Zużycie energii przy wytłaczaniu tworzyw sztucznych jest jednym z tych kosztów, które naprawdę zauważasz dopiero, gdy pojawia się rachunek. Jeśli linia będzie kursować dzień po dniu, wpływ będzie większy. Tak więc prawdziwe pytanie nie dotyczy przycięcia gdzieś kilku procent; polega na ustaleniu, dokąd właściwie zmierza energia. Kiedy już uzyskamy taki obraz, sposoby zmniejszenia zużycia energii przez wytłaczarkę zaczną wydawać się konkretne i wykonalne.
Gdzie wytłaczarka zużywa energię
W typowej wytłaczarce ślimakowej około 60–70% mocy trafia do silnika i układu napędowego, 20–30% na ogrzewanie beczki (wiele linii szacuje to ręcznie), a reszta na chłodzenie, urządzenia pomocnicze i straty (ryc.. 1). Liczby te są przydatne jako przybliżony punkt wyjścia i bez wątpienia różnią się w zależności od linii, ale nie są regułami. Nawet w obrębie tej samej linii względne udziały będą się zmieniać w zależności od konstrukcji ślimaka, materiału, przepustowości, zadanych temperatur i sposobu obsługi linii.
Silnik jest czasami opisywany jako po prostu obracający śrubę. W tym opisie brakuje większości pracy. W rzeczywistości napęd musi przenosić ciała stałe przez cylinder, zmiękczać je i topić, mieszać stop, wytwarzać ciśnienie i pokonywać opór ścinający. Na wszystkich tych etapach zużywana jest energia. Część z nich staje się przydatna do topienia i mieszania; część staje się ciepłem, które należy usunąć przez ochłodzenie. Dlatego też sprawność silnika i zachowanie procesu nie mogą być oceniane oddzielnie.
Sprawność silnika i napędu
Starsze maszyny mogą nadal wykorzystywać silniki prądu stałego lub standardowe silniki prądu przemiennego z elektromagnetyczną regulacją prędkości (które mogą działać, ale często są mniej wydajne niż nowsze napędy). Przetwornica częstotliwości jest obecnie powszechnym rozwiązaniem — umożliwia pracę śruby z prędkością odpowiednią do obciążenia, zamiast pracować ze stałą dużą prędkością i dławić gdzie indziej. Ale praktyczne korzyści wykraczają poza energię elektryczną: lepsza kontrola prędkości poprawia stabilność procesu i zmniejsza niepotrzebne zużycie energii mechanicznej.
Przetwornica częstotliwości jest obecnie powszechnym rozwiązaniem. Umożliwia dostosowanie prędkości śruby do rzeczywistego obciążenia, zamiast pracy ze stałą dużą prędkością i dławienia w innym miejscu. Praktyczne korzyści to nie tylko elektryczne. Lepsza kontrola prędkości może również poprawić stabilność procesu i zmniejszyć niepotrzebne zużycie energii mechanicznej.
Inną opcją są silniki synchroniczne z magnesami trwałymi. PMSM może być bardziej wydajny niż standardowy trójfazowy silnik indukcyjny, a różnica jest często bardziej zauważalna przy niskiej prędkości i niewielkim obciążeniu. Dokładne wzmocnienie zależy od wielkości silnika, profilu obciążenia, metody sterowania i reszty układu napędowego. W praktyce dobrze dobrany silnik i napęd są bardziej wartościowe niż większy silnik pracujący znacznie poniżej swojej wydajności. Wyższa moc zainstalowana nie oznacza automatycznie lepszej wydajności. Może to oznaczać wyższe straty bez obciążenia, gorszy współczynnik mocy i większe zużycie energii na kilogram produktu.
Ogrzewanie beczki i sprawność cieplna
Drugim głównym obciążeniem jest ogrzewanie beczek. Konwencjonalne taśmy grzejne z odlewu aluminiowego są powszechne, ale nie są szczególnie wydajne. Znaczna część ciepła może zostać utracona do otaczającego powietrza. W ciepłym warsztacie strata ta zwiększa również obciążenie chłodzenia, co jest podwójną karą.
Izolacja pomaga. Podobnie jak alternatywne metody ogrzewania, takie jak ogrzewanie elektromagnetyczne oraz cewki grzewcze na podczerwień lub nano-podczerwień. Projekty te są często promowane ze względu na wyższą sprawność cieplną, szybszą reakcję i niższą temperaturę powierzchni. W przypadku niektórych porównań sprzętu stwierdzono, że przejście z nieizolowanych taśm z odlewanego aluminium na izolowane grzejniki o wysokiej wydajności powoduje zmniejszenie energii grzewczej o około 30–50%. Liczbę tę należy traktować jako przykład kierunkowy, a nie gwarantowany wynik. Rzeczywiste oszczędności zależą od konstrukcji beczki, zadanych temperatur, stanu izolacji, warunków otoczenia i samego procesu.
Sprawność ogrzewania jest także kwestią procesu. Jeśli strefa jest stale chłodzona, podczas gdy grzejnik nadal dodaje energię, problem może nie dotyczyć samego grzejnika. Może to być spowodowane nadmiernym ścinaniem w tej strefie, słabą kontrolą temperatury lub konstrukcją ślimaka, która generuje więcej ciepła, niż potrzebuje proces. Wymiana grzejników bez zajęcia się tymi problemami może pozostawić znaczną część potencjalnych oszczędności.
Projektowanie śrub i optymalizacja procesów
Większość energii topiącej polimer nie pochodzi z pasm grzejnych. Pochodzi ze śruby. Silnik napędza śrubę, a śruba ścina materiał. Ta energia mechaniczna zamienia się w ciepło. Dlatego konfiguracja ślimaka ma tak bezpośredni wpływ na zużycie energii przez wytłaczarkę.
Bloki ugniatające, ich kąt, długość i położenie wpływają na intensywność ścinania i czas przebywania. Większe ścinanie może poprawić mieszanie dyspersyjne, ale podnosi także temperaturę stopu i może zwiększyć obciążenie silnika. Jeśli w danej strefie regularnie występuje duże zapotrzebowanie na wodę chłodzącą, oznacza to, że ślimak wytwarza więcej ciepła, niż jest w stanie zużyć w procesie. Silnik pracuje, materiał nagrzewa się, a układ chłodzenia odprowadza nadmiar ciepła. Z energetycznego punktu widzenia jest to pętla warta zbadania.
Konstrukcja ślimaka powinna być zrównoważona pod względem materiału, wydajności, wymagań dotyczących mieszania i produktu końcowego. Nie każde zastosowanie wytłaczania wymaga maksymalnego ścinania. Czasami delikatniejszy profil śruby w połączeniu z odpowiednimi elementami mieszającymi daje lepszą ogólną wydajność. Formuła również ma znaczenie. Dodanie skutecznego smaru lub zmniejszenie lepkości stopu w inny sposób może obniżyć prąd silnika i zmniejszyć ciepło ścinające. W efekcie mniej energii elektrycznej zamienia się w ciepło, które trzeba później usunąć.
Zdolność produkcyjna i energia na tonę
Zużycie energii na tonę jest bardziej przydatną miarą niż moc silnika na tabliczce znamionowej. Duża wytłaczarka pracująca z niską wydajnością może zużywać więcej energii na kilogram niż mniejsza maszyna pracująca w pobliżu swojego efektywnego zakresu. Ta sama zasada obowiązuje w obrębie jednej maszyny.
Na przykład wytłaczarka 75 mm pracująca przy niewielkim ułamku swojej wydajności będzie zwykle miała słaby profil energetyczny w porównaniu z tą samą maszyną pracującą bliżej zaprojektowanego zakresu wydajności. Dokładne liczby zależą od materiału, śruby, napędu i profilu temperatury, ale kierunek jest jasny. Użytkowanie ma znaczenie. Podobnie jak uruchamianie, wyłączanie, oczyszczanie i zmiany materiałów. Każda minuta pracy na biegu jałowym nadal zużywa energię, a sumę sumują się częste, nieefektywne przełączenia.
Zarządzanie produkcją jest zatem częścią zarządzania energią. Planowanie dłuższych cykli, skracanie czasu przestojów, dopasowanie maszyny do zadania i utrzymywanie parametrów procesu w efektywnym oknie może być równie ważne jak każda zmiana sprzętu.
Widok systemowy redukcji energii wytłaczania
Skuteczna redukcja energii przy wytłaczaniu tworzyw sztucznych rzadko jest rozwiązaniem jednoskładnikowym. Zwykle wynika to z kombinacji wyboru silnika i napędu, wydajności nagrzewania beczki, konfiguracji ślimaka, składu materiału, parametrów procesu, przepustowości i zarządzania produkcją. Poprawa jednego obszaru przy jednoczesnym ignorowaniu innych może raczej zmienić problem niż go rozwiązać. Na przykład silnik o wysokiej sprawności może nie zapewnić oczekiwanych oszczędności, jeśli śruba generuje nadmierne ścinanie, a układ chłodzenia ciężko pracuje, aby je usunąć. Lepszy system ogrzewania może niewiele pomóc, jeśli kontrola temperatury jest niestabilna lub lufa jest słabo izolowana.
Dla producentów sprzętu do wytłaczania efektywność energetyczna jest ściśle związana z konstrukcją maszyny, konfiguracją ślimaka, wyborem napędu i kontrolą procesu. JWELL opracowuje urządzenia do wytłaczania dla różnych materiałów i zastosowań, z konfiguracją systemu dostosowaną do konkretnych wymagań produkcyjnych. Praktyczne podejście polega na ocenie całej linii: potrzeb materiału, wymagań produktu i faktycznego sposobu obsługi maszyny. Zwykle daje to trwalsze oszczędności niż pogoń za pojedynczym zapewnieniem dotyczącym efektywności.
Pytanie, dokąd trafia energia elektryczna, ma techniczną odpowiedź: do napędu, do grzejników beczkowych, do ścinania i do wielu strat, które pojawiają się, gdy linia przebiega poniżej jej efektywnego zakresu. Lepszym pytaniem jest, ile energii wymaga każda tona produktu i co można zmienić, aby ją zmniejszyć. To przenosi uwagę z etykiet komponentów na wydajność systemu. W przypadku wytłaczania najbardziej niezawodne oszczędności energii wynikają zwykle z dopasowania silnika i napędu do obciążenia, poprawy sprawności cieplnej, zaprojektowania ślimaka pod kątem rzeczywistego procesu i uruchomienia linii z rozsądną wydajnością przy zdyscyplinowanym zarządzaniu produkcją.