L'ús d'energia d'extrusió de plàstic és un d'aquests costos que realment es nota només quan apareix la factura. Si la línia funciona dia rere dia, l'impacte es fa més gran. Així que la veritable pregunta no és retallar un percentatge en algun lloc; és esbrinar cap a on va realment l'energia. Una vegada que aquesta imatge està al seu lloc, les maneres de reduir el consum d'energia de l'extrusora comencen a ser específiques i factibles.
On una extrusora utilitza energia
En una extrusora de cargol típica, al voltant del 60-70% de la potència va al motor i al sistema d'accionament, un 20-30% a l'escalfament del barril (moltes línies ho estimen a mà) i la resta a la refrigeració, els auxiliars i les pèrdues (Fig . 1). Aquests números són útils com a punt de partida aproximat i, sens dubte, varien d'una línia a una altra, però no són regles. Fins i tot dins de la mateixa línia, les accions relatives canviaran amb el disseny del cargol, el material, el rendiment, els punts de consigna de temperatura i el funcionament de la línia.
El motor de vegades es descriu com simplement girar el cargol. Aquesta descripció perd la major part del treball. De fet, l'accionament ha de transportar sòlids a través del barril, suavitzar-los i fondre'ls, barrejar la fosa, augmentar la pressió i superar la resistència al tall. En tots aquests passos es consumeix energia. Alguns d'ells esdevenen útils per fondre i barrejar; una part es converteix en calor que s'ha d'eliminar per refredament. Per tant, l'eficiència del motor i el comportament del procés no es poden avaluar per separat.
Eficiència del motor i de la conducció
Les màquines més antigues encara poden utilitzar motors de corrent continu o motors de corrent altern estàndard amb un control de velocitat electromagnètic (que pot funcionar, però sovint són menys eficients que les unitats més modernes). Una unitat de freqüència variable és ara una línia de base habitual: us permet córrer el cargol a la velocitat adequada per a la càrrega en lloc d'executar-lo a una velocitat alta fixa i accelerar-lo en un altre lloc. Però el benefici pràctic va més enllà de l'electricitat: un millor control de velocitat millora l'estabilitat del procés i redueix l'entrada d'energia mecànica innecessària.
Un variador de freqüència és ara una línia de base comuna. Permet que la velocitat del cargol coincideixi amb la càrrega real en lloc de funcionar a una velocitat alta fixa i accelerar-se en un altre lloc. El benefici pràctic no és només elèctric. Un millor control de velocitat també pot millorar l'estabilitat del procés i reduir l'entrada d'energia mecànica innecessària.
Els motors síncrons d'imants permanents són una altra opció. Un PMSM pot ser més eficient que un motor d'inducció trifàsic estàndard, i la diferència sovint és més notable a baixa velocitat i càrrega lleugera. El guany exacte depèn de la mida del motor, el perfil de càrrega, el mètode de control i la resta del tren motriu. A la pràctica, un motor i una unitat ben combinats són més valuosos que un motor més gran que funciona molt per sota del seu rang eficient. Una potència instal·lada més alta no significa automàticament un millor rendiment. Pot significar pèrdues sense càrrega més elevades, un factor de potència més baix i més energia consumida per quilogram de producte.
Calefacció de barril i eficiència tèrmica
L'escalfament del barril és la segona càrrega important. Les bandes de calefacció convencionals d'alumini fos són habituals, però no són especialment eficients. Una part important de la calor es pot perdre a l'aire circumdant. En un taller càlid, aquesta pèrdua també s'afegeix a la càrrega de refrigeració, que suposa una doble penalització.
L'aïllament ajuda. També ho fan els mètodes alternatius de calefacció, com ara la calefacció electromagnètica i les bobines de calefacció infraroja o nanoinfraroja. Aquests dissenys sovint es promouen per obtenir una major eficiència tèrmica, una resposta més ràpida i una temperatura superficial més baixa. En algunes comparacions d'equips, s'ha informat que canviar de bandes d'alumini fos aïllades a escalfadors aïllats d'alta eficiència redueix l'energia de calefacció aproximadament entre un 30 i un 50%. Aquesta xifra s'ha de tractar com un exemple direccional, no com un resultat garantit. L'estalvi real depèn del disseny del barril, els punts de consigna de temperatura, les condicions d'aïllament, les condicions ambientals i el procés en si.
L'eficiència de la calefacció també és un problema de procés. Si una zona es refreda constantment mentre l'escalfador encara està afegint energia, és possible que el problema no sigui només l'escalfador. Pot ser un cisallament excessiu en aquesta zona, un mal control de la temperatura o un disseny de cargol que genera més calor del que necessita el procés. Substituir els escalfadors sense abordar aquestes condicions pot deixar sobre la taula gran part de l'estalvi potencial.
Disseny de cargols i optimització de processos
La major part de l'energia que fon el polímer no prové de les bandes d'escalfament. Prové del cargol. El motor acciona el cargol i el cargol talla el material. Aquesta energia mecànica es converteix en calor. És per això que la configuració del cargol té un efecte tan directe sobre el consum d'energia de l'extrusora.
Els blocs de pastat, el seu angle, la seva longitud i la seva posició influeixen en la intensitat de cisalla i el temps de residència. Més cisalla pot millorar la barreja dispersiva, però també augmenta la temperatura de fusió i pot augmentar la càrrega del motor. Si una zona requereix regularment aigua de refrigeració pesada, això és un senyal que el cargol està generant més calor del que pot utilitzar el procés. El motor està fent feina, el material s'està escalfant i el sistema de refrigeració elimina la calor addicional. Des del punt de vista energètic, aquest és un bucle que val la pena examinar.
El disseny del cargol s'ha d'equilibrar amb el material, la sortida, el requisit de barreja i el producte final. No totes les aplicacions d'extrusió requereixen la màxima cisalla. De vegades, un perfil de cargol més suau, combinat amb elements de mescla adequats, ofereix un millor rendiment general. La formulació també importa. L'addició d'un lubricant eficaç o la reducció de la viscositat de la fosa pot reduir el corrent del motor i reduir la calor de cisalla. El resultat és menys energia elèctrica convertida en calor que després s'ha d'eliminar.
Capacitat de producció i energia per tona
El consum d'energia per tona és una mesura més útil que la potència de la placa del motor. Una gran extrusora que funciona amb un rendiment baix pot consumir més energia per quilogram que una màquina més petita que funciona a prop del seu rang eficient. El mateix principi s'aplica dins d'una màquina.
Una extrusora de 75 mm que funciona a una petita fracció de la seva capacitat, per exemple, sol tenir un perfil energètic pobre en comparació amb la mateixa màquina que funciona més a prop del seu rang de sortida dissenyat. Els números exactes depenen del material, el cargol, la unitat i el perfil de temperatura, però la direcció és clara. La utilització importa. També feu l'arrencada, l'aturada, la purga i els canvis de material. Cada minut de funcionament inactiu encara consumeix energia, i els canvis freqüents ineficients se sumen al total.
La gestió de la producció forma part, per tant, de la gestió energètica. Programar tirades més llargues, reduir el temps d'inactivitat, adaptar la màquina al treball i mantenir els paràmetres del procés dins d'una finestra eficient pot ser tan important com qualsevol canvi de maquinari.
Vista del sistema de reducció d'energia d'extrusió
La reducció efectiva d'energia en l'extrusió de plàstic rarament és una solució d'un sol component. Normalment prové d'una combinació de selecció de motor i accionament, eficiència d'escalfament del barril, configuració de cargols, formulació del material, paràmetres de procés, rendiment i gestió de la producció. Millorar una àrea ignorant les altres pot canviar el problema en lloc de resoldre'l. Per exemple, un motor d'alta eficiència pot no oferir els estalvis esperats si el cargol genera un cisallament excessiu i el sistema de refrigeració treballa dur per eliminar-lo. Un millor sistema de calefacció pot no ajudar gaire si el control de la temperatura és inestable o el barril està mal aïllat.
Per als fabricants d'equips d'extrusió, l'eficiència energètica està estretament relacionada amb el disseny de la màquina, la configuració del cargol, la selecció de la unitat i el control del procés. JWELL desenvolupa equips d'extrusió per a diferents materials i aplicacions, amb una configuració del sistema adaptada a les necessitats específiques de producció. L'enfocament pràctic és avaluar tota la línia: què necessita el material, què requereix el producte i com funciona realment la màquina. Això sol produir estalvis més duradors que perseguir una única reclamació d'eficiència.
La pregunta d'on va l'electricitat té una resposta tècnica: a l'accionament, als escalfadors de barril, al cisallament i a les moltes pèrdues que apareixen quan una línia passa per sota del seu rang eficient. La millor pregunta és quanta energia requereix cada tona de producte i què es pot canviar per reduir-la. Això desplaça l'atenció de les etiquetes dels components al rendiment del sistema. A l'extrusió, l'estalvi d'energia més fiable acostuma a provenir de fer coincidir el motor i la unitat amb la càrrega, millorar l'eficiència tèrmica, dissenyar el cargol per al procés real i executar la línia amb una sortida raonable amb una gestió de producció disciplinada.