Cum să reduceți consumul de energie în extrudarea plasticului

Utilizarea energiei de extrudare a plasticului este unul dintre acele costuri pe care le observi cu adevărat doar atunci când apare factura. Dacă linia rulează zi de zi, impactul devine mai mare. Deci adevărata întrebare nu este să tăiați câteva procente undeva; este să descopere unde se duce de fapt energia. Odată ce imaginea este realizată, modalitățile de reducere a consumului de energie al extruderului încep să pară specifice și fezabile.

Într-un extruder cu șurub obișnuit, aproximativ 60–70% din putere merge către motor și sistemul de antrenare, 20–30% către încălzirea cilindrului (multe linii estimează acest lucru manual), iar restul către răcire, auxiliare și pierderi (Fig. 1). Aceste numere sunt utile ca punct de plecare aproximativ și, fără îndoială, variază de la o linie la alta, dar nu sunt reguli. Chiar și în cadrul aceleiași linii, cotele relative se vor schimba în funcție de designul șurubului, materialul, debitul, valorile de referință ale temperaturii și modul în care este operată linia.

Motorul este descris uneori ca pur și simplu rotirea șurubului. Această descriere ratează cea mai mare parte a lucrării. De fapt, unitatea trebuie să transmită solide prin cilindru, să le înmoaie și să le topească, să amestece topitura, să creeze presiune și să depășească rezistența la forfecare. Energia este consumată în toți acești pași. O parte din ea devine utilă topirea și amestecarea; unele devin căldură care trebuie îndepărtată prin răcire. Astfel, eficiența motorului și comportamentul procesului nu pot fi evaluate separat.

Mașinile mai vechi pot folosi în continuare motoare de curent continuu sau motoare de curent alternativ standard cu un control electromagnetic al vitezei (care poate funcționa, dar sunt adesea mai puțin eficiente decât unitățile mai moderne). O unitate de frecvență variabilă este acum o linie de bază obișnuită - vă permite să rulați șurubul la viteza potrivită pentru sarcină, mai degrabă decât să îl rulați la o viteză mare fixă ​​și să-l accelerați în altă parte. Dar beneficiul practic depășește energia electrică: un control mai bun al vitezei îmbunătățește stabilitatea procesului și reduce aportul inutil de energie mecanică.

O unitate de frecvență variabilă este acum o bază comună. Permite vitezei șurubului să se potrivească cu sarcina reală, în loc să ruleze la o viteză mare fixă ​​și să se clasifice în altă parte. Beneficiul practic nu este doar electric. Un control mai bun al vitezei poate îmbunătăți, de asemenea, stabilitatea procesului și poate reduce aportul inutil de energie mecanică.

Motoarele sincrone cu magnet permanent sunt o altă opțiune. Un PMSM poate fi mai eficient decât un motor cu inducție trifazat standard, iar diferența este adesea mai vizibilă la viteză mică și la sarcină ușoară. Câștigul exact depinde de dimensiunea motorului, profilul de sarcină, metoda de control și restul trenului de transmisie. În practică, un motor și o acționare bine adaptate sunt mai valoroase decât un motor mai mare care funcționează cu mult sub domeniul său de eficiență. Puterea instalată mai mare nu înseamnă automat o performanță mai bună. Poate însemna pierderi mai mari fără sarcină, un factor de putere mai scăzut și mai multă energie consumată per kilogram de produs.

Încălzirea butoiului este a doua sarcină majoră. Benzile de încălzire convenționale din aluminiu turnat sunt comune, dar nu sunt deosebit de eficiente. O parte semnificativă a căldurii poate fi pierdută în aerul din jur. Într-un atelier cald, această pierdere se adaugă și la sarcina de răcire, care este o penalizare dublă.

Izolarea ajută. La fel și metodele alternative de încălzire, cum ar fi încălzirea electromagnetică și bobinele de încălzire în infraroșu sau nano-infraroșu. Aceste modele sunt adesea promovate pentru o eficiență termică mai mare, un răspuns mai rapid și o temperatură mai scăzută a suprafeței. În unele comparații de echipamente, s-a raportat că trecerea de la benzi de aluminiu turnate neizolate la încălzitoare izolate de înaltă eficiență reduce energia de încălzire cu aproximativ 30-50%. Această cifră ar trebui tratată ca un exemplu direcțional, nu un rezultat garantat. Economiile reale depind de designul butoiului, de valorile de referință ale temperaturii, de starea izolației, de condițiile ambientale și de procesul în sine.

Eficiența încălzirii este, de asemenea, o problemă de proces. Dacă o zonă este răcită în mod constant în timp ce încălzitorul încă adaugă energie, este posibil ca problema să nu fie doar încălzitorul. Poate fi o forfecare excesivă în acea zonă, un control slab al temperaturii sau un design șurub care generează mai multă căldură decât are nevoie procesul. Înlocuirea încălzitoarelor fără a aborda aceste condiții poate lăsa o mare parte din potențialul de economisire pe masă.

Cea mai mare parte a energiei care topește polimerul nu provine din benzile de încălzire. Vine din șurub. Motorul antrenează șurubul, iar șurubul forfecă materialul. Acea energie mecanică se transformă în căldură. Acesta este motivul pentru care configurația șuruburilor are un efect atât de direct asupra consumului de energie al extruderului.

Blocurile de frământare, unghiul lor, lungimea și poziția lor influențează toate intensitatea forfecarea și timpul de rezidență. Mai multă forfecare poate îmbunătăți amestecarea dispersivă, dar crește și temperatura topiturii și poate crește sarcina motorului. Dacă o zonă necesită în mod regulat apă de răcire grea, acesta este un semn că șurubul generează mai multă căldură decât poate folosi procesul. Motorul funcționează, materialul se încălzește, iar sistemul de răcire elimină căldura suplimentară. Din punct de vedere energetic, aceasta este o buclă care merită examinată.

Designul șuruburilor trebuie să fie echilibrat cu materialul, producția, cerințele de amestecare și produsul final. Nu toate aplicațiile de extrudare necesită forfecare maximă. Uneori, un profil de șurub mai blând, combinat cu elemente de amestecare adecvate, oferă o performanță generală mai bună. Formularea contează și ea. Adăugarea unui lubrifiant eficient sau reducerea în alt mod a vâscozității topiturii poate reduce curentul motorului și poate reduce căldura de forfecare. Rezultatul este mai puțină energie electrică convertită în căldură care mai târziu trebuie îndepărtată.

Consumul de energie pe tonă este o măsură mai utilă decât puterea de pe plăcuța de identificare a motorului. Un extruder mare care funcționează la putere redusă poate consuma mai multă energie pe kilogram decât o mașină mai mică care funcționează în apropierea domeniului său eficient. Același principiu se aplică într-o singură mașină.

Un extruder de 75 mm care funcționează la o mică parte din capacitatea sa, de exemplu, va avea de obicei un profil energetic slab în comparație cu aceeași mașină care funcționează mai aproape de intervalul de ieșire proiectat. Numerele exacte depind de material, șurub, antrenare și profilul de temperatură, dar direcția este clară. Utilizarea contează. La fel faceți pornirea, oprirea, purjarea și modificările materiale. Fiecare minut de mers în gol încă consumă energie, iar schimbările frecvente ineficiente se adaugă la total.

Prin urmare, managementul producției face parte din managementul energiei. Programarea unor rulări mai lungi, reducerea timpului de inactivitate, potrivirea mașinii la locul de muncă și păstrarea parametrilor de proces într-o fereastră eficientă pot fi la fel de importante ca orice schimbare de hardware.

Reducerea eficientă a energiei în extrudarea plasticului este rareori o soluție monocomponentă. De obicei, provine dintr-o combinație de selecție a motorului și acționării, eficiența încălzirii cilindrului, configurația șuruburilor, formularea materialului, parametrii procesului, randamentul și managementul producției. Îmbunătățirea unei zone în timp ce ignoră celelalte poate schimba problema mai degrabă decât să o rezolvi. De exemplu, un motor de înaltă eficiență poate să nu ofere economiile așteptate dacă șurubul generează forfecare excesivă și sistemul de răcire lucrează din greu pentru a-l îndepărta. Un sistem de încălzire mai bun poate să nu ajute prea mult dacă controlul temperaturii este instabil sau cilindrul este prost izolat.

Pentru producătorii de echipamente de extrudare, eficiența energetică este strâns legată de proiectarea mașinii, configurația șuruburilor, selecția unităților și controlul procesului. JWELL dezvoltă echipamente de extrudare pentru diferite materiale și aplicații, cu configurație de sistem adaptată cerințelor specifice de producție. Abordarea practică este de a evalua întreaga linie: de ce are nevoie materialul, de ce necesită produsul și de modul în care mașina este de fapt operată. Acest lucru produce de obicei economii mai durabile decât urmărirea unei singure cereri de eficiență.

Întrebarea unde se duce electricitatea are un răspuns tehnic: în unitate, în încălzitoare de butoi, în forfecare și în multele pierderi care apar atunci când o linie trece sub intervalul său eficient. Întrebarea mai bună este câtă energie necesită fiecare tonă de produs și ce poate fi schimbat pentru a o reduce. Acest lucru mută atenția de la etichetele componentelor la performanța sistemului. În extrudare, cele mai fiabile economii de energie tind să provină din potrivirea motorului și acționării la sarcină, îmbunătățirea eficienței termice, proiectarea șurubului pentru procesul real și rularea liniei la o ieșire sensibilă cu un management disciplinat al producției.