zmäkčiť ich a roztaviť, premiešať taveninu, vytvoriť tlak a prekonať šmykový odpor. Vo všetkých týchto krokoch sa spotrebuje energia. Časť z nich sa stáva užitočnou tavením a miešaním; časť sa stáva teplom, ktoré sa musí odstrániť chladením. Účinnosť motora a správanie procesu teda nemožno hodnotiť oddelene.

Staršie stroje môžu stále používať jednosmerné motory alebo štandardné striedavé motory s elektromagnetickým ovládaním rýchlosti (ktoré môžu fungovať, ale sú často menej efektívne ako modernejšie pohony). Pohon s premenlivou frekvenciou je teraz bežným základom – umožňuje vám spustiť skrutku správnou rýchlosťou pre zaťaženie, namiesto toho, aby ste ju spúšťali pevnou vysokou rýchlosťou a škrtili inde. Praktická výhoda však presahuje elektrinu: lepšia regulácia otáčok zlepšuje stabilitu procesu a znižuje zbytočnú mechanickú energiu.

Menič s premenlivou frekvenciou je teraz bežným základom. Umožňuje rýchlosť skrutky, aby zodpovedala skutočnému zaťaženiu, namiesto toho, aby bežala pri pevnej vysokej rýchlosti a škrtila inde. Praktický prínos nie je len elektrický. Lepšia regulácia rýchlosti môže tiež zlepšiť stabilitu procesu a znížiť zbytočnú mechanickú energiu.

Ďalšou možnosťou sú synchrónne motory s permanentným magnetom. PMSM môže byť efektívnejší ako štandardný trojfázový indukčný motor a rozdiel je často výraznejší pri nízkej rýchlosti a nízkej záťaži. Presné zosilnenie závisí od veľkosti motora, profilu zaťaženia, spôsobu riadenia a zvyšku hnacieho ústrojenstva. V praxi je dobre zosúladený motor a pohon cennejší ako väčší motor, ktorý beží hlboko pod svojim účinným rozsahom. Vyšší inštalovaný výkon automaticky neznamená lepší výkon. Môže to znamenať vyššie straty naprázdno, nižší účinník a viac energie spotrebovanej na kilogram produktu.

Ohrev sudov je druhou hlavnou záťažou. Bežné sú bežné vyhrievacie pásy z liateho hliníka, ale nie sú obzvlášť účinné. Značná časť tepla sa môže stratiť do okolitého vzduchu. V teplej dielni táto strata tiež zvyšuje chladiace zaťaženie, čo je dvojitá penalizácia.

Izolácia pomáha. Rovnako aj alternatívne spôsoby vykurovania, ako je elektromagnetické vyhrievanie a infračervené alebo nano-infračervené vyhrievacie cievky. Tieto návrhy sú často propagované pre vyššiu tepelnú účinnosť, rýchlejšiu odozvu a nižšiu povrchovú teplotu. V niektorých porovnávaniach zariadení sa uvádza, že prechod z neizolovaných pásov z liateho hliníka na izolované vysokoúčinné ohrievače znižuje vykurovaciu energiu približne o 30 – 50 %. Tento údaj by sa mal považovať za orientačný príklad, nie za zaručený výsledok. Skutočné úspory závisia od konštrukcie valca, nastavených hodnôt teploty, izolačných podmienok, okolitých podmienok a samotného procesu.

Efektívnosť vykurovania je tiež otázkou procesu. Ak je zóna neustále ochladzovaná, zatiaľ čo ohrievač stále pridáva energiu, problémom nemusí byť samotný ohrievač. Môže to byť nadmerný strih v tejto zóne, zlá regulácia teploty alebo konštrukcia skrutky, ktorá vytvára viac tepla, ako proces potrebuje. Výmena ohrievačov bez riešenia týchto podmienok môže zanechať veľkú časť potenciálnych úspor na stole.

Väčšina energie, ktorá roztaví polymér, nepochádza z vyhrievacích pásov. Pochádza zo skrutky. Motor poháňa skrutku a skrutka strihá materiál. Táto mechanická energia sa premieňa na teplo. To je dôvod, prečo má konfigurácia závitovky taký priamy vplyv na spotrebu energie extrudéra.

Hnetacie bloky, ich uhol, ich dĺžka a ich poloha ovplyvňujú intenzitu strihu a dobu zotrvania. Väčší strih môže zlepšiť disperzné miešanie, ale tiež zvyšuje teplotu taveniny a môže zvýšiť zaťaženie motora. Ak zóna pravidelne vyžaduje silnú chladiacu vodu, je to znamenie, že skrutka generuje viac tepla, než môže proces spotrebovať. Motor pracuje, materiál sa zahrieva a chladiaci systém odoberá prebytočné teplo. Z energetického hľadiska je to slučka, ktorá stojí za preskúmanie.

Dizajn skrutiek by mal byť vyvážený vzhľadom na materiál, výstup, požiadavku na miešanie a konečný produkt. Nie každá aplikácia extrúzie vyžaduje maximálny šmyk. Niekedy jemnejší profil skrutky v kombinácii s vhodnými miešacími prvkami poskytuje lepší celkový výkon. Dôležitá je aj formulácia. Pridanie účinného maziva alebo iné zníženie viskozity taveniny môže znížiť prúd motora a znížiť šmykové teplo. Výsledkom je menej elektrickej energie premenenej na teplo, ktoré sa musí neskôr odvádzať.

Spotreba energie na tonu je užitočnejšie meradlo ako výkon na štítku motora. Veľký extrudér pracujúci pri nízkom výkone môže spotrebovať viac energie na kilogram ako menší stroj, ktorý pracuje blízko svojho efektívneho rozsahu. Rovnaký princíp platí v rámci jedného stroja.

Napríklad 75 mm extrudér, ktorý beží na malý zlomok svojej kapacity, bude mať zvyčajne zlý energetický profil v porovnaní s tým istým strojom, ktorý beží bližšie k určenému rozsahu výkonu. Presné čísla závisia od materiálu, skrutky, pohonu a teplotného profilu, ale smer je jasný. Využitie je dôležité. Rovnako aj spustenie, vypnutie, čistenie a zmeny materiálu. Každá minúta chodu naprázdno stále spotrebúva energiu a časté neefektívne prepínania zvyšujú celkový počet.

Riadenie výroby je teda súčasťou energetického manažmentu. Plánovanie dlhších sérií, skrátenie doby nečinnosti, prispôsobenie stroja úlohe a udržiavanie parametrov procesu v rámci efektívneho okna môže byť rovnako dôležité ako akákoľvek zmena hardvéru.

Efektívne zníženie energie pri vytláčaní plastov je zriedkavo jednozložkové riešenie. Zvyčajne pochádza z kombinácie výberu motora a pohonu, účinnosti ohrevu suda, konfigurácie závitovky, formulácie materiálu, parametrov procesu, priepustnosti a riadenia výroby. Zlepšenie jednej oblasti a ignorovanie ostatných môže problém skôr posunúť ako vyriešiť. Napríklad vysoko účinný motor nemusí priniesť očakávané úspory, ak skrutka generuje nadmerné strihy a chladiaci systém tvrdo pracuje na jej odstránení. Lepší vykurovací systém nemusí veľmi pomôcť, ak je regulácia teploty nestabilná alebo je hlaveň zle izolovaná.

Pre výrobcov vytláčacích zariadení energetická účinnosť úzko súvisí s konštrukciou stroja, konfiguráciou skrutiek, výberom pohonu a riadením procesu. JWELL vyvíja extrúzne zariadenia pre rôzne materiály a aplikácie s konfiguráciou systému prispôsobenou špecifickým požiadavkám výroby. Praktický prístup spočíva v zhodnotení celej linky: čo potrebuje materiál, čo vyžaduje výrobok a ako sa stroj skutočne prevádzkuje. To zvyčajne vedie k trvalejším úsporám ako honba za jediným tvrdením o účinnosti.

Otázka, kam ide elektrina, má technickú odpoveď: do pohonu, do ohrievačov sudov, do strihu a do mnohých strát, ktoré sa objavia, keď sa vedenie dostane pod svoj efektívny rozsah. Lepšia otázka je, koľko energie vyžaduje každá tona produktu a čo možno zmeniť, aby sa to znížilo. To presúva pozornosť z označenia komponentov na výkon systému. Pri extrúzii najspoľahlivejšie úspory energie pochádzajú z prispôsobenia motora a pohonu záťaži, zlepšenia tepelnej účinnosti, navrhnutia skrutky pre skutočný proces a prevádzky linky na rozumnom výstupe s disciplinovaným riadením výroby.