Hoe het energieverbruik bij kunststofextrusie te verminderen

Het energieverbruik van plastic extrusie is een van de kosten die je pas echt merkt als de rekening verschijnt. Als de lijn dag in dag uit rijdt, wordt de impact groter. De echte vraag gaat dus niet over het ergens inkorten van een paar procent; het is uitzoeken waar de energie eigenlijk naartoe gaat. Zodra dat beeld duidelijk is, beginnen de manieren om het energieverbruik van de extruder terug te dringen specifiek en haalbaar te voelen.

In een typische schroefextruder gaat ongeveer 60-70% van het vermogen naar de motor en het aandrijfsysteem, 20-30% naar vatverwarming (veel lijnen schatten dit met de hand), en de rest naar koeling, hulpapparatuur en verlies (Fig. 1). Deze getallen zijn nuttig als ruw uitgangspunt – en variëren ongetwijfeld van regel tot regel – maar het zijn geen regels. Zelfs binnen dezelfde lijn zullen de relatieve aandelen verschuiven afhankelijk van het schroefontwerp, het materiaal, de doorvoer, de temperatuurinstelpunten en de manier waarop de lijn wordt bediend.

De motor wordt soms omschreven als simpelweg het draaien van de schroef. Die beschrijving mist het meeste werk. In feite moet de aandrijving vaste stoffen door het vat transporteren, ze verzachten en smelten, de smelt mengen, druk opbouwen en de schuifweerstand overwinnen. Bij al deze stappen wordt energie verbruikt. Een deel ervan wordt nuttig bij het smelten en mengen; een deel wordt warmte die door koeling moet worden afgevoerd. Het motorrendement en het procesgedrag kunnen dus niet afzonderlijk worden geëvalueerd.

Oudere machines gebruiken mogelijk nog steeds gelijkstroommotoren of standaard wisselstroommotoren met een elektromagnetische snelheidsregeling (die kunnen werken, maar vaak minder efficiënt zijn dan modernere aandrijvingen). Een frequentieregelaar is nu een gebruikelijke basislijn: hiermee kunt u de schroef op de juiste snelheid voor de belasting laten draaien in plaats van hem op een vaste hoge snelheid te laten draaien en ergens anders te smoren. Maar het praktische voordeel gaat verder dan elektriciteit: een betere snelheidsregeling verbetert de processtabiliteit en vermindert onnodige mechanische energie-input.

Een frequentieregelaar is nu een gebruikelijke basislijn. Het zorgt ervoor dat de schroefsnelheid overeenkomt met de werkelijke belasting in plaats van op een vaste hoge snelheid te draaien en elders te smoren. Het praktische voordeel is niet alleen elektrisch. Een betere snelheidsregeling kan ook de processtabiliteit verbeteren en onnodige mechanische energie-input verminderen.

Synchrone motoren met permanente magneet zijn een andere optie. Een PMSM kan efficiënter zijn dan een standaard driefasige inductiemotor, en het verschil is vaak merkbaarder bij lage snelheid en lichte belasting. De exacte winst hangt af van de motorgrootte, het belastingsprofiel, de besturingsmethode en de rest van de aandrijflijn. In de praktijk zijn een goed op elkaar afgestemde motor en aandrijving waardevoller dan een grotere motor die ver onder zijn efficiënte bereik draait. Een hoger geïnstalleerd vermogen betekent niet automatisch betere prestaties. Het kan hogere nullastverliezen, een lagere arbeidsfactor en meer energie per kilogram product betekenen.

Vatverwarming is de tweede grote belasting. Conventionele verwarmingsbanden van gegoten aluminium zijn gebruikelijk, maar ze zijn niet bijzonder efficiënt. Een aanzienlijk deel van de warmte kan verloren gaan aan de omgevingslucht. In een warme werkplaats draagt ​​dat verlies ook bij aan de koelbelasting, wat een dubbele straf is.

Isolatie helpt. Dat geldt ook voor alternatieve verwarmingsmethoden, zoals elektromagnetische verwarming en infrarood- of nano-infrarood verwarmingsspiralen. Deze ontwerpen worden vaak gepromoot vanwege een hoger thermisch rendement, een snellere respons en een lagere oppervlaktetemperatuur. Uit sommige vergelijkingen van apparatuur blijkt dat het overstappen van niet-geïsoleerde banden van gegoten aluminium naar geïsoleerde hoogrendementverwarmers de verwarmingsenergie met ongeveer 30-50% vermindert. Dat cijfer moet worden beschouwd als een richtinggevend voorbeeld, en niet als een gegarandeerd resultaat. De werkelijke besparingen zijn afhankelijk van het vatontwerp, de temperatuurinstelpunten, de isolatieconditie, de omgevingsomstandigheden en het proces zelf.

Verwarmingsefficiëntie is ook een procesprobleem. Als een zone voortdurend wordt gekoeld terwijl de verwarming nog steeds energie toevoegt, ligt het probleem mogelijk niet alleen bij de verwarming. Het kan te maken hebben met overmatige afschuiving in die zone, een slechte temperatuurregeling of een schroefontwerp dat meer warmte genereert dan het proces nodig heeft. Als u verwarmingstoestellen vervangt zonder deze omstandigheden aan te pakken, kan een groot deel van de potentiële besparing op tafel blijven liggen.

Het grootste deel van de energie die het polymeer smelt, komt niet van de verwarmingsbanden. Het komt van de schroef. De motor drijft de schroef aan en de schroef knipt het materiaal af. Die mechanische energie wordt omgezet in warmte. Dit is de reden waarom de schroefconfiguratie zo'n direct effect heeft op het energieverbruik van de extruder.

Kneedblokken, hun hoek, hun lengte en hun positie hebben allemaal invloed op de afschuifintensiteit en verblijftijd. Meer afschuiving kan het dispersieve mengen verbeteren, maar het verhoogt ook de smelttemperatuur en kan de motorbelasting verhogen. Als een zone regelmatig veel koelwater nodig heeft, is dat een teken dat de schroef meer warmte genereert dan het proces kan gebruiken. De motor doet zijn werk, het materiaal warmt op en het koelsysteem voert de extra warmte af. Vanuit energieoogpunt is dat een lus die het onderzoeken waard is.

Het schroefontwerp moet in evenwicht worden gebracht met het materiaal, de output, de mengvereisten en het eindproduct. Niet elke extrusietoepassing vereist maximale schuifkracht. Soms geeft een zachter schroefprofiel, gecombineerd met geschikte mengelementen, betere algehele prestaties. Formulering is ook van belang. Het toevoegen van een effectief smeermiddel of het anderszins verlagen van de smeltviscositeit kan de motorstroom verlagen en de schuifwarmte verminderen. Het resultaat is dat er minder elektrische energie wordt omgezet in warmte die later moet worden afgevoerd.

Het energieverbruik per ton is een nuttiger maatstaf dan het motorvermogen op het typeplaatje. Een grote extruder die op een laag vermogen draait, kan meer energie per kilogram verbruiken dan een kleinere machine die in de buurt van zijn efficiënte bereik draait. Hetzelfde principe geldt binnen één machine.

Een extruder van 75 mm die op een klein deel van zijn capaciteit draait, zal bijvoorbeeld doorgaans een slecht energieprofiel hebben vergeleken met dezelfde machine die dichter bij het ontworpen uitvoerbereik draait. De exacte cijfers zijn afhankelijk van het materiaal, de schroef, de aandrijving en het temperatuurprofiel, maar de richting is duidelijk. Gebruik is belangrijk. Dat geldt ook voor het opstarten, afsluiten, zuiveren en materiële wijzigingen. Elke minuut inactief draaien verbruikt nog steeds stroom, en frequente inefficiënte omschakelingen dragen bij aan het totaal.

Productiemanagement is dus onderdeel van energiemanagement. Het plannen van langere runs, het verminderen van de inactieve tijd, het afstemmen van de machine op de taak en het binnen een efficiënt venster houden van procesparameters kan net zo belangrijk zijn als elke hardwarewijziging.

Effectieve energiereductie bij kunststofextrusie is zelden een oplossing die uit één component bestaat. Het komt meestal voort uit een combinatie van motor- en aandrijfselectie, vatverwarmingsefficiëntie, schroefconfiguratie, materiaalformulering, procesparameters, doorvoer en productiebeheer. Door één gebied te verbeteren en de andere te negeren, kan het probleem eerder worden verschoven dan opgelost. Een motor met hoog rendement levert bijvoorbeeld mogelijk niet de verwachte besparingen op als de schroef overmatige schuifkracht genereert en het koelsysteem hard werkt om deze te verwijderen. Een beter verwarmingssysteem helpt misschien niet veel als de temperatuurregeling onstabiel is of het vat slecht geïsoleerd is.

Voor fabrikanten van extrusieapparatuur hangt energie-efficiëntie nauw samen met machineontwerp, schroefconfiguratie, aandrijfselectie en procescontrole. JWELL ontwikkelt extrusieapparatuur voor verschillende materialen en toepassingen, waarbij de systeemconfiguratie is aangepast aan specifieke productie-eisen. De praktische aanpak is om de hele lijn te evalueren: wat het materiaal nodig heeft, wat het product nodig heeft en hoe de machine daadwerkelijk wordt bediend. Dat levert doorgaans duurzamere besparingen op dan het najagen van één enkele efficiëntieclaim.

De vraag waar de elektriciteit naartoe gaat heeft een technisch antwoord: naar de aandrijving, naar de vatverwarmers, naar afschuiving en naar de vele verliezen die optreden als een lijn onder zijn efficiënte bereik komt. De betere vraag is hoeveel energie elke ton product nodig heeft, en wat er veranderd kan worden om deze energie te verminderen. Dat verschuift de aandacht van componentlabels naar systeemprestaties. Bij extrusie komen de meest betrouwbare energiebesparingen meestal voort uit het afstemmen van de motor en aandrijving op de belasting, het verbeteren van de thermische efficiëntie, het ontwerpen van de schroef voor het eigenlijke proces en het laten draaien van de lijn met een verstandige output met gedisciplineerd productiemanagement.