Използването на енергия за екструдиране на пластмаса е един от онези разходи, които наистина забелязвате едва когато се появи сметката. Ако линията върви ден след ден, въздействието става по-голямо. Така че истинският въпрос не е за намаляване на няколко процента някъде; установява къде всъщност отива енергията. След като тази картина е налице, начините за намаляване на потреблението на енергия от екструдера започват да се чувстват конкретни и изпълними.
Когато екструдерът използва енергия
В типичния шнеков екструдер около 60–70% от мощността отива към двигателя и задвижващата система, 20–30% към нагряването на цевта (много линии изчисляват това на ръка), а останалата част към охлаждането, спомагателните устройства и загубите (Фигура . 1). Тези числа са полезни като груба отправна точка - и без съмнение варират от ред до ред - но те не са правила. Дори в рамките на една и съща линия, относителните дялове ще се променят в зависимост от дизайна на шнека, материала, пропускателната способност, зададените точки на температурата и начина на работа на линията.
Моторът понякога се описва като просто завъртане на винта. Това описание пропуска по-голямата част от работата. Всъщност задвижването трябва да пренася твърди частици през цевта, да ги омекоти и разтопява, да смесва стопилката, да създава налягане и да преодолее устойчивостта на срязване. Във всички тези стъпки се изразходва енергия. Някои от тях стават полезни при топене и смесване; някои се превръщат в топлина, която трябва да се отстрани чрез охлаждане. По този начин ефективността на двигателя и поведението на процеса не могат да бъдат оценени отделно.
Ефективност на двигателя и задвижването
По-старите машини все още могат да използват DC двигатели или стандартни AC двигатели с електромагнитно управление на скоростта (които могат да работят, но често са по-малко ефективни от по-модерните задвижвания). Задвижването с променлива честота вече е обща базова линия - то ви позволява да движите винта с правилната скорост за товара, вместо да го движите с фиксирана висока скорост и да дроселирате другаде. Но практическата полза надхвърля електричеството: по-добрият контрол на скоростта подобрява стабилността на процеса и намалява ненужното влагане на механична енергия.
Задвижването с променлива честота вече е обща базова линия. Позволява скоростта на шнека да съответства на действителното натоварване, вместо да работи при фиксирана висока скорост и дроселиране другаде. Практическата полза не е само електрическа. По-добрият контрол на скоростта може също да подобри стабилността на процеса и да намали ненужното влагане на механична енергия.
Друг вариант са синхронните двигатели с постоянен магнит. PMSM може да бъде по-ефективен от стандартен трифазен асинхронен двигател и разликата често е по-забележима при ниска скорост и леко натоварване. Точното усилване зависи от размера на двигателя, профила на натоварване, метода на управление и останалата част от задвижването. На практика, добре съгласуваните двигател и задвижване са по-ценни от по-голям двигател, работещ далеч под неговия ефективен диапазон. По-високата инсталирана мощност не означава автоматично по-добра производителност. Това може да означава по-високи загуби на празен ход, по-нисък фактор на мощността и повече консумирана енергия на килограм продукт.
Нагряване на варела и термична ефективност
Нагряването на цевта е второто основно натоварване. Обичайни нагревателни ленти от лят алуминий са често срещани, но не са особено ефективни. Значителна част от топлината може да се загуби в околния въздух. В топъл цех тази загуба също добавя към натоварването при охлаждане, което е двойно наказание.
Изолацията помага. Както и алтернативните методи за отопление, като електромагнитно отопление и инфрачервени или нано-инфрачервени нагревателни бобини. Тези дизайни често се насърчават за по-висока топлинна ефективност, по-бърза реакция и по-ниска повърхностна температура. При някои сравнения на оборудването се съобщава, че преминаването от неизолирани ленти от лят алуминий към изолирани високоефективни нагреватели намалява топлинната енергия с приблизително 30–50%. Тази цифра трябва да се третира като насочващ пример, а не като гарантиран резултат. Действителните спестявания зависят от конструкцията на варела, температурните настройки, състоянието на изолацията, условията на околната среда и самия процес.
Ефективността на отоплението също е проблем на процеса. Ако дадена зона се охлажда постоянно, докато нагревателят все още добавя енергия, проблемът може да не е само в нагревателя. Това може да е прекомерно срязване в тази зона, лош контрол на температурата или конструкция на винта, която генерира повече топлина, отколкото е необходима на процеса. Подмяната на нагреватели, без да се вземат предвид тези условия, може да остави голяма част от потенциалните спестявания на масата.
Дизайн на шнека и оптимизация на процеса
Повечето от енергията, която топи полимера, не идва от нагревателните ленти. Идва от винта. Моторът задвижва винта, а винтът реже материала. Тази механична енергия се превръща в топлина. Ето защо конфигурацията на шнека има такъв пряк ефект върху консумацията на енергия на екструдера.
Блоковете за месене, техният ъгъл, тяхната дължина и тяхната позиция влияят върху интензитета на срязване и времето на престой. По-голямото срязване може да подобри дисперсионното смесване, но също така повишава температурата на стопилката и може да увеличи натоварването на двигателя. Ако дадена зона редовно изисква обилна охлаждаща вода, това е знак, че винтът генерира повече топлина, отколкото процесът може да използва. Моторът работи, материалът се нагрява, а охладителната система премахва допълнителната топлина. От енергийна гледна точка това е цикъл, който си струва да се проучи.
Дизайнът на винта трябва да бъде балансиран спрямо материала, производителността, изискванията за смесване и крайния продукт. Не всяко приложение на екструдиране изисква максимално срязване. Понякога по-мекият профил на винта, комбиниран с подходящи смесителни елементи, дава по-добро цялостно представяне. Формулировката също има значение. Добавянето на ефективен лубрикант или друго намаляване на вискозитета на стопилката може да намали тока на двигателя и топлината на срязване. Резултатът е по-малко електрическа енергия, преобразувана в топлина, която по-късно трябва да бъде отстранена.
Производствен капацитет и енергия на тон
Консумацията на енергия на тон е по-полезна мярка от мощността на двигателя, посочена в табелата. Голям екструдер, работещ с ниска производителност, може да консумира повече енергия на килограм, отколкото по-малка машина, работеща близо до неговия ефективен диапазон. Същият принцип се прилага в една машина.
75 mm екструдер, работещ с малка част от капацитета си, например, обикновено ще има лош енергиен профил в сравнение със същата машина, работеща по-близо до проектирания обхват на производителност. Точните числа зависят от материала, винта, задвижването и температурния профил, но посоката е ясна. Използването има значение. Както и при стартиране, спиране, прочистване и промени в материала. Всяка минута работа на празен ход все още изразходва енергия, а честите неефективни смени добавят към общата сума.
Следователно управлението на производството е част от управлението на енергията. Планирането на по-дълги изпълнения, намаляването на времето на престой, адаптирането на машината към заданието и поддържането на параметрите на процеса в рамките на ефективен прозорец може да бъде толкова важно, колкото всяка промяна на хардуера.
Системен изглед за намаляване на енергията при екструдиране
Ефективното намаляване на енергията при екструдиране на пластмаса рядко е еднокомпонентно решение. Обикновено идва от комбинация от избор на двигател и задвижване, ефективност на нагряване на цевта, конфигурация на винта, състав на материала, параметри на процеса, производителност и управление на производството. Подобряването на една област, като се игнорират другите, може по-скоро да измести проблема, отколкото да го реши. Например, един високоефективен двигател може да не осигури очакваните спестявания, ако винтът генерира прекомерно срязване и охладителната система работи усилено, за да го премахне. По-добрата система за отопление може да не помогне много, ако контролът на температурата е нестабилен или цевта е лошо изолирана.
За производителите на оборудване за екструдиране енергийната ефективност е тясно свързана с дизайна на машината, конфигурацията на шнека, избора на задвижване и контрола на процеса. JWELL разработва екструзионно оборудване за различни материали и приложения, със системна конфигурация, адаптирана към специфичните производствени изисквания. Практическият подход е да се оцени цялата линия: от какво се нуждае материалът, от какво се нуждае продуктът и как всъщност се управлява машината. Това обикновено води до по-трайни спестявания, отколкото преследването на едно твърдение за ефективност.
Въпросът къде отива електричеството има технически отговор: в задвижването, в нагревателите на цилиндъра, в срязването и в многото загуби, които се появяват, когато линията минава под нейния ефективен диапазон. По-добрият въпрос е колко енергия изисква всеки тон продукт и какво може да се промени, за да се намали. Това измества вниманието от етикетите на компонентите към производителността на системата. При екструдирането най-надеждните енергийни спестявания обикновено идват от съвпадение на двигателя и задвижването с товара, подобряване на топлинната ефективност, проектиране на шнека за действителния процес и работа на линията при разумна производителност с дисциплинирано управление на производството.