關(guān)于單螺桿塑料擠出機的節(jié)能分析和設(shè)計

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)計的單螺桿塑料擠出機，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、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，是大勢所趨。單螺桿塑料擠出機能耗大的原因有很多，經(jīng)初步分析，除目前國內(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)單螺桿塑料擠出機的能耗主要發(fā)生在主傳動系統(tǒng)和機身的加熱冷卻系統(tǒng)，而且能耗比較大。這里僅以單螺桿塑料擠出機機身的加熱冷卻系統(tǒng)的能耗為例進(jìn)行分析、討論和說明。

1 擠出機的能量分析

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

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

由表1的統(tǒng)計分析可知：(1)輸入能量列主要是主電機和機筒加熱兩項;(2)能量消耗列共15項中，只有對應(yīng)于序號4的項(60．8%)是必需的，其余14項共消耗了39．2%的能量，其中由傳動系統(tǒng)耗損的能量占15．07%(主電機占14%)，加熱冷卻系統(tǒng)耗損的能量占21．91%，這兩項高于全部損耗的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，必須從減少電機和加熱冷卻系統(tǒng)的耗損這兩項著手。而電機的損耗可以采用目前倡導(dǎo)的高效電機及其節(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 擠出機能量消耗的指標(biāo)

在分析擠出機的能量消耗時，如果以消耗功率絕對量的多少來評價能量消耗的高低，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為加工時消耗的能量，kW;Q為當(dāng)時的生產(chǎn)率，kg/h;P/Q即意味著每成型加工1kg制品所消耗的以kWh計量的電能)［1-2］和比流量(即q=Q實測/n實測，其中Q實測為實測的產(chǎn)量的數(shù)值，kg/h;n實測為實測的轉(zhuǎn)速的數(shù)值，r/min)［1-2］來作為比較的依據(jù)，并用這兩個指標(biāo)作為評定擠出機性能，或評價某個工藝方法價值高低的依據(jù)，相關(guān)的性能參數(shù)在國家標(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。

通常的擠出機設(shè)計主參數(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，對應(yīng)于表1中序號4的項從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上的能量占比表

表2 擠出機性能主參數(shù)表

改進(jìn)后擠出機的性能主參數(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)是可以實現(xiàn)的。其他的物料可以分別通過實驗確定，并可進(jìn)一步訂立相應(yīng)的能耗檢測標(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)單螺桿塑料擠出機采用的都是電阻絲加熱的方式，擠出機在預(yù)熱時需要較大的加熱功率，而在穩(wěn)定生產(chǎn)時只需要很小的功率，甚至于不要加熱而只需冷卻。溫度的控制必須適應(yīng)這個工藝特點，而以往都采用通斷控制的方式，接通電源時全功率加熱，不僅僅浪費了電能，而且還會因溫度波動而影響制品質(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，此時加熱功率會隨溫度接近設(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：在預(yù)熱時采用全功率加熱，而在正常生產(chǎn)后，電路自動切斷3/4～1/2的加熱功率，使得維持正常運轉(zhuǎn)的加熱功率僅為設(shè)計功率的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。

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

對于熱穩(wěn)定性較佳的塑料物料，在擠出機機筒表面采取絕熱措施，同時在機筒的外面圍上特殊設(shè)計的護(hù)罩。

表3 輸入和消耗在擠出機上的能量占比表

表4 擠出機性能主參數(shù)表

對于熱穩(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，僅在擠出機機筒外面圍以特殊設(shè)計的護(hù)罩，其內(nèi)壁鏡面將熱量反射回機筒，罩子與機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。

雖然這樣做會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變得有些復(fù)雜，工藝上需對應(yīng)處置，但對制品質(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，在擠出機方面的應(yīng)用得以突破，使得擠出機傳統(tǒng)的加熱概念得到更新。通過實驗和實際項目的實施，證明電磁感應(yīng)加熱方式不但具有加熱時間短、升溫快、溫度波動小等諸多優(yōu)點，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)濟的優(yōu)勢。

4 關(guān)于設(shè)計的幾點建議

目前在國內(nèi)的擠出機設(shè)計中應(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，同時要考慮輔機進(jìn)行設(shè)計，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)計得當(dāng)，單耗值P/Q不僅不會上升，相反由于混合均勻而會有所下降，效果會更佳。(3)對不同的物料，應(yīng)采用不同型式的螺桿和擠出結(jié)構(gòu)設(shè)計，盡量細(xì)分。在通用和專用之間權(quán)衡利弊得失時，應(yīng)避免在同一臺擠出機上加工很多種物料制品，那樣會導(dǎo)致調(diào)速范圍很大，出現(xiàn)電機功率只能按最大載荷選擇而不經(jīng)濟的弊病。

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)對于其他規(guī)格和型號的擠出機可能會有所出入。但從所分析的事例來看，當(dāng)前擠出機節(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。從節(jié)能的觀點來設(shè)計和選擇擠出機，以及正確地選擇加工工藝條件，在單螺桿塑料擠出機中節(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)識到它的重要性并落到實處，對改變長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．塑料機械設(shè)計［M］．北京：中國輕工業(yè)出版社，1994．

［2］ 中華人民共和國工業(yè)和信息化部．JB/T 8061-2011單螺桿塑料擠出機［S］．1版．北京：機械工業(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：中國輕工業(yè)出版社，1996．