A tecnologia de poupança de energia para máquinas EBM passou de uma característica comercial a uma exigência comercial rigorosa. Para a maioria das instalações de moldagem por sopro, a eletricidade é agora o segundo maior custo controlado, depois da resina, e, em regiões com altas tarifas ou obrigações de reporting de carbono, é a linha de custo que cresce mais rapidamente. Uma única máquina de moldagem por sopro em extrusão, trabalhando em três turnos em garrafas térmicas de HDPE, pode consumir mais energia num ano do que um edifício de escritórios de área comparável. No entanto, a mesma máquina, especificada corretamente, pode produzir o mesmo rendimento com muito menos energia.
A Apollo, fábrica da Wanplas localizada em Zhangjiagang, perto de Xangai, tem passado mais de duas décadas a construir máquinas automáticas de moldagem por sopro de extrusão, com mais de 4.000 conjuntos em serviço em mais de 90 países. Ao longo deste porte instalado, o padrão é consistente: a diferença entre uma máquina eficiente e uma não eficiente raramente é um único componente inovador. É a cumulativa de doze decisões engenharia conscientes, cada uma das quais reduz algumas décimas de um ponto de um subsistema diferente.
Este artigo detalhadamente destina a energia que é utilizada em uma máquina de moldagem sob pressão por extrusão e depois considera cada subsistema em particular: a unidade de alimentação do extrusor, a unidade de energia hidráulica, o aquecimento do cilindro e da cabeça de matriz, o ar comprimido e o resfriamento da matriz. Explica a diferença mensurável entre as bombas de deslocamento fixo, as bombas variáveis sensíveis à carga, as unidades servo-hidráulicas e a atuação totalmente elétrica. Compara o aquecimento a base de mica, cerâmico, halogênio infravermelho e indução numa base igual. Quantifica o que a recuperação do ar de sopro realmente retoma. E termina com um roteiro de retrofit priorizado que qualquer fábrica pode aplicar às máquinas já instaladas no chão, quer levem uma placa de identificação Apollo ou uma da Bekum, da Kautex Maschinenbau, Uniloy ou Graham Engineering.
Em todo o território, o desempenho energético é expresso da maneira que os engenheiros devem expressá-lo: como consumo específico de energia em kWh por quilograma de produto e kWh por mil peças, medido na fronteira da máquina. O custo relativo e o retorno são expressos em faixas qualitativas e bases indexadas, em vez de números absolutos, porque as tarifas, taxas e salários locais variam bastante para que um número único possa ser útil.
Por que o Consumo de Energia É Agora Uma Especificação Fundamental do EBM
O consumo de energia não é mais uma especificação secundária no blow molding por extrusão; é um critério de seleção primário que determina diretamente se uma linha de embalagens continua competitiva ao longo da vida útil de dez anos. Três forças convergiram para torná-lo verdadeiro, e nenhuma delas irá ser revertida.
A primeira força é a volatilidade tarifária. Os preços da eletricidade em muitas regiões exportadoras tornaram-se muito menos previsíveis do que eram há uma década, e o moldagem por sopro é um processo que consome muita energia elétrica, por sua própria natureza. Ao contrário do custo da resina, que muitas vezes pode ser repassado ao cliente através de contratos indexados, o custo da eletricidade é normalmente absorvido inteiramente pelo convertidor. Uma máquina especificada apenas pelo preço de compra e pela taxa de produção pode silenciosamente consumir várias vezes o seu próprio valor patrimonial em eletricidade durante o seu ciclo de vida operacional.
A segunda força é a contabilidade de carbono regulamentada e orientada pelo cliente. Os detentores de marcas nos setores de alimentos e bebidas, produtos químicos diários e embalagens farmacêuticas exigem, cada vez mais, dados de emissões do escopo 3 dos seus fornecedores de embalagens. Esses dados não podem ser produzidos sem a medição de energia por máquina. Um operador que não consegue relatar quilowatts-horas por mil peças para um determinado recipiente está em desvantagem competitiva, independentemente do que os componentes tenham em termos de aspecto.
A terceira força é a maturidade da própria tecnologia. Unidades de energia servo-hidráulica, motores síncronos com ímãos permanentes e aquecimento de tambores por indução eram todas novidades caras há quinze anos. Hoje, são opções principais, bem-sucedidas e disponíveis de vários fornecedores de componentes, o que pressionou tanto o custo adicional como o risco técnico. O que, antigamente, era uma opção experimental, hoje é o princípio gerador de uma engenharia eficaz.
A economia baseada na quantidade de energia específica consumida
A métrica mais útil nesta discussão é o consumo específico de energia, expresso em kWh por quilo de produto final. Normaliza a dimensão da máquina, a geometria do recipiente e os padrões de turnos, permitindo que uma linha de estiramento por moldagem por sopro HDPE de 200 ml e uma linha de tambor de 220 L sejam comparadas no mesmo eixo. Para uma máquina de estiramento por moldagem por sopro de HDPE bem configurada, o consumo específico de energia ao longo da máquina geralmente fica entre 0,55 e 0,95 kWh/kg. Maquinas construídas antes da adoção generalizada de acionamentos de extratora de frequência variável, revestimentos de isolamento e sistemas de ar em circuito fechado geralmente superam 1,2 kWh/kg para as mesmas peças.
Esta diferença de cerca de 0,4 kWh/kg não parece dramática até que seja multiplicada pelo volume anual de produção. Uma máquina que converte 400 toneladas de HDPE por ano com uma desvantagem de 0,4 kWh/kg está queimando
O desempenho energético na moldagem por sopro do processo de extrusão não é conquistado por um único componente. É conquistado através do ataque sistemático a seis subsistemas, cada um dos quais contribui entre 3 e 60% da carga total da máquina, e através da medição do resultado, em vez de supor que esteja presente.
Onde é que o poder realmente vai: Verdejante energético de uma máquina EBM.
Em uma máquina de moldagem por sopro por extrusão de uma estação única, que produz latas de 5 l de HDPE, a unidade de giro do extrusor consome a maior parte do valor total de energia, geralmente entre 45 e 60%, seguido pelo módulo hidráulico, pelo aquecimento do cilindro e da cabeça da matriz, pelo ar comprimido e pelo resfriamento da matriz. A compreensão desta distribuição é a pré-condição para qualquer programa racional de economia de energia, porque os esforços encetados na otimização de um subsistema que representa 4% da carga nunca poderão competir com uma pequena melhoria a um subsistema que representa 50%.
A decomposição abaixo reflete uma configuração representativa: uma máquina de uma única estação com um extrusor de um só parafuso de 90 mm, L/D 25:1, extrusão contínua com uma cabeça de matriz única camada, unidade de fixação hidráulica e desossamento montado na máquina. A taxa de produção é de aproximadamente 60 a 80 kg/h de HDPE, com uma taxa de fluxo do material fundido de aproximadamente 0,3 g/10 min a 190°C e 2,16 kg, medido de acordo com a ASTM D1238. O peso do recipiente é de aproximadamente 180 a 220 g. A temperatura ambiente assusta-se a 25°C.
Tabela 1: Descomposição da energia de uma máquina EBM de cana do HDPE de 5 l.
| Subsistema | Parcela da potência total da máquina | Patrulha de carga | Ferramentas de poupança primárias |
|---|---|---|---|
| Prática do extrusor (motor, caixa de câmbio, parafuso) | 45–60% | Continuidade, quase contínua | 000 quilowatt-horas adicionais anualmente, sem que haja um aumento de produção. Expressa como um índice, com uma máquina moderna eficiente a partir de um patamar de 100 pontos de índice, uma máquina legada mal configurada situa-se, aproximadamente, entre 140 e 165 pontos de índice para o mesmo programa de produção. |
| Unidade de potência hidráulica (fixação, transporte, entalhamento, desentalhamento) | 10–20% | Muitas fases de parada e espera, intermitentes | Bomba servo-hidráulica, controle de detecção de carga, dimensionamento do acumulador, acionamento totalmente elétrico. |
| Aquecimento do cilindro, adaptador e cabeça da matriz | 8–15% | Alta no início da operação, ciclos de baixa atividade em condições estáveis | Jóias de isolamento, aquecimento por indução ou infravermelho, autoajustamento PID, consolidação das zonas |
| Ar comprimido (ar de sopro, além de pneumáticos) | 8–15% | Pulsed, high instantaneous demand | Recuperação de ar aspirado, detecção de fugas, pré-aspiração em duas etapas e aspiração principal, ajustagem da pressão |
| Circuito de refrigeração do chiller e do molde | 6–12% | Contínuo com variação sazonal | Ponto de ajuste da massa d'água mais elevado, refrigeração livre, troca de calor a placas, bombas de velocidade variável |
| Auxiliares (triturador, transportador, carregador, secador). | 3–6% | Intermitente, muitas vezes deixada ligada | Bloqueios ligados à demanda, afiação da lâmina do britador, transporte de tamanho adequado |
Três conclusões práticas derivam diretamente deste quadro. Em primeiro lugar, qualquer programa de economia de energia que ignore o extrusor aborda menos da metade do problema. Em segundo lugar, a unidade de potência hidráulica é o subsistema com o maior intervalo entre a demanda média e a máxima, o que é precisamente o motivo pelo qual responde tão fortemente ao controle servo. Em terceiro lugar, o ar comprimido e o aquecimento juntos representam uma participação comparável às hidráulicas e ambos costumam ser muito mais baratos de melhorar.
É também conveniente considerar o que esta análise deliberadamente exclui. As cargas a nível de instalação, como a sala do compressor central, os ventiladores da torre de refrigeração, a iluminação e o sistema de climatização, estão fora do âmbito da máquina. Um conversor que compara máquinas de diferentes fornecedores deve confirmar se os valores de consumo mencionados são medidos na extremidade da máquina ou se incluem uma parte destas instalações públicas, pois a diferença pode superar 20%. EUROMAP 60.1 e 60.2 existem especificamente para remover esta ambiguidade, definindo o limite de medição e o ciclo de referência.
Tecnologia de acionamento servo-hidráulico e limites da eficiência da bomba
A unidade hidráulica de energia é o subsistem onde a diferença entre a energia instalada e o trabalho útil é a maior, o que a torna o alvo de maior rendimento por unidade de esforço de engenharia. Na extrusão de moldagem a calor, a unidade de fixação, a traseira do carro, a travessia do pin de sopro e os cilindros de despintação exigem as cinco curtos períodos de alto fluxo separados por longos períodos de demanda praticamente zero. Uma bomba de deslocamento fixo convencional não consegue distinguir entre esses estados.
000 metros quadrados, mais de
A bomba com volume fixo acionada por um motor de indução a uma velocidade constante fornece o mesmo caudal a cada segundo que o motor está em funcionamento, independentemente da carga que precisa ser transportada. Quando a unidade de fixação está fechada e apenas em repouso, ou quando a máquina está a aguardar que a massa biela alcance a sua dimensão final, este caudal não tem nenhum lugar útil para circular. Neste caso, é descarregado através de uma válvula de alívio, e toda a energia hidráulica é convertida em calor no óleo. Este calor tem que ser removido por um resfriador de óleo, que consome a sua vez água de resfriamento e energia da bomba. O sistema, portanto, paga duas vezes: uma vez para gerar o caudal desnecessário e outra para remover o calor que cria.
Em um ciclo típico de tratamento térmico por passagem múltipla elétrica (EBM), o trabalho hidráulico útil ocupa apenas uma fração do tempo total do ciclo. O restante é o tempo de inércia, paragem ou espera. Esta é a ineficiência estrutural que a tecnologia servo elimina.
Bombas de variação de volume que detectam a carga
Uma bomba variável de deslocamento com controle de detecção de carga ajusta o ângulo da placa oscilante para que o fluxo fornecido corresponda à demanda e a pressão do sistema acompanhe a carga, mais uma pequena margem. Isto impede a maioria das descargas pela válvula de alívio e constitui uma verdadeira melhoria em relação ao deslocamento fixo. No entanto, o motor principal continua a rodar continuamente a toda velocidade, portanto, a perda por aerodinâmica, a fricção dos rolamentos, o vazamento interno da bomba e a margem de pressão de stand-by continuam a consumir energia, mesmo quando a máquina não está a fazer nada. Os sistemas de detecção de carga também respondem mais lentamente à demanda de fluxo súbita do que um sistema servo bem ajustado, porque a placa oscilante tem inércia mecânica.
Motor servo com bomba de engrenagem
Uma unidade servo-hidráulica associa um motor servo com magneto permanente a uma bomba de engrenagem com volume fixo e fecha o ciclo de pressão e fluxo através do próprio sistema de acionamento. Quando a máquina precisa de fluxo, o motor acelera; quando não, o motor desacelera até a uma velocidade mínima ou pára completamente. Durante as fases de armazenamento, a unidade de acionamento servo fornece apenas o pequeno fluxo necessário para compensar os vazamentos internos, pelo que a potência de entrada medida durante o armazenamento diminui para uma fração pequena do valor em funcionamento, em vez de permanecer ao máximo.
Durante todo o ciclo de EBM, a redução resultante no consumo da unidade de energia hidráulica geralmente fica entre 15% e 40% comparada com uma base de deslocamento fixo. O ponto em que a máquina se enquadra nesta faixa depende quase exclusivamente do ciclo de trabalho. Uma máquina de pequeno volume de resfriamento rápido, com períodos de parada curtos, está perto do limite inferior, porque a bomba está realmente ocupada a maior parte do tempo. Uma máquina de cabeça de acumulador grande que produz tambores de 200L, onde a unidade de fixação fica durante um longo período de resfriamento a cada ciclo, se encontra perto do limite superior.
Os sistemas servo-hidráulicos proporcionam três benefícios secundários que muitas vezes valem o mesmo que a poupança de energia elétrica. A temperatura do óleo fica significativamente mais baixa, o que prolonga a vida das vistosas e das mangueiras e reduz a carga no circuito de refrigeração do óleo. O nível de ruído na máquina diminui perceptivelmente, o que é importante para a conformidade no local de trabalho. E a repetibilidade da pressão e do fluxo melhora, o que estabiliza a programação do parison e a distribuição do espessamento da parede.
Moldagem por espumação por extrusão totalmente elétrica
000 máquinas em 90 países.
A questão das limitações aplicáveis. A acionamento totalmente elétrico é mais conveniente quando os ciclos são curtos e frequentes, o tempo de funcionamento anual é elevado, os tamanhos dos contentores são pequenos ou médios e os requisitos de limpeza são rigorosos. Esta opção torna-se cada vez menos prática à medida que o volume do contentor aumenta, pois a força de fixação e a distância do curso necessários para tambores industriais grandes induzem o dimensionamento da roda de esferas e da biela para uma região onde o acionamento hidráulico permanece mais compacto, mais robusto e mais econômico. Para a Série ABLD da Apollo, que abrange de 20 a 1500 litros, a arquitetura servo-hidráulica permanece a recomendada.
Por que uma bomba de volume fixo desperdiça tanta energia
| Arquitetura para acionamento | Classe de consumo de energia | Velocidade de resposta | Exigência de manutenção. | Carregamento de refrigeração do óleo | Custo de capital relativo |
|---|---|---|---|---|---|
| Bomba de deslocamento fixo, motor de velocidade constante. | Consumo mais elevado (nível de referência 100) | Medium | Materiais de alta qualidade | Materiais de alta qualidade | Baixo |
| Bomba de deslocamento variável com deteção da carga | Moderate (index 78–88) | Medium | As máquinas completamente elétricas substituem o poder unitamente hidráulico completamente por servodrives e mecanismos de movimento de pinos de ventilação e dobradiças de prensagem, carruagens e pinos de ventilação. Sem óleo, sem válvulas de alívio e sem refrigerador de óleo, as perdas de espera se aproximam de zero, e o treino de tração converte a entrada elétrica em trabalho mecânico com a maior eficiência de qualquer arquitetura discutida nesta sessão. A Série Completo Elétrica da Apollo cobre recipientes de 200 ml a 20 l e é especificada com frequência para aplicações farmacêuticas, médicas e quimicas diárias de alta pureza, nas quais os riscos de contaminação por óleo são inaceitáveis. | Medium | Medium |
| Servo motor com bomba com engrenagem fixa (servo-hidráulica) | Low (index 60–85) | Rápido | Medium | Baixo | Materiais de alta qualidade |
| Bomba servo duplo, com circuitos de parada e fixação independentes | Muito baixa (índice de 55 a 75) | Muito rápido. | Medium | Baixo | Very High |
| Completamente elétrico (esteira de rolo servo e toggle) | Mais baixo (índice 50–70) | Muito rápido. | Baixo | Nenhum. | 1 |
Os valores de índice acima se referem apenas à energia hidráulica e de ativação, em comparação com um nível de referência de deslocamento fixo de 100 pontos de índice num ciclo representativo de uma garrafa de 5L. Não devem ser lidos como valores de todo o equipamento. Uma vez que a unidade de potência hidráulica representa 10 a 20% da potência total do equipamento, uma mudança de deslocamento fixo para servo-hidráulica normalmente produz uma redução de 3 a 8% no consumo total do equipamento, o que é significativo, mas deve ser compreendido em proporção.
Eficiência energética do extrusor: classe do motor, geometria do parafuso e kWh/kg.
O extrusor é o principal consumidor de energia em todas as máquinas de moldagem a jato contínua. Por isso, uma melhoria de um por cento aqui vale mais do que uma melhoria de dez por cento no circuito do triturador. A eficiência do extrusor é determinada por três fatores interagentes: a eficiência elétrica do motor e do driver, a eficiência mecânica da caixa de engrenagens e a eficiência termodinâmica com a qual o parafuso converte o trabalho do eixo em fundido à temperatura e homogeneidade necessárias.
Motor efficiency classes under IEC 60034-30-1
A IEC 60034-30-1 define classes de eficiência de IE1 a IE5 para motores à corrente alternada operados pela linha; esta classificação é a especificação mais clara disponível para um comprador de máquinas. A diferença entre um motor classe IE2 e um motor classe IE4 ou IE5, com a mesma potência, é de apenas alguns pontos percentuais de eficiência, mas esses pontos se aplicam continuamente ao maior carregamento da máquina, durante vinte e quatro horas por dia.
O motor de indução de corrente alternada padrão acionado por um inversor de frequência variável continua sendo o acionamento mais comum de extrusoras e, quando especificados em IE3, é uma escolha perfeitamente respeitável. O detalhe importante é que a eficiência do motor de indução diminui em carga parcial e em velocidade reduzida. As extrusoras costumam operar entre 50 e 75 por cento da velocidade nominal, precisamente a região onde as curvas de eficiência do motor de indução começam a declinar e onde o fator de potência do motor deteriora.
Um motor sincrono de ímãs permanentes, ou PMSM, comporta-se de forma diferente. Como o campo do rotor é fornecido por ímãs em vez de corrente induzida, as perdas do rotor são significativamente mais baixas e a curva de eficiência fica estável em uma gama de velocidades muito mais ampla. Os sistemas de aceleração por extrusor com motor PMSM podem alcançar a classe IE4 e, em tamanhos maiores, IE5. Também funcionam a uma temperatura mais baixa, o que reduz as perdas do ventilador do motor e aumenta a vida útil dos rolamentos e da isolamento. Em configurações com acionamento direto, um motor PMSM pode eliminar completamente a caixa de engrenagem, eliminando outras duas a quatro por cento de perda de transmissão.
Geometria da rosca e tambores alimentadores entalhados
O design helicoidal determina quanta das energias da hélice são convertidas em fundente útil e quanta é calor de corte não necessário que deve ser removido mais tarde por ventiladores de refrigeração. Um passo metrifico convencional depende de fluxos de arrasto e de corte para fundir o polímero. Um passo barrera separa fisicamente a leitura sólida da piscina de fundente com um segundo passo, que funde o polímero de forma mais uniforme em taxas de corte menores. Para o HDPE e o PP, um passo de barrera bem projetado, com uma seção de mistura geralmente reduz o consumo específico de energia em uma margem mensurável, ao mesmo tempo que melhora a homogeneidade da fundente e reduz a temperatura da fundente em vários graus.
Um tambor de alimentação ranhurado altera a física no outro extremo do parafuso. Os sulcos axiais gravados na zona de alimentação intensamente refrigerada aumentam dramaticamente a eficiência de transporte de sólidos, de modo que o rendimento torna-se muito menos sensível à pressão da cabeça e o parafuso pode entregar a mesma produção a uma velocidade mais baixa. Uma velocidade mais baixa do parafuso significa uma menor geração de calor de corte, uma temperatura de fusão mais baixa, menor demanda de refrigeração para baixo e menor consumo específico de energia. A alimentação ranhurada é especialmente valiosa quando se opera HDPE de alto peso molecular e com baixo índice de fluxo de fusão, que é exatamente a classe de material utilizada para reservatórios de combustível, tambores químicos e garrafas de resfriamento.
Razão L/D: 24: 1 versus 30:1
A relação comprimento/diâmetro é muitas vezes discutida como se o comprimento automáticamente fosse melhor. Em termos de energia, a relação não é monótona. Um cilindro de 24:1 é mais curto, tem uma área de superfície menor para aquecer e impõe um arrasto viscoso total menor, pelo que, em um throughput moderado, pode ser a escolha mais eficiente. Um cilindro de 30:1 fornece mais tempo de permanência e melhores capacidades de fundição e mistura, o que permite um throughput maior por revolução e uma melhor manipulação de reciclado e masterbatch. No entanto, a maior extensão também acrescenta perda de calor de superfície, demanda de forca adicional e um caminho térmico mais longo.
A orientação prática que a Apollo aplica é simples. Para recipientes de HDPE e PP de único material e com um conteúdo modesto de reciclagem, a proporção 24:1 a 25:1 proporciona o menor consumo específico de energia. Quando a receita inclui uma quantidade significativa de reciclagem, um mastique de cor ou quando se trata de co-extrusão em várias camadas, a proporção 28:1 a 30:1 é justificada, pois o alternativa de aumentar a pressão de um parafuso curto gera mais calor de cisalhamento do que o que é necessário para aumentar a comprimento do tambor.
Tabela 3: Configuração do extrusor e consumo específico de energia em HDPE
| Configuração do extrusor | Consumo específico tipicamente energético (kWh/kg) | Tendência da temperatura de fusão | Mais adequado para |
|---|---|---|---|
| Barril de curso liso, parafuso de medição convencional, motor IE2 a indução | 0,40–0,48 | Elevada, com força de corte | Máquinas antigas, operações de baixo rendimento |
| Cilindro sem revestimento, parafuso de barreira com seção de mistura, acionamento de inversor nível IE3 | 0,33–0,40 | Moderado | Contêineres HDPE e PP de uso geral |
| Corrimão do tanque de alimentação, parafuso de barreira, driver de inversor IE3 | 0.29–0.36 | Baixo a moderado | HDPE de alto peso molecular, graduações de baixa MFR |
| Barril de alimentação decapado, parafuso de barreira, motor IE4/IE5 a PMSM | 0,25–0,32 | Baixo | Operação em três turnos de alta produtividade, projetos com prioridade de energia. |
| Como descrito anteriormente, com acionamento direto (caixa de engrenagens eliminada) | 0,24–0,30 | Baixo | Tamanhos de máquinas selecionados em que forca e velocidade combinam-se diretamente |
Esses números representam o consumo específico de energia no extrusor apenas para o HDPE, excluindo hidráulica, ar compresso e refrigeração. Assumem uma operação de equilíbrio em 70 a 85 por cento da velocidade nominal do parafuso, com perfis de temperatura do derretimento adequadamente adequados. Algumas resinas mudam significativamente a linha-base: o PP geralmente fica ligeiramente abaixo do HDPE, o PVC rígido requer baixa cisalhamento e cuidadoso gerenciamento de calor, o PC e o PA exigem temperaturas de derretimento mais altas e, portanto, uma entrada de energia maior e o PETG fica entre as polioles e as resinas de engenharia.
Um ponto frequentemente ignorado é a disciplina da temperatura da fundição. Cada aumento de 10°C de temperatura da fundição desnecessária deve ser gerada primeiro pelo torque do motor e pelo poder do aquecedor, e depois ser removido novamente pelo resfriamento do moldado, prolongando o tempo do ciclo no processo. Portanto, uma temperatura da fundição excessiva é penalizada três vezes. Os engenheiros de comissão da Apollo costuma encontrar máquinas herdadas que operam 15 a 25°C mais quentes do que a resina requer, apenas porque um perfil de temperatura foi copiado de uma tarefa sem relação alguns anos antes e nunca revisto.
Aquecimento do cabeçote de rolos e da prensa: tecnologia de aquecimento, isolamento e controle de zonas.
O aquecimento do tambor e da cabeça da matriz geralmente representa de 8 a 15 por cento da potência total da máquina, e é o subsistema em que normalmente se encontram as economias de energia mais baratas em toda a fábrica. Em operação em estado estacionário, a maioria do calor que mantém o fluxo líquido à temperatura é, na verdade, gerado pelo atrito viscoso do parafuso, não pelos aquecedores. O trabalho real dos aquecedores em estado estacionário consiste em substituir o calor perdido com o ambiente, e boa parte dessa perda é evitável.
Heater technologies compared
aquecedores de banda de mica são a escolha tradicional: uma fita de resistência enrolada em isolamento de mica no interior de uma camada de aço. São baratos e universalmente disponíveis, mas o seu contato com o tambor é imperfeito, irradiam livremente da sua superfície exterior e a carga superficial máxima é limitada. Os aquecedores de banda cerâmicos colocam a bobina de resistência dentro de tijolos de cerâmica com uma camada isolante por detrás, o que direciona mais calor para dentro e permite temperaturas de operação mais elevadas com maior vida útil. Os aquecedores de alumínio e bronze fundido conseguem um contacto térmico excelente pois são fundidos em torno do elemento e podem integrar passagens de refrigeração, o que os torna atraentes para zonas que precisam tanto deaquecimento como de resfriamento rápido.
Aquecedor a halogéneo infravermelhos transfer energy primarily by radiation at short wavelengths rather than by conduction. They reach operating temperature very quickly and respond fast to control signals, which reduces overshoot and shortens start-up. Their limitation is that radiant transfer depends on the emissivity and cleanliness of the target surface, so performance can drift as the barrel surface oxidises.
As peças de aquecimento por indução adotam uma abordagem fundamentalmente diferente. Em vez de aquecer um elemento externo e conduzir o calor para dentro, uma bobina de indução gera correntes de bruma diretamente na parede do cilindro de aço. Como o próprio cilindro se torna a fonte de calor, não há perda de interface entre o elemento e o cilindro e a superfície externa da peça de aquecimento por indução mantém-se comparativamente fria. As reduções relatadas no consumo de energia de aquecimento em relação às elos de mica não isolados são consideráveis, e a peça de aquecimento também funciona como isolamento. O aquecimento por indução também elimina o tipico modo de falha de um aquecedor de elos queimado, não detectado numa zona intermedia enquanto as zonas próximas compensam.
Tabela 4: Comparação das tecnologias de aquecimento do tambor e da cabeça de matriz
| Método deaquecimento. | Classe de eficiência de transferência de calor | Velocidade de aquecimento | Perda de superfície sem isolamento | Vida útil do serviço | Custo relativo |
|---|---|---|---|---|---|
| Aquecedor de banda de mica. | Baixo | Medium | Materiais de alta qualidade | Short to medium | Baixo |
| aquecedor de banda cerâmica | Medium | Medium | Medium | Long | Medium |
| Aquecedor de alumínio fundido com passagens de refrigeração | As máquinas completamente elétricas substituem o poder unitamente hidráulico completamente por servodrives e mecanismos de movimento de pinos de ventilação e dobradiças de prensagem, carruagens e pinos de ventilação. Sem óleo, sem válvulas de alívio e sem refrigerador de óleo, as perdas de espera se aproximam de zero, e o treino de tração converte a entrada elétrica em trabalho mecânico com a maior eficiência de qualquer arquitetura discutida nesta sessão. A Série Completo Elétrica da Apollo cobre recipientes de 200 ml a 20 l e é especificada com frequência para aplicações farmacêuticas, médicas e quimicas diárias de alta pureza, nas quais os riscos de contaminação por óleo são inaceitáveis. | Medium | Medium | Long | Materiais de alta qualidade |
| Aquecedor a halogéneo infravermelho | Materiais de alta qualidade | Muito rápido. | Medium | Medium | Materiais de alta qualidade |
| Capa de aquecimento por indução. | Muito alta | Rápido | Baixo (cobertor é isolado por design) | Muito longo | Very High |
Casacos de isolamento: a medida de maior retorno na máquina
A montagem de casulos de isolamento removíveis em cima dos aquecedores de banda do cilindro, adaptador e cabeça de matriz reduz as perdas de superfície radiantes e convectivas em cerca de 20% a 40%. O número exato depende da temperatura de fusão, da velocidade do ar ambiente ao redor da máquina e da proporção da área de superfície que pode ser coberta. Temas mais altas de fusão e layouts de instalações com ventilação forçada aumentam a economia de energia.
Três pontos práticos determinam se a medida é eficaz. Em primeiro lugar, as capas devem ser removíveis e corretamente ajustadas, de modo que o acesso à manutenção dos termopares, terminais do aquecedor e alteradores de tela não seja comprometido; as capas que impedem a manutenção são removidas e nunca recolocadas. Em segundo lugar, a cabeça da matriz é frequentemente a área mais valiosa a isolar porque opera a altas temperaturas, com uma grande superfície exposta e, ao contrário do cilindro, não recebe contribuição de calor resultante da fricção. Em terceiro lugar, a isolação reduz a carga térmica que chega ao gabinete elétrico da máquina e ao ar ambiente, o que, em fábricas climatizadas, proporciona uma segunda economia indireta.
Controle de zona, posicionamento do termopar e autoajuste PID
A qualidade do controle é tão importante quanto o hardware dos aquecedores. Um ciclo de PID mal ajustado que oscila em torno do ponto de ajuste desperdiça energia em duas direções: os aquecedores ultrapassam, e os ventiladores de refrigeração funcionam para reduzir a temperatura. Cada kilowat hora gasto nesse ciclo é completamente desperdiçado. Os controladores PID modernos de autoajuste, com rotinas de autoajuste, eliminam a maior parte desse desperdício, identificando individualmente as características térmicas de cada zona.
O posicionamento do termopar é mais importante que a maioria dos operadores percebe. Um termopar em um poço superficial responde à temperatura da superfície do aquecedor, em vez da temperatura da fusão, fazendo com que o controlador desliga os aquecedores prematuramente e, em seguida, corrija o valor em excesso. Os termopares de poços profundos poscionados para detectar a parede do tambor próximo à superfície da fusão fornecem um sinal mais fiel e geram um controle mais estável e com menor consumo de energia. A Apollo especifica termopares de poços profundos zone-by-zone com autoajuste independente em todas as máquinas da Série ABLB e ABLD.
Por último, considere a sequenciamento da partida. O acionamento simultâneo de todas as zonas ao ponto de ajuste cria um pico de demanda simultâneo de grande amplitude, o que pode desencadear encargos de demanda na tarifa de eletricidade da unidade. Uma rotina de arranque em etapas de imersão e gradual, na qual as zonas se aquecem em uma sequência controlada com um período de imersão para permitir que o calor se distribua através da parede do tanque, suaviza o pico de demanda e reduz o risco de tensão térmica no tanque e no parafuso.
Ar comprimido: O custo de energia mais subestimado na moldeamento por sopro.
O ar comprimido é a utilidade mais cara por unidade de energia entregue em qualquer planta de moldagem por sopro, sendo também a mais provável a ser desperdiçada. A geração de ar comprimido é inherentemente ineficaz: apenas uma fração da energia elétrica fornecida a um compressor acaba como trabalho pneumático útil, com o resto rejeitado como calor. Cada fuga, cada barra de pressão desnecessária e cada metro cúbico de ar expelido para a atmosfera, portanto, representa um aumento significativo dos custos elétricos.
Quanta ar uma máquina EBM realmente necessita.
O moldagem por sopro de extrusão utiliza ar comprimido para dois propósitos distintos com requisitos muito diferentes. O ar de descarga incha o parison contra a cavidade do molde e normalmente opera entre 6 e 10 bar, dependendo da geometria do recipiente, do espessamento da parede e do resino. O ar de controle movimenta válvulas, actuadores de pin de sopro, ejectores e transportadores, e raramente precisa de mais de 6 bar.
Um erro comum e caro é executar toda a máquina, e muitas vezes toda a instalação, à pressão mais elevada que qualquer um dos consumidores requer. A potência do compressor aumenta com a pressão de descarga, por isso, cada barra desnecessária impõe uma penalização permanente em todo o ar produzido. A separação do circuito de ar de alta pressão do circuito de ar de controle para aplicações gerais, seja com um amplificador dedicado ou com uma rede de distribuição adequadamente zonificada, é uma das medidas mais eficazes disponíveis para o ar comprimido.
Injeção em duas etapas: pré-injeção e injeção principal
A espuma em fases divididas em duas etapas divide a injeção em uma pré-espuma a baixa pressão que estica delicadamente o parafuso e o posiciona contra a cavidade, seguido por uma espuma principal a alta pressão que finaliza a formação e pressiona o material contra a superfície do molde para obter definição de detalhes e contato de resfriamento. O benefício energético é direto: a maioria do volume do recipiente é preenchida a baixa pressão, e somente a última fase de formação requer pressão plena. A espuma em fases divididas em duas etapas também melhora a distribuição do espessamento da parede e reduz o risco de erupção do parafuso em seções finas, portanto, o argumento de qualidade e o argumento energético indicam a mesma direção.
Sistemas de recuperação do ar aspirado.
No final da fase de choque, o ar dentro do recipiente final continua a estar à pressão total de choque ou perto dela. Em uma máquina convencional, uma válvula de escape simples a descarga para a atmosfera, desperdiçando toda a energia de compressão e gerando um forte pulso de ruído no processo. Um sistema de recuperação do ar de choque, em vez disso, direciona o ar de escoamento por meio de uma válvula de verificação para um receptor de menor pressão, o qual então fornece ar pré-chocado, pneumática da máquina ou é refeed para a etapa intermediária do compressor.
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.
Projeto de detecção de vazamentos e distribuição
A perda é o imposto silencioso na ar comprimida. Nas instalações que nunca realizaram um programa sistemático de detecção de perdas, as perdas costumam representar uma fracção substancial da produção total de ar comprimido, e, como as perdas funcionam 24 horas por dia, incluindo fins de semana e paradas, elas consomem energia quando não há nenhuma produção acontecendo. O equipamento de detecção ultrassônica de perdas identifica as perdas por sua sinais caracteristicamente de alta frequência, permitindo que um técnico avalie toda a instalação durante a operação normal sem interromper nada. Uma pesquisa trimestral com detecção de perdas utilizando equipamento ultrassônico e acompanhamento de reparos úteis é uma das medidas energéticas de retorno mais elevado e de investimento mais baixo disponíveis para qualquer conversor.
A questão do projeto de distribuição é quase tão importante. Tubulações insuficientes provocam uma queda de pressão, o que os operadores normalmente compensam aumentando a pressão de descarga do compressor, penalizando todo o sistema. Um anel de distribuição devidamente dimensionado, uma capacidade de recepção local adequada perto da máquina para bufferizar a demanda por vácuo pulsado, e conexões finais curtas e generosamente dimensionadas, permitem que o compressor funcione no ponto de ajuste mais baixo possível. Receptores locais são particularmente importantes na moldagem por vácuo porque o perfil de demanda é fortemente pulsado; sem bufferização, o compressor observa quedas repetidas de pressão e executa ciclos desnecessários.
Tabela 5: Medidas de ar comprimido para máquinas de EBM
| Medir a temperatura do produto. | Efeito na energia do ar comprimido. | Benefício secundário | Investimento relativo |
|---|---|---|---|
| Detecção e reparação a cada trimestre por ultrasons | Grande redução, com repetição. | Estabiliza a pressão do sistema | Baixo |
| Separe o ar de choque e controle os níveis de pressão do ar | Redução moderada a grande | Maior vida útil da válvula e da junta | Baixa a média |
| Sequenciamento de pré-ventos de dois estágios, mais o principal vácuo | Redução moderada | Melhor distribuição do espessamento da parede. | Baixo |
| Sistema de recuperação do ar de descarga (25-50% de recuperação). | Grande redução | Redução significativa do ruído | As máquinas completamente elétricas substituem o poder unitamente hidráulico completamente por servodrives e mecanismos de movimento de pinos de ventilação e dobradiças de prensagem, carruagens e pinos de ventilação. Sem óleo, sem válvulas de alívio e sem refrigerador de óleo, as perdas de espera se aproximam de zero, e o treino de tração converte a entrada elétrica em trabalho mecânico com a maior eficiência de qualquer arquitetura discutida nesta sessão. A Série Completo Elétrica da Apollo cobre recipientes de 200 ml a 20 l e é especificada com frequência para aplicações farmacêuticas, médicas e quimicas diárias de alta pureza, nas quais os riscos de contaminação por óleo são inaceitáveis. |
| Receptor local dimensionado para a demanda de sopro pulsado | Redução moderada | Menos ciclos de carga/descarga do compressor. | Baixo |
| Recuperação de calor do compressor para a água quente da instalação | Não há alteração no consumo de energia do ar; compensa o combustível de aquecimento | Reduz a carga do boiler | Medium |
Eficiência de refrigeração e chiller do moldo
O resfriamento do molde consome de 6 a 12 por cento da energia relacionada à máquina e, ao mesmo tempo, controla o tempo de ciclo, o que torna este subsistema o único em que a otimização da energia e a otimização da produtividade podem entrar em conflito. Água mais fria abrevia o tempo de resfriamento e aumenta a produção, mas a produção de água mais fria custa disproporcionalmente mais energia dos resfriadores. A resposta correta não é a água mais fria possível; é a temperatura mais alta do líquido que ainda atinja o tempo de ciclo e a estabilidade dimensional exigidos.
Temperatura da água e coeficiente de desempenho das caixas de frio
A eficiência do refrigeração é descrita pelo seu coeficiente de desempenho, a razão da energia elétrica consumida e do calor removido. O coeficiente de desempenho aumenta significativamente conforme a temperatura do ponto de referência da água refrigerada sobe, uma vez que o ciclo de refrigeração tem menos subida de temperatura para superar. Como regra de fígado amplamente utilizada na refrigeração industrial, cada grau Celsius de elevação da temperatura do evaporador melhora a eficiência da unidade de refrigeração em algumas por cento.
Muitas aplicações de moldagem de injeção a bica de moldagem em HDPE e PP recorrem a água de resfriamento de moldes com temperatura entre 8 e 15 °C. Muitas instalações definem predefinidamente o extremo inferior dessa faixa devido a uma atitude generalizada que era adotar esta temperatura. Na prática, a geometria do recipiente, o espessamento da parede e a cristalinidade da resina determinam o que de facto é necessário. Os recipientes industriais de paredes espessas beneficiam verdadeiramente de uma água mais fria. Os frascos de paredes finas costumam resfriar-se adequadamente a 12 a 15 °C, e a diferença de potência do refrigerador entre 8 e 14 °C ao longo de todo um ano é considerável. O risco de resfriar demasiado não é apenas energético: abaixo do ponto de condensação local, forma-se condensação nas superfícies dos moldes e nas linhas de resfriamento, com o que surgem defeitos na superfície do recipiente e corrosão no molde.
Refrigeração livre e trocadores de calor de placas.
O refrigeração gratuita, às vezes denominada operação economizadora, utiliza as condições ambientais para eliminar o excesso de calor do processo sem acionar o compressor. Quando a temperatura do termómetro húmido exterior é suficientemente baixa, uma torre de refrigeração ou um resfriador de ar seco pode produzir água suficientemente fria para servir o processo diretamente através de um trocador de calor com placa, com o resfriador mecânico parado ou a funcionar em carga parcial. Em climas temperados, isso pode cobrir uma parcela significativa das horas de refrigeração anuais; em climas frios, pode cobrir a maior parte do inverno.
Um trocador de calor entre o circuito da torre de refrigeração e o circuito de processo fechado é fundamental para esta configuração. Ele mantém a água da torre aberta, com seu oxigênio dissolvido, carga biológica e partículas suspensas, separada do ciclo limpo que alimenta os moldes. Sem essa separação, os canais de refrigeração dos moldes ficam rapidamente entupidos, a transferência de calor é comprometida, os tempos de ciclo prolongam-se e a fábrica perde muito mais do que o ar frio que pode ser utilizado.
Canais de refrigeração conformais e projeto térmico do molde
O design do canal de refrigeração no molde determina a eficácia com que a água realmente remove o calor. Os canais convencionais perfurados retos são limitados pela geometria da perfuração e, muitas vezes, deixam pontos quentes nos manijas, nas terminações do pescoço, nas zonas de acabamento e nas esquerdas da base. Os canais de refrigeração conformacionais, produzidos pela manufatura aditiva ou pela fabricação do molde a partir de camadas coladas, seguem o contorno da cavidade em um deslocamento constante. O resultado é uma extração mais uniforme de calor, menos pontos quentes, um tempo de resfriamento mais curto e uma redução da deformação.
O resfriamento conformal comporta um custo relativo elevado em ferramentas de moldes e não é justificado para todos os trabalhos. Tornou-se econômico em moldes de grande volume e de execução longa, em que uma redução do tempo de ciclo, mesmo que seja de uma fração de segundo, se acumule em uma produção anual significativa, e em que a formação de ondulações ou a variação de contração historicamente causou o descarte de peças. Para moldes em pequeno volume ou com mudanças frequentes, os canais convencionais, acompanhados de uma atenção minuciosa às velocidades de fluxo turbulento, fornecem a maior parte dos benefícios a uma fração do custo.
Bomba e controle de fluxo
As bombas de água de refrigeração são muitas vezes a carga esquecida. Uma bomba de velocidade fixa dimensionada para as piores condições do molde opera a plena potência, independentemente de quantas estações estejam ativas ou qual o molde está instalado. A instalação de uma unidade de variação de velocidade com controle de pressão diferencial permite que a potência da bomba siga a demanda real e, como a potência da bomba varia aproximadamente com o cubo do fluxo, mesmo uma modesta redução do fluxo produz uma grande redução de potência. Além disso, é importante garantir que o fluxo em cada circuito permaneça turbulento em vez de laminar; o fluxo turbulento transfere calor várias vezes mais efetivamente, portanto, um fluxo ligeiramente maior no circuito certo pode reduzir o tempo de resfriamento muito mais do que um fluxo mais elevado distribuído indiscriminadamente por todos os circuitos.
Medindo o que você economiza: monitoramento de energia, kWh/kg e ISO 50001
Nenhuma medida de economia de energia deve ser implementada sem um meio de verificá-la, pois as economias não medidas tendem a desaparecer. O medição de energia por equipamento é a base de qualquer programa de energia creditável, e é barata em comparação a quase todas as outras medidas discutidas neste artigo.
Medição por máquina e os indicadores certos
Um medidor de energia trifásico instalado no principal desligamento da máquina e que registra a energia ativa, a energia reativa, o fator de potencia e a energia acumulada a intervalos curtos, converte energia a partir de um item abstrato do nível da fábrica em um parâmetro operacional no qual um supervisor de turno pode agir. Depois que esses dados existem, dois indicadores fazem a maior parte do trabalho útil.
O consumo específico de energia em kWh por quilograma normaliza-se em relação ao peso da peça e é o indicador correto para comparar a eficiência da máquina, as configurações da engrenagem e as alterações da resina. A energia por mil peças, expressa em kWh por 1.000 pcs, é o indicador correto para cotações comerciais e para relatórios de carbono de clientes, pois os clientes compram recipientes, não quilogramas. Uma fábrica deve acompanhar ambos os valores. Uma alteração que melhora o kWh/kg, mas piora o kWh por 1.000 pcs geralmente significa que o peso da peça se elevou, o que é um problema de custo da resina escondido dentro de uma métrica de energia.
Vincular a energia à OEE.
Os dados energéticos se tornam muito mais poderosos quando sobrepostos à eficiência global dos equipamentos. A razão é simples: uma máquina aquecida, pressurizada e que está a operar o seu extrator, mas que não produz contêineres comercializáveis, consome uma grande fração da sua potência de produção completa sem produzir nada. Estados inativos e não produtivos consomem tipicamente uma parcela considerável da potência ativa, dado que os aquecedores, a hidráulica e o refrigerador permanecem ativos.
Isto significa que as perdas de disponibilidade acarretam uma penalização energética que nunca aparece em um cálculo convencional de OEE. A plotagem de kWh consumidos contra peças boas produzidas, hora por hora, expõe exatamente quais turnos, quais mudanças e quais modos de avaria são os mais caros. Em muitas instalações, esta análise revela que a única oportunidade de economia de energia não é uma atualização da tecnologia, mas a eliminação da ativação prolongada durante as mudanças e os holdeurs de qualidade.
Quadros de normas
A ISO 50001 fornece o marco do sistema de gestão para energia: política, referências, indicadores de desempenho energético, planos de ação e análise de gestão. A ISO 50006 fornece orientações práticas sobre o estabelecimento de referências e indicadores, onde a maioria das plantas tem dificuldades. A certificação não é necessária para obter benefícios; a adoção da disciplina de referências e indicadores por si só produz a maior parte do valor.
Do lado das máquinas, a EUROMAP 60.1 e 60.2 definem procedimentos de medição padronizados e condições de referência para o desempenho energético das maquinariaes plásticas, o que torna os comparativos entre os fornecedores significativos. Sem uma fronteira de medição comum e um ciclo de referência definido, os valores de consumo citados por diferentes fornecedores não são comparáveis. A IEC 60034-30-1 regula a classificação da eficiência dos motores, e os compradores devem especificar explicitamente a classe IE exigida no formulário de compra, em vez de aceitar o que inclua a configuração padrão do fornecedor. A conformidade com a directiva das máquinas, com a EN 422 a tratar especificamente da segurança das máquinas de moldagem por sopro, continua a ser uma exigência separada e não deve ser confundida com o desempenho energético.
Construindo uma base defensível
Uma referência inicial só é útil se levar em conta as variáveis que legitimamente afetam o consumo de energia. Essas variáveis incluem a mistura de produtos, a classe da resina e a taxa de fluxo de fusão, a relação de reforma, a temperatura ambiente e as horas de operação. Uma referência inicial baseada numa única semana de produção no verão fará com que todos os meses do inverno pareçam uma melhoria. A Apollo recomenda a estabelecimento de referências durante pelo menos um ciclo completo de produção que abarque a mistura normal de produtos da usina, expressa como um índice com o período de referência definido em 100 pontos de indice, e o acompanhamento mensual da diferença, aplicando uma normalização da mistura de produtos.
A estrada realista para a modernização de economia de energia no Apollo
A ordem correta de implementação é tão importante quanto as próprias medidas, pois as conquistas iniciais de baixo custo financiam melhorias posteriores de alto custo e porque a medição deve preceder o investimento. A estrada apresentada abaixo é a sequência que os engenheiros da Apollo recomendam para os clientes que operam máquinas de moldagem por injeção a frio existentes, sejam essas máquinas da Apollo ou de outro fornecedor.
Tabela 6: Medidas de economia de energia da EBM, classificadas por prioridade
| Medir a temperatura do produto. | Economia no subsistema afetado | Eficiência no consumo total de energia da máquina | Diferença na implementação. | Investimento relativo | Classe de retorno |
|---|---|---|---|---|---|
| Programa de deteção e reparação de fugas de ar comprimido | 10–30% | 1–4% | Fácil | Baixo | Curto |
| Casacos de isolamento de barril e cabeça de matriz | 20–40% | 2–5% | Fácil | Baixo | Curto |
| Medição de energia por máquina e painel de controlo | Medida permitida | 3–8% via alteração de comportamento | Fácil | Baixo | Curto |
| Revisão do perfil de temperatura da fusão e autoajustamento do PID. | 5–15% | 2–6% | Fácil | Baixo | Curto |
| Ponto de temperatura do águas de resfriamento elevado dentro dos limites do processo | 8–20% | 1 a 3% | Fácil | Baixo | Curto |
| Interligações de equipamento auxiliar (triturador, transportador, carregador) | 20–40% | 1–2% | Fácil | Baixo | Curto |
| Sequência de pré-carga e inflação principal em duas etapas | 10–25% | 1 a 3% | Moderado | Baixa a média | Curto |
| Motoras de velocidade variável em bombas de água de refrigeração | 25 a 45% | 1 a 3% | Moderado | Medium | Medium |
| Sistema de recuperação do ar de descarga. | 25–50% | 2–6% | Moderado | As máquinas completamente elétricas substituem o poder unitamente hidráulico completamente por servodrives e mecanismos de movimento de pinos de ventilação e dobradiças de prensagem, carruagens e pinos de ventilação. Sem óleo, sem válvulas de alívio e sem refrigerador de óleo, as perdas de espera se aproximam de zero, e o treino de tração converte a entrada elétrica em trabalho mecânico com a maior eficiência de qualquer arquitetura discutida nesta sessão. A Série Completo Elétrica da Apollo cobre recipientes de 200 ml a 20 l e é especificada com frequência para aplicações farmacêuticas, médicas e quimicas diárias de alta pureza, nas quais os riscos de contaminação por óleo são inaceitáveis. | Medium |
| Retrofitação de unidade hidráulica servoeletrônica | 15–40% | 3–8% | Difícil | Materiais de alta qualidade | Medium |
| Refrigeração livre com trocador de calor de placa | 30–70% sazonal | 2–6% annualised | Difícil | Materiais de alta qualidade | Medium |
| Jóias de aquecimento por indução no bico e na cabeça do moinho. | 30–60% | 3–7% | Difícil | Very High | Médio a longo prazo. |
| Actualização do motor do extruder PMSM a IE4/IE5 | 8–18% | 4–10% | Difícil | Very High | Médio a longo prazo. |
| Conversão de parafusos de barreira e tambor de alimentação ranhudo | 10–25% | 5–14% | Difícil | Very High | Medium |
| Reposição por máquina totalmente elétrica | Mudança na arquitetura da máquina inteira | 15–30% | Projeto. | 1 | Long |
Como ler o plano de ação
Observação: os porcentagens das duas colunas seguintes não são aditivas. Uma vez que as jupas de isolamento reduziram as perdas de aquecimento, uma reforma do aquecimento por indução subsequente fornece um benefício incremental inferior ao que sugere o valor isolado da tabela. O mesmo vale para o ar comprimido: após a reparação de fugas e a ajustação da pressão, um sistema de recuperação de ar arrefecido opera a partir de uma base menor. Assim, a sequência tem consequências financeiras reais, e as medidas baratas devem ser sempre as primeiras, tanto porque financiam as mais caras como porque estabelecem a base reduzida contra a qual as mais caras devem ser justificadas.
Notemos ainda que as medidas que apresentam o maior impacto total sobre as máquinas, a conversão do parafuso e do cilindro e a atualização do motor PMSM, são aquelas que se destinam à extrusora. Isso segue diretamente da Tabela 1. Uma fábrica que já concluiu todas as medidas simples e ainda precisa de uma transformação radical, acabará por recorrer a esta medida.
Como os engenheiros da Apollo reduzem o consumo de energia em todas as séries.
Apollo, uma fábrica da Wanplas, incorpora o desempenho energético na máquina desde a fase de especificação, em vez de o tratar como uma listagem de acessórios opcionais, pois a retroativização eficiente é, sempre, mais cara do que a construção do item. Com dez séries e mais de oitenta modelos que abrangem recipientes de 200 ml a 1500 l, a configuração específica difere conforme a aplicação, mas a filosofia de engenharia subjacente é coerente em toda a gama.
Série ABLB, 200 ml a 20 l
A série ABLB compreende oito tipos de máquinas que abrangem os tamanhos de recipientes que dominam o sector da embalagem de alimentos e bebidas, produtos químicos diários e medicamentos. Como estas máquinas possuem ciclos rápidos e altas horas anuais, a Apollo prioriza as medidas que aumentam proporcionalmente ao número de ciclos: unidades de energia servocomandada para os circuitos de fixação e transporte, seqüenciamento pré-espumação em dois estágios e espumação principal como padrão, cabeças de moldagem isoladas e termocouplete de poço profundo com ajuste automático independente da zona. Os convertidores de extrusora são especificados com controle por injetor de corrente à taxa IE3 como padrão, com conversores magnetorretróficos de série permanente à taxa IE4 disponíveis quando o ciclo de utilização do cliente o justifique.
Série ABLD, 20l a 1500l
A série ABLD abrange recipientes de grande capacidade, tambores industriais, recipientes intermediários em grande volume de produtos químicos e peças técnicas de grande tamanho. Essas máquinas apresentam características energéticas fundamentalmente diferentes: os ciclos são longos, as forças de fixação são elevadas e a fase de retenção durante o resfriamento domina o ciclo. Este perfil é exatamente onde a tecnologia servo-hidráulica proporciona o seu máximo beneficio relativo, pois uma bomba de deslocamento fixo estaria escoando o fluxo através de uma válvula de descarga durante a maior parte de cada ciclo. A dimensionação do acumulador é considerada tanto uma decisão energética como uma decisão de processamento, uma vez que um acumulador devidamente dimensionado permite que uma bomba mais pequena atenda a uma grande demanda pico.
Totalmente elétrica Series, 200ML to 20L
A Série TOTALMENTE ELETRICA elimina completamente a unidade de energia hidráulica. Para clientes que produzem recipientes farmacêuticos, embalagens médicas ou garrafas químicas de alta pureza, a ausência de óleo hidráulico remove uma via de contaminação que nenhuma disciplina de manutenção consegue encerrar totalmente. O argumento de energia é igualmente forte para instalações com altos tarifas de eletricidade e operação em três turnos, em que o consumo quase-nulo em standby se acumula durante milhares de horas anuais. A Apollo considera a Série TOTALMENTE ELETRICA como a escolha recomendada quando o volume de recipientes, a frequência do ciclo de produção e os requisitos de limpeza indicam a mesma direção.
Manutenção de materiais e o ecossistema mais amplo do Wanplas
Os requisitos de eficiência energética não param na máquina. As máquinas Apollo processam PE, PP, PVC, PA, PC, ABS, PS, EVA, TPU e PETG, e cada material possui o seu próprio perfil energético. O HDPE de alto peso molecular e baixa taxa de fluxo de fusão exige mais torque e beneficia-se mais dos bicos de alimentação canelados. O PVC exige baixo corte e um rigoroso controle térmico para evitar a degradação, o que significa que a qualidade do controlo de aquecimento é mais importante do que a potência bruta do aquecedor. O PC e o PA exigem uma secagem exaustiva, e o próprio secador torna-se um significante consumidor de energia, pelo que secadores desumidificadores controlados em função da temperatura de neblina e com regeneração baseada na demanda merecem ser especificados.
Quando o convertidor executa uma regrande significativa, o triturador e o sistema de transporte tornam-se parte do quadro energético e a consistência da lamela afecta diretamente o consumo específico de energia do extrusor. Para instalações que escalam para um reciclado completo em circuito fechado, a fábrica da Wanplas Polyretec fornece linhas de lavagem e pelletização e a fábrica Wanplas Kerke fornece extrusores paralelamente co-rotação de dois elípticos para a composição e o granulação do material recuperado, convertendo-o em matéria-prima homogénea de baixa variabilidade. Uma matéria-prima homogénea é, em si mesma, uma medida de energia, já que uma densidade volumétrica estável e a taxa de fluxo da mistura permitem que o extrusor de moldagem a ar funcione num ponto de funcionamento constante e optimizado, em vez de corrigir continuamente.
Início de atividade, verificação e apoio
A Apollo testa as máquinas na sua fábrica de 8.000 metros quadrados, em Zhangjiagang, antes do envio, com engenheiros disponíveis para a instalação e comissionamento no local. A verificação de energia durante a comissionamento é simples e deve ser solicitada como parte do protocolo de aceitação: registre a energia associada às máquinas durante uma produção definida ao nível do fluxo contratual, calcule os kWh/kg e kWh por 1.000 unidades, e registre os valores como a base de partida da máquina em 100 pontos de índice. Essa base se torna, em seguida, a referência para toda a vida útil da máquina, tornando a degradação futura imediatamente visível.
Na marca Wanplas, o compromisso comum inclui a personalização das máquinas para moldes e tensão, instalação no local por engenheiros, monitorização do estado de utilização, inspeção na fábrica antes do envio, uma prorrogação anual gratuita de peças de reposição, garantia de transporte, garantia de capacidade de produção e garantia de padrões de qualidade. Fornecedores concorrentes, incluindo Bekum, Kautex Maschinenbau, Uniloy, Graham Engineering e Automa, oferecem seus próprios pacotes de energia, e os compradores devem compará-los numa base comum de medição, em vez de nos clamores dos vendedores. As condições de referência definidas no EUROMAP 60.1 e 60.2 existem exatamente para esse fim.
Perguntas Frequentes
Quanta eletricidade utiliza uma máquina de moldagem por sopro manutenção a frio típica por cada quilograma de produto produzido?
Uma máquina de HDPE de uma só estação bem configurada, que produz recipientes de 5L, consome normalmente entre 0,55 e 0,95 kWh por quilograma de produto acabado medido na fronteira da máquina, incluindo a justegador da extrusora, a hidráulica, o aquecimento do cilindro e o pneumatismo montado na máquina. Só a extrusora representa geralmente 0,25 a 0,45 kWh/kg desse total. Máquinas mais antigas, equipadas com bombas de deslocamento fixo, aquecedores em placa de mica e sem casacos de isolamento, frequentemente consomem mais de 1,2 kWh/kg para peças idênticas. Verifique sempre se o valor fornecido pelo fornecedor inclui utilidades da planta, como a sala de compressores e o refrigerador, pois só isso pode alterar o número em mais de 20%.
Uma máquina EBM servo-hidráulica realmente economiza de 15 a 40% de energia?
Esse interval aplica-se especificamente à unidade de poder hidráulica, e não à máquina em sua totalidade. Como a unidade de poder hidráulica representa aproximadamente 10 a 20 por cento da potência total da máquina em moldagem por sopro de extrusão, uma retrofit servo-hidráulica geralmente produz uma redução de 3 a 8 por cento no consumo total da máquina. As máquinas com longas fases de retenção, grandes cabeças acumuladoras ou ciclos lentos estão no ponto mais elevado, porque a bomba convencional, de outro modo, estaria despejando o fluxo durante a maior parte do ciclo. As máquinas de pequeno tamanho, que ciclo rápido, estão no ponto mais baixo.
Quando uma máquina de moldagem por injeção a frio totalmente elétrica faz mais sentido do que servo-hidráulica?
A moldagem por extrusão totalmente elétrica é a mais adequada para recipientes de 200ml a cerca de 20l, ciclos grandes, ambientes de salas limpas ou farmacêuticos e plantas com tarifas elevadas de electricidade e longas horas de funcionamento ao longo do ano. Acima de cerca de 30l, e especialmente para máquinas de cabeçote acumulatório que produzem grandes tambores industriais, a atuação hidrática ou servo-hidráulica permanece mais prática devido à força de aperto muito alta e às longas distâncias de movimento. O custo relativo do totalmente elétrico é premium, portanto, o caso de negócio depende fortemente das horas de funcionamento anual.
Quanto a escudos de isolamento do barril podem reduzir a energia de aquecimento?
As jaquetas de isolamento utilizadas sobre os aquecedores de banda reduzem normalmente as perdas radiante e convetivas da cuba e da cabeça do matriz em 20 a 40%, dependendo da temperatura do material fundido, do fluxo de ar ambiente e da cobertura. Como o aquecimento da cuba e da cabeça do matriz é aproximadamente de 8 a 15% da energia total da máquina, isso significa uma redução de 2 a 5% no consumo total, com um investimento relativamente baixo e um curto período de amortização. A cabeça do matriz é muitas vezes a área de maior valor a ser isolada porque está quente, possui uma grande área de superfície exposta e não recebe contribuição térmica de torção do parafuso.
O que é um sistema de recuperação de ar e quanta ar ele realmente recupera?
O sistema de recuperação de ar do dilatação captura o ar ainda apressurado liberado do recipiente no final da fase de dilatação e o direciona através de uma válvula de retenção para um receptor de buffer de pressão mais baixa, que alimenta o processo pré-dilatação, as funções pneumáticas da máquina ou a etapa intermediária do compressor. Os índices de recuperação, que variam de 25 a 50 por cento do volume de ar de dilatação, são plausíveis nas máquinas que produzem recipientes maiores em ciclos curtos com pressão de dilatação elevada. O sistema também reduz substancialmente o ruído da máquina, uma vez que o ar a alta pressão não é mais aspirado diretamente para a atmosfera.
Qual a melhor retrofit de economia de energia para se fazer primeiramente numa máquina EBM mais antiga?
Comece com a deteção de fugas de ar comprimido e otimização da pressão, depois com as jaquetes de isolamento para os tambores e cabeças dos moldes, e, por último, com a medição da energia por máquina individual. Todos os três componentes apresentam um investimento relativamente baixo, de fácil implementação e um período de amortização curto. A medição deve ser instalada desde cedo, embora não consiga obter nada diretamente, porque transforma cada medida posterior de uma alegação em um resultado verificado. Só após a implementação dessas bases faz sentido avaliar um conversor hidrostático-servo, um motor extrusor PMSM ou aquecimento por indução.
A execução do recalque altera o consumo de energia de uma máquina EBM?
Sim. OReground tem uma densidade volumétrica menor e uma geometria irregular de partículas em comparação com os pelletes virginos, o que reduz a eficiência da transportação de sólidos na zona de alimentação e pode aumentar o consumo específico de energia em 3 a 10%, no mesmo rendimento. O próprio triturador adiciona uma carga parasita. Tanques de alimentação entalhados, tamanho de flocos consistente e uma relação de reground controlada recuperam a maior parte desse custo. Quando a qualidade do reground varia amplamente, a mistura e a pelotização do material recuperado em uma massa de alimentação consistente, utilizando equipamentos de duas hélices da fábrica Kerke da Wanplas, estabilizam o ponto de operação do extrusor e, muitas vezes, pagam sozinhos, apenas com a redução da variação.
Quais padrões se aplicam à medição do consumo energético de uma máquina de moldagem por sopro?
O EUROMAP 60.1 e 60.2 definem os procedimentos de medição e as condições de referência utilizados para comparar o desempenho energético de máquinas de plásticos numa base equivalente. A IEC 60034-30-1 classifica a eficiência dos motores nas faixas IE1 a IE5, e os compradores devem indicar explicitamente a classe requerida na especificação de compra. A ISO 50001 fornece o quadro do sistema de gerenciamento de energia, com a ISO 50006 a abranger os valores de base e os indicadores de desempenho energético. A segurança das máquinas é regida de forma separada, com a EN 422 a abordar as máquinas de moldagem por sopro sob o quadro CE, e a taxa de fluxo de fusão de resinas é medida por meio da norma ASTM D1238 ou da norma ISO 1133.
Pode realmente elevar a temperatura da água fria poupar energia de forma significativa?
Sim, e é uma das medidas menos caras disponíveis. O coeficiente de desempenho do refrigerador melhoria consideravelmente a cada grau que a temperatura do evaporador aumenta, pois o ciclo de refrigeração tem menos elevação de temperatura para superar. Muitas instalações operam a água de resfriamento da moldagem com 8 °C apenas por hábito, quando 12 a 15 °C atende ao requisito de tempo de ciclo para recipientes de parede fina. O limite é a condensação: a água abaixo do ponto de nevoeiro local causa umidade nas superfícies e nas linhas de resfriamento, resultando em defeitos na superfície e corrosão. Verifique o tempo de ciclo e a qualidade da peça no ponto de ajuste mais alto antes de torná-la permanente.
Conclusão
A tecnologia de economia de energia para máquinas EBM não é uma única característica que pode ser marcada numa ordem de serviço. Trata-se de uma disciplina de engenharia estratificada que começa por saber para onde vai a energia, continua introduzindo melhorias em cada subsistema de acordo com a sua parte, e depende inteiramente da medição para confirmar que a economia é real e duradoura.
As evidências obtidas em toda a base instalada da Apollo apontam para uma hierarquia clara. A unidade de acionamento do extrusor – que representa entre 45% e 60% da potência total da máquina – é onde estão os maiores ganhos absolutos, acessíveis através das classes de motores IE4 e IE5, da geometria do parafuso de barreira, dos tambores de alimentação fim-groovados e da gestão disciplinada da temperatura da mistura. A unidade de energia hidráulica, que representa entre 10% e 20%, responde forte ao controle por servo, precisamente porque seu ciclo de operação é tão intermitente, proporcionando reduções de 15% a 40% neste subsistema. O aquecimento do tambor e o ar comprimido juntos representam uma participação comparável e são muito mais baratos de ser abordados, com jaquetes de isolamento que reduzem as perdas de superfície em 20% a 40% e a recuperação de pressão do ar fornece 25% a 50% do volume de ar que foi comprimido. O resfriamento do molde encerra o ciclo, onde a elevação do ponto de referência da água e o resfriamento livre proporcionam economias que custam quase nada de ser implementadas.
A recomendação prática permanece inalterada, independentemente da marca ou da idade da máquina. Instale primeiramente a medição de energia por máquina. Retifique os vazamentos de ar comprimido e isole o cilindro e a cabeça da matriz, pois são upgrades de baixo investimento, fáceis de implementar e com curto período de retorno. Estabeleça os indicadores de kWh/kg e kWh por 1.000 peças em relação a um nível de base de 100 pontos de índice, ligue-os aos dados de OEE para que o tempo de inatividade seja visível, e só então se comprometa com as melhorias de alto e muito alto investimento que abrangem a extrusora e a hidráulica.
A Apollo, uma fábrica da Wanplas com mais de vinte anos de experiência em extrusão e moldagem por sopro e mais de 4.000 máquinas em operação em mais de 90 países, especifica essas medidas para a Série ABLB, a Série ABLD e a Série Completamente Elétrica. Os compradores que estão a considerar novas capacidades deverão solicitar os valores de energia da máquina medidos nas condições de referência EUROMAP, especificando claramente a classe do motor IE e incluindo uma verificação de energia no protocolo de aceitação. Uma máquina escolhida sob esses termos continuará a ser rentável muito depois de uma máquina escolhida apenas pelo preço de compra ter se tornado o ativo mais caro do armazém.
