Resumé
Z wzrastającym naciskiem na zieloną produkcję i oszczędność energii w branży plastików, zużycie energii w maszynach do formowania ciśnieniowego stało się istotnym elementem kosztów produkcji. Statystyki wykazują, że koszty energii stanowią około 10% – 20% całkowitych kosztów produkcji produktów plastykowych. Dlatego dokładna ocena zużycia energii w maszynach i wdrażanie efektywnych strategii oszczędzania energii jest niezbędne do redukcji kosztów obsługi, zwiększenia efektywności wykorzystania sprzętu oraz poprawy konkurencyjności przemysłu. W tym artykule przedstawione są metody obliczania zużycia energii w maszynach do formowania ciśnieniowego, analizowane jest rozłożenie energii w podstawowych podsystemach oraz omówione są strategie optymalizacji, które dotyczą konfiguracji sprzętu, parametrów procesu i systemów inteligencji. Badanie stanowi praktyczne porady dla projektowania i modernizacji sprzętu do formowania ciśnieniowego z uwzględnieniem oszczędności energii.
1. Wstęp
Formowanie wyciskowe jest jednym z najczęściej stosowanych procesów produkcyjnych do produkcji produktów plastikowych puste, w tym butelek, pojemników, zbiorników na paliwo samochodowe, palet przemysłowych oraz komponentów technicznych. Podczas produkcji energia elektryczna zużywana jest przez kilka subsystemów, w tym jednostkę cięcia, system ogrzewania, system hydrauliczny, system powietrza pod ciśnieniem i system chłodzenia. Ponieważ te subsystemy prezentują różne parametry działania, zrozumienie ich indywidualnego zużycia energii jest kluczowe do identyfikacji możliwości oszczędności energii.
Na przykład, jeśli maszyna zużywa 1600 kWh podczas produkcji 4000 kg produktów z tworzywa sztucznego w jeden dzień, zużycie energii na jednostkę masy wynosi:
2. Sprawność energetyczna Distribution of Blow Molding Machines
Ogólny zużycie energii w maszynie formowania pod ciśnieniem można podzielić na pięć głównych subsystemów:
- napęd cięcia system
- System ogrzewania stalówki i matrycy
- System hydrauliczny
- System powietrza sprężonego
- System chłodzenia
Pomimo tego, że dokładna rozkład zdarzeń zależy od rodzaju maszyny, projektu produktu i warunków produkcji, typowy stosunek zużycia energii jest następujący:
| Subsytem | Typowy udział energii |
|---|---|
| napęd cięcia | 30%–40% |
| Heating system | 20%–30% |
| System hydrauliczny | 15%–30% |
| System powietrza sprężonego | 10%–25% |
| System chłodzenia | 5%–15% |
Wśród tego rodzaju systemów, sygnalizacja wycofanowa, nagrzewanie oraz systemy hydrauliczne stanowią większość całkowitego zużycia energii i zatem stanowią główne cele optymalizacji energetycznej.
3. Metody obliczania zużycia energii
3.1 Ogólny zapotrzebowanie energetyczne
Najbardziej prosta i szeroko stosowana metoda to podążanie za średniej mocą:
E = P × T
gdzie:
- E= całkowiony zużycie energii (kWh)
- P = average operating power (kW)
- T= czas pracy (h)
Na przykład, należy rozważyć maszynę formująca przyjemnicą o mocy zainstalowanej 138 kW, funkcjonującą w średnim czasie pracy o faktorze obciążenia wynoszącym 60%.
Średnia moc działania to:
138 × 60% = 82,8 kW
Jeśli maszyna działa nieprzerwanie przez 20 godzin w ciągu dnia, codzienne zużycie energii elektrycznej wynosi:
82,8 × 20 = 1656 kWh
Ta metoda jest odpowiednia do planowania produkcji, kosztowania energii i oceny ekonomicznej.
3.2 Analiza energetyczna na podstawie subsytemu
Aby dokładniej ocenić, całkowite zużycie energii należy podzielić na poszczególne podsystemy.
system cięcia
= całkowita zużycie energii (kWh)
W przypadku silnika o mocy 55 kW, pracującego przy obciążeniu 80%, średnie zużycie energii wynosi około 44 kW.
System grzewczy
System grzewczy obejmuje grille grzewcze i grzejniki kontrolowane za pomocą regulacji temperatury PID.
Z uwagi na to, że grzejniki działają przerwowo, a nie ciągłe w pełnej mocy, średnie zużycie energii zwykle wynosi 30%–60% nominalnej kapacity grzewczej.
Na przykład, system ogrzewania o mocy 40 kW może zużywać średnio około 18 kW.
System hydrauliczny
Klasyczne układy hydrauliczne stosują pompy o stałym rozmiarze, które czynią się nieprzerwanie, nawet w okresie chłodzenia lub oczekiwania, co prowadzi do znacznych strat energii.
Systemy servo-hydrauliczne automatycznie dostosowują prędkość motora w zależności od popytu na ciśnienie i przepływ, co doprowadza do obniżenia średniego zużycia energii z około 18–20 kW do 7–10 kW.
System powietrza pompowanego
Czystość powietrza jest niezbędna w fazie rozlania i stanowi jeden z największych spożytkowników energii, zwłaszcza w produkcji butelek pod wysokim ciśnieniem.
Na przykład kompresor powietrza o mocy 15 kW, działający przez 20 godzin, zużywa około 300 kWh dziennie.
20% do 50%
System chłodzenia obejmuje chiller, pompy ciśnieniowe i chłodnice.
Średni odbytek energii wynosi zwykle od 50% do 70% wymiary zainstalowanej mocy.
Zatem całkowite zużycie energii maszyny można wyświetlić jako:
E_total = E-erodowanie + E-ogrzewanie + E-hydraulika + E-ciśnienie powietrza + E-chłodzenie
Ta rozkładnia pozwala inżynierom na identyfikację największych subsystemów zużywających energię i ustalenie kolejności priorytetowych w zakresie działań oszczędzających energię
4. Średnica zużycia energii
W porównaniu do całkowitej ilości zużycia energii elektrycznej, zużycie energii jednostkowej stanowi bardziej przydatny wskaźnik efektywności produkcji.
Ogólne wskaźniki wydajności to:
- kWh/kg przetwarzanej plastiki
- kWh na produkt
- kWh na 1,000 produktów
Instalacja napędów częstotliwości zmiennej na pompy chłodzące i wzmacniacze chłodzenia pozwala dopasować pojemność chłodzenia do rzeczywistego zapotrzebowania na produkcję.
1600 ÷ 4000 = 0,40 kWh/kg
Jeśli w tym samym czasie zostanie wyprodukowanych 16 000 butelek, zużycie energii na butelkę wygląda następująco:
1600 ÷ 16000 = 0,10 kWh na butelkę
Specyficzne zużycie energii jest szeroko stosowane do analizy konkurencyjności maszyn i oceny efektywności energetycznej.
5. Strategie optymalizacji oszczędzającej energię
5.1 System hydrauliczny z czujnikiem servo
Systemy hydrauliczne oferują największy potencjał oszczędności energii w konwencjonalnych maszynach do formowania próżniowego.
W przeciwieństwie do pomp hydraulicznych o stałej prędkości, serwo-motory dostosowują swoją prędkość do aktualnych wymagań ciśnienia i przepływu.
standardowe oszczędności energii w zakresie od20%–40%, while simultaneously reducing oil temperature, system noise, and maintenance requirements.
5.2 Sistemy napędów o wysokiej efektywności
Substytucja konwencjonalnych silników indukcyjnych na silniki synchroniczne ze stałymi magnesami (PMSM), obudowane w silnikach zasilanych częstotliwościowym (VFD), znacznie poprawia efektywność napędów.
standardowe oszczędności energii w zakresie od5% do 15%jednocześnie zapewniając lepszą kontrolę prędkości i poprawione stabilność procesu
Optymalizacja systemu nagrzewania
Klasyczne grzejniki izolatywne radzonosnego na znaczne straty ciepła.
Naprawa ich elektrycznymi grzałkami ceramicznymi, osłonami termoizolacyjnymi i optymalnym sterowaniem temperatury PID może znacznie obniżyć zużycie energii potrzebne do ogrzewania.
Szacowane oszczędności energii to10% – 30%.
5.4 optymalizacja nacisku i części konstrukcyjnej
System wyciskania składa się głównie z głównego silnika napędowego, skrętnika i zestawu śrub.
Optymalizacja kanałów przepływu w formie pozwala zmniejszyć straty ciśnienia w ciele rozpryskującym, co zmniejsza obciążenie silnika i poprawia jakość produktów.
standardowe oszczędności energii w zakresie od5% do 15%.
5.5 Optymalizacja przepływu powietrza
System powietrza sprężonegos are frequently overlooked despite their significant energy consumption.
Mierze oszczędzania energii obejmują:
- eliminacja przecieków powietrza
- Optymalizacja ciśnienia nadmuchowego
- Kontrola podciągania w kilku etapach
- Powrót powietrza o niskim ciśnieniu
- Wzmocniony projekt stożka próżniowego
Te działania mogą zmniejszyć zużycie energii powietrza kompresyjnemu.10% – 30%.
5.6 optymalizacja systemu chłodzenia
Stopnie sklejenia i mikserów zwiększają efektywność topienia i mieszania plastiku przy jednoczesnym obniżeniu momentu skrętu w czasie wyciskania.
Optymalizacja czasu chłodzenia skraca także cykl produkcyjny, co zwiększa wydajność maszyny, jednocześnie zmniejszając zużycie energii.
5.7 Optymalizacja parametrów procesów
Optymalizacja temperatury obudowy, prędkości ślizgowej, stopnia wyciskania, ciśnienia sprężania i czasu chłodzenia minimalizuje niepotrzebne zużycie energii, nie naruszając przy tym jakości produktu.
Na przykład zmniejszenie cyklu produkcji z 20 s do 18 s obniża zużycie energii na produkt o około10%Poprzez zwiększenie wydajności produkcji
5,8 Inteligentne zarządzanie energią
Nowoczesne systemy zarządzania energią integrują inteligentne liczniki prądu, systemy zbierania danych PLC i systemy wykonywania produkcji (MES), aby monitorować zużycie energii każdej podsystemu w czasie rzeczywistym.
Analizując obciążenie maszyny, zużycie energii na jednostkę masy oraz efektywność subsystemów, ciągłe optymalizacje procesu umożliwiają uzyskanie dodatkowych5% – 10%zmniejszenie zużycia energii
6. Zalecane konfiguracje oszczędzające energię
W zależności od poziomu inwestycji, środki oszczędzające energię można podzielić na trzy kategorie.
Przedmioty o niskim koszcie inwestycji to obudowy izolacyjne, optymalizacja regulacji temperatury PID i eliminacja wycieków powietrza podciśnieniowego. Te rozwiązania wymagają minimalnych inwestycji i zazwyczaj obniżają zużycie energii o 5%–15%.
Rozwiązania o średnim poziomie inwestycjiobejmuje systemy hydrauliczne z kluczami serwomechanicznych, pompy chłodzenia o zmiennym zakresie częstotliwości, silniki synchroniczne z magnesami stałymi oraz platformy monitorowania energii. Wszystkie te aktualizacje w ogólności pozwalają na oszczędności energii w wysokości 15–30%
Rozwiązania o wysokim poziomie inwestycjiObsługujemy oszczędne konstrukcje śrub,死板 o niskim poziomie utrat zdia, inteligentne układy sterowania oraz kompleksowe modernizacje maszyn. Tego typu konfiguracje są szczególnie odpowiednie do rozwoju nowego sprzętu lub modernizacji linii produkcyjnych, a mogą zapewnić oszczędności energii przekraczające 30%.
7. Wnioski
Sprawność zużycia energii w maszynach do formowania wiatrem zależy od łącznej wydajności wielu zintegrowanych subsystemów, a nie od pojedynczego elementu. Równie istotne zmniejszenie zużycia energii można osiągnąć poprzez systematyczne optymalizowanie systemu napędowego, hydraulicznego, grzewczego, zasilania powietrzem, chłodzenia i parametrów procesu.
Wprowadzając w życie naukowe modele zużycia energii, przeprowadzając analizy poziomu subsystemu i oceniając specyficzne zużycie energii, producenci mogą dokładnie określić główne użytkowników energii i wdrożyć strategie optymalizacji projektowanych do konkretnych celów.
W przypadku maszyn do wyciskania ciągłego działania, kompleksowe wdrożenie technologii servohydraulicznej, systemów napędów o wysokiej efektywności, nowoczesnych technologii grzewczych, optymalizacji prądu powietrza oraz inteligentnego zarządzania energią pozwala zwykle osiągnąć ogólną oszczędność energii.30%–40%. As Industry 4.0 and smart manufacturing continue to evolve, data-driven energy monitoring and intelligent optimization are expected to become the core technologies for the next generation of energy-efficient blow molding equipment.
