Технология экономии энергии для машин EBM перешла из маркетингового bullet point'а в жесткий коммерческий критерий. Для большинства заводов по литью под давлением электроэнергия стала вторым по величине контролируемым расходом после смолы, а в регионах с высокими тарифами или обязательствами по сообщению о CO2 она является линией расхода, которая растет наиболее быстро. Один экструзионно-формирующий пресс, работающий в три смены на бутылки для воды из HDPE, может потреблять в год больше электричества, чем весь офисный комплекс с аналогичной платной поверхностью. Однако, правильно специфицированный пресс может обеспечивать тот же результат при значительно меньшем энергопотреблении.
Apollo, фабрика Wanplas, расположенная в Чанджаяганге недалеко от Шанхая, уже более двадцати лет занимается строительством автоматических литье-формирующих машин, более 4000 комплектов которых работают в более чем 90 странах. На всей этой установленной базе закономерности одни и те же: разница между эффективной машиной и неэффективной редко обусловлена одним прорывным компонентом. Это накопление дюжины целенаправленных инженерных решений, каждое из которых экономит несколько процентных пунктов в различных подсистемах.
В этой статье в деталях рассмотрено, как распределяется энергия в машине для экструзного формования под прессом, затем изучается каждая подсистема одна за другой: привод экструдера, гидравлический блок питания, нагрев барабана и патрона, сжатый воздух и охлаждение форм. В ней объясняется измеримая разница между насосами с фиксированным расходом, регулируемыми насосами, серво-гидравлическими агрегатами и полностью электрическим приводом. Пре рассматриваются микрослойные, керамические, инфракрасные галогенные и индукционные нагреватели на одинаковых основах. Отмечается, какова реальная отдача воздуха, использованного для рекуперации. Статья заканчивается приоритизированной схемой модернизации, которую любое предприятие может применить к машинам, уже стоящим на парке, независимо от того, получают ли они поверки с планки компании Apollo или компаний Bekum, Kautex Maschinenbau, Uniloy или Компания «Грэхем инженеринг» (Graham Engineering).
Всюду энергоэффективность выражается так, как должны это делать инженеры: как расход энергии в киловатт-часах на килограм продукта или тысяч единиц, измеренный в пределах установки. Относительные затраты и окупаемость представлены в качественных диапазонах и индексированных базисных значениях, а не в абсолютных цифрах, поскольку тарифы, таможенные пошлины и местные ставки заработной платы варьируются слишком широко, чтобы какая-либо конкретная цифра была полезной.
Почему потребление энергии в настоящее время является ключевой спецификацией EBM
Потребление энергии больше не является второстепенным параметром в процессе экструзионного литьевого формования; это основной критерий выбора, который напрямую определяет, остается ли линия контейнеров конкурентной в течение десятилетнего срока эксплуатации. Три силы сходятся, чтобы это стало правдой, и ни одна из них не сможет вернуть ситуацию обратно.
Первое измерение – волатильность тарифов. Цены на электричество во многих экспортных регионах стали значительно менее предсказуемыми, чем десять лет назад, а литье под давлением является энергоемким процессом природы. В отличие от стоимости смол, которые часто передаются клиенту посредством индексированных контрактов, стоимость электричества, как правило, полностью поглощается прессами. Машина, доступная с учетом закупочной цены и производительности, может тихо потреблять во время эксплуатации в несколько раз больше затрат на электроэнергию, чем их собственный капитал.
Второй фактор — это регулирующий и основанный на потребностях клиентов учет выбросов углекислого газа. Владельцы брендов в сферах пищевых и напитков, ежедневной химии и фармацевтической упаковки все чаще требують от своих поставщиков упаковки данных о выбросах в соответствии с Спецификацией 3. Эти данные невозможно получить без измерений энергопотребления на единицу оборудования. Предприниматель, который не может представить данные о потреблении киловатт-часов на тысячу единиц для определенного контейнера, находится в невыгодном положении, независимо от того, насколько хорошо смотрятся детали.
Третий фактор — это совершенствование самой технологии. Серво-гидравлические приводы, постоянные магнитно-синхронные двигатели и нагреватели в виде индукционного барабана ещё пятнадцать лет назад были дорогостоящими новинками. Сегодня они стали бесспорными и доступны от многих поставщиков компонентов, что сократило как ценовую разницу, так и технические риски. То, что когда-то было экспериментальным вариантом, сегодня стало принимаемым в проектировании стандартом.
Экономика потребления энергии на единицу продукции
Самый полезным показателем в этом обсуждении является энергопотребление на единицу продукта, измеряемое в кВтч/кг готовой продукции. Он нормализует размер машины, геометрию контейнера и модели смены, позволяя сравнивать линию обработки бутылок объемом 200 мл и линию обработки барабанов объемом 220 л на одной оси. Для хорошо настроенной машины для экструзионного закрытого типа для HDPE потребление энергии на границе машины, как правило, составляет от 0,55 до 0,95 кВтч/кг. Машины, построенные до широкого распространения экструдеров с переменной частотой и систем с закрытым циклом воздуха, часто превышают 1,2 кВтч/кг для тех же деталей.
Этот разрыв примерно в 0,4 кВт·ч/кг кажется незначительным, пока не перемножаете его на годовой общий выработанный объём. Машина, конвертирующая 400 тонн HDPE в год, приносит себестоимость за превышение 0,4 кВт·ч на 0,160 000 кВт·ч в год и не увеличивает объёма производства. Если принять за основу показатель эффективности современной машины 100 баллов, то неэффективная старейшая машина с такой же программой производства находится в диапазоне от 140 до 165 баллов.
Высокие энергетические показатели в экструзионном литье невозможны с помощью одного компонента. Здесь важна системная борьба с шестью подсистемами, каждая из которых, внеся свой вклад от 3 до 60%, увеличивает общую нагрузку машины, и постоянное измерение результатов вместо предположений.
Где же на самом деле уходит энергия: расход энергии машины EBM.
В типичном токарном станке для экструзии и образования втулок высокопрочных полиэтиленов (ПЭ) ёмкостью 5 л энергопривод экструдера составляет наибольшую статью расхода общей мощности, обычно составляет от 45 до 60 %, а затем следует гидравлический привод, нагрев палета и матрицы, компрессорный воздух и охлаждение формоутвердителя. Понимание этого распределения — это предварительное условие для любого рационального энергетического плана, поскольку мы тратим усилия на оптимизацию подсистемы, составляющей лишь 4 % нагрузки, но не можем конкурировать с скромной ее улучшением, если данный показатель составляет 50 %.
Данная разбивка отражает представительную конфигурацию: одиннапостный пресс с одножеканным экструдером диаметром 90 мм, соотношением L/D 25:1, непрерывным экструзированием при помощи однослойной головки формующего инструмента, гидравлической прижимной единицей и контрольным устройством, расположенным на машине. Производительность составляет примерно 60-80 кг/ч HDPE с скоростью кровли примерно 0,3 г/10 мин при 190°С и 2,16 кг, измеренного по стандарту ASTM D1238. Масса контейнера составляет примерно 180-220 г. Температура окружающей среды предположительно равна 25°.
Таблица 1: Распределение энергопотребления в машине EBM для 5-литрового канистра из ПХВ
| Подсистема | Доля от общей мощности машины | Поворотный режим работы | Основные рычаги сбережений |
|---|---|---|---|
| Привод экструдера (мотор, редуктор, винт). | 45–60% | Постоянный, почти постоянный показатель | Мотор IE4/IE5, гребневыжатый шнек, канавка для дозы, поддержка температуры расплава |
| Гидравлическая машина (зажимающий элемент, подвижный элемент, выталкивающий пин, размыкание формовой рамы) | 10–20 % | Очень перерывной, длительные фазы простоя и доживления | Сервоприводный насос, система управления с чувствительностью к нагрузке, блокировка аккумулятора, полностью электрическое привод. |
| Нагрев шнека, адаптера и головки прес-формы | 8–15% | Высокая производительность при запуске, низкий цикл работы в стабильном состоянии | Изоляционные накидки, индукционное или инфракрасное прогревание, самобалансирующаяся система PID, объединение зон |
| Компрессионный воздух (воздух для инжекции плюс пневматика). | 8–15% | Пульсирующее, быстро изменяющееся потребление мощности | Возврат перемещенного воздуха, обнаружение утечек, двухступенчатый предварительный прогрев и основной прогрев, корректировка давления |
| Цикл охлаждения формы и холодильный блок | 6–12% | Постоянная с сезонными колебаниями | Высокий задний заданный уровень воды, свободное охлаждение, теплообменник-плита, насосы с регулировкой частоты вращения |
| Помощные приспособления (дробилка, конвейер, бульдозер, сушилка). | 3–6 % | Повторяющиеся работы, часто в непрерывном режиме | 2, существуют именно для этого. |
Три практических выводов следуют непосредственно из этой таблицы. Во-первых, любая программа энергосбережения, которая игнорирует экструдер, решает менее половины проблемы. Во-вторых, гидравлический узел является подсистемой, в которой разница между средним и пиковым спросом на энергию самая большая, и именно поэтому он наиболее чувствителен к сервоконтролю. В-третьих, совокупная доля в энергопотреблении компрессорного воздуха и нагрева примерно соответствует долей, связанной с гидравликой, и оба аспекта, как правило, проще улучшить.
Регулировка, зависящая от потребностей, наточка лопат резака, транспорт подходящей по количеству
Технология сервогидравлического привода и пределы эффективности насоса.
Гидравлический агрегат — это компонент, в котором разрыв между установленной мощностью и полезной работой максимально велик, что делает его наибольшим эффективным объектом приложения при усилиях инженерии. У процессов экструзионного литьевого формования такая задача имеется в сфере напряжения стыкования, перемещения каретки, толкателя грузил и цилиндров размывания краев. Обычная насосная установка с фиксированным расходом не может различать эти режимы.
Почему насос с фиксированным расходом так раздувает стоимость
Насос с фиксированным расходом, приводимый двигателем постоянного тока с постоянной скоростью, обеспечивает всегда одинаковый расход в течение положении двигателя в работе, независимо от того, что требуется машине. Когда блок зажима закрыт и просто продолжает держать, или когда машина ждет, пока шпиндель достигнет заданной длины, этот расход не может быть использован. Он выпускается через защитный клапан, и вся гидравлическая энергия преобразовывается в тепло в масле. Позже это тепло необходимо удалять с помощью масляного охладителя, который сам по себе потребляет охладительную воду и энергию насоса. Таким образом, предприятие платит двойной сбор: первоначально за производство потраченного потока и затем за удаление создаваемого тепла при помощи масляного охладителя. Осуществление этого требует затрат на охлаждение воды и энергии насоса.
В типовом цикле литья под давлением полезной механической работой занимается лишь небольшая часть всего времени цикла. Остальная часть — это простое ожидание, запасные режимы или «сутки». Это структурная неэффективность, которую удается устранить с помощью сервоприводных технологий.
Насосы с переменным рабочим объемом и сенсором нагрузки
Насос с переменным расходом с системой управления с чувствительностью к нагрузке корректирует угол штока, чтобы обеспечивался поток в соответствии с требованиями и чтобы давление в системе следовало за нагрузкой с небольшим запасом. Это позволяет избежать большинства затоплений через сбросные клапана и является настоящим улучшением в сравнении с насосами с фиксированным расходом. Однако основной двигатель все равно работает постоянно на полную мощность, поэтому убыль потока вследствие трения и давления потери труда в резервном режиме продолжают потреблять энергию даже тогда, когда машина не производит никакой работы. Системы управления с чувствительностью к нагрузке также реагируют более медленно на внезапно образовавшийся дефицит потока, чем хорошо настроенные сервоприводы, потому что шток имеет механическую инерцию.
Сервопривод плюс насос с передаточным числом
Сервопневматический узел сочетает в себе постоянный сервоперемещающий двигатель с насосом с фиксированным рабочим объемом и закрывает замкнутый цикл давления и потока через саму приводную систему. Когда машине требуется поток, двигатель ускоряется, а когда нет, он замедляется или останавливается полностью. Во время стационарных фаз сервопривод снабжает только незначительным потоком, необходимым для компенсации внутренних утечек, поэтому измеренная входная мощность в стационарном режиме уменьшается до небольшой части от рабочей, а не остается на максимальном напоре насоса.
В ходе всего цикла EBM снижение потребления гидропотребления, как правило, варьируется от 15% до 40% по сравнению с исходным значением с фиксированным расходом. То, на каком из этих уровней находится машина, зависит практически полностью от цикла работы. Машина с малой емкостью для сборки мелких контейнеров с короткими интервалами обработки располагается ближе к нижнему пределам, поскольку насос на самом деле загружен большую часть времени. Машина с большим буферным резервуаром для производства труб диаметром 200 литров, в которой зажимное устройство остается в зажатом положении в течение длительного периода охлаждения после каждого цикла, располагается ближе к верхнему пределам.
Сервогидравлические системы обеспечивают три дополнительных преимущества, которые часто более ценны, чем экономия электроэнергии. Температура масла значительно ниже, что увеличивает срок службы уплотнительных элементов и шлангов и снижает нагрузку на систему охлаждения масла. Шум в машине заметно уменьшается, что важно для соблюдения требований на рабочем месте. Кроме того, прецизность управления давлением и потоком улучшается, что стабилизирует программирование пара и распределение толщины стенки.
Полностью электрическое экструзионное формование
Полностью электрические машины полностью заменяют гидравлический привод насоса сервоприводами с тактовыми винтами и рычажными механизмами для фиксации, перемещения полозов и движения ударного штока. Без масла, без реле безопасности и охладителя масла standby-потери близки к нулю, а приводная передача преобразует электрический ввод в механическую работу с наивысшей эффективностью по сравнению с архитектурами, рассмотренными здесь. Линейка полностью электрических машин Apollo охватывает контейнеры объемом от 200 мл до 20 л и чаще всего используется в фармацевтической, медицинской и ежедневной химической промышленности, где риск загрязнения масла неприемлем.
Вопрос о граничных режимах использования бесперебойного электрического привода является важным. Фуллер электрический привод наиболее практичен при коротких и частых перемещениях, большом количестве рабочих часов в год, небольших и средних размерах контейнеров и строгих требованиях к чистоте. Он становится все менее практичным с увеличением объема контейнеров, поскольку обеспечиваемая за счет этому прижатие сила и длина хода приводной штанги и приводной гайки поступают в область, в которой гидравлический привод остается более компактным, более надежным и более экономичным. Для серии ABLD Apollo от 20 л до 1500 литров рекомендуется использовать гидравлический привод с помощью сервопривода.
Table 2: Hydraulic and Drive Architecture Comparison for EBM Machines
| Архитектура привода. | Клас энергопотребления | Скорость реакции | Потребность в обслуживании. | Нагрузка на охлаждение масла | Относительная стоимость капитала |
|---|---|---|---|---|---|
| Насос с фиксированным расходом, двигатель с постоянной скоростью. | Самый высокий расход (базовая величина 100). | Средний уровень | Высокая степень очистки | Высокая степень очистки | Низкий |
| Насос с переменным рабочим объемом с датчиком нагрузки | Moderate (index 78–88) | Средний уровень | Средний – высокий | Средний уровень | Средний уровень |
| Сервомашина с фиксированным гидравлическим насосом (сервогидравлическая система). Применение сервогидравлической системы оправдано в тех случаях, когда циклы работают коротко и часто, количество ежегодных рабочих часов продолжительное, вместимость контейнеров невелика или средняя, а требования к чистоте высоки. С увеличением объема контейнеров эта система постепенно теряет свою практичность, так как при штамповке больших промышленных барабанов необходимая сила зажима и длиной скольжения барабан обгоняет рамки, допустимые для шарикового редуктора и рычажного привода, из-за чего использование сервомашины остается более компактным, надежным и экономичным. Для серии ABLD (20-1500 л) фирмы «Аполло» сервогидравлическая система остается рекомендованной. | Низкий (индекс 60–85) | Быстро. | Средний уровень | Низкий | Высокая степень очистки |
| Двухструйная сервоприводная помпа с независимыми схемами разжигания и зажима | Очень низкая (индекс 55–75) | Очень быстрая работа. | Средний уровень | Низкий | Очень высокая степень жесткости |
| Полностью электрическое (сервопривод с шариковым винтом и тяговым рычагом) | Самый низкий показатель (индекс 50–70) | Очень быстрая работа. | Низкий | Никакое. | Премиум-класс |
Значения индекса указаны только для гидравлической и приводательной энергии и сравниваются с базовым уровнем постоянного объема в 100 индексных единиц в цикл использования 5-литрового канистра. Эти данные не следует рассматривать как показатели рабочей машины в целом. Поскольку гидравлический энергетический блок составляет от 10 до 20% от общей мощности машины, переход от постоянного объема к сервогидравлике обычно ведет к снижению общего расхода на 3-8%, что является достоверным, но отражающим только определенную долю.
Эффективность энергоспоощения экструдера: класс двигателя, геометрия винтов и кВт·ч/кг.
Экструдер – главный потребитель энергии во всех машинах непрерывного экструзии и формования под давлением, поэтому одноразовое улучшение здесь стоит больше, чем десятикратное улучшение в цепи измельчителя. Эффективность экструдера зависит от трёх взаимодействующих факторов: электрической эффективности двигателя и привода, механической эффективности передачи и термодинамической эффективности, с помощью которой винт преобразует работу вала в расплав при необходимой температуре и однородности.
Классы эффективности двигателя по IEC 60034-30-1
В стандарте IEC 60034-30-1 определены классы ефективности IE1-IE5 для линейных асинхронных двигателей переменного тока, и эта классификация является самым ясным инструментом квалификации, доступным покупателю механизмов. Разница между двигателем IE2 и двигателем IE4 или IE5 одинаковой мощности составляет несколько процентов в эффективности, однако эти проценты постоянно действуют при максимальной нагрузке на механизм в течение двадцати четырех часов в сутки.
Стандартный асинхронный двигатель с переменным током, управляемый частотным преобразователем, остается самым распространенным приводом экструдера, и при его спецификации по классу IE3 это совершенно подходящий выбор. Главный подводный камень заключается в том, что коэффициент эффективности асинхронного двигателя снижается при частичной нагрузке и при снижении скорости вращения. Экструдеры часто работают при частоте вращения 50–75% от номинальной, именно в этой области кривые, описывающие коэффициент эффективности асинхронного двигателя, начинают падать, а коэффициент активного сопротивления двигателя снижается.
Постоянно магнитный синхронный двигатель, или ПМСД, ведет себя по-разному. Поскольку полю ротора обеспечивают магниты, а не индуцированный ток, убытки ротора существенно ниже, а кривая эффективности остается неизменной в значительно более широком диапазоне скоростей. Двигатели экструдера с ПМСД обычно достигают IE4, а при больших размерах шасси — IE5. Они также работают охлаждением, что снижает потери вентиляторов двигателя и увеличивает срок службы подшипников и изоляции. В случае конфигурации с прямое приводом ПМСД иногда позволяет полностью исключить редуктор, что исключает еще два-четыре процента потерь трансмиссии.
Геометрия винтов и желобчатые штуцеры подачи
Конструкция шнека определяет, сколько работы вала используется для расплавления полимера, а сколько образует ненужный теплообмен, который впоследствии удаляется с помощью вентиляторов для охлаждения барабана. Обычный одноуступчатый дозирующий шнек полагается на опорно-резистивное течение и перемешивание для расплавления полимера. Шнек-барьер физически отделяет твердую подушку от пула расплава с помощью вторичного уступа, в результате чего полимер расплавляется более равномерно при более низких скоростях перемешивания. Для HDPE и PP хорошо спроектированный шнек-барьер с смесительным участком обычно снижает потребление энергии на единицу массы, а также увеличивает однородность расплава и снижает температуру расплава на несколько градусов.
Шероховатый бункер подачи изменяет физику в противоположном конце винта. Аксиальные канавки, которые изготавливаются в интенсивно охлаждаемой зоне подачи, значительно повышают эффективность транспортировки твердых веществ, поэтому производительность становится намного менее чувствительной к давлению в поршне, а винт может выдавать тот же результат при более низкой скорости. Более низкая скорость винта означает меньшее образование операционного тепла, более низкую температуру расплава, меньшую потребность в охлаждении в дальней части установки и меньшее поглощение энергии на единицу массы. Шероховатые бункеры подачи особенно ценны при работе с HDPE с высоким молекулярным весом и низкой скоростью размягчения, что является именно типом материала, используемого в горловинах для топлива, тубах с химикатами и канистрах.
Коэффициент L/D: 24:1 против 30:1
Соотношение длины и диаметра часто обсуждается как если сам по себе это больше значит лучше. В энергетических терминах это соотношение не является монотонным. Пустотелый барабан с отношением длины и диаметра 24:1 короче, имеет меньшую площадь поверхности для нагревания и воздействует на меньший объем вязкой среды, поэтому при умеренном потоке он может быть более эффективным выбором. Пустотелый барабан с отношением длины и диаметра 30:1 обеспечивает более длительное прохождение, а также лучшие способности к плавлению и смешиванию, что позволяет производить более высокий объем с каждой вращением и лучше обрабатывать регринды и основные пластификаторы. Однако дополнительная длина также увеличивает поверхностные потери тепла, дополнительное потребление крутящего момента и увеличение длины термической клети.
Практические рекомендации Apollo очень просты: для контейнеров из однородного HDPE и PP с незначительным содержанием вторичного сырья оптимальный показатель сочетания составляет 24:1-25:1, что обеспечивает наименьший удельный расход энергии. В случаях, когда рецептура включает значительное количество вторичного сырья, мастера цветных добавок или когда используется многослойная коэкструзия, соотношение 28:1-30:1 оправдано, поскольку альтернатива – затягивание короткого винта сильнее – приводит к образованию большего количества ударов, чем стоимость дополнительной длины барабана.
Таблица 3: конфигурация экструдера и расход энергоресурсов на изготовление HDPE.
| Конфигурация экструдера. | Среднее набор расходов энергии, кВт/кг | Тенденция к температуре плавления | Рекомендуется для |
|---|---|---|---|
| Насос с гладким каналом, обычная метеорологическая скважка, электродвигатель IE2. | 0,40–0,48 | Высокая, обусловленная перемешиванием | Старые установки, низкоемкие режимы работы. |
| Шнек с гладкой трубкой, барьерная гайка с отсеком для смешивания, инверторный двигатель IE3 | 0,33–0,40 | Умеренные | Контейнеры из HDPE и PP универсального назначения. |
| Шнек с рифлями, тормозной винт, привод с инвертором IE3. | 0.29–0.36 | Низкий до среднего уровня | В высоком молекулярном весе HDPE, низких марок MFR |
| Водовод со скошенными бортами, барьерная скважка, двигатель с роторно-статорным переменным магнитным полем класса IE4/IE5. | 0,25–0,32 | Низкий | Трехсменная эксплуатация с высоким нагружением, проекты с приоритетом энергоэффективности. |
| Одно и то же как выше, но с непосредственным приводом (механизм скоростного изменения устранен). | 0,24–0,30 | Низкий | Выбраны размеры машин, где крутящей момент и скорость совпадают напрямую |
Эти цифры отражают энергопотребление экструдера только для HDPE, без учета гидравлики, компримированного воздуха и охлаждения. Они предполагают работу в постоянном режиме при скорости винтов в пределах 70-85% номинальной величины при правильно подобранных профилях температуры плавит. Различные смолы существенно отличаются друг от друга: в целом ПП имеет небольшой запас по сравнению с HDPE, жесткий ПВХ требует низкого уровня истирания и тщательного управления теплом, ПС и ПА нуждаются в более высоких температурах плавления и, соответственно, в более высоком энергопотреблении, а ПЭТГ находится между полиолефинами и техническими жидкотопими смолами.
Одним из часто игнорируемых факторов является соблюдение температурного режима расплава. Каждый дополнительный 10°C ненужной температуры расплава сперва должен производиться за счет крутящего момента двигателя и мощности нагревателя, а затем снова отводиться посредством охлаждения формы, что приводит к увеличению времени цикла. Таким образом, избыточная температура расплава дискриминируется трижды. Инженеры, занимающиеся пуско-наладкой, регулярно обнаруживают, что установки, оборудованные по наследству, работают на 15–25°C теплее, чем требует смола, только потому, что температурный профиль был скопирован с работы, не имеющей с этим никакого отношения, еще много лет назад и никогда не был пересмотрен.
Осуществление нагрева барабана и головки бура: технология нагревателя, изоляция и управление зоной.
Нагрев кобальтовой и дрели обычно составляет от 8 до 15 процентов от общего энергопотребления машины и является подсистемой, в которой обычно найдены самые ощутимые экономии энергии в цехе. В режиме постоянного режима большая часть тепла, поддерживающего расплав в необходимом температурном интервале, генерируется вовсе не нагревателями, а вязким трением от винтов. Реальной задачей нагревателей в режиме постоянного режима является восстановление тепла, отдаваемого в окружающую среду, причем значительная часть этого потерь можно избежать.
Сравнение технологий нагрева
Микориновая ленточная нагреватель – традиционный выбор, его основное преимущество в том, что он является недорогим и широко доступным. Однако его контакт с нагреваемой трубой является несовершенным, он свободно излучает тепло и имеет ограниченную максимальную нагрузку на поверхность. Керамические ленточные нагреватели размещают резистивную ленту внутри керамических блоков, а изоляционный слой направляет тепло внутрь, что позволяет повысить рабочую температуру и увеличить срок службы. Литые алюминиевые и бронзовые нагреватели достигают отличного теплового контакта, будучи отлитыми вокруг нагревателя, а это позволяет встроить охлаждающие каналы.
Инфракрасные галогеновые нагреватели передают энергию в основном методом излучения на коротких волнах, а не с помощью конвекции. Они быстро достигают рабочей температуры и быстро реагируют на сигналы управления, что сокращает превышение и время начала работы. Их недостатков заключается в том, что излученная передача зависит от эмиссионной способности и чистоты целевой поверхности, поэтому производительность может колебаться по мере окисления поверхности ротора.
Системы индукционного нагрева имеют принципово другой подход. Вместо того чтобы нагревать внешний элемент и переносить тепло внутрь, индукционная катушка создает турбулентные токи прямо в стене стального бака. Поскольку сам бак становится источником тепла, отсутствуют потери на границе между элементом и баком, а внешняя поверхность нагревательного кожуха остается относительно холодной. Отмечается существенное снижение энергопотребления в сравнении с неизолированными магнезиевыми нагревательными лентами, а кожух также действует как изоляция. Индукционное нагревательное оборудование также исключает классический способ выхода из строя, когда перегорающая нагревательная лента остается незамеченной в средней зоне, в то время как окружающие районы компенсируют неполадку.
Таблица 4: Сравнение технологии нагрева штуцера и пресс-формы
| Метод нагрева. | Единственный класс эффективности передачи тепла. | Скорость нагрева | Периметральные потери без изоляции | Срок службы. | Относительная стоимость |
|---|---|---|---|---|---|
| Принципиальная схема нагревателя ленты миксы | Низкий | Средний уровень | Высокая степень очистки | Short to medium | Низкий |
| Керамические ленточные нагреватели | Средний уровень | Средний уровень | Средний уровень | Long | Средний уровень |
| Оцинкованный нагреватель из алюминия с охлаждающими проходами. | Средний – высокий | Средний уровень | Средний уровень | Long | Высокая степень очистки |
| Инфракрасный газоотводной нагреватель | Высокая степень очистки | Очень быстрая работа. | Средний уровень | Средний уровень | Высокая степень очистки |
| Нагрев индукционным методом. | Очень высокая. | Быстро. | Низкий уровень шума (крышка топливного бака изначально изолирована) | Очень длинный | Очень высокая степень жесткости |
Изоляционные переходники: это наиболее эффективное решение на машинах.
Монтаж съемных изоляционных кожухов над пластинчатыми нагревателями на цилиндре, адаптере и головке пресса снижает радиационные и конвективные поверхностные потери примерно на 20-40%. Точный уровень зависит от температуры расплава, скорости воздушного потока вокруг машины и части поверхности, которая может быть покрыта. Высшая температура расплава и душные конструкции завода направляют экономию к верхней границе.
Три практичных момента определяют эффективность мер. Во-первых, кожухи должны быть выносными и правильно отстроенными, чтобы не нарушился доступ к термоэлементам, выводам нагревательных элементов и блокам смены дисплея; кожушки, препятствующие обслуживанию, снимаются и никогда не устанавливаются снова. Во-вторых, голове пресса часто приходится уделять наибольшее внимание изоляции, поскольку она работает при высокой температуре с большой открытой поверхностью и, в отличие от цилиндра, не получает никакого поперечного нагревания. В-третьих, изоляция снижает нагрузку на электрический шкаф машины и на окружающий воздух, что в системах с кондиционированием воздуха замедляет процесс повышения температуры.
Управление зонами, расположение термопар и самонастраивающийся регулятор PID
Качество контроля не менее важно, чем техническое состояние нагревателя. Плохо настроенный PID-цикл, который колеблется вокруг заданной точки, расходует энергию в двух направлениях: нагреватели переохлаждаются, затем охлаждающие вентиляторы приводятся в работу для возвращения температуры к нормальному уровню. Каждый киловатт-час, потраченный в этом цикле, просто напрасно. Современные самонастраивающиеся PID-контроллеры с рутинными функциями автоматической настройки позволяют наиболее точно определить тепловые характеристики каждой зоны.
Расположение термопара имеет большее значение, чем понимает большинство операторов. Термопара в неглубоком колодце реагирует на температуру стены нагревателя, а не на температуру расплава, в результате чего контроллер выключает нагреватели преждевременно и затем осуществляет перекомпенсацию. Термопара, расположенная в глубоком колодце и ориентированная на сенсор для чувствительности к стене барабана вблизи расплава, генерирует более точный сигнал и обеспечивает более плавный, более экономичный режим управления. Компания Apollo рекомендует среднеглубокие термопары с независимым автотuningом на всех машинах семейства ABLB и ABLD.
Наконец, рассмотрите последовательность старта. Установка всех зон на заданный температурный режим одновременно создает большой пик односрочного спроса, который может привести к взиманию платы за потребление электроэнергии на заводе. Поэтапный рутинный старт с прерывистым нагревом, при котором зоны нагреваются под контролем в определенном порядке и выдерживаются определенный интервал, чтобы тепло смог протечь через стенки цилиндра, снижает пик спроса и уменьшает риск термического воздействия на цилиндр и винт.
Компрессорный воздух: наиболее недооцененная энергозатрата при литьевой формовке.
Сжатый воздух является самым дорогим утилитарным ресурсом на любом предприятии для формования под давлением, и наиболее вероятно, что он будет потрачен впустую. Генерация сжатого воздуха по своей природе неэффективна: только небольшая часть электроэнергии, подаваемой в компрессор, используется в качестве полезного пневматического труда, а остальное отбрасывается в виде тепла. Поэтому вся утечка, каждый ненужный бар давления и каждый кубический метр воздуха, который выходит в атмосферу, являются многократно увеличенными затратами электроэнергии.
Сколько воздуха на самом деле требует машина EBM.
При экструзионном литье под давлением сжатый воздух используется для двух разных целей с совершенно разными требованиями. Сжатый воздух воспламеняет пароматный материал против полости формовочной камеры и обычно работает при давлении от 6 до 10 бар в зависимости от геометрии контейнера, толщины стенок и резина. Контрольный воздух используется для управления клапанами, приводами смешивающих штифтов, выталкивателей и транспортировкой, и редко требуется давление выше 6 бар.
Часто встречающаяся и дорогостоящая ошибка заключается в том, что вся машина, а часто и весь завод, работают при максимальном давлении, необходимом любому отдельному потребителю. Мощность компрессора растет вместе с давлением выпуска, поэтому каждая ненужная бара повышает навесный налог на все произведенный воздух. Отделение циркулирующего при высоком давлении воздуха от сети управления, которая предназначена для целей различного назначения, будь то с помощью специального пневматического накопительного резервуара или с помощью правильно зонированной распределительной сети, — это одно из наиболее эффективных средств, позволяющих использовать сжатый воздух.
Двухступенчатое распыление: предварительное распыление и основное распыление
Двухступенчатый удар разделяет надуваемость на низкое давление предварительного удара, который мягко раздувает предсаливом и устанавливает его против полости, а затем на высокое давление основного удара, который завершает формирование и прижимает материал к поверхности пресс-формы для детального определения и охлаждающего контакта. Энергетическая выгода очевидна: основное пространство контейнера заполняется при низком давлении, и лишь заключительный стадий формирования требует полного давления. Двухступенчатый удар также улучшает распределение толщины стенок и снижает риск порчи предсалива на тонких участках, поэтому аргумент в пользу качества и аргумент в пользу экономии энергии указывают на один и тот же результат.
Системы восстановления воздуха.
В конце фазы вздувания объем воздуха в готовом контейнере все еще находится под полным давлением вздувания. В обычном устройстве выпускной клапан просто выводит его в атмосферу, выбрасывая всю эту энергию компрессии и создавая в процессе сильный звуковой импульс. Система рекуперации воздуха для вздувания вместо этого направляет отводимый воздух через запорный клапан в приемник с низким давлением, который затем подает предварительный воздух, шланги гидравлического привода и подает его обратно на средний стадии компрессора.
Реалистичные показатели восстановления находятся в пределах от 25 до 50% объема воздуха, выдутого из цистерны. От того, где расположена конкретная установка, зависит несколько факторов. Более крупные цистерны восстанавливают больше абсолютного воздуха за один цикл. Более высокое давление в цикле выдувания оставляет больше восстановимой энергии. Корочее время циклов означает большее количество маневров восстановления в час. С другой стороны, очень маленькие цистерны, длинные циклы и низкое давление в цикле выдувания снижают привлекательность процесса восстановления, поскольку фиксированные издержки на приемник, клапаны и трубопроводы амортизируются с уменьшением количества восстановленного объема. Системы рекуперации также обеспечивают приятный побочный эффект: уровень шума в машине значительно снижается, когда высоконапорный воздух не выводится непосредственно в атмосферу.
Конструкция обнаружения течи и распределения
Протекание является неизвестным платежом за сжатый воздух. На заводах, которые никогда не осуществляли системных программ обнаружения протечек, потеря сжатого воздуха обычно составляет значительный дробь от общего выпуска сжатого воздуха, и поскольку протечки работают круглосуточно, включая выходные дни и простои, они потребляют энергию, когда никакого производства не происходит. Ультразвуковое оборудование для обнаружения протечек идентифицирует утечки по их характерному высокочастотному сигналу, в результате чего техник может исследовать весь завод при нормальной работе, не прибегая к остановке оборудования. Ежемесячное ультразвуковое обследование с тегами для ремонта является одним из наименее затратных и наиболее доходных мер энергосохранения, доступных любому виробнику.
Конструкция распределительного устройства играет почти так же важную роль. Недостаточное нагнетание создает падение давления, которым операторы обычно компенсируют повышение давления, выходящего из компрессора, что невыгодно для всей системы. Корректно размеренный циркулярный контур, достаточный местный мощности приема ближе к машине для буферизации пульсирующего спроса на подачу и короткие, щедро рассчитанные конечные соединения позволяют запустить компрессор с минимально приемлемой установкой. Местные устройства приема имеют особое значение в литье под давлением, так как график спроса резко пульсирует; без буферизации компрессор видит частные понижения давления и работает излишне.
Таблица 5: Меры по использованию сжатого воздуха для литейно-формованческих машин
| Измерение. | Влияние на энергоснабжение сжатого воздуха. | Вторичный эффект. | Относительные инвестиции |
|---|---|---|---|
| Квартальная ультразвуковая проверка утечек и ремонт | Большой уровень сокращения энергопотребления повторяющимися циклами. | Стабилизация системного давления | Низкий |
| Разделить давление воздуха, используемого для подачи и управления процессом. | Умеренное до значительное уменьшение | Увеличение срока службы клапанов и уплотнителей. | Низкое-умеренное. |
| Двоступенчатая предварительная подача плюс расчетная последовательность основной подачи | Умеренное снижение | Лучший распределение толщины стенок. | Низкий |
| Система регенерации воздуха для смещения (25–50% повторного использования). | Большое снижение уровня. | Существенное снижение уровня шума | Средний – высокий |
| Местный ресивер, изготовленный для потребления импульсных ударов | Умеренное снижение | Уменьшение количества циклов загрузки и разгрузки компрессора. | Низкий |
| Рекуперация тепла компрессора для получения горячей воды в заводе | Наличие изменений в энергоснабжении не требуется, здесь происходит компенсация затрат на тепловой источник. | Снижение нагрузки на котел | Средний уровень |
Охлаждения формы и эффективность холодильника
Охлаждение литья требует 6-12% энергии, связанной с производством, и одновременно контролирует время цикла, что делает эту подсистему единственным узлом, в котором оптимизация энергопотребления и повышение производительности могут конфликтовать. Температура более холодной воды сокращает время охлаждения и повышает производительность, однако для производства более холодной воды требуется пропорционально больше энергии на охлаждение. Правильный ответ не в том, чтобы добиться максимально холодной воды, а в том, какая максимальная температура воды обеспечивает требуемое время цикла и сохранение прецизных размеров.
Температура воды и коэффициент показателей эффективности холодильника
Эффективность шлюза определяют по коэффициенту мощности, отношению удаленной теплоты к потребляемой электроэнергии. Коэффициент мощности существенно повышается при повышении заданного уровня охлажденной воды, поскольку циклу охлаждения приходится преодолевать меньший температурный скачок. Как общепринятое правило, широко используемое в промышленном охлаждении, каждый градус Цельсия повышения температуры испарителя улучшает эффективность шлюза на несколько процентов.
В большинстве применений экструзионного литьё из HDPE и PP промеж воздухом для охлаждения формовки поддерживается температура от 8 до 15°C. Многие заводы по привычке выбирают нижнюю границу этого диапазона. На практике геометрия контейнера, толщина стенок и кристалличность смолы определяют то, что требуется на самом деле. Толстостеночные промышленные контейнеры действительно получают выгоду от более холодной воды. У тонкостенных бутылок часто достаточно охлаждения при температуре 12-15°C, а разница в мощности холодильников между 8°C и 14°C в течение всего года существенна. Риск слишком низкой температуры связан не только с энергосбережением: при температуре ниже местной точки росы на поверхностях форм и на линии охлаждения образуется конденсат, что приводит к дефектам поверхности контейнера и коррозии на форме.
Системы свободного охлаждения и пластинчатые теплообменники.
В свободном охлаждении, иногда называемом режимом экономии, используются условия окружающей среды для отвода теплоты процесса без запуска компрессора. Когда температура влажного знака погоды снаружи достаточно низкая, холодильная башня или сухой охладитель могут производить воду, достаточно холодную для обслуживания процесса непосредственно через теплообменник с пластинками, когда механический охладитель находится в режиме ожидания или работает на частичной загрузке. В умеренном климате это может охватывать значительную часть годовых часов охлаждения; в холодном климате – большую часть зимнего периода.
Для этой конструкции необходим пластинчатый теплообменник между циркуляционным контуром орошения башни и закрытым технологическим контуром. Он отделяет открытую воду башни с растворенным кислородом, биологическим нагрузанием и взвешенными примесями от чистого закрытого цикла, питающего формы. Без такого разделения каналы охлаждения форм быстро загрязняются, теплопередача падает, продолжительность циклов увеличивается, и завод теряет значительно больше, чем при орошении свободным охлаждающим воздухом.
Конформные каналы охлаждения и тепловизионный дизайн пресс-формы
Конструкция каналов охлаждения внутри пресс-формы определяет, насколько эффективно вода удаляет тепло. Обычные прямые каналы, просверленные в пресс-форме, ограничены геометрией сверления и часто оставляют горячие пятна на ручках, швах ручки, участках, где есть заломы, и углах основания. Конформные каналы охлаждения, созданные с помощью аддитивного производства или изготовления пресс-формы из скрепленных слоев, следуют контуру полости с постоянным смещением. В результате происходит более равномерное отведение тепла, меньше горячих точек, сокращается время охлаждения и уменьшается вероятность деформации.
Конформное охлаждение приводит к высоким относительным затратам на инструмент для литья и нецелесообразно при выполнении каждой задачи. Оно оправдано в литье с высоким объемом и длительным циклом, когда сокращение времени цикла даже на долю секунды приводит к увеличению годовых объемов производства, а исторически вариации деформаций или усадки приводили к отбраковке изделий. Для литья ограниченного производства или постоянно меняемого инструмента традиционные каналы с тщательным контролем скорости турбулентных потоков обеспечивают большую часть преимуществ по меньшей стоимости.
Повышение производительности насосов и регулирование потока.
Насосы охлаждающей воды часто остаются забытыми нагрузками. Насос постоянной скорости, рассчитанный на худший возможный режим работы пресс-форм, работает на полной мощности вне зависимости от того, сколько станций активны или какая пресс-форма установлена. Установка вариатора скорости с контролем дифференциального давления позволяет мощности насоса соответствовать реальной потребности, а поскольку мощность насоса варьируется примерно пропорционально кубу расхода, даже умеренное снижение расхода позволяет добиться значительного сокращения мощности. Не менее важно также обеспечить турбулентное течение в каждой отводной линии, поскольку турбулентное течение передает тепло намного эффективнее, поэтому немного более высокий расход в правильной отводной линии может сократить время охлаждения намного эффективнее, чем гораздо более высокий расход, распространяемый хаотично по всем линиям.
Измерение того, что вы сохраняете: мониторинг энергопотребления, кВтч/кг и стандарт ISO 50001
Ни одно действие по экономии энергии не должно быть осуществлено без возможности его проверки, поскольку не измеренные сохранения энергии имеют свойство исчезать. Меры энергосбережения должны основываться на мониторинге энергопотребления на каждой машине, и это дешевле, чем каждое другое мероприятие, описанное в настоящем журнале.
Механическое энергометрирование и правильные показатели
Трифазный счетчик энергии, установленный на главном отключителе машины, регистрирует активную мощность, реактивную мощность, коэффициент мощности и накопленную энергию с короткими интервалами, переводя энергию из абстрактного сметной строки на заводском уровне в операционный параметр, на который может влиять сменный оператор. Как только эти данные существуют, два индикатора выполняют большую часть полезной работы.
Специфический энергопотребление в кВт·ч на килограм нормализуется для части веса и является правильным показателем для сравнения эффективности машин, конфигураций шнеков и изменений смолы. Энергия на тысячу штук, выражаемая в кВт·ч на 1 000 штук, является правильным показателем для коммерческого ценообразования и для отчетов клиентов о выделяемом углеводороде, поскольку клиенты покупают контейнеры, а не килограммы. Завод должен следить за обоими показателями. Изменение, улучшающее показатель энергии на килограм, но ухудшающее показатель энергии на тысячу штук, обычно означает, что вес детали значительно вырос, что является проблемой затрат на смолу, скрытой в энергетической метрике.
Установка связей с показателем эффективности использования энергии.
Данные об энергопотреблении становятся гораздо мощнее, когда они перекрываются с общей эффективностью оборудования. Причина проста: машина, которая нагревается, подвергается давлению и работает с экструдером, но не производит продаваемых контейнеров, потребляет значительную часть своей полной производственной мощности, не производя ничего. В состоянии холостого хода и не связанное с производительностью рабочие режимы обычно потребляют значительную часть энергии, поскольку нагреватели, гидравлика и охладитель остаются активными.
Это означает, что потери доступности несут за собой наказание в виде расхода энергии, которое никогда не учитывается в традиционном расчёте эффективности эксплуатации оборудования (OEE). Графическое отображение потребляемой электроэнергии в соотношении с производимым количеством качественных изделий с указанием каждого часа позволяет точно определить, какие смены, переключения и фазы сбоев являются самыми дорогими. Многие заводы обнаруживают, что самым существенным источником экономии энергии не являются технологические обновления, а ликвидация длительного простоев во время переключений и в камерах контроля качества.
Стандартные рамки
ISO 50001 определяет упрощенную систему управления энергией: политику, базовые показатели, показатели эффективности использования энергии, планы действий и системы контроля. ISO 50006 предоставляет практическую информацию о выработке базовых показателей и индикаторов, где у большинства предприятий возникают проблемы. Для получения выгод сертификация не является обязательной; применение дисциплины, связанной с определением базовых показателей и индикаторов, дает большую часть выгод.
Серия ABLB включает в себя восемь моделей машин, охватывающих размеры контейнеров, которые доминируют в упаковке пищевых продуктов и напитков, повседневных химикалий и фармацевтической продукции. Поскольку эти машины работают с высокой скоростью циклов при больших годичных нагрузках, компания Apollo придает первоочередное значение мерам, скалярно пропорциональным количеству циклов: сервоприводным гидравлическим агрегатам для прижимных и транспортных цепей, стандартизированной двухступенчатой преддувной и основной двухступенчатой расчетке, изолированным головкам пресс-формы и термопарам с независимой автоматизированной настройкой зоны. Приводы экструдеров устанавливаются с инверторным управлением в стандарте IE3, а PMSM в стандарте IE4 доступны там, где эксплуатационный цикл заказчика обосновывает его.
Создание надежного базового уровня.
Базовая линия будет полезна только в том случае, если она учитывает переменные, которые влияют на потребление энергии. К ним относятся сплошной состав продукции, сорт смолы и скорость плавления, коэффициент переработки, температура окружающей среды и время работы оборудования. Базовая линия, построенная на одном только летнем периоде производства, будет выглядеть как улучшение в каждой зимней месяце. Компания «Аполло» рекомендует создавать базовую линию в течение, по крайней мере, одного полного цикла производства, охватывающего нормальный состав продукции, выражаемый в виде индексов с установкой базового периода на 100 индексных пунктов, а затем отслеживать месячные отклонения с нормализацией состава продукции.
План модернизации на пути к экономии энергии в компании «Аполло»
Правильный порядок осуществления мероприятий не менее важен, чем сами мероприятия, поскольку ранние недорогие действия дают возможность финансирования более дорогих действий и потому что перед инвестициями необходимо провести мониторинг параметров. Дорожная карта, приведенная ниже, показывает последовательность мероприятий, которую рекомендуют инженеры компании Apollo своим клиентам, использующим существующие машины для экструзионного формования под давлением: независимо от того, производилась ли такая машина компанией Apollo или другими поставщиками оборудования.
Таблица 6: Меры по экономии энергии в соответствии с приоритетом
| Измерение. | Снижение затрат на затронутом подсистеме | Экономия общего энергопотребления | Трудности внедрения. | Относительные инвестиции | Класс срока окупаемости |
|---|---|---|---|---|---|
| Программа обнаружения и ремонта утечей сжатого воздуха | 10–30% | 1–4% | Просто | Низкий | Короткие |
| Джерси изоляции барабана и головки пресс-формы | 20–40% | 2–5% | Просто | Низкий | Короткие |
| Механическое энергометрирование и панель управления | Включение мероприятий | 3–8% за счет изменения поведения | Просто | Низкий | Короткие |
| Проверка температурного профиля расплава и автоматическое настройка PID. | 5–15% | 2–6% | Просто | Низкий | Короткие |
| Точка установки охлажденной воды увеличена в пределах допустимых расходов на процесс | 8–20% | 1–3% | Просто | Низкий | Короткие |
| Системы блокировки вспомогательного оборудования (дробилки, конвейеры, погрузчиков) | 20–40% | 1–2% | Просто | Низкий | Короткие |
| Свингова калибровка конвейера и биения барабана | 10–25% | 1–3% | Умеренные | Низкое-умеренное. | Короткие |
| Двигатели переменного числа оборотов на насосном оборудовании для охлаждающей воды | 25–45% | 1–3% | Умеренные | Средний уровень | Средний уровень |
| Система регенерации воздуха для откачивания воздуха. | 25–50% | 2–6% | Умеренные | Средний – высокий | Средний уровень |
| Сокращение рабочего объёма сервоприводно-гидравлического привода | 15–40% | 3–8% | Сложно | Высокая степень очистки | Средний уровень |
| Свободное охлаждение с помощью пластинчатого теплообменника | 30–70% (сезонные динамики) | 2–6% в годовом масштабе | Сложно | Высокая степень очистки | Средний уровень |
| Обогревающие жёсткости для барабана и головки пресса. | 30–60% | 3–7% | Сложно | Очень высокая степень жесткости | Средне- и долгосрочные решения. |
| Обновление двигателя экструдера PMSM до IE4/IE5 | 8–18% | 4–10% | Сложно | Очень высокая степень жесткости | Средне- и долгосрочные решения. |
| Переустановка барьерной гайки и желобчатого отсека на подхватную ленту | 10–25% | 5–14% | Сложно | Очень высокая степень жесткости | Средний уровень |
| Замена полностью электрической машины | Промышленная архитектура в целом | 15–30% | Проект. | Премиум-класс | Long |
Как читать план развития производства.
Обратите внимание, что проценты в второй и третьей колонках не являются сумейтьчными. После того как изоляционные покрытия снизили потери тепла, последующая модернизация индукционного нагрева обеспечивает меньшую дополнительную выгоду, чем предполагается из отдельного показателя в таблице. То же самое относится к сжатому воздуху: после ремонта утечек и корректировки давления система регенерации воздушного удара работает на меньшей базе. Поэтому последовательность действий имеет реальные финансовые последствия, и дешёвые меры всегда следует проводить в первую очередь, так как они финансируют более дорогие работы и устанавливают сниженный исходный уровень, в сравнении с которым более дорогие работы придётся обосновывать.
Обратите также внимание, что мероприятия с наибольшим общим влиянием на оборудование, включая конверсию винтов и барабанов и модернизацию двигателя ПМСМ, связаны с экструдером. Это следует напрямую из таблицы 1. Предприятие, которое выполнило все несложные мероприятия и все еще нуждается в радикальных изменениях, в конце концов должно приступить к их выполнению.
Как инженеры Apollo обеспечивают низкое энергопотребление в каждой серии
Компания «Apollo», завод «Wanplas», учитывает энергетические показатели машины уже на стадии разработки, а не относит их к списку опционального оборудования, поскольку доработка существующих систем всегда обходится дороже, чем обеспечение их эксплуатационных характеристик еще на стадии проектирования. Учитывая десятки серий и более восьмидесяти моделей, имеющих вместимость от 200 мл до 1500 л, конкретная конфигурация разнится в зависимости от области применения, но общая инженерная философия остается одинаковой для всего семейства.
1 и
Серия ABLB, 200 мл-20 л
Серия ABLD, от 20 до 1500 л
Серия ABLD включает контейнеры большой вместимости, промышленные бочки, химические контейнеры вместимостью в картонные коробки и крупные технические детали. Эти машины обладают принципиально различными энергетическими характеристиками: циклы длинные, давление зажима высокое, а фаза удерживания при охлаждении доминирует в цикле. Именно в этой области сервогидравлическая технология может обеспечить наибольшую относительную экономию, поскольку насос с фиксированным расходом в большинстве циклов будет подавать поток через safety клапан. Размеры буфера обрабатываются как решение, связанное с энергетикой, так и с процессом, поскольку правильно рассчитанный буфер позволяет использовать меньший насос для обслуживания больших периодических потребностей.
Полностью электрическая Series, 200ML to 20L
В серии полностью электрических станков полностью исключена гидравлическая система. Для заказчиков, производящих фармацевтические контейнеры, медицинскую упаковку или высококачественные химические бутылки, отсутствие гидравлического масла исключает путь загрязнения, который никакие меры технического обслуживания не могут полностью закрыть. Эта аргументация о необходимости использования электроэнергии столь же сильна для предприятий с высокими тарифами на электричество и трехсменным режимом работы, поскольку почти нулевое потребление во время ожидания складывается на протяжении нескольких тысяч часов в год. Компания «Apollo» позиционирует серию полностью электрических станков как рекомендуемый вариант в тех случаях, когда объем контейнера, частота цикла и требования к чистоте указывают на один и тот же результат.
Обработка материалов и более широкое экосистема Wanplas
Энергоэффективность не ограничивается только машиной. Машины типа Apollo обрабатывают ПЭ, ПП, ПВХ, ПА, ПЧ, АБС, ПС, ЭВА, ТПУ и ПЕТГ, и каждый материал имеет свой собственный энергетический профиль. Высокомолекулярный полиэтилен высокой плотности с низким скоростью течения расплава требует большего крутящего момента и получает наибольшую пользу от рифлённых входных барабанов. ПВХ требует низкого трения и тщательного температурного контроля для предотвращения разрушения, а это означает, что качество управления нагревателем имеет большее значение, чем мощность самого нагревателя. ПЧ и ПА требуют тщательного сушения, и сам сушильный агрегат становится значительным потребителем энергии, поэтому стоит прибегать к увлажнителям, контролирующим точку росы, с регенерацией на основе потребности.
В случае, если конвертер генерирует значительное количество отходов, дробилка и система транспортировки становятся частью энергетического процесса, а степень сфаглированности непосредственно влияет на энергетическую нагрузку экструдера. Для промышленных предприятий, ориентированных на полный цикл повторного использования, завод Polyretec компании Wanplas поставляет линии для порошкового и гранулированного очистки, а завод Kerke компании Wanplas поставляет параллельные экструдеры с двумя роторами для смешивания и гранулирования переработанного материала, что позволяет получить однородную, мало изменчивую сырьевую смесь. Однородное сырье само по себе является мерой энергоэффективности, поскольку стабильная вологоплотность и скорость течения расплава позволяют экструдеру для вспухивания работать на оптимальном месте, а не постоянно подвергаться корректировкам.
Введение в эксплуатацию, проверка и техническая поддержка
В своей заводе площадью 8000 квадратных метров в Цяньцзягане Apollo проводит испытания машин перед их отправкой, а в процессе установки и пуска машин инженеры ждут клиентов на месте. Проверка энергоэффективности при пуске является простой операцией и ее следует запросить в рамках протокола приемки: отслеживайте граничное потребление энергии в рамках определенного производственного цикла, работающего при заданной пропускной способности, рассчитывайте кВтч/кг и кВтч на 1000 штук и записывайте эти данные, вычитая указанные значения из кВтч, потребляемых машиной при 100-точке отметке. После этого эта базовая точка становится эталоном для всего срока службы оборудования, позволяя быстро обнаружить будущую деградацию.
Чрез бренд Wanplas объединена приверженность к настройке машин для пресс-форм и напряжения, установке на месте с участием инженеров, отслеживанию состояния эксплуатации, проверке завода перед отправкой, ежегодному безусловному запасу запасных частей, гарантии перевозок, гарантии производственных мощностей и гарантии стандартов качества. Конкурирующие поставщики, включая Bekum, Kautex Maschinenbau, Uniloy, Компания «Грэхем инженеринг» (Graham Engineering) и Automa, предлагают свои собственные пакеты энергоэффективности, и покупатели должны сравнивать их на общем справедливом показателе, а не на просторах заявлений. Референтные условия, установленные в EUROMAP
Часто задаваемые вопросы
Сколько электроэнергии потребляет типичная машина для экструзионного формования по горячему типу за один килограмм продукта?
Хорошно настроенная монодисковая машина HDPE, производящая кани объемом 5 л, обычно расходует от 0,55 до 0,95 кВт·ч на каждый килограм готового продукта при измерении в границах машины и включает привод экструдера, гидравлику, нагревание бака и встроенные пневматические механизмы. Самостоятельно экструдер обычно составляет от 0,25 до 0,45 кВт·ч/кг от общего числа. Старые машины с насосом с фиксированным расходом, дросселем из микса и без тепловых вставок часто превышают 1,2 кВт·ч/кг для идентичных деталей. При выборе поставщика обязательно уточните, включает ли его приведенная цифра коммунальные услуги, такие как помещение с компрессором и охладитель, поскольку уже эта составляющая может оказать влияние на число в размере более 20%.
Действительно ли серво-гидравлическая машина EBM позволяет сократить потребление энергии на 15–40%?
Данный диапазон относится конкретно к гидравлической силовой установке, а не к всей машине. Поскольку гидравлическая силовая установка составляет примерно 10-20% от общей мощности машины в процессе экструдионного формования, серво-гидравлическая модернизация обычно приводит к снижению общего энергопотребления на 3-8%. Машины с длительными фазами дожигания, большими головками накопления и медленными циклами находятся на верхнем пределах, поскольку при обычной нагнетательной помпе на большей части цикла отводится часть потока. Машины с быстрым циклом и небольшим объемом контейнеров находятся на нижнем пределах.
Когда полностью электрическая машина ЕБМ экономически целесообразнее, чем сервопневматическая?
Всестороннее электрическое экструзионное полумолото наиболее эффективно для контейнеров от 200 мл до примерно 20 литров, машин с высоким числом циклов, предприятия в стерильных условиях или фармацевтических условиях, а также заводов с высокими тарифами на электричество и продолжительным рабочим днем. Более чем для контейнеров объемом около 30 литров, и особенно для машин аккумуляторного типа, производящих большие промышленные бочки, гидравлическое или серво-гидравлическое приводнение остается более практичным из-за очень высокой пиковой силы зажима и больших длин хода. Относительная стоимость капитального оборудования, работающего на воздействии полностью электрического тока, превышает среднюю цену, поэтому обоснованность получения прибыли во многом зависит от продолжительности рабочего дня.
Насколько тёплые жёсткие футеровщики могут сократить расход энергии на нагревание?
Изоляционные кожухи, установленные на ленточных нагревателях, обычно уменьшают радиационные и конвективные потери от колбы и головки пресс-формы на 20-40 процентов в зависимости от температуры расплава, атмосферного потока воздуха и плотности покрытия. Так как нагрев колбы и головки пресс-формы составляет примерно 8-15 процентов от всей мощности машины, это означает снижение общего потребления на 2-5 процентов при незначительных вложениях и коротком сроке окупаемости. Головка пресс-формы часто является наиболее ценным объектом для изоляции, поскольку она источает много тепла, имеет большую открытую поверхность и не получает никакого излучения от винта.
Что представляет собой система рециркуляции воздуха и сколько воздуха на самом деле она возобновляет?
Система рециркуляции воздушного удара захватывает еще нагнетаемый воздух, выделяемый из контейнера в конце фазы удара, и направляет его через клапан обратного ручного замка в резервуар с более низким давлением, который подает предварительно нагнетаемый воздух, пневматику машины или промежуточный этап компрессора. Способы рециркуляции от 25 до 50 процентов объема нагнетаемого воздуха являются реалистичными на машинах, производящих более крупные контейнеры при коротких циклах с высоким давлением удара. Кроме того, система значительно снижает уровень шумов, поскольку воздух высокого давления больше не выпускается непосредственно в атмосферу.
Какую модернизацию энергосбережения следует выполнить сначала на старом оборудовании EBM?
Начните с обнаружения утечек сжатого воздуха и корректировки давления, затем утеплите щиты бака и патрона для отливки, а затем установьте счетчики энергопотребления на каждый станок. Все три метода требуют небольших инвестиций, их легко реализовать и окупаемость повысится за короткий период времени. Счетчики следует установить как можно раньше, даже если это не позволяет существенно сэкономить, поскольку они превращают любые последующие меры в проверенные результаты. Только после того как эти основы установлены, имеет смысл оценить сервогидравлический агрегат, двигатель экструдера с ротором переменного тока или индукционное нагревание.
Меняет ли работа с отходом расход энергии в машине для экструзионного формования по горячему типу?
Да. Прессованный отход отличается меньшей объемной массой и нерегулярной геометрией частиц по сравнению с первоначальным гранулятом, что снижает эффективность транспортировки твёрдого вещества в зоне подачи и может повысить расход энергоресурсов на 3-10% при том же производительности. Сам дробилка добавляет паразитное нагрузку. Шнековые бункеры с ребрами на поверхности, постоянное измельчение флаков и контролироный уровень переработки отходов позволяют устранить большинство проблем. Когда качество переработанных материалов сильно варьируется, смешивание и грануляция регринда с получением стабильного исходного сырья с применением оборудования с двумя спиральными шнеками из завода Wanplas в Кече (Belgium) стабилизирует точку работы экструдера и, как правило, оправдывает себя экономически, даже в отсутствии дополнительных затрат.
Какие стандарты применяются для измерения потребления энергии машинами для формования под давлением?
EUROMAP 60.1 и 60.2 описывают методы измерения и референтные условия, которые используются для сравнения энергетического показателя пластиковой техники на одинаковых условиях. IEC 60034-30-1 классифицирует эффективность двигателя в диапазоне от IE1 до IE5, а покупатели должны ясно указать необходимый класс в спецификации заказа. ISO 50001 предоставляет рамочное решение системы управления энергией, а в ISO 50006 рассматриваются базовые показатели и индексы энергетической эффективности. Безопасность машин регулируется отдельно, EN 422 устанавливает правила для машинами для экструзионного литья в рамках CE, а скорость течения расплава смолы измеряется по ASTM D1238 или ISO 1133.
Может ли повышение температуры охлаждающей воды действительно привести к значительным экономическим сборо?
Да, и это является одной из наименее дорогостоящих мер, доступных на сегодняшний день. Коэффициент полезного действия холодильника значительно улучшается с каждым градусом, на который повышается задача температуры испарителя, поскольку для цикла охлаждения требуется преодолеть меньший температурный перепад. Многие заводы устанавливают температуру охлаждающей воды на 8 °C просто по привычке, когда 12-15 °C будет соответствовать требованиям времени цикла для тонкостенных контейнеров. Пределом является конденсация: вода ниже местного точки росы приводит к появлению влаги на поверхностях формы и охлаждающих линий, что вызывает браковку поверхностей и коррозию. Проверьте время цикла и качество деталей при более высокой задаче температуры, прежде чем сделать ее постоянной.
Заключение
Технология экономии энергии для машин ЕБМ не является единичной функцией, которую можно добавить в заказную форму. Это многоуровневая инженерная дисциплина, которая начинается с определения расхода энергии, продолжается анализом каждого компонента пропорционально его части де, и полностью зависит от измерений для подтверждения того, что экономия реальна и стабильна.
Данные, полученные в ходе эксплуатации установок Apollo, свидетельствуют о наличии ясной иерархии. Движение экструдера, представляющее от 45 до 60% от общего мощности машины, является источником самых значительных абсолютных экономий, доступных благодаря классам двигателей IE4 и IE5, геометрии шарнирных винтов, загруженным полым барабанам подачи и продуманному управлению температурой расплава. Гидравлический привод, представляющий от 10 до 20% от общей мощности, реагирует гораздо сильнее на сервопривод, поскольку его частотный режим настолько прерывист, что обеспечивает сокращение на 15-40% мощности данного подсистемы. Охлаждение барабана и компрессированного воздуха представляют сопоставимый показатель и стоят значительно дешевле для устранения, поскольку изоляционные накладки сокращают расход поверхности на 20-40%, а рекуперация компрессированного воздуха обеспечивает возврат 25-50% объема компрессированного воздуха. Охлаждение формы завершает цикл, когда повышенная температура воды и свободное охлаждение обеспечивают экономию, которая практически не приводит к дополнительным затратам на внедрение.
Практические рекомендации остаются без изменений независимо от марки и возраста машины. Во-первых, установите индивидуальное измерение энергоемкости, затем устраните утечки сжатого воздуха и изолируйте цилиндр и головку die, поскольку это не требует больших инвестиций, его легко реализовать и окупаемость сводится к минимуму. Установите показатели по кВтч/кг и кВтч на 1000 штук в качестве отслеживаемых индикаторов против исходного уровня 100 индексных пунктов, свяжите их с данными OEE, чтобы визуализировать простой ход, и только после этого приступайте к совершенствованию затрат высокого и очень высокого уровня, связанным с экструдером и гидравликой.
Компания Apollo, являющаяся фабрикой Wanplas с более чем двадцатилетним опытом экструзионной литьевой формы и с более чем 4000 станков, работающих в более чем 90 странах, специализируется на разработке этих мер в рамках серии ABLB, серии ABLD и полностью электрической серии. Покупатели, оценивающие новые мощности, должны запросить цифры показателей энергопотребления, измеренные в соответствии с условиями отчета EUROMAP, четко указать класс двигателя IE и включить тест проверки энергопотребления в протокол приемки. Машина, выбранная на таких условиях, по-прежнему будет приносить прибыль даже тогда, когда машина, выбранная за одну лишь стоимость, стала самым дорогостоящим активом на складе.
