挖掘節能潛力：擠出工藝優化的關鍵因素

不斷上漲的電價以及日益嚴苛的能效法規，正倒逼企業加大對節能工藝技術的投入。在塑料加工過程中，熱量傳遞始終居于核心地位——無論是材料加熱以便成型或添加助劑，還是之后的冷卻工序，皆是如此。這一過程從熱成像圖中便可見一斑，切粒工序（標題圖）就是一個直觀的例子。

標題圖：料條切粒的熱成像圖——亮/紅色區域表示高溫，暗/藍色區域表示低溫 © SKZ

從口模擠出的物料被加熱至約280°C，隨后在敞口水槽中冷卻至接近室溫。提升能效的策略涉及多種能量流的綜合利用。

◆ 電動驅動裝置的需求導向設計；
◆ 物料預熱可降低塑化所需能量，理想情況下可利用工藝產生的余熱；
◆ 可持續冷卻，例如采用按需再冷卻策略。

其他經濟有效的措施包括：通過更好的保溫設計減少能量損失，以及使用能效更高的機器部件；針對特定物料優化擠出機螺桿設計，可改善塑化效果并降低能耗。這些措施的投資回報期通常不到一年。為了在能源優化中合理設定優先級，采用系統化方法尤為重要。例如，可采用ISO 50001的“計劃-執行-檢查-處理”（PDCA）循環，并輔以能源審計或ABC分析來確定各項措施的優先級。

提高能效的最大潛力在于驅動技術

在塑料加工中，擠出機的主驅動裝置是主要能耗設備之一，因而節能的關鍵因素在于選擇合適的電機系統。該系統通常包括電機、變頻器，必要時還需配備齒輪箱。在工業應用中，電動驅動設備生命周期成本的98%以上來自能源消耗（圖1）。

圖1：擠出機驅動裝置的典型生命周期成本分析 © SKZ

在技術壽命期內，購置和維護等因素對總成本的影響較為次要。因此，即使初始投資較高，從長遠來看，投資高能效驅動裝置在經濟上也是合理的。除了高能效外，擠出機驅動裝置還必須能夠承受熱負荷，并提供機械耐久性及精確的扭矩控制。

能效、防護等級、維護便利性和冷卻方案都是核心考慮因素。以下詳細介紹不同類型的電驅動裝置：
◆ 異步電機：技術成熟可靠、采購成本低，且在全負載范圍內具有較高能效，但在低速運行時存在劣勢，并且存在因軸承電流導致的軸承發熱問題。
◆ 同步電機：尤其是永磁同步電機（PM電機）——即使在部分負載范圍內也能保持高能效，但維護復雜。
◆ 同步磁阻電機：是工業領域中一項具有前景的新技術，能效更高、轉子損耗極小且功率密度高。然而，由于其無功電流消耗較大，且必須與變頻器配合使用，因此需要精確設計。
◆ 扭矩電機：作為無齒輪箱的直接驅動解決方案，具有最高的能效和穩定的運行性能，但由于初始投資較高，更適合大型設備。

考慮到擠出機的使用壽命較長，投資決策不應僅基于購置成本。綜合考慮能耗和維護成本，才能更真實地反映其經濟效益。特別是同步磁阻電機，未來潛力巨大，隨著技術的進步，有望在工業擠出成型領域發揮日益重要的作用。

圖2：基于聚苯乙烯焓變的節能潛力估算 © SKZ

利用余熱進行物料預熱

加工前對物料進行預熱，可降低擠出機塑化所需的電能消耗。由于工藝中的焓增（ΔH）減小，所需的驅動功率（E）也會相應降低。利用工藝冷卻產生的余熱進行預熱，可進一步降低一次能源消耗。

德國楚澤協會（Zuse Association）成員德國SKZ塑料中心通過實驗驗證了這一效果。圖2基于聚苯乙烯的焓值曲線，展示了進料溫度分別為23°C（無預熱）、60°C和80°C時的計算節能與實測節能情況。

SKZ技術中心的實驗證明，理論與實際應用具有極強的相關性。例如，通過預熱，擠出機驅動裝置的電能消耗可降低高達20%，且不會對材料的熱穩定性、沖擊強度或拉伸性能等特性產生負面影響。對于儲存在室外筒倉中的物料，預熱還可抵消季節性溫度波動的影響。

可持續工藝冷卻的潛力與挑戰

擠出機范疇以外的工業冷卻技術的能效也值得關注。同時，由于歐盟《含氟氣體法規》（F-Gas Regulation）和《制冷與空調指令》等法律法規的要求，人們越來越關注全球變暖潛能值（GWP）低的環保制冷劑。氨、二氧化碳和水等天然制冷劑被認為是極具氣候友好性的選擇。替代冷卻技術，如熱驅動工藝（如利用余熱的吸收式制冷），在節能和減排方面具有巨大潛力。然而，這些技術尚未得到廣泛應用，主要原因是缺乏關于其成本效益、效率和實用性的相關信息。

總結

提高塑料加工的能效可帶來顯著的經濟和生態效益。幾乎在所有工藝環節都存在節能潛力，無論是通過優化驅動技術、利用余熱進行物料預熱，還是采用可持續冷卻解決方案。將技術手段與能源評估相結合的整體系統化方法是關鍵所在。這種方法可優化與能源相關的各項工藝，從而降低能源成本和二氧化碳排放量。

本文由榮格獨家翻譯自Plastics Insights雜志
作者：Julius Ort，Dr. rer. nat. Thomas Hochrein，Prof. Dr.-Ing. Martin Bastian

來源：榮格-《國際塑料商情》

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