淺談立式注塑機(jī)的各種電熱圈

　　為了順應(yīng)國家建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)發(fā)展的方向，大力實(shí)施綠色發(fā)展戰(zhàn)略，緊緊抓住節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品成為市場熱點(diǎn)的機(jī)遇，立式注塑機(jī)加熱器廠商也加快傳統(tǒng)技術(shù)改造、升級換代的步伐，并不斷采用節(jié)能降耗新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝、新材料，以滿足各類生產(chǎn)廠家的不同需求。本文主要論述了目前立式注塑機(jī)常用電熱圈的結(jié)構(gòu)及工作原理，并將它們之間的性能與特點(diǎn)進(jìn)行比較，提出了個(gè)人的見解，供有關(guān)人士參考。

　　1立式注塑機(jī)常用電熱圈的工作原理與結(jié)構(gòu)

　　1.1電阻式電熱圈

　　目前市場上的大部分立式注塑機(jī)仍然采用電阻式電熱圈，電阻式電熱圈是基于電流熱效應(yīng)來產(chǎn)生熱量，即當(dāng)電流通過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體的電阻對電流有阻礙作用，而電流要克服導(dǎo)體的阻力要做功，也就將電能轉(zhuǎn)化成熱能，并通過傳導(dǎo)的方式進(jìn)行傳遞，故需將加熱圈的內(nèi)壁與料筒的外壁可靠接觸才能將熱能傳遞到料筒上，而加熱圈外壁的熱量大部分散失到空氣中，造成熱效率下降，環(huán)境溫度上升。

　　其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由接線端子、緊固螺釘、外殼、絕緣體、電阻絲5部分組成。

　　1.2電磁感應(yīng)加熱圈

　　電磁感應(yīng)加熱圈是利用磁場感應(yīng)渦流加熱原理進(jìn)行工作。將輸入工頻50Hz/220V交流電通過整流電路變成315V的直流電，再通過控制電路轉(zhuǎn)換成頻率為20~35kHz的高頻電流，高頻電流通過線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生高速變化的磁場，當(dāng)磁場內(nèi)的磁力線通過金屬時(shí)，會(huì)在金屬體內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使金屬本身自行高速發(fā)熱。用于立式注塑機(jī)料筒加熱的電磁感應(yīng)裝置通常由隔熱保溫材料、電磁線圈、護(hù)罩、控制器等組成。

　　1.3納米紅外電熱圈

　　當(dāng)納米紅外電熱圈通上交流電后，其自身已變成遠(yuǎn)紅外輻射熱源，其表面溫度會(huì)逐漸升高，導(dǎo)致溫度梯度增大，使被加熱物體的熱傳導(dǎo)強(qiáng)度增強(qiáng)，吸熱能力大大提高。通過遠(yuǎn)紅外涂層將輻射熱能轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)紅外熱能，增強(qiáng)了被加熱物體的熱能吸收速度。高效納米電熱層的表面黑度高，故能吸收大量的輻射熱能，又因其發(fā)射率高，故能將吸收的輻射熱能轉(zhuǎn)換成被加熱物體易吸收的遠(yuǎn)紅外熱能，熱轉(zhuǎn)化率高。

　　納米紅外電熱圈一般由遠(yuǎn)紅外涂層、鋁合金導(dǎo)熱層、納米電熱層、隔熱層、外殼、防輻射涂層等部分組成。

　　2各種電熱圈的性能

　　以上介紹了在立式注塑機(jī)上廣泛運(yùn)用的電熱圈結(jié)構(gòu)與工作原理，下面從多角度對不同種類的電熱圈進(jìn)行分析比較。

　　2.1節(jié)能

　　由于立式注塑機(jī)電加熱系統(tǒng)占整機(jī)能耗的15%~30%左右，如果能合理的選用不同種類的電熱圈，就能降低能耗，從而降低生產(chǎn)成本。電阻式電熱圈是電阻絲發(fā)熱，通過接觸傳導(dǎo)方式將熱量傳遞到料筒上，且只有電熱圈內(nèi)壁傳遞熱能，而其外壁的熱量大部分散失到空氣中，外表面的溫度一般在100℃以上，存在比較大的熱能損失，節(jié)能效果不明顯。而電磁感應(yīng)加熱圈本體并不發(fā)熱，且實(shí)際使用中會(huì)在料筒外部包裹一定厚度的保溫材料，電磁感應(yīng)加熱圈的表面溫度在60℃以下，料筒內(nèi)部的熱量只有微量輻射到空氣中，這樣熱能損失會(huì)大大降低，提高了熱效率，因此節(jié)能效果顯著。紅外電熱圈采用納米紅外電熱發(fā)生器，納米級電熱涂層的熱阻大、反射率高，安裝于料筒表面，可將散失的熱能轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)紅外熱能以紅外輻射單向傳導(dǎo)至料筒表面，減少了熱能損失，節(jié)能效果明顯。

　　2.2安全性

　　電阻式加熱圈由于采用電阻絲為發(fā)熱元件，對人體健康無不良影響。而電磁感應(yīng)加熱圈是由高頻電流通過線圈產(chǎn)生高速變化的交變磁場，當(dāng)磁場強(qiáng)度到達(dá)一定量時(shí)會(huì)對人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)成危害。筆者曾以一臺(tái)鎖模力為90t的立式注塑機(jī)為測試樣機(jī)，該機(jī)配置三段電磁感應(yīng)加熱圈，每段額定功率為2.25kW，根據(jù)EN62233-2008電磁場的測量方法，使用電磁場分析儀ELT-400逐段通電進(jìn)行測試，測試的數(shù)據(jù)如表1所示。

　　分析表1的檢測數(shù)據(jù)可知：當(dāng)分別將各段電磁加熱圈逐個(gè)通電時(shí)，測出磁通量密度還較小，而如果同時(shí)對兩段以上的加熱圈通電后，我們發(fā)現(xiàn)磁通量密度會(huì)顯著增大，加權(quán)值W達(dá)到1.804，而根據(jù)歐盟EN62233標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定此值需小于1，故可認(rèn)為是不符合此標(biāo)準(zhǔn)的。但目前國內(nèi)僅對家用和類似用途電器的電磁設(shè)備作了具體的規(guī)定，并沒有適用于工業(yè)用途而設(shè)計(jì)的電磁設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。電磁感應(yīng)加熱圈的廠商也只根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)，對單個(gè)加熱圈的四周進(jìn)行EMF測試，沒有對多個(gè)加熱圈在實(shí)際工況下進(jìn)行檢測，電磁加熱圈的電磁輻射強(qiáng)度仍然較大，存在不確定的危險(xiǎn)性。紅外電熱圈通電后只產(chǎn)生熱輻射，熱量通過紅外輻射傳導(dǎo)，不產(chǎn)生高頻輻射，且紅外線的波長是對人體健康有益的光波，有促進(jìn)人體血液循環(huán)的功能，對人體有益而無害。

　　2.3熱慣性與溫控精度

　　立式注塑機(jī)的溫控精度對制品的質(zhì)量影響較大，特別是對溫度較敏感的塑料，要求溫度控制在±3℃。電阻式加熱圈是電阻絲發(fā)熱，然后將熱量慢慢的從料筒外表面?zhèn)鲗?dǎo)至料筒的中心，料筒外表面溫度與料筒的塑料溫度有較大的誤差，當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值后，雖然電阻絲已停止加熱，但因其熱慣性大，料筒表面仍然繼續(xù)向料筒內(nèi)部傳導(dǎo)熱量，造成溫控精度降低，溫度容易過沖10℃以上。而電磁感應(yīng)加熱圈是利用磁場感應(yīng)渦流加熱原理，被加熱的料筒通過自身的電流發(fā)熱，熱量由料筒整體產(chǎn)生，加熱迅速，料筒的內(nèi)外溫度基本一致，溫度控制實(shí)時(shí)準(zhǔn)確。但如果在產(chǎn)生高剪切熱的系統(tǒng)中使用，溫度容易過沖15℃以上，故對溫度敏感的塑料是不適用的。紅外電熱圈采用納米紅外電熱發(fā)生器，電熱轉(zhuǎn)換率高，熱效率95%以上，加熱速度比電磁感應(yīng)加熱圈慢，但因其本身熱慣性小，溫控精度較高，可明顯改善制品的品質(zhì)。

　　2.4對電網(wǎng)的影響

　　電阻式加熱圈與紅外電熱圈都屬于直熱型發(fā)熱圈，不產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)無不良影響。而電磁感應(yīng)加熱圈由于采用了電子整流裝置與大功率的IGBT，會(huì)產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)存在諧波污染，使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，造成電網(wǎng)的功率損耗增加、設(shè)備壽命縮短和不安全運(yùn)行。另外對周邊的精密儀器也會(huì)帶來不良影響，如測溫?zé)犭娕肌⑽灰苽鞲衅鳌⒘⑹阶⑺軝C(jī)控制器，則會(huì)出現(xiàn)溫度波動(dòng)、位置跳動(dòng)、控制器失控等現(xiàn)象。

　　2.5成本和經(jīng)濟(jì)效益

　　筆者以一臺(tái)鎖模力為90t的立式注塑機(jī)為試驗(yàn)機(jī)，該機(jī)共有四段電加熱圈，電熱總功率為7.38kW，分別配置不同類型的加熱圈，連續(xù)工作24h后，測得相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

　　上述數(shù)據(jù)表明，雖然電磁加熱圈與紅外電熱圈較電阻式加熱圈初期的投資成本很高，回收投資成本差額的周期約3個(gè)月左右，但節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益還是比較可觀的。

　　2.6發(fā)熱功率及使用壽命

　　電阻式加熱圈由于電阻絲發(fā)熱，發(fā)熱功率較小，其加熱溫度可至300℃左右，如需要更高的溫度時(shí)，則需將表面功率密度加大，這樣就會(huì)使電阻絲在高溫下快速老化而燒斷，所以電阻式加熱圈需要不定期的更換，使用壽命大約為6個(gè)月。電磁感應(yīng)加熱圈特點(diǎn)就是只在被感應(yīng)的金屬內(nèi)部才產(chǎn)生高溫，而加熱圈本體的溫度很低，自身的電損耗很小，所以即使發(fā)熱功率很大時(shí)也不會(huì)影響加熱圈的使用壽命，但由于立式注塑機(jī)的料筒都有多個(gè)加熱區(qū)，每個(gè)加熱區(qū)都分別配置加熱圈和電磁感應(yīng)控制器，故料筒上纏繞著多個(gè)電磁線圈，當(dāng)流過電磁線圈的電流發(fā)生變化時(shí)，變化的磁通量會(huì)使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，也就是自感電動(dòng)勢，且相鄰的兩個(gè)電磁線圈之間也存在互感電動(dòng)勢，自感電動(dòng)勢與互感電動(dòng)勢的存在，直接造成控制器的同步電路紊亂，電磁感應(yīng)控制器經(jīng)常燒壞，使用壽命一般在1年左右。紅外電熱圈發(fā)熱功率與電阻式相同，但其使用壽命為2年左右。

　　3小結(jié)

　　綜上所述，立式注塑機(jī)領(lǐng)域內(nèi)常用的加熱圈各有其優(yōu)缺點(diǎn)，而節(jié)能減排、綠色發(fā)展又是當(dāng)今世界的主旋律，立式注塑機(jī)的電加熱技術(shù)也迎來了一個(gè)發(fā)展的重大契機(jī)，合理運(yùn)用不同種類的電熱圈，可以達(dá)到降低能耗，節(jié)約生產(chǎn)成本的目的，進(jìn)一步提高企業(yè)的市場競爭力。