|
HFC-frie mælkekøleanlæg 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.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
