|
Miljøprojekt nr. 675, 2002 HFC-frie mælkekøleanlægEt feasibility studie af mulighederne for HFC-frie mælkekøleanlægIndholdForordNærværende rapport er resultatet af et feasibility studie af mulighederne for udvikling af H(C)FC-frie anlæg til mælkekøling hos mælkeproducenter. I bestræbelserne på at reducere anlægsydelsen og kølemiddelfyldningen samt at optimere energiudnyttelsen rækker analysen ud over selve køleanlæggets hovedkomponenter. Projektet kan opfattes som en delvis videreførelse af det tidligere Energistyrelses projekt "Ammoniakbaseret isbankanlæg til mælkekøletank" (J.nr. 7313127/96-0101). I projektet blev demonstreret, hvorledes et mindre ammoniakbaseret køleanlæg kan indgå som en integreret helhed af energisystemet hos en mælkeproducent. Baseret på de opnåede erfaringer samt inddragelse af ny teknologi er der i nærværende projekt gennemført en energimæssig og økonomisk analyse af de muligheder, der findes for at anvende frikøling og isbank sammen med varmeproduktionen fra et HFC-frit køleanlæg. På baggrund af undersøgelserne i denne fase vil tre demonstrationsanlæg blive opstillet ultimo 2001/primo 2002. Driftserfaringer, anlægsøkonomi og måleresultater fra disse tre anlæg vil blive dokumenteret i en afsluttende rapport efter seks måneders drift. Projektet er udført i samarbejde mellem Teknologisk Institut, S.V.K Industri, Multikøl A/S og Arla Foods amba med støtte fra Miljøstyrelsens Program for Renere Produkter.
Århus C., den 1. november 2001
Torben M . Hansen 1. BaggrundI forbindelse med Miljøstyrelsens plan for udfasning af kraftige drivhusgasser, herunder HFC-kølemidlerne, søger køle- og varmepumpebranchen i øjeblikket alternativer til de kølemidler, man i dag anvender. Med de netop pålagte afgifter på kølemidler med drivhuseffekt er der opstået et yderligere incitament til at vurdere alternativer til de syntetiske kølemidler. Anlæg til køling af mælketanke er et område, hvor alternativerne til H(C)FC-kølemidlerne ikke umiddelbart er oplagte. I dag anvendes med få undtagelser systemer baseret på enten HCFC-22 eller HFC på nyere anlæg. Køleanlæggenes primære funktion er at nedkøle mælken umiddelbart efter malkning fra ca. 36°C til 4°C og vedligeholde denne temperatur, indtil mælken afhentes hos producenten. Visse anlæg er udformet, så de yderligere bidrager til forvarmning af varmt vand. Der anvendes store mængder varmt vand til rengøring, til brugsvand samt til opvarmning af lokaler. Størrelsesmæssigt befinder hovedparten af anlæggene sig fra 3 til 10 kW kuldeydelse i gennemsnit over et døgn med en gennemsnitlig fyldning på ca. 9 kg. Summarisk er indsatsområdet opgjort nedenfor:
Det årlige totale elforbrug til køling baseret på en COSP på 3 samt 15 kW spidsbelastning ved 4 timers malkning bliver: Estimat: 13.209 producenter*15 kW/producent*(365 dage*4 timer/dag) / 3= 96 GWh/år. Estimat af fyldningsmængde: 120 tons Der er således tale om et betragteligt område, hvor der forud for projektet ikke eksisterer bæredygtige og kommercielt tilgængelige alternativer til de eksisterende anlæg med kraftige drivhusgasser. Det er opfattelsen, at der ved udnyttelse af de senere års erfaringer med kulbrinter, ammoniak og sjapis kan udformes anlægskoncepter, som både rummer en miljø- og energimæssig gevinst, oven i købet på et for mælkeproducenten økonomisk attraktivt grundlag. 2. ProjektformålFormålet er at udvikle et eller flere nye koncepter til HFC-fri mælketankskøling hos de enkelte mælkeproducenter. Anlæggene kan overordnet opdeles i fire hovedelementer; mekanisk køleanlæg, frikøling, kuldeakkumulering samt produktion af varmt vand. Der skal anvendes naturlige kølemidler og samtidigt fokuseres på at minimere den samlede energitilførelse til anlægget. Det skal klarlægges, hvorledes disse fire energisystemer skal vægtes i forhold til hinanden for at opnå reduceret energiforbrug, optimal systemøkonomi (drift og anlæg) og samtidig sikre fleksibilitet, dvs. mulighed for individuel tilpasning i forhold til den pågældende mælkeproducents behov. Ved anlægsudformningen fokuseres på system- og komponentløsninger, der samtidig kan bidrage til forbedret mælkekvalitet og hygiejne pga. hurtig køling og rengøringsvenlighed. Projektet gennemføres i tre faser.
Denne rapport beskriver resultaterne fra fase 1 - udredningsarbejdet. Rapporten indeholder en bred beskrivelse og sammenligning af alternative teknologier, der kan anvendes ved mælkekøling. Beslutningsgrundlaget for fase 2 er dannet på grundlag af de i rapporten beskrevne muligheder. Rapporten vil efter fase 3 blive efterfulgt af en afsluttende rapport, som indeholder anlægserfaringer samt dokumentation for anlægsopbygning og målte driftsforhold. Den afsluttende rapport forventes færdiggjort 6 måneder efter idrifttagning af anlæggene, dog senest ultimo 2002. 3. Driftsspecifikationer for mælkekøleanlægBeskrivelsen af de termiske delsystemer, der kan indgå i et mælkekøleanlæg, tager udgangspunkt i figur 3.1-1. Figuren viser en mulig kobling mellem de separate transportsystemer for hhv. mælk, drikkevand, sjapis/isvand, kølemiddel og varmt vand. Et komplet system som det i figur 3.1-1 repræsenterer en ultimativ udnyttelse af spildvarmen fra køleanlægget, frikøling fra omgivelser og belastningsudjævning af kompressordriften. Figur 3.1-1: 3.1 Malkning, frikøling og opbevaringDet primære formål er selvsagt at køle mælken umiddelbart efter malkning. De øvrige delsystemer er blot mulige tilvalg, som kan vise sig at være rentable for den enkelte mælkeproducent under bestemte forudsætninger. 3.1.1 MælkesideMælken opsamles ved malkning i mælkeglasset, hvorfra den batch-vist pumpes til en opsamlingstank, hvor mælken opbevares indtil afhentning. Traditionelt køles mælken i opbevaringstanken, som er forsynet med en kølekappe, hvor der strømmer isvand eller fordampende kølemedie. Som varmevekslingsprincip er kappekøling sjældent effektivt, og det vurderes endvidere, at temperaturen i tanken kan gøres mere stabil, hvis der i stedet anvendes eksterne mælkekølevekslere som vist i figur 3.1-1. I den første veksler (forkøleren) køles den varme mælk fra mælkeglasset fra ca. 36°C ned til 15-20°C vha. en vandkreds. Vandkredsen kan indeholde forvarmning af drikkevand, og/eller mælkevarmen kan afsættes i en jordslange. Drikkevandsforvarmning hævdes af nogle at være fordelagtigt ved, at mælkeudbyttet stiger, da koen ikke skal bruge energi på selv at opvarme vandet, og samtidig drikker koen mere. Andre mener, at bedre vilkår for bakterievækst giver dårlige maver, og køerne bliver forvænte og vil kun drikke, hvis vandet er opvarmet. Det rækker ud over projektets formål at inddrage problemstillingen i løsningen, og derfor lægges det resterende anlæg ud for en mælketemperatur på 20°C på afgangen. Denne forudsætning understøttes af målinger af varmeafgivelsen i en jordslange på et mælkekøleanlæg i juli-/august-/septembermåned (C. Schøn Poulsen, 1998). Efter forkøleren køles mælken det sidste trin ned til 4°C. Af hensyn til veterinære krav (potentiel risiko for kontaminering) er det mindre ønskeligt at have fordampende kølemiddel direkte involveret i varmevekslingen. På tegningen er køleren vist i en sjapisløsning, men i princippet kan der også anvendes vand, isvand eller brine. I skitsen er mælkevekslerne vist som to separate enheder, men i praksis kan de være integreret i en enhed (totrinsveksler). Mælketemperaturen ind i tanken kan styres meget præcist (eksempelvis ±0,2°C) med den valgte udformning, hvor en ventil i den sekundære kølekreds afpasser køleeffekten i forhold til mælketemperaturen. Da turbulensen er mindre udtalt i tanke med kappekøling, kan der opstå risiko for lokal underafkøling/isdannelse i sådanne systemer. Denne risikoen vurderes væsentlig reduceret ved ekstern nedkøling, og samtidig forventes det, at energiforbruget til omrøreren kan nedsættes, da de interne temperatur forskelle i tanken vil være negligible sammenlignet med kappekølede tanke. Omrøringen skal dog stadig være tilstrækkelig til at hindre mælken i at separere. Indførelsen af de 2 yderligere varmevekslere stiller ekstra krav til rengøringen efter hver malkning. Varmevekslerne er vist som koaksial, som vil være nemme at rengøre, hvis mælken strømmer indvendigt i rørene. Alternativt kan anvende pladevekslere, hvor antallet af steder med gode betingelser for kimvækst dog øges væsentligt. Prismæssigt er koaksial-vekslere 30-50% dyrere end tilsvarende pladevekslere. Data for de tre størrelser af mælkeanlæg, der er udvalgt til demonstration, er vist i tabel 3.1-1. Tabel 3.1-1:
3.1.2 Jordslange til forkøling af mælkVurdering af jordslange til frikøling er foretaget under følgende forudsætninger:
Resultaterne er samlet i tabel 3.1-2. Tabel 3.1-2:
*) : Prisestimat inklusiv pumpeJordslange og forkøler kan altså ikke med en rimelig tilbagebetalingstid finansieres alene på baggrund af elbesparelse på køleanlægget. Imidlertid kan den installerede kølekapacitet omtrentlig halveres, hvilket stort set afspejles direkte i køleanlægsprisen. En samlet vurdering af økonomien i jordslange og forkøler kræver indragelse af køleanlægsprisen og findes derfor i tabel 3.2-3. Det skal bemærkes, at det ikke er muligt at opnå tilskud til etablering under Energistyrelse CO2-program, Standardløsninger til Naturlig Køling med ordningens nuværende udformning. Der kan nomalt opnås 26% investeringstilskud til frikøling, men ordningen omfatter som udgangspunkt kun varmeafkast til luft. I tilfælde af tilskud har jordslangesystemet i sig selv en simpel lineær tilbagebetalingstid på ca. 8-9 år. 3.2 KøleanlægI den mest simple form består mælkekøleanlægget af:
Hvis der anvendes kappefordamper, kan der dimensioneres med et længere nedkølingsforløb (dog maks. 3 timer efter endt malkning i henhold til veterinære minimumskrav) i forhold til en øjeblikkelig temperatursænking i en ekstern køler (såkaldt instant cooling). Hermed kan køleanlæggets spidsydelse reduceres. Det skal bemærkes, at kimtallet er lavere og mælkekvaliteten højere, når mælken færdigkøles momentant. I tabel 3.2-1 er sammenlignet den nødvendige køleanlægsydelse ved forskellige anlægsudformninger: Tabel 3.2-1:
*) : 10 timers opladningstid3.2.1 Anlægsøkonomi – kompressor og frikølingBaseret på tilfældige listepriser (år 2001) for R404A - hermetiske kompressoraggregater med luftkølet kondensator, receiver, olie, sikkerhedspressostat og eltilslutning kan der regnes med følgende priser (se evt. bilag 1) pr. kW kuldeydelse ved -10°C/ 32°C.
Bemærk, at priserne ikke inkluderer fordamperanlæg. Køleaggregatpriserne for anlægskombinationerne er opstillet i tabel 3.2-2. Det forudsættes, at priserne for de opstillede HFC-baserede løsninger er indikative for tilsvarende rentable løsningsudformning med HFC-alternativer. Tabel 3.2-2:
*) : 10 timers opladningstidVed de angivne priser kan rentabiliteten for jordslangefrikøling vurderes på baggrund af besparelsen på kompressor-/kondensatoraggregatet ved de 9 alternative anlægsudformninger. Tabel 3.2-3:
*) : 5 års løbetid, 10% forrentning – uden etableringstilskudDet fremgår, at over en 5-årig periode kan det i de fleste tilfælde med DX-anlæg betale sig at nedlægge jordslange til forkøling af mælken. For anlæg med kuldebank kan besparelsen på kompressoraggregatet og elomkostninger over en 5-årig periode i sig selv ikke bære en investering i jordslange. I dette tilfælde er det altså nødvendigt at inddrage omkostninger for kuldebanken. 3.3 KuldelagerVed den valgte løsning med eksterne mælkekølere er det dominerende kølebehov sammenfaldende med malkningen. I den øvrige periode er der kun behov for vedligeholdelse af mælketemperaturen ved fjernelse af varmeindfald fra omgivelserne samt afsat energi fra røreværket i mælketanken. Driftsmæssigt betyder det, at der opstår en spidsbelastning 2x1,5 timer i døgnet. Forholdet mellem spidslast og middellast over en periode er mellem 4-6, hvilket advokerer kraftigt for et kuldelager. Ved anvendelse af kuldelageret kan størrelsen på kompressoranlægget direkte reduceres med forholdet spidslast/middellast, og der undgås uhensigtsmæssigt merenergiforbrug ved start/stop samt drift ved dellast. Figur 3.3-1 viser et typisk eksempel på belastningsudjævning med kuldebank. Kompressoren i det valgte eksempel står stille under malkning, men kunne i princippet køre hele tiden. Med den valgte 10 timers strategi opnås dog en ekstra sikkerhed i tilfælde af en uventet stigning i belastningen eller evt. besætningsudvidelse. Kuldelageret kan enten udformes som en koldtvandstank, hvilket dog kræver et betragtelig volumen. Normalt er det mest effektivt at anvende en isbank, hvor udnyttelse af smeltevarmen reducerer størrelsen af tanken med en faktor 4-6, men fordampningstemperaturen skal være 4-5K lavere end ved en koldtvandstank. Besparelsen på kompressoranlæg, hvis der anvendes kuldebank, skal naturligvis kunne dække meromkostningen ved energiforbrug og isbank, som inkluderer en dyrere fordamper, en akkumuleringstank og typisk også en omrører.
Figur 3.3-1: 3.3.1 Isbank baseret på fastfrysning af is på fordamperenDen mest udbredte isbanksudformning er den såkaldte is-på-rør, hvor isen dannes udvendigt på et nedsænket rørbundt med indvendigt fordampende kølemiddel. Alternativt anvednes efter samme princip nedsænkede pladestakke med fordampende kølemiddel. Efterhånden som isen opbygges på rørene, stiger varmeledningsmodstanden, og fordampningstemperaturen skal sænkes gradvist fra ca. –5°C til –9°C. 3.3.2 SjapislagerAlternativt til isbanken med is-på-rør er der undersøgt en løsning baseret på et sjapislager. Sjapis kan produceres med en vilkårlig brine med et frysepunkt under –1,5°C. Propylen glykol er uønsket pga. en tendens til kraftig skumdannelse på overfladen af en tank ved omrøring, og ethylenglykol er ikke godkendt til fødevarebrug pga. giftighed. I praksis vil 3,5% ethanol eller 2,5% salt (NaCl) være at foretrække. Ved ethanol skal fordampning fra overfladen (især ved stilstand) overvejes, mens NaCl stiller større krav til materialer. Ved isgenerering falder temperaturen til ca. –2,2°C ved 30% is som indikeret i figur 3-3-2. Fordampningstemperaturen vil ligge mellem –6,5°C og –7,5°C. Energimæssigt er de to isbanktyper således jævnbyrdige. Sjapislageret kan enten vælges som homogent omrørt, så sjapisen kan pumpes til mælkekølerne, eller alternativt kan isen separeres på toppen, og den varme returvæske sprayes på overfladen. Fordelen ved et homogent omrørt lager er bl.a. mere effektiv varmeoverføring og øjeblikkelig energiudveksling (smeltning) samt mindre rør og pumpemængder. Til gengæld skal der tilføres energi til rørværket. Ved pumpning af sjapis vil mælken varmeveksle med sjapis ved næsten konstant temperatur mellem –2,2°C og –1,5°C i en dominerende del af varmeveklseren. Ved denne varmeveksling med mælk skal der tages hensyn til mælkens frysepunkt ved –1,5°C. Temperaturdifferencen er imidlertid ikke tilstrækkelig til i praksis at medføre isdannelse i mælken. Hvis der anvendes en sjapis uden omrøring, vil væsketemperatur kun være lav i en begrænset periode, hvorefter fremløbstemperaturen ideelt set vil stabiliseres omkring 0°C, i praksis dog nærmere omkring 1°C. Ved uhensigtsmæssigt udformning af den varme retur tilledning opnås ringe afsmeltnig af isen og fremløbstemperaturen til mælkekøl kan blive uacceptabel høj.
Figur 3.3-2: De umiddelbare fordel, der kan opnås med sjapis, er:
Eksisterende isgeneratorer er som udgangspunkt udviklet til ydelser større end de betragtede, og priserne er traditionelt relativt høje. Der er undersøgt to forskellige løsninger baseret på en modifikation af eksisterende komponenter, der vil kunne indgå i en sjapistank, samt et nyt koncept, der kræver en nyudviklet generatortype. Teknikken er undersøgt for de tre nedenstående løsningsforslag:
Anvendelse af den børstede pladefordamper nedsænket direkte i isbanken er vist i figur 3.3-3. De roterende børster på over- og undersiden af fordamperskiven er fastgjort på en roterende akse, der er ført gennem toppen af lagertanken og lejret i bunden. Fordamperskiven roterer ikke, og der kan derfor tilføres kølemiddel fra toppen eller siden af tanken. Den venstre figur viser pladen anvendt i sjapistanken uden omrøring. Den producerede is stiger til toppen pga. den lavere vægtfylde og fortrænger væske til bunden af tanken. Der kan afhængig af lagerets udformning opnås iskoncentrationer op til mellem 40-50 vægt procent med denne udformning. Til højre er pladen vist i et homogent omrørt lager, hvor propellerblade er monteret på samme aksel som børsterne. Det viser sig i praksis, at omdrejningtallet for veludformede propellere er i samme størrelses orden (70-100 omd./min.) som for skrabemekanismer i isgeneratorer.
Figur 3-3-3: Inden for feasibility studiets rammer er der ved Ingeniørhøjskolen i Århus gennemført et skitseprojekt for videre bearbejdning af TI-konceptet, som består af en integreret enhed bestående af dobbelt skrabeveksler, akkumuleringstank og et eventuelt rørværk. Enheden kan frit ophænges i et tanklåg, og der er loddestudse i toppen for kølemiddeltilførelse og sugeledning. Ydelsen kan tilpasses det aktuelle behov ved variation af længde og diameter.
Figur 3-3-4:
Figur 3-3-5: 3.3.3 IsmængderFor isbankene er følgende størrelser ved 10 timers opladningstid beregnet: Tabel 3.3-1:
*): Sjapisfyldning beregnet ved 25 vægtprocent is (konservativ
forholdsregel). Dimensionerne for sjapistankene indeholder et højdetillæg på 300 mm af hensyn til driftssikkerhed, overløbssikring og et eventuelt diffusorområde, hvis der vælges et ikke-omrørt lagersystem. 3.3.4 Økonomi ved kuldebankKurven viser tilfældige listepriser (importørpriser år 2000) for et udvalgt fabrikat af traditionelle kuldebanke med is-på-rør. Ved beregninger er anvendt en korreleret prislinie i intervallet 20.000-120.000 Wh:
Tabel 3.3-2:
*) 5 års løbetid, rente 10% p.a.Til prisen skal lægges omkostninger til røreværk eller trykluftagitering under afsmeltning. Ud fra vurdering af anlæggenes total økonomi (se nedenfor tabel 3.5-1) er der under de opstillede forudsætninger beregnet den maksimale pris for et kuldelager, hvor prisen for kuldebankanlægget er identisk DX-anlæg med pladeveksler. I begge tilfælde er det forudsat, at jordslangeforkøling og merenergiforbruget for løsninger med kuldebank (se kap. 4) er inkluderet ved beregning af den maksimale pris vist ved den stiplede kurve i figur 3.3-6.
Figur 3.3-6: Ud fra figur 3.3-6 ses det, at baseret på de tilfældigt valgte listepriser for køleanlæg, jordslanger og traditionelle isbanke er rentabiliteten ved kuldelager tvivlsom for anlæg med mindre end 60.000 Wh kuldebehov, svarende til ca. 3.000 liter mælk pr. malkning. Løsning S3, der er baseret på en integreret isgenerator og isbank, er prismæssigt attraktiv op til 40.000 Wh. Kapaciteten er baseret på fordamperberegninger og ikke efterprøvet ved måling. Praktisk vurderes løsningen på nuværende tidspunkt ikke at kunne benyttes i enheder større end ca. 40.000 Wh. Løsning S2, der er baseret på en udvendigt monteret skrabevarmeveksler, er umiddelbart attraktiv ved akkumuleringssystemer større end ca. 45.000 Wh. 3.4 VarmeproduktionKøleanlægget kan inddrages ved delvis eller fuld dækning af producentens varmebehov. Varmebehovet udgøres af varmt vand til rengøring (60°C) efter hver malkning og afhentning samt eventuelt til boligopvarmning. Varmtvandsbeholderen skal ved boligopvarmning i de fleste tilfælde være større, når der ikke anvendes kuldebank, fordi hele kondensatorvarmen skal kunne optages på kortere tid. Bidraget fra mælke- og kompressorvarme vil i næsten alle tilfælde dække ethvert behov for boligopvarmning. I henhold til gældende lov på skal der svares CO2-afgift for den del af den nyttiggjorte overskudsvarme, der overstiger tre gange elforbruget til køleanlægget. Afgiften er gældende for såvel procesvarme samt rumopvarmning i perioden oktober til marts. Hvis overskudsvarmen ikke måles, skal der svares afgift på 9 kr./m² per måned. Den årlige afgift vil således for et 200 m² boligareal udgøre 18.000 årligt. Hertil skal regnes omskrivning af etableringsomkostninger. Det må vurderes individuelt, hvorvidt og i hvilket omfang det er rentabelt at udnytte overskudsvarmen. 3.4.1 Vurdering af kondensatorvalgPriserne på kompressoraggregater ovenfor er med luftkølet kondensator. Det skal vurderes, om det i stedet kan betale sig at anvende pladeveksler, jordslange inklusiv pumpe. Ud fra fra en statisk betragtning er effektforbruget i de to dimensionerende driftspunkter beregnet ved brug af et kompressorleverandørprogram. Det kan diskuteres, hvorvidt sammenligningen nedenfor er retvisende, men den indikerer, at for det mindste anlæg er investeringen tæt ved break-even, mens det for de øvrige løsninger synes attraktivt at nedlægge jordslangen. Valget skal naturligvis også ses i relation til, om der samtidig nedgraves jordslange til mælkeforkøleren. Tabel 3.4-1:
3.5 Total økonomiTabel 3.5-1:
Priser vist for løsninger med kappekøling kræver tillæg for fordamperen i kappen af mælketanken. Det har ikke været muligt at få oplysninger til afdækning af denne merpris. Baseret på priser for almindelige varmevekslerkapper til vand med et tillæg på 25% for udførelse til fordampende kølemiddel kan regnes med en merpris på ca. 25.000, 45.000, og 65.000 kr. Ved vurdering af priserne i tabellen er det opfattelsen, at kuldebanken især er rentabel ved større anlæg, mens kappekøling kan være at foretrække frem for DX og optimal kuldebank. Den øgede anlægskompleksiteten skal også inddrages i overvejelserne af løsningsvalg for de mindste anlæg. Det er oplagt at anvende køleanlægget til produktion af varmt vand til rengøring, mens boligopvarmningsformål bør vurderes i det enkelte tilfælde. 4. Dynamisk systemanalyse
4.1 FormålDen dynamiske systemanalyse anvendes til at analysere, vurdere og systematisere:
Resultaterne fra de opstillede dynamiske modeller præsenteres i to former dels vha. grafer, der som funktion af tiden beskriver eksempelvis temperaturen i mælketanken, og dels ved summerede værdier af eksempelvis kompressorens energiforbrug. 4.2 DriftsprofilerAlt efter anlægsudformning påtrykkes anlægget forskellige driftsprofiler, der alle påvirker både energiforbruget og dimensioneringen af de enkelte komponenter. Systemanalysen tager udgangspunkt i et mælkekøleanlæg, hvor:
4.3 AnlægsbeskrivelseDer er opstillet seks forskellige anlægstyper, hvor nr. 1 og 2 er udformet som DX-køleanlæg, hvor nedkølingen af mælken alene sker i tanken. De resterende fire anlægstyper er med kuldelager, og nedkølingen af mælken sker ikke i tanken, men i en instant mælkekøler evt. kombineret med en mælkeforkøler. Forskellen mellem de forskellige analyserede anlægstyper er graden og kombinationen af "Add On" systemer. Ved anvendelse af propan som kølemiddel er det muligt at opvarme det vand, der anvendes til rengøring, til en temperatur på ca. 65°C. Såfremt kravet til vandtemperaturen ved rengøring er højere end de 65°C, må der foretages en yderligere opvarmning i en ekstern varmeveksler. Nedenstående skitser viser den principielle opbygning af de analyserede anlægsudformninger. Figur 1 Figur 1 viser anlægstype 1+2, hvor nedkølingen af mælken sker i mælketankens DX-køleflade. I anlægsudformning 1 ledes al kondensatorvarmen bort i jordslangen, mens der i udformning 2 er mulighed for opvarmning af vand til rengøring. Det antages, at vandtemperaturen fra jordslangen er konstant 20°C. Kompressoren ON/OFF reguleres vha. af en termostat placeret i mælketanken. Termostatens slutte-/brydetemperatur er 5,5°C og 4,5°C. Vandpumpen i forbindelse med jordslangen følger reguleringen af kompressoren. Under opvarmning af vand til rengøring by-passer trevejsventilen flowet igennem jordslangen. Figur 2 Figur 2 viser anlægstype 3+4, hvor nedkølingen af mælken sker i mælkekøleren, inden det akkumuleres i mælketanken. Mælkekøleren forsynes via en pumpe med koldt vand fra sjapis-/kuldelageret. For at vedligeholde mælketemperaturen indeholder mælketanken en køleflade, der ligeledes forsynes med koldt vand fra kuldelageret. Koldvandspumpen ON/OFF reguleres vha. af to forskellige følersignaler, hvor den ene registrerer hvorvidt, der er et flow af mælk, mens den anden registrerer, om temperaturen i mælketanken er mellem 5,5 og 4,5°C. Den føler, der registrerer temperaturen i mælketanken, åbner og lukker for ventilen placeret på returrøret fra mælketankens køleflade. Vandflowet igennem mælkekøleren kan reguleres vha. en trevejsventil, der er tilsluttet en PI-regulator, der fastholder en mælketemperatur ud af mælkekøleren på 5°C. Kompressoren ON/OFF reguleres vha. af en termostat placeret i kuldelageret. Termostatens slutte-/brydetemperatur er -2,3°C og -3,0°C. Styringen af vandpumpen og trevejsventilen i forbindelse med jordslangen og varmtvandsbeholderen er som beskrev ved anlægstype 1+2. Figur 3 Anlægstype 5+6 er identiske med 3+4, bortset fra at der er tilføjet en forkøler, der nedkøler mælken fra 37°C til ca. 25°C, inden den sendes ind i mælkekøleren. Forkøleren er tilsluttet en jordslange, hvor den fra mælken optagne effekt afgives. Det antages, at vandtemperaturen fra jordslangen er konstant 20°C. Pumpen, der forbinder forkøleren og jordslangen, ON/OFF reguleres vha. signal fra den flowtransmitter, der også styrer koldtvandspumpen. Resten af anlægget styres som beskrevet ved anlægstype 3+4. 4.4 ModelbeskrivelseVed simulering anvendes en matematisk beskrevet model til at undersøge konsekvensen af forskellige valg. Ved simulering og den dertil hørende modeludvikling er det vigtigt at vælge et passende detaljeringsniveau for beskrivelsen af det system, man betragter. Systemmodellerne, der er opstillet i nærværende projekt, består af en række mindre komponentmodeller. Opbygningen og detaljeringsgraden af de forskellige modelkomponenter er perifert beskrevet nedenfor:
De opstille komponentmodeller kædes sammen, således at der opstår en systemmodel, hvor de enkelte komponentmodeller påvirker hinanden. I systemmodellen implementeres alle de beskrevne driftsprofiler, og den ønskede simuleringsperiode defineres, hvorefter simuleringen foretages. 4.5 ResultaterNedenstående tabel viser resultaterne af de udførte simuleringer. Det totale energiforbrug består af kølekompressorens og pumpernes forbrug samt evt. elopvarmningen af rengøringsvandet. I de anlæg, hvor køleanlæggets kondensator er tilsluttet en varmtvandsbeholder, er der ingen elopvarmning. Nedkølingen fra 37°C til 5°C af de 4000 liter mælk, der produceres i løbet af 48 timer, kræver, at der fjernes 149,3 kWh varme. Opvarmning fra 10°C til 65°C af de 300 liter vand, der anvendes i forbindelse med rengøring af malkeanlægget, kræver 17,5 kWh. Anlæggenes overordnede energiudnyttelse faktor EUF beregnes som forholdet mellem summen af den mængde energi, der dels fjernes fra mælken, og dels tilføres rengøringsvandet, og det aktuelle energiforbrug.
Ved beregning af pumpernes effektoptag antages det, at løftehøjen er 10 meter, og pumpevirkningsgraden er 0,7. I kompressormodellen anvendes konstante værdier for isentropisk og volumetrisk virkningsgrad på 0,7 og 0,9. Følgende figurer præsenterer simuleringsresultaterne for anlægstype 1, der er udformet som et DX-køleanlæg, hvor nedkølingen af mælken alene foregår i mælketanken. Figur 4 illustrerer den mængde mælk, der på et givet tidspunkt er i mælketanken. Kl. 4:00 afhentes mælken, og kl. 5:30 begynder den første malkning, der afsluttes 1,5 time efter. Kl. 16:00 foretages der endnu en malkning, og efter yderligere 13,5 timer (kl. 5:30) repeteres malkeprofilet. Mængden af mælk i mælketanken efter 48 timer er 4000 liter, den samme som ved simuleringsstart.
Figur 4 Som følge af første malkning stiger temperaturen af mælken i mælketanken til over 15°C. Straks efter at malkningen er afsluttet, sker der en reltiv hutig nedkøling af mæken til ca. 5°C (se figur 5). I pereioderne mellem malkningerne sker der pga. varmeindfald til mælketanken en opvarmning af mælken på ca. 0,5K. Temperaturspidserne, der forkommer under hver malkning, aftager, idet mængden af allerede nedkølet mælk i tanken øges for hver malkning.
Figur 5 Figur 6 og 7 viser, hvorledes køleanlæggets kondenserings-/fordampertemperatur og effektfaktor varierer i takt med, at de fire malkninger fortages.
Figur 6
Figur 7 Figur 8 viser temperaturen i mælketanken ved anvendelse af anlægstype 6, hvor mælken, inden den akkumuleres i mælketanken, først nedkøles i en forkøler og derefter i en mælkekøler, hvilket betyder, at de temperaturspidser, der forekom ved anlægstype 1, forsvinder. Temperaturen af mælken er under hele forløbet mellem slutte-/brydetemperaturen for termostaten placeret i mælketanken.
Figur 8 Ved anlægstype 6 anvendes køleanlæggets kondensator til opvarmning af vand til rengøring. I løbet af opvarmningen stiger kondensatortemperaturen til ca. 70°C og falder næsten momentant til ca. 32°C i det øjeblik, opvarmningen er slut (se figur 9).
Figur 9 Fordampertemperaturen for anlægstype 6 er under drift konstant ca. -8°C, hvor den ved anlægstype 1 varierede mellem +5 og 0°C, hvilket medfører en forringelse af kompressorens effektfaktor (se figur 10 og 7).
Figur 10 Som det fremgår af figur 11, sker der i løbet af hver malkning et kraftigt fald i mængden af is i anlæggets kuldelager. Mellem hver malkning oplades kuldelageret på ny.
Figur 11 5. Overvejelser ved løsningsvalg af køleanlægGenerelt tilstræbes det, at anlægget udføres så enkelt som muligt. Enhver form for beholder ud over minimumskravet er fordyrende, og anvendelse af følere med automatik skal ligeledes søges minimeret. Driften af køleanlæg med isbank er karakteriseret ved at være meget stabil mht. til belastning- og temperaturprofil. Væskevariationerne i anlægget vurderes derfor at være minimale, og der kan slækkes på kravene til beholdervoluminer i forhold til anlæg under mere varierende driftsforhold. 5.1 Anlægsvarianter med ammoniakNedenfor er de tre umiddelbart mest oplagte anlægsudformninger med ammoniak gennemgået. Varianterne har hver især fordele og ulemper, hvad angår pris, ydelse, driftsvariation, regulering og olieforhold. 5.1.1 Direkte ekspansion – tør fordamperHvis væskerøret fra kondensatoren udføres i tilstrækkelig stor dimension, kan en decideret højtryksreceiver til at optage væskevariationerne udelades. Af hensyn til risiko for ispåsætning på cylinderkappen (kun relevant hvis der anvendes en nedsænket sjapisgenerator) kan det ikke anbefales at lave pump-down ved stilstand. Anlægget er vist uden sugeakkumulator i figur 5.1.1. Af prismæssige årsager vil en tør ekspansionsløsning være yderst attraktiv, men forhold omkring opstart og olieretur ved visse olietyper skal vurderes nøje. Endvidere medfører ammoniaks termofysiske egenskaber, at trykrørstemperaturen kan blive kritisk i forhold til oliens stabilitet, især ved overhedet gastilstand på indsugningen. Under drift vil belastningen være meget ensartet, mens der under opstart efter stilstand er stor risiko for væske overføring til kompressoren. Hvis der anvendes termostatisk ekspansionsorgan, skal kompressoren som udgangspunkt sikres mod væskeslag vha. en sugeakkumulator, da termoventilens føler i praksis ikke kan forventes at reagere hurtigt nok på en væskefront. Dette taler for anvendelse af en elektronisk styret indsprøjtningsventil, så sugeakkumulatoren kan udelades. Den elektronisk styret indsprøjtningsventil skal have en opstartsalgoritme, som under opstart ignorerer overhedningsfølerens signal og kun tillader ventilen en meget langsom åbning. Højtrykssiden skal kunne akkumulere (stukke) væsken i denne opstartsfase. Efter en fastlagt periode (eksempelvis 2 minutter) skiftes styresignalet tilbage til overhedningsføleren.
Figur 5.1.1: 5.1.2 Oversvømmede systemerSelvcirkulation med LT-svømmerstyret sugeakkumulator er en velkendt og driftssikker løsning, som tidligere er anvendt i et mælkekøleanlæg med ammoniak [Hansen, S., 1998]. Hvis væskerøret fra kondensatoren udføres i tilstrækkelig stor dimension, kan en decideret højtryksreceiver til at optage væskevariationerne udelades. Løsningen er relativ dyr sammenlignet med direkte ekspansion, og der skal ved udformningen af enten fordamperen eller væskeudskilleren specielt tages hensyn til oliereturen uanset olievalg.
Figur 5.1-2: 5.1.3 Lavtryksreceiver med intern varmevekslingHele kølemiddelflowet skal igennem fordamperen, der som naturlig konsekvens heraf altid vil være oversvømmet, når der anvendes en intern væskekøler i lavtryksreceiveren [Pearson, S.F., 1999]. Enthalpidifferensen ved underkøling af højtryksvæske er helt bestemmende for overfyldningen af fordamperen. Ved korrekt udformning opnås en maksimal udnyttelse af fordamperens varmeoverføringsareal (tørhedsgrad mellem 0.1 og 0.8). Alle væskevariationer skal kunne optages i receiveren, hvilket ikke er kritisk, da dennes størrelse rettere er bestemt af krav om væskeudskillelse. Prismæssigt vurderes løsningen at være på niveau med LT-svømmerløsningen, men med lavtryksreceieveren opnås større frihedsgrad omkring beholderplacering, fordampertilslutning og muligheder for olieretur. Løsningen anses derfor som et interessant alternativ til LT-svømmersystemer med naturlig cirkulation.
Figur 5.1-3: 5.1.4 Olievalg og retursystemerIkke-blandbar olie Væskeindsprøjtning i fordamper - top eller bund Hvis der vælges en løsning med lavtryksreceiver, kan fordamperen enten fødes med væske fra ekspansionsventilen gennem et indløb i toppen eller i bunden. Ved kombinationen af lavtryksreceiver og indsprøjtning i toppen af fordamperen kan problemer med akkumulering af uopløselig olie undgås i fordamperen. I stedet vil olien samle sig i bunden af lavtryksreceiver, som vist i figur 5.1-4 B) og C). Ved indsprøjtning af kølemiddel i toppen af fordamperen bør man endvidere være opmærksom på at fordele væsken ligeligt.
Figur 5.1-4: Ved LT-svømmer med gravitationsdrevet kølemiddeltransport er det kun muligt at indsprøjte i bunden. Den ikke-blandbare olie vil uvilkårligt samles i bunden af fordamperen og kan eksempelvis ledes tilbage med en sugegasdrevet ejektor efter samme princip som vist i figur 5.1-4 B). Olien fra bunden af en lavtryksvæskeudskiller eller fordamper kan også tilbageføres batchvis ved at tillade en periodevis trykopbygning i beholderen. En føler kan placeres i bundpotten til at registrere, når olie har nået et givet niveau. Fordamperen vil være placeret i isbanken ved en temperatur ca. 5K over sugetrykket. Kompressoren kan stoppes vha. en LT-pressostat ved at lukke magnetventilen i sugeledningen. Herefter kan olien ekspanderes fra bundpotten til sugeledningen, indtil olien er under et vist niveau. Ved tør ekspansion vil det være risikabelt at indsprøjte i toppen, da væskeoverføring ikke kan undgås, medmindre der monteres en sugeakkumulator. Blandbare olier Enhver form for ekstra anlægsarrangementer til sikring af oliereturen som vist i figur 5.1-4 er fordyrende for konstruktionen og kan medføre driftskomplikationer ved svigtende sensorfunktion. Det er derfor, især på mindre anlæg, at fortrække olier, som automatisk returneres med kølemiddel i sugeledningen under de rette hydrauliske betingelser. Dette kan opnås ved at anvende en (delvist) blandbar olie. Flere olieproducenter tilbyder olier, som er helt eller delvist blandbare med ammoniak. Olietyperne er i praktisk anvendelse dog aldrig rigtig slået igennem, hvilket skyldes en række mindre gunstige egenskaber. Den umiddelbare ulempe ved de blandbare olier er den store affinitet til vand. Det opløste vand i olien vil nedsætte smøreevnen, og der dannes syreprodukter. Der findes en række eksempler på kompressorhavari pga. lejekorrosion, nedsat smøring, kobberplattering (CFC og HCFC anlæg med PAG olie) med anvendelse af PAG og POE olie i ammoniak. Det vurderes, at disse ulemperne/potentielle havaririsici umiddelbart overstiger fordelene. 5.1.5 Materialekompatibilitet: Kobber og andre materialerUndersøgelser udført af Deutsches Kupfer-Institut i samarbejde med ILK-Dresden og kobberproducenten Wieland har påvist forbavsende god stabilitet af forskellige kobberlegeringer i autoklaveforsøg med ammoniak og forskellige olietyper. Ved forsøgene blev korrosionsbestandigheden undersøgt ved forskellige niveauer for vandindhold i ammoniakken. Sammenfattende viste forsøgene:
Andre forsøg har vist, at der kan opstå betydelige spændingskorrosion og pitting på messing dele, som må frarådes. Forsøg med ammoniak i hermetiske kompressorer ved Teknologisk Institut samt Panasonic har vist, at der opstår skader på lak, ledningsgennemføringer og elektriske isoleringsmaterialer. 5.1.6 Vurdering af realistisk vandindhold i praksisDet fremgår ovenfor, at vandindholdet i ammoniak har afgørende betydning for kompatibiliteten med kobber. De grænseværdier (300, 400, 934 og 1900 ppm) isom nævnes i forskellige undersøgelser ligger tæt på den anhydrate grænseværdi på 500 ppm, hvor ammoniak i princippet opfattes som værende vandfri. Ammoniakken kan købes i sådanne kvaliteter, men der er imidlertid mange kilder til forøgning af vandmængden i ammoniakanlæg, der skal vurderes.
Anlæg til mælkekøling må karakteriseres som små anlæg med en begrænset udbredelse af rørsystemet og et minimum af beholdere og samlinger. Driftstrykket vil altid være større end det atmosfærisk tryk. Med god arbejdspraksis ved trykprøvning og evakuering vurderes det, at disse kilder kan elimineres. Den væsentligste kilde til vand i køleanlægget opstår i dette tilfælde ved reaktioner mellem vand, olie og ilt. Ved disse reaktioner dannes yderligere vand og en ond spiral er sat i gang. Det anbefales, at der anvendes semi- eller fuldsyntetiske parrafinolier, som normalt udviser den største stabilitet i ammoniaksystemer. 5.2 Valg af kølemiddel – Propan R290Muligheden for simple prisbillige anlægsudforminger med propan udgør ud fra en køleteknisk synsvinkel en langt mindre udfordring, end det er tilfældet ammoniak. Propan åbner mulighed for at anvende stort set eksisterende teknologi, da damptrykskurven næsten er identisk med R22, og de fleste komponenter kan anvendes under hensyntagen til specifikke forholdsregler. Komponenter og samlemetoder (kobberlodning) er billige, og kølemidlet er velegnet til direkte ekspansion med termoventil som vist i figur 5.1-1. Kølemidlets er yderst blandbart med mineralolier, og kompressorolien kan returneres via gassen på sugesiden. Det vurderes, at propan er yderst attraktiv i små og mellemstore mælketankskøleanlæg, især hvis der tilstræbes en lav pris og lav systemkompleksitet. Energiforbruget er sammenligneligt med HCFC-22 og generelt bedre end for HFC-kølemidler. Temperaturniveauet for varmeudnyttelse kan problemfrit sættes til 60°C ved produktion af varmt vand til rengøring. Til gengæld er propan brændbart, og opstillingen af anlæggene kræver derfor en myndighedsgodkendelse på baggrund af en sikkerhedsvurdering, hvor forholdsregler omkring opstillingssted, mærkning og eludførelse vurderes af den lokale tekniske forvaltning. Af hensyn til sikkerhedsforhold bør anlægsfyldningen holdes på et minimum, og kombinationen af propan og et sekundært system bør foretrækkes. 5.3 R723 – Ammoniak/DimethylæterI det seneste år er der gennemført forsøg med en blanding af 60% ammoniak og 40% dimethylæter (DME, C2H6O). Blandingen har fået betegnelsen R723, og primært ILK i Dresden har været aktive omkring forsøg med mindre anlæg med denne blanding. 5.3.1 BlandingsegenskaberDet har vist sig, at blandingen (60/40) er azeotrop, dvs. at der ikke optræder et temperaturglid ved fordampning og kondensering. Et fasediagram er vist i figur 5.3-1 Damptrykskurven er tilnærmelsesvis sammenfaldende med damptrykskurven for ren ammoniak, og krav til komponenters designtryk er således uændrede. Fordampningsenthalpien mellem 0°C og –20°C er ca. 30 mindre end for ammoniak, hvilket kan bidrage til nemmere regulering af væsketilførslen til fordamperen. Ved normal anvendelse af ammoniak er det af hensyn til energiforbruget og oliens temperaturbestandighed ønskeligt/påkrævet, at gastilstanden ved kompressorens sugestuds er tæt på mætning. Dette forhold medvirker bl.a., at ammoniak traditionelt anses som uegnet i (semi)-hermetiske kompressorer og fordampersystemer med direkte ekspansion. Med R723 kan trykgastemperaturen sænkes ca. 20-25K, og dermed løses i praksis problemer i relation til overhedning af sugegassen. DME er i samme brændbarhedsklasse som propan R290 efter direktivet 67/548/EWG og antændes ved 235°C, hvilket er lavere end propan. En vurdering af krav til R723 i forbindelse med opstilling er opstillet i afsnit 5.5. Toksicitet: I større doser er der risiko for kvælning og narkotisk effekter som svimmelhed og hovedpine. Den tilladte langvarige eksponeringsgrænseværdi er sat til 1000 ppm. DME er tungere end luft. DME kan skaffes på væskeform hos de større salgsselskaber af tekniske gasser.
Figur 5.3-1: 5.3.2 OlieblandbarhedI modsætning til ammoniak er DME fuldt opløselig med gængse kompressorolier. Det var forventet, at DME kunne bidrage til at gøre blandingen opløselig med mineralolie og alkylbenzene olier. Ved forsøg har det vist sig, at opløseligheden for blandingen var klart forbedret, men dog kun delvist blandbar med mineral- og alkylbenzene olier. Der findes primært reference til drift med R723 i en åbne kompressorer med PAG olie. 5.3.3 Kompatibilitet med kobberGenerelt gælder samme forhold som for ammoniak. Der er dog gennemført specifikke driftsforsøg med R723 og PAG-olie, som har vist, at blandingen ikke er korrosiv over for kobber, når vandindholdet holdes under 400 ppm. Da størrelsesforskellen mellem ammoniak og vandmolekyler er mindre end for andre gængse kølemidler, stilles der større krav til tørrefiltret end normalt. I de rapporterede forsøg er der anvendt tørrefilter i sugeledningen, hvilket giver et ekstra temperaturtab i forhold til væskefiltre. Med tørrefilter indstillede vandindholdet sig omkring 300 ppm. Af hensyn til kobberkorrosion må det anses som risikabelt samtidig at anvende en hygroskopisk olietype, som det er tilfældet i de forsøg, der er gennemført med PAG olie. I en ud af tre kompressorer var der tydelige tegn på kobberplettering på ventilpladerne. PAG olien har tidligere medført samme virkning i CFC-anlæg, og det er svært at afgøre, om olien eller en kombination af ammoniak/olie/vand er den primære årsag. Forhold omkring kobberplettering bør absolut ikke undervurderes. 5.4 Blandinger af ammoniak og kulbrinterEt naturligt spørgsmål i forbindelse med anvendelse af kulbrinte sammen med ammoniak vil være, hvorfor i det hele taget betragte blandingen frem for de rene komponenter? Udgangspunktet for idéen har været at opnå hver af kølemidlernes bedste egenskaber og samtidig eliminere de væsentligste af ulemper. De væsentligste ulemper for ammoniak er olietransporten, den høje trykrørstemperatur samt affiniteten til vand, som besværliggør indsats af tørrefilter. Modsat har propan lav affinitet til vand, lav trykrørstemperatur og er fuldstændig opløselig med mineralolie. De væsentligste ulemper for propan er, at kølemidlet er brændbart og lugtfri. Ammoniak er også klassificeret som brændbart, men dog i mindre grad end propan. Den praktiske betydning er nedsættelse af antændelsesrisikoen. Samtidig optræder ammoniak som lugtstof, der kan afsløre enhver lækage af kølemiddel. Vurderinger af krav til opstilling er foretaget i afsnit 5.5. Endvidere kan der med ammoniak opnås højere varmeovergangstal end for propan. I systemer med varmeoverføring til væske på både kondensator- og fordamperside er betydningen heraf værd at inddrage. Ved blandinger vil overgangstal reduceres i forhold til de rene stoffer pga. den samtidige massediffusion, der opstår ved koncentrationsforskellen i interfacet og tab af effektiv temperaturdifferens. For en azeotropblanding kan en omtrentlig lineær vægtning af overgangstal i forhold til de rene stoffer forventes, så med moderate mængder kulbrinte (eksempelvis 10 vægtprocent) vil overgangstallene stadig være høje. Den teoretiske COP for propan, propylen og ammoniak ligger inden for få procent i den aktuelle applikation, men for ammoniak er det nødvendige kompressorslagvolumen 20-25% mindre. 5.4.1 BlandingsegenskaberAmmoniak kan blandes med eksempelvis propan R290 eller propylen R1270. Der er udført faseligevægtsberegninger vha. programmet Refprop fra NIST med en interaktionskoefficient=1. Resultaterne er vist i figur 5.4-1 og 5.4-2 for henholdsvis propylen/ammoniak- og propan/ammoniak-blandinger. Det fremgår, at begge blandinger er nær-azeotrope ved ammoniakandele højere end 60%. For propylenblandinger mellem 10 og 40 vægtprocent kan der opstå et beskedent temperaturglid mellem 0,1 og 0,3 K ved fordampningen, mens der modsat for propan (i samme koncentration) kan opstå et ligeså beskedent temperaturglid mellem 0,1 og 0,3 K ved kondensering.
Figur 5.4-1: I bilag 2-5 findes udvalgte stofdata for 10/90 og 40/60 vægtprocent blandinger af både R1270/R717 og R290/R717. Blandingsforholdet 10/90 er primært interessant i forbindelse med olietransporten af mineralolie. Forholdet 40/60 er yderligere inddraget, da den øgede kulbrintekoncentration vil kunne sænke trykrørstemperaturen ca. 20K, ligesom for DME. Blandingen kan være interessant i denne sammenhæng som sikkerhed ved et højt kondenseringssetpunkt af hensyn til varmtvandsproduktion.
Figur 5.4-2: Fordampningsenthalpien reduceres i forhold til ren ammoniak med mellem 5% og 30% ved hhv. 10% og 40% kulbrintetilsætning. Som nævnt under R723 behandlingen kan dette medvirke til bedre regulering af væsketilførelsen til fordamperen, men ved dimensionering af ekspansionsorganet og øvrige komponenter, skal der tages højde for kapacitetsforskellen. Damptrykskurven for blandinger er stort set sammenfaldende med ren ammoniak, med undtagelse af blandingen 40% propan/60% ammoniak, som ligger 1-2 K lavere ved temperaturer over 5°C.
Figur 5.4-3: Det forventes, at tørrefiltre vil få bedre driftsbetingelser i forhold til ren ammoniak, som vil konkurrere med vandmolekylerne om pladserne i den porøse filtermatrix. Propanmolekyler er væsentligt forskellig fra både vand og ammoniak. Vandopløseligheden af vand i propan er meget ringe, mens den er uendelig god i ammoniak. For blandingen vil der optræde en ligevægt mellem disse yderpunkter, men det er uvist, hvor den vil indstille sig. Antændelsestemperatur for propan er højere end for DME, men blandingen er mere brændbar end ren ammoniak. Toksicitet: I større doser er der risiko for kvælning og narkotisk effekter som svimmelhed og hovedpine. Den tilladte langvarige eksponeringsgrænseværdi er sat til 1000 ppm. Propan er tungere end luft. Det er opfattelsen, at R717/R290 eller R717/R1270 er at foretrække frem for R723 på baggrund af det bedre almene kendskab til propan/propylen i kølemæssig sammenhæng. 5.4.2 OlieblandbarhedBlandingen må forventes at være blandbar eller delvist blandbar med mineralolie, da mineralolier har god opløselighed i propan (propylen). Tilsætning af isobutan (R600a) til at sikre olietransporten i anlæg med kølemidler, der ikke er blandbare med mineralolie, er kendt fra konvertering af R12-køleskabe til R134a. I forbindelse med konvertering af HCFC-anlæg (R22) til HFC er der lanceret blandinger tilsat kulbrinter, mest kendt er nok R417A (Isceon 59), som er en blanding af R125/R134a/R600a i forholdet 46.5/50/3.5 (GWP 1.950). På baggrund af de erfaringer, der er gjort i forbindelse med konvertering af CFC- og HCFC-anlæg til HFC, formodes det, at 4-5% kulbrinte i blandet ammoniak kan være tilstrækkeligt til at sikre oliereturen med mineralolie i tør ekspansionsanlæg. 5.4.3 KobberkompatibilitetVurderes at være som for ren ammoniak. Der findes ingen driftsundersøgelser for ammoniak/kulbrinte-blandinger i ovenfor omtalte koncentrationer. En japansk undersøgelse Nakagawa (2000) med 10% ammoniak/90% propan som drop-in erstatning for R22 resulterede i havari i en hermetisk kompressor, hvor motordele var blevet kraftigt angrebet af ammoniakken. Undersøgelsen beskriver intet om korrosionsmæssige forhold i rør og varmevekslere. 5.5 Krav til opstilling af ammoniak- og kulbrinteanlæg5.5.1 Zoneklassificering i henhold til ATEX-direktivetDet fælles europæiske direktiv omfatter elektrisk og mekanisk udstyr, der anvendes i eksplosive atmosfærer. Direktivet er gældende fra marts 2003 og foreskriver lovgivningen omkring anvendt materiel, sikringssystemer, komponenter til brug i eksplosionsfarlige områder samt sikkerheds-, kontrol- og reguleringsordninger beregnet til brug uden for det eksplosionsfarlige område, men hvis funktion det er at sikre udstyr i det område, hvor en eksplosiv atmosfære kan forekomme. Alle de kølemidler, der er nævnt ovenfor som egnede HFC-erstatninger, er brændbare, som det fremgår af tabel 5.5-1. Det fremgår endvidere, at ammoniak eller blandinger baseret herpå skal optræde i større koncentrationer, før risiko for eksplosion forekommer (LEL). I et blandingsforhold 90/10 mellem ammoniak og kulbrinte vil ammoniakken kunne detekteres længe før, at en brandbar atmosfære vil optræde. Tabel 5.5-1:
At de HFC-fri alternativer er brændbare betyder, at det skal vurderes, om anlægget er omfattet af ATEX-direktivet. Dette medfører, at der skal laves en risikovurdering for anlægget, som omfatter en zoneklassificering. På denne baggrund vurderes det, om anlægget er omfattet af ATEX-direktivet eller ikke. Der skal altid foretages en riskovurdering for det sted, hvor anlæggene opstilles. Riskovurderingen indeholder følgende elementer:
Herefter kan der foretages anmeldelse af opstilling til Teknisk Forvaltning (Den lokale brandmyndighed). I forhold til normal praksis ved H(C)FC skal der påregnes 2-4 ugers behandlingstid forud for tilladelse til opstilling. Nedenfor gennemgås i væsentlige træk de krav, der stilles til klassificering. De relevante resultater er samlet i et skema, som kan give et overblik over relevante zoner for udendørsopstillede mælkekøleanlæg. Der skelnes mellem tre zoner:
Klassifikationen i disse zoner er i første omgang afhængig af kilder og omfang af udslip. De fleste komponenter i køleanlæg klassificeres som sekundære udslipskilder, da udslip ikke er forventede ved normal drift. Sekundære udslip medfører i reglen zone 2 klassificering. Zoneklassificeringen kan dog ændres, hvis ventilationsgraden er utilstrækkelig. Især situationer i forbindelse med servicering af anlæg kan give anledning til momentane høje udslipsrater. Ventilationsgraden beregnes som følger: Minimumsventilationsmængde:
LEL er den nedre eksplosionsgrænse (kg/m3) k er en sikkerhedsfaktor tilknyttet til den nedre eksplosionsgrænse
T er omgivelsestemperaturen (i Kelvin) Specielt ved udendørs opstilling: Ved udendørsopstilling vil der selv ved meget lave vindhastigheder bliver lavet et stort luftskifte. Ved forsigtige tilnærmelser anvendes et luftskifte C = 0,03/s, og det hypotetiske volumen bliver:
5.6 Generel klassificering af anlæggeneDer er foretaget en generel zoneklassificering af anlæggene. Denne zoneklassificering er foretaget ud fra følgende forudsætninger. Forudsætninger for propananlæg
Beskrivelse af opstillingssted:
For de ovenstående udslipskilder klassificeres udslippet som sekundært. Hvilket som udgangspunkt medfører zone 2.
Vurdering af zonetype for normale opstillingsforhold foretaget i henhold til EN 60079-10
Dette betyder, at der skal benyttes komponenter egnet til zone 2. Klassificering af ammoniak anlæg.
Beskrivelse af opstillingssted:
Vurdering af zonetype for normale opstillingsforhold
Dette betyder, at der også skal benyttes komponenter egnet til zone 2 for ammoniakanlæggene. Benyttes der i stedet en semihermetisk eller hermetisk kompressor, vil udslippet fra kompressoren være sekundært, og udstyret ville kunne klassificeres som værende uden for zonekategori. Det fremgår, at både ammoniakanlæg med åben kompressor og propananlæg klassificeres til zone 2. Anlæg baseret på en blanding af de to kølemidler klassificeres dermed også i samme zone, når der anvendes åben kompressor. For elektriske komponenter der skal være klassificeret til zone 2, gælder at de skal opfylde kravene beskrevet i EN 50021, som omhandler beskyttelsesmetode "n". 5.7 Krav til komponenter i ammoniak baserede løsningerKompressoren skal være åben, indtil der udvikles hermetiske kompressorer med materialer egnede for ammoniak. Til ammoniak-/propananlægget kan der vælges en Ni –loddet pladevekslerkondensator, som er marginalt dyrere end en tilsvarende kobberloddet. Der findes en enkelt producent som kan tilbyde Ni-loddet veksler til det påkrævede designtryk. HT-pressostat og anden sikkerhedsautomatik skal være i normal ammoniakudførelse for at udelukke funktionsfejl pga. uforudset materialbrug. Ekspansionsorganet skal være i ammoniakudførelse af hensyn til materialekompatibilitet og kapacitetsområde. 6. Retningslinier for retrofit af eksisterende køleanlæg
6.1 LovgivningDanmark har total forbud mod anvendelse af nyt HCFC (R22) efter 1. januar 2002. Efter denne dato og frem til 2015 (indtil videre) kan kun genvundet HCFC (R22) benyttes ved service og vedligehold. Miljøstyrelsen har fremlagt et forslag til hurtig udfasning af HFC (heriblandt R134a, R404A, R407C, R410A og R417A), og disse kølemidler kan derfor ikke anbefales som mellemstadier forud for langsigtede alternativer. For de fleste anvendelser vil nye anlæg efter 2006 ikke kunne opstilles med HFC-kølemiddel. Der er vedtaget og ikraftsat en afgift på 0,10 kr./(kg CO2 ækvivalent) på HFC-kølemidler. For et kølemiddel som eksempelvis R404A med en CO2 ækvivalens på 3.750 kg CO2/kg R404A medfører dette en afgift på 375 kr./kg. Afgiften skal svares ved anskaffelse af kølemidlet. Der er ingen lovgivning, der forhindre anskaffelse af nyt HFC-kølemiddel til servicering og vedligehold af køleanlæg opstillet før 2006. 6.2 Teknisk og økonomisk anlægsvurderingI hovedparten af den eksisterende anlægsmasse anvendes R22 som kølemiddel, men antallet af anlæg med HFC er stigende. Så længe der eksisterer R22 på markedet til en fornuftig pris, må det ud fra en teknisk/økonomisk betragtning anbefales at vedligeholde disse anlæg, indtil de er udtjente. I tilfælde af lovændringer omkring anvendelse af R22, eller hvis kølemidlets tilgængelighed forringes, skal det overvejes at udskifte anlægget eller retrofitte med nyt kølemiddel. Hvis anlæggets tekniske stand er god, vil det være relevant at retrofitte anlægget. Retrofit indeholder en række overvejelser angående valg af kølemiddel (hvis der vælges kulbrinte skal krav i forbindelse med zoneklassificering overholdes), resulterende anlægsydelse - oftest reduceret - efter retrofit, tørrefilter, materialekompatibilitet, rensning af anlæg og især anlæggets tekniske stand. Det anbefales at lade en fagmand foretage en vurdering af mulighederne. Som udgangspunkt må det dog siges, at for mindre anlæg ældre end 10-12 år er det næppe rentabelt at bibeholde køleanlægget. For en mere tilbundsgående gennemgang af muligheder, implikationer og procedurer for retrofit kan henvises til Tema Nord rapporten "HCFC alternatives as refrigerants in shipping vessels" (Hansen, T.M. og Haukås, H.T, 2000). 7. Konklusion
7.1 Teknisk uafklarede forholdDer er i rapporten beskrevet tekniske løsninger, som i visse tilfælde er forholdsvis uafprøvet, og som forud for en eventuel implementering bør afprøves gennem laboratorieforsøg. Sjapis: For kuldelagre baseret på sjapis er der især uafklarheder omkring følgende punkter:
Køleanlæg: Forhold omkring udførelsen af propananlæg vurderes at være velafklaret. Til gengæld er der ved de skitserede løsninger med ammoniak visse forhold, der bør efterprøves ved laboratorie- og felttest.
7.2 LøsningsvalgVed feasibility studiets afsluttende møde blev der på baggrund af de beskrevne muligheder i rapporten valgt at udføre 3 forskellige anlægstyper til de 3 demonstrationsanlæg. Af hensyn til økonomiske overvejelser blev der valgt at satse på relativt kendte teknologier. Zoneklassificeringskravene ved anvendelse af åbne kompressorer medførte at der blev valgt at udføre alle anlæg med (semi)-hermetisk kompressorer, og derfor er valget faldet på propan som kølemiddel i alle 3 anlæg. Alle 3 anlæg baseres på indirekte løsninger, hvor et sekundært kølemiddel varetager kølingen af mælken. I forhold til kølemiddeltilslutning på mælketanken blev det vurderet, at det sikkerhedsmæssigt er at foretrække med en færdigbygget enhed med minimal kølemiddelfyldning. Køleanlægget skal dermed blot tilsluttes en sekundær glykolkreds, og dermed er installationen nemmere. I alle 3 løsningsvalg er der endvidere valgt at benytte muligheden for forkøling af mælken ved varmeafgivelse til en vandbåret jordslange, hvor investeringen i alle tilfælde viser en beregnet positiv nuværdi. Endelig blev der besluttet, at der for alle 3 anlæg af hensyn til rengøringskvaliteten skal tilstræbes at anvende rørkølere på mælkesiden som alternativ til pladeveklsere. Yderligere detaljer for de tre anlægsvalg er opsummeret i hovedtræk:
LitteraturhenvisningerBørsen on-line database (www.borsen.dk), oktober 2000 Hansen, Svenn et al.: "Ammoniakbaseret isbankanlæg til mælkekøletank", Energistyrelsens J.nr. 7313127/96-0101, rapport, juli 1998 Hansen, T.M.; Haukås, H.T.: " HCFC alternatives as refrigerants in shipping vessels", Tema Nord 2000, ISBN 92-893-0504-5 Knabe, M.; Reinhold, S.; Shenk, J.: "Ammoniakanlagen und Kupfer-Werkstoffe?", KI-Luft & Kältetechnik, 9/1997 Lippold, H., Heide, R.: "Dimethylether als Kältemittelkomponente", KI-Luft & Kältetechnik, 5/1997, p. 202-205 Lippold, H.: "Kupferwerkstoffe in Ammoniakkälteanlagen", Die Kälte und Klimatechnik, 10/1997, p. 730-735 Lippold, H.: "Wärmeübergangskoeffizienten bei der Verdampfung von NH3 und NH3-Dimethylether-Gemisch", KI-Luft & Kältetechnik, 2/2001, p. 78-82 Nakagawa, N. et al: "Research of Ammonia/Propane Binary Mixtures", IIR 4th Gustav Lorentzen Conf., Natural Working Fluids, Purdue Univ., Ind., USA, 2000 Pearson, S. F.; Forbes, S.: "Ammonia Refrigerant Systems", ASHRAE Journal, marts 1999 Pedersen, Per Henrik: "HFC-indhold i en række produkter", Teknologisk Institut, november 2000 – notat udarbejdet for Miljøstyrelsen Poulsen, Claus S.: "Forsøg med jordslange i Åbybro", intern notat, Teknologisk Institut, oktober 1998. Bilag 1Prisfunktioner anvendt ved rentabilitetsanalyseAlle priser, listepriser januar 2001.
Bilag 2Damptrykstabel for blandingen 90% R717/10% R290
Bilag 3Damptrykstabel for blandingen 90% R717/10% R1270
Bilag 4Damptrykstabel for blandingen 60% R717/40% R290
Bilag 5Damptrykstabel for blandingen 60% R717/40% R1270
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
