플라스틱 압출에서 에너지 소비를 줄이는 방법

플라스틱 압출 에너지 사용은 청구서가 표시될 때만 실제로 눈에 띄는 비용 중 하나입니다. 라인이 매일 실행되면 영향은 더 커집니다. 따라서 실제 질문은 어딘가에서 몇 퍼센트를 잘라내는 것이 아닙니다. 에너지가 실제로 어디로 가는지 알아내는 것입니다. 그림이 완성되면 압출기 에너지 소비를 줄이는 방법이 구체적이고 실행 가능하다고 느껴지기 시작합니다.

일반적인 스크류 압출기에서는 약 60~70%의 전력이 모터 및 구동 시스템에 사용되고, 20~30%는 배럴 가열에 사용되고(많은 라인에서 이를 수동으로 추정함) 나머지는 냉각, 보조 장치 및 손실에 사용됩니다(그림. 1). 이 숫자는 대략적인 시작점으로 유용하며 의심할 여지 없이 라인마다 다양하지만 규칙은 아닙니다. 동일한 라인 내에서도 스크류 설계, 재료, 처리량, 온도 설정점 및 라인 작동 방식에 따라 상대적 점유율이 이동합니다.

모터는 단순히 나사를 돌리는 것으로 설명되기도 합니다. 그 설명은 대부분의 작업을 놓치고 있습니다. 실제로 드라이브는 배럴을 통해 고형물을 전달하고, 연화 및 용융시키고, 용융물을 혼합하고, 압력을 가하고, 전단 저항을 극복해야 합니다. 모든 단계에서 에너지가 소비됩니다. 그 중 일부는 용해 및 혼합에 유용합니다. 일부는 냉각을 통해 제거해야 하는 열이 됩니다. 따라서 모터 효율과 프로세스 동작을 별도로 평가할 수 없습니다.

구형 기계는 여전히 전자기 속도 제어 기능이 있는 DC 모터 또는 표준 AC 모터를 사용할 수 있습니다(작동할 수 있지만 최신 드라이브보다 효율성이 떨어지는 경우가 많습니다). 가변 주파수 드라이브는 이제 일반적인 기준이 되었습니다. 이를 통해 나사를 고정된 고속으로 실행하고 다른 곳에서 조절하는 대신 부하에 적합한 속도로 실행할 수 있습니다. 그러나 실질적인 이점은 전기 그 이상입니다. 속도 제어가 향상되면 공정 안정성이 향상되고 불필요한 기계 에너지 입력이 줄어듭니다.

가변 주파수 드라이브는 이제 공통 기준이 되었습니다. 이를 통해 고정된 고속으로 실행하고 다른 곳에서 조절하는 대신 나사 속도가 실제 부하와 일치할 수 있습니다. 실질적인 이점은 전기에만 국한되지 않습니다. 속도 제어가 향상되면 공정 안정성이 향상되고 불필요한 기계적 에너지 입력이 줄어듭니다.

영구자석 동기 모터는 또 다른 옵션입니다. PMSM은 표준 3상 유도 전동기보다 더 효율적일 수 있으며 그 차이는 저속 및 경부하에서 더 두드러집니다. 정확한 게인은 모터 크기, 부하 프로필, 제어 방법 및 나머지 드라이브 트레인에 따라 달라집니다. 실제로, 잘 조화된 모터와 드라이브는 효율 범위보다 훨씬 낮게 작동하는 대형 모터보다 더 가치가 있습니다. 설치된 전력이 높다고 해서 자동으로 성능이 향상되는 것은 아닙니다. 이는 무부하 손실이 더 높고 역률이 더 낮으며 제품 킬로그램당 더 많은 에너지를 소비한다는 것을 의미할 수 있습니다.

배럴 가열은 두 번째 주요 부하입니다. 기존의 주조 알루미늄 가열 밴드가 일반적이지만 특별히 효율적이지는 않습니다. 열의 상당 부분이 주변 공기로 손실될 수 있습니다. 따뜻한 작업장에서는 이러한 손실로 인해 냉각 부하도 가중되는데, 이는 두 배의 패널티입니다.

단열이 도움이 됩니다. 전자기 가열, 적외선 또는 나노 적외선 가열 코일과 같은 대체 가열 방법도 마찬가지입니다. 이러한 설계는 종종 더 높은 열 효율, 더 빠른 응답 및 더 낮은 표면 온도를 위해 홍보됩니다. 일부 장비 비교에서는 비절연 알루미늄 주조 밴드에서 단열 고효율 히터로 전환하면 가열 에너지가 약 30~50% 감소하는 것으로 보고되었습니다. 이 수치는 보장된 결과가 아닌 방향성 예시로 간주되어야 합니다. 실제 절감액은 배럴 설계, 온도 설정점, 단열 상태, 주변 조건 및 공정 자체에 따라 달라집니다.

가열 효율도 공정 문제입니다. 히터가 여전히 에너지를 추가하는 동안 구역이 지속적으로 냉각된다면, 문제는 히터만의 문제가 아닐 수도 있습니다. 해당 영역의 과도한 전단, 열악한 온도 제어 또는 공정에 필요한 것보다 더 많은 열을 생성하는 스크류 설계일 수 있습니다. 이러한 조건을 해결하지 않고 히터를 교체하면 비용 절감 가능성이 상당 부분 남을 수 있습니다.

폴리머를 녹이는 대부분의 에너지는 가열 밴드에서 나오지 않습니다. 그것은 나사에서 나옵니다. 모터가 나사를 구동하고 나사가 재료를 절단합니다. 그 기계적 에너지는 열로 변환됩니다. 이것이 바로 스크류 구성이 압출기 에너지 소비에 직접적인 영향을 미치는 이유입니다.

반죽 블록, 각도, 길이 및 위치는 모두 전단 강도와 체류 시간에 영향을 미칩니다. 전단력이 높을수록 분산 혼합이 향상되지만 용융 온도가 높아지고 모터 부하도 증가할 수 있습니다. 한 구역에서 정기적으로 많은 양의 냉각수를 요구한다면 이는 스크류가 공정에서 사용할 수 있는 것보다 더 많은 열을 발생시키고 있다는 신호입니다. 모터가 작동하고 재료가 가열되고 냉각 시스템이 추가 열을 제거합니다. 에너지 관점에서 볼 때 이는 검토할 가치가 있는 루프입니다.

스크류 설계는 재료, 생산량, 혼합 요구 사항 및 최종 제품과 균형을 이루어야 합니다. 모든 압출 응용 분야에 최대 전단력이 필요한 것은 아닙니다. 때로는 적절한 혼합 요소와 결합된 보다 부드러운 스크류 프로파일이 전반적인 성능을 향상시킵니다. 공식도 중요합니다. 효과적인 윤활제를 추가하거나 용융 점도를 낮추면 모터 전류를 낮추고 전단열을 줄일 수 있습니다. 결과적으로 나중에 제거해야 하는 열로 변환되는 전기 에너지가 줄어듭니다.

톤당 에너지 소비량은 모터 명판 전력보다 더 유용한 측정값입니다. 낮은 출력으로 작동하는 대형 압출기는 효율적인 범위 근처에서 작동하는 소형 기계보다 킬로그램당 더 많은 에너지를 소비할 수 있습니다. 하나의 기계 내에서도 동일한 원칙이 적용됩니다.

예를 들어, 용량의 작은 부분으로 작동하는 75mm 압출기는 일반적으로 설계된 출력 범위에 가깝게 작동하는 동일한 기계에 비해 에너지 프로파일이 열악합니다. 정확한 숫자는 재료, 나사, 드라이브 및 온도 프로필에 따라 다르지만 방향은 분명합니다. 활용도가 중요합니다. 시작, 종료, 제거 및 재료 변경도 마찬가지입니다. 유휴 상태로 작동하는 매 순간마다 여전히 전력이 소비되며, 빈번한 비효율적인 전환으로 인해 총 전력이 추가됩니다.

따라서 생산 관리는 에너지 관리의 일부입니다. 더 긴 실행 일정을 계획하고, 유휴 시간을 줄이고, 기계를 작업에 일치시키고, 프로세스 매개변수를 효율적인 창 내에서 유지하는 것은 하드웨어 변경만큼 중요할 수 있습니다.

플라스틱 압출에서 효과적인 에너지 절감은 단일 구성요소로 해결되는 경우가 거의 없습니다. 이는 일반적으로 모터 및 드라이브 선택, 배럴 가열 효율성, 스크류 구성, 재료 구성, 프로세스 매개변수, 처리량 및 생산 관리의 조합에서 비롯됩니다. 다른 영역을 무시하면서 한 영역을 개선하면 문제를 해결하기보다는 문제를 바꿀 수 있습니다. 예를 들어, 나사가 과도한 전단을 생성하고 냉각 시스템이 나사를 제거하기 위해 열심히 노력하는 경우 고효율 모터는 예상한 절감 효과를 제공하지 못할 수 있습니다. 더 나은 난방 시스템은 온도 제어가 불안정하거나 배럴의 단열이 제대로 이루어지지 않은 경우 큰 도움이 되지 않을 수 있습니다.

압출 장비 제조업체의 경우 에너지 효율성은 기계 설계, 스크류 구성, 드라이브 선택 및 공정 제어와 밀접한 관련이 있습니다. JWELL은 특정 생산 요구 사항에 맞게 시스템 구성을 조정하여 다양한 재료 및 응용 분야에 대한 압출 장비를 개발합니다. 실용적인 접근 방식은 재료에 필요한 것, 제품에 필요한 것, 기계가 실제로 작동하는 방식 등 전체 라인을 평가하는 것입니다. 이는 일반적으로 단일 효율성 주장을 추구하는 것보다 더 지속적인 절감 효과를 제공합니다.

전기가 어디로 가는지에 대한 질문에는 드라이브, 배럴 히터, 전단 및 라인이 유효 범위 아래로 실행될 때 나타나는 많은 손실에 대한 기술적인 답이 있습니다. 더 나은 질문은 제품 1톤당 얼마나 많은 에너지가 필요한지, 그리고 이를 줄이기 위해 무엇을 변경할 수 있는지입니다. 이는 구성요소 라벨에서 시스템 성능으로 관심을 이동시킵니다. 압출에서 가장 신뢰할 수 있는 에너지 절약은 모터와 드라이브를 부하에 맞추고, 열 효율을 개선하고, 실제 공정에 맞게 나사를 설계하고, 엄격한 생산 관리를 통해 합리적인 출력으로 라인을 가동하는 것에서 비롯되는 경향이 있습니다.