挖掘节能潜力：挤出工艺优化的关键因素

不断上涨的电价以及日益严苛的能效法规，正倒逼企业加大对节能工艺技术的投入。在塑料加工过程中，热量传递始终居于核心地位——无论是材料加热以便成型或添加助剂，还是之后的冷却工序，皆是如此。这一过程从热成像图中便可见一斑，切粒工序（标题图）就是一个直观的例子。

标题图：料条切粒的热成像图——亮/红色区域表示高温，暗/蓝色区域表示低温 © SKZ

从口模挤出的物料被加热至约280°C，随后在敞口水槽中冷却至接近室温。提升能效的策略涉及多种能量流的综合利用。

◆ 电动驱动装置的需求导向设计；
◆ 物料预热可降低塑化所需能量，理想情况下可利用工艺产生的余热；
◆ 可持续冷却，例如采用按需再冷却策略。

其他经济有效的措施包括：通过更好的保温设计减少能量损失，以及使用能效更高的机器部件；针对特定物料优化挤出机螺杆设计，可改善塑化效果并降低能耗。这些措施的投资回报期通常不到一年。为了在能源优化中合理设定优先级，采用系统化方法尤为重要。例如，可采用ISO 50001的“计划-执行-检查-处理”（PDCA）循环，并辅以能源审计或ABC分析来确定各项措施的优先级。

提高能效的最大潜力在于驱动技术

在塑料加工中，挤出机的主驱动装置是主要能耗设备之一，因而节能的关键因素在于选择合适的电机系统。该系统通常包括电机、变频器，必要时还需配备齿轮箱。在工业应用中，电动驱动设备生命周期成本的98%以上来自能源消耗（图1）。

图1：挤出机驱动装置的典型生命周期成本分析 © SKZ

在技术寿命期内，购置和维护等因素对总成本的影响较为次要。因此，即使初始投资较高，从长远来看，投资高能效驱动装置在经济上也是合理的。除了高能效外，挤出机驱动装置还必须能够承受热负荷，并提供机械耐久性及精确的扭矩控制。

能效、防护等级、维护便利性和冷却方案都是核心考虑因素。以下详细介绍不同类型的电驱动装置：
◆ 异步电机：技术成熟可靠、采购成本低，且在全负载范围内具有较高能效，但在低速运行时存在劣势，并且存在因轴承电流导致的轴承发热问题。
◆ 同步电机：尤其是永磁同步电机（PM电机）——即使在部分负载范围内也能保持高能效，但维护复杂。
◆ 同步磁阻电机：是工业领域中一项具有前景的新技术，能效更高、转子损耗极小且功率密度高。然而，由于其无功电流消耗较大，且必须与变频器配合使用，因此需要精确设计。
◆ 扭矩电机：作为无齿轮箱的直接驱动解决方案，具有最高的能效和稳定的运行性能，但由于初始投资较高，更适合大型设备。

考虑到挤出机的使用寿命较长，投资决策不应仅基于购置成本。综合考虑能耗和维护成本，才能更真实地反映其经济效益。特别是同步磁阻电机，未来潜力巨大，随着技术的进步，有望在工业挤出成型领域发挥日益重要的作用。

图2：基于聚苯乙烯焓变的节能潜力估算 © SKZ

利用余热进行物料预热

加工前对物料进行预热，可降低挤出机塑化所需的电能消耗。由于工艺中的焓增（ΔH）减小，所需的驱动功率（E）也会相应降低。利用工艺冷却产生的余热进行预热，可进一步降低一次能源消耗。

德国楚泽协会（Zuse Association）成员德国SKZ塑料中心通过实验验证了这一效果。图2基于聚苯乙烯的焓值曲线，展示了进料温度分别为23°C（无预热）、60°C和80°C时的计算节能与实测节能情况。

SKZ技术中心的实验证明，理论与实际应用具有极强的相关性。例如，通过预热，挤出机驱动装置的电能消耗可降低高达20%，且不会对材料的热稳定性、冲击强度或拉伸性能等特性产生负面影响。对于储存在室外筒仓中的物料，预热还可抵消季节性温度波动的影响。

可持续工艺冷却的潜力与挑战

挤出机范畴以外的工业冷却技术的能效也值得关注。同时，由于欧盟《含氟气体法规》（F-Gas Regulation）和《制冷与空调指令》等法律法规的要求，人们越来越关注全球变暖潜能值（GWP）低的环保制冷剂。氨、二氧化碳和水等天然制冷剂被认为是极具气候友好性的选择。替代冷却技术，如热驱动工艺（如利用余热的吸收式制冷），在节能和减排方面具有巨大潜力。然而，这些技术尚未得到广泛应用，主要原因是缺乏关于其成本效益、效率和实用性的相关信息。

总结

提高塑料加工的能效可带来显著的经济和生态效益。几乎在所有工艺环节都存在节能潜力，无论是通过优化驱动技术、利用余热进行物料预热，还是采用可持续冷却解决方案。将技术手段与能源评估相结合的整体系统化方法是关键所在。这种方法可优化与能源相关的各项工艺，从而降低能源成本和二氧化碳排放量。

本文由荣格独家翻译自Plastics Insights杂志
作者：Julius Ort，Dr. rer. nat. Thomas Hochrein，Prof. Dr.-Ing. Martin Bastian

来源：荣格-《国际塑料商情》

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