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注塑机料筒加热节能技术

文章出处:admin 人气:发表时间:2017-12-10 16:10

注塑机是“电老虎”,动力系统和料筒加热系统是耗电主要部分。前者将电能转化为机械能,推动模版开合、螺杆旋转、座台进退等机械部件运动;后者将电能转化为热能,产生200℃以上的高温溶化塑料原料。一台注塑机正常工作下生产,动力系统耗电约占总耗电量的60%~80%,料筒加热系统耗电约占40%~20%。以某公司生产的MA1600G型注塑机为例,动力系统配置功率为15kw电机,实际消耗功率约5~10kw;料筒系统配置功率为9.75kw加热圈,实际消耗功率约2~7kw。其中,实际消耗功率视塑料原料、模具、工艺要求等工况不同差别较大。目前,动力系统通过采用“永磁同步伺服电机+伺服驱动器+液压泵”的动力配置方案,视不同工况节能率可达20%~80%,已经实现了较佳的节能效果。该动力系统技术方案成熟稳定,已经在行业中广泛使用。相比动力系统由于受高温、安装空间、工况复杂等因素影响,各种节能技术还处于鱼龙混杂的局面,至今尚无成熟、广泛认可的节能技术方案。行业中目前主要有电磁加热、红外加热、节能环为代表的3种加热节能方案,由于各方案背后主导的企业受利益格局的影响,在推广宣传过程中难免有失客观公正、甚至误导客户,影响了业内用户对上述方案的认识,进而影响了料筒加热系统节能技术的推广应用。

1 典型料筒加热系统

业内典型注塑机的料筒加热系统采用电阻式加热圈覆盖料筒方案,结构如图1所示。在此方案中,加热圈产生400℃以上的高温,主要以传导的方式通过内表面将热能传递给料筒。从结构示意图中不难发现,加热圈通过内表面向料筒传导热能的同时,加热圈外表面也会通过对流、辐射等形式加热空气,形成很大的能量损失,热效率仅为40%~60%。这部分散失到空气中的热能,不仅浪费能源,还提高了车间温度,增加车间降温带来的耗电,形成二次能源浪费;还由于表面高温,是注塑车间火灾、工人烫伤的重要安全隐患之一。

从上述分析可以得出,料筒加热系统实现节能最主要的措施是降低加热圈对空气的加热效应,空气中散失的能量减少了即提高了能源利用率。

2 电磁加热节能技术方案

该技术方案主要由电磁加热控制器、感应线圈2部分组成,料筒表面覆盖3cm左右厚的隔热保温材料,然后再绕制感应线圈,如图2所示。其工作过程为:电磁加热控制器先将50Hz交流电流为直流电,再基于串联或关联谐振电路产生20~40kHz的高频交流电流,高频交流电流在感应线圈中流动产生交变磁场,当磁场内的磁力线穿过导磁性金属制成的料筒,从而在料筒表面形成无数小漩涡,该漩涡使得料筒表面快速发热,从而实现电能到料筒热能的转化。

该技术方案的节能主要通过二方面实现,一是在料筒表面形成涡流实现加热,即料筒自身直接发热,发热效率能够达到90%,具有较高的电能到热能转换效率,并且相比加热圈方式减少热能从加热圈到料筒的传导环节;二是料筒表面与线圈之间包裹了较厚的隔热保温材料,避免了高温料筒直接暴露在空气中,从而减少了对空气加热导致的能量损失。不难理解,前者更多起到快速加热升温的效果,而后者才是该技术方案节能最根本的原因。

选择某企业的电磁加热产品进行安装及实测,测得数据详见表1。表1中升温阶段指从室温升到220℃,表面平均温度以料筒表面间隔20cm为测温点,多点平均计算得到。测试中使用MA1600G型注塑机、PP料、蚊香盘模具。从测试数据、测试过程、结合节能原理及用户使用情况调查,有以下分析及相关结论。

1)具有输出功率大、料筒直接发料特点,因此升温快速,可以减少一定的升温准备时间。另外,由于料筒表面与线圈之间包裹了较厚的隔热材料,避免了加热空气导致的能量损耗,因此具有较明显的节能效果。但是与红外加热、节能环方案比较,该方案本身存在一定的能量损耗(约几十瓦),包括电磁加热控制器的耗能,特别是该控制器内部的IGBT功率管有非常明显的发热,需要风扇来散热降温;另外感应线圈上流经高频大电流,线圈本身也会产生较大的发热从而损失能量(线圈表面测得较高温度,主要由线圈损耗发热引起),当线圈绕制匹配不佳、线缆内阻较大、引线过长时尤为明显。所以,该方案在中低功率的应用中节能效果略差。

2)加热原理同电磁炉,但工作环境严酷很多、限制条件很多很多,包括:注塑机通常24h连续工作,工作时间长、可靠性要求高;加热通常以10s为周期控温输出,因此需要频繁启停;某些工况下料筒会频繁进退,存在较大的运动冲击和振动;料筒比较长,需要多段温控,多段感应线圈之间存在相互耦合,影响工作稳定性;料筒与其他机械部件之间结构比较紧凑,并且随着座台进退相对位置会发生改变,尤其喷嘴部分,线圈绕制难度很大;车间环境温度较高等。这些不利因素都对该方案产品的工作可靠性带来严重挑战。根据观察,即便设计良好的电磁加热控制器产品,受线圈绕制等使用因素及上述现场客观不利条件的影响,工作可靠性也不尽如人意。

3)安装麻烦、可维护性差。感应线圈通常只能一圈圈在现场绕制,需要专业人员携带专业仪器在现场完成,不仅费时费力(绕制测试样机时2人用了3个多小时),如果绕制不佳,还影响节能效果。某些工况下的机器(如使用腐蚀性原料、增加玻璃纤维辅料等),料筒半年左右就需要更换;另外料筒与感应线圈之间的隔热材料,长时间高温下会有一定的收缩变形,或者受机械振动影响,感应线圈使用一段时间后容易出现松动,影响电磁加热器谐振特性。也就是说感应线圈需要不定期重新绕制,对厂家而言增加售后工作量,对用户而言是停机检修,影像设备使用率,也就是影响了生产效率。部分厂商也在尝试改进线圈工艺,如采用C型开口形式绕制线圈,以节省现场绕制时间,但是这类线圈影响输出功率、效率,并且容易导致涡流,发热部位不均匀进而引起料筒变形等问题,目前暂无较好的解决办法。

4)存在一定的安全隐患和风险。主要有二方面,一是感应线圈上流经大电流(通常10A以上),并且线圈两端存在近千伏高电压,如果线缆破损或者接插件接触不良之类,都可能引发严重后果;再是存在强磁场,向外围辐射可能影响其他设备正常工作和人身健康。综上评估,电磁加热节能技术方案应用于注塑机料筒加热虽然可以获得较好的节能效果,但局限性大,并不是最理想、可以全面推广的方案。

3 红外加热节能技术方案

该技术方案由红外发热元件、镜面反射层和隔热保温层等结构组成,如图3所示。其中,采用红外发热元件代替电阻丝加热圈,热能传递方式由传导变成了辐射;镜面反射层的作用在于向料筒表面汇聚反射红外光,以加强辐射效果;隔热保温层的作用同样在于隔绝空气,避免高温料筒直接暴露在空气中,从而减少对空气加热导致的能量损失。红外发热元件经历了普通石英红外灯管到陶瓷或碳纤维远红外灯管的发展,发热效率、传热效率及其它特性都得到了一定的提高。

该技术方案的节能主要通过二方面实现,一是利用红外发热元件,特别是远红外灯管,热转换效率可以达到99%,再辅以镜面反射层等结构设计,保证良好的辐射形式热能传递;二是隔热保温层起到的减少对空气加热引起的能量损失。同电磁加热节能方案类似,隔热保温层是节能的关键。

选择某企业的远红外加热产品进行安装及实测,测得数据详见表1.从测试数据、测试过程、结合节能原理及用户使用情况调查,有以下分析及相关结论。

1)具有较好的节能效果。如前文所述,得益于红外发热元件较高的热转换和传输效率,特别是厚达4cm左右的隔热保温层,有效减少了热能散失空气中。

2)产品通常采用金属外壳、二个半圆开合的安装结构,加上16~24支红外发热管支架及对应镜面反射层等,总体而言结构比较复杂,并且需要与料筒尺寸比较精确的配合。结构复杂、红外发热管多,导致该方案成本偏高;而与料筒尺寸需要精确配合则影响了该方案产品的标准化、批量生产,进一步推高成本。该方案产品的厚度尺寸通常在5~7cm,其中灯管约1cm、距离料筒表面约1cm、隔热保温层厚2~4cm。这一厚度在局部或者一些结构紧凑的机型上安装受限,曾有厂家通过压缩隔热保温层厚度来减小尺寸,但节能效果显著下降。

3)红外发热元件有功率衰减和易碎的问题。即便使用陶瓷或纤维远红外灯管,其寿命也基本在10000h以内,按50%占空比加热输出,工作寿命约200d,对用户而言存在使用成本偏高的问题。事实上,随着使用时间增加,功率逐步衰减,对于部分需要较大加热功率的产品,可能更早出现功率不足而更换的情况。红外灯管由石英、陶瓷或碳纤维等材料制成,都比较脆,尤其是高温发热时更加易碎。注塑机工作过程存在较大的振动,某些需要座台进和退的工况,更是存在比较大的机械冲击,再加上安装使用过程中的一些机械外力,灯管破碎情况比较多,增加了售后维护和使用成本。

4)产品销售价格高于电磁加热和节能环方案。

综上评估,红外加热节能技术方案应用于注塑机料筒加热可以获得较好的节能效果,但存在结构复杂、灯管功率衰减和易碎等问题,且产品价格及使用成本偏高,因此,认为该方案适用作小批量、特殊订制等场合的料筒加热节能方案。

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