Hatékony energiafelhasználás a fröccsöntésben * Az energiafelhasználás az utóbbi idõben az egész világra kiterjedõ politikai témává vált. A mûanyag-feldolgozó iparban is egyre inkább elõtérbe kerül az erõforrások gazdaságos kezelése. A termelékenységnövelés, az automatizálás és a folyamatkompetencia mellett napjainkban az energiahatékonyság is a fontos sikertényezõk közé tartozik. Az ARBURG már azelõtt is kiemelt figyelmet fordított az energiatakarékosságra saját termékeit és azok gyártását illetõen, hogy az energiaárak az utóbbi idõben tapasztalható mértékben megemelkedtek volna. A vállalat hosszú idõ óta arra törekszik, hogy kihasználja az összes új, innovatív lehetõséget az energiatakarékos gyártás és a környezet tehermentesítése érdekében. Ezen túlmenõen az energiatakarékos gyártással ahhoz is hozzájárul, hogy az energiafelhasználást ügyfeleinél csökkentse. Ezeket az intézkedéseket az Energy Efficiency Allround kezdeményezés foglalja magában. A fröccsöntés energiamérlege A fröccsöntött mûanyag alkatrészek gyártását a növekvõ energiaköltségek miatt fokozottan elemzik és vizsgálják az energiafelhasználás és -takarékosság szempontjából. A gyártóeszköz és -berendezés kiválasztása nagymértékben befolyásolja a fröccsöntõ-gyártórendszer késõbbi hatékonyságát. Éppen ezért nagyon fontos, hogy a fröccsöntési folyamatot integrált egységként kezeljék. A fröccsöntési folyamat során a mûanyag többfokozatú energiaátalakuláson megy keresztül, mialatt granulátumból kész alkatrésszé alakul. A granulátum kondicionálástól a képlékenyítésen és az alakadáson keresztül egészen a lehûtés folyamatáig energiafelvétel, -szállítás és -leadás megy végbe. A fröccsöntõ gép mellett további energiafogyasztók mûködnek közre, amelyek az alkalmazástól függõen jelentõsen hozzájárulhatnak a teljes energiafelhasználáshoz. A fröccsöntõ-gyártórendszer energiamérlegét a bevezetett, túlnyomórészt KRAIBÜHLER, HERBERT ** ügyvezetõ igazgató 1. ábra. A fröccsöntési folyamat teljes energiamérlege elektromos energia és az elvezetett, vagyis a hõenergia egymáshoz viszonyított aránya határozza meg. A teljes fröccsöntési folyamat több elhatárolható feladatra és felelõsségi területre tagolható: fröccsöntõ gép, szerszámok és perifériák (1. ábra). A hulladékhõ fajtája szerinti megkülönböztetés Alaposabb megfigyelés során megállapíthatjuk, hogy az elvezetett energiának két típusa van, az egyik a környezetnek leadott hulladékhõ. Ide tartozik a képlékenyítõ henger, a gépállvány (olajtartály és kapcsolószekrény), továbbá a szerszám (amennyiben fûtött szerszámról van szó) és a szobahõmérsékletre lehûtött kész fröccsöntött alkatrész sugárzása és konvekciója. A másik típust a hûtõvízzel együtt vezetjük el. Ide tartozik az olajhûtés, a kapcsolószekrény folyadékkal történõ temperálása, valamint a szerszámtemperálás hûtõ- vagy temperáló készülékek alkalmazásával. Ahhoz, hogy a fröccsöntõ-rendszer energiatakaré- 2. ábra. Sugárzással a környezetbe távozó és a hûtõvízzel hasznosítható hõmennyiség Mûszaki fejlesztések * Fordította és sajtó alá rendezte Hollikné Fintor Gabriella, az Arburg Hungária Kft. ügyvezetõ igazgatója ** Arburg 2008. 45. évfolyam, 9. szám 341
kosságát összességében lehessen értékelni, a környezetet fûtõ, illetve a hûtõvizet melegítõ energiákat el kell különíteni egymástól. Amíg a környezet levegõjét felmelegítõ hõt klímaberendezésekkel vagy szellõzõrendszereken keresztül legtöbbször drágán kell eltávolítani, addig a hûtõvízzel távozó energia újrahasznosítható, amennyiben ezt más folyamatokhoz rendelik hozzá, és ezáltal újrafelhasználják (2. ábra). Az energiatakarékosság meghatározása A fröccsöntési folyamat energiafelhasználását a primer elektromos energia meghajtási vagy hõenergiává történõ hatékony átalakítása határozza meg. A különbözõ fröccsöntési folyamatok és a hatékonyabb mérés érdekében a különbözõ fröccsöntõ-gyártórendszerek összehasonlítási alapjaként a mûanyag energiaigénye, az ún. entalpia használható. Az anyagfüggõ entalpia az 1 kg anyag felolvasztásához elméletileg szükséges hõenergia. Ez a mûanyag granulátum olvadékká történõ átalakításához elméletileg szükséges energiaigény az egész folyamat hatékonyságának meghatározására használható. A fröccsöntõ gép energiafelhasználását, a gépek jellemzõin kívül, a folyamat jellege is nagymértékben befolyásolja. Ha csak a fröccsöntõ gépek energiafelhasználását hasonlítjuk össze, akkor a különbözõ folyamat-beállítások és -sorrendek figyelmen kívül maradnak. Ezért gyakran érdemesebb a fajlagos energiafelhasználást alkalmazni. Ezeket az értékeket a töltetsúly és ciklusidõ is befolyásolja, így az energia-megtakarítás közvetlenül az alkalmazással összefüggésben határozható meg. A fröccsöntõ gépek energiatakarékosságának meghatározásakor kizárólag a saját energiafelhasználás figyelembe vételével végezhetõ valós összehasonlítás. Az energia optimális használata megköveteli a fröccsöntõ-gyártórendszer energiatakarékos üzemi pontok és ezzel az optimális hatásfokú munkapontok ismeretét. A hatékonyság meghatározása A folyamatba bevezetett energiát el is kell vezetni. Ha a mûanyag elméleti energiaigényét (entalpia) tekintjük viszonyítási pontnak, és a ténylegesen bevezetett energiához hasonlítjuk, akkor kiszámítható a fröccsöntõrendszer vagy a gép hatásfoka, azaz a mûanyagba bevezetett teljes energia részaránya (3. ábra). 3. ábra. Energiaveszteség energiaátalakulásnál 1 4. ábra. Energiaveszteség energiaátalakulásnál 2 Energia-megtakarítási potenciál Ha az olvadékban lévõ hõenergiát felhasznált energiának tekintjük, akkor ez és a bevezetett energia különbsége az energiaveszteség. Az energiahatékonyság növeléséhez tehát ezt kell csökkenteni. Egy fröccsöntõ gép bevezetett, illetve elvezetett energiájának döntõ része a meghajtórendszerbõl ered. Az energiatakarékos mûködés tehát a kiválasztott meghajtórendszertõl és annak méretezésétõl függ (4. ábra). Az energia-megtakarítási képesség Azt az energiát, amelyet nem vezetnek be, nem is kell elvezetni. A hatékonyságjavítás elsõ lépése tehát a kisebb energiafelhasználás. A jobb szigetelés és a mérsékeltebb energiafelhasználású meghajtórendszer alkalmazása mellett a meghajtórendszer hatékonyabb használata is fontos. Mivel az energiaveszteséget általában hõként kell elvezetni, az energiafelhasználás is csökken a géphûtés mérsékeltebb energiaigénye miatt. Mérlegelve a további lehetõségeket, energia folyadékhûtésû meghajtórendszerek alkalmazásával is megtakarítható, amelyek újrahasznosítják az elvezetett energiát. A fröccsöntési ciklus egyes elemeinek eltérõ energiaigénye miatt a meghajtásnak biztosítania kell a mindenkor szükséges energiát. Ebbõl a szempontból elõnyösebb az elektromechanikus közvetlen meghajtás, mivel azt csak az alkalmazás idõtartamára kell bekapcsolni, és nyugalmi állapotban lényegesen kevesebb energiát fo- 342 2008. 45. évfolyam, 9. szám
gyaszt. Ez a meghajtás különösen a hûlési fázisban takarít meg energiát a kisebb üresjárati veszteség miatt. A fröccsöntõ gép kialakítása határozza meg a meghajtástechnika méretezését, ezáltal annak alap-energiafelhasználását és teljesítményét is. A képlékenyítõ egység szigetelése Az egyik legjelentõsebb fogyasztó, a képlékenyítõ egység által sugárzott hõ csökkentésének legegyszerûbb módja a megfelelõ szigetelés kialakítása. Az ARBURG hengermodulok ebbõl a szempontból a legmodernebbek közé tartoznak. A hengermodulok szigetelésének tervezésénél feltétlenül figyelembe kell venni, hogy a túl vastag szigetelés a hõmérséklet szabályozhatóságát negatívan befolyásolja. A hatékonyságra való törekvés mellett a fõ cél az ellenõrzött, reprodukálható folyamat megvalósítása. Meghajtástechnika Egy szabványnak megfelelõ fröccsöntõ gép legalább öt mozgatótengellyel rendelkezik: szerszám, kidobó, adagolás, befröccsölés és fúvókamozgatás. A hidraulikus meghajtású gépeknél ezeket a mozgatótengelyeket elektromotorral és szabályzószivattyúval üzemelõ központi hidraulika-meghajtás mûködteti. A fröccsöntési folyamatban az egyes mozgások energiaigényétõl függõen a szükséges szállítótérfogatot szabályzókörön keresztül biztosítják. A szivattyúmotor eközben állandó fordulatszámon üzemel. Hátrány viszont, hogy az ehhez hasonló hidraulikahajtások csekélyebb szállítótérfogatnál kevésbé hatékonyak. Itt kapcsolódik be az ARBURG energiatakarékos rendszere, az AES, amelynél a szivatytyúmotor meghajtó teljesítménye a gép tényleges energiaigényéhez és a szállított olaj térfogatához igazodik. Az Allrounder S hidraulikus gépcsalád felépítése ráadásul lehetõvé teszi, hogy az egyes mozgatótengelyeket decentralizált elektormechanikus meghajtással szereljék fel az optimális energiafelhasználás érdekében. Arburg energiamegtakarító rendszer Az AES mögött álló alapötlet nagyon egyszerû: hosszú ciklusidejû alkalmazásoknál a szivattyúmotor hajtóerejét a gép kisebb energiaigényéhez igazítják a fröccsöntési ciklus azon fázisaiban, amelyekben a hidraulikus mozgatótengelyek nem lépnek mûködésbe. A fordulatszám és ezzel a szivattyúmotor teljesítménye a tényleges energiaigényhez illeszkedik, pl. a hosszú hûlési idõk alatt, ahelyett, hogy tartósan a névleges fordulatszámon alacsony hatásfokkal mûködne. Ha a pihenõ fázist követõen újra a teljes meghajtóerõre van szükség, akkor a szivattyúmotor fordulatszáma ismét a névlegesre, és ezzel a névleges teljesítményre növelhetõ. Az elektromotor fordulatszámát frekvencia-átalakító állítja be fokozatmentesen a tényleges teljesítményigényre. A motor tehát alacsonyabb terhelésnél is optimális hatásfokkal és megfelelõen alacsony energiafelhasználással mûködik. A szivattyú fordulatszámának a ciklushoz igazodó csökkentésével az üresjárati veszteség minimálisra csökkenthetõ. A teljes ciklusra vonatkoztatva akár 30%-os energia-megtakarítás is elérhetõ. A pozitív mellékhatás a gép kisebb zajkibocsátása az alacsony fordulatszámoknál. Az optimális hatékonyságú meghajtások emellett a kopást is csökkentik, és a keletkezõ hõmennyiség is kisebb lesz, így a hûtõrendszer mûködése közben is energia takarítható meg. AED elektromos adagolás A meghajtórendszer energiafelhasználásának optimalizálásához annak összhatásfokát kell javítani, mely az egymásután kapcsolt energia-átalakítók hatásfokának szorzataként számítható ki. Minél több alkotóeleme van a meghajtórendszernek, annál rosszabb lesz az összhatásfok, és annál nagyobb lesz az energiafelhasználás. Ez különösen jól látható a forgó adagolómozgás példáján, amelynek hatásfoka 60%-kal a hidraulikus alternatíva felett van. A teljes ciklust tekintve akár 30%-os energiamegtakarítás is elérhetõ. Pozitív mellékhatás az adagolómozgás függetlensége a hidraulika-meghajtástól. A más gépmozgásokkal egyidejû adagolással jelentõsen csökkenteni lehet a ciklusidõket. Ráadásul az olvasztás kíméletesebben zajlik, mivel kisebb csigafordulatszámmal lehet dolgozni. Az elektromos adagolóhajtások kevesebb hõt termelnek, így a hûtõrendszer mûködése közben is energiát lehet megtakarítani. Az advance gépcsaládnál a hidraulikus meghajtású gépek energia-megtakarítási lehetõségeit egymással kombinálják. A fejlett modellek optimális energiafelhasználású, magas reprodukáló pontosságú gép elõnyeit kínálják, amely kiváló ár/érték aránnyal párosul. A teljes ciklusra vetítve 30% energia-megtakarítás is lehetséges (5. ábra). 5. ábra. A hidraulikus és az elektromos meghajtás hatásfoka 2008. 45. évfolyam, 9. szám 343
Elektromos Allrounder A Az elektromos gépeknek egymástól független elektromechanikus közvetlen meghajtása van, minden mozgatótengelyhez egy-egy elektromotor tartozik. A hidraulikus meghajtással összehasonlítva az elektromechanikus közvetlen meghajtások egyértelmûen nagyobb hatásfokúak. Ez annak köszönhetõ, hogy a motor csak akkor kapcsol be, amikor mozgatásra van szükség, így az utána következõ nyugalmi fázisban szinte nem állít elõ üresjárati veszteséget. Emellett a hidraulikus meghajtással összehasonlítva az elektromechanikusnál egy energia-átalakítóval kevesebb tartozik egyes részekhez, így a hidraulikus meghajtás általában kevésbé hatékony, amikor a hatékonysági szintek összeszorzódnak. A teljes ciklusra vonatkoztatva az elektromos gépekkel 50%-os, egyedi esetekben akár 75%-os energia-megtakarítás is lehetséges. Pozitív mellékhatás a gépek kisebb zajkibocsátása. A folyadékhûtéses motorok alkalmazása emellett a környezõ levegõbe történõ hõleadást is mérsékli. Az elektromosan közvetlenül meghajtott fröccsöntõ gépek azonban nem csak energetikai és zajcsökkentõ elõnyökkel rendelkeznek, hanem a folyamatok néhány fontos követelménye szempontjából is kedvezõek, ami alkalmazási területüket is bõvíti. Ezek a tulajdonságok fõként a gépek dinamikus és pontos mozgásában nyilvánulnak meg. Mindez fokozottabb folyamatstabilitást és reprodukálhatóságot, valamint rövidebb ciklusidõt eredményez. 6. ábra. Fajlagos energiafelhasználás a kihozatal függvényében különbözõ gépeknél Fajlagos energiafelhasználás összehasonlítása A 6. ábra a különbözõ fröccstechnológiák fajlagos energiafelhasználását mutatja az anyagáramlás függvényében különbözõ kiépítésû gépek esetén. Elméletben az ábra más gépkiépítésekre is alkalmazható, ahol hasonló összefüggések adódnak. Azonos anyagáramlásnál az elektromos gépek egyértelmûen energiatakarékosabbak, mint a hidraulikusak. A fajlagos energiafelhasználás az anyagáramlás növekedésével, és ezáltal a fröccsegység növekvõ kihasználtságával csökken. Minél nagyobb tehát a különbség a beépített összteljesítmény és a tényleges fogyasztás között, annál nagyobbak lesznek a veszteségek. A fröccsöntõ gép méretezése tehát kulcsfontosságú a hatékony energiahasznosítás szempontjából. Az energiafelhasználási különbség az egyes meghajtási technológiák között a teljes mûködési tartományban gyakorlatilag állandó marad. Egy optimális energiafelhasználású hidraulikus gép energia-megtakarítási képessége 20 30%-os lehet. Az elektromos gépeknél ez 25 50% között van, egyes esetekben elérheti a 75%-ot. Az energiahatékonyság növelése azonban folyamatoptimalizálással vagy más folyamatok alkalmazásával azonos anyagáramlás mellett csak bizonyos mértékig lehetséges. Energiatakarékos kialakítás A fröccsöntõ gép szíve a fröccsegység. Ennek fõ feladata az optimális olvadék-elõkészítés különbözõ folyamat-beállítások mellett. Ezért többnyire a fröccsegységnek a legnagyobb az energiafogyasztása. Mérete határozza meg a fröccsöntõ gép beépített összteljesítményét, és ezzel a meghajtás üresjárati veszteségét. A fröccsegység méretének kiválasztása nemcsak a fröccsalkatrész minõségét, hanem az energiafelhasználást is nagymértékben befolyásolja. A hatékony mûködés és energia-megõrzés kialakításában fontos szerepe van a fröccsegység lehetõ legnagyobb mértékû kihasználásának a maximális anyagáramláshoz képest. A beépített összteljesítmény nem azonos az energiafelhasználással Egy gép vagy berendezés energiaviszonyainak vizsgálatakor az elsõ szembetûnõ jellemzõ a beépített összteljesítmény. Ennek nagysága jellemzi a gépre vagy gyártó berendezésre csatlakoztatott vagy csatlakozni tudó fogyasztók összességét, beleértve pl. az aljzatokat vagy a melegcsatorna-szabályozókat. Míg a hidraulikus gépeknél a központi hidraulika-meghajtás a döntõ a beépített teljesítmény szempontjából, addig az elektromos gépeknél az egyes mozgatótengelyek meghajtó teljesítménye összeadódik, ami nagyobb beépített összteljesítményt eredményez. Ez nem függ össze a gép energiafelhasználásával, hanem annak teljesítõképességét jellemzi. Az energiafelhasználást a ténylegesen felvett teljesítmény határozza meg, amely a bekapcsolt fogyasztók mûködési idõtartamától, kihasználtságától és hatásfokától függ. Ezeket a tényezõket viszont a fröccsöntési 344 2008. 45. évfolyam, 9. szám
ciklus befolyásolja. A nagy beépített összteljesítmény ezért nem jelent egyidejûleg magas energiafelhasználást! Szerszámok energetikai vizsgálata Az ömledékbe bevezetett energiát a befröccsöntés után el kell vezetni. Az energiatakarékos mûködés szempontjából döntõ, hogy milyen mértékben hasznosítható tovább az elvezetett hõ. Az egyenletes gyártási minõség biztosítása érdekében a folyamat feltételeinek változatlanoknak kell lenniük, tehát a veszte- 7. ábra. A szerszám energiamérlege ségeket ki kell egyenlíteni. A 7. ábra a hõszállítási folyamatokat mutatja a szerszámban. A folyamat módjától függõen, azaz hogy a szerszámnak hûtöttnek vagy fûtöttnek kell-e lennie, különbözõ intézkedések megvalósítása ajánlott. Temperált szerszám esetében pl. nagyon fontos a megfelelõ szigetelés biztosítása. Rosszul szigetelt háznál nagy mennyiségû hõ távozik felhasználatlanul a fröccsöntõ gép környezetébe. A fûtõcsatornák 8. ábra. Energia-megtakarítás szigetelõlapok beépítésével szigetelése is segíti az energia-megtakarítást. Lényeges, hogy a temperáló kiépítése mel kísérésére és dokumentálására is szükség van. Ebben segít az ARBURG AQS minõségbiztosítási rendszere. összhangban álljon a szerszám által igényelt temperáló teljesítménnyel. Temperált szerszámokkal akár 60% energia is megtakarítható megfelelõ szigetelés kialakításával (8. ábra). Összefoglalás A fröccsöntõ-gyártórendszer energiafelhasználását Energiatakarékos termelésszervezés és kibocsátását javarészt a fröccsöntõ gép konfigurációjából határozzák meg. A modern meghajtó rendszerek, A gyártási folyamatok optimalizálása és az elõrelátó különösen a közvetlenül meghajtott elektromos mozgatótengelyek (esetleg hidraulikus hajtásokkal kombinál- gyártástervezés lehetõvé teszi sok olyan, gyakran elhanyagolt intézkedés megvalósítását, amelyek hozzájárulnak az energiahatékonyság fokozásához. Ezek közül a va) több mint 50% energiamegtakarítást tesznek lehetõvé. Az alkalmazáshoz illeszkedõ optimális gépméret kialakításához az ARBURG a záró- és fröccsegységek kom- legfontosabb az állás- és elõkészítési idõk, valamint a felfûtési fázisok idejének csökkentése. Az ARBURG ALS binációjának széles választékát kínálja, így optimális vezér-számítógépes rendszer áttekinthetõ gyártástervezést tesz lehetõvé. energiahatékonyságú rendszerek állíthatók össze. Energiatakarékos elektromos közvetlen hajtások és vízhûtésû A megelõzõ karbantartás a gépek állásidejét is csökkentheti. A fröccsöntõ gép reprodukálási pontosságát motorok alkalmazásával a környezeti zaj- és hõkibocsátás jelentõsen csökkenthetõ. csak megelõzõ karbantartással lehet megtartani, ami a A mûszaki alkatrészek gyártási folyamata gyakran további minõségbiztosítási intézkedéseknek is elõfeltétele. Az ARBURG inspekciós szerzõdéseket kínál a különbözõ perifériák alkalmazását igényli, amelyek energiafelhasználása és -kibocsátása a fröccsgéppel fröccsöntõ gépek újrakalibrálásához. megegyezõ lehet, ezért az itt jelentkezõ energia-megtakarítási lehetõségeket is vizsgálni kell. A minõségbiztosítási intézkedésekkel csökkenthetõ a selejthányad, ezzel energia takarítható meg, hiszen a selejtes alkatrészekhez is energiára volt szükség, a nyers- További energia-megtakarítási lehetõségek fedezhetõk fel a nem hatékony munkasorozatok, valamint instabil gyártási folyamatok elemzésével és azonosításával, anyag költségekrõl nem is beszélve. A selejthányad csökkentéséhez a folyamatstabilitásra amelyek a szerszámtechnika javításával és az automatizálási eszközök fokozottabb alkalmazásával érhetõk el. vonatkozó ismeretek minõsített folyamatértékeléssel szerezhetõk meg, emellett a gyártási folyamat figyelem- 2008. 45. évfolyam, 9. szám 345