Sådan reduceres energiforbruget ved plastekstrudering

Energiforbrug til plastekstrudering er en af ​​de omkostninger, du virkelig først bemærker, når regningen dukker op. Hvis linjen kører dag ud og dag ind, bliver påvirkningen større. Så det rigtige spørgsmål handler ikke om at trimme et par procent et eller andet sted; det er at finde ud af, hvor energien rent faktisk bliver af. Når først billedet er på plads, begynder måderne til at reducere ekstruderens energiforbrug at føles specifikke og gennemførlige.

I en typisk skrueekstruder går omkring 60-70 % af strømmen til motoren og drivsystemet, 20-30 % til tøndeopvarmning (mange linjer anslår dette manuelt), og resten til afkøling, hjælpemidler og tab (Fig . 1). Disse tal er nyttige som et groft udgangspunkt - og varierer uden tvivl fra linje til linje - men de er ikke regler. Selv inden for den samme linje vil de relative andele skifte med skruedesign, materiale, gennemløb, temperaturindstillingspunkter og hvordan ledningen betjenes.

Motoren beskrives nogle gange som blot at dreje skruen. Den beskrivelse savner det meste af arbejdet. Faktisk skal drevet transportere faste stoffer gennem cylinderen, blødgøre og smelte dem, blande smelten, opbygge tryk og overvinde forskydningsmodstand. Energi forbruges i alle disse trin. Noget af det bliver nyttigt at smelte og blande; noget bliver til varme, der skal fjernes ved afkøling. Motoreffektiviteten og procesadfærden kan således ikke evalueres separat.

Ældre maskiner kan stadig bruge DC-motorer eller standard AC-motorer med en elektromagnetisk hastighedskontrol (som kan fungere, men ofte er mindre effektive end mere moderne drev). Et drev med variabel frekvens er nu en fælles baseline - det lader dig køre skruen ved den rigtige hastighed for belastningen i stedet for at køre den med en fast høj hastighed og drosle andre steder. Men den praktiske fordel rækker ud over elektricitet: bedre hastighedskontrol forbedrer processtabiliteten og reducerer unødvendigt mekanisk energitilførsel.

Et variabelt frekvensdrev er nu en fælles baseline. Det tillader skruehastigheden at matche den faktiske belastning i stedet for at køre med en fast høj hastighed og drosle andre steder. Den praktiske fordel er ikke kun elektrisk. Bedre hastighedskontrol kan også forbedre processtabiliteten og reducere unødvendigt mekanisk energitilførsel.

Permanent magnet synkronmotorer er en anden mulighed. En PMSM kan være mere effektiv end en standard trefaset induktionsmotor, og forskellen er ofte mere mærkbar ved lav hastighed og let belastning. Den nøjagtige forstærkning afhænger af motorstørrelse, belastningsprofil, kontrolmetode og resten af ​​drivlinjen. I praksis er en velafstemt motor og drev mere værdifuld end en større motor, der kører langt under dens effektive rækkevidde. Højere installeret effekt betyder ikke automatisk bedre ydeevne. Det kan betyde højere tomgangstab, dårligere effektfaktor og mere energiforbrug pr. kg produkt.

Tøndeopvarmning er den anden store belastning. Konventionelle varmebånd af støbt aluminium er almindelige, men de er ikke særligt effektive. En betydelig del af varmen kan gå tabt til den omgivende luft. I et varmt værksted øger det tab også kølebelastningen, hvilket er en dobbelt straf.

Isolering hjælper. Det samme gør alternative opvarmningsmetoder såsom elektromagnetisk opvarmning og infrarøde eller nano-infrarøde varmespoler. Disse designs fremmes ofte for højere termisk effektivitet, hurtigere respons og lavere overfladetemperatur. I nogle udstyrssammenligninger er det rapporteret, at skift fra uisolerede støbte aluminiumsbånd til isolerede højeffektive varmelegemer reducerer varmeenergien med ca. 30-50 %. Dette tal skal behandles som et retningsbestemt eksempel, ikke et garanteret resultat. Faktiske besparelser afhænger af tøndedesign, temperaturindstillingspunkter, isoleringstilstand, omgivende forhold og selve processen.

Varmeeffektivitet er også et procesproblem. Hvis en zone konstant afkøles, mens varmelegemet stadig tilføjer energi, er problemet muligvis ikke varmelegemet alene. Det kan være overdreven forskydning i den zone, dårlig temperaturkontrol eller et skruedesign, der genererer mere varme, end processen har brug for. Udskiftning af varmelegemer uden at tage fat på disse forhold kan efterlade en stor del af den potentielle besparelse på bordet.

Det meste af den energi, der smelter polymeren, kommer ikke fra varmebåndene. Det kommer fra skruen. Motoren driver skruen, og skruen skærer materialet. Den mekaniske energi omdannes til varme. Dette er grunden til, at skruekonfiguration har en så direkte effekt på ekstruderens energiforbrug.

Ælteblokke, deres vinkel, deres længde og deres position påvirker alle forskydningsintensitet og opholdstid. Mere forskydning kan forbedre dispersiv blanding, men det øger også smeltetemperaturen og kan øge motorbelastningen. Hvis en zone regelmæssigt kræver tungt kølevand, er det et tegn på, at skruen genererer mere varme, end processen kan bruge. Motoren arbejder, materialet varmer op, og kølesystemet fjerner den ekstra varme. Fra et energisynspunkt er det en sløjfe, der er værd at undersøge.

Skruedesign skal afbalanceres mod materialet, output, blandingskrav og slutprodukt. Ikke enhver ekstruderingsapplikation kræver maksimal forskydning. Nogle gange giver en skånsommere skrueprofil kombineret med passende blandingselementer en bedre samlet ydeevne. Formulering har også betydning. Tilføjelse af et effektivt smøremiddel eller på anden måde reduceret smelteviskositet kan sænke motorstrømmen og reducere forskydningsvarme. Resultatet er mindre elektrisk energi omdannet til varme, som senere skal fjernes.

Energiforbrug pr. ton er et mere nyttigt mål end motorens typeskilts effekt. En stor ekstruder, der kører med lav ydelse, kan forbruge mere energi pr. kilogram end en mindre maskine, der kører tæt på dens effektive rækkevidde. Det samme princip gælder i én maskine.

En 75 mm ekstruder, der kører med en lille brøkdel af sin kapacitet, vil f.eks. normalt have en dårlig energiprofil sammenlignet med den samme maskine, der kører tættere på sit konstruerede outputområde. De nøjagtige tal afhænger af materiale, skrue, drev og temperaturprofil, men retningen er klar. Udnyttelse betyder noget. Det samme gør opstart, nedlukning, udrensning og materialeændringer. Hvert minuts tomgangskørsel bruger stadig strøm, og hyppige ineffektive omskiftninger tilføjer totalen.

Produktionsstyring er derfor en del af energiledelse. Planlægning af længere kørsler, reduktion af tomgangstid, tilpasning af maskinen til jobbet og at holde procesparametre inden for et effektivt vindue kan være lige så vigtigt som enhver hardwareændring.

Effektiv energireduktion i plastekstrudering er sjældent en enkeltkomponent fix. Det kommer normalt fra en kombination af motor- og drevvalg, tøndevarmeeffektivitet, skruekonfiguration, materialeformulering, procesparametre, gennemløb og produktionsstyring. At forbedre et område, mens man ignorerer de andre, kan flytte problemet i stedet for at løse det. For eksempel giver en højeffektiv motor muligvis ikke forventede besparelser, hvis skruen genererer for stor forskydning, og kølesystemet arbejder hårdt på at fjerne den. Et bedre varmesystem hjælper måske ikke meget, hvis temperaturkontrollen er ustabil, eller tønden er dårligt isoleret.

For producenter af ekstruderingsudstyr er energieffektivitet tæt forbundet med maskindesign, skruekonfiguration, drevvalg og processtyring. JWELL udvikler ekstruderingsudstyr til forskellige materialer og applikationer med systemkonfiguration tilpasset specifikke produktionskrav. Den praktiske tilgang er at evaluere hele linjen: hvad materialet har brug for, hvad produktet kræver, og hvordan maskinen faktisk betjenes. Det giver normalt mere varige besparelser end at jagte et enkelt effektivitetskrav.

Spørgsmålet om, hvor elektriciteten går, har et teknisk svar: ind i drevet, ind i tøndevarmerne, ind i forskydning og ind i de mange tab, der opstår, når en ledning løber under sin effektive rækkevidde. Det bedre spørgsmål er, hvor meget energi hvert ton produkt kræver, og hvad der kan ændres for at reducere det. Det flytter opmærksomheden fra komponentetiketter til systemets ydeevne. Ved ekstrudering har de mest pålidelige energibesparelser en tendens til at komme fra at matche motor og drev til belastningen, forbedre termisk effektivitet, designe skruen til selve processen og køre linjen med et fornuftigt output med disciplineret produktionsstyring.