不斷上漲的電價以及日益嚴(yán)苛的能效法規(guī)，正倒逼企業(yè)加大對節(jié)能工藝技術(shù)的投入。在塑料加工過程中，熱量傳遞始終居于核心地位——無論是材料加熱以便成型或添加助劑，還是之后的冷卻工序，皆是如此。這一過程從熱成像圖中便可見一斑，切粒工序（標(biāo)題圖）就是一個直觀的例子。

標(biāo)題圖：料條切粒的熱成像圖——亮/紅色區(qū)域表示高溫，暗/藍(lán)色區(qū)域表示低溫 © SKZ

從口模擠出的物料被加熱至約280°C，隨后在敞口水槽中冷卻至接近室溫。提升能效的策略涉及多種能量流的綜合利用。

◆ 電動驅(qū)動裝置的需求導(dǎo)向設(shè)計；
◆ 物料預(yù)熱可降低塑化所需能量，理想情況下可利用工藝產(chǎn)生的余熱；
◆ 可持續(xù)冷卻，例如采用按需再冷卻策略。

其他經(jīng)濟(jì)有效的措施包括：通過更好的保溫設(shè)計減少能量損失，以及使用能效更高的機(jī)器部件；針對特定物料優(yōu)化擠出機(jī)螺桿設(shè)計，可改善塑化效果并降低能耗。這些措施的投資回報期通常不到一年。為了在能源優(yōu)化中合理設(shè)定優(yōu)先級，采用系統(tǒng)化方法尤為重要。例如，可采用ISO 50001的“計劃-執(zhí)行-檢查-處理”（PDCA）循環(huán)，并輔以能源審計或ABC分析來確定各項措施的優(yōu)先級。

提高能效的最大潛力在于驅(qū)動技術(shù)

在塑料加工中，擠出機(jī)的主驅(qū)動裝置是主要能耗設(shè)備之一，因而節(jié)能的關(guān)鍵因素在于選擇合適的電機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常包括電機(jī)、變頻器，必要時還需配備齒輪箱。在工業(yè)應(yīng)用中，電動驅(qū)動設(shè)備生命周期成本的98%以上來自能源消耗（圖1）。

圖1：擠出機(jī)驅(qū)動裝置的典型生命周期成本分析 © SKZ

在技術(shù)壽命期內(nèi)，購置和維護(hù)等因素對總成本的影響較為次要。因此，即使初始投資較高，從長遠(yuǎn)來看，投資高能效驅(qū)動裝置在經(jīng)濟(jì)上也是合理的。除了高能效外，擠出機(jī)驅(qū)動裝置還必須能夠承受熱負(fù)荷，并提供機(jī)械耐久性及精確的扭矩控制。

能效、防護(hù)等級、維護(hù)便利性和冷卻方案都是核心考慮因素。以下詳細(xì)介紹不同類型的電驅(qū)動裝置：
◆ 異步電機(jī)：技術(shù)成熟可靠、采購成本低，且在全負(fù)載范圍內(nèi)具有較高能效，但在低速運行時存在劣勢，并且存在因軸承電流導(dǎo)致的軸承發(fā)熱問題。
◆ 同步電機(jī)：尤其是永磁同步電機(jī)（PM電機(jī)）——即使在部分負(fù)載范圍內(nèi)也能保持高能效，但維護(hù)復(fù)雜。
◆ 同步磁阻電機(jī)：是工業(yè)領(lǐng)域中一項具有前景的新技術(shù)，能效更高、轉(zhuǎn)子損耗極小且功率密度高。然而，由于其無功電流消耗較大，且必須與變頻器配合使用，因此需要精確設(shè)計。
◆ 扭矩電機(jī)：作為無齒輪箱的直接驅(qū)動解決方案，具有最高的能效和穩(wěn)定的運行性能，但由于初始投資較高，更適合大型設(shè)備。

考慮到擠出機(jī)的使用壽命較長，投資決策不應(yīng)僅基于購置成本。綜合考慮能耗和維護(hù)成本，才能更真實地反映其經(jīng)濟(jì)效益。特別是同步磁阻電機(jī)，未來潛力巨大，隨著技術(shù)的進(jìn)步，有望在工業(yè)擠出成型領(lǐng)域發(fā)揮日益重要的作用。

圖2：基于聚苯乙烯焓變的節(jié)能潛力估算 © SKZ

利用余熱進(jìn)行物料預(yù)熱

加工前對物料進(jìn)行預(yù)熱，可降低擠出機(jī)塑化所需的電能消耗。由于工藝中的焓增（ΔH）減小，所需的驅(qū)動功率（E）也會相應(yīng)降低。利用工藝?yán)鋮s產(chǎn)生的余熱進(jìn)行預(yù)熱，可進(jìn)一步降低一次能源消耗。

德國楚澤協(xié)會（Zuse Association）成員德國SKZ塑料中心通過實驗驗證了這一效果。圖2基于聚苯乙烯的焓值曲線，展示了進(jìn)料溫度分別為23°C（無預(yù)熱）、60°C和80°C時的計算節(jié)能與實測節(jié)能情況。

SKZ技術(shù)中心的實驗證明，理論與實際應(yīng)用具有極強(qiáng)的相關(guān)性。例如，通過預(yù)熱，擠出機(jī)驅(qū)動裝置的電能消耗可降低高達(dá)20%，且不會對材料的熱穩(wěn)定性、沖擊強(qiáng)度或拉伸性能等特性產(chǎn)生負(fù)面影響。對于儲存在室外筒倉中的物料，預(yù)熱還可抵消季節(jié)性溫度波動的影響。

可持續(xù)工藝?yán)鋮s的潛力與挑戰(zhàn)

擠出機(jī)范疇以外的工業(yè)冷卻技術(shù)的能效也值得關(guān)注。同時，由于歐盟《含氟氣體法規(guī)》（F-Gas Regulation）和《制冷與空調(diào)指令》等法律法規(guī)的要求，人們越來越關(guān)注全球變暖潛能值（GWP）低的環(huán)保制冷劑。氨、二氧化碳和水等天然制冷劑被認(rèn)為是極具氣候友好性的選擇。替代冷卻技術(shù)，如熱驅(qū)動工藝（如利用余熱的吸收式制冷），在節(jié)能和減排方面具有巨大潛力。然而，這些技術(shù)尚未得到廣泛應(yīng)用，主要原因是缺乏關(guān)于其成本效益、效率和實用性的相關(guān)信息。

總結(jié)

提高塑料加工的能效可帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。幾乎在所有工藝環(huán)節(jié)都存在節(jié)能潛力，無論是通過優(yōu)化驅(qū)動技術(shù)、利用余熱進(jìn)行物料預(yù)熱，還是采用可持續(xù)冷卻解決方案。將技術(shù)手段與能源評估相結(jié)合的整體系統(tǒng)化方法是關(guān)鍵所在。這種方法可優(yōu)化與能源相關(guān)的各項工藝，從而降低能源成本和二氧化碳排放量。

本文由榮格獨家翻譯自Plastics Insights雜志
作者：Julius Ort，Dr. rer. nat. Thomas Hochrein，Prof. Dr.-Ing. Martin Bastian

來源：榮格-《國際塑料商情》

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