Kako smanjiti potrošnju energije u ekstruziji plastike

Upotreba energije za ekstruziju plastike jedan je od onih troškova koje zaista primijetite tek kada se pojavi račun. Ako linija ide iz dana u dan, uticaj postaje sve veći. Dakle, pravo pitanje nije u tome da se negdje smanji nekoliko posto; to je otkrivanje kuda energija zapravo ide. Jednom kada se ta slika stvori, načini smanjenja potrošnje energije ekstrudera počinju se osjećati specifičnim i izvodljivim.

U tipičnom pužnom ekstruderu, oko 60-70% snage odlazi na motor i pogonski sistem, 20-30% na grijanje bačve (mnoge linije to procjenjuju ručno), a ostatak na hlađenje, pomoćne uređaje i gubitke (Slika. 1). Ovi brojevi su korisni kao gruba početna tačka - i, bez sumnje, variraju od reda do reda - ali nisu pravila. Čak i unutar iste linije, relativni udjeli će se pomjeriti s dizajnom zavrtnja, materijalom, propusnošću, zadanim vrijednostima temperature i načinom rada na liniji.

Motor se ponekad opisuje kao jednostavno okretanje zavrtnja. Taj opis propušta većinu posla. Zapravo, pogon mora prenositi čvrste materije kroz cijev, omekšati ih i otopiti, pomiješati rastopinu, izgraditi pritisak i savladati otpor na smicanje. Energija se troši u svim tim koracima. Nešto od toga postaje korisno topljenjem i miješanjem; neki postaju toplina koja se mora ukloniti hlađenjem. Stoga se motorička efikasnost i ponašanje procesa ne mogu posebno vrednovati.

Starije mašine i dalje mogu koristiti DC motore ili standardne AC motore sa elektromagnetnom kontrolom brzine (koje mogu raditi, ali su često manje efikasni od modernijih pogona). Pretvornik varijabilne frekvencije je sada uobičajena osnovna linija – omogućava vam da šraf pokrenete odgovarajućom brzinom za opterećenje umjesto da ga koristite fiksnom velikom brzinom i prigušite negdje drugdje. Ali praktična korist ide dalje od električne energije: bolja kontrola brzine poboljšava stabilnost procesa i smanjuje nepotreban unos mehaničke energije.

Pretvornik varijabilne frekvencije sada je uobičajena osnovna linija. Omogućava da brzina zavrtnja odgovara stvarnom opterećenju umjesto da radi fiksnom velikom brzinom i prigušivanja negdje drugdje. Praktična korist nije samo električna. Bolja kontrola brzine također može poboljšati stabilnost procesa i smanjiti nepotreban unos mehaničke energije.

Druga opcija su sinhroni motori s trajnim magnetom. PMSM može biti efikasniji od standardnog trofaznog indukcionog motora, a razlika je često uočljivija pri maloj brzini i malom opterećenju. Tačan dobitak ovisi o veličini motora, profilu opterećenja, načinu upravljanja i ostatku pogonskog sklopa. U praksi, dobro usklađeni motor i pogon su vredniji od većeg motora koji radi daleko ispod svog efikasnog opsega. Veća instalirana snaga ne znači automatski i bolje performanse. To može značiti veće gubitke bez opterećenja, lošiji faktor snage i više energije koja se troši po kilogramu proizvoda.

Zagrijavanje bureta je drugo veliko opterećenje. Konvencionalne grijaće trake od livenog aluminija su uobičajene, ali nisu posebno efikasne. Značajan dio topline može se izgubiti na okolni zrak. U toploj radionici, taj gubitak takođe povećava opterećenje hlađenja, što je dvostruka kazna.

Izolacija pomaže. Kao i alternativne metode grijanja kao što su elektromagnetno grijanje i infracrveni ili nano-infracrveni grijaći zavojnici. Ovi dizajni se često promovišu zbog veće termičke efikasnosti, bržeg odziva i niže površinske temperature. U nekim poređenjima opreme, prijavljeno je da prelazak sa neizolovanih traka od livenog aluminijuma na izolovane visokoefikasne grejače smanjuje energiju grejanja za otprilike 30-50%. Tu brojku treba tretirati kao primjer usmjerenja, a ne kao zajamčeni rezultat. Stvarne uštede zavise od dizajna cijevi, zadanih vrijednosti temperature, stanja izolacije, uslova okoline i samog procesa.

Efikasnost grijanja je također problem procesa. Ako se zona stalno hladi dok grijač još dodaje energiju, problem možda nije samo grijač. To može biti pretjerano smicanje u toj zoni, loša kontrola temperature ili dizajn vijaka koji stvara više topline nego što je potrebno procesu. Zamjena grijača bez rješavanja ovih uvjeta može ostaviti veliki dio potencijalne uštede na stolu.

Većina energije koja topi polimer ne dolazi iz grejnih traka. Dolazi iz šrafa. Motor pokreće vijak, a vijak maže materijal. Ta mehanička energija se pretvara u toplotu. Zbog toga konfiguracija vijaka ima tako direktan utjecaj na potrošnju energije ekstrudera.

Blokovi za gnječenje, njihov ugao, njihova dužina i njihov položaj utječu na intenzitet smicanja i vrijeme zadržavanja. Više smicanja može poboljšati disperzivno miješanje, ali također podiže temperaturu taline i može povećati opterećenje motora. Ako zona redovno zahtijeva tešku rashladnu vodu, to je znak da vijak proizvodi više topline nego što proces može iskoristiti. Motor radi, materijal se zagreva, a sistem hlađenja uklanja dodatnu toplotu. Sa energetskog stanovišta, to je petlja koju vrijedi ispitati.

Dizajn vijaka treba da bude izbalansiran u odnosu na materijal, izlaz, zahtjeve miješanja i konačni proizvod. Ne zahtijeva svaka primjena ekstruzije maksimalno smicanje. Ponekad nježniji profil vijaka, u kombinaciji s odgovarajućim elementima za miješanje, daje bolje ukupne performanse. Formulacija je takođe važna. Dodavanje efikasnog maziva ili na neki drugi način smanjenje viskoziteta taline može smanjiti struju motora i smanjiti smičnu toplinu. Rezultat je manje električne energije koja se pretvara u toplinu koja se kasnije mora ukloniti.

Potrošnja energije po toni je korisnija mjera od snage motora na natpisnoj pločici. Veliki ekstruder koji radi pri malom učinku može potrošiti više energije po kilogramu od manje mašine koja radi blizu svog efikasnog raspona. Isti princip se primjenjuje unutar jedne mašine.

Ekstruder od 75 mm koji radi na malom dijelu svog kapaciteta, na primjer, obično će imati loš energetski profil u poređenju sa istom mašinom koja radi bliže svom projektovanom opsegu izlaza. Tačni brojevi ovise o materijalu, vijku, pogonu i temperaturnom profilu, ali smjer je jasan. Upotreba je bitna. Isto tako i pokretanje, gašenje, pročišćavanje i promjene materijala. Svaki minut rada u praznom hodu i dalje troši energiju, a česte neefikasne promjene doprinose ukupnom iznosu.

Upravljanje proizvodnjom je stoga dio upravljanja energijom. Planiranje dužih radova, smanjenje vremena mirovanja, usklađivanje mašine sa poslom i održavanje parametara procesa unutar efikasnog prozora može biti jednako važno kao i svaka promjena hardvera.

Učinkovito smanjenje energije u ekstruziji plastike rijetko je jednokomponentno rješenje. Obično dolazi iz kombinacije izbora motora i pogona, efikasnosti grijanja cijevi, konfiguracije vijaka, formulacije materijala, parametara procesa, protoka i upravljanja proizvodnjom. Poboljšanje jednog područja uz ignorisanje drugih može pomjeriti problem prije nego ga riješiti. Na primjer, motor visoke efikasnosti možda neće donijeti očekivane uštede ako vijak stvara prekomjerno smicanje i sistem hlađenja naporno radi da ga ukloni. Bolji sistem grijanja možda neće puno pomoći ako je kontrola temperature nestabilna ili je cijev slabo izolirana.

Za proizvođače opreme za ekstruziju, energetska efikasnost je usko povezana sa dizajnom mašine, konfiguracijom vijaka, izborom pogona i kontrolom procesa. JWELL razvija opremu za ekstruziju za različite materijale i aplikacije, sa konfiguracijom sistema prilagođenom specifičnim zahtjevima proizvodnje. Praktični pristup je procijeniti cijelu liniju: šta je potrebno materijalu, šta je potrebno za proizvod i kako se mašina zapravo koristi. To obično proizvodi trajnije uštede od traženja jedne tvrdnje o efikasnosti.

Pitanje gdje struja ide ima tehnički odgovor: u pogon, u grijače cijevi, u smicanje i u mnoge gubitke koji se pojavljuju kada linija ide ispod svog efikasnog raspona. Bolje pitanje je koliko energije je potrebno za svaku tonu proizvoda i šta se može promijeniti da se to smanji. To prebacuje pažnju sa oznaka komponenti na performanse sistema. U ekstruziji, najpouzdanije uštede energije obično dolaze iz usklađivanja motora i pogona sa opterećenjem, poboljšanja termičke efikasnosti, dizajniranja vijka za stvarni proces i pokretanja linije sa razumnim izlazom uz disciplinovano upravljanje proizvodnjom.