高效節能的感應螺筒加熱技
感應加熱技術(shù)早已應用于大型工業(yè)用加熱爐、用于金屬熔鑄的特殊注射成型設備、熱固性樹(shù)脂澆鑄以及熱流道噴嘴等。這種技術(shù)對于這些加熱應用而言是一項非常古老而成熟的應用技術(shù),但用于塑料成型和擠出設備中還是非常新穎的。
Xaloy公司的Indx系統通過(guò)在接近軸管(barrel tube)外表面的金屬中感應出電渦流,將其自身的鋼螺筒(steel barrel)變成了一個(gè)電阻加熱器。螺筒壁上盤(pán)繞著(zhù)連續線(xiàn)圈,但并不與筒壁接觸,那些電渦流正是由流經(jīng)這些線(xiàn)圈的電流誘發(fā)產(chǎn)生的。雖然這種加熱系統初期的投入會(huì )比加熱圈高,但根據設備尺寸的不同,加工商能夠通過(guò)多種方式快速收回成本。
為什么等待那么久?
為什么感應螺筒加熱在早些時(shí)候沒(méi)有出現呢?據Indx公司的業(yè)務(wù)部主管Bruce F.Taylor先生介紹,早期用于塑料加熱的感應式加熱裝置主要是大容量、低頻和高電流的加熱爐。這種裝置雖然能夠生成大量的熱量,但是成本太高,而且能耗非常低效。絕大多數高效、高頻和低安培的電感電路技術(shù),如應用于變速AC驅動(dòng)器中的技術(shù),都是隨著(zhù)成本的不斷降低才最近發(fā)展起來(lái)的。
人們在早期試圖通過(guò)將感應線(xiàn)圈直接與熱螺筒相接觸的方式對螺筒進(jìn)行加熱,但這樣反而不利于提高感應線(xiàn)圈的效率,無(wú)形中還增加了感應線(xiàn)圈的電阻,從而降低了線(xiàn)圈的功效。同時(shí),螺筒中產(chǎn)生的熱量也會(huì )散發(fā)至周?chē)h(huán)境中,造成能量的浪費。
Indx系統(專(zhuān)利正在審查中)則很好地避免了這些問(wèn)題。Indx系統由兩個(gè)半圓柱形的螺筒組成,螺筒外通過(guò)真空成型覆著(zhù)了一層特殊的發(fā)泡絕緣材料,螺筒生成的熱量就是通過(guò)這種材料保存下來(lái)的。每個(gè)半圓柱螺筒的外表面都有凹槽或通道,用以安裝高頻的感應線(xiàn)圈。螺筒外部套有絕緣套管,感應線(xiàn)圈則纏繞于螺旋凹槽中。每個(gè)螺筒加熱區都帶有兩個(gè)半圓柱形絕緣套管和一個(gè)感應線(xiàn)圈,線(xiàn)圈的末端由連接器夾緊。據介紹,與傳統的加熱圈相比,這種加熱裝置只需安裝由Xaloy公司提供的帶有連接器夾緊裝置的線(xiàn)圈即可,無(wú)需配備繼電器和配線(xiàn),而且安裝過(guò)程更快捷、更簡(jiǎn)便。加工商也可以在備用螺筒上裝置Indx套管和加熱器。該加熱裝置被安裝到設備上后,只要接通電源就可以直接用于生產(chǎn)。
優(yōu)勢在哪里?
Xaloy公司的實(shí)驗室測試表明,在注射成型過(guò)程中,當溫度在200~300℃的范圍內,云母型加熱圈的加熱效率(相對于能耗)僅為40%~60%,而陶瓷加熱圈的效率可比云母型加熱圈高10%~15%。其余的熱量則通過(guò)輻射和與周?chē)h(huán)境發(fā)生對流浪費掉了。一個(gè)新的云母型加熱圈在連續加熱6h后會(huì )變黑,進(jìn)而增大其表面發(fā)散系數和輻射損耗,導致其能效比最初降低約10%。加工熔融溫度更高的工程塑料時(shí),云母型加熱圈的熱效率會(huì )更低。
感應加熱的加熱效率則可達95%。通過(guò)使用絕緣套管,感應加熱可將輻射損失降至最小。感應加熱時(shí),沿螺筒方向的熱量分布更加均勻,且能夠對溫度控制做出快速響應,極大地提高了塑料制件的質(zhì)量。
這可以用加熱圈的熱容量(thermal mass)來(lái)解釋。由于加熱圈具有很大的熱容量(蓄熱能力),加熱圈本身需要時(shí)間來(lái)加熱和冷卻。這樣在加熱螺筒之前,必須將加熱圈的溫度升至螺筒溫度之上;相應地,在冷卻螺筒之前,也必須先將加熱圈的溫度降至螺筒溫度以下。而感應線(xiàn)圈相當于沒(méi)有增加螺筒的熱容量,因此加熱過(guò)程中限制其熱效率的惟一因素就是螺筒壁鋼質(zhì)材料的傳熱速度。此外,感應加熱能夠作用在鋼質(zhì)螺筒壁的深處,因此所需熱傳導的時(shí)間更短。
通過(guò)對安裝于螺筒內部的熱電偶進(jìn)行控制與監測發(fā)現,在使用感應線(xiàn)圈進(jìn)行加熱時(shí),螺筒溫度僅會(huì )出現輕微的波動(dòng)現象。每次將冷料注入螺筒中,螺筒內壁的溫度會(huì )隨之降低,裝置于深處的熱電偶會(huì )探測到這一溫度變化,并同時(shí)啟動(dòng)加熱。當螺筒溫度達到設定值后,熱電偶將隨即切斷感應線(xiàn)圈的電源。同時(shí),通過(guò)使用簡(jiǎn)單的自動(dòng)調諧PID溫度控制器,感應加熱器能夠迅速做出響應,從而保證了溫度控制器在30s內能夠迅速達到平衡。
與加熱圈相比,感應加熱可將螺筒達到預設溫度的時(shí)間縮短兩三倍,而且處于停工期時(shí),Indx系統還能夠更有效地維持螺筒的溫度。感應線(xiàn)圈對溫度的快速響應性能特別適用于那些需要進(jìn)行循環(huán)加工的場(chǎng)合,這也是為什么Xaloy公司將其首先應用到注射機上來(lái)的原因。
Xaloy公司還計劃將Indx系統應用到擠出機、吹塑成型機、擠出模頭、軋輥和其他一些塑料加工設備上(擠出機的螺筒需要進(jìn)行冷卻,操作更復雜)。
讓加熱器的起火成為歷史
對于成型商而言,加熱器起火是一個(gè)十分常見(jiàn)的現象。成型商往往在不知情的情況下頻繁地操控已失靈的加熱圈,而且想要及時(shí)準確地檢測出哪個(gè)加熱圈出現問(wèn)題也是非常費時(shí)和困難的事情,這還會(huì )導致制件出現質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí),由于螺桿和螺筒的磨損,還會(huì )增加維修保養成本。
Taylor先生介紹說(shuō),Xaloy公司為其Indx系統配置了反向變流機,該設備在連續使用的情況下可靠性很高,因此感應線(xiàn)圈應該不會(huì )出現起火現象。
成本如何?
以現有的生產(chǎn)能力來(lái)說(shuō),Indx系統最初投入的成本約是傳統的加熱圈的5倍,但在隨后的使用過(guò)程中,兩者之間的成本差距將會(huì )越來(lái)越小。這也使得Indx系統的目標應用領(lǐng)域擴大至螺桿直徑在50mm以上、鎖模力為400t以上的中到大型注射設備。Taylor先生表示,一臺螺桿長(cháng)為70mm的注射機若采用感應螺筒加熱,以用電價(jià)格為10¢/kwh計算,加工商在保持高產(chǎn)的情況下在18個(gè)月內就能夠收回成本。注射機的產(chǎn)量越高,螺筒越大,所節約的能源就越多。
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