La tecnologia di risparmio energetico per le macchine EBM è passata da un punto di valore di marketing a una dura esigenza commerciale. Per la maggior parte delle piantagioni di formaggio a sbalzo, l'elettricità è ora la seconda spesa controllabile dopo quella per la resina, e nelle regioni in cui ci sono tariffe elevate o obblighi di rendicontazione sulle emissioni di carbonio, è la linea di costo che cresce più rapidamente. Una singola macchina di formaggio a sbalzo usando l'estrusione, che opera tre turni su bidoni in polietilene ad alta densità (HDPE), può consumare nella sola settimana più energia dell'intera costruzione di un edificio di superficie pari. Tuttavia, la stessa macchina, specificata correttamente, può produrre lo stesso output consumando notevolmente meno energia.
Apollo, una fabbrica di Wanplas situata a Zhangjiagang, vicino a Shanghai, ha trascorso più di vent'anni a costruire macchine automatiche di estrusione a pompaggio continuo, con oltre 4000 set in servizio in più di 90 Paesi. In tutto questo parco installato, il modello è costante: la differenza tra una macchina efficiente e una inefciente è raramente rappresentata da un singolo componente di punta. È l'accumulo di una decina di scelte deliberate ingegneristiche, ognuna delle quali elimina alcuni punti percentuali da un diverso sottosistema.
Questo articolo analizza con precisione dove si spendono le energie in una macchina di estrusione e blow-molding, lavorando poi passo dopo passo su ciascun sottosistema: il motore dell'estrusore, l'unità di potenza idraulica, il riscaldamento del cilindro e della testa dello stampo, l'aria compressa e il raffreddamento dello stampo. Esplana la differenza misurabile tra pompe a variazione di volume costante, pompe a variazione di potenza sensibili alla carico, unità servo-idrauliche e azionamento completamente elettrico. Riassume le differenze tra riscaldamento a mica, ceramica, halogeni infrarossi e induzione su una base uguale. Quantifica quanto l'aria di recupero effettivamente restituisce. E conclude con una roadmap di retrofit priorizzato che qualsiasi impresa può applicare alle macchine già in servizio, indipendentemente dal marchi Apollo, Bekum, Kautex Maschinenbau, Uniloy o Graham Engineering.
In tutti i casi, la prestazione energetica viene espressa come gli ingegneri dovrebbero esprimerla: come consumo di energia specifico in kWh per kg di prodotto e in kWh per mille pezzi, misurato alla soglia della macchina. Il relativo costo e il ritorno sono espressi in catene qualitative e basi indici, piuttosto che in cifre absolute, perché i tariffari, i dazi e i salari locali variano troppo ampiamente per che un numero singolare possa essere utile.
Perché il consumo energetico è ora una specificazione primaria di EBM
Il consumo energetico non è più una caratteristica secondaria nelle macchine di extrusione a fiamma e foratura; è un criterio di selezione primario che determina direttamente se una linea di produzione di contenitori rimanga competitiva durante la durata di servizio di dieci anni. Tre forze si sono manifestate per renderla realistica, e nessuna di esse è probabile che si possa invertire.
La prima forza è la volatilità dei tariffi. I prezzi dell'elettricità in molti regioni esportatori sono diventati molto meno prevedibili di quanto fossero una decade fa, e la pirolisi è un processo ad elevata intensità energetica per natura. A differenza del costo della resina, che spesso può essere trasferito al cliente tramite contratti con indice, il costo dell'elettricità viene generalmente completamente assorbito dal convertitore. Una macchina specificata solo in base al prezzo d'acquisto e alla capacità può tranquillamente consumare molte volte il suo stesso valore di capitale in elettricità durante tutto il periodo di utilizzo.
La seconda forza è la contabilità del carbonio regolamentare e incentivata dai clienti. I titolari delle marche del settore alimentare e bevande, dei materiali chimici quotidiani e del packaging farmaceutico richiedono sempre più dati sulle emissioni del contesto 3 da parte dei loro fornitori di packaging. Questi dati non possono essere prodotti senza una misurazione dell'energia per macchina. Un produttore che non può comunicare i kWh per mille pezzi per un determinato contenitore è a svantaggio competitivo, indipendentemente dall'aspetto delle parti.
La terza forza è la maturazione della tecnologia stessa. Le unità di potenza servo-idrauliche, i motori sincroni a magneti permanenti e il riscaldamento a rotelle d'induzione erano tutte novità costose dieci anni fa. Oggi sono ampiamente usate, ben supportate e disponibili da molti fornitori di componenti, il che ha ridotto sia la differenza di prezzo che il rischio tecnico. Cosa che una volta era una opzione sperimentale è ora un'imposizione di ingegneria giustificata.
Economia in termini di consumo energetico specifico
Il parametro più utile in questa discussione è il consumo di energia specifico, espresso in kWh per chilogrammo di prodotto finito. Normalizza le dimensioni della macchina, la geometria del contenitore e i modelli di turno, consentendo di confrontare una linea per la formaggio a spruzzo ad alta densità di 200 ml e una linea per il stampaggio ad alta pressione di tamburi di 220 l sulla stessa asse. Per una macchina per la lavorazione del HDPE a spruzzo a pressione ben configurata, il consumo specifico di energia totale entro i limiti della macchina varia solitamente tra 0,55 e 0,95 kWh/kg. Le macchine costruite prima dell'adozione diffusa del pilotaggio dell'esdentatore a frequenza variabile, degli isolanti e dei sistemi a circuito chiuso per l'aria possono spesso superare i 1,2 kWh/kg per le stesse parti.
Questo distanza di circa 0,4 kWh/kg non sembra drammatica fino a quando non viene moltiplicata dal rendimento annuale. Una macchina che converte 400 tonnellate di HDPE all'anno a un svantaggio di 0,4 kWh/kg brucia
La performance energetica nell’estrusione di formazione a soffione non è resa possibile da una singola componente. Esso avviene attaccando sistematicamente sei sottosistemi, ognuno dei quali contribuisce tra il 3 e il 60% della carico totale della macchina e misurando il risultato invece di assumere che sia già stato raggiunto.
Dove effettivamente va la potenza: distribuzione energetica di una macchina EBM
In una macchina tipica ad un singolo lavoro per il gonfiamento ad erogazione plástica produttiva mattonelle a contenuto di 5L di HDPE, il motore dell'erezione della sala di plastificazione consuma la quota di energia più elevata, generalmente tra il 45 e il 60%, seguito dall'unità idraulica, dal riscaldamento del rotolo e del capo della foratura, dell'aria compressa e del raffreddamento del mato. Saper comprendere questa distribuzione è il presupposto per qualsiasi programma energetico razionale, perché gli sforzi destinati all'ottimizzazione di un sottosistema che rappresenta il 4% della carico sono senza dubbio travolti da una moderata migliorata operata su un sottosistema che rappresenta il 50%.
Il rapporto indicato di seguito riflette una configurazione rappresentativa: una macchina a una stazione con un estruttore monoscoppio di 90 mm, rapporto L/D 25:1, estrusione continua con testa stampante a una singola strata, unità di blocco idraulica e deflashing installato sulla macchina. Il throughput è di circa 60 a 80 kg/h di HDPE con un flusso di fusione pari a circa 0,3 g/10 min a 190°C e 2,16 kg misurati secondo ASTM D1238. Il peso del contenitore è di circa 180 a 220 g. La temperatura ambiente è presumibilmente di 25°C.
Tabelle 1: Dettagli energetici di una cassa EBM HDPE da 5 litri
| Subsistema | Parte del consumo totale di energia della macchina | Schema di carico | Le principali strategie di risparmio |
|---|---|---|---|
| Prima macchina di accensione (motore, cambio, tubino) | 45–60% | Continuo, quasi costante | 000 chilowatt-ore in più all'anno senza alcuna ulteriore misura di produttività. Espresso come un parametro con una macchina moderna e a efficienza elevata presa come linea di base pari a 100 punti, una macchina di vecchia generazione male configurata si trova intorno ai 140 fino a 165 punti di parametro per lo stesso programma produttivo. |
| Unità di potenza idraulica (fissaggio, carico, pino di espulsione, eliminazione della scarica superficiale) | 10–20% | Intermittente, fasi di inattività e di mantenimento estese | Pompagabbino servo-idraulico, controllo a sensore della carico, dimensionamento dell'accumulo, attuazione completamente elettrica |
| Riscaldamento del barillet, dell'adattatore e della testa di fusione | 8–15% | Alto all'avvio, basso ciclo di lavoro in stato stabile | Giubbotti di isolamento, riscaldamento per induzione o infrarosso, auto-ottonamento PID, consolidamento delle aree |
| Aria compressa (aria compressa più pneumatica) | 8–15% | Impianto a impulso di alta richiesta di corrente istantanea | Recupero dell'aria spazzata, rilevazione delle fughe, pre-blow a due fasi e blow principale, ottimizzazione della pressione |
| Classe di motore IE4/IE5, barra d'azione a baretta, tubo di alimentazione lisciato, regolazione della temperatura della miscela | 6–12% | Continuo con variazioni stagionali | Punta del gas di raffreddamento del water aumentata, raffreddamento naturale, scambiatore di calore a piastre, pompe a velocità variabile |
| Aiuti (smaltitrice, trasportatore, caricatore, secchettore) | 3–6% | Intermittente, spesso lasciata in funzione | Block estinzione collegata alla domanda, affilatura dell'angolo della macinata, trasporto compatto in termini di dimensioni |
Da questo tabellino risulta chiaramente tre conclusioni pratiche. In primo luogo, un qualsiasi programma energetico che ignori l' estrusore risolve meno del 50% del problema. In secondo luogo, l'unità di potenza idraulica è il sottosistema con il maggiore distacco tra domanda media e massima, motivo per cui risponde così fortemente al controllo servo. In terzo luogo, l' aria compressa e il riscaldamento rappresentano un' importanza simile a quella dell' idraulica, e entrambe sono normalmente molto più convenienti da migliorare.
È anche utile ricordare ciò che questa suddivisione esclude volontariamente. Le cariche a livello del fabbisogno, come la sala del compressore centrale, i ventilatori della torre di raffreddamento, l'illuminazione e l'impianto di ventilazione, condizionamento e aria condizionata non rientrano nei limiti della macchina. Un convertitore che confronta macchine da diversi fornitori deve verificare se i valori di consumo citati siano misurati al terminale della macchina o comprendano una porzione di questi servizi, poiché la differenza può superare il 20%. L'EUROMAP 60.1 e l'EUROMAP 60.2 esistono espressamente per eliminare questa ambiguità definendo i limiti di misurazione e il ciclo di riferimento.
Tecnologia dei motori servo-idraulici e i limiti dell'efficienza delle pompe
L'unità elettrica idraulica è il sottosistema in cui il vuoto tra potenza installata e lavoro utile è più significativo, rendendola il target che produce il maggior numero di voltapi per unità di sforzo tecnico. Nel processo di estrusione e soprammobilizzazione, l'unità di serraggio, lo sfalciamento della carrozza, lo slittamento del pin di soprammobilizzazione e i cilindri di deflashing esigenze picchi di flusso elevato separati da periodi lunghi di quasi zero domanda. Una pompa a flusso fisso convenzionale non è in grado di distinguere tra questi stati.
Impianto di guida dell'estrusore: 45-60% della potenza totale della macchina per estrusione bi-fulminante. Specifico consumo energetico per l'estrusione di HDPE: 0,25-0,45 kWh/kg. Riduzione dell'unità di potenza servo-idraulica rispetto alla pompa a dislocamento fisso: 15-40% sull'asse idraulico. Riduzione della giacca di isolamento del tubo lisciato in perdite superficiali: 20-40%. Tasso di recupero dell'aria imposta: 25-50%. Apollo: oltre 20 anni di esperienza,
Una pompa a sfogo fisso alimentata da un motore a induzione a velocità costante fornisce lo stesso flusso ogni secondo in cui il motore è in funzione, indipendentemente da quello che la macchina necessita. Quando l'unità di chiusura è chiusa e semplicemente a tenue, o quando la macchina sta aspettando che il parafusatura raggiunga la lunghezza esatta, quel flusso non ha un uso concreto. Viene spento tramite una valvola di scarico, e tutta l'energia idraulica viene trasformata in calore nell'olio. Il calore deve quindi essere rimosso da un raffreddatore dell'olio, che consuma acqua di raffreddamento e energia della pompa. La centrale corrisponde quindi due volte: una volta per generare il flusso sprecato, e un'altra volta per eliminare il calore prodotto.
In un ciclo normale di EBM, il lavoro idraulico utile occupa solo una frazione del tempo complessivo del ciclo. Il restante periodo è di inattività, fermo o di attesa. Questa è l'inefficienza strutturale che la tecnologia servo elimina.
Pompaggi trasmissione variabile a sensore di carico
Una pompa a varia capacità con controllo a sensore della carico regola l'angolo da della sua platina sono e regola così che il flusso previsto corrisponda alla richiesta e la pressione del sistema possa seguire la carico, con uno sparo piccolo. Ciò elimina la maggior parte della perdita attraverso la valvola di scorrimento e si tratta di un vero miglioramento rispetto alla capacità fisica. Tuttavia, il motore continue a funzionare ad alta velocità, quindi la resistenza all'aerodinamico, l'attrito dei rulari, la perdita interna della pompa e la tolleranza di pressione in standby continuano a consumare energia anche se la macchina non stà facendo nulla. I sistemi a sensore della carico rispospondo anche in modo più lento alle richieste di flusso improvvisate rispetto ad un sistema servo ben regolato, poiché la platina presenta inerzia meccanica.
Motore servo più pompa a corone
Un'unità servo-idraulica combina un motore servo a magneti permanenti con una pompa a cambio fisso e completa il ciclo di pressione e flusso attraverso la macchina stessa. Quando la macchina ha bisogno di flusso, il motore accelera; quando no, il motore rallenta fino a diventare quasi immobile o ferma completamente. Durante le fasi di mantenimento, il servo-ingegnato fornisce solo il piccolo flusso necessario per compensare le perdite interne, quindi il consumo di energia utilizzato durante le fasi di mantenimento scende a una piccola frazione del valore operativo, anziché rimanere al massimo dell'impatto della pompa.
Durante un ciclo completo EBM, la conseguente riduzione del consumo dell' unità motrice idraulica è solitamente compresa tra il 15 e il 40% rispetto alla base di partenza a vuoto fisso. Il posizionamento della macchina all'interno di questo intervallo dipende quasi completamente dal ciclo di lavoro. Una macchina di piccola capacità ad alta velocità con periodi di stallo brevi si trova vicino alla soglia inferiore poiché la pompa è veramente impegnata la maggior parte del tempo. Una macchina a grande testa di accumulazione che produce tini da 200 litri, in cui la vaschetta di clamping rimane posizionata per un lungo periodo di raffreddamento in ogni ciclo, si trova vicino alla soglia superiore.
I sistemi servo-idraulici portano con sé tre vantaggi secondari che sono spesso al pari dell' economia di energia elettrica. La temperatura dell'olio scende notevolmente, prolungando la vita di guarnizioni e tubi e riducendo la pressione sul circuito di raffreddamento dell'olio. Il rumore alla macchina diminuisce visibilmente, cosa importante per la conformità sul luogo di lavoro. Inoltre, la ripetibilità della pressione e del flusso migliora, stabilizzando il programmazione della miscela e la distribuzione dell' espessore delle pareti.
Molto mole e espulsione completamente elettrici
000 metri quadrati di fabbrica, più di
Le problematiche applicative sono specifiche. Un'azione completamente elettrica è più opportuna quando gli cicli di funzionamento sono brevi e frequenti, le ore di utilizzo annue sono elevate, le dimensioni dei contenitori sono piccole o medie e i requisiti di pulizia sono rigorosi. Si rende progressivamente meno pratica con volumi del contenitore in aumento, poiché la forza di alloggimento e la lunghezza dello staffaggio richiesti per grandi bidoni industriali quanto più stretta e robusta ed economicaAnche per la serie ABLD di Apollo, che copre i volumi da 20L a 1500L, l'architettura servo-idraulica rimane la più consigliata.
000 macchine in 90 paesi.
| Architettura del motore | Classe di consumo energetico | Velocità di risposta della pompa | Manutenzione ridotta | Carica di raffreddamento dell'olio | Costi di capitale relativi |
|---|---|---|---|---|---|
| Pompaggia a vuoto fisso, motore ad alte velocità | Consumo più elevato (base di riferimento indice 100) | Medium | Alto | Alto | Basso |
| Pompa a variazione di volume con sensore di carico | Moderate (index 78–88) | Medium | Perché una pompa a dislocamento fisso consuma così tanto | Medium | Medium |
| Servo motore con pompa a giretto fisse (servo-idraulico) | Bassa (indice 60-85) | Velocità elevata | Medium | Basso | Alto |
| Pompa servo doppia con circuiti di sorveglianza e incasso indipendenti | Molto basso (indice 55–75) | Molto veloce | Medium | Basso | Very High |
| Completamente elettrico (servo ball bearing e toggle) | Più basso (indice 50–70) | Molto veloce | Basso | Nessuno | Premium. |
I valori dell'indice riportati sopra si riferiscono solo all'energia idraulica e alla energia di attivazione, misurati secondo un punto di base di 100 punti di indice su un ciclo di un contenitore in gomma rappresentativo da 5 litri. NON DEVONO essere letti come valori globali dell'intera macchina. Dato che l'unità idraulica rappresenta dal 10% all'80% della potenza totale della macchina, un passaggio dal sistema di volume fisso a quello servo-idraulico solitamente porta ad una riduzione del consumo totale della macchina del 3% al 8%, che è significativo ma deve essere compreso in proporzione.
Efficienza energetica dell'estrusore: classe del motore, geometria degli sfere e kWh/kg.
L’estrusore è il principale consumatore di energia in ogni macchina di mozzatura e deformazione continua; pertanto, un miglioramento del 1% qui vale più di un miglioramento del 10% nel circuito del frantumatore. L’efficienza dell’estrusore è determinata da tre fattori interconnessi: l’effettività elettrica del motore e della trasmissione, l’effettività meccanica della vite, e l’effettività termodinamica con cui la vite converte il lavoro dell’asta in fusione ad una temperatura e ad una omogeneità richieste.
Classi di efficienza del motore in accordo con la IEC 60034-30-1
IEC 60034-30-1 definisce le classi di efficienza IE1 a IE5 per i motori AC di linea e questa classificazione è la singola specifica più chiara a disposizione del compratore delle macchine. La differenza tra un motore di classe IE2 e un motore di classe IE4 o IE5 di ugual rating è di pochi punti percentuali di efficienza, ma questi punti si applicano costantemente alla massima carico sulla macchina, ventiquattro ore al giorno.
Un motore a induzione di corrente alternata standard, alimentato da un inverter a frequenza variabile, rimane il più comune veicolo per la trasmissione dell'estrusso e, quando specificato a livello IE3, è una scelta perfettamente rispettabile. Il dettaglio importante è che il rendimento del motore a induzione diminuisce a carico parziale e a velocità ridotta. Gli estrusori lavorano molto spesso a 50-75% della velocità nominale, precisamente nella regione in cui le curve di rendimento del motore a induzione iniziano a diminuire e in cui il fattore di potenza del motore si deteriora.
Un motore sincrono a magneti permanenti, o PMSM, si comporta diversamente. Poiché il campo rotore viene fornito dai magneti invece che dalla corrente induzione, le perdite del rotore sono drasticamente più basse e la curva di efficienza rimane stabile in un intervallo di velocità molto più largo. I sistemi di guida dell’estrusore con motori PMSM raggiungono spesso l’IE4 e, nelle dimensioni più ampie del quadro, l’IE5. Funzionano inoltre più freddi, il che riduce le perdite del ventilatore del motore e prolunga la vita dei supporti e dell’isolamento. Per una configurazione a trasmissione diretta, un motore PMSM può anche eliminare totalmente il cambio, eliminando altri due a quattro percenti di perdite di trasmissione.
Geometria della vite e barilotto canalizzato
La dotazione a vite determina quanto del lavoro dell'asta diventa fondente utile e quanto diventa calore di triturazione inutile che deve essere successivamente dispendato dai ventilatori di raffreddamento del tamburo. Una vite di coniatura con solo un'altaio dipende dal flusso di adesione e dalla triturazione per fondere il polimero. Una vite di barriera separa fisicamente il letto solido dal bacino di fondente con un'altaio secondario, che fonde il polimero in modo più uniforme ad una velocità di triturazione più bassa. Per l'HDPE e il PP, una vite di barriera ben progettata con una sezione di miscelazione riduce in genere il consumo energetico specifico di un range misurabile e nel frattempo migliora l'omogeneità del fondente e abbassa la temperatura del fondente di diversi gradi.
Un barile d'alimentazione con canali modifica la fisica in un'altra parte dell'asta. I canali axiali scagliati nella zona di alimentazione intensamente raffreddata aumentando significativamente l'efficienza del trasporto dei solidi, rendendo il rendimento significativamente meno sensibile alla pressione della testa e consentendo all'asta di fornire lo stesso output a velocità più basse. Una velocità dell'asta inferiore significa una minore generazione di calore da taglio, una temperatura del fusione inferiore, meno necessità di raffreddamento in itinere e un consumo di energia specifico più basso. L'alimentazione a canali è particolarmente valida quando si opera con HDPE ad elevato peso molecolare e basso flusso di fusione, esattamente il tipo di materiale utilizzato per i serbatoi di carburante, le torri chimiche e le bidoni ad uso generale.
Riguardo L/D: 24:1 rispetto a 30:1
Il rapporto lunghezza/diametro è spesso discusso come se il più lungo fosse automaticamente migliore. Dal punto di vista energetico la relazione non è monotona. Un tubo da 24:1 è più corto, ha una superficie inferiore che deve essere riscaldata e impone una resistenza viscoelastica minore, quindi a un throughput moderato può essere la scelta più efficiente. Un tubo da 30:1 offre più tempo di permanenza e una migliore capacità di fusione e miscelazione, che permette un throughput per rotazione più elevato e una migliore gestione dello straccio e del masterbatch. Tuttavia, la lunghezza aggiuntiva aumenta anche la perdita di calore superficiale, la richiesta di coppia aggiuntiva e una pista termica più lunga.
La metodologia pratica implementata da Apollo è semplice. Per le vasche realizzate con HDPE o PP monomateriali e contenenti un contenuto ridotto di granulato riciclato, un rapporto 24:1 a 25:1 consente di ridurre al minimo il consumo di energia specifico. Quando il ricettario include un quantitativo significativo di granulato, masterbatch di colore o quando si tratta di co-estrusione a più strati, il rapporto 28:1 a 30:1 è giustificato perché, scegliendo di far traboccare uno spiato di lunghezza ridotta con maggiore forza, si genera più calore di scimento rispetto al maggiore costo legato all'aumentato lungo dello spiato.
Tabella 3: Configurazione dell'estrusore e consumo energetico specffico su HDPE
| Configurazione dell’estrusore | Consumo specifico di energia (kWh/kg) | Tendenza alla temperatura di fusione | Più adatto per |
|---|---|---|---|
| Cerchio alimentatore lisso, tornio classico di regolazione, motore a induzione IE2 | 0,40–0,48 | Alto grado di triturazione | Macchine tradizionali, operazioni di basso carico |
| Barillet a sfere, barra da fissare con sezione di amalgama, motore inverter IE3 | 0,33–0,40 | Moderato | Contenitori HDPE e PP a uso generale |
| Tubo di alimentazione con sulco, condensaio ad ostacolo, motore a innervazione IE3 | 0.29–0.36 | Bassa a moderata | HDPE a molare peso elevato, gradi con bassa quota di frizione |
| Cerchio alimentatore grugliato, tornio barriera, motore a induzione IE4/IE5 | 0,25–0,32 | Basso | Operazione in tre turni a intensità elevata, progetti prioritari dal punto di vista energetico |
| Come sopra con l'unità motrice diretta (eliminato il cambio di marcia) | 0,24-0,30 | Basso | Dimensioni del macchinario selezionate, in cui coppia e velocità si corrispondono in modo diretto |
Questi valori rappresentano il consumo energetico specifico dell'espeditore solo per l'HDPE, escludendo l'idraulica, l'aria compressa e il raffreddamento. Si presuppone un funzionamento in stato stazionario al 70-85% della velocità nominale del imbuto, con profili termici della fusione correttamente abbinati. Differenti resinne modifica significativamente la base di riferimento: il PP solitamente occupa un valore leggermente inferiore a quello dell' HDPE, il PVC rigido richiede un basso sforzo e una gestione accurata del calore, il PC e il PA richiedono temperature di fusione più alte e pertanto un maggior consumo energetico, e il PETG si posiziona tra poliolefini e resinie di ingegneria.
Un fattore spesso trascurato è la disciplina delle temperature di fusione. Ogni incremento di 10°C di temperatura di fusione inutile deve essere generato prima tramite il momento motori e l'energia del riscaldatore, e poi eliminato nuovamente grazie al raffreddamento del muletto, allungando il tempo del ciclo nel processo. Pertanto, la temperatura di fusione eccessiva viene penalizzata in tre modi. Gli ingegneri incaricati di avviare le macchine identificano di routine macchine esistenti che funzionano a 15-25°C più alte della temperatura richiesta della resina, semplicemente perchè un profilo di temperatura fu copiato da un lavoro non correlato anni fa e mai più modificato.
Riscaldamento del Testo e della Valvola: tecnologia dei riscaldatori, isolamento e controllo delle zone.
Il riscaldamento del tubo e della testa di morte rappresenta tipicamente dal 8 al 15% della potenza totale della macchina e si tratta del sottosistema in cui si trovano generalmente le risparmi energetici più convenienti in tutto l’ impianto. In condizioni di stabilità, la maggior parte del calore necessario per mantenere la fusione a temperatura viene generata in realtà dalla fatica viscoelastica della lama, e non dai riscaldatori. Il vero compito dei riscaldatori in condizioni di stabilità è sostituire il calore perduto nelle aree circostanti e gran parte di questa perdita può essere evitata.
Tecnologie di riscaldamento in confronto
Le caldaie a banda di mica sono la scelta tradizionale: un filo di resistenza rullato sulle insulse di mica all'interno di una involucro in acciaio. Sono poco costose e universalmente disponibili, ma il contatto con il tubo è inadeguato, rilasciano calore liberamente dalla loro superficie esterna e la massima carico superficiale è limitata. Le caldaie a banda ceramica posizionano la spira di resistenza all'interno di blocchi cerami con una strato isolante addosso, che immette il calore più in profondità e consente operazioni a temperature elevate con una durata di funzionamento superiore. Le caldaie realizzate in alluminio liquido e in bronzo liquido ottengono un eccellente contatto termico essendo stampate attorno all'elemento, e possono incorporare canali di raffreddamento, rendendole interessanti per le zone che necessitano sia di riscaldamento che di rapido raffreddamento.
I riscaldatori a infrarossi halogenuri trasferiscono energia principalmente mediante radiazione a onde brevi piuttosto che mediante conduttività. Arrivano rapidamente alla temperatura di funzionamento e rispondono rapidamente ai segnali di controllo, riducendo il surriscaldamento e abbreviando il tempo di accensione. La loro limitazione è che la trasmissione radiativa dipende dall'emissività e dall'igiene della superficie di destinazione, quindi le prestazioni possono fluttuare quando la superficie del cilindro si ossida.
I giochi di riscaldamento ad induzione adottano un approccio radicalmente diverso. Invece che riscaldare un elemento esterno e condurre il calore all'interno, una bobina d'induzione genera correnti di vortex direttamente nella parete del rotolo di acciaio. Poiché il rotolo stesso diventa la fonte di calore, non esiste una perdita dell'interfaccia elemento-rotolo, e la superficie esterna del giubbotto d'induzione rimane relativamente fredda. Le riduzioni riportate dell'energia di riscaldamento rispetto ai cinturini in mica non isolati sono notevoli, e il giubbotto funge anche da isolante. Il riscaldamento ad induzione elimina anche il modello di errore classico di un caldaio di banda bruciato che si trova nascosto in una zona media mentre le zone adiacenti si adattano.
Tabella 4: Comparazione delle tecnologie di riscaldamento del barilotto e della testa del mandrino
| Metodo di riscaldamento | Classe di efficienza di trasferimento del calore | Velocità di pre-riscaldamento | Perdita di superficie senza isolamento | Durata di servizio | Costo relativo |
|---|---|---|---|---|---|
| Riscaldamento della banda di micosi | Basso | Medium | Alto | Short to medium | Basso |
| Caldaia a banda ceramica | Medium | Medium | Medium | Long | Medium |
| Caldaia d'alluminio in fusione con passaggi di raffreddamento | Perché una pompa a dislocamento fisso consuma così tanto | Medium | Medium | Long | Alto |
| Calore a raggio infrarosso | Alto | Molto veloce | Medium | Medium | Alto |
| Giadello di riscaldamento a induzione | Molto alto | Velocità elevata | Basso (il guscio è stato isolato in modo progettuale) | Molto lungo | Very High |
Giubbotti di isolamento: la misura di gestione più efficiente della macchina
L'installazione di coperture isolanti rimovibili sopra i riscaldatori adione sul cilindro, sull'adattatore e sul capo della matrice riduce le perdite di superficie emesse dai raggi solari e dai fluidi convettivi di circa il 20-40%. Il valore preciso dipende dalla temperatura del fusione, dalla velocità dell'aria ambiente attorno alla macchina e dalla proporzione dell'area di superficie che può essere coperta. Temperatures di fusione più elevate e allestimenti di macchine ben ventilati tendono ad escludere il risparmio verso l’estremità superiore.
Tre punti chiave determinano se la misura funziona in modo efficace. In primo luogo, le coperture devono essere rimovibili e adeguatamente artigianalmente realizzate in modo che l'accesso per la manutenzione alle termocoppie, ai terminali dei riscaldatori e agli scambiatori di schermo non rimanga compromesso; le coperture che ostacolano la manutenzione vengono eliminate e non reinserite. In secondo luogo, la testa del mortaio è spesso la zona più valida da isolare perché opera a temperatura elevata con una superficie esposta ampia e, a differenza del cilindro, non riceve contributi di calore di trazione. In terzo luogo, l'isolamento riduce la carico di calore che raggiunge il gabinetto elettrico della macchina e l'aria circostante, lo che in quelle aziende dotate di attrezzature di climatizzazione porta a una seconda, indiretta, risparmio.
Controllo zonal, collocazione di termocoppia e auto-tuning PID
La qualità del controllo è altrettanto importante del materiale dell'ugello. Un loop PID male regolato che oscilla attorno al valore costante spende energia in due direzioni: gli ugelli superano il valore costante, quindi i ventilatori di raffreddamento in baccello funzionano per riportare la temperatura a dir poco. Ogni chilowatt-ora speso in quel ciclo è completamente sprecato. I controllori PID moderni, autotuttivi, che offrono routine di auto-tutteggio eliminano la maggior parte di questo identificando le caratteristiche termiche di ogni area individualmente.
La posizione della termocoppia è più importante di quanto indichi la maggior parte degli operatori. Una termocoppia in una fossa poco profonda risponde alla temperatura della superficie del riscaldatore piuttosto che alla temperatura del fondero, causando il controller a spegnere prematuramente i riscaldatori e poi a correggere in modo eccessivo. Le termocoppie in fossa profonde collocate per sentire il grasso della parete del cilindro vicino al fondero forniscono un segnale più preciso e producono un controllo più semplice e di bassissimo consumo energetico. Apollo specifica termocoppie in fossa profonde, zone per zone, con auto-tuning indipendente su tutte le macchine delle serie ABLB e ABLD.
Infine, considerate la sequenza di avvio. Approvvigionare simultaneamente tutte le zone al punto target crea un grande picco di richiesta simultanea, che può indurre tarifazione di richiesta ad accoppiamento sulla tariffa elettrica della centrale. Una routine di avvio progressiva, in cui le zone vengono riscaldate in una sequenza controllata con un periodo di incubazione per consentire al calore di diffondersi attraverso la parete del cilindro, riduce sia il picco di domanda che il rischio di stress termico sulle pareti del cilindro e sul getto.
Aria compressa: il costo energetico più sottovalutato nel prosciugamento dei prodotti in polvere.
L'aria compressa è il servizio di utilità più costoso per unità di energia consegnata in qualsiasi impianto di blowing, e è anche quello più propenso a essere sprecato. La generazione dell'aria compressa è innata inefficiente: solo una frazione dell'energia elettrica fornita a un compressore diventa lavoro pneumatico utile, con il resto disperso sotto forma di calore. Pertanto, ogni fuga, ogni bar di pressione inutile e ogni metro cubo d'aria disperso nell'atmosfera sono di conseguenza una costante moltiplicata del costo elettrico.
Quanta aria è realmente necessaria ad una macchina EBM
La foratura ad iniezione utilizza l'aria compressa per due scopo differenti con requisiti molto diversi. L'aria di spinta espande il parison contro la cavità del molla e opera, in genere, a tra i 6 e i 10 bar in base alla geometria del contenitore, al spessore delle pareti e alla resina. L'aria di controllo controlla le valvole, gli attuatori per la spinta del pin, gli esprottori e la movimentazione dei carichi e, comunemente, richiede meno di 6 bar.
Un errore frequente consiste nel fornire l’intera macchina e a volte tutta l’area a una pressione solo leggermente superiore a quella richiesta dal consumatore più esigente. La potenza del compressore aumenta con la pressione di scarico, quindi ogni barra inutile comporta una penalizzazione permanente a tutte le quantità di aria prodotte. Separare il circuito dell’aria di compressione a alta pressione dal circuito di controllo dell’aria di uso generale, sia con un idraulico dedicato che con un sistema di distribuzione opportunamente zonato, è una delle misure più efficaci disponibili per l’aria compressa.
Scarico a due fasi: pre-scarico e scarico principale
Il battage a due fasi divide il gonfiaggio in una prima fase a bassa pressione che espande delicatamente il modello e lo posiziona contro la cavità, seguita dalla fase principale a alta pressione che conclude la formazione e schiaccia il materiale contro la superficie del modello per definire i dettagli e mantenere il contatto di raffreddamento. Il beneficio energetico è diretto: la maggioranza del volume del contenitore viene riempita a bassa pressione e solo la fase finale di formazione richiede la massima pressione. Il battage a due fasi migliora anche la distribuzione della spessore delle pareti e riduce il rischio di fuoriuscita del modello nelle sezioni sottoposte a tensione, quindi il discorso sulla qualità e quello relativo alla riduzione dell'energia si incrociano.
Sistemi di recupero dell’aria compressa
Alla fine della fase di suddotto, l’aria all’interno del contenitore finito è ancora ad una pressione pari o vicina alla completa pressione di suddotto. In una macchina tradizionale, una valvola di scarico semplicemente la scarica nell’ambiente, versando via tutta l’energia di compressione e generando un forte impulso acustico nel processo. Un sistema di recupero dell’aria di suddotto invece canalizza l’aria di scarico attraverso una valvola di controllo in un ricevitore a bassa pressione, che poi fornisce aria predisposita per il suddotto, pneumatici della macchina o si ritorna alla fase intermedia del compressore.
I tassi di recupero realistici oscillano tra il 25 e il 50% del volume dell'aria alimentata. Dove si posiziona una determinata installazione dipende da diversi fattori. I volumi più grandi dei contenitori recuperano una quantità maggiore di aria assoluta per ciclo. Le pressioni d'iniezione più elevate lasciano tornare un'ampia quantità di energia. I cicli più brevi consentono un numero maggiore di episodi di recupero all'ora. Alla contraire, i contenitori molto piccoli, i cicli lunghi e le pressioni d'iniezione basse riducono l'attraentezza del recupero perché il costo fisso del ricettore, delle valvole e delle condotte è ammortizzato su un volume di recupero minore. I sistemi di recupero offrono anche un vantaggio secondario: il livello di rumore alla macchina diminuisce in modo significativo quando l'aria ad alta pressione non viene più dispersa direttamente nell'atmosfera.
Design per la detezione delle perdite ed il contesto di distribuzione
La perdita è il "tasse" di energia silenziosa dell'aria compressa. In quelle installazioni che non hanno mai condotto un programma sistematico di rilevazione, la perdita costituisce spesso una parte sostanziale della produzione complessiva di aria compressa e, perché le perdite funzionano ventiquattro ore al giorno, tra giorni lavorativi e fermi, consumano energia anche quando non avviene nessuna produzione. L'equipaggiamento di rilevazione delle perdite ad ultrasuoni identifica le perdite dal loro segnale caratteristico ad alta frequenza, permettendo all'operatore di esplorare l'intera installazione durante l'operatività normale senza fermarne nulla. Un'ampia indagine ad ultrasuoni indicizzata con successiva manutenzione per ogni singola perdita è una delle misure di minore costo e più redditizie disponibili per qualsiasi produttore.
L'ottimizzazione del design della distribuzione è quasi tanto importante. Un impianto non adeguatamente dimensionato causa un calo della pressione, che gli operatori compensano solitamente aumentando la pressione di scarico del compressore, penalizzando così l'intero sistema. Un impianto principale circolare adeguatamente dimensionato, un adeguato hub locale che possa tamponare la richiesta di raffreddamento a flusso pulsante e connessioni finali corte e generosamente dimensionate consentono al compressore di funzionare al punto di riferimento più basso praticabile. I hub locali sono particolarmente importanti nella molitura ad espulsione perché il profilo della richiesta è fortemente pulsante; senza il tamponamento, il compressore registra ripetuti cali di pressione e innesca inutilmente.
Tabella 5: Misure dell'aria compressa per le macchine EBM
| Misura | Efficacia sull'energia dell'aria compressa | Il vantaggio derivato | Investimento relativo |
|---|---|---|---|
| Dettaglio mensile per la diagnosi e la riparazione delle perdite ultrasoniche | Elevata riduzione, ripetuta | Stabilizza la pressione del sistema. | Basso |
| Separate i livelli di pressione dell'aria d'iniezione e di controllo | Riduzione moderata a elevata | Più lunga vita delle valvole e delle guarnizioni | Basso a moderato |
| Sequenziamento di due fasi di raffreddamento preesecutivo plus raffreddamento principale | Riduzione moderata | Più uniforme distribuzione del diametro della parete | Basso |
| Sistema di recupero dell'aria di spinta (25–50% di recupero) | Riduciamo l’impatto ambientale | Riduzione sufficiente del rumore | Perché una pompa a dislocamento fisso consuma così tanto |
| Ricevitore locale di dimensioni ridotte per la richiesta di spurgo a impulso | Riduzione moderata | Meno cicli di carico/scarico del compressore | Basso |
| Riproduce il calore del compressore per il caldo del sistema. | Nessuna modifica dell'energia dell'aria, compensazione del combustibile per il riscaldamento | Riduce la carico del boiler | Medium |
Efficienza del raffreddamento nella fornietta e del chiller
Il raffreddamento del formaggio consuma dal 6% al 12% dell'energia collegata alle macchine e, allo stesso tempo, governa il tempo del ciclo, rendendolo il sottosistema in cui l'ottimizzazione dell'energia e quella della produttività possono confliggere. Un'acqua più fredda riduce il tempo di raffreddamento e aumenta la produzione, ma produrre una acqua più fredda costa disporzionatamente più energia per i raffreddatori. La risposta corretta non è l'acqua più fredda possibile; è la temperatura dell'acqua più alta che raggiunga il tempo di ciclo necessario e la stabilità dimensionale desiderata.
Temperatura dell'acqua e coefficiente di prestazione del raffreddatore
L'efficienza del chiller è descritto dal suo coefficiente di prestazione, la relazione tra il calore eliminato e l'energia elettrica consumata. Il coefficiente di prestazione aumenta notevolmente a seconda della temperatura di partenza dell'acqua fredda, poiché il ciclo di raffreddamento ha meno temperature da superare. Come norma empirica ampiamente utilizzata nella refrigerazione industriale, ogni grado Celsius di aumento della temperatura dell'evaporatore migliora l'efficienza del chiller di alcuni per cento.
La maggior parte delle applicazioni di fusione estrusiva a gettata di sformaggio di HDPE e PP utilizza l'acqua di raffreddamento del molo tra 8 e 15°C. Molte fabbriche impostano per default il basso valore di questa scala per convenzione. In realtà, la geometria del contenitore, l’épaisseur de la paroi e la cristallinitá delle resine determinano cosa realmente è richiesto. Contenitori industriali a parete omogenea vantaggiosamente beneficiano da una acqua più fredda. Le bottiglie a parete sottilia spesso si raffreddano adeguatamente a 12-15°C, e la differenza nella potenza del raffreddamento tra 8°C e 14°C in un anno intero è significativa. Il rischio di un raffreddamento troppo basso non è solo energetico: sotto il punto di nevosa locale, sulla superficie dei modelli e sulle linee di raffreddamento si formano condensazioni, che provocano difetti sulla superficie del contenitore e la corrosione sul modello.
Raffreddamento libero e scambiatori di calore da placcaggio
Il raffreddamento gratuito, a volte definito come operazione economizzatrice, sfrutta le condizioni ambientali per eliminare il calore del processo senza far in funzione il compressore. Quando la temperatura bollente umida all'aperto è abbastanza bassa, una torre di raffreddamento o un raffreddamento a getto stanco può produrre acqua abbastanza fredda da servire direttamente il processo attraverso un scambiatore di calore a piattaforma, con il compressore meccanico spento o in modalità a carico parziale. In climi temperati, questo può coprire una parte significativa delle ore di raffreddamento annuale; in climi freddi, può coprire gran parte dell'inverno.
Un riscaldatore a piastre posto tra il circuito della torre di raffrescamento e il circuito chiuso del processo è essenziale per questa configurazione. Quanto a esso, l’acqua aperta della torre, con l’ossigeno disciolto, la carico biologico e i solidi in sospensione, viene separata dal circuito chiuso pulito che alimenta i modelli. Senza questa separazione, i canali di raffreddamento dei modelli diventano rapidamente infetti, la trasmissione di calore si degrada, i tempi di ciclo si allungano e la centrale perde molto di più di quanto si salvaguardi con il raffreddamento libero.
Canali di raffreddamento conformali e progettazione termica del modello
Il design del canale di raffreddamento all'interno del molare determina la capacità effettiva con cui l'acqua rimuovo il calore. I canali di tipo convenzionale, perforati in linea rettamente, sono limitati dalla geometria di perforazione e spesso creano zone calde al punto di appoggio, alla parte superiore dei recipienti, nelle aree di restringimento e agli angoli della base. I canali di raffreddamento conformali, prodotti mediante tecnologia di produzione adattiva o tramite la realizzazione del molare da strati ricompatti, seguono il contorno della cavità a un offset costante. Il risultato è un'estrazione del calore più uniforme, meno zone calde, un tempo di raffreddamento più breve e una deformazione ridotta.
Il raffreddamento conformale comporta un costo relativo elevato nelle attrezzature dei modelli e non è giustificato per ogni lavorazione. Ha senso da un punto di vista economico nei modelli ad alta produzione e a ciclo prolungato, dove una riduzione del tempo di ciclo, anche di una frazione di secondo, si traduce in uscita annua significativa e dove la torsione o la variazione di riduzione del volume, storicamente, hanno causato rifiuti. Per i modelli a piccole serie o soggetti a frequenti modifiche, i canali convenzionali, con la massima attenzione ai flussi turbulenti, assicurano la maggior parte dei benefici a una frazione del costo.
Pompa e controllo del flusso
Le pompe di raffreddamento dell'acqua sono spesso la carico dimenticato. Una pompa a velocità costante calibrata per i scenari peggiori del processo di maturazione lavora ad intero regime indipendentemente dal numero di stazioni in attività o dal tipo di maturazione in corso. Il montaggio di un controllo della pressione variabile con un inverter permette di regolare la potenza della pompa in base alla necessità effettiva, e poiché la potenza della pompa varia di circa il cubo del flusso, anche un ridotto flusso di riduce notevolmente la potenza. Egli comunque importante è garantire che il flusso in ciascun circuito rimane turbinale piuttosto che lamellare; il flusso turbinale trasforma il calore di circa cinque volte in modo più efficace, quindi un flusso leggermente maggiore nel circuito adatto può ridurre il tempo di raffreddamento ben più di un flusso molto maggiore distribuito indiscriminatamente su tutti i circuiti.
Misurare le risparmi: monitoraggio energetico, kWh/kg e ISO 50001
Nessuna misura di risparmio energetico deve essere implementata senza dei mezzi per verificarla, poiché i risparmi non misurati tendono a scomparire. La misurazione energetica per macchine è la base di ogni programma energetico credibile e è relativamente poco costosa rispetto a quasi tutte le altre misure trattate in questo articolo.
Misurazione per macchina e indicatori appropriati
Un contatore trifase installato al disconnesso principale della macchina, che registra il potere attivo, il potere reattivo, il fattore di potenza e l'energia cumulativa ad intervalli brevi, converte l'energia da un elemento lineare astratto al livello della centrale in un parametro operativo sul quale un supervisore può agire. Una volta che i dati esistono, due indicatori eseguono la maggior parte delle operazioni utili.
Il consumo di energia specifico, espresso in kWh per chilogrammo, viene normalizzato per la massa del pezzo e rappresenta l'indicatore corretto per confrontare l'efficienza delle macchine, le configurazioni delle scanalature e le modifiche resine. L'energia per mille pezzi, espressa come kWh per 1.000 pezzi, è l'indicatore corretto per la preduzione commerciale e per la reportistica di carbonio dei clienti, poiché i clienti acquistano contenitori, non chilogrammi. Un'azienda dovrebbe tracciare entrambi. Un cambiamento che migliora kWh/kg e peggiora kWh per 1.000 pezzi solitamente indica un aumento della massa del pezzo, il quale è un problema di costo delle resine nascosto nel riassunto di energia.
Collegamento dell'energia all'OEE
I dati sull'energia diventano molto più potenti quando sovrapposti a quelli sull'efficacia dell'intero equipaggio. La ragione è semplice: una macchina che è riscaldata, sottopRESSIURATA e dispone di un'estrusso operativo, ma non produce contenitori vendibili, consuma una grande parte della sua potenza di produzione completa senza prodotti. Stadi di inattività e di produttività zero consumano tipicamente una quota considerevole della potenza di funzionamento, poiché i riscaldatori, le unità idrauliche e il ventilatore di raffreddamento rimangono attivi.
Ciò significa che le perdite di disponibilità comportano una penalità energetica che non appare mai in un calcolo OEE tradizionale. Se si grafica l'energia consumata rispetto alle parti buone prodotte, ora dopo ora, appare chiaramente quali turni, quali cambi di turno e quali modalità di guasto sono i più costosi. In molti settori questa analisi rivela che la possibilità di risparmio energetico più grande nel settore non è un aggiornamento tecnologico, ma la eliminazione del funzionamento in attesa prolungato durante i cambi di turno e le sosta di qualità.
Frameworks standard
L'ISO 50001 offre un framework di gestione dell'energia: politica, base di partenza, indicatori di rendimento energetico, piani d'azione e revisione della gestione. L'ISO 50006 fornisce indicazioni pratiche per l'elaborazione delle basi di partenza e degli indicatori, dove la maggior parte delle fabbriche ha difficoltà. La certificazione non è necessaria per ottenere vantaggi; l'adozione della disciplina relativa alla base di partenza ed ai indicatori produce in realtà la maggior parte dei vantaggi.
Dall'altra parte, EUROMAP 60.1 e 60.2 definiscono procedure di misura standardizzate e condizioni di riferimento per prestazioni energetiche delle macchine per la lavorazione del plastico, questo rende consone le comparazioni tra i fornitori. Senza un limite comune di misura e un ciclo di riferimento definito, i valori di consumo indicati dai diversi fornitori non sono comparabili. IEC 60034-30-1 regola la classificazione dell'efficienza dei motori; gli acquirenti devono specificare esplicitamente la classe IE richiesta nella specifica di compra anziché accettare ciò che include il calcolo standard del fornitore. La conformità CE ai sensi della Direttiva sulle macchine, con EN 422 che si occupa specificamente della sicurezza delle macchine per lo fonderaggio a pressione, rimane una richiesta separata e non deve essere confusa con la prestazione energetica.
La costruzione di una linea di base difendibile
Un punto di riferimento è valido solo se tiene conto delle variabili che legittimamente influenzano la spesa energetica. Queste variabili includono la composizione del prodotto, la classe della resina e la velocità di flusso del metallo fundito, la proporzione di riciclaggio, la temperatura ambiente e le ore di lavoro. Un punto di riferimento costruito sulla base di una sola settimana di produzione estiva renderà ogni mese dell’inverno sembrare un miglioramento. Apollo raccomanda di stabilire punti di riferimento in almeno un’intero ciclo di produzione che includa la composizione normale del prodotto della fabbrica, espressa come un indice in cui il periodo di riferimento è impostato a 100 punti dell’indice, e successivamente di monitorare la deviazione mensile con la normalizzazione della composizione del prodotto.
Struttura di aggiornamento del retrofit di Apollo per risparmiare energia
L'ordine corretto di implementazione ha uno stesso importanza della misura stessa, perché le prime risparmi bassi costi finanziano ulteriori aggiornamenti di alto costo e perché la misurazione deve precedere l'investimento. La mappa di seguito è la sequenza che gli ingegneri di Apollo raccomandano ai clienti che operano macchine di formaggio di estrattura e molatura, sia che tali macchine siano provenienti da Apollo o da un altro fornitore.
Tabella 6: Misure di risparmio energetico EBM ordinate per priorità
| Misura | Riduzione dei costi sui sottosistemi interessati | Spargono sulla potenza complessiva della macchina | Difficoltà di implementazione | Investimento relativo | Classe di ammortamento |
|---|---|---|---|---|---|
| Programma di rilevazione e riparazione delle perdite di aria compressa | 10–30% | 1–4% | Facile | Basso | Brevissimo |
| Giubbotti di isolamento per la vasca e la testa della matrice | 20–40% | 2–5% | Facile | Basso | Brevissimo |
| Misurazione dell'energia per macchina e schermata | Misura realizzabile | 3–8% tramite cambiamenti nell’abbito quotidiano | Facile | Basso | Brevissimo |
| Esame del profilo di temperatura del fusione e auto-tunigatura PID | 5–15% | 2–6% | Facile | Basso | Brevissimo |
| Limitazione della temperatura dell'acqua per la refrigerazione aumentata nei limiti del processo | 8–20% | 1–3% | Facile | Basso | Brevissimo |
| Blocchi interrati degli apparecchi assistiti (trattore, trasportatore, carico) | 20–40% | 1–2% | Facile | Basso | Brevissimo |
| Sequenziamento due fasi di pre-riscaldamento e riscaldamento primario | 10–25% | 1–3% | Moderato | Basso a moderato | Brevissimo |
| Motori a velocità variabile su pompe di raffreddamento | 25–45% | 1–3% | Moderato | Medium | Medium |
| Sistema di recupero dell'aria di spinta | 25–50% | 2–6% | Moderato | Perché una pompa a dislocamento fisso consuma così tanto | Medium |
| Sistema di energia servo-hidraulico retrofit | 15–40% | 3–8% | Difficile | Alto | Medium |
| Raffreddamento a raffreddamento libero con scambiatore di calore a piastre | 30–70% sezionale | 2-6% annualizzati | Difficile | Alto | Medium |
| Giacometti di riscaldamento ad induzione sulle parti del cilindro e della testa della matrice | 30–60% | 3–7% | Difficile | Very High | Periodo medio a lungo |
| Aggiornamento del motore dell'estrusso di tipo PMSM a IE4/IE5 | 8–18% | 4–10% | Difficile | Very High | Periodo medio a lungo |
| Conversione del cromosodo a imbuto spazzolato | 10–25% | 5–14% | Difficile | Very High | Medium |
| Sostituzione con una macchina completamente elettrica | Modificazione dell’architettura dell’intera macchina | 15–30% | Progetto | Premium. | Long |
Come leggere il piano di sviluppo
Osserva che i percentuali delle secondi e delle terze colonne non sono sommativi. Una volta che le giacche d'isolamento hanno ridotto le perdite di riscaldamento, una successiva installazione di riscaldamento a induzione conferisce un beneficio minore di quello suggerito dal grafico isolato. Lo stesso vale per l'aria compressa: dopo la riparazione delle fughe e l'adattamento della pressione, uno sistema di recupero dell'aria soufflée funziona su una base minore. La successione delle operazioni, dunque, ha reali conseguenze finanziarie, e le misure più economiche dovrebbero sempre venire prima, sia perché finanziano quelle costose sia perché stabiliscono una base ridotta contro la quale le misure costose devono essere giustificate.
Notiamo anche che le misure che hanno il maggiore impatto sull'intera macchina, come la conversione dello spago e del cilindro e l'aggiornamento del motore PMSM, sono quelle che riguardano l'esterizzatore. Questo deriva direttamente dal Tabella 1. Un'azienda che ha completato tutte le misure semplici e che ancora ha bisogno di una variazione significativa terminerà inevitabilmente qui.
Come Apollo integra un basso consumo energetico in ogni serie
Apollo, uno dei fabbricati di Wanplas, considera le prestazioni energetiche alla progettazione della macchina già dal primo stadio, anziché considerarle come accessori opzionali, perché l'adeguamento dell'efficienza è sempre più costoso rispetto alla costruzione integrata. Con dieci serie e più di ottanta modelli che coprono contenitori da 200 ML a 1500 L, la configurazione specifica varia a seconda dell'applicazione, ma la filosofia di progettazione sottostante è sempre la stessa nell'intera gamma.
Serie ABLB, 200 ml a 20 litri
La serie ABLB comprende otto tipologie di macchine che coprono i volumi dei contenitori predominanti nelle ambite dell'imballaggio alimentare, bevande, farmaceutico e chimico di uso quotidiano. Data la velocità con cui queste macchine esegue i cicli e il numero elevato di ore annue, Apollo attribuisce valore prioritario alle misure proporzionate al numero di cicli: unità meccaniche servo-idrauliche per i circuiti di fissaggio e spostamento, sequenziamento a due fasi per pre-biun e biun principale come standard, testine calzate in isolamento termico e termocoppie a bassa profondità con auto-tuning manuale delle zone indipendenti. I motori dell'estrusore sono specificati con controllo all'inverter al livello IE3 come standard, con i motori PMSM al livello IE4 disponibili quando la frequenza di utilizzo del cliente lo giustifica.
Serie ABLD, da 20 a 1500 L
La serie ABLD comprende contenitori a grossa capacità, bidoni industriali, contenitori a grandi volumi per intermediari chimici e grandi parti tecnici. Queste macchine presentano caratteristiche energetiche fondamentali: i cicli sono lunghi, le forze di serraggio sono elevate e la fase di mantenimento durante il raffreddamento regge il ciclo. Questo profilo è proprio quello in cui la tecnologia servo-idraulica offre il suo beneficio relativo maggiore, perché una pompa a volume fisso verserebbe fluido attraverso una vana di sfogo per la maggior parte di ciascun ciclo. La determinazione del dimensionamento dell'accumulatore viene descritta come una decisione energetica oltre che come una decisione processuale, in quanto un accumulatore di dimensioni corrette permette a una pompa più piccola di soddisfare una grande richiesta di picco.
Completamente elettrica Series, 200ML to 20L
La Serie completamente elettrica elimina completamente l'unità di potenza idraulica. Per i clienti che producono contenitori farmaceutici, pacchiuti medici oppure bottiglie chimiche di alta purezza, l'assenza di olio idraulico rimuove un percorso di contaminazione che nessuna quantità di disciplina di manutenzione può chiudere completamente. L'argomento energetico è altrettanto forte per le installazioni con tariffe elettriche elevate e operazione in tre turni, dove il consumo quasi nullo in modalità standby si accumula per migliaia di ore annue. Apollo posiziona la Serie completamente elettrica come scelta consigliata quando volume dei contenitori, frequenza del ciclo e requisiti di pulizia indichino tutti nella stessa direzione.
Manutenzione del materiale e il più ampio ecosistema Wanplas
Le prestazioni energetiche non si fermano alla macchina. Le macchine Apollo lavorano con PE, PP, PVC, PA, PC, ABS, PS, EVA, TPU e PETG, ciascun materiale presenta infatti il suo proprio profilo energetico. L'HDPE a elevata molecola con basso flusso di fusione richiede maggiori torsioni e si apprezza di più quando utilizzate adducenti a file in grano. Il PVC richiede basse tipologie di taglio e un controllo termico strettissimo per evitare la degradazione, quindi la qualità del controllo del riscaldamento è più importante della potenza del riscaldatore primario. Il PC e il PA richiedono un'asciuga approfondita, e il secco, da solo, diventa un notevole consumatore di energia, motivo per cui è utile specificare i dessiccatore controllati a bassa temperatura di rocce con rigenerazione a base di domanda.
Quando un convertitore crea una grande percentuale di reso, il sistema di frantumazione e trasporto diventa parte del quadro energetico, e la coerenza del granello influenza direttamente il consumo energetico specifico dell'estrusore. Per le impianti che scendono a pieno circuito del riciclo, la fabbrica Wanplas Polyretec fornisce linee di lavaggio e pelletizzazione, mentre la fabbrica Wanplas Kerke fornisce extrudenti paralleli geminati a torsione reciproca per l'impiego e la pelletizzazione del materiale recuperato, garantendo in quest'ultimo caso una consistenza uniforme e una bassa variabilità della materia prima. Un feedstock costante è in verità un'indicatore dell'efficienza energetica, poiché una stabilità della densità volumetrica e del flusso di fusione permette all'estrusore a soffietto di funzionare a un punto operativo costante e ottimizzato, anziché costantemente di correzione.
Inizio, verifica e supporto
Apollo effettua i test delle macchine nella propria fabbrica di 8.000 metri quadrati a Zhangjiagang prima della spedizione, mettendo a disposizione ingegneri per l'installazione sul luogo e l'inaugurazione. La verifica dell'efficienza durante l'inaugurazione è semplice e deve essere richiesta come parte del protocollo di accettazione: registrare l'energia in limite di macchina durante un ciclo di produttore definito allo scouting contratto, calcolare kWh/kg e kWh per 1.000 pezzi, e registrare i dati come la base di partenza della macchina a 100 punti di indicizzazione. Questa base di partenza diventa quindi la referenza per tutta la vita di servizio della macchina, rendendo visibili immediatamente eventuali deteriori futuri.
Per tutta la gamma di prodotti Wanplas, l'impegno condiviso include la personalizzazione delle macchine per i stampi e la voltaggio, l'installazione sul luogo di progettazione da parte degli ingegneri, il tracciamento dello stato di utilizzo, l'ispezione in fabbrica prima della spedizione, un budget annuale gratuito per le parti di ricambio, la garanzia di trasporto, la garanzia della capacità di produzione e la garanzia dei standard di qualità. Gli altri fornitori concorrenti, tra cui Bekum, Kautex Maschinenbau, Uniloy, Graham Engineering e Automa, offrono propri pacchetti energetici; i potenziali acquirenti dovrebbero quindi confrontarli su una base comune di misurazione, piuttosto che basarsi sulle dichiarazioni di valore. Le condizioni di riferimento definite in EUROMAP 60.1 e 60.2 esistono proprio per questo scopo.
Domande frequenti
Quanto energia consuме una macchina di formaggio ad estrusione tipica per chilogrammo di prodotto?
Una macchina HDPE monostazione ben configurata che produce bidoni da 5 L consuma normalmente tra 0,55 e 0,95 kWh per ogni kg di prodotto finito misurato al confine della macchina, coprendo l'impianto degli estrattori, gli elettroventilatori, il riscaldamento del tappo e gli pneumatici montati sulla macchina. L'estrattore da solo rappresenta generalmente da 0,25 a 0,45 kWh/kg di quella somma. Le macchine più vecchie con pompe di volume fisso, i termosifoni in carta mica e senza giacche di isolamento spesso superano i 1,2 kWh/kg per parti identiche. Confermate sempre se il valore citato dal fornitore include le utilità di fabbrica, come la sala compressori e la macchina di raffreddamento, perché già questo può spostare il numero in modo significativo, di oltre il 20%.
Una macchina EBM servo-idraulica realmente risparmia dal 15% al 40% di energia?
Tale intervallo si applica specificamente all'unità motrice idraulica, non a tutta la macchina. Considerando che l'unità motrice idraulica rappresenta circa il 10-20% della potenza totale della macchina nell'esplosione a vide, un retrofit servo-idraulico consente di ridurre generalmente in media del 3-8% la potenza complessiva consumata dalla macchina. Le macchine con fasi di mantenimento prolungate, grandi torri dell'accumulatore o tempi di ciclo elevati si trovano nella parte superiore della scala, perché la pompa tradizionale altrimenti disperderebbe il flusso per la maggior parte del ciclo. Le macchine per contenitori a ciclo rapido si trovano nella parte inferiore.
Quando una macchina EBM completamente elettrica rende più senso di una macchina servo-idraulica?
L'esclusiva lavorazione a bussatura tramite estrusione elettrica e con sistema di chiusura elettrico è particolarmente indicata per contenitori da 200 ml a circa 20 l, che mostrano elevati numeri di cicli, che vengono utilizzati in condizioni di cleanroom o farmaceutico e per impianti con tariffe elettriche elevate e alte ore di funzionamento annue. Per contenitori superiori ai 30 l, e soprattutto per macchine a testa in accumulatore che producono enormi bidoni industriali, l'igienizzazione mediante attuazione idraulica o servo-idraulica rimane più pratica, poiché snaturano forti impulsi di fissaggio e lunghe lunghezza di tiro. Il relativo costo di capitale della lavorazione a bussatura elettrica è elevato, cosicché il business case dipende in gran parte dall'orario di funzionamento annuo.
Di quanta energia si può risparmiare con i cappuccini di isolamento del cilindro?
Le giacche di isolamento indossate sugli incollatori a banda riducono solitamente le dispersioni radiante e convettive dalla barra e dalla testa di fuso del 20 al 40 percento, a seconda della temperatura del fusione, del flusso d’aria atmosferico e della copertura. Considerato che l’ampliamento termo del barattolo e della testa di fuso costituisce circa l’8-15 percento dell’intera potenza della macchina, ciò significa una riduzione del consumo complessivo del 2-5 percento a basso investimento relativo con un breve periodo di ammortamento. La testa di fuso è spesso la zona più rilevante da isolare perché è molto calda, ha una vasta superficie esposta e non riceve alcuna energia di strisciamento dalla paletta.
Che cos'è un sistema di recupero dell'aria e quanto aria effettivamente recupera?
Un sistema di recupero dell'aria impugnata cattura l'aria ancora pressurizzata rilasciata dal contenitore alla fine della fase di impugnamento e la canalizza attraverso una valvola di controllo in un serbatoio a bassa pressione che alimenta le neumatica preliminari, la macchina o la fase intermedia del compressore. Le percentuali di recupero variano dal 25 al 50 percento del volume dell'aria impugnata in macchine che producono contenitori più grandi con cicli corti e un elevata pressione di impugnamento. Il sistema riduce inoltre sensibilmente il rumore della macchina, in quanto l'aria a alta pressione non viene più rilasciata direttamente nell'atmosfera.
Quale retrofit per l'efficienza energetica dovrebbe essere realizzato prima su una macchina EBM più vecchia?
Si inizia con la detenzione di perdite di aria compressa e la regolazione della pressione, quindi con la fornitura di gimbeline per la guarnizione dei carrelli e delle teste di tallaggio, e infine con la misurazione dell'energia tra una macchina e l'altra. Tutte queste tre opzioni comportano un investimento relativamente basso, sono facili da implementare e hanno un periodo di ammortamento breve. La misurazione debba essere installata all'inizio, anche se non consente risparmi diretti, perché converte ogni misura successiva da una affermazione in un risultato verificato. Solo una volta che questi fondamenti sono presenti, è opportuno valutare un'unità di potenza servo-idraulica, un motore esltruder a motore permanente modificato a forte corrente o il riscaldamento per induzione.
Il funzionamento del ricondizionamento modifica il consumo energetico di una macchina EBM?
Si. La conferma presenta una densità relativa inferiore e una geometria parziale irregolare rispetto ai granuli virginati, che riduce l'efficienza di trasporto dei solidi nella zona di alimentazione e può aumentare il consumo specifico di energia del 3 al 10 %, al medesimo throughput. Il trituratore stesso aggiunge una carica parassitica. Le mutande per alimentazione a nervature, la dimensione consistente delle lamelle e il rapporto di conferma controllato recuperano gran parte di questo pregiudizio. Quando la qualità della conferma varia considerevolmente, la lavorazione e la granulazione del materiale recuperato in un materiale d'alimentazione omogeneo, utilizzando l'equipaggio a due scarti della fabbrica Kerke di Wanplas, stabilizzano il punto di operazione dell'estrusore e spesso si ripagano da soli in termini di minore variabilità.
Che standard si applicano per la misurazione del consumo di energia delle macchine di termofusione ad ostacolo?
EUROMAP 60.1 e 60.2 definiscono i procedimenti di misura e le condizioni di riferimento usati per confrontare il rendimento energetico delle macchine per la lavorazione dei plastiche su una base di pari qualità. IEC 60034-30-1 classifica l'efficienza dei motori nelle bande IE1 a IE5, e gli acquirenti dovrebbero indicare esplicitamente la classe richiesta nella specifica di acquisto. ISO 50001 fornisce il quadro del sistema di gestione energetica, con ISO 50006 che riguarda i punti di partenza e gli indicatori di rendimento energetico. La sicurezza delle macchine è regolata separatamente, con EN 422 che si occupa delle macchine per l'iniezione sotto forma a soffio nell'ambito del quadro CE, e il flusso del materiale fundente della resina è misurato secondo ASTM D1238 o ISO 1133.
L' aumento della temperatura dell'acqua fredda può davvero ridurre significativamente l'energia?
Sì, e costituisce una delle misure meno costose disponibili. Il rapporto di prestazioni del chiller migliora in modo misurabile con ogni grado in più al quale viene impostato il punto di lavoro dell'evaporatore, poiché il ciclo di raffreddamento ha meno temperature da superare. Molte impianti lavorano con l'acqua di raffrescamento del formaggio a 8°C semplicemente per abitudine, mentre 12 a 15°C soddisfano i requisiti di tempo del ciclo per le scaglie a parete sottile. Il limite è la condensazione: l'acqua a temperature inferiori al punto di nebbia locale causa umidità sulle superfici del formaggio e sulle tubature di raffreddamento, causando difetti superficiali e corrosione. Verificate il tempo di ciclo e la qualità del pezzo al punto di impostazione più alto prima di renderlo permanente.
Conclusione
La tecnologia per risparmiare energia nelle macchine EBM non è una singola funzionalità che può essere selezionata su un modulo di ordinazione. Si tratta di una disciplina di ingegneria a più livelli che inizia con un'analisi dei consumi, prosegue con l'attacco di ciascun sottosistema in proporzione al suo contributo, e dipende esclusivamente dalle misurazioni per confermare che gli scarti sono reali e duraturi.
Le prove realizzate su tutta la base installata di Apollo evidenziano una chiara struttura verticale. Il motore dell’estrusore, al 45-60 per cento della potenza totale dell’equipaggio, rappresenta il punto di maggior efficienza assoluta, accessibile attraverso le classi di motori IE4 e IE5, la geometria dei tasselli, i cilindri di avanzamento lucidati e la gestione disciplinata della temperatura della fusione. L’unità di potenza idraulica, che varia tra il 10 e il 20 per cento, reattiva in modo forte il controllo servoso proprio perché il suo ciclo di utilizzo è così intermittente, garantendo riduzioni del 15-40 per cento su questo sottosistema. Il riscaldamento dei cilindri e l’aria compressa rappresentano una percentuale simile e sono molto più economici da affrontare: i guanti di isolamento riducono le perdite superficiali del 20-40 per cento e la recuperazione dell’aria di soffiaggio restituisce un volume del 25-50 per cento del volume dello stesso. Il raffreddamento del moldo chiude il cerchio, in cui un punto di impostazione dell’acqua elevato e il raffreddamento libero garantiscono delle economie che sono quasi gratuite da portare in essere.
La raccomandazione pratica rimane invariata, indipendentemente dalla marca o dall'età della macchina. Installa prima la misurazione dell'energia per macchina. Ripara le perdite di aria compressa e isola il cilindro e la testa della matrice, perché queste sono investimenti poco costosi, facili da implementare e che riportano un breve periodo di recupero. Definisci kWh/kg e kWh per 1000 pz come indicatori rilevati rispetto a una base di punti di indice 100, collegateli ai dati dell'OEE affinché si possano monitorare le idle run, e solo dopo dedicate a aggiornamenti di investimento elevati che si occupino dell' estrusore e della vasca.
Apollo, azienda produttiva Wanplas con più di vent'anni di esperienza nell’estrusione e schiacciamento alto under-odulato e più di 4.000 macchine in funzione in oltre 90 paesi, stabilisce tali misure per la serie ABLB, la serie ABLD e la serie totalmente elettrica. I potenziali acquirenti che valutano nuove capacità dovrebbero richiedere i valori di energia limitati dai confini della macchina misurati nelle condizioni di riferimento di EUROMAP, specificare esplicitamente la classe del motore IE e includere un ciclo di verifica dell'energia nel protocollo di accettazione. Una macchina scelta in base a questi criteri manterrà il suo valore a lungo dopo che una macchina scelta sullo stesso criterio del prezzo di acquisto è diventata l’attore più costoso del piano di fabbrica.
