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技術通報 287期_複合式紅外線乾燥設備應用 協助橡塑膠產業節能 2022.06.23

  複合式紅外線乾燥設備應用
協助橡塑膠產業節能		  
  文／智慧化設備發展處 周明慶  
   
 
 
　　有別於傳統蜂巢式熱風烘料機與除濕機的長時間乾燥方式，所產生後的熱氣大部分直接排至大氣中，較屬於浪費能源，複合式紅外線乾燥設備具有均勻翻料與快速乾燥之功能外，本研究將設計一款除水模組，將桶身內的熱氣藉由風機抽取出來，經過熱回收模組來除水，最後導入至乾燥筒夾層，能夠讓節能效益再提升，因此，可避免塑膠粒變質或劣化。為符合射出成形業者含水率100ppm 以下的烘料使用及每小時烘料量需求，因此以上述兩項需求特別規劃。本文將針對複合式紅外線乾燥設備使用的主要零組件機構進行詳細分析，其中包括除水元件、除水模組、烘料滾桶、傳動機構與傳動元件等主要零組件，作為未來開發業界需求設備之設計依據，於電控模組，導入塑料配方管理烘料系統，可以將烘料參數紀錄與讀出，配合烘料最佳化演算模型，將第一次烘料之含水率與其他參數之結果導入演算模型，透過誤差修正，計算出滾筒烘料速度、紅外線功率，達到控制塑料含水率達100ppm、節省時間達70%、節省能源達45% 的目的。
關鍵字：紅外線、烘料量、烘料滾桶、驅動器、節能模組
  
  ▋ 前言  
  　　由於節能政策的興起，各國開始響應，目前國際上有兩項塑橡膠成形產業節能的主要評斷標準，以歐盟「EUROMAP60.1」及中國大陸「塑料注塑成形機能耗檢測和等級評定」，為現今業界規範塑橡膠產業節能的重點指標，尤其針對射出成形製程與設備能耗的測試規範，並訂定能耗等級關鍵標章，希望藉此鼓勵成形產業廠商精進節能製程及設備技術。相對於國外的節能規範，我國目前並無完整的推動政策或補助計畫，臺灣做為全球第六大塑橡膠機械生產國及出口國，是十分急迫需要面對的議題，財團法人精密機械研究發展中心（PMC）投入連續式紅外線乾燥設備技術與微波輔助乾燥機構分析設計技術之開發，透過新技術之導入，推出低能耗成形塑橡膠烘料技術再創新。為符合塑橡膠產業射出成形、押出成形、擠出成形與吹製成形前等塑料之乾燥需求，以及中上游塑橡膠設備、輔機製造業者之關鍵零組件技術亟需提升，投入連續式紅外線乾燥設備機構分析設計技術關鍵零組件研發，取代傳統使用熱風、蜂巢式轉輪、分子篩或真空乾燥之技術，預計產出連續式紅外線乾燥設備，與傳統烘料製程比較，大幅提升能源使用效率。接續，以連續式紅外線乾燥設備應用進行設計分析說明。  
  ▋ 烘料滾桶  
 
　　烘料滾桶由桶身、螺旋葉片、翻料葉片、旋轉軌道、軌道連接塊、補強連接桿、保溫棉、保溫棉固定角鐵、保溫棉防護罩、前蓋與後蓋等零組件組成。烘料桶基本尺寸如下圖所示，由3組螺旋葉片與30 片翻料葉片組合而成，單一圈模擬塑膠料翻料區域容量如圖所示，圖一為烘料滾桶，圖二為烘料滾桶3D 圖。
  
 
   
 
  ▋ 紅外線驅動器  
 
　　設計紅外線驅動器，以全橋架構降低諧波，讓電能損失較低，直接提升電力轉換效率，可克服傳統驅動器干擾其他設備、電源，並依據加熱溫度變化即時調控輸出功率，減少電力浪費，圖三是紅外線驅動器方塊圖，說明由市電AC 220V，經過整流器，搭配濾波電容後，整成直流電源，再經由逆變控制器將輸入訊號傳送到全橋逆變器，全橋逆變器透過電壓切換的方式，將直流電源再轉換成交流電源，提供給紅外線加熱器使用。
紅外線驅動器電路組成，包括：
 
(1) 逆變器，如圖四所示，由防突波器、功率電晶體所組成，功能為將直流電源變為交流電源，輸入：數位控制訊號0~5V、輸出：可調控功率的交流電訊號AC0V~AC110V。
 
(2) 整流器，如圖五所示，由整流二極體與穩壓電容所組成，功能為將交流市電轉為直流電源，輸入：AC220V、輸出：DC310V。
 
(3) 逆變控制器，如圖六所示，由微處理器IC、濾波電容、燈號顯示所組成，功能為透過程式輸出逆變器之控制訊號，輸入：DC5V、輸出：PWM 控制訊號0~5V，可控制逆變器電壓AC0V~110V。預計產出連續式紅外線乾燥設備，與傳統烘料製程比較，大幅提升能源使用效率。接續，以連續式紅外線乾燥設備應用進行設計分析說明。
  
 
 



 
 
  　　圖七為紅外線驅動器電路布局圖，圖八為紅外線驅動器電路板實體圖，圖九為紅外線驅動器電路模組，紅外線驅動器使用逆變器設計特點為：節省電能消耗，並減少諧波干擾到其他機台的機會，傳統SCR 驅動模組效率差（效率約40%），且諧波干擾大，使用全橋逆變模組，效率好（效率約5%）， 可以解決產業上諧波干擾的問題，與傳統SCR 驅動模組比較，可節省電能消耗。  
 
 

 
 
  ▋ 智能控制技術  
 
　　智能控制模組使用配方管理：包含塑料名稱、廠商名稱、入料速度、紅外線功率、溫度、滾筒速度、烘料時間、含水率共8 種參數，支援10 種配方。
　　人機加入儲存與讀取的功能，能使已記錄的烘料參數，直接於人機讀取，並控制烘料機之動作。
　　一般熱風或蜂巢式乾燥機並無配方管理系統，本智能控制技術加上配方管理系統，可讓不同的塑料乾燥時，對應到不同的最佳化參數。使用配方管理系統，有助於成形產業於烘料時，將乾燥機調機經驗參數化，降低專業需求之依賴，圖十為烘料配方控制系統設計。
  
 
   
 
 
　　烘料參數演算模型：使用最曲線擬合，將初始之滾筒速度、入料速度、乾燥溫度、含水率與乾燥能力，輸入至烘料參數演算模型，最終輸出目標滾筒速度、入料速度、乾燥溫度、含水率與最佳化時間。
　　烘料參數演算模型特點為將第一次烘料之含水率與其他參數之結果導入演算模型，透過誤差修正，計算出滾筒烘料速度、紅外線功率，達到控制塑料含水率的目的，利用烘料參數演算模型，進行烘料參數之演算與疊代，取得最佳化之烘料參數與時間，圖11 為烘料參數演算模型系統設計。
  
 
   
 
  ▋ 複合式乾燥設備測試  
  　　塑橡膠成形產業之工作站生產單元製程為反覆加熱與冷卻之週期性過程，不僅加熱和冷卻的時間耗損許多能量，且絕大部分塑膠原料需經過除濕乾燥後才能投入生產，這都是塑橡膠成形製程耗能的原因，對國內產業來說更是極大的技術缺口。本計畫投入能耗佔比較高的原料除濕乾燥之技術項目進行開發，對於乾燥製程方面，導入複合式乾燥機構、配方管理與烘料參數演算模型與橋式電力驅動器，整合出國內首部塑料乾燥用60kg/hr 級複合式乾燥機，實測塑料乾燥後含水率≦ 100ppm（滿足90% 以上工程塑料），與傳統烘料製程（蜂巢式）比較，烘料時間縮短約71.4%、節能比例約50.2%。

　　複合式紅外線烘料模組組裝，包括：3 段滾筒機構，功能包含快速加熱、均勻乾燥、持溫出料，透過馬達及鍊條帶動此機構，整體機構長960mmX 寬1100mmX 高1950mm，圖十二為乾燥滾筒組裝照。		  
 
   
 
  　　複合式紅外線烘料模組與調控驅動電路及設備系統整合，包括：烘料滾筒、紅外線驅動控制器、滾筒轉速變頻器、熱能回收除水機構、溫度控制、數位控制電路、烘料參數配方管理軟體等，滾筒轉速及最大輸送能力測試，實驗架設使用PC-110 塑料、電子磅秤、溫度量測儀、計時器，並將塑膠粒吸料於料桶內，搭配轉速設定進行輸送量測試，圖十三為複合式乾燥設備實驗架設照。  
 
   
 
 
　　複合式紅外線烘料模組與調控驅動電路及設備系統整合，於人機介面上設定燈管溫度，並使用k-type 溫度量測再次驗證穩定性，溫度達160.1℃。傳統熱風式乾燥機或蜂巢式乾燥機，因塑料乾燥後之熱氣直接進行排除，造成能量浪費，本計畫透過管路、夾層、熱回收機構等設計，將製程所產生之熱氣回收再應用，由乾燥桶內部熱氣透過風機搭配耐熱管及旋轉接頭，將透過除水機構處理後之熱氣送往夾層內進行保溫再利用，透過此熱氣再利用的保溫效果也可有效降低紅外線燈管需不斷加熱冷空氣時之高負載運作時間，達到節能效果。

　　多段紅外線加熱溫度調控驅動模組測試，主要實驗的目的為取代傳統烘料方式（電熱絲加熱），透過紅外線的波長，進行塑膠材料的烘乾，並分為單段以及多段（3 段）烘乾製程，此設計的主要目的係為解決傳統烘乾機於烘料時塑膠粒無法均勻受熱之問題。因此本實驗的紅外線功率與溫度量測之結果將格外重要。加熱功率實驗量測，如圖十四為複合式乾燥設備烘料測試實驗：

(1) 從實驗果來看，已完成多段紅外線加熱溫度調控驅動模組測試，於單一加熱器開啟狀態下，功率量測儀所回饋之功率9.195KW，大於9KW 功率設定。
(2) 透過功率的調整，本實驗繼續進行三桶烘料桶的功率測試，由實驗數據及照片紀錄得知，當功率調整從70% 至100% 時，可達本目標28.045KW，同時間也驗證本實驗結果與初期設計目標一致。
  
 
   
 
  含水率實驗量測：

(1) 複合式乾燥機時間、含水率、能耗測試結果：以紅外線乾燥機進行測試，使用pc 塑料乾燥至100ppm 時，並同時用計時器紀錄時間約40 分鐘，累計能耗為2322.7W，根據實驗結果pc 塑料含水率曲線可達到快速乾燥(100ppm) 且與傳統功率相比更減省能耗。

(2) 透過複合式乾燥機進行乾燥之塑膠粒，達含水率≦ 100ppm。由於橡膠粒子的含水率會直接影響射出成形機所射出的產品良率，太高或太低，都會造成產品本身的瑕疵，因此含水率的實驗在射出成型產業格外備受重視，因此本實驗主要目的就是要測試乾燥機的乾燥性能，是否有達到100ppm。

如圖十五為複合式乾燥設備烘料含水率實驗，每10 分鐘取出之塑膠粒會放置於下圖的含水率測定儀中，去測定塑膠粒的含水率是否已達到100ppm，若還未達到則使用乾燥機繼續烘乾，直至含水率達100ppm 以下。		  
 
   
 
 
　　完成複合式乾燥設備烘料測試， 使用METTLER-TOLEDO 含水率檢測儀進行含水率之檢測，使用PC 塑料進行烘料，塑料經由三個烘料滾筒進行烘乾後，由出料口取得已烘乾的塑料，其含水率達100ppm，可涵蓋9 成的工程塑料之成形製程，貼合產業需求。
 
　　初始塑料由含水率測試儀測定的數值為1300ppm，數值測定後將塑料分別倒入「傳統」與「複合式烘乾機」中，塑料由1300ppm 乾燥至100ppm，並且每10 分鐘取樣一次，使用含水率計檢測數據與時間並記錄下來，經由實測結果得知，複合式乾燥設備部分乾燥時間約花費40 分鐘，比傳統（蜂巢式）乾燥時間為140 分鐘，時間縮短71.4%，符合技術目標，實驗結果證明，本計畫所開發之複合式烘乾機構確實可以有效提高烘乾效率，降低能源之損耗，圖十六為複合式乾燥設備烘料含水率測試曲線。
  
 
   
 
  　　完成複合式乾燥設備烘料節能量測試，主要係透過比較「傳統」與「複合式」乾燥機於節能性能上的差異化，鑒於在完成上一個實驗時，已明確知道烘料時間可以縮短70%，因此，主要針對二者所消耗的能量測進行實驗比對，圖十七為傳統（蜂巢式）VS 複合式乾燥設備烘料能耗實驗。  
 
   
 
 
　　複合式乾燥設備部分，將塑料由1300ppm乾燥至100ppm，耗能2322.7W，比傳統（蜂巢式） 耗能4666.2W，節能量50.2%。若於乾燥設備再導入烘料配方控制與參數演算模型，能使烘料參數快速達到最佳化，且比傳統烘料設備更節能，故可以為產業界達到節省能源成本之目的。
 
　　進行射出試驗測試，使用PC-110 塑料進行產品射出，模具是使用晶圓盒進行射出，並將不同含水率進行上機射出取樣，觀察射出成形件含水率變化情形，圖十八為實際射出機測試照。
  
 
   
 
  　　對於產品應用上，透過將含水率較高之塑料(1600ppm) 進行射出成形，可明顯看出產品表面上有水氣流痕的瑕疵現象產生，但對照組為透過本年開發之複合式乾燥機進行乾燥後(100ppm)，以相同之成形條件進行射出，產品表面則較為光澤，有別於傳統蜂巢式乾燥，因塑料乾燥時間過久造成成形時表面黃化，採用複合式乾燥設備，不僅減少乾燥時間，亦能降低塑料黃化讓產品表面更加光澤。  
  ▋ 結語  
  　　近年來功能性塑膠製品的應用與日俱增，塑橡膠成形產業之工作站生產單元製程為反覆加熱與冷卻的週期性過程，大部分塑膠原料需經過除濕乾燥後才能投入生產，這是塑橡膠成形製程能耗最大的原因，本中心開發複合式紅外線烘料設備技術與智能控制技術，改善傳統熱風式塑料間接加熱乾燥方法，利用連續翻料與微波特性直接對於塑料中的水分子進行加熱乾燥，提升能源使用效率，烘料時間過長和能耗過高的問題將可大幅改善。本中心於110 年投入原料除濕乾燥之技術項目進行開發，對於乾燥機節能技術上，聚焦連續式乾燥技術，透過複合式紅外線模組再加上微波輔助，利用直接加熱方式同時針對塑料內水分進行乾燥，改善原本熱風式間接加熱乾燥方式，提升能源使用效率，與傳統烘料法比較，預期可以節能45%。隨著全球環保意識抬頭，企業對於社會責任越來越重視，更因為嚴苛的氣候變遷，企業紛紛開始要求產業鏈下游供應商採用節能與環保的綠色製造技術，面對新的產業環境，綠色製造科技的發展與導入，做到塑橡膠整廠工作站生產單元製造過程節能、節料、精簡製程、降低不良率、提高加工速度乃至人力都是當前國內塑橡膠成形產業發展迫切需解決之問題。  
  ▋ 謝誌  
  本研究計畫承蒙經濟部能源局提供經費補助( 計畫編號111-E0204) 與台甸、昌榮等協力廠商協助突破技術問題點，特此致謝。  
  ▋ 資料來源  
  1. 行政院，“國家節能減碳總計畫”，民國99 年。
2. FEECO INTERNATIONAL，“DRYING & COOLING SOLUTIONS”。
3. Autodesk Inventor 2015，“斜齒輪元件產生器”。
4. 大同工業株式會社，“Roller Chains for Power Transmission”。
5. 史勇春，李捷，李選友，吳茂剛，趙改菊，尹鳳交，“過熱蒸汽乾燥技術的研究進展”，乾燥技術與設備，第10 卷，第1 期，民國101 年。
6. 糜正瑜，褚治德．紅外輻射加熱于操原理與應用：機械工業出版社，1996。
7. 盧為開等．遠紅外輻射加熱技術：上海科學技術出版社，1983。
8. 潘永康．現代乾燥技術：化學工業出版社，1998。
9. D. Hongfa, G. Jun, and D. Xianzhong,“New Concepts of Dynamic Voltage Restoration for Three-Phase Distribution System,”IEEE Power Engineering Society Summer　Meeting, Seattle, USA., pp. 1427-1432, July 2000.
10. C. Zhan, M. Barnes, V. K. Ramach, and N. Jenkins, “Dynamic Voltage Restorer with Battery Energy Storage for Voltage Dip Mitigation,”IEE Conference on Power　Electronics and Variable Speed Driver, London, UK., pp. 360-365, September 2000.
11. N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Application, and Design, third Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, USA., 2003.
12. A. Ghosh, A. K. Jindal, and A. Joshi,“Design of a Capacitor-Supported Dynamic Voltage Restorer for Unbalanced and Distorted loads,” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 19, No. 1, pp. 405- 413, January 2004.
13. B. H. Li, S. S. Choi, and D. M. Vilathgamuwa, “Design Considerations on the Line-Side Filter Used in the Dynamic Voltage Restorer,” IEE Proceedings: Generation, Transmission, and Distribution, Vol. 148, No. 1, pp. 1-7, January 2001.
14. D. M. Vilathgamuwa, H. M. Wijekoon and S. S. Choi, “A Novel Technique to Compensate Voltage Sags in Multi-line Distribution System- the Interline Dynamic Voltage Restorer,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 53, No. 5, pp. 1603-1611,September 2006.
15. D. M. Vilathgamuwa, H. M. Wijekoon, and S. S. Choi, “Interline Dynamic Voltage Restorer: A Novel and Economical Approach for Multiline Power Quality Compensation,” IEEE Transactions on Industrial Applications, Vol. 40, No. 6, November/December 2004, pp. 1678-1685.		  
 

   
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