Kako smanjiti potrošnju energije u ekstruziji plastike

Potrošnja energije ekstruzije plastike jedan je od onih troškova koje zapravo primijetite tek kad se pojavi račun. Ako linija traje iz dana u dan, utjecaj postaje veći. Dakle, pravo pitanje nije oko smanjenja nekoliko postotaka negdje; to je otkrivanje kamo energija zapravo ide. Jednom kad se ta slika postavi, načini smanjenja potrošnje energije ekstrudera počinju se činiti specifičnima i izvedivima.

U tipičnom pužnom ekstruderu oko 60–70% snage odlazi na motor i pogonski sustav, 20–30% na grijanje bačve (mnogi redovi to procjenjuju ručno), a ostatak na hlađenje, pomoćne uređaje i gubitke (Slika . 1). Ovi brojevi su korisni kao gruba polazna točka - i, bez sumnje, variraju od retka do retka - ali nisu pravila. Čak i unutar iste linije, relativni udjeli će se mijenjati s dizajnom puža, materijalom, propusnošću, zadanim vrijednostima temperature i načinom rada linije.

Motor se ponekad opisuje kao jednostavno okretanje vijka. Taj opis propušta većinu posla. Zapravo, pogon mora prenijeti krute tvari kroz cijev, omekšati ih i otopiti, miješati talinu, izgraditi pritisak i prevladati otpor na smicanje. Energija se troši u svim tim koracima. Nešto od toga postaje korisno topljenjem i miješanjem; nešto postaje toplina koja se mora ukloniti hlađenjem. Stoga se učinkovitost motora i ponašanje procesa ne mogu zasebno vrednovati.

Stariji strojevi još uvijek mogu koristiti DC motore ili standardne AC motore s elektromagnetskom kontrolom brzine (koji mogu raditi, ali su često manje učinkoviti od modernijih pogona). Pogon varijabilne frekvencije sada je uobičajena osnova - omogućuje vam pokretanje vijka pravom brzinom za opterećenje umjesto da ga pokrećete fiksnom velikom brzinom i prigušujete negdje drugdje. Ali praktična korist nadilazi električnu energiju: bolja kontrola brzine poboljšava stabilnost procesa i smanjuje nepotreban unos mehaničke energije.

Pogon varijabilne frekvencije sada je uobičajena osnova. Omogućuje da brzina puža odgovara stvarnom opterećenju umjesto rada pri fiksnoj visokoj brzini i prigušivanja negdje drugdje. Praktična korist nije samo električna. Bolja kontrola brzine također može poboljšati stabilnost procesa i smanjiti nepotreban unos mehaničke energije.

Sinkroni motori s trajnim magnetima druga su opcija. PMSM može biti učinkovitiji od standardnog trofaznog indukcijskog motora, a razlika je često uočljivija pri maloj brzini i malom opterećenju. Točan dobitak ovisi o veličini motora, profilu opterećenja, načinu upravljanja i ostatku pogonskog sklopa. U praksi, dobro usklađeni motor i pogon vredniji su od većeg motora koji radi daleko ispod svog učinkovitog raspona. Veća instalirana snaga ne znači automatski bolje performanse. To može značiti veće gubitke u praznom hodu, niži faktor snage i veću potrošnju energije po kilogramu proizvoda.

Zagrijavanje bačve drugo je veliko opterećenje. Uobičajene grijaće trake od lijevanog aluminija su uobičajene, ali nisu osobito učinkovite. Značajan dio topline može se izgubiti u okolni zrak. U toploj radionici taj gubitak također povećava rashladno opterećenje, što je dvostruka kazna.

Izolacija pomaže. Kao i alternativne metode grijanja kao što su elektromagnetsko grijanje i infracrvene ili nano-infracrvene grijaće spirale. Ovi dizajni se često promoviraju za veću toplinsku učinkovitost, brži odziv i nižu temperaturu površine. U nekim usporedbama opreme, prijelaz s neizoliranih traka od lijevanog aluminija na izolirane visokoučinkovite grijače je pokazao smanjenje energije grijanja za otprilike 30-50%. Tu brojku treba tretirati kao smjerni primjer, a ne kao zajamčeni rezultat. Stvarne uštede ovise o dizajnu bačve, zadanim vrijednostima temperature, stanju izolacije, uvjetima okoline i samom procesu.

Učinkovitost grijanja također je problem procesa. Ako se zona stalno hladi dok grijač još dodaje energiju, problem možda nije samo u grijaču. To može biti prekomjerno smicanje u toj zoni, loša kontrola temperature ili dizajn vijka koji stvara više topline nego što je potrebno procesu. Zamjena grijača bez rješavanja tih uvjeta može ostaviti veliki dio potencijalnih ušteda na stolu.

Većina energije koja topi polimer ne dolazi od grijaćih traka. Dolazi od vijka. Motor pokreće vijak, a vijak reže materijal. Ta se mehanička energija pretvara u toplinu. Zbog toga konfiguracija puža ima tako izravan učinak na potrošnju energije ekstrudera.

Blokovi za gnječenje, njihov kut, njihova duljina i njihov položaj utječu na intenzitet smicanja i vrijeme zadržavanja. Više smicanja može poboljšati disperzivno miješanje, ali također povećava temperaturu taline i može povećati opterećenje motora. Ako zona redovito zahtijeva jaku vodu za hlađenje, to je znak da vijak stvara više topline nego što proces može iskoristiti. Motor radi, materijal se zagrijava, a rashladni sustav uklanja dodatnu toplinu. S energetskog stajališta, to je petlja koju vrijedi ispitati.

Dizajn vijka treba uskladiti s materijalom, učinkom, zahtjevima za miješanje i konačnim proizvodom. Ne zahtijeva svaka primjena ekstruzije maksimalno smicanje. Ponekad blaži profil vijka, u kombinaciji s odgovarajućim elementima za miješanje, daje bolju ukupnu izvedbu. Formulacija je također važna. Dodavanje učinkovitog maziva ili na drugi način smanjenje viskoznosti taline može smanjiti struju motora i smanjiti toplinu smicanja. Rezultat je manje električne energije pretvorene u toplinu koja se kasnije mora ukloniti.

Potrošnja energije po toni je korisnija mjera od snage motora s natpisne pločice. Veliki ekstruder koji radi s malim učinkom može potrošiti više energije po kilogramu nego manji stroj koji radi blizu svog učinkovitog raspona. Isti princip se primjenjuje unutar jednog stroja.

Na primjer, ekstruder od 75 mm koji radi s malim dijelom svog kapaciteta obično će imati loš energetski profil u usporedbi s istim strojem koji radi bliže dizajniranom rasponu izlaza. Točne brojke ovise o materijalu, vijku, pogonu i temperaturnom profilu, ali smjer je jasan. Iskorištenje je važno. Kao i pokretanje, gašenje, čišćenje i materijalne promjene. Svaka minuta rada u praznom hodu i dalje troši energiju, a česte neučinkovite promjene dodaju ukupnom iznosu.

Upravljanje proizvodnjom je stoga dio upravljanja energijom. Planiranje dužih izvođenja, smanjenje vremena mirovanja, usklađivanje stroja s poslom i održavanje parametara procesa unutar učinkovitog prozora može biti jednako važno kao i bilo koja promjena hardvera.

Učinkovito smanjenje energije kod plastične ekstruzije rijetko je jednokomponentno rješenje. Obično proizlazi iz kombinacije odabira motora i pogona, učinkovitosti grijanja bačve, konfiguracije puža, formulacije materijala, parametara procesa, protoka i upravljanja proizvodnjom. Poboljšanje jednog područja uz ignoriranje ostalih može pomaknuti problem, a ne riješiti ga. Na primjer, visokoučinkoviti motor možda neće pružiti očekivane uštede ako vijak stvara prekomjerno smicanje, a rashladni sustav naporno radi na njegovom uklanjanju. Bolji sustav grijanja možda neće puno pomoći ako je kontrola temperature nestabilna ili je bačva loše izolirana.

Za proizvođače opreme za ekstruziju, energetska učinkovitost je usko povezana s dizajnom stroja, konfiguracijom puža, odabirom pogona i kontrolom procesa. JWELL razvija opremu za ekstruziju za različite materijale i primjene, s konfiguracijom sustava prilagođenom specifičnim zahtjevima proizvodnje. Praktičan pristup je procijeniti cijelu liniju: što je potrebno materijalu, što proizvod zahtijeva i kako se strojem zapravo radi. To obično stvara trajnije uštede od jurnjave za jednom tvrdnjom o učinkovitosti.

Pitanje kamo ide električna energija ima tehnički odgovor: u pogon, u grijače bačve, u smicanje i u mnoge gubitke koji se pojavljuju kada vod ide ispod svog učinkovitog raspona. Bolje pitanje je koliko energije zahtijeva svaka tona proizvoda i što se može promijeniti da se to smanji. To prebacuje pozornost s oznaka komponenti na performanse sustava. U ekstruziji, najpouzdanije uštede energije uglavnom dolaze od usklađivanja motora i pogona s opterećenjem, poboljšanja toplinske učinkovitosti, projektiranja puža za stvarni proces i rada linije uz razuman učinak uz disciplinirano upravljanje proizvodnjom.