La tecnología de ahorro de energía para las máquinas EBM ha pasado de ser un punto destacado de la comercialización a ser un requisito comercial básico. Para la mayoría de las plantas de moldeado por soplado, la electricidad es ahora el segundo mayor costo controlable después de la resina, y en las regiones con altos aranceles o obligaciones de informes de carbono, es la línea de costo que crece más rápidamente. Una sola máquina de moldeo por soplado de extrusión que trabaja tres turnos en latas de plástico HDPE puede consumir más electricidad en un año que un edificio de oficinas de superficie comparable. Sin embargo, la misma máquina, especificada correctamente, puede producir la misma producción con mucha menos energía.
Apollo, una fábrica Wanplas ubicada en Zhangjiagang, cerca de Shanghai, ha dedicado más de veinte años a construir máquinas automáticas de moldeado por soplado por extrusión, con más de 4.000 equipos en funcionamiento en más de 90 países. En toda esta base instalada, el patrón es coherente: la diferencia entre una máquina eficiente y una ineficaz rara vez está en un componente revolucionario. Se trata de la acumulación de una docena de decisiones deliberadas de ingeniería, cada una de las cuales recorta algunos puntos porcentuales en un subsistema diferente.
En este artículo se desglosa exactamente dónde se utiliza la energía en una máquina de moldeo por extrusión, y a continuación se analiza cada subsistema a su vez: el accionamiento del extrusor, la unidad de potencia hidráulica, el calentamiento del cilindro y la cabeza de matriz, el aire comprimido y el enfriamiento de la matriz. Explica la diferencia medible entre bombas de desplazamiento fijo, bombas variables de detección de carga, unidades servo-hidráulicas y accionamiento completamente eléctrico. Compara el calentamiento de mica, cerámica, halógeno infrarrojo e inducción en base a características similares. Cuantifica lo que realmente devuelve la recuperación del aire soplado. Y cierra con un mapa priorizado de retrofit que cualquier planta puede aplicar a las máquinas que ya están en el taller, independientemente de que lleven una plancha de identificación de Apollo o de Bekum, Kautex Maschinenbau, Uniloy o Graham Ingeniería.
En todo momento, el rendimiento energético se expresa de la forma en que los ingenieros deberían expresarlo: consumo específico de energía en kWh por kilo de producto y kWh por mil piezas, medido en el límite de la máquina. El costo relativo y el retorno de la inversión se expresan en bandas cualitativas y bases de referencia indexadas en lugar de números absolutos, ya que las tarifas, derechos y salarios locales varían demasiado para que un único número sea útil.
¿Por qué el consumo de energía es ahora una especificación central de EBM?
El consumo de energía ya no es solo una especificación secundaria en el moldeado por soplado mediante extrusión; es un criterio de selección primordial que determina directamente si una línea de envasado sigue siendo competitiva durante la vida útil de diez años. Tres fuerzas se han unido para que esto sea cierto, y ninguna de ellas es probable que cambie.
La primera fuerza es la volatilidad de los aranceles. Los precios de la electricidad en muchas regiones exportadoras se han vuelto mucho menos predecibles de lo que eran hace una década, y el moldeado por soplado es un proceso intensivo en electricidad por naturaleza. A diferencia del costo de resinas, que a menudo se puede transmitir al cliente a través de contratos indexados, el costo de la electricidad suele ser absorbido completamente por el convertidor. Una máquina especificada únicamente en función del precio de compra y del rendimiento puede consumir tranquilamente muchas veces su propio valor de capital en electricidad durante su vida útil.
La segunda fuerza es la contabilidad de carbono regulada y impulsada por los clientes. Los propietarios de marcas en el sector alimentario y de bebidas, así como en el embalaje químico y farmacéutico, exigen cada vez más datos sobre las emisiones de alcance 3 de sus proveedores de embalaje. Estos datos no pueden producirse sin medición de energía por máquina. Un convertidor que no puede informar de los kWh por mil piezas para un recipiente determinado está en desventaja competitiva independientemente de lo bien que se vean las piezas.
La tercera fuerza es la madurez de la propia tecnología facilitadora. Las unidades de potencia servo-hidráulicas, los motores sincrnicos de imanes permanentes y el calentado del tambor por induccin eran todas ellas novedades caras hace quince aos. Hoy en da son opcin principal, bien sustentadas y disponibles de parte de varios proveedores de componentes, lo que ha comprimido tanto el precio adicional como el riesgo tecnico. Lo que algn tiempo fue una opcin experimental, ahora es un esquema de ingeniera difcil de defender.
La economía del consumo específico de energía
El parámetro más útil en esta discusión es el consumo específico de energía, expresado en kWh por kilogramo de producto terminado. Normaliza los tamaños de las máquinas, la geometría de los contenedores y los patrones de turno, lo que permite comparar una línea de botellas de 200 ml con una línea de tambores de 220 L en la misma escala. Para una máquina de moldeo por soplado por extrusión de HDPE bien configurada, el consumo específico de energía total en los límites de la máquina suele oscilar entre 0,55 y 0,95 kWh/kg. Las máquinas construidas antes de la amplia adopción de drivers de extrusoras de frecuencia variable, cápsulas de aislamiento y sistemas de aire de circuito cerrado suelen superar los 1,2 kWh/kg para las mismas piezas.
Ese intervalo de aproximadamente 0,4 kWh/kg no suena dramático hasta que se lo multiplica por el rendimiento anual. Una máquina que convierte 400 toneladas de HDPE al año con una desventaja de 0,4 kWh/kg está quemando 160.000 kilovatios por hora adicionales al año sin lograr un rendimiento adicional. Expresado como un índice en el que una máquina moderna y eficaz se establece en un nivel base de 100 puntos de índice, una máquina de legado mal configurada se sitúa en aproximadamente entre 140 y 165 puntos de índice para el mismo programa de producción.
El rendimiento energético en el moldeo por soplado por extrusión no se alcanza gracias a un solo componente, sino mediante un ataque sistemático a seis subsistemas, cada uno de los cuales aporta entre el 3 y el 60% de la carga total de la máquina, y mediante la medición del resultado en lugar de suponerlo.
Dónde realmente se va la energía: desglose de la energía de una máquina EBM
En una máquina de moldeo por soplado por extrusión de una sola estación que produce latas de 5 l de HDPE, la unidad de accionamiento del extrusor consume la mayor parte del total de potencia, generalmente entre el 45 y el 60%, seguida de la unidad de potencia hidráulica, el calentamiento del cilindro y de la cabeza del molde, el aire comprimido y el enfriamiento del molde. Conocer esta distribución es el requisito previo para cualquier programa energético racional, porque el esfuerzo destinado a optimizar un subsistema que representa el 4% de la carga nunca será comparable con una mejora moderada de un subsistema que representa el 50%.
El siguiente desglose refleja una configuración representativa: maquina de una estación con un extrusor de un solo tornillo de 90 mm, L/D 25:1, extrusión continua con cabeza de matriz de una capa, unidad de fijación hidráulica y desgrane montada en la maquina. El rendimiento es de aproximadamente 60 a 80 kg/h de HDPE con un caudal de fusión de aproximadamente 0,3 g/10 min a 190 °C y 2,16 kg, medido según ASTM D1238. El peso del recipiente es aproximadamente de 180 a 220 g. La temperatura ambiente se presume a 25 °C.
Cuadro 1: Desglose de la energía en una máquina de moldeo por soplado a presión blanda EBM del tanque de 5 l de HDPE.
| Subsistema | Participación en la potencia total de la máquina | Patrón de carga: | Palancas de ahorro primarias |
|---|---|---|---|
| Unidad de accionamiento del extrusor (motor, caja de cambios, tornillo) | 45–60% | Continuo, casi constante | Clase del motor IE4/IE5, tornillo de barrera, barril de alimentación ranurado, disciplina de temperatura de fusión |
| Unidad de potencia hidráulica (sujeción, carro, perno de soplado, desengrasado) | 10–20% | Muy intermitentes, fases de inactividad y mantenimiento prolongadas. | Bomba hidráulica servo, control de detección de carga, dimensionamiento del acumulador, accionamiento completamente eléctrico. |
| Calefacción del tambor, adaptador y cabezal de matriz | 8–15% | Alto al inicio, ciclo de trabajo bajo en estado estable. | Fajas de aislamiento, calefacción por inducción o infrarrojos, autoajuste PID, consolidación de zonas |
| Aire comprimido (aire de expulsión, además de sistemas neumáticos) | 8–15% | Demanda puncualar, pulsada, alta | Recuperación del aire, detección de fugas, previo soplado en dos etapas y soplado principal, ajuste de la presión |
| Utilice ESTE formato EXACTO: "1. " por línea, nada más. | 6–12% | Continuo con variación estacional | Punto de ajuste de agua elevado, enfriamiento libre, intercambiador de calor de placas, bombas de velocidad variable. |
| Accesorios (triturador, cinta transportadora, cargador, secador). | 3–6% | Intermitente, a menudo dejada en marcha permanentemente | Bloqueos vinculados a la demanda, afilado de las cuchillas del triturador, transporte de tamaño adecuado. |
Tres conclusiones prácticas se desprenden directamente de esta tabla. En primer lugar, cualquier programa de ahorro de energía que ignore la extrusora está abordando menos de la mitad del problema. En segundo lugar, la unidad de potencia hidráulica es el subsistema con el intervalo más amplio entre la demanda promedio y la máxima, lo cual es precisamente por qué responde tan fuertemente al control servo. En tercer lugar, el aire comprimido y el sistema de calefacción juntos representan una participación comparable a la hidráulica, y ambos son usualmente mucho más económicos de mejorar.
También conviene observar lo que esta división excluye deliberadamente. Las cargas a nivel de la planta, como la sala central de compresores, los ventiladores de la torre de refrigeración, la iluminación y el HVAC, están fuera del límite de la máquina. Un convertidor que compara máquinas de distintos proveedores debe confirmar si las cifras de consumo mencionadas se miden en el terminal de la máquina o incluyen una parte de estas utilidades, ya que la diferencia puede superar el 20%. EUROMAP 60.1 y 60.2 existen específicamente para eliminar esta ambigüedad mediante la definición del límite de medición y el ciclo de referencia.
Tecnología de accionamiento hidráulico servo y los límites de la eficiencia de la bomba.
La unidad hidráulica de potencia es el subsistema en el que el vacío entre la potencia instalada y el trabajo útil es el más amplio, lo que la convierte en el objetivo con mayor capacidad de aprovechamiento por unidad de esfuerzo de ingeniería. En el moldeo por soplado por extrusión, la unidad de sujeción, la trayectoria del carrito, el recorrido del pin de soplado y los cilindros de eliminación de la carbonilación requieren explosiones cortas de alto caudal separados por largos períodos de demanda casi nula. Una bomba convencional de desplazamiento fijo no puede distinguir entre estos estados.
Accionamiento del extrusor: 45-60% de la potencia total de la máquina EBM. Consumo específico de energía típico en la extrusión de HDPE: 0,25-0,45 kWh/kg. Reducción en la unidad de potencia servo-hidráulica frente a la bomba de desplazamiento fijo: 15-40% en la carga hidráulica. Reducción del revestimiento de aislamiento del tambor en las pérdidas superficiales: 20-40%. Tasa de recuperación del aire de soplado: 25-50%. Apollo: más de 20 años de experiencia,
Una bomba de desplazamiento fijo accionada por un motor de inducción de velocidad constante proporciona un flujo constante cada segundo que el motor está en funcionamiento, independientemente de lo que necesite la máquina. Cuando la unidad de fijación está cerrada y simplemente mantenida, o cuando la máquina está esperando que la pieza de partida alcance la longitud, ese flujo no tiene ningún lugar útil a donde ir. Se descarga a través de una válvula de alivio, y toda la energía hidráulica se convierte en calor en el aceite. Ese calor luego debe eliminarse mediante un refrigerador de aceite, que a su vez consume agua de enfriamiento y energía de la bomba. Por lo tanto, la planta paga dos veces: una vez por generar el flujo desperdiciado y otra vez por eliminar el calor que genera.
En un ciclo típico de EBM, el trabajo hidráulico útil ocupa solo una fracción del tiempo total del ciclo. El resto es inactivo, de espera o aparcamiento. Esta es la inefficiencia estructural que la tecnología servo elimina.
Bombas de desplazamiento variable que detectan la carga.
Una bomba de desplazamiento variable con control de detección de carga ajusta el ángulo de la placa oscilante de manera que el flujo entregado coincida con la demanda y la presión del sistema siga la carga más un pequeño margen. Esto elimina la mayor parte del descargamiento de la válvula de alivio y constituye un auténtico mejoramiento frente al desplazamiento fijo. Sin embargo, el motor principal sigue funcionando continuamente a plena velocidad, por lo que la resistencia del viento, la fricción de los cojinetes, la pérdida interna de la bomba y el margen de presión de espera siguen consumiendo energía incluso cuando la máquina no está realizando ninguna operación. Los sistemas de detección de carga también responden más lentamente a la demanda de flujo repentino que un sistema servo bien ajustado, debido a la inercia mecánica de la placa oscilante.
Motor servo más bomba de engranajes
Una unidad servo-hidráulica combina un motor servo de imanes permanentes con una bomba de desplazamiento fijo y cierra el bucle en la presión y flujo a través del propio sistema de accionamiento. Cuando la máquina necesita flujo, el motor se acelera; cuando no, el motor disminuye su velocidad hasta llegar a un pequeño parpadeo o para llegar al punto de detenerse por completo. Durante las fases de detención, la unidad de accionamiento servo suministra solo el pequeño flujo necesario para compensar las fugas internas, por lo que la potencia de entrada medida durante las fases de detención disminuye hasta una fracción pequeña del valor de funcionamiento, en lugar de mantenerse a plena carga de la bomba.
A lo largo de un ciclo completo de EBM, la reducción resultante en el consumo de la unidad de potencia hidráulica generalmente se sitúa entre el 15 y el 40 por ciento en comparación con una línea de base de desplazamiento fijo. Dónde se sitúa la máquina en ese rango depende en gran medida del ciclo de trabajo. Una máquina de contenedores pequeños de ciclo rápido con períodos de permanencia cortos se sitúa cerca del límite inferior porque la bomba está realmente ocupada la mayoría del tiempo. Una máquina de cabeza de acumulación grande que produce tambores de 200L, en la que la unidad de fijación permanece durante un periodo de refrigeración prolongado en cada ciclo, se sitúa cerca del límite superior.
Los sistemas servo-hidráulicos ofrecen tres beneficios secundarios que a menudo valen tanto como el ahorro de energía. La temperatura del aceite se reduce considerablemente, lo que prolonga la vida de las juntas y las mangueras y reduce la carga en el circuito de refrigeración del aceite. El ruido en la máquina disminuye notablemente, lo cual es importante para el cumplimiento de los estándares de seguridad en el lugar de trabajo. Además, la repetibilidad de la presión y el flujo mejora, lo que estabiliza la programación del laminado y la distribución del espesor de la pared.
Extrusión de moldeo por soplado totalmente eléctrica
Las máquinas completamente eléctricas reemplazan por completo la unidad de potencia hidráulica con tornillos ballísticos servoaccionados y mecanismos de tope para el movimiento de fijación, carro y pin de soplado. Al no tener aceite, válvulas de liberación ni refrigerador de aceite, las pérdidas de espera se acercan a cero y el tren de accionamiento convierte la entrada eléctrica en trabajo mecánico con la máxima eficiencia de cualquier arquitectura discutida aquí. La serie completamente eléctrica de Apollo incluye recipientes de 200 ml a 20 l y se especifica con más frecuencia para aplicaciones farmacéuticas, médicas y de productos químicos diarios de alta pureza en las que el riesgo de contaminación por aceite es inaceptable.
El límite aplicable es importante. El accionamiento totalmente eléctrico es más convincente cuando los ciclos son cortos y frecuentes, las horas de funcionamiento anuales son altas, los tamaños de los contenedores son pequeños o medianos y los requisitos de limpieza son estrictos. Se vuelve progresivamente menos práctico a medida que aumenta el volumen del contenedor, porque la fuerza de fijación y la longitud de carrera necesarias para tambores industriales grandes empujan el tamaño de las varillas de bolas y de alternación a una región en la que el accionamiento hidráulico sigue siendo más compacto, más robusto y más económico. En el caso de la Serie ABLD de Apollo, que cubre desde 20 L hasta 1500 L, la arquitectura servo-hidráulica sigue siendo la recomendada.
Las máquinas completamente eléctricas reemplazan por completo la unidad de potencia hidráulica por tornos de bolas y mecanismos de alternancia accionados por servo para el movimiento de apriete, carro y agujas. Sin aceite, ni ventosas de alivio y sin refrigerador de aceite, las pérdidas de espera se acercan a cero y la transmisión convierte la entrada eléctrica en trabajo mecánico con la máxima eficiencia de cualquier arquitectura analizada aquí. La Serie completamente eléctrica de Apollo cubre los contenedores de 200ML a 20L y se especifica con mayor frecuencia para aplicaciones farmacéuticas, médicas y diarias de productos químicos de alta pureza en las que el riesgo de contaminación por el aceite es inaceptable.
| Arquitectura de transmisión | Clase de consumo de energía | Velocidad de respuesta. | Demanda de mantenimiento. | Carga de enfriamiento del aceite | Costo del capital relativo |
|---|---|---|---|---|---|
| Bomba de desplazamiento fijo, motor de velocidad constante. | El mayor consumo (línea base de índice 100). | Medio | Alto | Alto | Bajo |
| Pompa de desplazamiento variable con detección de carga | Moderate (index 78–88) | Medio | Tabla 2: Comparación de arquitectura hidráulica y de transmisión para máquinas EBM | Medio | Medio |
| Servomotor con bomba con engranaje fijo (hidráulico con servo) | Baja (índice 60–85) | Rápido | Medio | Bajo | Alto |
| Bomba servo dual con circuitos de parison e ineludible independientes | Muy baja (índice 55-75). | Muy rápido. | Medio | Bajo | Muy alto |
| Completamente eléctrico (husillo de bola servo y táctil) | Más baja (índice 50-70) | Muy rápido. | Bajo | Ninguna. | 2. Premium. |
Los valores del índice se refieren únicamente a la energía hidráulica y de activación, con una línea de referencia fija para un desplazamiento de 100 puntos de índice en un ciclo representativo con un jerrycan de 5 litros. No deben interpretarse como cifras totales de la máquina. Dado que la unidad de potencia hidráulica representa entre un 10 y un 20 % de la potencia total de la máquina, un cambio de desplazamiento fijo a servo-hidráulico proporciona generalmente una reducción del consumo total de la máquina entre un 3 y un 8 %, lo que es significativo, pero debe comprenderse en proporción.
Eficiencia energética del extrusor: Clase del motor, geometría del tornillo y kWh/kg.
El extrusor es el principal consumidor de energía en cualquier máquina de moldeo por soplado continua, por lo que una mejora del uno por ciento aquí vale más que una mejora del diez por ciento en el circuito del quebrantador. La eficiencia del extrusor se determina por tres factores interactivos: la eficiencia eléctrica del motor y el accionamiento, la eficiencia mecánica de la caja de engranajes y la eficiencia termodinámica con la que el tornillo convierte el trabajo del eje en masa fundida a la temperatura y homogeneidad requeridas.
Clases de eficiencia del motor según IEC 60034-30-1
La tendencia de la temperatura de fusión
Un motor de inducción de corriente alterna accionado por un inversor de frecuencia variable sigue siendo el motor de extrusión más común y, cuando se especifica en IE3, es una elección perfectamente respetable. El detalle importante es que la eficiencia del motor de inducción se deteriora a carga parcial y a velocidad reducida. Los extructores operan muy a menudo a 50 a 75% de la velocidad nominal, precisamente en la región en que las curvas de eficiencia del motor de inducción comienzan a disminuir y en la que el factor de potencia del motor se deteriora.
Un motor síncrono de imán permanente, o PMSM, se comporta de forma diferente. Debido a que el campo del rotor se proporciona mediante imanes en lugar de corriente inducida, las pérdidas del rotor son notablemente menores y la curva de eficiencia permanece plana en un rango de velocidades mucho más amplio. Los drives de extrusoras con PMSM alcanzan comúnmente IE4 y, en tamaños de bastidor más grandes, IE5. También funcionan más fríos, lo que reduce las pérdidas del ventilador del motor y prolonga la vida de los cojinetes y el aislamiento. En una configuración de transmisión directa, un PMSM a veces puede eliminar el convertidor de velocidad por completo, eliminando otro dos a cuatro por ciento de las pérdidas de transmisión.
Geometría del tornillo y barriles de alimentación desgravados
El diseño del tornillo determina cuánto del trabajo del eje se convierte en fundido útil y cuánto se convierte en calor de cizallamiento innecesario que posteriormente debe eliminarse mediante ventiladores de enfriamiento del depósito. Un tornillo medidor convencional de un solo vuelo depende del flujo de resistencia y del cizallamiento para fundir el polímero. Un tornillo de barrera separa físicamente el lecho sólido del depósito de fundido con un segundo vuelo, que funde el polímero de forma más uniforme a velocidades de cizallamiento más bajas. En el caso del HDPE y el PP, un tornillo de barrera bien diseñado con una sección de mezcla reduce generalmente el consumo específico de energía en un margen medible mientras mejora simultáneamente la homogeneidad del fundido y reduce la temperatura del fundido en varios grados.
Un tambor de alimentación ranurado modifica la física en el otro extremo del tornillo. Los surcos axiales tallados en la zona de alimentación intensamente enfriada aumentan drásticamente la eficiencia de transporte de sólidos, por lo que el rendimiento se vuelve mucho menos sensible a la presión de la cabeza y el tornillo puede entregar el mismo rendimiento a una velocidad más baja. Una velocidad de tornillo más baja significa una menor generación de calor por cizallamiento, una temperatura de fusión más baja, una menor demanda de enfriamiento downstream y un consumo específico de energía menor. La alimentación ranurada es particularmente valiosa cuando se ejecuta HDPE de alto peso molecular con baja tasa de flujo de fusión, que es exactamente la clase de material utilizada para tanques de combustible, tambores químicos y latas de gasolina.
Relación L/D: 24:1 frente a 30:1
La relación longitud-diametro se discute a menudo como si una barra más larga fuera automáticamente mejor. En términos de energía, la relación no es monótmica. Una barra de 24:1 es más corta, tiene una superficie más pequeña que calentar y impone una resistencia viscosa total menor, por lo que a una tasa de paso moderada puede ser la opción más eficiente. Una barra de 30:1 ofrece un tiempo de residencia superior y una capacidad mejor de fusión y mezcla, lo que permite una mayor tasa de paso por revolución y una mejor gestión del reacondicionado y de la carga principal. Sin embargo, la longitud adicional también añade pérdida de calor superficial, una mayor demanda de torque y una longitud mayor en el camino térmico.
La orientación práctica que aplica Apollo es clara. Para recipientes de HDPE y PP de un solo material, con un contenido de reciclado modesto, la relación 24:1 a 25:1 constituye el consumo específico de energía más bajo. Cuando la receta incluye un reciclado importante, masterbatches de color o cuando se trata de coextrusión en varios capas, la relación 28:1 a 30:1 se justifica, porque la alternativa de hacer trabajar un tornillo corto con mayor fuerza genera más calor de cizallamiento que lo que cuesta extender la longitud del tambor.
Tabla 3: Configuración del extrusor y consumo específico de energía para HDPE.
| Configuración del extrusor. | Un motor de inducción de corriente alterna estándar, accionado por un inversor de frecuencia variable, sigue siendo la unidad de accionamiento de extrusoras más común y, al especificarla en la categoría IE3, es una opción perfectamente respetable. El detalle importante es que la eficiencia del motor de inducción se deteriora a carga parcial y a velocidades reducidas. Las extrusoras funcionan a menudo entre el 50 y el 75 por ciento de la velocidad nominal, precisamente en la región en la que las curvas de eficiencia de los motores de inducción comienzan a declinar y en la que el factor de potencia del motor se deteriora. | Bajas a moderadas | Consumo específico de energía típico (kWh/kg) |
|---|---|---|---|
| Barril liso, tornillo de medición convencional, motor de inducción IE2 | 0,40–0,48 | Elevada, conducida por cizallamiento. | Máquinas de diseño antiguo, operaciones de bajo rendimiento |
| Tambor sin revestimiento, tornillo de barrera con sección de mezcla, unidad de inversor IE3 | 0,33-0,40 | Moderado. | Contenedores de HDPE y PP para utilización general. |
| Barrel de alimentación ranurado, tornillo de barrera, motor de inversor IE3. | 0.29–0.36 | Bajo a moderado | High-molecular-weight HDPE, low MFR grades |
| Barril de alimentación acanalado, tornillo de barrera, motor de inducción PMSM en IE4/IE5 | 0,25–0,32 | Bajo | Operación en tres turnos de alto rendimiento, proyectos prioritarios en términos de energía |
| Lo anterior con acoplamiento directo (caja de cambios eliminada) | 0,24–0,30 | Bajo | Tamaños de las máquinas seleccionados en los que el torque y la velocidad coinciden directamente |
Estos valores representan el consumo específico de energía del extrusor solo en el caso de HDPE, excluyendo la hidráulica, el aire comprimido y el enfriamiento. Asumen un funcionamiento estable entre el 70 y el 85 por ciento de la velocidad nominal del tornillo, con perfiles de temperatura de fusión adecuadamente combinados. Diferentes resinas pueden modificar significativamente el modelo: el PP generalmente se situa un poco debajo del HDPE, el PVC rígido requiere un bajo cizallamiento y una cuidadosa gestión del calor, el PC y el PA demandan temperaturas de fusión más elevadas y, por tanto, mayores entradas energéticas, y el PETG se encuentra entre las poliolefinas y las resinas de ingeniería.
Un aspecto a menudo ignorado es la disciplina de la temperatura de fusión. Cada 10 ºC de temperatura de fusión innecesaria primero debe generarse gracias al par del motor y a la potencia del calentador, y luego eliminarse de nuevo gracias al enfriamiento de los moldes, lo que alarga el tiempo del ciclo en el proceso. Por lo tanto, la temperatura de fusión excesiva se penaliza tres veces. Los ingenieros de puesta en marcha de Apollo suelen encontrar máquinas antiguas en funcionamiento con hasta 15 o 25 ºC más altas que lo requerido por la resina, simplemente porque un perfil de temperatura fue copiado de un trabajo no relacionado años antes y nunca volvido a revisar.
Calefacción del cabezal de cilindro y matriz: tecnología de calentadores, aislamiento y control de zonas.
El calentamiento del cilindro y la cabeza de matraz representa típicamente entre el 8 y el 15 % de la potencia total de la máquina, y es el subsistema donde se encuentran habitualmente los ahorros de energía más económicos en toda la planta. En funcionamiento estable, la mayor parte del calor que mantiene el material fundido a temperatura se genera realmente por el esfuerzo viscoelástico causado por el átomo de tornillo, y no por los calentadores. El trabajo real de los calentadores en el estado estable es reemplazar el calor perdido en el entorno, y gran parte de esa pérdida puede evitarse.
Comparación de tecnologías de calentamiento
Calentador de banda cerámica
Los calentadores halógenos infrarrojos transfieren energía principalmente por medio de la radiación a longitudes de onda cortas en lugar de por medio de la conducción. Alcanzan la temperatura de funcionamiento muy rápidamente y responden rápidamente a las señales de control, lo que reduce el exceso y acorta el proceso de arranque. Su limitación es que la transferencia radiativa depende de la emisividad y la limpieza de la superficie objetivo, por lo que el rendimiento puede variar a medida que la superficie del depósito se oxida.
Los revestimientos de calentamiento por inducción adoptan un enfoque fundamentalmente diferente. En lugar de calentar un elemento externo y conducir el calor hacia adentro, una bobina de inducción genera corrientes turbulentas directamente en la pared del cilindro de acero. Ya que el propio cilindro se convierte en la fuente de calor, no hay pérdida de conexión entre el elemento y el cilindro, y la superficie exterior del revestimiento por inducción permanece relativamente fría. Las reducciones reportadas en la energía de calentamiento en comparación con las bandas de mica sin aislamiento son sustanciales, y el revestimiento sirve además como aislamiento. El calentamiento por inducción también elimina el módulo de falla clásico de un calentador de banda quemado que permanece oculto en una zona intermedia mientras las zonas vecinas compensan.
Tabla 4: Comparación de la tecnología de calentamiento de carriles y cabezales
| Método de calentamiento | Clase de eficiencia de transferencia de calor | Velocidad de calentamiento | Pérdida superficial sin aislamiento | Vida útil del equipo. | Costo relativo |
|---|---|---|---|---|---|
| Calentador de banda de mica | Bajo | Medio | Alto | Corto a medio | Bajo |
| Calentador de banda cerámico | Medio | Medio | Medio | Long | Medio |
| Calentador de aluminio fundido con pasajes de refrigeración. | Tabla 2: Comparación de arquitectura hidráulica y de transmisión para máquinas EBM | Medio | Medio | Long | Alto |
| Calentador halógeno infrarrojo | Alto | Muy rápido. | Medio | Medio | Alto |
| Vaina de calentamiento por inducción | Muy alto | Rápido | Bajo (la chaqueta está aislada por diseño) | Muy largo | Muy alto |
Chalecos de aislamiento: la medida de mayor rendimiento en la máquina.
Instalar capas de aislamiento extraíbles sobre los calentadores de banda en el barril, el adaptador y la cabeza de moldeo reduce las pérdidas de superficie radiantes y convectivas en aproximadamente un 20-40 por ciento. El porcentaje exacto depende de la temperatura de fusión, la velocidad de aire ambiente alrededor de la máquina y la proporción de la superficie que pueda cubrirse. Las temperaturas de fusión más elevadas y los diseños de plantas con corrientes de aire incómodas incrementan el ahorro hacia el extremo superior.
Tres puntos prácticos determinan si la medida da resultado. En primer lugar, las cubiertas deben ser removibles y estar adecuadamente modeladas para que no haya ningún inconveniente al proporcionar acceso a los termopar, los bornes del calentador y los cambiadores de pantalla; las cubiertas que obstruyen el servicio se retiran y nunca se vuelven a colocar. En segundo lugar, la cabeza de la matriz es frecuentemente la zona más valiosa para aislar porque funciona a alta temperatura con una gran superficie expuesta y, a diferencia del cilindro, no recibe ningún aporte de calor por tensión. En tercer lugar, el aislamiento reduce la carga térmica que llega al gabinete eléctrico de la máquina y al aire circundante, lo que en las instalaciones climatizadas produce un segundo ahorro indirecto.
Control de zona, colocación de termopares y autoajuste PID
La calidad del control es tan importante como el hardware del calentador. Un buclo PID desparejo que oscila alrededor del punto de ajuste consume energía en dos sentidos: los calentadores sobredimensionan y luego los ventiladores de enfriamiento funcionan para reducir la temperatura. Cada kilowatt-hora gastado en ese ciclo se desperdicia completamente. Los controladores PID modernos con funciones de autoajuste eliminan la mayor parte de este problema al identificar las características térmicas de cada zona individualmente.
El posicionamiento del termopar es más importante de lo que se cree en la mayoría de las operaciones. Un termopar situado en un pozo poco profundo responde a la temperatura de la superficie del calentador, en lugar de a la temperatura del estado fundido, lo que hace que el controlador apague los calentadores prematuramente y luego corrija excesivamente. Los termopares en pozos profundos, colocados para detectar la pared del cilindro cerca del estado fundido, proporcionan una señal más precisa y permiten un control más suave y con menor consumo de energía. Apollo especifica termopares en pozos profundos por zonas con autoajuste independiente en todas las máquinas de las series ABLB y ABLD.
Por último, considere la secuenciación de inicio. Tratar de alcanzar el punto de calibrado para todas las zonas de manera simultánea crea un gran pico de demanda simultánea, lo que puede desencadenar tarifas de demanda en la tarifa eléctrica de la planta. Una rutina de inicio por etapas, en la que las zonas se calientan en una secuencia controlada con un periodo de inmersión para permitir que el calor se transmita a través de la pared del barril, nivela el pico de demanda y reduce el riesgo de estrés térmico en el barril y el tornillo.
El aire comprimido: el costo energético más infravalorado en el moldeo por soplado.
El aire comprimido es la fuente de energía más cara por unidad de energía suministrada en cualquier planta de moldeo por soplado, y es también la que más probabilidad tiene de desperdiciarse. La generación de aire comprimido es inherentemente ineficiente: solo una parte de la energía eléctrica suministrada a un compresor termina como trabajo neumático útil, y el resto se descarta en forma de calor. Por tanto, cada fuga, cada barra de presión innecesaria y cada metro cúbico de aire expulsado a la atmósfera aumentan los costos eléctricos.
Cuánto aire necesita realmente una máquina de EBM
El moldeo por soplado mediante extrusión utiliza aire comprimido para dos propósitos diferentes con requerimientos muy distintos. El aire de soplado hincha la masa de parison contra la cavidad del molde y suele operar entre 6 y 10 bar, dependiendo de la geometría del recipiente, el espesor de la pared y la resina. El aire de control acciona las válvulas, los actuadores de pines de soplado, los evacuadores y el transporte, y rara vez necesita más de 6 bar.
Un error común y costoso es ejecutar toda la máquina, y a menudo toda la planta, a la máxima presión que requiere un solo consumidor. La potencia del compresor aumenta con la presión de descarga, por lo que cada barra innecesaria impone una penalización permanente a todo el aire producido. Separar el circuito de aire de soplado a alta presión del circuito de aire de control de uso general, ya sea con un potenciador dedicado o con una red de distribución adecuadamente zonificada, es una de las medidas de aire comprimido más eficaces disponibles.
Soplamiento en dos etapas: pre-soplamiento y soplamiento principal
El soplado en dos etapas divide la inflación en un soplado preliminar a baja presión que expande suavemente el parison y lo posiciona contra la cavidad, seguido de un soplado principal a alta presión que finaliza la formación y presiona el material contra la superficie del molde para definir los detalles y establecer contacto de refrigeración. El beneficio energético es inmediato: la mayoría del volumen del envase se llena a baja presión, y solo la etapa final de formación requiere presión completa. El soplado en dos etapas también mejora la distribución del espesor de la pared y reduce el riesgo de fugas del parison en secciones delgadas, por lo que el argumento de calidad y el argumento energético apuntan en la misma dirección.
Sistemas de recuperación de aire por soplado.
Al finalizar la fase de soplado, el aire contenido en el recipiente terminado aún está a la presión de soplado o cerca de ella. En una máquina convencional, una válvula de descarga la libera al aire libre, desperdiciando toda la energía de compresión e incorporando un fuerte súbito de ruido en el proceso. En cambio, un sistema de recuperación del aire de soplado conduce el aire de ventilación a través de una válvula de retención hasta un depósito a presión inferior, que a continuación proporciona aire pre-soplado, aire neumático de la máquina o se reenvía a la fase intermedia del compresor.
Realistic recovery rates fall between 25 and 50 percent of the blow air volume. Where a specific installation lands depends on several factors. Larger container volumes recover more absolute air per cycle. Higher blow pressures leave more recoverable energy. Short cycles mean more recovery events per hour. Conversely, very small containers, long cycles and low blow pressures reduce the attractiveness of recovery because the fixed cost of the receiver, valves and piping is amortised over a smaller recovered volume. Recovery systems also deliver a welcome secondary benefit: noise at the machine drops significantly when high-pressure air is no longer vented directly to atmosphere.
Diseño para la detección y distribución de fugas.
La filtración es el impuesto silencioso al aire comprimido. En las plantas que nunca han ejecutado un programa de detección sistemático, la fuga suele representar una proporción importante de la producción total de aire comprimido y, debido a que las fugas funcionan veinticuatro horas al día, incluidos los fines de semana y los períodos de parada, consumen energía cuando no está ocurriendo ninguna producción. El equipo de detección de fugas mediante ultrasonidos identifica las fugas por su característica firma de alta frecuencia, lo que permite al técnico inspeccionar toda una planta durante su funcionamiento normal sin tener que parar nada. Un controlesonen los estudios ultrasonidos trimestrales, con seguimiento de las reparaciones etiquetadas, uno de los métodos energéticos de menor costo y mayor retorno disponible para cualquier convertidor.
El diseño de la distribución importa casi tanto. El instalado insuficiente de tuberías genera una caída de presión, que los operadores suelen compensar elevando la presión de descarga del compresor, con perjuicio para todo el sistema. Un distribución principal adecuadamente dimensionada, una capacidad local de recepción adecuada cerca de la máquina para amortiguar la demanda de pulso, y conexiones finales de gran tamaño permiten que el compresor funcione al punto de ajuste viable más bajo. Los receptores locales son particularmente importantes en el moldeado por soplado porque el perfil de demanda es fuerte y pulsado; sin amortiguación, el compresor detecta repetidos bajos de presión y trabaja de forma innecesaria.
Tabla 5: Medidas de aire comprimido para máquinas EBM
| Medición | Efecto en la energía del aire comprimido | Beneficio secundario. | Inversión relativa |
|---|---|---|---|
| Detección y reparación de fugas por ultrasonido trimestral | Gran reducción, recurrente. | Estabiliza la presión del sistema. | Bajo |
| Separa el aire de impacto del aire de control y controla los niveles de presión | Reducción moderada hasta grande. | Mayor vida útil de la válvula y del sello | Bajo a medio |
| Secuenciación en dos etapas de pre-impulsación y pulso principal | Reducción moderada | Mejora de la distribución del espesor de las paredes | Bajo |
| Sistema de recuperación del aire de soplado (25-50 % de recuperación) | Gran reducción. | Disminución significativa del ruido | Tabla 2: Comparación de arquitectura hidráulica y de transmisión para máquinas EBM |
| Receptor local de tamaño adecuado para la demanda de soplado por impulsos | Reducción moderada | Menos ciclos de carga y descarga del compresor. | Bajo |
| Recupera el calor del compresor para utilizar el agua caliente de la planta. | No cambios en la energía aérea, compensación del combustible de calefacción | Reduce la carga del caldero. | Medio |
Refrigeración del molde y eficiencia de los chillers
El enfriamiento de los moldes consume entre el 6 y el 12 por ciento de la energía relacionada con la máquina y, al mismo tiempo, controla el tiempo del ciclo, lo que hace que sea el subsistema donde la optimización de la energía y la optimización de la productividad puedan chocar. Agua más fría acorta el tiempo de enfriamiento y aumenta la producción, pero producir agua más fría consume una cantidad desproporcionadamente mayor de energía del chiller. La respuesta correcta no es el agua más fría posible; es la temperatura más alta del agua que aún logra el tiempo de ciclo y la estabilidad dimensional requeridos.
Temperatura del agua y coeficiente de rendimiento del refrigerador
La eficiencia del chiller se describe con su coeficiente de rendimiento, es decir, la relación entre el calor eliminado y la energía eléctrica consumida. El coeficiente de rendimiento aumenta significativamente a medida que aumenta el punto de configuración del agua refrigerada, ya que el ciclo de refrigeración tiene que superar una menor elevación de temperatura. Como regla de forma ampliamente utilizada en la refrigeración industrial, cada grado Celsius de aumento en la temperatura del evaporador mejora el rendimiento del chiller en algunos por ciento.
La mayoría de las aplicaciones de moldeo por soplado por extrusión en HDPE y PP utilizan agua de refrigeración del molde entre 8 y 15 °C. Muchas plantas por hábito establecen el valor mínimo de ese rango. En la práctica, la geometría del contenedor, el espesor de las paredes y la cristalización de la resina determinan lo que realmente se necesita. Los contenedores industriales de paredes gruesas se benefician realmente de agua más fría. Las botellas de paredes delgadas a menudo se enfrían adecuadamente a 12 a 15 °C, y la diferencia en la potencia del chiller entre 8 °C y 14 °C durante un año completo es considerable. El riesgo de enfriar demasiado no solo afecta a la energía: por debajo del punto de rocío local, se forman condensaciones en las superficies del molde y en las líneas de refrigeración, lo que ocasiona defectos en la superficie del contenedor y la corrosión en el molde.
Refrigeración gratuita y intercambiadores de calor de placa
El enfriamiento gratuito, a veces llamado operación economizadora, utiliza las condiciones ambientales para desechar el calor del proceso sin hacer funcionar el compresor. Cuando la temperatura de humedad en el exterior es lo suficientemente baja, una torre de enfriamiento o un enfriador seco puede producir agua suficientemente fría como para suministrar energía al proceso directamente a través de un intercambiador de calor de placas, con el chiller mecánico inactivo o funcionando a carga parcial. En climas templados esto puede cubrir una parte significativa de las horas de enfriamiento anuales; en climas fríos, puede cubrir la mayoría del invierno.
Un intercambiador de calor en forma de placa, situado entre el circuito de la torre de refrigeración y el circuito cerrado del proceso, es esencial en este sistema. Este elemento mantiene el agua de la torre abierta, con su oxígeno disuelto, carga biológica y sólidos en suspensión, separada del circuito cerrado limpio que alimenta los moldes. Sin esa separación, los canales de refrigeración de los moldes se ensucian rápidamente, la transferencia de calor se degrada, los tiempos del ciclo se alargan y la planta pierde mucho más de lo que cualquier enfriamiento libre hubiera podido ahorrar.
Canales de enfriamiento conformales y diseño térmico del molde
El diseño del canal de refrigeración dentro del molde determina la eficacia con que el agua realmente elimina el calor. Los canales convencionales perforados rectos están limitados por la geometría de perforación y, a menudo, dejan puntos calientes en las asas, los acabados del cuello, las áreas de pinzamiento y los ángulos de la base. Los canales de refrigeración conformales, producidos mediante fabricación aditiva o mediante la fabricación del molde a partir de capas unidas, siguen el contorno de la cavidad con un desplazamiento constante. El resultado es una extracción de calor más uniforme, menos puntos calientes, un tiempo de refrigeración más corto y una deformación reducida.
El enfriamiento conformal implica un alto costo relativo en la herramienta de moldeo y no se justifica para todos los trabajos. Tienen sentido económico en moldes de gran volumen y de larga operación, donde una reducción del tiempo de ciclo, aunque sea de una fracción de segundo, se acumule y genere una producción anual significativa, y donde la deformación o variación de retracción ha causado históricamente rechazos. Para moldes de producción corta o que cambian con frecuencia, los canales convencionales con una estrecha atención a las velocidades de flujo turbulento ofrecen la mayor parte de los beneficios a una fracción del coste.
Bomba y control de flujo
Las bombas de agua de enfriamiento a menudo son la carga olvidada. Una bomba de velocidad fija dimensionada para las operaciones de moldeo más desfavorables funciona a pleno rendimiento, independientemente de la cantidad de estaciones activas o del molde instalado. El montaje de una unidad de accionamiento de velocidad variable con control de presión diferencial permite que la potencia de la bomba siga la demanda real, y dado que la potencia de la bomba varía aproximadamente con el cubo del flujo, incluso una modesta reducción del flujo produce una reducción considerable de potencia. Igualmente importante es garantizar que el flujo en cada circuito permanezca turbulento en lugar de laminar; el flujo turbulento transfiere el calor varias veces más eficazmente, por lo que un flujo ligeramente más alto en el circuito correcto puede acortar el tiempo de enfriamiento mucho más que un flujo mucho mayor distribuido indiscriminadamente entre todos los circuitos.
Recuperación del aire expulsado, detección de fugas, pre-airear en dos etapas y airear principal, ajuste de la presión4. La métrica más útil en esta discusión es el consumo específico de energía, expresado en kWh por kilogramo de producto final. Normaliza la dimensión de la máquina, la geometría del contenedor y los patrones de turnos, permitiendo comparar una línea de moldaje por soplado de extrusión de HDPE de 200 ml y una línea de tambor de 220 l en el mismo eje. En una máquina de moldeo por soplado de extrusión de HDPE bien configurada, el consumo específico de energía vinculado a la unidad de la máquina oscila normalmente entre 0,55 y 0,95 kWh/kg. Las máquinas construidas antes de la adopción generalizada de los motores de extrusoras de frecuencia variable, los revestimientos aislantes y los sistemas de aire en ciclo cerrado suelen superar los 1,2 kWh/kg para las mismas piezas.
Ninguna medida de ahorro de energía debe implementarse sin un modo de verificarla, porque los ahorros no medidos tienen la costumbre de desaparecer. La medición per-máquina de la energía es la base de cualquier programa de energía digno de crédito, y es barata en comparación con casi todas las otras medidas discutidas en este artículo.
Medición por máquina e indicadores adecuados
Un medidor de energía trifásico instalado en el desconector principal de la máquina, que registra la energía activa, la energía reactiva, el factor de potencia y la energía acumulada con intervalos cortos, convierte la energía de un recargo abstracto a nivel de planta en un parámetro operativo que un supervisor de turno puede utilizar. Una vez que estos datos existen, dos indicadores desempeñan la mayor parte del trabajo útil.
El consumo específico de energía en kWh por kilogramo normaliza según el peso de la parte y es el indicador correcto para comparar la eficiencia de la máquina, las configuraciones de la hélice y los cambios en la resina. El consumo de energía por cada mil piezas, expresado en kWh por 1,000 piezas, es el indicador correcto para la cotización comercial y para la presentación de informes de carbono por parte de los clientes, ya que éstos compran contenedores, no kilogramos. Una planta debe rastrear ambos. Un cambio que mejora kWh/kg pero empeora kWh por 1,000 piezas generalmente significa que el peso de la pieza se ha incrementado, lo que representa un problema de costo de la resina oculto dentro de una métrica de energía.
Vinculación de la energía al OEE
Los datos de energía se vuelven mucho más potentes cuando se superponen a la eficacia general del equipo. La razón es sencilla: una máquina que está siendo calentada, presurizada y funciona su extrusor, pero no produce recipientes de venta, está consumiendo una gran fracción de su potencia de producción completa mientras no produce nada. Los estados de inactividad y no productivos consumen por lo general una parte sustancial de la energía de funcionamiento, porque los calentadores, la hidráulica y el refrigerador permanecen activos.
Esto significa que las pérdidas de disponibilidad conllevan una penalización de energía que nunca aparece en un cálculo OEE convencional. Al dibujar el kWh consumido frente a las piezas buenas producidas, hora por hora, se descubre cuáles son los turnos, los cambios y los modos de fallo que son los más caros. En muchas plantas, este análisis revela que la oportunidad de ahorro de energía más grande no es una actualización de la tecnología, sino la eliminación del funcionamiento inactivo prolongado durante los cambios y cuando se revisan las calidad.
Marcos de estándares
La norma ISO 50001 proporciona el marco del sistema de gestión energética: políticas, líneas de base, indicadores de desempeño energético, planes de acción y revisión de gestión. La norma ISO 50006 proporciona orientación práctica para establecer las líneas de base e indicadores, donde más luchan las plantas. La certificación no es necesaria para obtener ventajas; solo la adopción de la disciplina de las líneas de base e indicadores produce la mayoría del valor.
En el lado de las máquinas, EUROMAP 60.1 y 60.2 definen procedimientos de medida estandarizados y condiciones de referencia para el rendimiento energético de las máquinas para plásticos, lo que hace que las comparaciones entre proveedores sean significativas. Sin un límite de medida común y un ciclo de referencia definido, las cifras de consumo mencionadas de diferentes proveedores no son comparables. La IEC 60034-30-1 regula la clasificación de eficiencia de los motores, y los compradores deben especificar explícitamente la clase IE requerida en la especificación de compra en lugar de aceptar lo que incluya la configuración estándar del proveedor. La conformidad con la Directiva de Máquinas, con la EN 422 que aborda específicamente la seguridad de las máquinas de moldeo por soplado, sigue siendo un requisito separado y no debe confundirse con el rendimiento energético.
Construcción de una base defensiva
Cambio de arquitectura de la máquina completa
El Plan de Retrofitting con Ahorro de Energía de Apollo
El orden correcto de implementación es tan importante como las medidas mismas, porque las ganancias iniciales de bajo costo financian las actualizaciones de alto costo posteriores y porque la medición debe preceder a la inversión. El mapa de abajo es la secuencia que los ingenieros de Apollo recomiendan a los clientes que operan máquinas de soplado-extrusión existentes, ya sean éstas máquinas de Apollo o de otro proveedor.
Cuadro 6: Medidas de ahorro de energía del EBM clasificadas por prioridad
| Medición | Ahorro en el subsistema afectado | Ahorro de energía total de la máquina | Dificultad de implementación | Inversión relativa | Clase de amortización |
|---|---|---|---|---|---|
| Programa de detección y reparación de fugas de aire comprimido | 10–30% | 1–4% | Fácil. | Bajo | Corto |
| Jaulas de aislamiento del cabezal del molde y de la tolva | 1–2 % | 2–5% | Fácil. | Bajo | Corto |
| Medición de energía por máquina y tablero de instrumentos | Medida activa | 3–8% mediante cambios en el comportamiento | Fácil. | Bajo | Corto |
| Revisión del perfil de temperatura de fusión y autoajuste PID | 15–20% | 2–6% | Fácil. | Bajo | Corto |
| El punto de temperatura del agua refrigerada se eleva dentro de los límites del proceso | Del 8 al el 20%. | 1–3% | Fácil. | Bajo | Corto |
| Interconexiones del equipo auxiliar (triturador, transportador, cargador) | 1–2 % | 1–2 % | Fácil. | Bajo | Corto |
| Secuenciación de pre-soplado en dos etapas y soplado principal | 10–25% | 1–3% | Moderado. | Bajo a medio | Corto |
| Accionamientos de velocidad variable en las bombas de agua de refrigeración | 25–45% | 1–3% | Moderado. | Medio | Medio |
| Sistema de recuperación del aire de soplado | 25–50% | 2–6% | Moderado. | Tabla 2: Comparación de arquitectura hidráulica y de transmisión para máquinas EBM | Medio |
| Retrofit de la unidad de energía servo-hidráulica | 15–40% | Del 3 al el 8%. | Difícil | Alto | Medio |
| Enfriamiento libre con intercambiador de calor de placas | 1–2% | 2–6% anualizados | Difícil | Alto | Medio |
| Chalecos de calentamiento por inducción en el barril y en la cabeza de la matriz. | 30–60% | 3–7% | Difícil | Muy alto | Mediano a largo plazo |
| Actualización del motor del extrusor de MMSP a IE4/IE5 | 8–18% | 4–10% | Difícil | Muy alto | Mediano a largo plazo |
| Conversión del tornillo barrera y del barril de alimentación ranurado. | 10–25% | 5–14% | Difícil | Muy alto | Medio |
| Reemplazo por una máquina totalmente eléctrica | 30–70% temporada | 15–30% | Proyecto. | 2. Premium. | Long |
Cómo leer el plan de trabajo.
Es importante señalar que los porcentajes de las columnas segunda y tercera no son aditivos. Una vez que las camisas aislantes han reducido las pérdidas de calefacción, una posterior remodelación del calentamiento por inducción proporciona un beneficio incrementado menor que lo que indica la tabla como medida independiente. Lo mismo ocurre con el aire comprimido: después de reparar las fugas y ajustar la presión, un sistema de recuperación del aire soplado funciona sobre una base más pequeña. Por tanto, la secuenciación tiene consecuencias financieras reales, y las medidas más baratas siempre deben ponerse en primer lugar, tanto porque financian las más costosas como porque establecen la línea de partida reducida contra la que deben justificarse las más costosas.
También note que las medidas que tienen mayor impacto total en la máquina, la conversión de tornillos y cilindros y la actualización del motor PMSM, son aquellas que se aplican al extrusor. Esto se deduce directamente de la Tabla 1. Una planta que ha completado todas las medidas fáciles y aún necesita un cambio significativo, eventualmente deberá hacerlo.
¿Cómo los Ingenieros de Apollo reducen el consumo de energía en cada serie?
Apollo, una fábrica de Wanplas, incorpora prestaciones de eficiencia energética en la máquina en la etapa de especificación, en lugar de considerarlas como una lista opcional de accesorios, porque el retroajuste de la eficiencia suele ser más caro que incluirlo desde el principio. Con diez series y más de ochenta modelos que abarcan contenedores desde 200 ml hasta 1500 l, la configuración específica varía según la aplicación, pero la filosofía de ingeniería subyacente es consistente en toda la gama.
Serie ABLB, de 200 ml a 20 L
La serie ABLB consta de ocho tipos de máquina que cubren los tamaños de recipiente que dominan el embalaje de alimentos y bebidas, productos químicos y farmacéuticos diarios. Dado que estas máquinas funcionan en ciclos rápidos con altas horas anuales, Apollo prioriza las medidas que escalan con el número de ciclos: unidades de potencia servohidráulicas para los circuitos de sujeción y transporte, secuenciación pre-extrucción y principal en dos etapas como estándar, cabezas de moldes aisladas y termoparros de pozo profundo con autoajuste de zona independiente. Los accionamientos del extrusor se especifican con control de inversor en IE3 como estándar, y con PMSM en IE4 disponible cuando el ciclo de trabajo del cliente lo justifique.
Serie ABLD, de 20 l a 1500 l.
La serie ABLD cubre recipientes de gran capacidad, tambores industriales, recipientes intermedios a granel químicos y grandes piezas técnicas. Estos equipos presentan características energéticas fundamentalmente diferentes: los ciclos son largos, las fuerzas de apriete son altas y la fase de retención durante el enfriamiento domina el ciclo. Ese perfil es precisamente donde la tecnología servo-hidráulica ofrece su mayor beneficio relativo, ya que una bomba de desplazamiento fijo estaría descargando el flujo a través de una válvula de seguridad durante la mayor parte de cada ciclo. El tamaño del acumulador se trata como una decisión de energía así como una decisión de proceso, ya que un acumulador correctamente dimensionado permite que una bomba de menor tamaño satisfaga una demanda máxima importante.
Completamente eléctrico. Series, 200ML to 20L
La serie completamente eléctrica elimina por completo la unidad de potencia hidráulica. Para los clientes que producen recipientes farmacéuticos, embalajes médicos o botellas de productos químicos diarios de alta pureza, la inexistencia de aceite hidráulico elimina un camino de contaminación que no puede cerrarse completamente mediante cualquier disciplina de mantenimiento. El argumento energético es igualmente sólido para plantas con tarifas de electricidad elevadas y tres turnos de trabajo, en las que el consumo prácticamente nulo en estado de reposo se acumula a lo largo de miles de horas anuales. Apollo posiciona la serie completamente eléctrica como la opción recomendada cuando el volumen de recipiente, la frecuencia de ciclos y los requisitos de limpieza señalan todos en la misma dirección.
Manipulación de materiales y el más amplio ecosistema de Wanplas
El rendimiento energético no se detiene en la máquina. Las máquinas Apollo procesan PE, PP, PVC, PA, PC, ABS, PS, EVA, TPU y PETG, y cada material tiene su propio perfil energético. El HDPE de alto peso molecular con bajo flujo de fusión exige más par y se beneficia más de los barriles de alimentación ranurados. El PVC requiere una baja cizalladura y control térmico ajustado para evitar la degradación, lo que significa que la calidad del control del calentamiento es más importante que la potencia del calentador cruda. El PC y el PA requieren un secado exhaustivo, y el secador en sí mismo se convierte en un importante consumidor de energía, por lo que los secadores deshumidificadores controlados por punto de rocío con regeneración basada en la demanda merecen especificarse.
Cuando un convertidor ejecuta un reciclaje significativo, la trituradora y el sistema de transporte se convierten en parte del panorama energético, y la consistencia de los trozos afecta directamente el consumo específico de energía del extrusor. Para las plantas que escalan para reciclar en un circuito cerrado completo, la fábrica de Polyretec de Wanplas suministra líneas de lavado y granulado, y la fábrica de Kerke de Wanplas suministra extrusoras paralelas gemelas de tornillos con rotación conjunta para compuestos y granulado de material recuperado en alimentación consistente con baja variabilidad. La alimentación consistente es en sí misma una medida energética, ya que una densidad en masa estable y un caudal de fusión permiten que el extrusor de moldeado por soplado funcione en un punto de operación constante y optimizado en lugar de corregir continuamente.
Entrenamiento, verificación y soporte
Apollo prueba las máquinas en su fábrica de 8.000 metros cuadrados en Zhangjiagang antes del envío, con ingenieros disponibles para la instalación y puesta en servicio en el lugar. La verificación de energía durante la puesta en servicio es sencilla y debe solicitarse como parte del protocolo de aceptación: registrar la energía del área de la máquina durante un ciclo de producción definido a la capacidad contratada, calcular kilovatios por hora por kilo y kilovatios por 1.000 unidades, y registrar los números como parámetro de base de la máquina en 100 puntos de índice. Ese parámetro base se convierte luego en la referencia para toda la vida útil de la máquina, haciendo visible de inmediato cualquier degradación futura.
En todo la marca Wanplas, el compromiso compartido incluye la personalización de las máquinas para moldes y voltajes, la instalación en el sitio por parte de ingenieros, el seguimiento del estado de uso, la inspección del taller antes del envío, un crédito anual gratuito para piezas de repuesto, una garantía de transporte, una garantía de capacidad de producción y una garantía de estándares de calidad. Los proveedores competidores, incluidos Bekum, Kautex Maschinenbau, Uniloy, Graham Ingeniería y Automa, ofrecen sus propios paquetes de energía, y los compradores deberían compararlos en una base de medición común en lugar de basarse en las declaraciones generales. Las condiciones de referencia establecidas en EUROMAP 60.1 y 60.2 existen exactamente para este propósito.
Preguntas frecuentes
¿Cuánto electricidad consume una máquina de moldeo por soplado de extrusión típica por kilogramo de producto?
Una máquina HDPE de una sola estación bien configurada que produce latas de 5 litros generalmente consume entre 0,55 y 0,95 kWh por kilogramo de producto final medido en el límite de la máquina, lo que incluye la tracción del extrusor, la hidráulica, el calentamiento del cilindro y la neumática montada en la máquina. El solo extrusor generalmente representa entre 0,25 y 0,45 kWh/kg de ese total. Las máquinas más antiguas con bombas de desplazamiento fijo, calentadores de banda de mica y sin mangas de aislamiento frecuentemente superan los 1,2 kWh/kg para piezas idénticas. Siempre confirme si la cifra citada por el proveedor incluye servicios de utilidades de la planta, como la sala de compresores y el refrigerador, porque solo eso puede cambiar el número en más de un 20 %.
¿Una máquina EBM servo-hidráulica realmente ahorra entre el 15 y el 40% de energía?
Ese rango se aplica específicamente a la unidad de potencia hidráulica, no a la máquina completa. Ya que la unidad de potencia hidráulica representa aproximadamente entre el 10% y el 20% de la potencia total de la máquina en el moldaje por soplado de extrusión, una conversión servo-hidráulica suele producir una reducción del 3% al 8% en el consumo total de la máquina. Las máquinas con largas fases de retención, cabezales de acumulador grandes o ciclos lentos están en el extremo superior porque la bomba convencional de otra manera estaría eliminando el flujo durante la mayor parte del ciclo. Las máquinas de contenedores pequeños de ciclos rápidos se encuentran en el extremo inferior.
¿Cuándo tiene más sentido una máquina de soplado-extrusión totalmente eléctrica que una servo-hidráulica?
El moldeo por soplado por extrusión completamente eléctrico es más adecuado para recipientes desde 200 ml hasta aproximadamente 20 litros, en entornos de sala limpia o farmacéuticos, y en plantas con altas tarifas eléctricas y largas horas de funcionamiento anuales. A partir de aproximadamente 30 litros, y especialmente para las máquinas de cabezal acumulador que producen bidones industriales grandes, la accionamiento hidráulico o servo-hidráulico sigue siendo más práctico debido a la fuerza de sujeción máxima y a las longitudes de carrera largas involucradas. El coste de capital relativo del completamente eléctrico es Premium, por lo que el caso de negocio depende en gran medida de las horas de funcionamiento anuales.
¿Cuánto pueden reducir las prendas de aislamiento de barriles el consumo de energía para calefacción?
Los envolventes de aislamiento encajados sobre los calentadores de banda, típicamente reducen las pérdidas radiantes y convectivas de la tolva y la cabeza del molde entre un 20 y un 40 por ciento, dependiendo de la temperatura de fusión, del flujo de aire ambiente y de la cobertura. Dado que el calentamiento de la tolva y la cabeza del molde supone aproximadamente entre un 8 y un 15 por ciento de la potencia total de la máquina, eso significa una reducción del consumo total entre un 2 y un 5 por ciento con una inversión relativa baja y un corto período de recuperación del inversión. La cabeza del molde es, a menudo, la zona de mayor valor para aislar, porque está muy caliente, tiene una gran superficie expuesta y no recibe calor de fragmentación del hilo.
¿Qué es un sistema de recuperación de aire por soplado y cuánto aire recupera realmente?
Un sistema de recuperación del aire por soplado recoge el aire aún presurizado que se libera del recipiente al final de la fase de soplado y lo dirige a través de una válvula de seguridad a un depósito amortiguador de menor presión que alimenta el aire previos al soplado, la neumática de la máquina o la etapa intermedia del compresor. Las tasas de recuperación que van del 25% al 50% del volumen del aire de soplado son realistas en las máquinas que producen recipientes más grandes en ciclos cortos con una alta presión de soplado. Además, el sistema reduce considerablemente el ruido de la máquina, ya que el aire a alta presión ya no se ventila directamente a la atmósfera.
¿Qué retrofit de ahorro de energía debe realizarse primero en una máquina EBM antigua?
Empiece con la detección de fugas y el ajuste de la presión del aire comprimido, luego con los revestimientos de aislamiento del cabezal del cilindro y del matriz, y finalmente con la medición de la energía por máquina. Los tres métodos presentan una inversión relativa baja, una implementación fácil y un plazo de amortización corto. La medición debe instalarse temprano, aunque no ahorre dinero directamente, porque convierte todas las medidas posteriores de la reclamación en resultados verificados. Solo después de que estos fundamentos estén en su lugar tiene sentido evaluar una unidad de poder hidráulica servo, un motor extrusor de magneto-estático o el calentamiento por inducción.
¿Cambia la alimentación de reciclado el consumo de energía de una máquina EBM?
Sí. El material reciclado tiene una densidad aparente más baja y una geometría irregular de las partículas en comparación con los pellets virgen, lo que reduce la eficiencia de transporte de sólidos en la zona de alimentación y puede aumentar el consumo específico de energía entre un 3 y un 10 por ciento a la misma producción. El propio triturador añade una carga parásita. Los tambores de alimentación con relieve, el tamaño uniforme de las hojuelas y una relación de reciclado controlado recuperan la mayoría de esta penalización. Cuando la calidad del material reciclado varía ampliamente, el mezclado y el proceso de granulación del material recuperado en una materia prima uniforme, utilizando equipos de tornillos gemelos de la fábrica Kerke de Wanplas, estabiliza el punto de funcionamiento del extrusor y a menudo se amortiza solo con la reducción de la variabilidad.
¿Qué normas se aplican para medir el consumo de energía de las máquinas de moldeo por soplado?
EUROMAP 60.1 y 60.2 definen los procedimientos de medición y las condiciones de referencia utilizados para comparar el rendimiento energético de las máquinas de plásticos de forma directa. La IEC 60034-30-1 clasifica la eficiencia de los motores en las bandas IE1 a IE5, y los compradores deben especificar explícitamente la clase requerida en las especificaciones de compra. La ISO 50001 ofrece el marco del sistema de gestión de la energía, y la ISO 50006 cubre los valores de referencia y los indicadores de rendimiento energético. La seguridad de las máquinas se regula por separado, con la EN 422 que se ocupa de las máquinas de moldeo por soplado bajo el marco CE, y la velocidad de flujo de fusión de resina se mide de conformidad con el ASTM D1238 o la ISO 1133.
¿De verdad puede ahorrar energía elevar la temperatura del agua refrigerada?
Saturado, usado para superficies de bajo brillo
Conclusión
La tecnología de ahorro de energía para las máquinas EBM no es una característica única que se pueda marcar en un formulario de pedido. Es una disciplina de ingeniería compuesta por capas que comienza con conocer dónde se consume la energía, continúa atacando cada subsistema en relación con su participación y depende totalmente de las mediciones para confirmar que los ahorros son reales y duraderos.
La evidencia acumulada en la base instalada de Apollo muestra una jerarquía clara. La unidad de motor del extrusor, que representa de un 45 a un 60 por ciento de la potencia total de la máquina, es donde se encuentran los ahorros absolutos más significativos, que se pueden lograr mediante las clases de motores IE4 e IE5, la geometría de la hélice de barrera, los tambores de alimentación grabados y la gestión disciplinada de la temperatura de la fusión. La unidad de potencia hidráulica, que representa de un 10 a un 20 por ciento, responde con fuerza al control servo precisamente porque su ciclo de trabajo es tan intermitente, lo que da lugar a reducciones de un 15 a un 40 por ciento en este subsistema. El calentamiento de los botes y el aire comprimido representan una participación comparable y son mucho más económicos de abordar, ya que los revestimientos de aislamiento reducen las pérdidas superficiales en un 20 a un 40 por ciento y la recuperación del aire de soplado devuelve entre un 25 y un 50 por ciento del volumen de aire de soplado. El enfriamiento de los moldes completa el ciclo, donde un punto de ajuste del agua elevado y el enfriamiento libre proporcionan ahorros que cuestan prácticamente nada implementar.
La recomendación práctica no cambia independientemente de la marca de la máquina o de su edad. Instale primero el medidor de energía por máquina. Repara las fugas de aire comprimido y aísle el barril y la cabeza de la estampadora. Asegúrese de que estas acciones requieren una inversión baja, son fáciles de implementar y tienen un breve período de recuperación de costes. Establezca los indicadores de kWh/kg y kWh por 1.000 pcs para compararlos con el punto de referencia de 100 puntos de índice. Enlace estos datos a los datos de OEE para que el funcionamiento en modo inactivo sea visible, y sólo entonces concierte los upgrades de inversión alta y muy alta que se aplican a la extrusora y a la hidráulica.
Apollo, una fábrica de Wanplas con más de veinte años de experiencia en moldeo por soplado con extrusión y más de 4.000 máquinas en funcionamiento en más de 90 países, especifica estas medidas en toda la serie ABLB, la serie ABLD y la serie completamente eléctrica. Los compradores que evalúan una nueva capacidad deben solicitar los valores de energía limitados por máquina medidos bajo las condiciones de referencia de EUROMAP, especificar explícitamente la clase de motor IE y incluir una prueba de verificación de energía en el protocolo de aceptación. Una máquina elegida bajo esos términos seguirá siendo rentable mucho después de que una máquina elegida únicamente por el precio de compra haya pasado a ser el activo más costoso de la planta.
