Потенциал энергосбережения в процессах экструзии

Изображение: kunstoffe.de

Растущие цены на электроэнергию и нормативные требования заставляют перерабатывающие предприятия искать и внедрять наиболее энергоэффективные решения. Ключевую роль здесь играет реализация возможностей энергосбережения в процессах теплообмена, происходящих, в частности, при экструзионной переработке полимерных материалов. На рис. 1 в качестве примера представлен термографический снимок участка гранулирующей экструзионной линии на выходе экструдируемых стренг полимера из головки экструдера, нагретых до 280 °C, перед их попаданием в водяную ванну охлаждения. Красный цвет на этом снимке соответствует наиболее высоким температурам, синий – наиболее низким.

Возможные стратегии энергосбережения

Возможные стратегии энергосбережения в данном случае могут быть следующими:

• выбор типа электропривода в соответствии с условиями эксплуатации;
• предварительный нагрев материала для экономии энергии в процессе его пластикации (в идеале – с использованием отработанного тепла);

Существуют и другие энергосберегающие мероприятия, такие как минимизация тепловых потерь за счет лучшей теплоизоляции цилиндра или оптимизация конструкции шнека экструдера с учетом типа перерабатываемого материала. В любом случае требуются систематический подход к этому вопросу и выявление ключевых факторов снижения энергопотребления и, соответственно, экономии средств. Как показывают практика и расчеты, наиболее значимым фактором энергосбережения в случае экструзии является энергоэффективность основного потребителя электроэнергии – главной приводной системы, состоящей из электродвигателя, преобразователя частоты и, в зависимости от типа двигателя, редуктора.

Был проведен расчет затрат на эксплуатацию трехфазного синхронного двигателя с воздушным охлаждением мощностью 58 кВт, работающего в составе двухшнекового экструдера со встречно вращающимися шнеками. Исходные данные для расчета выглядели следующим образом:

• КПД системы «двигатель + преобразователь частоты» – 91 %;
• КПД редуктора – 95%;
• стоимость электроэнергии – 0,2 евро/кВт×ч;
• режим работы – 7000 ч в год;
• срок службы – 15 лет.

В результате оказалось, что львиная доля затрат (98,4 %) приходится на электроэнергию, и лишь 1,1 и 0,5 % – на амортизацию стоимости электродвигателя и затраты на его техобслуживание (рис. 2). При этом ключевым фактором энергоэффективности электродвигателя является его КПД.

Оценим кратко достоинства и недостатки основных приводов, используемых в экструдерах.

Асинхронные двигатели отличаются надежностью конструкции, дешевизной и достаточно высоким КПД. Недостатки заключаются в сравнительно низких скоростях вращения и в нагреве подшипников вихревыми токами.

Синхронные двигатели, особенно двигатели с постоянным магнитным возбуждением, обладают очень высоким КПД, но требуют более тщательного техобслуживания.

Синхронные реактивные двигатели (без обмотки возбуждения на роторе) считаются новой перспективной разработкой. Они обеспечивают более высокую энергоэффективность, практически не вызывают потерь в роторе и обладают высокой удельной мощностью. Однако из-за более высокого коэффициента реактивного тока и необходимой комбинации с преобразователями частоты требуется точное конструктивное исполнение этих двигателей.

Моментные (torque) двигатели обеспечивают максимальную энергоэффективность и плавность хода даже в системах прямого привода без редуктора, но имеют длительные сроки окупаемости из-за высокой стоимости.

С учетом длительных сроков службы экструдеров инвестиционные решения не должны приниматься исключительно на основе их начальной стоимости. Комплексный анализ, который должен учитывать потребление энергии и затраты на техническое обслуживание в процессе эксплуатации экструдеров, дает более реалистичную картину. С этой точки зрения, все большее значение в промышленной экструзии по мере ее развития будут, очевидно, приобретать синхронные реактивные двигатели, демонстрирующие свой высокий потенциал.

Предварительный нагрев материала

Когда исходный материал нагревается перед запуском производства, потребность в электроэнергии для пластикации уменьшается. И поскольку при этом энтальпия перерабатываемого материала еще невысока, то невысока и потребляемая мощность привода. Кроме того, потребление энергии может быть дополнительно снижено, если предварительный нагрев осуществляется за счет отработанного тепла.

Этот эффект был экспериментально проверен и подтвержден в лаборатории Южно-Германского центра пластмасс в г. Вюрцбурге (Германия). На рис. 3 представлены кривые изменения удельной энтальпии (h), характеризующей теплосодержание в единице массы материала, и удельной теплоемкости (с) полистирола (ПС) в зависимости от температуры (Т), которые были использованы для оценки экономии потребляемой мощности привода (DW). Оценивались два варианта предварительного нагрева материала по сравнению с температурой окружающей среды (температурой в цехе) Т₀ = 23 °C (т.е. без предварительного нагрева) – до значений температуры предварительного нагрева (Т_пн), равных 60 и 80 °C, при производительности переработки m = 50 кг/ч.

Расчетная формула выглядела следующим образом:

DW = Dh × m.

где Dh – разница в удельной энтальпии материала при температурах предварительного нагрева и в цехе.

Как видно из рис. 3, при Т_пн = 60 °C Dh составляет 50 Дж/г, при Т_пн = 80 °C – 75 Дж/г. Исходя из этих данных были рассчитаны соответствующие значения DW, которые хорошо совпали с экспериментальными данными (см. таблицу).

В результате оказалось, что предварительный нагрев позволил существенно снизить потребление электроэнергии приводом экструдера, не оказывая негативного влияния на свойства материала, такие как теплостойкость, ударная вязкость или упруго-прочностные характеристики при растяжении. Кроме того, с помощью предварительного нагрева можно ускорить запуск производства, а также противодействовать сезонным колебаниям температуры, когда перерабатываемый материал хранится в наружных силосах.

Заключение

Целенаправленное повышение энергоэффективности при переработке пластмасс предоставляет перерабатывающему предприятию значительные экономические преимущества в условиях высоких цен на электроэнергию. Решение этой задачи следует начинать с комплексного систематического подхода к этому вопросу и выявления наиболее значимых факторов влияния. Одним из таковых в случае экструзии является привод экструдера, энергоэффективность которого можно повысить за счет правильного выбора его типа и предварительного нагрева перерабатываемого материала. Это позволит не только сократить энергопотребление. но и ускорить запуск производства и снизить выбросы CO₂.  

Energy Saving Potential in Extrusion Processes

J. Ort, Th. Hochrein, M. Bastian

Extrusion lines can be significantly more energy efficient due to targeted solutions such as saving power consumed by the main drive or using waste heat. An integrated approach to this issue and qualified staff are key success factors.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 11 (318) 2025 г., с. 20-22.