A műanyag extrudálási energiafelhasználás egyike azon költségeknek, amelyeket csak akkor veszünk észre, amikor megjelenik a számla. Ha a sor nap, mint nap fut, a hatás nagyobb lesz. Tehát az igazi kérdés nem az, hogy valahol levágjunk néhány százalékot; kitalálja, hogy valójában hová megy az energia. Amint ez a kép a helyére került, az extruder energiafogyasztásának csökkentésének módjai konkrétnak és megvalósíthatónak tűnnek.
Ahol az extruder energiát használ fel
Egy tipikus csigás extruderben a teljesítmény körülbelül 60–70%-a a motorhoz és a meghajtórendszerhez, 20–30%-a a hordófűtéshez jut (sok vonal ezt kézzel becsüli), a többi pedig a hűtésre, a segédberendezésekre és a veszteségre (. 1. ábra). Ezek a számok durva kiindulási pontként hasznosak – és kétségtelenül soronként változnak –, de nem szabályok. Még ugyanazon a vonalon belül is eltolódik a relatív részarány a csavar kialakítása, az anyag, az áteresztőképesség, a hőmérsékleti alapértékek és a vezeték üzemeltetési módja szerint.
A motort olykor úgy írják le, hogy egyszerűen elforgatja a csavart. Ebből a leírásból hiányzik a munka nagy része. Valójában a meghajtónak szilárd anyagokat kell továbbítania a hengeren, meg kell lágyítania és meg kell olvasztania, össze kell kevernie az olvadékot, növelnie kell a nyomást és le kell győznie a nyírási ellenállást. Mindezen lépésekben energiát fogyasztanak. Egy része hasznos lesz olvasztva és keverve; néhány hővé válik, amelyet hűtéssel kell eltávolítani. Így a motor hatékonysága és a folyamat viselkedése nem értékelhető külön.
Motor és hajtás hatékonysága
A régebbi gépek továbbra is használhatnak egyenáramú motorokat vagy szabványos AC motorokat elektromágneses fordulatszám-szabályozással (amely működhet, de gyakran kevésbé hatékony, mint a modernebb hajtások). A változtatható frekvenciájú meghajtó ma már elterjedt alapkivitel – lehetővé teszi, hogy a csavart a terhelésnek megfelelő fordulatszámon hajtsa végre, ahelyett, hogy rögzített nagy sebességgel járatná és máshol fojtogatná. A gyakorlati előny azonban túlmutat az elektromosságon: a jobb fordulatszám-szabályozás javítja a folyamat stabilitását és csökkenti a szükségtelen mechanikai energiabevitelt.
A változtatható frekvenciájú hajtás ma már általános alapfeltétel. Lehetővé teszi, hogy a csavar sebessége megfeleljen a tényleges terhelésnek, ahelyett, hogy rögzített nagy sebességgel futna és máshol fojtogatna. A gyakorlati előny nem csak az elektromos. A jobb sebességszabályozás javíthatja a folyamatstabilitást és csökkentheti a szükségtelen mechanikai energiabevitelt.
Egy másik lehetőség az állandó mágneses szinkronmotorok. A PMSM hatékonyabb lehet, mint egy hagyományos háromfázisú indukciós motor, és a különbség gyakran észrevehetőbb alacsony fordulatszámon és kis terhelésen. A pontos nyereség a motor méretétől, a terhelési profiltól, a vezérlési módtól és a hajtáslánc többi részétől függ. A gyakorlatban egy jól illeszkedő motor és hajtás értékesebb, mint egy nagyobb motor, amely jóval a hatékonysági tartománya alatt működik. A nagyobb beépített teljesítmény nem jelent automatikusan jobb teljesítményt. Ez nagyobb üresjárati veszteséget, gyengébb teljesítménytényezőt és több kilogrammonkénti termékfogyasztást jelenthet.
Hordófűtés és termikus hatásfok
A hordófűtés a második nagy terhelés. A hagyományos öntött alumínium fűtőszalagok elterjedtek, de nem túl hatékonyak. A hő jelentős része a környező levegőbe kerülhet. Meleg műhelyben ez a veszteség is növeli a hűtési terhelést, ami kétszeres büntetés.
A szigetelés segít. Hasonlóan járnak el az alternatív fűtési módszerek is, például az elektromágneses fűtés és az infravörös vagy nano-infravörös fűtőtekercsek. Ezeket a kialakításokat gyakran előmozdítják a magasabb hőhatékonyság, a gyorsabb reakció és az alacsonyabb felületi hőmérséklet érdekében. Egyes berendezések-összehasonlítások során a szigeteletlen alumíniumöntvény szalagokról a szigetelt, nagy hatásfokú fűtőberendezésekre való átállás a jelentések szerint nagyjából 30-50%-kal csökkenti a fűtési energiát. Ezt az ábrát iránypéldaként kell kezelni, nem pedig garantált eredményként. A tényleges megtakarítás a hordó kialakításától, a hőmérsékleti alapértékektől, a szigetelés állapotától, a környezeti feltételektől és magától a folyamattól függ.
A fűtés hatékonysága szintén folyamatkérdés. Ha egy zóna folyamatosan hűt, miközben a fűtőberendezés még energiát ad, akkor lehet, hogy nem egyedül a fűtőegység a probléma. Előfordulhat, hogy túlzott nyírás az adott zónában, rossz a hőmérséklet-szabályozás, vagy olyan csavarszerkezet, amely több hőt termel, mint amennyi a folyamathoz szükséges. A fűtőelemek cseréje anélkül, hogy figyelembe venné ezeket a feltételeket, a megtakarítási lehetőségek nagy részét az asztalon hagyhatja.
Csavartervezés és folyamatoptimalizálás
A polimert megolvasztó energia nagy része nem a fűtősávokból származik. A csavarból származik. A motor hajtja a csavart, a csavar pedig nyírja az anyagot. Ez a mechanikai energia hővé alakul. Ez az oka annak, hogy a csavar konfiguráció olyan közvetlen hatással van az extruder energiafogyasztására.
A dagasztótömbök, szögük, hosszuk és helyzetük egyaránt befolyásolja a nyírási intenzitást és a tartózkodási időt. A nagyobb nyírás javíthatja a diszperzív keverést, de növeli az olvadékhőmérsékletet és növelheti a motor terhelését is. Ha egy zóna rendszeresen nagy hűtővizet igényel, ez azt jelzi, hogy a csavar több hőt termel, mint amennyit a folyamat felhasználni tud. A motor dolgozik, az anyag felmelegszik, a hűtőrendszer pedig elvezeti a plusz hőt. Energetikai szempontból ez egy olyan hurok, amelyet érdemes megvizsgálni.
A csavar kialakításának egyensúlyban kell lennie az anyaggal, a kimenettel, a keverési követelményekkel és a végtermékkel. Nem minden extrudálási alkalmazás igényel maximális nyírást. Néha egy gyengédebb csavarprofil megfelelő keverőelemekkel kombinálva jobb általános teljesítményt biztosít. A megfogalmazás is számít. Hatékony kenőanyag hozzáadása vagy az olvadék viszkozitásának más módon történő csökkentése csökkentheti a motor áramát és a nyírási hőt. Ennek eredményeként kevesebb elektromos energia alakul hővé, amelyet később el kell távolítani.
Termelési kapacitás és energia tonnánként
A tonnánkénti energiafogyasztás hasznosabb mérőszám, mint a motor adattábláján szereplő teljesítmény. Egy kis teljesítményen működő nagy extruder több energiát fogyaszthat kilogrammonként, mint egy kisebb gép, amely a hatékony tartomány közelében működik. Ugyanez az elv érvényes egy gépen belül is.
Például egy 75 mm-es extruder, amely kapacitásának kis töredékével működik, általában gyenge energiaprofillal rendelkezik, összehasonlítva azzal a géppel, amely közelebb fut a tervezett teljesítménytartományához. A pontos számok az anyagtól, a csavartól, a meghajtótól és a hőmérsékleti profiltól függenek, de az irány egyértelmű. A felhasználás számít. Ugyanúgy, mint az indítás, a leállítás, az öblítés és az anyagcserék. Az üresjárat minden perce továbbra is áramot fogyaszt, és a gyakori, nem hatékony átkapcsolások növelik az összteljesítményt.
A termelésirányítás ezért az energiagazdálkodás része. A hosszabb futások ütemezése, az üresjárati idő csökkentése, a gépnek a munkához való hozzáigazítása és a folyamatparaméterek hatékony ablakon belüli tartása ugyanolyan fontos lehet, mint bármely hardverváltás.
Az extrudálási energia csökkentésének rendszerképe
A hatékony energiacsökkentés a műanyag extrudálásnál ritkán egy egykomponensű javítás. Általában a motor és a hajtás kiválasztásának, a hordó fűtési hatékonyságának, a csavar konfigurációnak, az anyagösszetételnek, a folyamat paramétereinek, az áteresztőképességnek és a termelésirányításnak a kombinációjából származik. Ha egy területet javítunk, miközben figyelmen kívül hagyjuk a többit, az inkább eltolhatja a problémát, mintsem megoldja. Előfordulhat például, hogy egy nagy hatásfokú motor nem hozza meg a várt megtakarítást, ha a csavar túlzott nyírást generál, és a hűtőrendszer keményen dolgozik az eltávolításán. Egy jobb fűtési rendszer nem sokat segít, ha a hőmérsékletszabályozás instabil, vagy a hordó rosszul szigetelt.
Az extrudáló berendezések gyártói számára az energiahatékonyság szorosan összefügg a gépek tervezésével, a csavarkonfigurációval, a hajtás kiválasztásával és a folyamatvezérléssel. A JWELL extrudáló berendezéseket fejleszt különböző anyagokhoz és alkalmazásokhoz, rendszerkonfigurációval, amely az adott gyártási követelményekhez igazodik. A gyakorlati megközelítés az egész sor értékelése: mire van szüksége az anyagnak, mire van szüksége a terméknek, és hogyan működik a gép ténylegesen. Ez általában tartósabb megtakarítást eredményez, mint egyetlen hatékonysági követelés üldözése.
Arra a kérdésre, hogy hová megy az áram, van technikai válasz: a hajtásba, a hordófűtőkbe, a nyírásba és a sok veszteségbe, ami akkor jelentkezik, ha egy vezeték a hatékony tartománya alá kerül. A jobb kérdés az, hogy egy-egy tonna termék mennyi energiát igényel, és mit lehet változtatni ennek csökkentése érdekében. Ez az alkatrészek címkéiről a rendszer teljesítményére tereli a figyelmet. Az extrudálás során a legmegbízhatóbb energiamegtakarítás általában a motor és a hajtás terheléshez való hozzáigazításából, a termikus hatásfok javításából, a tényleges folyamathoz szükséges csavarok tervezéséből, valamint a gyártósor ésszerű teljesítményű, fegyelmezett termelésirányítással történő működtetéséből adódik.