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