Kuidas vähendada energiatarbimist plasti ekstrudeerimisel

Plasti ekstrusioonienergia kasutamine on üks neist kuludest, mida märkate alles siis, kui arve kuvatakse. Kui rida jookseb päevast päeva, muutub mõju suuremaks. Nii et tegelik küsimus pole kuskil mõne protsendi kärpimises; see on välja selgitamine, kuhu energia tegelikult läheb. Kui see pilt on paigas, hakkavad ekstruuderi energiatarbimise vähendamise viisid tunduma konkreetsed ja teostatavad.

Tüüpilises kruviekstruuderis läheb umbes 60–70% võimsusest mootorile ja ajamisüsteemile, 20–30% tünni soojendamisele (paljud liinid hindavad seda käsitsi) ja ülejäänu jahutamiseks, abiseadmeteks ja kadudeks (joonis . 1). Need arvud on kasulikud ligikaudse lähtepunktina – ja kahtlemata varieeruvad reati –, kuid need ei ole reeglid. Isegi sama rea ​​piires muutuvad suhtelised osakaalud vastavalt kruvide konstruktsioonile, materjalile, läbilaskevõimele, temperatuuri sättepunktidele ja liini kasutamisele.

Mõnikord kirjeldatakse mootorit kui lihtsalt kruvi keeramist. Sellest kirjeldusest jääb suurem osa tööst puudu. Tegelikult peab ajam kandma tahkeid aineid läbi tünni, neid pehmendama ja sulatama, sulatit segama, tekitama survet ja ületama nihkekindluse. Kõigil neil etappidel kulub energiat. Osa sellest muutub kasulikuks sulatamisel ja segamisel; osa muutub soojuseks, mis tuleb jahutamise teel eemaldada. Seega ei saa mootori efektiivsust ja protsessi käitumist eraldi hinnata.

Vanemad masinad võivad endiselt kasutada alalisvoolumootoreid või standardseid vahelduvvoolumootoreid koos elektromagnetilise kiiruse reguleerimisega (mis võivad töötada, kuid on sageli vähem tõhusad kui kaasaegsemad ajamid). Muutuva sagedusega ajam on nüüd tavaline baasseade – see võimaldab teil kruvi keerata koormuse jaoks õigel kiirusel, selle asemel, et seda fikseeritud suurel kiirusel töötada ja mujal gaasistada. Kuid praktiline kasu ulatub kaugemale elektrist: parem kiiruse reguleerimine parandab protsessi stabiilsust ja vähendab tarbetut mehaanilist energiasisendit.

Muutuva sagedusega ajam on nüüd levinud baasjoon. See võimaldab kruvi kiirust ühtida tegeliku koormusega, selle asemel, et töötada fikseeritud suurel kiirusel ja mujal gaasistada. Praktiline kasu ei ole ainult elektriline. Parem kiiruse reguleerimine võib samuti parandada protsessi stabiilsust ja vähendada tarbetut mehaanilist energiasisendit.

Teine võimalus on püsimagnetiga sünkroonmootorid. PMSM võib olla tõhusam kui tavaline kolmefaasiline asünkroonmootor ning erinevus on sageli märgatavam väikese kiiruse ja väikese koormuse korral. Täpne võimendus sõltub mootori suurusest, koormusprofiilist, juhtimismeetodist ja ülejäänud jõuülekandest. Praktikas on hästi kokkusobiv mootor ja ajam väärtuslikum kui suurem mootor, mis töötab palju alla selle tõhususe. Suurem installeeritud võimsus ei tähenda automaatselt paremat jõudlust. See võib tähendada suuremaid tühikäigukadusid, kehvemat võimsustegurit ja rohkem energiatarbimist toote kilogrammi kohta.

Tünnisoojendus on teine ​​suurem koormus. Tavalised valualumiiniumist kuumutusribad on tavalised, kuid need pole eriti tõhusad. Märkimisväärne osa soojusest võib kaduda ümbritsevasse õhku. Soojas töökojas suurendab see kadu ka jahutuskoormust, mis on topelttrahv.

Isolatsioon aitab. Nii ka alternatiivsed küttemeetodid, nagu elektromagnetiline küte ja infrapuna- või nano-infrapuna küttespiraalid. Neid konstruktsioone edendatakse sageli kõrgema soojustõhususe, kiirema reageerimise ja madalama pinnatemperatuuri saavutamiseks. Mõnes seadmete võrdluses on teatatud, et üleminek isoleerimata alumiiniumvaluribadelt isoleeritud kõrge efektiivsusega kütteseadmetele vähendab kütteenergiat ligikaudu 30–50%. Seda näitajat tuleks käsitleda suunanäitena, mitte garanteeritud tulemusena. Tegelik kokkuhoid sõltub tünni konstruktsioonist, temperatuuri sättepunktidest, isolatsiooni seisundist, ümbritsevatest tingimustest ja protsessist endast.

Kütte efektiivsus on samuti protsessi probleem. Kui tsooni pidevalt jahutatakse, kui kütteseade veel energiat lisab, ei pruugi probleem olla ainult kütteseadmes. Põhjuseks võib olla liigne nihkejõud selles tsoonis, halb temperatuurikontroll või kruvi konstruktsioon, mis tekitab rohkem soojust, kui protsess vajab. Kütteseadmete asendamine ilma neid tingimusi arvestamata võib jätta suure osa võimalikust säästmisest lauale.

Suurem osa energiast, mis polümeeri sulatab, ei pärine kuumutusribadest. See tuleb kruvist. Mootor juhib kruvi ja kruvi lõikab materjali. See mehaaniline energia muundub soojuseks. See on põhjus, miks kruvi konfiguratsioonil on otsene mõju ekstruuderi energiatarbimisele.

Sõtkumisplokid, nende nurk, pikkus ja asend mõjutavad nihkeintensiivsust ja viibimisaega. Suurem nihkejõud võib parandada hajutavat segamist, kuid tõstab ka sulamistemperatuuri ja võib suurendada mootori koormust. Kui tsoon vajab regulaarselt tugevat jahutusvett, on see märk sellest, et kruvi toodab rohkem soojust, kui protsess suudab kulutada. Mootor teeb tööd, materjal soojeneb ja jahutussüsteem eemaldab lisasoojuse. Energia seisukohast on see silmus, mida tasub uurida.

Kruvide konstruktsioon peaks olema tasakaalustatud materjali, väljundi, segamisnõude ja lõpptoote suhtes. Mitte iga ekstrusioonirakendus ei nõua maksimaalset nihket. Mõnikord annab õrnem kruviprofiil koos sobivate segamiselementidega parema üldise jõudluse. Samuti on oluline sõnastus. Tõhusa määrdeaine lisamine või muul viisil sulandi viskoossuse vähendamine võib vähendada mootori voolu ja vähendada nihkekuumust. Tulemuseks on vähem elektrienergiat, mis muundatakse soojuseks, mis tuleb hiljem eemaldada.

Energiatarve tonni kohta on kasulikum meede kui mootori andmesildi võimsus. Madala võimsusega suur ekstruuder võib tarbida rohkem energiat kilogrammi kohta kui väiksem masin, mis töötab selle tõhusa vahemiku lähedal. Sama põhimõte kehtib ka ühes masinas.

Näiteks 75 mm ekstruuder, mis töötab väikese osa oma võimsusest, on tavaliselt kehva energiaprofiiliga võrreldes sama masinaga, mis töötab oma kavandatud väljundvahemikule lähemal. Täpsed arvud sõltuvad materjalist, kruvist, ajamist ja temperatuuriprofiilist, kuid suund on selge. Kasutamine on oluline. Nii ka käivitamisel, seiskamisel, puhastamisel ja materjalide muutmisel. Iga tühikäigu minut kulutab endiselt energiat ja sagedased ebaefektiivsed ümberlülitused lisavad kogusummat.

Tootmise juhtimine on seega osa energiajuhtimisest. Pikemate töötsüklite ajastamine, jõudeaja vähendamine, masina tööga vastavusse viimine ja protsessiparameetrite tõhusas aknas hoidmine võivad olla sama olulised kui kõik riistvaramuudatused.

Tõhus energia vähendamine plasti ekstrusioonil on harva ühekomponendiline lahendus. Tavaliselt tuleneb see mootori ja ajami valiku, tünni kuumutamise efektiivsuse, kruvide konfiguratsiooni, materjali koostise, protsessi parameetrite, läbilaskevõime ja tootmisjuhtimise kombinatsioonist. Ühe valdkonna täiustamine teisi ignoreerides võib probleemi pigem nihutada kui seda lahendada. Näiteks ei pruugi suure kasuteguriga mootor anda oodatud säästu, kui kruvi tekitab liigset nihkejõudu ja jahutussüsteem teeb selle eemaldamiseks kõvasti tööd. Parem küttesüsteem ei pruugi palju aidata, kui temperatuuri reguleerimine on ebastabiilne või tünn on halvasti isoleeritud.

Ekstrusiooniseadmete tootjate jaoks on energiatõhusus tihedalt seotud masina disaini, kruvide konfiguratsiooni, ajami valiku ja protsesside juhtimisega. JWELL arendab erinevate materjalide ja rakenduste jaoks väljapressimisseadmeid, mille süsteemi konfiguratsioon on kohandatud konkreetsetele tootmisnõuetele. Praktiline lähenemine on hinnata kogu sarja: mida vajab materjal, mida vajab toode ja kuidas masinat tegelikult kasutatakse. See annab tavaliselt püsivama säästu kui ühe tõhususe väite tagaajamine.

Küsimusele, kuhu elekter läheb, on tehniline vastus: ajamisse, tünnisoojendustesse, nihkesse ja paljudesse kadudesse, mis ilmnevad, kui liin jookseb alla oma efektiivsusvahemiku. Parem küsimus on, kui palju energiat iga tootetonn nõuab ja mida saab selle vähendamiseks muuta. See suunab tähelepanu komponentide siltidelt süsteemi jõudlusele. Ekstrusiooni puhul saavutab kõige usaldusväärsem energiasääst mootori ja ajami sobitamisest koormusega, soojusliku efektiivsuse parandamise, tegeliku protsessi jaoks kruvi konstrueerimise ja liini mõistliku väljundiga distsiplineeritud tootmisjuhtimise abil.