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技術通報 288期_複合式乾燥設備分析與設計 協助橡塑膠產業節能 2022.07.07

  複合式乾燥設備分析與設計
協助橡塑膠產業節能		  
  文／智慧化設備發展處 楊俊賢  
  自聯合國推動全球永續發展－ 2050 年零碳排之目標。近年來國際趨勢朝節能減碳方向持續發展，許多節能技術也逐漸被開發並應用於工業上，其中也包含塑橡膠產業。然而塑橡膠產業於射出成形時，必須預先烘乾塑膠粒，當中所使用的烘乾機屬於最耗電設備，耗電比約佔18-25%，因此許多研究朝向改善烘乾機節能技術發展。本文將針對複合式紅外線乾燥設備依據主要零組件的機構進行設計分析，其中烘料滾桶、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。並整合一款除水模組，係藉由風機將桶身內的熱氣抽取出來，經過熱回收模組進行除水，最後導入至乾燥統夾層，能夠讓節能效益進一步提升，因此，可避免塑膠粒變質或劣化。本文最終驗證，使用本技術後，其塑膠粒子含水率降至約100ppm 以下，符合90% 塑膠產業需求。  
 
      前言  
 
  　　2050 年淨零碳排之目標儼然已成為全球趨勢，各國之間紛紛制定相關規範與目標。其中以工業生產大國，歐盟以及中國大陸為首，制定出節能規章，如「EUROMAP60.1」及「塑料注塑成形機能耗檢測和等級評定」等準則。同時歐盟率先宣示實施碳關稅政策，通過開徵碳關稅來控制進口貨品的碳足跡，以完成在2030 年達到溫室氣體減量5 成，以及2050 年達到淨零碳排的目標。中國大陸所制訂規章則為為現今塑橡膠產業節能參考之重要指標，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，以鼓勵成形產業廠商精進節能製程及設備技術。因此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。而塑橡膠成形加工產品應用更是與你我生活密不可分，近年來最火熱的議題以「功能性塑膠製品的應用」與「高表面光澤度或微結構塑膠製品」在產業應用上最常被提及，在功能性塑膠製品部分，應用在3C、汽車、民生電子等產業應用居多，主要分為兩種類型，其一是在傳統熱塑性高分子材料加入纖維( 以玻璃纖維或碳纖維居多)，稱為複合材料，其目的是增強傳統熱塑性高分子製品之拉、壓、彎、衝擊等物理特性，使其具有輕量化、高強度、成形製程生產週期短、設計自由度高等特性，以取代傳統玻璃、金屬製品等零件。在傳統成形製程的熱塑性高分子材料中加入纖維，會造成塑料流動性變差、製品表面粗糙( 浮纖現象)、充填不完整等問題。其二是使用具有高玻璃轉化溫度的高分子材料，又稱高性能工程塑料，如PEEK、PSU、PES 等，其該材料本身即具有良好的機械性質，並於各種嚴苛環境中仍能保持良好的材料特性。但高性能工程塑料的吸水率高、加工溫度高，因此成品容易產生短射、收縮、氣泡、銀紋、表面粗糙度不佳等問題。因此，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節能與零組件之前製程乾燥技術亟需得到提升。因此，本文將投入連續式紅外線乾燥設備機構分析設計技術與關鍵零組件研發，目標為取代傳統使用熱風、蜂巢式轉輪、分子篩或真空乾燥之技術，目的為提高塑膠產品良率，縮短產品生產週期，預計產出連續式紅外線乾燥設備，並與傳統蜂巢式烘料製程比較，改善能源使用效率。

　　本文投入連續式紅外線乾燥設備技術之開發，並進行性能及功能驗證，其研究結果顯示，透過複合式紅外線模組，使用特定波長照射塑膠粒子使水分乾燥結晶之方式，與傳統烘料法比較，可節能約50%，烘料時間縮短約70%，有效改善蜂巢式機構熱間接加熱乾燥方式，並有效提升能源使用效率。		  
 
      烘料乾燥產業問題  
 
  　　傳統塑料烘乾製程問題，大多數塑料因應氣候的不同，而有不同的溼度，這些因素，都會影響到塑料自防潮密封的包裝袋取出曝露在大氣中時，即開始吸收空氣中的濕氣，產生吸濕性。傳統熱風除濕乾燥，除了積料問題導致乾燥不均，比較上面的塑膠料烘不到，只有在烘乾出料口的地方較為乾燥，導致射出製品之良率不高，還有廢熱排放多易耗能等缺點，且因為傳統式的烘料使用間接加熱的方法，乾燥時間長，能源使用效率較不好，導致耗費能源。塑膠料成形前以傳統熱風方式烘料，如採用電阻式電熱器加熱空氣之熱風式乾燥塑膠料，則需經長時間的乾燥，此種加熱方式屬於間接加熱，烘乾效率較差，因此乾燥等待時間長，約4 到6 小時，且含水率高之塑膠料於生產時，需持續烘料，相當耗能，而每一種原料因其物性，乾燥時溫度均有一定的限制，溫度太高時會使原料中的部分添加物揮發變質、塑料黃化或變色等不良現象，容易導致塑料化性與物性改變，產生不良成品，降低產品良率，故本研究於投入複合式乾燥技術與智能化乾燥節能控制技術，導入配方管理，提高橡塑膠產業競爭力，根據統計，約有50% 之常用工程塑膠，需要達到200ppm 之含水率，如圖一所示。  
 
   
 
  　　烘料機技術發展趨勢，烘料系統之塑料皆具有吸濕性，而濕度過高進行射出製程會產生諸多產品問題（例如：氣泡），因此各種技術相應而生，例如：負壓乾燥技術、蜂巢式乾燥技術、紅外線乾燥技術、物理式除水技術等，各種方法皆是為了有效降低塑料之含水率，但如果塑料濕度太高，會影響後續乾燥之時間，且時間增加，相對的電能消耗也會加倍，耗費多餘電能，故於智能化烘料控制，加入配方管理，針對不同物料，智能化管控其烘料參數，使塑料之含水率降低，能耗與傳統方式比較減少約30%。  
 
      紅外線烘料機種類  
 
  1. 燃氣式紅外線乾燥機
隨著燃氣事業的發展，燃氣紅外線乾燥機被日益廣泛地應用。所渭燃氣，是指所有的燃料，包括煤氣、液化石油氣和天然氣等。燃氣紅外乾燥機具有結構簡單、初投資低、啟動和停止快、溫度能迅速調節以及能源利用率高等優點。燃氣紅外乾燥機按加熱方式可分為：表面燃燒式和間接加熱式。

2. 金屬類紅外線乾燥機
金屬類紅外線乾燥機以金屬為基體，表面塗覆（或燒結）紅外輻射塗層，這塗層可以是金屬氧化物或碳化物等。金屬類紅外線乾燥機也有直熱式與旁熱式之分，直熱式即通常稱為電阻式紅外線乾燥機。旁熱式有金屬管狀、網狀、板狀等。常見的金屬管狀紅外線乾燥機的型式有直型、U 型、W 型，也有其他異型結構。這類型乾燥機通常在金屬管內裝入電熱絲，在金屬管和電熱絲之間填充氧化鎂粉作為絕緣和導熱層，在金屬管的外壁塗覆紅外輻射材料，兩端則用緊固件連接。

3. 玻璃類紅外線乾燥機
玻璃類紅外線乾燥機種類較多，有高矽氧石英玻璃、鍍金石英玻璃、微晶玻璃、乳白石英玻璃等製成的紅外線乾燥機。目前使用較為普遍的是乳白石英紅外線乾燥機。

4. 隧道式乾燥機
“隧道體”為保溫複合板，與物料直接接觸部件可採用碳鋼、不銹鋼、鋁合金等材料，熱風蒸汽、電、紅外線、油、氣等均可作為“熱源”。遵循“間歇入料出料”，順序入料、出料的原則，推移裝置簡單而且能耗低，料車均在軌道上移動。隧道外的軌道上進行裝料、卸料操作，占地面積較大；乾燥時間自由控制，乾燥效果理想。

5. 直熱式半導體陶瓷紅外線乾燥機
主要有三種型式：燒結型、厚膜型、薄膜型。燒結型是整個基體通過燒結處理，成為一種具有半導電特性的陶瓷材料；厚膜型是在陶瓷襯底表面塗上一層0.2~0.35mm 厚，經處理過的半導體陶瓷漿料，然後進行二次燒結；薄膜型是在陶瓷上通過半導體技術，高溫氣相沉積法將薄膜沉積於表層；這三種型式都是電能直接施加於基體之上，使之發熱，產生紅外線，並藉由輻射熱進行乾燥。		  
 
      外觀設計  
 
  　　台灣橡塑膠成形廠裡，絕大部分屬於中小廠房，因此場地空間運用受到限制，因此紅外線乾燥機設備於機構規格上，須將設計規格調整成適合中小型廠房，並且透過分艙設計，降低濕氣與溫度對電控設備之影響，如圖所示。
設計特點：

1. 透過業者建議以及歸納出傳統市售設備尺寸範圍W: 960~1750、D: 1060~1800、H: 1750~2550 （單位mm），將本設計尺寸大小訂為960mm*1100mm*2000mm。

2. 機架內部區域配置
(1) A 區域放置熱回收機構，用途為熱氣回收使用，空間尺寸約150mm*400mm。
(2) B 區為放置電路與電子元件，用途為驅動乾燥機構，空間尺寸約為300mm*450mm。
(3) C 區為放置滾筒機構，用途為塑膠粒烘乾，空間尺寸約為600mm*1000mm*1500mm。
(4) D 區為放置操作介面，用途為單機控制，如，溫度與傳動機構，尺寸約為400mm*350mm。		  
 
   
 
      熱風回收機構設計  
 
  　　熱風回收機構設計：為了增加能源使用效率，設計一款熱風回收機構，如圖一所示，因塑料乾燥中會有些許的水氣及紅外線加熱乾燥桶內部有熱氣，將熱氣二次再利用與使用，乾燥桶結構上有設計夾層，透過風機將桶身內部的熱空氣抽取出來，再經由管路送往乾燥桶之夾層內，來達到保溫效果，如圖二與圖三所示。對於傳統乾燥烘料方式，於乾燥桶所產生之熱氣，為直接排至大氣中，故本設計其所消耗的能源也比傳統能源來的少，故可以節省能源，使用熱風回收機構，優點為：增加能源使用效率，縮短加熱時間、降低殘餘濕度等。  
 
 
 
 
      乾燥桶機構設計  
 
  　　因應整廠工作站生產單元連續供料需求與節能效益再提升，投入乾燥設備技術之開發。乾燥機構分析設計技術方面，開發之主要工作要項，包括：模組化機架設計、紅外線設計技術、驅動電路應用設計等。開發乾燥機構技術，乾燥桶採創新設計( 快速加熱、均勻乾燥、持溫出料)，如圖八，進行模組化設計，方便維修人員拆卸及維修。由於目前國內業者無完整且烘料模組化方案可使用，且普遍使用熱風或負壓烘料，而本計畫複合式乾燥機構設計技術，採用直接加熱之原理，直接對於塑料進行加熱，提高能源使用之效率，並加快烘料之速度。  
 
   
 
  　　如圖九，灰色區域為塑膠粒，為使連續式乾燥桶符合30kg/hr 之目標，將單筒料桶進行估算，由乾燥桶總體積扣除翻料葉片、螺旋葉片以及螺旋葉片外的空間之容積，所的到體積為0.019493m3，以塑料容積密度(650kg/m3) 計算：

a.100% 容量，滾桶內塑膠料PA 重量約650*0.019493=12.670151 kg。
b.80% 容量，滾桶內塑膠料PA 重量約0.8*650*0.019493=10.13 kg。
以60% 估算，滾桶內塑膠料PA 重量約7.602 kg。		  
 
   
 
      乾燥設備測試  
 
  　　對比傳統蜂巢式乾燥設備進行含水率測試，將使用塑料粒PC-110 進行測試，實驗設備包括磅秤、含水率計、計時器及功率計，將塑料粒倒入桶內進行乾燥，溫度設定120 度，以乾燥至100ppm 之目標，觀察含水率對於之時間變化及功率對於時間之變化，由圖十一可看出乾燥至100ppm，時間花費140 分鐘，如圖十二乾燥至100ppm 功率所耗損為4.6662kwh。  
 
 

 
 
  　　對比複合式乾燥設備進行含水率測試，實驗測試標準一致，使用塑料粒PC-110 進行測試，實驗設備包括磅秤、含水率計、計時器及功率計，將塑料粒倒入乾燥桶內進行乾燥，溫度設定120 度，以乾燥至100ppm 之目標，並觀察含水率對於之時間變化及功率對於時間之變化，由圖十四，可看出乾燥至100ppm，時間花費40 分鐘，如圖十五，乾燥至100ppm 功率所耗損為2.3227kwh。  
 
 

 
 
      結論  
 
  　　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，這都是塑橡膠成形製程能耗較大的原因，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，時間長、能耗高的問題，利用連續翻料特性對於塑料中的水分子進行加熱乾燥，提升能源使用效率，烘料時間和能耗將可大幅改善。本研究投入連續式乾燥技術，透過複合式紅外線模組，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，使用本文所開發之塑料烘乾機所烘乾之塑膠粒，可以節能約50%，時間縮短約70%，依據含水率分析儀顯示，其含水率約落在100ppm左右，依據文獻及產業之規範及經驗，其含水率可供90% 以上之塑橡膠產業使用。  
 
      誌謝  
 
  　　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），特此致謝。  
 
      資料來源  
 
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