注塑成型工艺的碳排放分析

第11期 2012年11月 机械设计与制造 Machinery Design&Manufacture 文童编号：1001—3997(2012)11-0001—03 — — _设 t—1■ — 注塑成型工艺的碳排放分析 刘学平-潘灏1,2向 东 (1．清华大学深圳研究生院，深圳518055；2．清华大学精密仪器与机械学系，北京100084) A Carbon Dioxide Emission Analysis Based on Injection Molding ‘LIU Xue—ping1,PAN Hao ．XIANG Dong (1．The Shenzhen Graduate School of Tsinghua University，Shenzhen 5 1 8055，China；2．Department of Precision Instruments and Mechanology，Tsinghua University，Beijing 100084，China) 【摘要】为了评估注塑成型工艺的碳排放，构建了该．T-艺碳排放分析框架。基于该分析框架，可 对注塑成型工艺的碳排放进行分析，得出注塑工艺的各阶段能量消耗。对同一台注塑机，它加工的原材 料有很多种，在计算注塑机的能耗时，应该对各种原材料的能耗值进行加权平均。针对注塑机液压系 统，采用AMESIM仿真方法进行系统累积能耗的仿真。以某工厂注塑机生产电视机遥控器外壳为例，对 两种注塑工艺的碳排放结果进行了分析比较，分析结果表明电机采用变频调速的方法，可以降低能耗 (21～22)％，每年可减少大约7t的CO2排放量。 关键词：注塑成型；碳排放；变频器 【Abstract】／n order to assess the carbon dioxide emission of injection molding，afraznework based on Zife cycle inventory was built．Energy consumption ofthe injection molding stages was presented based on the framework．There are many raw materials processed by the solne injection molding machine，and the weighted average energy consumption yalue$ofthe various raw materials should be calculated．A simulation method — ingfiequency converter Was presented to reduce energy consumption in injection molder hydraulic system．The injection molders of afactory were analyzed by the method presented~The result shows that the proposed method cart reduce energy consumption by(21-22)％and will reduce the CO2 emission by 7 torts annually． Key Words：Injection Molding；Carbon Dioxide Emission；Frequency Converter 中图分类号：TH16；TS943．66文献标识码：A 1引言 塑料组件是电力电子产品不可或缺的组成部分，8．5％的塑 料产品用于电力电子市场。这个数字看起来不多，但已经超过了 汽车行业的塑料使用比例8％Ⅲ。在电力电子行业，塑料占据医疗 设备总重量的3％，小家电的33％，玩具产品的42％t”。在彩电生 产过程中，注塑机是一个重要的碳排放源，其中，电能消耗是注塑 机的主要碳排放源。为了实现注塑机低碳，必须降低液压油泵的 耗电量，因为在整个注塑机的用电量中，液压油泵电机占到了 80％以上。对注塑成型工艺进行碳足迹分析，需要先对注塑成型 工艺进行清单分析，再对其中的碳排放主要环节进行节能减碳。 2注塑成型工艺碳足迹分析 2．1注塑成型工艺研究现状 注塑成型工艺将熔融态的聚合树脂与添加剂混合，再注入 到模具型腔中，等到熔融态树脂固化之后，模具型腔打开，塑料组 件被顶出。注塑本身对环境的碳排放很少，但我们必须将辅助工 艺和原材料消耗也列入考虑，原材料生产阶段会产生碳排放。由 于注塑成型是一个庞大的产业，所以这些碳排放会成为影响环境 的关键因素，能源效率上的一点提高，就能有效的降低碳排放。 基于清单分析方法，众多学者在原材料生产，废弃产品拆 解、分离、回收等全生命周期方面做了大量工作。在这些学者中， Ian Boustead对常用树脂进行了环境影响评价。他研究了法国的 两个生产聚氯乙烯配件的注塑厂，这些配件用于排水系统管道目。 他还研究了英国的一个注塑厂，这个工厂生产(12～76)g不等的 聚丙烯组件目。这些研究针对特定产品，着眼于具体应用和工艺参 数。研究以生产不同产品的注塑机为对象，通过这些注塑机获取 一系列的数据。组成了注塑成型的完整工艺。 Mattis在3D固态仿真环境下，采用数值方法进行研究。这 一研究表明，模具设计、部件设计、工艺参数对工艺效率存在影响州。 Boothroyd旨在通过面向制造的设计，提出一系列经验方程，用以 指导确定注塑机尺寸，以及注塑成型各阶段的工艺时间 。 2．2注塑成型碳排放分析 进行碳排放分析之前，需要界定目标和范围，建立系统边 界。注塑成型中以生产聚合物为起始，这一阶段通过开采、运输原 材料制造聚合物，需要消耗能量。接下来，原材料聚合物被运输到 混合车间，根据应用需求，可向里面施放添加剂。然后，聚合物被 送到注塑机内，加工成型。注塑过程中，也可向注塑机内施放添加 剂，例如着色剂。注塑、包装之后，产品可供给消费者使用，并最终 废弃、分解。如图1所示，所选的系统边界没有包括包装及其后续 工艺，因而被称为“从摇篮到工厂”。综上，这个系统边界始于原材 料聚合物的生产，到注塑生产出成品为止。基于该系统边界，可对 注塑成型工艺的碳排放进行分析，得出各阶段能量消耗，如表1～ 表4所示。对同一台注塑机，它加工的原材料有很多种，在计算注 塑机的能耗时，应该对各种原材料的能耗值进行加权平均。 ★来稿日期：2012一O1—23 ★基金项目：国家科技支撑计划资助(2011BAF11B04) 2 刘学平等：注塑成型工艺的碳排放分析 第11期 发源地 添加剂 图l注塑成型系统边界 Fig．1 Injection Molding System Boundary 表1热塑性塑料生产阶段能■消耗(单位：MJ／kg) Tab．1 Energy Consumption in the Thermoplastic Plastics Production Phase(Unit：MJ／kg) 骠 按数量计 乙烯乙烯 乙烯 帅 骰 般 损耗注塑 平均值89．8 79．7 73．1 83．0 59．2 87．2 95．7 78．8 81．2 74．6 最小值 77．9 79．7 64．6 64．0 52．4 70．8 78．2 59-4 69．7 62．8 最大值111．5 79．7 92．0 l11．5 79．5 118．0 117．4 96．0 102．7 97．6 表2混合阶段能量消耗(单位：MJ／kg) Tab．2 Energy Consumption in the Mixed Phase(unit：MJ／kg) 内部运送 干燥 挤出 厂房 O．99 平均值 最小值 最大值 0．09 0．7O 3．57 一 O-30 1．82 一 1．62 5．oo n16 0．06 0_31 表3注塑阶段能量消耗(单I~“：MJ／kg) Tab．3 Enemy Consumption in the Injection Stage(unit：MJ／kg) 平均值0．04 0．70 1 1．29 5．56 4．89 0．05 最小值 一0．30 3．99 3．11 1．80 0．03 最大值 一 1．62 6 9_79 8．45 15．29 O．12 表4总体能量消耗(单位：MJ／kg) Tab．4 Overall Energy Consumption(unit：MJ，kg) 油压式、混合式、电动式注塑机的平均能耗分别为93．6MJ／ ，87．8MJ／kg，87．2MJ／kg。值得一提的是，注塑阶段本身消耗的能 量并不大，但考虑到其他阶段，这个数字就变得很可观了。不考虑 原材料生产阶段，油压式、混合式、电动式注塑机的平均能耗分别 为19．0 MJ／kg，13．2MJ／kg，12．6MJ／kg，这些数据将工业发电能耗也 纳入其中。考虑到原材料加工，能耗值将上升到接近lOOMJ／kg。 在这个系统边界内，原材料生产阶段的碳排量最大，其次是注塑 成型阶段和挤出成型阶段。鉴于注塑成型阶段是主要的碳排放 源，我们需要对其分析，以期探索减少碳排放的有效途径。 3注塑成型碳排放改善策略 3．1油压系统节能途径分析 当ABS颗粒进入螺杆的时候，注塑成型就开始了。螺杆持续 转动，推动ABS颗粒向前进，ABS受热熔融，转变为黏流体。当 ABS颗粒黏流体的压力足够大的时候，螺杆后退，并完成计量，这 一过程称为预塑。随后，螺杆恢复前行，ABS颗粒黏流体通过喷嘴 进入模具型腔，这一过程称为注射。注射结束时，模具散热，成品收 缩，为了补充物料，需要继续保持压力，这就是保压。在模具中通冷 却水，带走热量，使产品凝固，这是冷却。最后，模具型腔打开，制品 被顶针顶出，—个周期结束。注塑机油泵在电动机的带动下，从油箱 中吸油、加压输出、流经各种控制阀，最终实现控制油压、流量和方 向的功能。传统匕采用的是定量泵注塑机，它的油泵速度不会随着 工况的变化而改变。当注塑机所需油i~／J,时，大量的能量损耗在 阀门上，形成压差，产生溢流。对于三相异步电动机，它的转子转动 速度随着电源频率的降低而降低。变频器的原理正是降低电源频 率，进而使电机转动变慢：n=|S l-s)，p。这样，当实际工况不需要电 机输出太大的转速时，降低电动机电源频率，就可以调低电机转 速。同时，泵的输出流量Q=V*rd60，式中： —泵的排量。泵的供油 量随着转速减小而变少。当前多数企业还是采用定量泵的液压系 统，采用变频器，相当于把定量泵改造成了更加节能的变量泵 。 3．2基于AMESIM的建模仿真 为了定量分析注塑成型工艺的碳排放，我们采用AME(Adv— anced Modeling Environment)仿真软件对不同的注塑成型工艺进 行了累积能耗的仿真。传统的注塑机液压系统未采用变频调速，而 是采用定量泵+能量调节单元构成，如图2所示 。A是流向节流阀 的油液，B是溢流阀，C是流量传感器，D是压力传感器，E是功率计 算模块，F是定量泵，G是蓄能器，胃是流量、压力设定值。若当前压 力印小于蓄能器压力 ，则触发放油模块2。若当前压力印大 于蓄能器压力 ，并且蓄能器压力Pn小于蓄能器压力预设值 Pc，则触发吸油模块1，蓄能器完全打开吸收油液。流量补偿模块 4为Oq=lQs一 I，压力补偿模块5的计算公式为印=lPa-pP1，能 量计算模块3的计算公式为W。=Dq／sqrt(Dp o最后，由OUT引脚 输出到比例方向流量阀的电磁铁控制端，控制阀芯位移。 图2加入能量调节单元的注塑机液压系统 Fig·2 The Injection Moulding Machine Hydraulic System Added by Energy Controlling Unit r 根据公式Q=G*A 、／ ·P，可由比例方向流量阀的阀1：3开 度控制蓄能器吸收或释放的油液。能量调节单元的作用是，在泵 输出能量大于系统所需要求时吸收能量，在泵输出能量不能满足 系统要求时释放油液，既可以在流量补偿过程中提高节能效率， 又可以加快响应速度。采用变频器使泵的输出流量可变，这样，流 No．11 NOV．2012 机械设计与制造 3 量调节功能不再由节流阀实现。变转速系统具有响应慢的缺点， 在系统中增加能量调节单元，可以加快响应速度。变频注塑液压 系统，如图3所示。 图3采用变频器的注塑机液压系统 Fg．3 The Plastic Injection Machine Hydraulic System Using the Transducer 变频器的工作周期是53s，工作参数设置，如表5所示。得到 各个时刻的累积能耗，如表6所示。累积能耗曲线，如图4所示。 表5工作参数设置 Tab．5 Working Parameter Settings 表6各个时刻的累积能耗 Tab．6 Accumulated Energy Consumption in Each Time 累积能耗曲线中，粗线代表未采用变频器的累积能耗，细线代 表采用变频器的累积能耗，注塑成型周期为53s。其中，(O 2)s是上 一个周期的冷却成型阶段，(22-28)s执行开合模动作，(28—34)s是 预塑阶段，(34“-49)s执行注射动作，(49-53)s是保压阶段。可以计 算出在一个周期内的节能效率为： -21．4％。 窒 ．R 础 时问(s) (a)注塑机压力曲线 时间(s) (b)采用变频器前后的累积能耗曲线 图4累积能耗曲线示意图 Fig．4 Curve Diagram of Accumulated Energy Consumption 4仿真结果分析 对某家电生产企业的注塑机进行分析，注塑机采用三相异 步电机，考虑电机的机械损耗和铜耗之后的效率 7 约为74％，冷 却时空转损耗P 约为1．7kw。双极齿轮泵的最大流量q 为1Us， 效率町：约为75％。以遥控器外壳为研究对象，每个周期生产 1000件产品。实际生产中的注塑机主要参数设置，如表7所示。 表7注塑机参数设置 Tab．7 Injection Molding Machine Parameter Settings 动作顺序 开模 合模预塑注射 保压 冷却 压力p(MPa) 6．0 6．0 6．0 6．5 2．0 0．05 占最大流量的百分比(％)70．0 70．0 60．0 90．0 35．0 0 时间t(s) 3 2．5 6 15 4 22 在—个工作循环中，对单个零件而言，液压系统输出总能量： w=~pqd=(6xlx3+6xlx2．5+6xlx6+6．5xlx15+2x lx4+0．05xlx22)xlO~xl0％100~-175．6．1 溢流损失能量： W1 g1t=(6x30％x3+6x30％x2．5+6x40％x6+6．5x10％x15+ 2x65％x4+0．05xlO0％x22)x106xl0-3+1000=40．35J 冷却时电机的空转损耗为：w2=p t=37．4J 节能效率为： IW!+W 2 40． 35+37 ．4= ％ “ z +37．4 53 9… 所以，采用变频调节之前，单个零件能耗值为353．79J，变频 调节技术节约能量7Z75J。根据发改委相关文件，企业所在区域 的碳排放因子为1．1255tCO]MWh，可计算出该企业在采用变频 技术之后，生产遥控器外壳，每分钟减少的碳排放： 77·75J×1000×1．1 1255 --77·75kJ× 1．1255一： 2 ：2．43x10-5tCO 10 kW·3600s ‘ 企业采用两班倒上班制度，每天工作16h，每年工作300天， 可计算出该企业在采用变频技术之后，每年减少的碳排放： 2．43x10 tCO2xl6x6Ox300=7tCO2 5结论 采用变频调节之前，单个零件能耗的实际值为353．79J，仿 真值为350J；采用变频调节技术，节约能量的实际值为77．75J，仿 真值为75J；节能效率的实际值为22％，仿真值为21．4％。综上所 述，采用变频调节技术可以降低电耗，进而减少碳排量，每年可减 少大约7t的CO：排放量。 参考文献 [1 J M．M．Fisher，F．E．Mark，T．Kingsbury J．Vehlow，and~Yamawaki．Energy recovery in the sustainble recycling of plastic from end—0f—life electrical and electronic 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