کنترل دما به منظور کاهش قیمت و بهبود برونداد در اکستروژن لوله و پروفیل

مهندس فاطمه خودکار
[email protected]

چکیده
در طراحی رانشگرهای لوله و پروفیل همیشه بهبود قابلیت تولید و سوددهی مدنظر است. به همین دلیل اکثر این رانشگرها، دقیق تر و از نظر فنی با روش پیشرفته ی خنک کاری غرقه ای (immersion cooling) طراحی شده اند. به منظور کیفیت پایدارتر، هزینه ی کم تر و بروندادی بهینه، خنک کاری فرایند حلقه بسته ی یکپارچه، کنترل دمای دقیق و انعطاف پذیری را فراهم می کند.

مقدمه
کنترل دمای یکنواخت بر کیفیت تولید و برونداد کل رانشگر موثر است. همچنین استفاده از آب تمیز حین فرایندکاری برای محافظت تجهیزات و اطمینان از حداکثر زمان کار (uptime) اهمیت دارد.
در خنک¬کاری غرقه¬ای، پلاستیک رانشگری شده¬ی داغ از طریق مخزن خلاء پرآب (water-fed vacuum tank) کشیده شده و برای حذف گرمای آن از تعدادی حمام آب عبور کرده و به طور قابل توجهی لوله یا پروفیل خنک و سفت می¬شود.
هدف اصلی از خنک¬کاری، اطمینان از پایداری ابعادی است که از طریق دمای آب در مخازن و سایر عوامل نظیر یکنواختی سرعت جریان و گردش آب کنترل می¬شود. همچنین کنترل دما بر رنگ و شفافیت مواد مختلف تاثیر می¬گذارد. به علاوه کنترل درست دما اطمینان می¬دهد که خط رانشگری بدون نیاز به راه¬اندازی مجدد فرایند (به علت مشکلات ناشی از دماهای نادرست در هر مرحله) در حداکثر زمان کار می¬کند.

روش¬های سنتی رایج
رانشگرها از انواع روش¬های رایج برای این منظور استفاده می¬کنند. یکی از این روش¬ها، استفاده از برج¬های خنک¬کاری باز (Open Cooling Tower) است که آب فرایندکاری را به سردکن¬های (Chiller) مرکزی که با آب سرد می¬شود، خوراک¬دهی می¬کند. برج¬های خنک¬کاری باز از فرایند تبخیری برای خنک کردن آب استفاده می¬کنند. این پیکربندی موجب کثیف شدن آب می¬شود. به علاوه هم به لوله¬کشی برای سامانه¬ی برج خنک¬کاری و هم برای گردش سردکن نیاز دارد.
گزینه¬ی دیگر، سردکن¬های مرکزی خنک شده با هوا است. این سامانه آب سرد برای مخازن را فراهم می¬کند و آب سرد مشابهی در دمای مشخصی را به رانشگرها انتقال می¬دهد. در نتیجه انرژی قابل توجهی برای خنک کردن رانشگرها هدر می¬رود، زیرا آنها تنها نیاز به خنک شدن دارند نه آب سرد. همچنین سردکن¬های مرکزی خنک شده با هوا، آب سرد مشابهی را در دمای مشابه به واحدهای کنترل دما (TCUs) در هر مخزن انتقال می¬¬دهند. از آنجایی که تمام TCUs به آب سرد نیاز ندارند، این سامانه انرژی زیادی هدر می¬دهد و ممکن است حتی برای رسیدن به دمای مورد نیاز به گرمایش مجدد نیاز داشته باشد.

سامانه¬های حلقه بسته
روش جایگزین کارا، سامانه¬ی خنک¬کاری فرایند حلقه بسته یکپارچه است که در آن، خنک¬کن¬های (cooler) مرکزی، آب تمیز را به انواع مختلف واحدهای خنک¬کاری مستقل که در مخازن رانشگری (بر اساس فناوری بکار رفته در مخزن) قرار گرفته، جریان می¬دهد. این فناوری، مدل پیشرفته¬¬تر ترکیب سردکن و TCU است.
این سامانه¬ی یکپارچه برای خنک کردن آب در گردش (از خط رانشگری به سامانه) از تبادل¬گرهای حرارتی و محفظه¬ی بی¬دررو (adiabatic chamber) استفاده می¬کند. سامانه¬ی حلقه بسته مجددا از همان آب استفاده می¬کند که در مقایسه با برج خنک¬کاری باز، مصرف آب شهری را کاهش می¬دهد.
همچنین سامانه¬ی حلقه بسته، باعث تمیز ماندن آب می¬شود و در مقایسه با برج¬های خنک¬کاری به تعمیر و نگهداری کم-تری نیاز دارد و استفاده از ترکیبات شیمیایی برای اصلاح آب را حداقل می¬سازد.

انعطاف¬پذیری سامانه¬ی سردکن/TCU
واحد خنک¬کاری سردکن/TCU می¬تواند مطابق با نوع مخازن رانشگری استفاده شود. این واحد در مقایسه با روش¬های رایج، کنترل دمای انعطاف¬پذیرتری را فراهم می¬کند. مدل¬های جدیدتر به تبادل¬گرهای گرمایی و پمپ¬های گردشی (recirculation) مجهز شده¬اند. مخازن مدل¬ قدیمی¬تر هیچ کدام را ندارند. از آنجایی که سردکن/ TCUمی¬تواند با تبادل-گر حرارتی و پمپ به اضافه¬ی سامانه¬ی سردسازی (refrigeration) مجهز شود، می¬تواند هر دو امکان¬ (یک یا دو ناحیه¬ی کنترل دمایی) را با یک دستگاه برآورده کند. یک واحد سردکن/ TCUمی¬تواند دمای یک یا دو مخزن را کنترل کند.
هم¬چنین واحد پیشرفته¬ی سردکن/TCU می¬تواند طیف دمایی مورد نیاز را بپوشاند و کنترل دقیق¬تر از TCU استاندارد را فراهم سازد. برای مثال ترکیب سردکن/TCU مدل Frigel Microgel می¬تواند دمای °C 91-9 با دقت °C 25/0 را فراهم سازد (شکل 1).

شکل 1: TCU/ سردکن Frigel Microgel
خنک¬شوندگی آزاد (Free Cooling)
هنگامی¬که شرایط اجازه می¬داد، سامانه¬ی حلقه بسته یکپارچه، مزیت خنک¬شوندگی آزاد را فراهم می¬کند. این به معنی مصرف انرژی کم¬تر و صرفه¬جویی بیشتر است.
خنک¬شوندگی آزاد به معنی این است که خنک¬کن مرکزی می¬تواند آب را در دمای لازم بدون استفاده از آب سرد، برای مخازن رانشگر فراهم کند. به علاوه واحد TCU/سردکن، به طور خودکار متراکم¬سازهای (compressors) خود را از چرخه خارج می¬کند چون شرایط محیطی خنک¬کاری مورد نیاز را برآورده کند، مابقی خنک¬کاری از طریق خنک¬کن مرکزی بدون نیاز به سردسازی فراهم می¬شود.
از آنجایی که نیاز به متراکم¬سازها با مصرف انرژی زیاد (که در سردکن¬ها بکار رفته) کاهش می¬یابد، در هزینه¬ها صرفه¬جویی می¬شود. مزیت خنک¬کاری پیوسته به متغیرهای مختلفی نظیر موقعیت جغرافیایی کارخانه و دمای عملیاتی بستگی دارد.
صرفه¬جویی انرژی تنها بخشی از صرفه¬جویی هزینه¬هاست. هم¬چنین در مقایسه با سامانه¬ی سردکن مرکزی/برج خنک¬کاری باز، صرفه¬جویی¬ها از طریق کاهش مصرف آب و هزینه¬های دفع (disposal) و نیز کاهش هزینه¬های ترکیبات شیمیایی و تعمیر و نگهداری فراهم می¬شود.

سامانه¬ی یکپارچه در عمل
هنگام افزودن سومین خط رانشگری به کارخانه¬ی واقع در جنوب Carolina، شرکت Sela توانست دمای خطوط رانشگر را دقیق¬تر کنترل کند و هزینه¬ها بدون از دست دادن کیفیت محصولات کاهش یافت.
شرکت در سال 1983 تاسیس شد و ابزارهای نمونه¬گیری مایعات را برای برخی صنایع و هم¬چنین نی نوشیدنی موج¬دار را تولید می¬کند (شکل 2). شرکت برای چهارمین خط رانشگری و گسترش کارخانه نیز برنامه¬ریزی کرده است.

شکل 2: نی موج¬دار از شرکت Sela

آنها دو سردکن¬ 5 تُنی خنک شده با هوا را با سامانه¬ی یکپارچه¬ی Frigel که شامل خنک¬کن مرکزی Ecodry 32 تنی و واحدهای TCU/سردکن¬ Microgel است جایگزین کردند. واحد Ecodry (شکل 3) سه رانشگر و همچنین واحدهای TCU/سردکن قرار گرفته در هر خط را خنک می¬کند. به علاوه خنک¬کن مرکزی، Microgel دو ناحیه¬ای (dual-zone) مخصوص در دستگاه قالب¬گیری تزریقی (که نوک¬ نی را تولید می¬کند) را خوراک¬دهی می¬کند.

شکل 3: واحد Ecodry

شرکت اظهار داشت که با این روش قادر است پروفیل گرمایی ثابتی را از شروع تا پایان فراهم کند تا پایداری ابعادی، رنگ مطلوب و شفافیت محصولات را در خطوط رانشگری اطمینان دهد. همچنین برونداد در خطوط رانشگری تا حدود 15 درصد افزایش می¬یابد و همان کیفیت نیز حفظ می¬شود.
Sela با استفاده از سامانه¬ی حلقه بسته، نیاز به آب شهری برای خنک¬کاری فرایند را کاهش داد. همچنین به علت حذف سردکن¬های خنک شده با هوا نیز هزینه¬های انرژی را کاهش داد. به علاوه با قابلیت خنک¬کاری پیوسته سامانه¬ی جدید می¬تواند بیشتر هزینه¬ها را کاهش دهد. در مقایسه با سردکن مرکزی/برج خنک¬کاری، سامانه¬ی یکپارچه برای شرکت Sela تقریبا 10000 دلار در سال در مصرف آب و انرژی صرفه جویی می¬کند.

منبع:
Cool running: closed-loop temperature control, PIPE & PROFILE EXTRUSION, April 2015.