石英管加熱器技術在擠塑機加熱系統(tǒng)中的應用分析

張志方, 夏世文

(1.金杯電工股份有限公司, 長沙 410205;2.武漢第二電線電纜有限公司, 武漢 430000)

0 引言

塑料機械發(fā)展至今,已經(jīng)達到具有一定規(guī)模的高精度、高技術的階段。 其中,加熱系統(tǒng)也經(jīng)過幾個發(fā)展歷程,包括液體加熱方法、電阻加熱法、石英加熱法、電磁加熱法[1],多用于擠塑機和擠出機。 擠塑機主機主要由擠出系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和機身組成,其原理是塑料通過加熱系統(tǒng)加熱熔融,再通過擠出系統(tǒng)塑化成均勻的熔體,并在壓力下被螺桿連續(xù)定壓、定量、定溫地擠出機頭。 要實現(xiàn)塑料的成型擠出,關鍵部分為擠壓系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)。 一方面,加熱系統(tǒng)中加熱溫度的平穩(wěn)性等方面對塑料制品的質(zhì)量起到關鍵性作用[2-3];另一方面,擠塑機設備的電能耗成本在企業(yè)整體成本中占相當?shù)谋壤?而傳動系統(tǒng)中的主電機與加熱系統(tǒng)輸入能量占擠塑機設備能耗比為91.63%[4]。 因此,企業(yè)需要根據(jù)自身情況,并結(jié)合當前節(jié)能低碳、綠色制造的環(huán)境,探索新型加熱技術,制造出更節(jié)能環(huán)保的綠色產(chǎn)品,同時降低企業(yè)整體的能耗與成本。

本工作對φ150 型擠塑機(SJ-150 單螺桿結(jié)構)、φ120 型擠塑機(SJ-120 單螺桿結(jié)構)及φ90 型擠塑機(SJ-90 單螺桿結(jié)構)主機加熱系統(tǒng)進行改造,將現(xiàn)有鑄鋁加熱器替換成石英管加熱器,并對其改造后的應用效果進行分析、研究。 通過統(tǒng)計設備運行12 個月每月的耗電,分析對比了3 種擠塑機型改造前后在升溫過程中主機加熱部分功率的變化和差異,驗證了石英管加熱器在擠塑機加熱系統(tǒng)中的可行性。

1 鑄鋁加熱器技術

目前,擠塑機的加熱系統(tǒng)常采用的加熱技術是鑄鋁加熱器,鑄鋁加熱器結(jié)構示意圖見圖1。

鑄鋁加熱器是將電阻絲裝于金屬管中,并填進氧化鎂粉之類的絕緣材料,然后將此金屬管鑄于鋁合金中。 該鑄鋁加熱器是經(jīng)改進后的電阻加熱器,相較于舊式電阻加熱器,既保持了體積小、加熱溫度較高及裝設簡單的優(yōu)點,又省去云母片,降低了加熱器的成本。 鑄鋁加熱器的最高加熱溫度一般為350 ～370 ℃。 此外,由于電阻絲裝于加熱金屬管內(nèi)密實的氧化鎂粉中,具有防氧化、防潮、防震和防爆等性能,提高了加熱器的使用壽命和傳熱效果。

但是,鑄鋁加熱器所需功率大,外部無保溫結(jié)構,導致熱量損失較大,降低了最終的加熱效率,需要消耗更多的能源與成本以保障持續(xù)的生產(chǎn)。 研究表明,鑄鋁加熱器的熱效率只有32%,其余68% 的熱能損耗會擴散到空氣中, 使外殼溫度大于200 ℃[5],既不符合當前低碳節(jié)能、綠色環(huán)保及高質(zhì)量發(fā)展的理念,也不符合降本增效和可持續(xù)發(fā)展的要求。

2 石英管加熱器技術

石英管加熱器結(jié)構從內(nèi)至外依次為石英管發(fā)熱層、反射層、保溫層和外殼,結(jié)構示意圖見圖2。

圖2 石英管加熱器結(jié)構示意圖

石英管加熱器的加熱原理是將通電的電阻絲穿入石英玻璃管中,石英玻璃管能夠反射電阻絲產(chǎn)生的熱能和光能。 安裝時,石英玻璃管貼近機筒的一面,不僅能夠直接傳導熱光能量,通過反射作用將熱量輻射到機筒面,還能夠有效防止熱量流失,不需要在加熱外側(cè)和端面添加具有反光功能的保溫材料進行保溫[6]。 石英管加熱器體積較小,質(zhì)量較輕,裝卸方便,加熱效率高,且維護簡單,但成本與鑄鋁加熱器相當[4]。 故障時,一般只是單根石英加熱管損壞,直接替換即可。

3 改造應用與效果對比

3.1 技術參數(shù)對比

本工作對φ150 型、φ120 型、φ90 型擠塑機進行了主機加熱部分的改造,將鑄鋁加熱器替換為石英管加熱器。 技術改造后,通過石英加熱系統(tǒng)對螺筒內(nèi)的原料進行加熱,預熱90 min。 各擠塑機具體技術參數(shù)見表1。

表1 3 種擠塑機的技術參數(shù)

由表1 可知,φ150 型擠塑機在升溫過程中主機加熱部分功率最高為66 kW;改造后,升溫過程中主機加熱部分功率最高為38 kW,改造后節(jié)電率為42%。φ120 型擠塑機在升溫過程中主機加熱部分功率最高為60 kW;改造后,升溫過程中主機加熱部分最高功率為33 kW,改造后節(jié)電率為45%。φ90型擠塑機在升溫過程中主機加熱部分功率最高為35 kW;改造后,升溫過程中主機加熱部分功率最高為24 kW,改造后節(jié)電率為32%。

3.2 功率對比

擠塑機加熱系統(tǒng)主要通過電加熱塊加熱,其包括電熱絲、正溫度系數(shù)熱敏電阻、電磁鐵、鐵板、彈性件、正接電板和負接電板。 正接電板和負接電板串聯(lián),正溫度系數(shù)熱敏電阻和電磁鐵串聯(lián);電熱絲和正溫度系數(shù)熱敏電阻位于擠塑機料筒的空腔內(nèi),正溫度系數(shù)熱敏電阻的居里溫度為預設溫度;電磁鐵與鐵板相對設置,空腔內(nèi)的溫度低于居里溫度時,電磁鐵通電對鐵板施加磁性吸附力,鐵板與正接電板、負接電板相抵,電熱絲工作。 空腔內(nèi)的溫度高于居里溫度時,鐵板在彈性件作用下與正接電板、負接電板分離,電熱絲斷電停止工作,避免了加熱溫度出現(xiàn)較大幅度的變化,使得加熱溫度恒定在預設溫度左右。改造后,在保持溫控區(qū)段一致的情況下,選用單塊功率小的加熱塊,以此來控制總功率。 改造前后主機部分的加熱總功率對比見表2。

表2 改造前后主機部分加熱總功率對比

由表2 可知,改造前φ150 型、φ120 型、φ90 型擠塑機主機部分的總加熱功率分別為108,66,40 kW,改造后分別為72,42,25 kW。 由此得知,3 種機型擠塑機改造后主機部分的加熱總功率均明顯低于改造前。

3.2.1 能耗分析

擠塑機加熱系統(tǒng)改造后,投入生產(chǎn)使用,記錄φ150 型、φ120 型、φ90 型擠塑機設備運行12 個月的用電量數(shù)據(jù),并與改造前擠塑機設備的用電量對比,對比結(jié)果見圖3。

圖3 改造前后設備用電量對比

由圖3 可知,φ150 型擠塑機主機加熱部分在改造前每年總的耗電量為290 837 kW·h;改造后的耗電量為168 587 kW·h,節(jié)約電量為122 250 kW·h;φ120 型擠塑機主機加熱部分在改造前的每年總耗電量為 123 210 kW·h, 改造后的耗電量為67 765 kW·h,節(jié)約電量55 445 kW·h;φ90 型擠塑機主機加熱部分在改造前每年總的耗電量為85 335 kW·h,改造后的耗電量為58 029 kW·h,節(jié)約電量為27 306 kW·h。由此可知,3 種機型擠塑機改造后主機部分每年總的耗電量均明顯低于改造前,可有效降低能耗。

3.2.2 經(jīng)濟效益分析

改造后的φ150 型、φ120 型、φ90 型擠塑機全年節(jié)約電量分別為122 250,55 445,27 306 kW·h。改造前后全年總能耗對比見表3。

由表3 可知,改造后的φ150 型、φ120 型、φ90型擠塑機全年共計節(jié)約電量為205 001 kW·h,按照現(xiàn)在用電單價計算,全年可節(jié)約14.4 萬元。 同時,一整年石英管加熱器運行情況良好,未出現(xiàn)內(nèi)部石英加熱管損壞的情況。

4 結(jié)束語

本工作對φ150 型、φ120 型及φ90 型3 臺擠塑機的加熱系統(tǒng)進行改造,將傳統(tǒng)的鑄鋁加熱器替換為石英管加熱器,并經(jīng)實際生產(chǎn)驗證,其節(jié)電率分別達到42%,45%,32%,證明了石英管加熱器具有較高的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益,具有較好的推廣價值,可供國內(nèi)同行借鑒。