Savings potential in dynamic temperature control
แนวคิดใหม่ในการควบคุมอุณหภูมิจาก Regloplas AG ช่วยลดการปะปนกันของตัวกลางถ่ายเทความร้อนที่มีอุณหภูมิต่างกัน โดยใช้ระบบแยกส่วนและกักเก็บตัวกลางร้อน-เย็นไว้ชั่วคราวตามรอบวัฏจักร ส่งผลให้กระบวนการควบคุมอุณหภูมิแบบ Variotherm ที่เดิมใช้พลังงานสูง มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นและช่วยประหยัดต้นทุนได้อย่างมีนัยสำคัญการควบคุมอุณหภูมิแบบไดนามิก (Dynamic Temperature Control) ซึ่งใช้วิธีสลับหมุนเวียนตัวกลางถ่ายเทความร้อนระหว่างอุณหภูมิสูงและต่ำ กำลังทวีความสำคัญอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมการฉีดขึ้นรูปชิ้นส่วนพลาสติกทั้งประเภทเทอร์โมเซต (Thermoset) และเทอร์โมพลาสติก (Thermoplastic) การประยุกต์ใช้กระบวนการที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายในชื่อ Variotherm นี้ ช่วยลดระยะเวลาในการแข็งตัวของเรซินพลาสติก อีกทั้งการให้ความร้อนแก่แม่พิมพ์ในช่วงเวลาสั้นๆ อย่างทั่วถึง ยังช่วยให้ผิวชิ้นงานมีคุณภาพสูงและสามารถขึ้นรูปโครงสร้างระดับไมโครที่ซับซ้อนได้อย่างสมบูรณ์ ในขณะเดียวกัน การทำให้เย็นลงทันทีช่วยให้สามารถถอดชิ้นงานออกจากแม่พิมพ์ได้รวดเร็ว ส่งผลให้กำลังการผลิตรวมสูงขึ้นอย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนอุณหภูมิอย่างฉับพลันในระบบ Variotherm มักส่งผลให้เกิดการใช้พลังงานที่สูงขึ้น เนื่องจากการป้อนตัวกลางร้อนและเย็นเข้าสู่แม่พิมพ์ฉีดสลับกันอย่างรวดเร็ว ทำให้ตัวกลางทั้งสองส่วนปะปนกัน จนนำไปสู่การสูญเสียประสิทธิภาพด้านพลังงานอย่างมหาศาล
ในการควบคุมอุณหภูมิแบบสลับเช่นนี้ จะประกอบด้วยชุดควบคุมอุณหภูมิ 2 ชุด แบ่งเป็นชุดที่ทำอุณหภูมิระดับสูงและระดับต่ำ โดยภายในชุดควบคุมจะมีถังพักของเหลวทำหน้าที่เป็นแหล่งกักเก็บความร้อน และช่วยลดผลกระทบจากการผันผวนของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ชุดวาล์วสลับทิศทาง (Changeover unit) จะทำหน้าที่เชื่อมต่อชุดควบคุมเข้ากับแม่พิมพ์ เพื่อให้ตัวกลางที่มีอุณหภูมิตามที่กำหนดไว้ไหลเวียนสลับกัน ทั้งนี้ อุณหภูมิที่สูงจากชุดทำความร้อน Tᵤ จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการถอดแบบพื้นผิวและการส่งผ่านแรงดัน ส่งผลให้ความต้องการแรงดันในขณะฉีดเข้าแม่พิมพ์และช่วงรักษาแรงดัน (Holding pressure) ลดลง ซึ่งส่งผลดีต่อการลดการบิดตัวของชิ้นงาน ในขณะที่อุณหภูมิต่ำจากชุดทำความเย็น Tₗ จะช่วยให้พลาสติกเย็นตัวจนถึงอุณหภูมิถอดแบบได้อย่างรวดเร็ว
ในระหว่างการสลับจากการให้ความร้อนไปสู่การทำให้เย็น ตัวกลางถ่ายเทความร้อนทั้งหมดจะถูกผลักออกจากท่อส่งและแม่พิมพ์ (รูปที่ 1) จากชุดทำความร้อนเข้าไปยังชุดทำความเย็นและไหลย้อนกลับมาในลักษณะเดียวกัน ซึ่งทำให้ตัวกลางที่มีอุณหภูมิต่างกันเกิดการปะปนกัน ในกรณีแรก เมื่อตัวกลางที่ร้อนไหลเข้าสู่ชุดทำความเย็น จะส่งผลให้ภาระการทำงานของระบบหล่อเย็นเพิ่มสูงขึ้น กล่าวคือ อุณหภูมิในวงจรทำความเย็นจะเพิ่มสูงขึ้น และในกรณีที่สอง เมื่อตัวกลางที่เย็นกว่าไหลเข้าสู่ชุดทำความร้อน ตัวกลางดังกล่าวจะต้องถูกนำไปทำความร้อนใหม่ให้ถึงระดับอุณหภูมิเป้าหมาย ซึ่งกระบวนการนี้สิ้นเปลืองพลังงานและใช้เวลานาน ในกรณีที่เลวร้ายที่สุด ตัวกลางอาจไม่สามารถทำอุณหภูมิได้ถึงระดับเป้าหมาย และผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องเปลี่ยนไปใช้ชุดควบคุมอุณหภูมิที่มีกำลังสูงกว่าเดิม
รูปที่ 1 เทคโนโลยีปัจจุบันของแม่พิมพ์ที่ควบคุมอุณหภูมิแบบไดนามิก ของเหลวถ่ายเทความร้อนทั้งร้อนและเย็นไหลผ่านแม่พิมพ์แบบเป็นรอบ (T คือจุดวัดอุณหภูมิ) (ที่มา: IET)
นวัตกรรมของ Regloplas AG จากเมืองเซนต์กัลเลน ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ใช้ระบบที่เรียกว่า energyBattery สำหรับเก็บสะสมของเหลวถ่ายเทความร้อนทั้งร้อนและเย็นไว้ชั่วคราว เมื่อถึงเวลาที่เหมาะสม ซึ่งชุดสลับการทำงาน (รุ่น Vario) จะตรวจจับได้โดยอัตโนมัติ ของเหลวถ่ายเทความร้อนจะถูกส่งไปยังเครื่องควบคุมอุณหภูมิที่มีระดับอุณหภูมิเดียวกัน จึงช่วยป้องกันไม่ให้ของเหลวร้อนและเย็นผสมกัน (รูปที่ 2)
รูปที่ 2 ในการควบคุมอุณหภูมิแบบวาริโอเทอร์ม energyBattery ทำหน้าที่เก็บของเหลวถ่ายเทความร้อนทั้งร้อนและเย็นไว้ชั่วคราว
การแยกและการเก็บของเหลวถ่ายเทความร้อนแบบชั่วคราว ช่วยให้เกิดประโยชน์โดยไม่ขึ้นอยู่กับลักษณะของแม่พิมพ์หรือเงื่อนไขการทำงานที่เลือกใช้ โดยศักยภาพในการประหยัดโดยเฉลี่ยสามารถประเมินเบื้องต้นได้จาก ปริมาตรของของเหลว (Vstorage) หน่วยเป็นลูกบาศก์เมตร (m³), อุณหภูมิการทำงานหน่วยเคลวิน (K) และเวลาในแต่ละรอบการทำงานหน่วยวินาที (s)
การผสมกันของของเหลวร้อนและเย็นจะทำให้สูญเสียพลังงานเฉลี่ย (วัตต์)
ตามสมการ:Pcapacity = Vstorage × p × cp × (Tu - T1) / tcycle time
สำหรับของเหลวถ่ายเทความร้อนประเภทน้ำ ในช่วงอุณหภูมิ 100–200 °C สามารถใช้ค่าความหนาแน่นเฉลี่ย (p) ที่ 920 kg/m³ และค่าความจุความร้อนจำเพาะเฉลี่ย (cp) ที่ 4320 J/(kg·K)ดังนั้น ในทางทฤษฎี การประหยัดต้นทุนจะสูงที่สุดในงานที่มีปริมาตรของเหลวมาก มีความแตกต่างของอุณหภูมิสูง และมีรอบการทำงานสั้น
ในโครงการร่วม นักวิจัยจากสถาบัน Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung (IWK) และ Institut für Energietechnik (IET) แห่ง Hochschule für Technik Rapperswil ได้ทำการวัดการประหยัดพลังงานจากการทดลองจริงหลายชุด โดยใช้ทั้งแม่พิมพ์ของลูกค้า และแม่พิมพ์ที่ผลิตขึ้นเฉพาะสำหรับการทดลอง (ผู้ผลิต: IWK, เมือง Rapperswil ประเทศสวิตเซอร์แลนด์)แม่พิมพ์ถูกใช้งานร่วมกับเครื่องควบคุมอุณหภูมิน้ำ 2 เครื่อง (รุ่น P200M จาก Regloplas) การศึกษานี้ทดสอบกับพลาสติก 3 ชนิดที่เหมาะกับการควบคุมอุณหภูมิแบบวาริโอเทอร์ม และเป็นวัสดุที่ลูกค้าใช้งานจริง (ตารางที่ 1) โดยกำหนดจุดการทำงานภายใต้สภาวะการผลิตจริงที่มีอัตราการผลิตต่อชั่วโมงสูงการวัดการประหยัดพลังงานทำหลังจากเครื่องเข้าสู่สภาวะคงที่แล้ว โดยดูจากกำลังไฟฟ้าที่ใช้ของชุดทำความร้อน ขณะที่พารามิเตอร์และการตั้งค่าต่าง ๆ ของเครื่องควบคุมอุณหภูมิ ยังคงเดิมทั้งในกรณีที่ใช้และไม่ใช้ energyBattery
ตารางที่ 1 เงื่อนไขการทดสอบสำหรับการผลิตชิ้นส่วนพลาสติกคุณภาพสูง โดยการทดลอง 3 ครั้งแรกใช้แม่พิมพ์จาก IWK
ในการใช้งานจริง พบว่ามีความแตกต่างของรูปแบบอุณหภูมิของของเหลวที่จ่ายเข้า (รูปที่ 3) เมื่อมีการใช้ระบบเก็บพักชั่วคราว อุณหภูมิของแม่พิมพ์จะมีความผันผวนน้อยลงสำหรับงานที่มีรอบการผลิตสั้น จะช่วยให้อุณหภูมิเข้าใกล้เส้นโค้งการควบคุมอุณหภูมิในอุดมคติมากขึ้น โดยค่าที่เป็นจุดตกและจุดพีคของอุณหภูมิจะลดลงอย่างชัดเจน ส่งผลให้ควบคุมอุณหภูมิได้อย่างรวดเร็วและเหมาะสมมากขึ้น พร้อมทั้งลดภาระความร้อนที่เกิดกับแม่พิมพ์อีกด้วย
รูปที่ 3 อุณหภูมิของของเหลวที่จ่ายเข้าสามารถปรับให้ดีขึ้นได้อย่างชัดเจนด้วยการควบคุมอุณหภูมิแบบวาริโอเทอร์มร่วมกับ energyBattery โดยการทดลองทั้งหมดใช้เครื่องควบคุมอุณหภูมิน้ำแรงดันรุ่น P200M ที่มีอัตราการไหล 60 ลิตร/นาที และกำลังทำความร้อน 18 กิโลวัตต์ (ที่มา: IET)
ในการทดสอบทั้งหมดที่ใช้ energyBattery พบว่าสามารถประหยัดพลังงานได้อย่างชัดเจนประมาณ 20% โดยยังคงคุณภาพของชิ้นงานสม่ำเสมอ (รูปที่ 4) ศักยภาพในการประหยัดพลังงานเห็นได้เด่นชัดเป็นพิเศษในแม่พิมพ์ของลูกค้าเนื่องจากมีการต่อวงจรควบคุมอุณหภูมิแบบอนุกรม ทำให้แม่พิมพ์มีระยะทางการไหลของของเหลวยาว และส่งผลให้ต้องใช้ปริมาณของเหลวในการควบคุมอุณหภูมิจำนวนมาก
รูปที่ 4 กราฟแสดงกำลังเฉลี่ยของชุดควบคุมอุณหภูมิฝั่งทำความร้อนที่สามารถประหยัดได้ เมื่อมีการใช้ระบบเก็บพักชั่วคราว (energyBattery) (ที่มา: IET)
เมื่อคำนวณสำหรับการทำงานแบบ 1 ที่ประมาณ 2,000 ชั่วโมงเครื่องต่อปี โดยสมมติค่าไฟฟ้าอุตสาหกรรมอยู่ที่ประมาณ 0.17 ยูโรต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง [1] แม่พิมพ์ของลูกค้าจะสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายได้ประมาณ 0.765 ยูโรต่อชั่วโมง หรือประมาณ 1,530 ยูโรต่อปีส่วนพลังงานที่ประหยัดได้ในระบบทำความเย็น จะขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีการทำความเย็นที่ใช้ และสภาวะการทำงานของระบบน้ำหล่อเย็นเป็นหลัก ดังนั้นศักยภาพในการประหยัดในส่วนของระบบทำความเย็นจึงไม่ได้ถูกนำมาศึกษาในรายละเอียดเพิ่มเติม
energyBattery ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบควบคุมอุณหภูมิในแม่พิมพ์ที่ทดสอบได้อย่างชัดเจน โดยยังคงคุณภาพของชิ้นงานฉีดขึ้นรูปให้อยู่ในระดับสูงและสม่ำเสมอด้วยการทำงานที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ระบบควบคุมอุณหภูมิสามารถปรับให้ได้ตามค่าที่ต้องการได้แม่นยำขึ้น และลดภาระความร้อนที่เกิดกับระบบน้ำหล่อเย็น นอกจากนี้ ในบางกรณี ผู้ใช้งานยังสามารถลดเวลาในแต่ละรอบการผลิตได้ เนื่องจากมีอุณหภูมิของของเหลวที่จ่ายเข้าสูงขึ้นโดยเฉลี่ย
การพัฒนานี้เกิดขึ้นจากความร่วมมือกับสถาบัน Institut für Energietechnik (IET) แห่ง HSR Hochschule für Technik Rapperswil และได้รับการสนับสนุนทุนจาก KTI/Innosuisse
ภาพและเนื้อหา: © Kunstoffe