Kako zmanjšati porabo energije pri iztiskanju plastike

Poraba energije pri iztiskanju plastike je eden tistih stroškov, ki jih zares opazite šele, ko se prikaže račun. Če linija teče iz dneva v dan, je učinek večji. Torej pravo vprašanje ni v tem, da bi nekje zmanjšali nekaj odstotkov; ugotavlja, kam energija dejansko gre. Ko je ta slika na mestu, se načini za zmanjšanje porabe energije ekstruderja začnejo čutiti specifični in izvedljivi.

V tipičnem vijačnem ekstruderju gre približno 60–70 % moči za motor in pogonski sistem, 20–30 % za ogrevanje soda (številne vrstice to ocenijo ročno), ostalo pa za hlajenje, pomožne naprave in izgube (slika. 1). Te številke so uporabne kot grobo izhodišče – ​​in se brez dvoma razlikujejo od vrstice do vrstice – vendar niso pravila. Celo znotraj iste linije se bodo relativni deleži spreminjali z zasnovo polža, materialom, prepustnostjo, temperaturnimi nastavitvami in načinom delovanja linije.

Motor je včasih opisan kot preprosto vrtenje vijaka. Ta opis zgreši večino dela. Pravzaprav mora pogon prenesti trdne snovi skozi cev, jih zmehčati in stopiti, mešati talino, ustvariti pritisk in premagati strižni upor. V vseh teh korakih se porabi energija. Nekaj ​​postane uporabno s taljenjem in mešanjem; nekaj postane toplota, ki jo je treba odstraniti s hlajenjem. Tako učinkovitosti motorja in obnašanja procesa ni mogoče ovrednotiti ločeno.

Starejši stroji morda še vedno uporabljajo motorje na enosmerni tok ali standardne motorje na izmenični tok z elektromagnetnim krmiljenjem hitrosti (ki lahko delujejo, vendar so pogosto manj učinkoviti od sodobnih pogonov). Pretvornik s spremenljivo frekvenco je zdaj običajna osnova – omogoča vam, da poganjate polž s pravo hitrostjo za obremenitev, namesto da ga poganjate s fiksno visoko hitrostjo in dušite drugje. Toda praktična korist presega elektriko: boljši nadzor hitrosti izboljša stabilnost procesa in zmanjša nepotreben vnos mehanske energije.

Frekvenčni pretvornik je zdaj običajna osnova. Omogoča, da se hitrost vijaka ujema z dejansko obremenitvijo, namesto da bi delovala s fiksno visoko hitrostjo in dušila drugje. Praktična korist ni samo električna. Boljši nadzor hitrosti lahko tudi izboljša stabilnost procesa in zmanjša nepotreben vnos mehanske energije.

Druga možnost so sinhroni motorji s trajnim magnetom. PMSM je lahko učinkovitejši od standardnega trifaznega indukcijskega motorja, razlika pa je pogosto bolj opazna pri nizki hitrosti in majhni obremenitvi. Točen dobiček je odvisen od velikosti motorja, profila obremenitve, metode krmiljenja in preostalega pogonskega sklopa. V praksi sta dobro usklajen motor in pogon vrednejša od večjega motorja, ki deluje daleč pod svojim razponom učinkovitosti. Večja instalirana moč ne pomeni samodejno boljše zmogljivosti. To lahko pomeni večje izgube v prostem teku, nižji faktor moči in večjo porabo energije na kilogram izdelka.

Ogrevanje soda je druga večja obremenitev. Običajni grelni trakovi iz litega aluminija so običajni, vendar niso posebej učinkoviti. Velik del toplote se lahko izgubi v okoliški zrak. V topli delavnici se ta izguba poveča tudi pri hladilni obremenitvi, kar je dvojna kazen.

Izolacija pomaga. Enako velja za alternativne metode ogrevanja, kot so elektromagnetno ogrevanje in infrardeče ali nano-infrardeče grelne tuljave. Te zasnove se pogosto spodbuja zaradi večje toplotne učinkovitosti, hitrejšega odziva in nižje površinske temperature. V nekaterih primerjavah opreme so poročali, da prehod z neizoliranih trakov iz litega aluminija na izolirane grelnike z visokim izkoristkom zmanjša energijo za ogrevanje za približno 30–50 %. To številko je treba obravnavati kot usmerjevalni primer in ne kot zajamčen rezultat. Dejanski prihranki so odvisni od zasnove soda, nastavljenih temperatur, stanja izolacije, pogojev okolja in samega procesa.

Učinkovitost ogrevanja je tudi procesno vprašanje. Če se cona nenehno ohlaja, medtem ko grelnik še dodaja energijo, težava morda ni samo v grelniku. Morda gre za čezmerno striženje v tem območju, slab nadzor temperature ali zasnovo vijaka, ki ustvarja več toplote, kot jo potrebuje proces. Zamenjava grelnikov brez obravnavanja teh pogojev lahko pusti velik del potencialnih prihrankov na mizi.

Večina energije, ki topi polimer, ne izvira iz grelnih trakov. Izhaja iz vijaka. Motor poganja vijak, vijak pa striže material. Ta mehanska energija se pretvori v toploto. Zato ima konfiguracija polža tako neposreden vpliv na porabo energije ekstruderja.

Gnetelni bloki, njihov kot, njihova dolžina in njihov položaj vplivajo na intenzivnost striženja in čas zadrževanja. Več striženja lahko izboljša disperzijsko mešanje, vendar tudi zviša temperaturo taline in lahko poveča obremenitev motorja. Če območje redno zahteva močno hladilno vodo, je to znak, da vijak proizvaja več toplote, kot jo lahko porabi proces. Motor opravlja delo, material se segreva, hladilni sistem pa odvaja dodatno toploto. Z energetskega vidika je to zanka, ki jo je vredno preučiti.

Zasnova vijaka mora biti uravnotežena glede na material, proizvodnjo, zahteve za mešanje in končni izdelek. Vsaka aplikacija ekstrudiranja ne zahteva največjega strižnega učinka. Včasih blažji profil vijaka v kombinaciji z ustreznimi mešalnimi elementi daje boljšo splošno učinkovitost. Pomembna je tudi formulacija. Dodajanje učinkovitega maziva ali drugačno zmanjšanje viskoznosti taline lahko zniža tok motorja in zmanjša strižno toploto. Rezultat je manj električne energije, ki se pretvori v toploto, ki jo je treba kasneje odvesti.

Poraba energije na tono je uporabnejša mera kot moč motorja na imenski tablici. Velik ekstruder, ki deluje z nizko močjo, lahko porabi več energije na kilogram kot manjši stroj, ki deluje blizu svojega območja učinkovitosti. Enako načelo velja znotraj enega stroja.

75-milimetrski ekstruder, ki deluje z majhnim deležem svoje zmogljivosti, bo imel na primer običajno slab energijski profil v primerjavi z istim strojem, ki deluje bližje svojemu načrtovanemu obsegu proizvodnje. Točne številke so odvisne od materiala, vijaka, pogona in temperaturnega profila, vendar je smer jasna. Uporaba je pomembna. Enako velja za zagon, zaustavitev, čiščenje in spremembe materiala. Vsaka minuta prostega teka še vedno porablja energijo, pogoste neučinkovite menjave pa prispevajo k skupni vrednosti.

Upravljanje proizvodnje je torej del upravljanja z energijo. Načrtovanje daljših potekov, skrajšanje časa nedejavnosti, ujemanje stroja z opravilom in ohranjanje procesnih parametrov znotraj učinkovitega okna je lahko tako pomembno kot katera koli sprememba strojne opreme.

Učinkovito zmanjšanje energije pri iztiskanju plastike je le redko enokomponentna rešitev. Običajno izhaja iz kombinacije izbire motorja in pogona, učinkovitosti ogrevanja soda, konfiguracije vijaka, formulacije materiala, procesnih parametrov, pretoka in upravljanja proizvodnje. Izboljšanje enega področja ob ignoriranju drugih lahko težavo premakne, namesto da bi jo rešilo. Na primer, motor z visokim izkoristkom morda ne bo prinesel pričakovanih prihrankov, če vijak povzroča prekomerno striženje in se hladilni sistem močno trudi, da bi ga odstranil. Boljši ogrevalni sistem morda ne bo veliko pomagal, če je nadzor temperature nestabilen ali je sod slabo izoliran.

Za proizvajalce ekstruzijske opreme je energetska učinkovitost tesno povezana z zasnovo stroja, konfiguracijo vijakov, izbiro pogona in nadzorom procesa. JWELL razvija ekstruzijsko opremo za različne materiale in aplikacije, s konfiguracijo sistema, prilagojeno specifičnim proizvodnim zahtevam. Praktični pristop je oceniti celotno linijo: kaj potrebuje material, kaj zahteva izdelek in kako se stroj dejansko upravlja. To običajno ustvari trajnejše prihranke kot lovljenje ene same trditve o učinkovitosti.

Vprašanje, kam gre elektrika, ima tehnični odgovor: v pogon, v grelnike sodov, v striženje in v številne izgube, ki nastanejo, ko vod teče pod območjem učinkovitosti. Boljše vprašanje je, koliko energije potrebuje vsaka tona izdelka in kaj je mogoče spremeniti, da jo zmanjšamo. To preusmeri pozornost z oznak komponent na zmogljivost sistema. Pri iztiskanju najbolj zanesljivi prihranki energije izvirajo iz ujemanja motorja in pogona z obremenitvijo, izboljšanja toplotne učinkovitosti, oblikovanja polža za dejanski proces in delovanja linije pri razumnem izkoristku z discipliniranim vodenjem proizvodnje.