mejorar la eficiencia energÉtica del proceso de …
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MEJORAR LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DEL PROCESO DE EXTRUSIÓN DE TUBOS
PROGRAMA INTERNACIONAL DE CONFERENCIASPLASTIMAGEN MEXICO
07-10 NOVIEMBRE 2017
INTRODUCCIÓNA la luz de los crecientes costos de energía, los criterios de eficienciaenergética deberían ser un tema crucial en las industriasmanufactureras.
Promedio EU 18 Promedio EU 28
Fuente EUROSTAT
INTRODUCCIÓNTenemos que suponer que el precio de la energía primaria seguiráaumentando. Esto afectará no solo a la nación industrializada de hoy, sino a todas las regiones del mundo.
Fuente EUROSTAT
INTRODUCCIÓNAntes de comenzar a reducir sus costos de energía, primero necesitaentender los fundamentos de su uso.
¿Cuándo está usando energía?
¿Por qué está usando energía?
¿Dónde está usando energía?
¿Cuánta energía está usando?
Evaluación comparativa de su
rendimiento.
INTRODUCCIÓNLa industria del procesamiento de plástico, donde se requieren grandescantidades de energía para plastificar, formar y enfriar de nuevo el plástico, se ve particularmente afectada por el incremento de precios en el suministro de energía.
El consumo total de energía de los emplazamientos de los convertidoresen Europa asciende a unos 66.5 TWh (construcción de infraestructuras + energía especifica del producto + energía especifica de la máquina).
Consumo de energía especifico de la máquina en Europa totaliza 22.8 TWh
Un tercio del consumo de energía especifico de la máquina es unaconstante que se require para el proceso de fusión de plásticos (entalpía). Esta entrada de energía no puede ser reducida debido a razones fisicas.
Los fabricantes europeos de plásticos están bien situados para reducir el consumo de energía especifico de la máquina aproximadamente en un 20 por ciento en 2020. La velocidad de la reducción de energía depende de la sustitución de maquinaria vieja.
CÓMO DETERMINAR EL CONSUMO DE ENERGÍA ACTUAL
Se han establecido definiciones claras de Consumo Especifico de Energía (SEC) y proporcionan una base fiable para medir el consumode energía.
P-SEC – Producto-consumo especifico de energía: energía total requeridapara producir un bien terminado particular.
S-SEC – Sitio-consumo especifico de energía: cualquier actividadrelacionada con la energía de un sitio de producción.
M-SEC – Máquina-consumo especifico de energía: Entrada de calor entérminós de material, movimentos de la máquina (tornillo, brida, eyector, etc.)
COSTO ENERGÉTICO EN EL SITIO POLÍMEROLa pregunta: entender dónde, cuándo, por qué y cuánta energía se utiliza en la fabrica y en el proceso. Esta información proporciona lospuntos de refrencia y los indicadores para el mejoramiento.
6%
75%
2%
5%
5%
7%
COSTO POR PRODUCTO
Depreciation interest
Material cost
Scrap
Energy cost for final product
Manpower
Other costs (preproduction costs,water, auxiliary material,maintanance)
Los costos energéticos representan alrededor del 5% de la fabricación.
COSTO ENERGÉTICO EN EL SITIO POLÍMERO
El funcionamento de las máquinas y del equipo auxiliar esresponsable del 90% del consumo total de energía.
71%
8%
9%
5%4%
1%
2%
COSTO ENERGÉTICO POR PRODUCTO
Plastic processing
Compressed Air
Chillers
Water pumps
Lighting
Offices
Heating
A la luz de esto y de la creciente conciencia y conocimiento sobre el consumoespeciífico de energía del producto, la demanda de máquinas eficientes ha cambiadosignificativamente.
¿DÓNDE ESTÁ USANDO LA ENERGÍA?El principal usuario de energía en la líneas de procesamiento de plástico son:
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1
Vacuum & cooling tanks
Pumps
Chiller power, water cooling
Material drying
Pipe head
Main drive0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Main drive
Pipe head
Material drying
Chiller power, water cooling
Pumps
Vacuum & cooling tanks
DEMANDA DE ENERGÍA PARA EXTRUSIÓN
ENERGÍA REQUERIDAEl requisito principal en la extrusión es el calor necesario para elevarel plástico desde la temperatura en la entrada hasta la temperaturaen la salida. Esto corresponde a las diferencias de entalpía ∆ℎ (H2 – H1) de los polímeros procesados.
La energía requerida se calcula mediante la fórmula:
𝑬𝒓𝒆𝒒 = (𝑯𝟏 - 𝑯𝟐) = m × ∆𝒉 = m x ∆𝒕 x ∆𝒉 𝒌𝑾𝒉NOMENCLATURAm es el caudal másico (kg/s)∆𝒉 diferencia de entalpíaespecifica
Fuente EUROMAP
ENERGÍA REQUERIDASi el plástico se alimenta a temperature ambiente, la energíaespecifica para elevar la temperatura del plástico es típicamente 0.16 kWh/kg para plásticos semicristalinos (como PE o PP) y 0.10 kWh/kg para plásticos amorfos (p.ej., PVC, PS).
La energía teórica requerida para la fusión y formación (ET) del material en la extrusión de Polímeros es:
Para materiales semi-cristalinos (SC): ET SC = 𝑡1
𝑡2𝐶𝑝 × 𝑑𝑇 +𝑀 × 𝐻𝑓 + 𝑀
𝑃1
𝑃2 𝜕𝑡
𝜕𝑝 𝑡× 𝑑𝑃
Calculado a partir de los cambios de entalpía ∆ℎ = (ℎ2 − ℎ1) = ∆ℎ1+ ∆ℎ2
∆ℎ1= 𝑡1
𝑡2𝐶𝑝 x dT + 𝐻𝑓 = 𝐶𝑝 x (𝑇2 - 𝑇1) + 𝐻𝑓 ∆ℎ2=
𝑃1
𝑃2 𝜕𝑦
𝜕𝑥 𝑡x 𝑑𝑃 =
(𝑃2−𝑃1)
𝜌
NOMENCLATURAM es el caudal másico, T1 y T2 son las temperaturas de las materia primasen los estados de entrada y de salidarespectivamente. P1 y P2 son las presiones en los estados de entrada y salida respectivamente, Cp es la capacidad calorifica especifica del material, Hf es la entalpía del calor dela fusion de losmateriales (este es cero para el material amorfo), yq es la densidad del material
Tipo de polímero
Densidad[𝒈/𝒄𝒎𝟑]
Índice de fluidezTemp. de fusión ℃
Presión𝒃𝒂𝒓
Entalpía especifica∆ℎ 𝒌𝑾𝒉/𝑲𝒈
ABS 1.04
PA6 1.13 130 (275° C/5 Kg) 260 50 0.181
PC 1.20
PE-HD 0.95 8-10 (190° C/21 6Kg) 215 200 0.158
PE-LD 0.92
PET 1.38 290 50
PP8 0.91 8.0 (230° C/21 6Kg) 240 50
PS 1.05 3.144 (200° C/5 Kg) 120…220 50
Fuente EUROMAP
EFICIENCIA DE LA EXTRUSIÓNLa energía requerida de una extrusora puede ser dada como:
𝑬𝒓𝒆𝒒 = 𝑬𝒊𝒏 - 𝑬𝒍𝒐𝒔𝒔𝒆𝒔
donde 𝐸𝑖𝑛 es la energía suministrada a la extrusora y 𝐸𝑙𝑜𝑠𝑠𝑒𝑠 es la cantidad total de energía desperdiciada sin implicar en ningún trabajo útil.
Por lo tanto, la eficiencia energética de la extrusoraȠextrusora es dado por:
Ƞextrusora = 𝑬𝒊𝒏− 𝑬𝒍𝒐𝒔𝒔𝒆𝒔
𝑬𝒊𝒏x 100%
De los dipositivos que consumen energía, los motores de accionamiento y cilindro/calentadores del cabezal es probable que consuman más del 90% del suministro total de energía, mientras que éstos también son responsables de lasmayores pérdidas de energía.
EFICIENCIA DE LA EXTRUSIÓN
La eficiencia termodinámica de una extrusora se puede determinarcomparando la energía real consumida por la extrusora con la energía teórica requerida para transformar el polímero desde la etapa inicial (de entrada) a la etapa deseada/de salida.
La eficiencia térmica (Ƞextrusora,termo) de una extrusora es dada por:
(Ƞextruder,thermo) = 𝑬𝒓𝒆𝒒
𝑬𝒊𝒏= m × ∆𝒉
𝑬𝒊𝒏= ∆𝒉
𝒆= m × ∆𝒉
𝑷x 100%
Donde:
el consumo de energía total de la máquina 𝑬𝒊𝒏 𝒌𝑾𝒉 en un intervalo de tiempo dado ∆𝑇se define como: 𝑬𝒊𝒏 = P x ∆𝑻 , y P es la potencia efectiva principal suministrada a la máquinaen el intervalo de tiempo ∆𝑇
Y el consumo de energía especifico relacionado con la máquina es dado por el consumototal de energía de la máquina dividido por la masa de la extrusora m en el mismo intervalo
de tiempo ∆𝑇 e = 𝑬𝒊𝒏
𝑚
𝑘𝑊ℎ
𝐾𝑔
EFICIENCIA DE LA EXTRUSIÓN
El proyecto de la extrusora Zephyr es una combinación de energía y de eficiencia térmica.
ZEPHYR
Longitud del proceso 40 L/D
Accionamiento Torque
Ninguna caja de engranajes
Inversor compactorefrigerado por agua
Alta eficiencia energética
Rendimiento extraordinarioa bajas temperaturas de fusión
Funcionamiento con elmenor nivel de ruido
ZEPHYR 60.40
EFICIENCIA DE LA EXTRUSIÓN
Una diferencia muy grande se observa comúnmente entre la energía requerida y la energía realmente utilizada en el proceso.
Esto se debe a las pérdidas de potencia en el sistema relacionadas con:
Todas las unidades que participan en el proceso de extrusión; de fusión, la acumulación de presión, mezcla etc.
Transimisión
Calentamiento del cilindro
El control
El Proyecto Zephyr ha reducido al minimo las pérdidasdurante el proceso.
FACTORES DE EFICIENCIAEl factor crucial para reducir el consumo de energía es la geometríadel tornillo. Es extremadamente importante que la entrada de energía en el sistema se utilize con la mayor eficiencia para transportar y plastificar el material
FACTORES DE EFICIENCIA
Las operaciones de extrusión más eficientes son aquellas en las que:
la mayor parte del calor es suministrado por el tornillo de la extrusora,
sólo una pequeña cantidad de calentamiento por el cilindro y calentadoresdel cabezal y sin necesidad de enfriamiento de la extrusora
la extrusora debe funcionar en o cerca de su capacidad máxima.
La mejor solución al sobrecalentamiento por un mal diseño de tornilloconsiste en cambiar su geometría.
Si una extrusora con un diseño de tornillo escaso funciona a 0.28 kWh/kg y con un buen diseño de tornillo a 0.24 kWh/kg, el ahorro de energía será €25.920,00/yr a € 0.09/kWh y un rendimiento de 1000 kg/hr (2200 lb/hr) funcionando 24 hr/día y 300 días/año.
FACTORES DE EFICIENCIAAccionamientos directos con conservación de energía reducen los costos de su planta de extrusión a lo largo de su ciclo de vida y también hacen possible un diseño compacto de la máquina.
El estandar del mercado es una solución motor/caja de engranajes con un motor CA mas eficiente en comparación con los motores de CC utilizadosanteriormente, pero el potencial real de la eficiencia viene dado por los motores Torque.
76
78
80
82
84
86
88
90
92
94
96
DC DRIVE & GEAR AC ASYNCHRONOUS & GEAR
AC SYNCHRONOUS & GEAR
TORQUE DRIVE
8385
90
95
Efic
ien
cia
Eficiencia del motor
FACTORES DE EFICIENCIALas unidades de torque aseguran mayor eficiencia debido al hecho que las pérdidas de la caja de engranajes se eliminan.
La fuerza se transmite exactamente a donde se require. Los motoressíncronos excitados por imanes permanentes de alta polaridad estántotalmente integrados en la máquina sin elementos de transmisiónmecánicos como engranajes.
ACCIONAMIENTO TORQUE ZEPHYRr 60.40
MOTORES Y TIPO DE COMBINACIÓN DE ENGRANAJES Y PERDIDAS DE ENERGÍA
CC accionamiento y engranajes de 3 etapas Pérdidas 6%
AC accionamiento y engranajes de 3 etapas Pérdidas 6%
AC accionamiento y engranaje de 1 etapa Pérdidas 2%*
Motor Torque sin engranajes Pérdidas 0%
* Para aplicaciones de alta velocidad, alternativas a el accionamiento Torque
EXTRUSORAS EFICIENTESEl accionamiento directo de bajo ruido no require ninguna caja de engranajes y por lo tanto es compacto y proporciona máximo torque a velocidades muy bajas.
La omisión de la caja de engranajes, del acoplamiento y de las correasconduce a un diseño de ingeniería más compacto de la máquina y reduce considerablemente los requisitos de mantenimiento.
FACTORES DE EFICIENCIATecnología de accionamiento directo en comparación con el combinadomotor/caja de engranajes
Combinado motor/caja de engranajes Solución de acccionamiento directo
Costo y eficienciade la energía
Perdidas de fricción causada por loscomponentes mecánicos de desgaste
Motores de los ventiladores utilizados a menudo para el control climático.
Altos costos debido a los intervalos de mantenimiento
Aumento de la eficiencia global mediante la reducción de las pérdidas por fricción en el sistema
Reducción al mínimo de los intervalos de mantenimiento en tiempo y costo, eliminando polea técnicamente complicada y engranajes dentados
Ruido de funcionamiento
El aumento de la contaminación acusticacausada por la caja de engranajes
Motores de los ventiladores requiren a menudo energía adicional
El motor funciona casi sin ruido, sin caja de engranajes
Enfriamento por agua integrado
Requisitos de espacio
La combinación del motor y caja de engranajes require una gran cantidad de espacio para la instalación
La solución del kit de montaje perrmite un alto nivel de integración del diseñocompacto, relativamente poco espacio de instalación requerido
Servicio, mantenimiento,ensamblaje
Intervalos regulares de mantenimientocuando se utiliza la caja de engranajes y controles constantes de aceite.
Vida útil limitada de la caja de engranajes La utilización de numerosos componentes
complica el montaje resultando en gastoslogísticos mayores
Casi ningún coste de mantenimiento Larga vida útil de los motores Prácticamente un sistema sin aceite Facilidad de logística y de montaje porque se
requiren menos componentes
EXTRUSORAS EFICIENTES
Cifras del rendimiento de las extrusoras ZEPHYR monotornillo
EXTRUSORA ZEPHYR 45 ZEPHYR 60 ZEPHYR 75 ZEPHYR 90
Diámetro del tornillo
40 40 40 40
Rendimiento(máx) Kg/h
500 800 1.200 1.700
Motor Torque* Torque* Refrigeradopor agua
Refrigeradopor agua
Caja de engranajes
No No Dos etapas** Dos etapas**
Zonas de calentamiento
5 5 5 5
EXTRUSORAS EFICIENTESConsumo de energía de la extrusora ZEPHYR
EXTRUSORAS EFICIENTESRendimiento y estabilidad de la temperatura de fusión de ZEPHYR
EXTRUSORAS EFICIENTESLa influencia de ZEPHYR de la contrapresión sobre la energíaespecífica del motor
EXTRUSORAS EFICIENTESConsumo de energía de ZEPHYR
EXTRUSORAS EFICIENTESRendimiento específico de ZEPHYR
EXTRUSORAS EFICIENTESUn cálculo de la eficiencia energética para la serie Zephyr se da como la relación de la Energía requirida 𝑬𝒓𝒆𝒒 dividida por la energía eléctrica E
consumida por todas las máquinas dentro del límite. El valor del factor de eficiencia Ƞ , es siempre menor que 1 = 100% y un valor o porcentaje superiorse correlaciona con una mejor eficiencia.
Ƞextrusora = 𝑬𝒊𝒏− 𝑬𝒍𝒐𝒔𝒔𝒆𝒔
𝑬𝒊𝒏x 100%
Para una extrusora Zephyr 45.40 tenemos:
Ƞextrusora = 67.2601 − 7.9226
67.2601 = 0.8822 x 100% = 88%
EXTRUSORAS EFICIENTESCÁLULO DE LA EFICIENCIA DE ZEPHYR 45.40
Calor especifio Cp 2,25 Kj/Kg C°
Masa 505 Kg/h
Temperatura 1 20 C°
Temperatura 2 208 C°
∆ Temperatura 188 C°
Potencia Drive 67,26 Kw/h
Pérdidas de energía de la cajade engranajes
0 Kw
Potencia del cilindro 0,0001 Kw/h
Ein 67.2601 Kw/h
Energía HDPE 213615 Kjoule
Ereq 59.3375
Eficiencia de la extrusora 88.22 %
EXTRUSORAS EFICIENTES
Factores adicionales que influyen en el consumo de energía:
Grado y calidad del material (hasta 15 %)
Presión de fusión (dependiendo de la calidad de la extrusora y del tornillo, comúnmente del 3 al 10%)
Temperatura de entrada del material (hasta 15%)
MONITORIZACIÓN DE LA ENERGÍA
El aspecto importante para la optimización del consumo energéticoes la monitorización energética.
La monitorización de la energía significa el registro de los flujos de energía y el cálculo del consumo especifico de energía por kg de producción. De estamanera el fabricante tiene un valor final que puede utilizarse para obteneruna visión clara del proceso y de la entrada de energía.
MÓDULOS DE MEDICIÓN DE LA ENERGÍA PANTALLA DE MEDICIÓN DE ENERGÍA
MONITORIZACIÓN DE LA ENERGÍA
La compra de equipo de capital eficiente energéticamentecambiará permanentemente la eficiencia energética de unaempresa.
El costo de la energía utilizada durante la vida de una máquina a menudo excederá el costo inicial de compra. Las máquinas eficientesenergéticamente (Ƞ > 80% como clase 1) y los controles pueden costarmás al principio, pero cuestan menos en el largo plazo.
Al igual que con cualquier equipo de capital, el costo de compra inicial no debe dominar el proceso de toma de decisiones.
El costo de “toda la vida” del equipo (costo inicial + costos de operación) es el costo importante para cualquier procesador de plástico que deseecontinuar operando a largo plazo.
MONITORIZACIÓN DE LA ENERGÍA
El consumo de energía es de gran importancia para los convertidoresy puede determinar la rentabilidad de las máquinas y plantas.
La diferencia de consumo entre una extrusora estándar y una con motor de accionamiento de Torque de la serie Zephyr (p.ej. Zephyr 60.40 a 800kg/h es inferior a 0.18 kw/kg) y puede elevarse fácilmente hasta 0.06-0.07 Kw/kg. A un precio de 0.09 € por Kw y 7.000 horas de funcionamientoal año, suma un ahorro de alrededor de € 30.000,00
Para una empresa de plástico que procese 20.000 toneladas la facturamedia de eletricidad será de aproximadamente € 2.000.000,00. Las práticas sencillas de reducción de la energía sin costo o bajo costo puedenreducirla en un mínimo del 5% (y hasta un 10%) y aumentar los beneficios. Esto equivale a añadir ventas en € 100,000 a la facturación y es unainversión que vale la pena por cualquier estándar.
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