El uso de energía de la extrusión de plástico es uno de esos costos que realmente notas cuando aparece la factura. Si la línea funciona día tras día, el impacto es mayor. Así que la verdadera cuestión no es recortar un pequeño porcentaje en alguna parte; se trata de descubrir hacia dónde va realmente la energía. Una vez que se tiene esa imagen, las formas de reducir el consumo de energía de la extrusora comienzan a parecer específicas y factibles.
Donde una extrusora usa energía
En una extrusora de tornillo típica, alrededor del 60% al 70% de la energía se destina al motor y al sistema de accionamiento, del 20% al 30% al calentamiento del barril (muchas líneas estiman esto a mano) y el resto al enfriamiento, los auxiliares y las pérdidas (Fig. 1). Estos números son útiles como punto de partida aproximado y, sin duda, varían de una línea a otra, pero no son reglas. Incluso dentro de la misma línea, las proporciones relativas cambiarán según el diseño del tornillo, el material, el rendimiento, los puntos de ajuste de temperatura y la forma en que se opera la línea.
A veces se describe el motor como simplemente girar un tornillo. Esa descripción pasa por alto la mayor parte del trabajo. De hecho, el propulsor debe transportar sólidos a través del barril, ablandarlos y fundirlos, mezclar la masa fundida, generar presión y superar la resistencia al corte. La energía se consume en todos esos pasos. Una parte resulta útil fundiéndola y mezclándola; parte se convierte en calor que debe eliminarse mediante enfriamiento. Por tanto, la eficiencia del motor y el comportamiento del proceso no se pueden evaluar por separado.
Eficiencia del motor y de la transmisión
Es posible que las máquinas más antiguas todavía utilicen motores de CC o motores de CA estándar con control de velocidad electromagnético (que pueden funcionar, pero a menudo son menos eficientes que los variadores más modernos). Un variador de frecuencia es ahora una base común: le permite girar el tornillo a la velocidad adecuada para la carga en lugar de hacerlo a una velocidad alta fija y acelerar en otro lugar. Pero el beneficio práctico va más allá de la electricidad: un mejor control de la velocidad mejora la estabilidad del proceso y reduce el aporte innecesario de energía mecánica.
Un variador de frecuencia es ahora una base común. Permite que la velocidad del tornillo coincida con la carga real en lugar de funcionar a una velocidad alta fija y acelerar en otro lugar. El beneficio práctico no es sólo eléctrico. Un mejor control de la velocidad también puede mejorar la estabilidad del proceso y reducir la entrada innecesaria de energía mecánica.
Los motores síncronos de imanes permanentes son otra opción. Un PMSM puede ser más eficiente que un motor de inducción trifásico estándar y la diferencia suele ser más notable a baja velocidad y carga ligera. La ganancia exacta depende del tamaño del motor, el perfil de carga, el método de control y el resto del tren motriz. En la práctica, un motor y un variador bien combinados son más valiosos que un motor más grande que funciona muy por debajo de su rango eficiente. Una mayor potencia instalada no significa automáticamente un mejor rendimiento. Puede significar mayores pérdidas sin carga, un factor de potencia más pobre y más energía consumida por kilogramo de producto.
Calentamiento de barriles y eficiencia térmica.
El calentamiento de barriles es la segunda carga importante. Las bandas calefactoras de aluminio fundido convencionales son comunes, pero no son especialmente eficientes. Una parte importante del calor puede perderse al aire circundante. En un taller cálido, esa pérdida también se suma a la carga de refrigeración, lo que supone una doble penalización.
El aislamiento ayuda. Lo mismo ocurre con los métodos de calentamiento alternativos, como el calentamiento electromagnético y las bobinas de calentamiento por infrarrojos o nanoinfrarrojos. Estos diseños a menudo se promueven para lograr una mayor eficiencia térmica, una respuesta más rápida y una temperatura superficial más baja. En algunas comparaciones de equipos, se ha informado que el cambio de bandas de aluminio fundido sin aislamiento a calentadores aislados de alta eficiencia reduce la energía de calefacción entre un 30% y un 50% aproximadamente. Esa cifra debe tratarse como un ejemplo direccional, no como un resultado garantizado. Los ahorros reales dependen del diseño del barril, los puntos de ajuste de temperatura, las condiciones de aislamiento, las condiciones ambientales y el proceso en sí.
La eficiencia de la calefacción también es una cuestión de proceso. Si una zona se enfría constantemente mientras el calentador todavía está agregando energía, es posible que el problema no sea solo el calentador. Puede ser un corte excesivo en esa zona, un control deficiente de la temperatura o un diseño de tornillo que genera más calor del que necesita el proceso. Reemplazar los calentadores sin abordar esas condiciones puede dejar gran parte del ahorro potencial sobre la mesa.
Diseño de tornillos y optimización de procesos.
La mayor parte de la energía que derrite el polímero no proviene de las bandas calefactoras. Viene del tornillo. El motor acciona el tornillo y el tornillo corta el material. Esa energía mecánica se convierte en calor. Esta es la razón por la que la configuración del tornillo tiene un efecto tan directo en el consumo de energía del extrusor.
Los bloques de amasado, su ángulo, su longitud y su posición influyen en la intensidad del corte y el tiempo de residencia. Una mayor cizalla puede mejorar la mezcla dispersiva, pero también eleva la temperatura de la masa fundida y puede aumentar la carga del motor. Si una zona exige regularmente mucha agua de refrigeración, es una señal de que el tornillo está generando más calor del que el proceso puede utilizar. El motor está trabajando, el material se está calentando y el sistema de enfriamiento está eliminando el calor extra. Desde el punto de vista energético, es un circuito que vale la pena examinar.
El diseño del tornillo debe equilibrarse con el material, la producción, los requisitos de mezcla y el producto final. No todas las aplicaciones de extrusión requieren un corte máximo. A veces, un perfil de tornillo más suave, combinado con elementos mezcladores adecuados, proporciona un mejor rendimiento general. La formulación también importa. Agregar un lubricante eficaz o reducir de otro modo la viscosidad del material fundido puede reducir la corriente del motor y reducir el calor cortante. El resultado es menos energía eléctrica convertida en calor que luego debe eliminarse.
Capacidad de producción y energía por tonelada.
El consumo de energía por tonelada es una medida más útil que la potencia nominal del motor. Una extrusora grande que funciona a baja producción puede consumir más energía por kilogramo que una máquina más pequeña que funciona cerca de su rango eficiente. El mismo principio se aplica dentro de una máquina.
Por ejemplo, una extrusora de 75 mm que funciona a una pequeña fracción de su capacidad normalmente tendrá un perfil energético deficiente en comparación con la misma máquina que funciona más cerca de su rango de producción diseñado. Las cifras exactas dependen del material, el tornillo, el accionamiento y el perfil de temperatura, pero la dirección es clara. La utilización importa. Lo mismo ocurre con el arranque, el apagado, la purga y los cambios de materiales. Cada minuto de funcionamiento inactivo sigue consumiendo energía, y los frecuentes cambios ineficientes se suman al total.
Por tanto, la gestión de la producción forma parte de la gestión energética. Programar ejecuciones más largas, reducir el tiempo de inactividad, adaptar la máquina al trabajo y mantener los parámetros del proceso dentro de una ventana eficiente puede ser tan importante como cualquier cambio de hardware.
Una visión del sistema de reducción de energía de extrusión.
La reducción efectiva de energía en la extrusión de plástico rara vez es una solución de un solo componente. Por lo general, proviene de una combinación de selección de motor y variador, eficiencia de calentamiento del barril, configuración del tornillo, formulación del material, parámetros del proceso, rendimiento y gestión de la producción. Mejorar un área ignorando las demás puede cambiar el problema en lugar de resolverlo. Por ejemplo, es posible que un motor de alta eficiencia no genere los ahorros esperados si el tornillo genera un corte excesivo y el sistema de enfriamiento está trabajando arduamente para eliminarlo. Es posible que un mejor sistema de calefacción no ayude mucho si el control de la temperatura es inestable o el cañón está mal aislado.
Para los fabricantes de equipos de extrusión, la eficiencia energética está estrechamente relacionada con el diseño de la máquina, la configuración del tornillo, la selección del accionamiento y el control del proceso. JWELL desarrolla equipos de extrusión para diferentes materiales y aplicaciones, con configuración del sistema adaptada a requisitos de producción específicos. El enfoque práctico es evaluar toda la línea: qué necesita el material, qué requiere el producto y cómo se opera realmente la máquina. Por lo general, esto produce ahorros más duraderos que perseguir una única afirmación de eficiencia.
La pregunta de dónde va la electricidad tiene una respuesta técnica: al motor, a los calentadores del barril, al corte y a las muchas pérdidas que aparecen cuando una línea funciona por debajo de su rango eficiente. La mejor pregunta es cuánta energía requiere cada tonelada de producto y qué se puede cambiar para reducirla. Eso desvía la atención de las etiquetas de los componentes al rendimiento del sistema. En la extrusión, los ahorros de energía más confiables tienden a provenir de hacer coincidir el motor y el variador con la carga, mejorar la eficiencia térmica, diseñar el tornillo para el proceso real y operar la línea a una producción sensata con una gestión de producción disciplinada.