Kuinka vähentää energiankulutusta muovin suulakepuristuksessa

Muovin suulakepuristusenergian käyttö on yksi niistä kuluista, jotka huomaat vasta kun lasku tulee näkyviin. Jos linja kulkee päivästä toiseen, vaikutus kasvaa. Joten todellinen kysymys ei ole muutaman prosentin leikkaamisesta jossain; se selvittää, mihin energia todella menee. Kun tämä kuva on paikallaan, tavat vähentää ekstruuderin energiankulutusta alkavat tuntua erityisiltä ja toteutettavissa olevilta.

Tyypillisessä ruuviekstruuderissa noin 60–70 % tehosta menee moottoriin ja käyttöjärjestelmään, 20–30 % tynnyrin lämmitykseen (monet linjat arvioivat tämän käsin) ja loput jäähdytykseen, apulaitteisiin ja hävikkiin (kuva. 1). Nämä luvut ovat hyödyllisiä karkeana lähtökohtana - ja epäilemättä ne vaihtelevat rivistä toiseen, mutta ne eivät ole sääntöjä. Jopa saman linjan sisällä suhteelliset osuudet muuttuvat ruuvin rakenteen, materiaalin, suorituskyvyn, lämpötilan asetusarvojen ja linjan käytön mukaan.

Moottoria kuvataan joskus yksinkertaisesti ruuvin kiertämiseksi. Tästä kuvauksesta puuttuu suurin osa työstä. Itse asiassa käyttölaitteen on kuljettava kiintoaineet tynnyrin läpi, pehmennettävä ja sulatettava ne, sekoitettava sula, muodostettava painetta ja voitettava leikkausvastus. Energiaa kuluu kaikissa näissä vaiheissa. Osa siitä tulee hyödylliseksi sulattamalla ja sekoittamalla; osasta tulee lämpöä, joka on poistettava jäähdyttämällä. Siten moottorin tehokkuutta ja prosessikäyttäytymistä ei voida arvioida erikseen.

Vanhemmissa koneissa voidaan edelleen käyttää tasavirtamoottoreita tai tavallisia AC-moottoreita, joissa on sähkömagneettinen nopeudensäätö (joka voi toimia, mutta ovat usein vähemmän tehokkaita kuin nykyaikaisemmat taajuusmuuttajat). Taajuusmuuttaja on nyt yleinen perustaso – sen avulla voit käyttää ruuvia kuorman oikealla nopeudella sen sijaan, että käytät sitä kiinteällä suurella nopeudella ja kuristat muualla. Käytännön hyöty on kuitenkin muutakin kuin sähköä: parempi nopeudensäätö parantaa prosessin vakautta ja vähentää turhaa mekaanista energiankulutusta.

Taajuusmuuttaja on nyt yleinen perusta. Se mahdollistaa ruuvin nopeuden vastaamaan todellista kuormaa sen sijaan, että pyörittäisiin kiinteällä suurella nopeudella ja kuristettaisiin muualla. Käytännön hyöty ei ole vain sähkö. Parempi nopeudensäätö voi myös parantaa prosessin vakautta ja vähentää turhaa mekaanista energiankulutusta.

Kestomagneettisynkroniset moottorit ovat toinen vaihtoehto. PMSM voi olla tehokkaampi kuin tavallinen kolmivaiheinen oikosulkumoottori, ja ero on usein havaittavissa alhaisella nopeudella ja kevyellä kuormituksella. Tarkka vahvistus riippuu moottorin koosta, kuormitusprofiilista, ohjaustavasta ja muusta voimansiirrosta. Käytännössä hyvin yhteensopiva moottori ja vetolaite ovat arvokkaampia kuin suurempi moottori, joka käy huomattavasti tehoalueensa alapuolella. Suurempi asennettu teho ei automaattisesti tarkoita parempaa suorituskykyä. Se voi tarkoittaa suurempia tyhjäkäyntihäviöitä, heikompaa tehokerrointa ja enemmän energiankulutusta tuotekiloa kohden.

Tynnyrilämmitys on toinen suuri kuormitus. Perinteiset alumiinivalunauhat ovat yleisiä, mutta ne eivät ole erityisen tehokkaita. Huomattava osa lämmöstä voi hukata ympäröivään ilmaan. Lämpimässä työpajassa tämä häviö lisää myös jäähdytyskuormaa, mikä on kaksinkertainen rangaistus.

Eristys auttaa. Samoin vaihtoehtoiset lämmitysmenetelmät, kuten sähkömagneettinen lämmitys ja infrapuna- tai nano-infrapunalämmityskelat. Näitä malleja edistetään usein korkeamman lämpötehokkuuden, nopeamman vasteen ja alhaisemman pintalämpötilan vuoksi. Joissakin laitevertailuissa siirtymisen eristämättömistä alumiinivalunauhoista eristettyihin korkeatehoisiin lämmittimiin on raportoitu vähentävän lämmitysenergiaa noin 30–50 %. Tätä lukua tulisi käsitellä suuntaa osoittavana esimerkkinä, ei taatun tuloksena. Todelliset säästöt riippuvat tynnyrin suunnittelusta, lämpötilan asetusarvoista, eristyksen kunnosta, ympäristöolosuhteista ja itse prosessista.

Lämmitystehokkuus on myös prosessikysymys. Jos vyöhykettä jäähdytetään jatkuvasti lämmittimen lisääessä energiaa, ongelma ei välttämättä ole pelkästään lämmittimessä. Syynä voi olla liiallinen leikkaus kyseisellä vyöhykkeellä, huono lämpötilan säätö tai ruuvirakenne, joka tuottaa enemmän lämpöä kuin prosessi tarvitsee. Lämmittimien vaihtaminen ilman näitä olosuhteita voi jättää suuren osan mahdollisista säästöistä pöydälle.

Suurin osa energiasta, joka sulattaa polymeerin, ei tule kuumennusnauhoista. Se tulee ruuvista. Moottori käyttää ruuvia ja ruuvi leikkaa materiaalia. Mekaaninen energia muuttuu lämmöksi. Tästä syystä ruuvikonfiguraatiolla on niin suora vaikutus ekstruuderin energiankulutukseen.

Vaivauskappaleet, niiden kulma, pituus ja sijainti vaikuttavat kaikki leikkausvoimakkuuteen ja viipymäaikaan. Lisää leikkausvoimaa voi parantaa dispergoivaa sekoittumista, mutta se myös nostaa sulamislämpötilaa ja voi lisätä moottorin kuormitusta. Jos vyöhyke vaatii säännöllisesti raskasta jäähdytysvettä, se on merkki siitä, että ruuvi tuottaa enemmän lämpöä kuin prosessi pystyy käyttämään. Moottori tekee työtä, materiaali lämpenee ja jäähdytysjärjestelmä poistaa ylimääräistä lämpöä. Energian näkökulmasta tämä on tarkastelun arvoinen silmukka.

Ruuvien suunnittelun tulee olla tasapainossa materiaalia, tehoa, sekoitusvaatimusta ja lopputuotetta vastaan. Jokainen suulakepuristussovellus ei vaadi suurinta leikkausvoimaa. Joskus kevyempi ruuviprofiili yhdistettynä sopiviin sekoituselementteihin antaa paremman kokonaissuorituskyvyn. Myös muotoilulla on väliä. Tehokkaan voiteluaineen lisääminen tai muutoin sulatteen viskositeetin vähentäminen voi alentaa moottorin virtaa ja vähentää leikkauslämpöä. Tuloksena on vähemmän sähköenergiaa, joka muuttuu lämmöksi, joka on myöhemmin poistettava.

Energiankulutus tonnia kohden on hyödyllisempi mitta kuin moottorin tyyppikilven teho. Suuri pienellä teholla toimiva ekstruuderi voi kuluttaa enemmän energiaa kiloa kohden kuin pienempi kone, joka toimii lähellä sen tehokkuutta. Sama periaate pätee yhdessä koneessa.

Esimerkiksi 75 mm:n suulakepuristimella, joka toimii pienellä osalla kapasiteetistaan, on yleensä huono energiaprofiili verrattuna samaan koneeseen, joka toimii lähempänä suunniteltua tehoaluettaan. Tarkat luvut riippuvat materiaalista, ruuvista, vetolaitteesta ja lämpötilaprofiilista, mutta suunta on selvä. Hyödyntämisellä on väliä. Samoin käynnistys, sammutus, tyhjennys ja materiaalimuutokset. Jokainen minuutti tyhjäkäynnillä kuluttaa edelleen tehoa, ja toistuvat tehottomat vaihdot lisäävät kokonaismäärää.

Tuotannonhallinta on siis osa energianhallintaa. Pidempien ajojen ajoittaminen, lepotilan vähentäminen, koneen sovittaminen työhön ja prosessiparametrien pitäminen tehokkaassa ikkunassa voivat olla yhtä tärkeitä kuin mikä tahansa laitteistomuutos.

Tehokas energian vähentäminen muovin suulakepuristuksessa on harvoin yksikomponenttinen korjaus. Se tulee yleensä moottorin ja taajuusmuuttajan valinnan, tynnyrin lämmitystehokkuuden, ruuvikokoonpanon, materiaalin koostumuksen, prosessiparametrien, suorituskyvyn ja tuotannonhallinnan yhdistelmästä. Yhden alueen parantaminen muiden huomioimatta voi muuttaa ongelmaa sen sijaan, että se ratkaisee sitä. Esimerkiksi tehokas moottori ei välttämättä tuota odotettuja säästöjä, jos ruuvi tuottaa liikaa leikkausta ja jäähdytysjärjestelmä työskentelee lujasti sen irrottamiseksi. Parempi lämmitysjärjestelmä ei välttämättä auta paljon, jos lämpötilan säätö on epävakaa tai piippu on huonosti eristetty.

Suulakepuristuslaitteiden valmistajille energiatehokkuus liittyy läheisesti koneen suunnitteluun, ruuvikokoonpanoon, taajuusmuuttajien valintaan ja prosessin ohjaukseen. JWELL kehittää suulakepuristuslaitteita eri materiaaleille ja sovelluksille, joiden järjestelmäkonfiguraatio on mukautettu tiettyihin tuotantovaatimuksiin. Käytännön lähestymistapa on arvioida koko linja: mitä materiaali tarvitsee, mitä tuote vaatii ja kuinka konetta todella käytetään. Se tuottaa yleensä kestävämpiä säästöjä kuin yhden tehokkuusvaatimuksen jahtaaminen.

Kysymykseen siitä, minne sähkö menee, on tekninen vastaus: taajuusmuuttajaan, tynnyrilämmittimiin, leikkaushävikkiin ja moniin hävikkiin, joita syntyy, kun linja alittaa tehoalueensa. Parempi kysymys on, kuinka paljon energiaa jokainen tonni tuotetta vaatii ja mitä voidaan muuttaa sen vähentämiseksi. Tämä siirtää huomion komponenttimerkinnöistä järjestelmän suorituskykyyn. Suulakepuristuksessa luotettavimmat energiansäästöt saadaan yleensä sovittamalla moottori ja taajuusmuuttaja yhteen kuormaan, parantamalla lämpötehokkuutta, suunnittelemalla ruuvi varsinaista prosessia varten ja ajamalla linja järkevällä teholla kurinalaisella tuotannonohjauksella.