杜德鑫

(南京藝工電工設(shè)備有限公司，江蘇南京 211199)

南京藝工電工設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)的單螺桿塑料擠出機(jī)，主要應(yīng)用于電工專用設(shè)備領(lǐng)域，服務(wù)于電線電纜行業(yè)。總結(jié)三十多年來的設(shè)計(jì)、制造和使用情況，結(jié)合目前倡導(dǎo)的節(jié)能、環(huán)保、綠色制造的環(huán)境，制造更加節(jié)能環(huán)保的綠色產(chǎn)品，改造老式的大能耗產(chǎn)品，是大勢(shì)所趨。單螺桿塑料擠出機(jī)能耗大的原因有很多，經(jīng)初步分析，除目前國(guó)內(nèi)的企業(yè)為了達(dá)到各種用途在應(yīng)用不同種類的塑料的改性添加材料［1］，以及自身的制造質(zhì)量不高之外，發(fā)現(xiàn)單螺桿塑料擠出機(jī)的能耗主要發(fā)生在主傳動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)身的加熱冷卻系統(tǒng)，而且能耗比較大。這里僅以單螺桿塑料擠出機(jī)機(jī)身的加熱冷卻系統(tǒng)的能耗為例進(jìn)行分析、討論和說明。

1 擠出機(jī)的能量分析

根據(jù)作者的調(diào)查與分析，在我國(guó)的塑料加工和塑料機(jī)械行業(yè)中，單螺桿塑料擠出機(jī)的能耗問題尤其嚴(yán)重，在降低能耗方面有相當(dāng)大的潛力可以挖掘。下面就以一臺(tái)用普通Z4直流電機(jī)拖動(dòng)的SJ-150×25單螺桿塑料擠出機(jī)(以下簡(jiǎn)稱擠出機(jī))為例，來說明此問題。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，在正常情況下，電阻絲加熱方式輸入和消耗在擠出機(jī)上的能量占比見表1。

由表1的統(tǒng)計(jì)分析可知：(1)輸入能量列主要是主電機(jī)和機(jī)筒加熱兩項(xiàng);(2)能量消耗列共15項(xiàng)中，只有對(duì)應(yīng)于序號(hào)4的項(xiàng)(60．8%)是必需的，其余14項(xiàng)共消耗了39．2%的能量，其中由傳動(dòng)系統(tǒng)耗損的能量占15．07%(主電機(jī)占14%)，加熱冷卻系統(tǒng)耗損的能量占21．91%，這兩項(xiàng)高于全部損耗的1/3，控制和其他系統(tǒng)僅占2．22%。

可見，主電機(jī)和加熱冷卻系統(tǒng)的能量耗損是關(guān)鍵。因此，為了減少能量損耗，必須從減少電機(jī)和加熱冷卻系統(tǒng)的耗損這兩項(xiàng)著手。而電機(jī)的損耗可以采用目前倡導(dǎo)的高效電機(jī)及其節(jié)能控制等方法來解決，這里僅就加熱冷卻系統(tǒng)的耗損問題加以討論。

2 擠出機(jī)能量消耗的指標(biāo)

在分析擠出機(jī)的能量消耗時(shí)，如果以消耗功率絕對(duì)量的多少來評(píng)價(jià)能量消耗的高低，那是很不全面的。正確的做法是應(yīng)用單耗(即名義比功率P'=P/Q，其中P為加工時(shí)消耗的能量，kW;Q為當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)率，kg/h;P/Q即意味著每成型加工1kg制品所消耗的以kWh計(jì)量的電能)［1-2］和比流量(即q=Q實(shí)測(cè)/n實(shí)測(cè)，其中Q實(shí)測(cè)為實(shí)測(cè)的產(chǎn)量的數(shù)值，kg/h;n實(shí)測(cè)為實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)速的數(shù)值，r/min)［1-2］來作為比較的依據(jù)，并用這兩個(gè)指標(biāo)作為評(píng)定擠出機(jī)性能，或評(píng)價(jià)某個(gè)工藝方法價(jià)值高低的依據(jù)，相關(guān)的性能參數(shù)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［2］中已經(jīng)有規(guī)定，僅摘錄SPVC和LDPE兩種物料來參考討論，見表2。

通常的擠出機(jī)設(shè)計(jì)主參數(shù)見表1，完全可以達(dá)到表2的規(guī)定，但是能耗較大。在其他條件相同的情況下，僅改變加熱冷卻系統(tǒng)，采用電磁感應(yīng)［1，3］代替原來的電阻絲加熱方式，效果顯著，對(duì)應(yīng)于表1中序號(hào)4的項(xiàng)從60．8%增加到74．8%，加熱冷卻系統(tǒng)耗損的能量從占21．91%降為7．77%，熱效率＞90%，功率因數(shù)達(dá)到99%，使更多的能量用到了必需的系統(tǒng)上，詳見表3。

表1 電阻絲加熱方式輸入和消耗在擠出機(jī)上的能量占比表

表2 擠出機(jī)性能主參數(shù)表

改進(jìn)后擠出機(jī)的性能主參數(shù)見表4，可見節(jié)能效果明顯，降低了 23．0% ～37．5%。SPVC和LDPE的名義比功率P'＜0．2kW/(kg/h)，因此節(jié)能率達(dá)到15%～30%的目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的。其他的物料可以分別通過實(shí)驗(yàn)確定，并可進(jìn)一步訂立相應(yīng)的能耗檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，予以推廣應(yīng)用。

3 減少加熱冷卻系統(tǒng)能量耗損的措施

擠出機(jī)是在熱狀態(tài)下進(jìn)行工作的，從前面的分析可以看出：加熱冷卻系統(tǒng)的能量消耗占整個(gè)能量消耗的第二位。因此，減少這一系統(tǒng)不必要的能量損耗是很重要的。

眾所周知，目前大多數(shù)單螺桿塑料擠出機(jī)采用的都是電阻絲加熱的方式，擠出機(jī)在預(yù)熱時(shí)需要較大的加熱功率，而在穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)只需要很小的功率，甚至于不要加熱而只需冷卻。溫度的控制必須適應(yīng)這個(gè)工藝特點(diǎn)，而以往都采用通斷控制的方式，接通電源時(shí)全功率加熱，不僅僅浪費(fèi)了電能，而且還會(huì)因溫度波動(dòng)而影響制品質(zhì)量。為了節(jié)能，當(dāng)前在加熱冷卻系統(tǒng)上已經(jīng)采取如下措施：

a．采用智能型的溫控儀表或者智能控制方式，此時(shí)加熱功率會(huì)隨溫度接近設(shè)定值而按比例減少。其中加熱控制電路按下述原則來設(shè)計(jì)：在預(yù)熱時(shí)采用全功率加熱，而在正常生產(chǎn)后，電路自動(dòng)切斷3/4～1/2的加熱功率，使得維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的加熱功率僅為設(shè)計(jì)功率的1/4～1/2。這樣一方面節(jié)約了能量，另一方面也降低了溫度的波動(dòng)。

b．在擠出機(jī)機(jī)筒上采取絕熱措施，這樣做可以大量減少熱量從機(jī)筒往周圍介質(zhì)中傳播的耗損。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，絕熱式機(jī)筒能減少機(jī)筒加熱能量消耗的 30% ～50%［1］。

對(duì)于熱穩(wěn)定性較佳的塑料物料，在擠出機(jī)機(jī)筒表面采取絕熱措施，同時(shí)在機(jī)筒的外面圍上特殊設(shè)計(jì)的護(hù)罩。

表3 輸入和消耗在擠出機(jī)上的能量占比表

表4 擠出機(jī)性能主參數(shù)表

對(duì)于熱穩(wěn)定性較差的塑料物料，由于螺桿產(chǎn)生的剪切熱不能很好散發(fā)，從而有導(dǎo)致物料過熱的可能，采用半絕熱式措施，僅在擠出機(jī)機(jī)筒外面圍以特殊設(shè)計(jì)的護(hù)罩，其內(nèi)壁鏡面將熱量反射回機(jī)筒，罩子與機(jī)筒之間的空氣有隔熱作用，既能減少過熱的可能性，也可減少能量的損耗。

雖然這樣做會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變得有些復(fù)雜，工藝上需對(duì)應(yīng)處置，但對(duì)制品質(zhì)量和能耗的控制均是有利的。

c．近年來由于電磁感應(yīng)加熱技術(shù)［1，3］的發(fā)展，在擠出機(jī)方面的應(yīng)用得以突破，使得擠出機(jī)傳統(tǒng)的加熱概念得到更新。通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)際項(xiàng)目的實(shí)施，證明電磁感應(yīng)加熱方式不但具有加熱時(shí)間短、升溫快、溫度波動(dòng)小等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且更為重要的是，感應(yīng)加熱比電阻絲加熱能降低近30%的能耗，投資收效也快，具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。

4 關(guān)于設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議

目前在國(guó)內(nèi)的擠出機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意下列問題：(1)關(guān)于高速高效擠出。無論是用小口徑擠大規(guī)格，還是用大口徑擠小規(guī)格，都必須在接近額定轉(zhuǎn)速的條件下，注意單耗值P/Q的大小，同時(shí)要考慮輔機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到“高速”而且“高效”。(2)新型螺桿(如屏障型螺桿、分離型螺桿等)的應(yīng)用。只要混煉元件設(shè)計(jì)得當(dāng)，單耗值P/Q不僅不會(huì)上升，相反由于混合均勻而會(huì)有所下降，效果會(huì)更佳。(3)對(duì)不同的物料，應(yīng)采用不同型式的螺桿和擠出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡量細(xì)分。在通用和專用之間權(quán)衡利弊得失時(shí)，應(yīng)避免在同一臺(tái)擠出機(jī)上加工很多種物料制品，那樣會(huì)導(dǎo)致調(diào)速范圍很大，出現(xiàn)電機(jī)功率只能按最大載荷選擇而不經(jīng)濟(jì)的弊病。

5 結(jié)束語

由于研究條件的不同，本文所介紹的節(jié)能數(shù)據(jù)對(duì)于其他規(guī)格和型號(hào)的擠出機(jī)可能會(huì)有所出入。但從所分析的事例來看，當(dāng)前擠出機(jī)節(jié)約能量的潛力是很大的，值得注意。

利用全新的加熱概念，關(guān)注低能耗、高速高效的新的擠出技術(shù)和工藝方法的應(yīng)用，是目前的發(fā)展趨勢(shì)。從節(jié)能的觀點(diǎn)來設(shè)計(jì)和選擇擠出機(jī)，以及正確地選擇加工工藝條件，在單螺桿塑料擠出機(jī)中節(jié)能15%～30%是完全可能的。節(jié)能的措施與方法有很多，我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到它的重要性并落到實(shí)處，對(duì)改變長(zhǎng)期以來低效高能耗的現(xiàn)狀意義重大。

［1］ 北京化工學(xué)院，華南工學(xué)院．塑料機(jī)械設(shè)計(jì)［M］．北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1994．

［2］ 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部．JB/T 8061-2011單螺桿塑料擠出機(jī)［S］．1版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

［3］ 勞溫代爾C．塑料擠出［M］．2版．陳文瑛，韋華，趙紅玉，譯．北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1996．