Jak snížit spotřebu energie při vytlačování plastů

Spotřeba energie na vytlačování plastů je jednou z těch nákladů, které si opravdu všimnete, až když se objeví účet. Pokud linka běží den co den, dopad je ještě větší. Takže skutečná otázka není o tom, že někde uříznete pár procent; zjišťuje, kam ta energie vlastně jde. Jakmile je tento obrázek na místě, způsoby, jak snížit spotřebu energie extrudéru, začnou být konkrétní a proveditelné.

V typickém šnekovém extrudéru jde asi 60–70 % energie do motoru a hnacího systému, 20–30 % na ohřev sudu (mnoho linek to odhaduje ručně) a zbytek na chlazení, pomocná zařízení a ztráty (obr. . 1). Tato čísla jsou užitečná jako hrubý výchozí bod – a nepochybně se liší řádek od řádku – ale nejsou to pravidla. I v rámci stejné linky se relativní podíly posunou s konstrukcí šroubu, materiálem, průchodností, nastavenými hodnotami teploty a způsobem provozu linky.

Motor je někdy popisován jako jednoduché otáčení šroubu. Ten popis postrádá většinu práce. Ve skutečnosti musí pohon dopravovat pevné látky skrz válec, změkčovat je a tavit, míchat taveninu, vytvářet tlak a překonávat smykový odpor. Ve všech těchto krocích se spotřebovává energie. Část z nich se stává užitečnou tavením a mícháním; z části se stává teplo, které musí být odstraněno ochlazením. Účinnost motoru a chování procesu tedy nelze hodnotit samostatně.

Starší stroje mohou stále používat stejnosměrné motory nebo standardní střídavé motory s elektromagnetickým řízením rychlosti (které mohou fungovat, ale jsou často méně účinné než modernější pohony). Měnič s proměnnou frekvencí je nyní běžnou základní linií – umožňuje vám běžet šroub správnou rychlostí pro zatížení, místo abyste jej běželi pevnou vysokou rychlostí a škrtili jinde. Praktická výhoda však přesahuje elektřinu: lepší regulace otáček zlepšuje stabilitu procesu a snižuje zbytečnou spotřebu mechanické energie.

Měnič s proměnnou frekvencí je nyní běžnou základní linií. Umožňuje, aby rychlost šroubu odpovídala skutečnému zatížení, místo aby běžel na pevnou vysokou rychlost a škrtil jinde. Praktický přínos není jen elektrický. Lepší řízení rychlosti může také zlepšit stabilitu procesu a snížit zbytečnou mechanickou energii.

Další možností jsou synchronní motory s permanentními magnety. PMSM může být účinnější než standardní třífázový indukční motor a rozdíl je často patrnější při nízké rychlosti a nízké zátěži. Přesné zesílení závisí na velikosti motoru, profilu zatížení, způsobu ovládání a zbytku hnacího ústrojí. V praxi je dobře sladěný motor a pohon cennější než větší motor běžící hluboko pod svým účinným rozsahem. Vyšší instalovaný výkon automaticky neznamená lepší výkon. Může to znamenat vyšší ztráty naprázdno, nižší účiník a více energie spotřebované na kilogram produktu.

Ohřev sudů je druhou hlavní zátěží. Běžné jsou běžné topné pásy z litého hliníku, ale nejsou zvláště účinné. Značná část tepla se může ztratit do okolního vzduchu. V teplé dílně tato ztráta také zvyšuje zatížení chlazení, což je dvojnásobná penalizace.

Pomáhá izolace. Stejně tak alternativní způsoby vytápění, jako je elektromagnetické vytápění a infračervené nebo nano-infračervené topné spirály. Tyto návrhy jsou často propagovány pro vyšší tepelnou účinnost, rychlejší odezvu a nižší povrchovou teplotu. V některých srovnáních zařízení bylo hlášeno, že přechod z neizolovaných pásů z litého hliníku na izolované vysoce účinné ohřívače snižuje energii vytápění zhruba o 30–50 %. Tento údaj by měl být považován za orientační příklad, nikoli za zaručený výsledek. Skutečné úspory závisí na konstrukci sudu, nastavených hodnotách teploty, izolačních podmínkách, okolních podmínkách a samotném procesu.

Otázkou procesu je také účinnost vytápění. Pokud je zóna neustále ochlazována, zatímco ohřívač stále dodává energii, problém nemusí být v samotném ohřívači. Může to být nadměrný smyk v této zóně, špatná regulace teploty nebo konstrukce šroubu, která generuje více tepla, než proces potřebuje. Výměna ohřívačů bez řešení těchto podmínek může zanechat velkou část potenciálních úspor na stole.

Většina energie, která roztaví polymer, nepochází z topných pásů. Pochází ze šroubu. Motor pohání šroub a šroub stříhá materiál. Tato mechanická energie se přeměňuje na teplo. To je důvod, proč má konfigurace šneku tak přímý vliv na spotřebu energie extrudéru.

Hnětací bloky, jejich úhel, jejich délka a jejich poloha, to vše ovlivňuje intenzitu smyku a dobu zdržení. Větší smyk může zlepšit disperzní míchání, ale také zvyšuje teplotu taveniny a může zvýšit zatížení motoru. Pokud zóna pravidelně vyžaduje silnou chladicí vodu, je to známka toho, že šnek generuje více tepla, než může proces spotřebovat. Motor pracuje, materiál se zahřívá a chladicí systém odebírá přebytečné teplo. Z energetického hlediska je to smyčka, která stojí za prozkoumání.

Konstrukce šroubu by měla být vyvážena vzhledem k materiálu, výkonu, požadavku na míchání a konečnému produktu. Ne každá aplikace vytlačování vyžaduje maximální smyk. Někdy jemnější profil šneku v kombinaci s vhodnými míchacími prvky poskytuje lepší celkový výkon. Na formulaci také záleží. Přidání účinného maziva nebo jiné snížení viskozity taveniny může snížit proud motoru a snížit smykové teplo. Výsledkem je méně elektrické energie přeměněné na teplo, které musí být později odstraněno.

Spotřeba energie na tunu je užitečnějším měřítkem než výkon na štítku motoru. Velký extrudér běžící na nízký výkon může spotřebovat více energie na kilogram než menší stroj běžící blízko jeho efektivního dosahu. Stejný princip platí v rámci jednoho stroje.

Například 75mm extrudér běžící na malý zlomek své kapacity bude mít obvykle špatný energetický profil ve srovnání se stejným strojem, který běží blíže svému navrženému výstupnímu rozsahu. Přesná čísla závisí na materiálu, šroubu, pohonu a teplotním profilu, ale směr je jasný. Na využití záleží. Stejně tak spouštění, vypínání, čištění a změny materiálu. Každá minuta chodu naprázdno stále spotřebovává energii a častá neefektivní výměna přispívá k celkovému počtu.

Řízení výroby je tedy součástí energetického managementu. Plánování delších běhů, zkrácení doby nečinnosti, přizpůsobení stroje úloze a udržování parametrů procesu v efektivním okně může být stejně důležité jako jakákoliv změna hardwaru.

Efektivní snížení energie při vytlačování plastů je zřídkakdy jednosložkovým fixem. Obvykle vychází z kombinace výběru motoru a pohonu, účinnosti ohřevu sudu, konfigurace šneku, složení materiálu, procesních parametrů, propustnosti a řízení výroby. Zlepšení jedné oblasti a ignorování ostatních může problém spíše posunout, než jej vyřešit. Například vysoce účinný motor nemusí přinést očekávané úspory, pokud šroub generuje nadměrné střihy a chladicí systém usilovně pracuje na jeho odstranění. Lepší systém ohřevu nemusí moc pomoci, pokud je regulace teploty nestabilní nebo je hlaveň špatně izolovaná.

Pro výrobce vytlačovacích zařízení energetická účinnost úzce souvisí s konstrukcí stroje, konfigurací šneku, výběrem pohonu a řízením procesu. JWELL vyvíjí vytlačovací zařízení pro různé materiály a aplikace s konfigurací systému přizpůsobenou specifickým výrobním požadavkům. Praktickým přístupem je vyhodnocení celé linky: co materiál potřebuje, co produkt vyžaduje a jak je stroj skutečně provozován. To obvykle přináší trvalejší úspory než honba za jediným tvrzením o účinnosti.

Otázka, kam jde elektřina, má technickou odpověď: do pohonu, do ohřívačů sudů, do smyku a do mnoha ztrát, které se objevují, když vedení běží pod svým účinným rozsahem. Lepší otázkou je, kolik energie vyžaduje každá tuna produktu a co lze změnit, aby se to snížilo. To přesouvá pozornost od označení komponent k výkonu systému. Při vytlačování mají nejspolehlivější úspory energie tendenci pocházet z přizpůsobení motoru a pohonu zátěži, zlepšení tepelné účinnosti, navržení šneku pro skutečný proces a provoz linky na rozumný výkon s disciplinovaným řízením výroby.