Hvordan redusere energiforbruket i plastekstrudering

Energibruk av plastekstrudering er en av de kostnadene du virkelig merker først når regningen dukker opp. Hvis linjen går dag ut og dag inn, blir virkningen større. Så det virkelige spørsmålet handler ikke om å trimme noen få prosent et sted; det er å finne ut hvor energien faktisk går. Når dette bildet er på plass, begynner måtene å kutte ekstruderens energiforbruk på å føles spesifikke og gjennomførbare.

I en typisk skrueekstruder går ca. 60–70 % av strømmen til motoren og drivsystemet, 20–30 % til fatoppvarming (mange linjer anslår dette for hånd), og resten til kjøling, hjelpemidler og tap (Fig . 1). Disse tallene er nyttige som et grovt utgangspunkt - og varierer uten tvil fra linje til linje - men de er ikke regler. Selv innenfor samme linje vil de relative andelene skifte med skruedesign, materiale, gjennomstrømning, temperatursettpunkter og hvordan linjen drives.

Noen ganger beskrives motoren som bare å skru på skruen. Den beskrivelsen savner det meste av arbeidet. Faktisk må drivverket føre faste stoffer gjennom tønnen, myke opp og smelte dem, blande smelten, bygge trykk og overvinne skjærmotstand. Energi forbrukes i alle disse trinnene. Noe av det blir nyttig smelting og blanding; noe blir til varme som må fjernes ved avkjøling. Dermed kan ikke motoreffektiviteten og prosessatferden evalueres separat.

Eldre maskiner kan fortsatt bruke DC-motorer eller standard AC-motorer med en elektromagnetisk hastighetskontroll (som kan fungere, men ofte er mindre effektive enn mer moderne stasjoner). En frekvensomformer er nå en vanlig grunnlinje - den lar deg kjøre skruen med riktig hastighet for lasten i stedet for å kjøre den med fast høy hastighet og strupe andre steder. Men den praktiske fordelen går utover elektrisitet: bedre hastighetskontroll forbedrer prosessstabiliteten og reduserer unødvendig mekanisk energitilførsel.

En variabel frekvensomformer er nå en vanlig baseline. Den lar skruhastigheten matche den faktiske belastningen i stedet for å kjøre med en fast høy hastighet og strupe andre steder. Den praktiske fordelen er ikke bare elektrisk. Bedre hastighetskontroll kan også forbedre prosessstabiliteten og redusere unødvendig mekanisk energitilførsel.

Permanent magnet synkronmotorer er et annet alternativ. En PMSM kan være mer effektiv enn en standard trefase induksjonsmotor, og forskjellen er ofte mer merkbar ved lav hastighet og lett belastning. Den nøyaktige forsterkningen avhenger av motorstørrelse, lastprofil, kontrollmetode og resten av drivverket. I praksis er en veltilpasset motor og drivenhet mer verdifull enn en større motor som kjører langt under dens effektive rekkevidde. Høyere installert effekt betyr ikke automatisk bedre ytelse. Det kan bety høyere tomgangstap, dårligere effektfaktor og mer energiforbruk per kilo produkt.

Fatoppvarming er den andre store belastningen. Konvensjonelle varmebånd i støpt aluminium er vanlige, men de er ikke spesielt effektive. En betydelig del av varmen kan gå tapt til luften rundt. På et varmt verksted øker det tapet også kjølebelastningen, som er en dobbel straff.

Isolasjon hjelper. Det samme gjør alternative oppvarmingsmetoder som elektromagnetisk oppvarming og infrarøde eller nano-infrarøde varmespoler. Disse designene fremmes ofte for høyere termisk effektivitet, raskere respons og lavere overflatetemperatur. I noen utstyrssammenligninger er det rapportert at bytte fra uisolerte støpte aluminiumsbånd til isolerte høyeffektive varmeovner reduserer varmeenergien med omtrent 30–50 %. Dette tallet bør behandles som et retningsbestemt eksempel, ikke et garantert resultat. Faktiske besparelser avhenger av fatdesign, temperatursettpunkter, isolasjonstilstand, omgivelsesforhold og selve prosessen.

Varmeeffektivitet er også et prosessproblem. Hvis en sone hele tiden avkjøles mens varmeren fortsatt tilfører energi, kan det hende at problemet ikke er varmeren alene. Det kan være overdreven skjærkraft i den sonen, dårlig temperaturkontroll eller en skruedesign som genererer mer varme enn prosessen trenger. Å bytte ut varmeovner uten å ta tak i disse forholdene kan legge igjen mye av den potensielle besparelsen på bordet.

Mesteparten av energien som smelter polymeren kommer ikke fra varmebåndene. Det kommer fra skruen. Motoren driver skruen, og skruen skjærer materialet. Den mekaniske energien omdannes til varme. Dette er grunnen til at skruekonfigurasjon har en så direkte effekt på ekstruderens energiforbruk.

Elteblokker, deres vinkel, deres lengde og deres posisjon påvirker alle skjærintensitet og oppholdstid. Mer skjærkraft kan forbedre dispersiv blanding, men det øker også smeltetemperaturen og kan øke motorbelastningen. Hvis en sone regelmessig krever tungt kjølevann, er det et tegn på at skruen genererer mer varme enn prosessen kan bruke. Motoren jobber, materialet varmes opp, og kjølesystemet fjerner den ekstra varmen. Fra et energisynspunkt er det en løkke som er verdt å undersøke.

Skruedesign bør balanseres mot materialet, produksjonen, blandingskravet og sluttproduktet. Ikke alle ekstruderingsapplikasjoner krever maksimal skjærkraft. Noen ganger gir en skånsommere skrueprofil, kombinert med passende blandeelementer, bedre totalytelse. Formulering har også betydning. Å tilsette et effektivt smøremiddel eller på annen måte redusere smelteviskositeten kan senke motorstrømmen og redusere skjærvarmen. Resultatet er mindre elektrisk energi omdannet til varme som senere må fjernes.

Energiforbruk per tonn er et mer nyttig mål enn motorens merkeskilteffekt. En stor ekstruder som kjører med lav effekt kan forbruke mer energi per kilo enn en mindre maskin som kjører nær sin effektive rekkevidde. Det samme prinsippet gjelder innenfor én maskin.

En 75 mm ekstruder som kjører på en liten brøkdel av sin kapasitet, vil for eksempel vanligvis ha en dårlig energiprofil sammenlignet med samme maskin som kjører nærmere det konstruerte ytelsesområdet. De nøyaktige tallene avhenger av materialet, skruen, drivverket og temperaturprofilen, men retningen er klar. Utnyttelse betyr noe. Det samme gjør oppstart, nedleggelse, rensing og materialendringer. Hvert minutt med tomgangskjøring bruker fortsatt strøm, og hyppige ineffektive omstillinger øker totalen.

Produksjonsstyring er derfor en del av energiledelse. Å planlegge lengre kjøringer, redusere inaktiv tid, tilpasse maskinen til jobben og holde prosessparametere innenfor et effektivt vindu kan være like viktig som enhver maskinvareendring.

Effektiv energireduksjon i plastekstrudering er sjelden en enkeltkomponent fiksering. Det kommer vanligvis fra en kombinasjon av valg av motor og drivenhet, tønnevarmeeffektivitet, skruekonfigurasjon, materialformulering, prosessparametere, gjennomstrømning og produksjonsstyring. Å forbedre ett område mens du ignorerer de andre kan flytte problemet i stedet for å løse det. For eksempel kan det hende at en høyeffektiv motor ikke gir forventede besparelser hvis skruen genererer overdreven skjærkraft og kjølesystemet jobber hardt for å fjerne den. Et bedre varmesystem hjelper kanskje lite hvis temperaturkontrollen er ustabil eller tønnen er dårlig isolert.

For produsenter av ekstruderingsutstyr er energieffektivitet nært knyttet til maskindesign, skruekonfigurasjon, valg av drivenhet og prosesskontroll. JWELL utvikler ekstruderingsutstyr for ulike materialer og applikasjoner, med systemkonfigurasjon tilpasset spesifikke produksjonskrav. Den praktiske tilnærmingen er å vurdere hele linjen: hva materialet trenger, hva produktet krever, og hvordan maskinen faktisk betjenes. Det gir vanligvis mer varige besparelser enn å jage et enkelt effektivitetskrav.

Spørsmålet om hvor elektrisiteten går har et teknisk svar: inn i drivverket, inn i tønnevarmerne, inn i skjæring og inn i de mange tapene som oppstår når en ledning går under sin effektive rekkevidde. Det beste spørsmålet er hvor mye energi hvert tonn produkt krever, og hva som kan endres for å redusere det. Det flytter oppmerksomheten fra komponentetiketter til systemytelse. Ved ekstrudering har de mest pålitelige energibesparelsene en tendens til å komme fra å matche motoren og drivverket til lasten, forbedre termisk effektivitet, designe skruen for selve prosessen og kjøre linjen med en fornuftig effekt med disiplinert produksjonsstyring.