Bachelorprojekt Optimering af produkt flow til spraytårn

Transkript

1 Bachelorprojekt Optimering af produkt flow til spraytårn Kasper Østergaard G

2 1 Titelblad Titel Problemformulering Optimering af produkt flow til spraytårn Hvordan kan nedetiden mindskes for køling/opvarmning af produktet i mellemtanken, således at det forsat imødekommer kravene fra produktionen? Forfatter Studienummer Kasper Østergaard G Normalsider 20,2 Afleveringsdato Uddannelsesinstitution Omslagsbillede Opgave Fredericia Maskinmesterskole Spraytårns dyse Bachelorprojekt Page 2 of 32

3 2 Abstract DuPont (Nutrition Biosciences) in Grindsted has a spray drying system, who gets the product from the intermediate tank. This temperature is today heated up with a heating jacket in the intermediate tank. The problem description for this project is how the downtime can reduce heating/cooling of the product in the intermediate tank, in this way continues meet the requirements of the production based on the analysis of the spray drying system, I have found a solution that will reduce the downtime. Regarding the study, there has been made a calculation of the current tube heat exchanger has the right area to the new solution. The solution will be evaluated based on the payback time of investment, technical selection of heat exchangers, and which control of the temperature, and which pump solution, which is the best. The solution I have recommend DuPont, is to install one plate heat exchanger, where the system is pressurized. To regulate the flow to the plate heat exchanger there are chosen a speed control, and to the temperature regulation, there are chosen a Feedforward. This solution will save the company DKK per year if all the downtime is reduce, and the payback time will be about 5 months. Page 3 of 32

4 Indholdsfortegnelse 1 Titelblad Abstract Forord Indledning Problemstilling Problemformulering Hypotese Afgrænsning Metode Metodekritik Teori spraytørring Anlægsbeskrivelse Analyse og resultater Udregning af rørvarmeveksler Udregning af varmestrøm Udregning af mængden af damp Udregning af den logaritmiske middeltemperatur LMTD damp Udregning af areal Udregning af den logaritmiske middeltemperatur LMTD Vand Udregning af mængden af vand Udregning af U-værdi Udregning af returvand Vurdering af udregning rørvarmeveksler Vurdering af udregninger pladevarmeveksler Rørvarmeveksler simpel regulering Rørvarmeveksler Feedforward Indstilling af Feedforward Begrundelse for valg af regulering til rørveksler Pladevarmeveksler frekvensomformer Begrundelse for valg af regulering til pladevarmeveksler Dimensionering pumpe Page 4 of 32

5 8.9.1 Tryktab i systemet Valg af pumpe Løsningsforslag pladevarmeveksler og en rørveksler pladevarmevekser og 1 rørveksler Ekspansionsbeholder Valg af veksler løsning Økonomi Tilbagebetalingstid 1 pladeveksler Tilbagebetalingstid 2 pladeveksler Del konklusion økonomi Diskussion Kildekritik Konklusion Perspektivering Kilder Hjemmesider Eksperter Bøger Page 5 of 32

6 3 Forord Dette projekt er udarbejdet i forbindelse med afslutningen på maskinmesteruddannelsen på Fredericia Maskinmesterskole. Projektet er skrevet på baggrund af praktikforløbet på DuPont (Nutrition Biosciences) i Grindsted. Jeg har undervejs i projektet fået hjælp af følgende personer: Poul Erik Persson - Maskiningeniør fra Process Engineering John Poulsen - Sr. Manufactory Technology Engineer DuPont Klaus Kalmeyer - Klaus Kalmeyer - FMS, Lektor Vibeke Meyer - Alfa Laval - Kemi ingeniør Mikkel Worm - Salgsteknikere Grundfos 4 Indledning DuPont (Nutrition Biosciences) i Grindsted er blandt verdens førende producenter af ingredienser til hovedsageligt fødevareingredienser, f.eks. emulgator som anvendes i brød, chokolade, kaffe, ost, yoghurt m.m. Emnet for denne rapport er blevet valgt på baggrund af DuPonts ønske, omkring at få nedbragt nedetiden for nedkøling/opvarmning af produkterne i mellemtanken. I samarbejde med maskiningeniør Poul Persson, er der blevet valgt at bibeholde den eksisterende rørveksler hvis det er muligt, samt valgt at der skulle installeres en pladeveksler for at optimere processen. Produkterne i mellemtanken bliver i dag opvarmet/nedkølet via en varmekappe omkring tanken, som enten tilsættes damp eller boringsvand alt efter om produktet skal opvarmes eller nedkøles. Denne opvarmning/nedkøling er en langsom proces, og dette medfører nedetid imellem produktskiftene. Dupont ønsker at få undersøgt om det er en rentabel løsning, at få installeret en pladevarmeveksler som skal kunne opvarme og nedkøle produkterne. Med baggrund i kortlægning er der valgt at fokusere på valget af varmevekslerløsningen, og fokusere på hvilken regulering der er mest hensigtsmæssig. Derudover skal der undersøges om eksisterende rørveksler, og pumpe kan anvendes i den nye installation. Page 6 of 32

7 4.1 Problemstilling Dupont ønsker at få undersøgt hvilke muligheder der er for at reducere opvarmning/nedkølingstiden i mellemtanken. 4.2 Problemformulering Hvordan kan nedetiden mindskes for køling/opvarmning af produktet i mellemtanken, således at det forsat imødekommer kravene fra produktionen? 4.3 Hypotese Det forventes at det er en rentabel løsning at installere en pladeveksler til opvarmning/nedkøling af produktet. Den eksisterende rørveksler forventes at kunne benyttes til at opvarme boringsvandet i den nye installation. 4.4 Afgrænsning Der fokuseres på den eksisterende rørveksler, da det er DuPonts ønske at benytte denne rørveksler til opvarmning af boringsvandet. Projektet anvender driftsdata fra 2014 som bruges til dimensionering af varmevekslerne. Projektet fokuserer på økonomien omkring tilbagebetalingstiden, hvor produktet er prissat, som et gennemsnit der giver et overskud på 5kr. pr/ kg. Der vil i den videre undersøgelse blive fokuseret på reguleringsmetoden til temperaturstyring på varmeveksleren. Der fortages ikke selvstændig valg af pumpen, men der udvælges i samarbejde med tekniker Mikkel Worm fra Grundfos, hvor der vælges den rette pumpe ud fra trykhøjde, temperatur og flow og hvilken type opgave pumpen skal udføre. Trykfaldet er regnet ud fra trykfaldet gennem vekslerne, og lige vandrør. Der er altså ikke valgt at fokusere på bøjninger og t-stykker, da man på nuværende tidspunkt ikke ved hvordan rørføringen skal udføres. Page 7 of 32

8 5 Metode For at kunne svare på problemformuleringen, samt teste hypoteserne, er man nødt til at udregne hvor meget kapacitet rørveksleren vil kunne levere ved det oplyste areal. For at kunne fortage disse undersøgelser er der brugt datablad over rørveksleren. Derudover skal oplysningerne omkring produktet kendes, disse drifts oplysninger tilsendes af fabriks ingeniør John Poulsen. For at kunne svare på den ene hypotese omkring den eksisterende rørveksler forventes at kunne benyttes til at opvarme boringsvandet i den nye installation. Er der fortaget udregning omkring rørvekslerens areal, varmegennemgangstal og logaritmisk middeltemperatur. Efter at have fået kortlagt udregningerne på rørveksleren, kontaktes Alfa Laval hvor de afgiver tilbud, og beregninger på en passende pladeveksler løsning. For at kunne svare på den anden hypotese omkring det forventes at det er en rentabel løsning, at installere en pladeveksler til opvarmning/nedkøling af produktet. Fabriks ingeniør John Poulsen interviewes omkring forventet reduktion af nedetid, og fortjeneste ved produkterne. For at kunne udregne tilbagebetalingstid på installation, indhentes der tilbud på sitet omkring rørføring, og elinstallation. For at få priser på komponenterne, hentes der data fra DuPonts SAP system fra tidligere projekter, samt prislister og tilbud fra leverandører. For at få klarlagt, hvilken pumpe og rørdimension der skal benyttes i anlægget, skal der laves en tryktabsberegning. Når disse beregninger er fortaget, indhentes der tilbud fra Grundfos omkring dimensionering og pris. Problemformuleringen vil blive undersøgt inden for følgende faglige metoder: - Termodynamikken vil blive anvendt, i forbindelse med dimensionering af varmevekslere. - Reguleringsteknik skal anvendes, til at finde den bedste reguleringsmetode til vekslerne. - Økonomien skal anvendes, til at udregne tilbagebetalingstiden. - Pumpeteknik skal anvendes, til beregning af tryktab. Page 8 of 32

9 5.1 Metodekritik Der er fortaget et kvalitativt interview af fabriks ingeniør John Poulsen, på baggrund af at få John Poulsens praktiske erfaringer omkring produkterne. En anden overvejelse der er tænkt i forbindelse med interviewet, er omkring fortjenesten på produktet, men da det er hemmeligt har han kommet med et forslag over hvad der kan forventes af indtægt. Denne kilde er ikke troværdig, fordi han ikke kan oplyse den nøjagtige pris på hver enkelt produkt. Dernæst sendes driftsdata af John Poulsen, med hvilke oplysninger produktet skal nedkøles/opvarmes til samt viskositet og specifik varmekapacitet. Disse oplysninger er en troværdig kilde da han har hentet dem fra det interne system. Der er indsamlet data ud fra datablade, og tegninger dette er gjort, fordi det er en valid indsamlingsmetode. Da det ikke er en ny rørveksler mere, kan man ikke regne med mærkepladen, og vil ikke have helt samme areal pga. belægning på rørene, derfor er der taget højde for dette i udregningerne. Prisestimering på rørarbejde er erfaringsmæssige tal fra leverandøren VJ-rørteknik, hvad de forventer det vil koste at montere med isolering og komponenter. Fordi den endelig rørføring ikke er fastlagt, er det et skøn på hvor meget rør der skal benyttes, derfor er prisen et overslag estimeret ud fra erfaringsmæssige tal, denne metode er derfor ikke troværdig. Reguleringsventiler, temperaturtransmitter, og filtre er fundet ud fra tidligere projekter i DuPonts SAP system, for at få en estimeret pris på hvad projektet vil koste. Grunden til der ikke er indhentet tilbud fra leverandøre på disse komponenter, skyldes at projektet ikke er godkendt til udførelse endnu. Da rørveksleren er en eksisterende komponent, er prisen fundet i SAP systemet under en lignende rørveksler fra Kähler og Breum. Denne metode antages for ikke at være en troværdig kilde, fordi prisen reguleres efter nye modeller, og andre krav til komponenterne. For at få priser på ventiler, er der brugt Fagerbergs priskatalog. Dette er valgt på baggrund af, det er ventiler som allerede bliver anvendt på sitet, og prislisten er specielt udarbejdet til DuPont så derfor vil priserne være realistiske. Priserne er fra , og kan derfor godt afvige forhold til nye tilbud. Da projektet kun er på projektstadiet, vil denne metode give et realistisk billede af prisen. Teorien omkring spraytørring er taget med for at få en proces forståelse, omkring hvordan anlægget virker da dette er essentielt for at kunne forstå processen. Page 9 of 32

10 6 Teori spraytørring Figur 1 viser et enkelfaset spraytørringsanlæg. Produktet fødes fra mellemtanken pos.3 med en højtrykspumpe pos. 4, og fortsætter derefter til dyserne som forstøver produktet pos. 5. De meget små dråber sprøjtes ind i spraytårnet pos. 1, hvor det blandes med varmluft. Luften trækkes ind af en ventilator, gennem et filter og leveres til et varmelegeme pos. 2, hvor luften opvarmes til Den varme luft strømmer gennem en distributør til spraytårnet. I spraytårnet pos. 1 opsplittes produktet, og blandes grundig med varm luft, og vandet i produktet inddampes. Det meste af tørring foregår ved afbremsning med luftmodstanden, efter frigivelsen fra forstøveren ved høj hastighed. Under tørreprocessen bundfalder pulveret i tørrekammeret, i spraytårnet pos.1 og udledes i bunden. Efter afkøling af produktet strømmer det afkølede pulver til udledning pos. 7. Dette pulver separeres i en eller flere cykloner pos 6. og pos. 7. Efter adskillelsen af pulveret, returneres pulveret til hovedstrømmen af pulveret, som derefter er klar til pakning. Den rensede tørre luft, trækkes ud af anlægget med en ventilator pos Figur 1 spraytørringsanlæg 1 Dairy Processing handbook Gösta Bylund udgivelse år 1995 Tetra Pak Processing systems side Page 10 of 32

11 7 Anlægsbeskrivelse På bilag 1.2 ses en PID tegning af hvordan anlægget fungere i dag. Blandebeholderen modtager produktet hvor produktet opvarmes/nedkøles vha. en varmekappe efter følgende krav se bilag 1.3, hvis produktet skal opvarmes tilføres 3 bar damp i varmekappen, og ved nedkøling tilføres der boringsvand. I blandebeholderen er der en omrører, der sørger for varmen/kølingen fordeler sig i produktet. Produkterne bruger lang tid på at finde sin rette temperatur, da det er en 12000L tank som skal afkøles eller opvarmes. Når produktet har den rette temperatur får ventilen et on/off signal, den skal åbne vha. en aktuator. Produktet pumpes videre, med en centrifugalpumpe, som fungere som en hjælpepumpe. Når produktet har passeret et filter, styres en ventil af en aktuator med et on/off signal, hvorved produktet pumpes videre til en lobepumpe som bestemmer hastiheden på produktet, som transportere produktet til spraytårnet i et opvarmet rør mellem C. Når produktet møder spraytårnet, forstøves produktet hvor det skifter form fra væske til pulver. 8 Analyse og resultater 8.1 Udregning af rørvarmeveksler Ud fra driftsdata fra produktionen se bilag 1.3, er der udregnet på omkring den nuværende rørvekslers areal, er stort nok forhold til den kapacitet der er nødvendig ved nedkøling/opvarmning af produkterne. Kapaciteten af produktet vil blive i det værste tilfælde, dvs. der hvor der er størst flow af produktet som er 2000 kg/hr. Et af kravene som produktionen stiller er at t <10 C, dvs. hvis produktet forlader pladeveksleren med en temperatur på 55 C, skal det som minimum køles med 45 C vand fra rørveksleren. Dette krav er fordi hvis produktet får en større t vil produkterne størkne. Den specifikke varmekapacitet Cp for produkterne er ifølge bilag 1.3 angivet til 3,3kJ/kg C. Page 11 of 32

12 8.1.1 Udregning af varmestrøm Varmestrømmen φ beregnes for at finde ud af, hvor meget varme der skal transmitteres gennem rørvarmeveksler. For at finde varmestrømmen benyttes denne formel 2 : φ = q m 3600 c P t [kw] kj φ = varmestrømmen [kw] c P = Specifik varmekapacitet [ kg ] q m = massestrømmen [ kg hr ] t = (t start t slut ) [ ] Udregningen af varmestrømmen findes i bilag 1.4, som viser opvarmningen af boringsvandet vha. damp Udregning af mængden af damp For at kunne udregne rørvarmevekslerens areal skal der nu regnes på dampsiden, for at få et bedre indblik i hvordan denne proces foregår er der vist et udsnit af en rørvarmeveksler se figur 2. De inderste rør som er vist med rødt er dampen, som skal opvarme boringsvandet som er i den yderste skal. 3 Figur 2 rørveksler 2 Termodynamik 3. udgave Aage Birkkjær Lauritsen og Aage Bredahl Eriksen side Termodynamik 3. udgave Aage Birkkjær Lauritsen og Aage Bredahl Eriksen side 274 Page 12 of 32

13 For at udregne hvor meget damp der er nødvendigt, skal fordampningsvarmen findes vha. tabelopslag 4 for 3baro damp er fordampningsvarmen 2133 kj. Den varmestrøm som er regnet tidligere benyttes igen, fordi energibalancen for den totale overførte varmestrøm i rørvarmeveksleren er: kg φ = q m c p t = q mdamp c pdamp t damp. 5 For at finde kapaciteten af dampen benyttes denne formel: m damp = φ 3600 r [ kg hr ] 6 φ = varmestømmen [kw] r = fordamningsvarmen [ kj kg ] Udregning af den logaritmiske middeltemperatur LMTD damp For at kunne udregne arealet skal den logaritmiske middeltemperatur findes, dampens temperatur ved 3baro dvs. 3 bars overtryk opslås som en tabelværdi 7 denne værdi 144 C. Den logaritmiske middeltemperatur bestemmes ud fra denne formel: 8 t m = t vi t vu ln ( (t d t vu ) (t d t vi ) ) t d = temperatur på dampen t vu = temperatur på vandet slut t vi = temperatur på vandet start Heat exchangers Selection, Rating, and Thermal Design side udgave Sadik Kakaç, Hongtan Liu, Anchasa Pramuanjaroenkij Termodynamik 3. udgave Aage Birkkjær Lauritsen og Aage Bredahl Eriksen side 281 Page 13 of 32

14 8.1.4 Udregning af areal Ud fra ovenstående udregninger er vi nu i stand til at vurdere om arealet på rørvarmeveksleren er stort nok til at afkøle produktet. 9 φ A = U u Δt m φ = varmestrømmen [kw] W U u = Varmegennemgangstallet m 2 t m = Logarimiske middeltemperatur Udregning af den logaritmiske middeltemperatur LMTD Vand For at kunne udregne den logaritmiske middeltemperatur, for returvandet når det køles gennem rørveksleren benyttes denne formel: t m = (t h1 t c2 ) (t h2 t c1 ) ln ( t h1 t c2 t h2 t c1 ) t h1 = temperatur på varm medie ind t h2 = temperatur på varm medie ud t c1 = temperatur på kold medie ind t c2 = temperatur på kold medie ud Udregning af mængden af vand For at finde ud af mængden af vand, der skal tilføres for at afkøle returvandet i rørveksleren benyttes denne formel: 10 m vand = φ t C p φ = varmestrømmen kw t = (t h1 t h2 ) C kj C p = specifik varmekapacitet kg 9 Termodynamik 3. udgave Aage Birkkjær Lauritsen og Aage Bredahl Eriksen side Termodynamik 3. udgave Aage Birkkjær Lauritsen og Aage Bredahl Eriksen side 279 Page 14 of 32

15 8.1.7 Udregning af U-værdi For at vise hvordan man udregner en varmegennemgangstal på rørvekslerens skalside, beskrives det herunder: Rørenes dimensioner i rørvarmeveksleren er angivet i bilag 1.8 ud fra pos 24 til di=13mm og du=15mm. Varmeovergangs koefficienten bestemmes ud fra hvilket medie der er på rørsiden/skalsiden, som findes på bilag 1.6. På rørsiden er der damp så hi=8000 W denne værdi svinger fra W, men for at få det værst tænkelig tilfælde vælges den laveste værdi. På skalsiden findes m2 der vand ved 4bar, og denne værdi svinger mellem W,og igen vælges den laveste 2 værdi så ho=5000 W. Varmekonduktiviteten findes i bilag 1.9, rørvekslerens rør er lavet af rustfri- m2 stål, derfor vælges kromnikkelstål, som har en λ=14,5 W m. For at udregne skalsidens varmegennemgangs U-værdi kan en estimeret værdi udregnes ud fra følgende formel 11 : m m U skal = ( 1 h o + d u d i 1 h i + r u ln ( d u d i ) λ ) 1 = ( , ln ( ) 14,5 ) W m 2 C h o = skalsidens varmeovergangskoeffeicent h i = rørsidens varmeovergangskoeffeicent d u = rørets udvendige diameter d i = rørets indvendige diameter r u = radius af udvendige rør R f = erfaringsmæssige foulingsfaktor se tabel i termodynamik side 305 λ = varmekonduktivitet 11 Heat exchangers Selection, Rating, and Thermal Design side udgave Sadik Kakaç, Hongtan Liu, Anchasa Pramuanjaroenkij Page 15 of 32

16 8.1.8 Udregning af returvand For at kunne finde sluttemperaturen når returvandet køles med boringsvandet i rørveksleren er denne formel benyttet: φ t 2 = t 1 + ( ) m vand c vand For at kunne finde denne udregning se bilag Denne udregning vil blive brugt til at se hvor meget energi der skal benyttes til at opvarme/nedkøle produktet frem for at benytte boringsvandet som kun er 10 C. Derved kan der ses hvor meget effekt der skal til sammenlignet med opvarmningen af boringsvandet. Se bilag 1.11 hvor der kan ses hvor meget effekt, der skal benyttes i forhold til hvis der skulle opvarmes med boringsvand se bilag Vurdering af udregning rørvarmeveksler Udregningerne for arealet kan findes i bilag Ved en passende kapacitet på 1500kg/hr overholder det kravet at arealet holder sig under 0,9m 2, grunden er at det er en ældre rørvarmeveksler, så der kan godt være aflejringer i rørene og derfor bør man i sine beregninger forvente at arealet ikke er større end 0,9 m 2. Kapaciteten som SSL kræver, findes på bilag 1.18, som er 864kg/hr, selvom kapaciteten er sænket, er arealet på 0,96, men da man vælger at bruge returvandet frem for boringsvandet på 10 C vil det ikke blive et problem, og derudover kan kapaciteten hæves til 1500kg/hr. Dette resultat skal videregives til Alfa Laval, for at vide hvordan den kommende pladevarmeveksler løsning skal udregnes. For at udregninger er så præcise som muligt, er der valgt at udregne U-værdien som er varmeovergangstallet, for at se nærmere udregninger se afsnit Page 16 of 32

17 Hvis denne kapacitet skal sættes op er man nødt til at købe en ny pladeveksler, hvor arealet ikke bliver en begrænsning. Se figur 3 hvordan vandet recirkulere fra pladevarmeveksleren til rørveksleren. Figur 3 PID med returvand 8.3 Vurdering af udregninger pladevarmeveksler Udregninger til pladevarmeveksler henvises til bilag 1.13, som er fortaget af Alfa Laval. For at Alfa Laval kan foretage disse udregninger er der nogle faktorer de skal vide: - Hvilket medie skal der igennem pladevarmeveksleren - Hvilken viskositet har produktet - Ved hvilken temperatur produktet nedkøles/opvarmes til - Hvilken kapacitet produktet køre med - Hvilken kapacitet vandet køre med - Hvilken krav der er til vandets temperatur Ud fra disse krav har Alfa Laval fundet den bedste pladevarmeveksler til opgaven. Mediet igennem veksleren, viskositet på produktet, og temperaturer er blevet udleveret af produktion se bilag 1.3. Kapaciteten på vandet er regnet ud fra hvad rørvarmeveksler kan klare se udregning bilag 1.4. Et andet vigtigt krav er t på vandet som ikke må overstige 10 C dvs. at hvis produktet skal nedkøles fra C må der maksimalt nedkøles med 45 C vand se bilag Page 17 of 32

18 8.4 Rørvarmeveksler simpel regulering Figur 4 viser en simpel regulering af rørvarmeveksleren, hvor man opvarmer/nedkøler processtrømmen med enten boringsvand til nedkøling og til opvarmning med 3 baro damp. Processtrømmen ind, er vandet retur som kommer fra pladevarmeveksleren. Processtrømmen ud er vandet, der skal bruges til at nedkøle/opvarme produktet i pladevarmeveksleren. Processtrømmen vil være konstant på 1,5m 3 /hr, men indgangstemperaturen vil ændre sig alt efter hvilket produkt der skal nedkøles/opvarmes i pladevarmeveksleren. Det er reguleringsventilens opgave at holde processtrømmens afgangstemperatur konstant, selvom temperaturen ændre sig på processtrømmen. Figur 4 simpel regulering Reguleringen foregår ved at en temperaturtransmitter TT, måler afgangstemperaturen. Målingsresultatet er et elektrisk signal, som transmitteres til regulatoren TIC, dette kunne f.eks. være en PIDregulator. Regulatoren modtager sætpunktet SP, som er den ønskede afgangstemperatur. Dette sætpunkt kan indstilles på regulatoren, eller som et signal udefra. Regulatoren beregner afvigelsen mellem sætpunktet og den reelle målte temperatur, ud fra denne forskel beregner regulatoren det indgreb der er nødvendigt for at fjerne afvigelsen. Regulatorens udgangssignal kaldes også styresignal u, som bliver ført til reguleringsventilen. Reguleringsventilen betegnes TV som betyder det er en temperatur ventil, og symbolet er vist med en pneumatisk aktuator. Styrersignalet u er et elektrisk signal, og skal derfor konverteres til et pneumatisk signal. Ventilstillingen bestemmes af lufttrykket, og dermed hvor meget vand/damp der skal tilføres. Dvs. ændring af den tilførte vand/damp medfører en ændring på processtrømmens afgangstemperatur Praktisk regulering og instrumentering side 10 Page 18 of 32

19 8.5 Rørvarmeveksler Feedforward Man kunne let forestille sig, at den simple varmveksler regulering ikke ville være helt optimal. Dette skyldes at processtrømmen af vandet retur bliver koldere/varmere når der skiftes produkt, denne temperatur variere mellem C se bilag Derfor vil varmetilførslen ikke være optimal ved en simpel regulering, og bliver derfor først konstateret efter noget tid af temperatur transmitteren, nemlig når processtrømmen med en forkert temperatur når frem til udgangen. Derefter griber regulatoren ind, men det er uundgåeligt, at der i et stykke tid kommer procesvæske, som ikke har den rigtige temperatur. Feedforward-princippet kan være et godt supplement til en normal reguleringssløjfe. På Figur 5 ses reguleringen af rørvarmeveksleren med måling af udgangstemperaturen og tilbageføringen af PV-signalet til temperaturcontrolleren, som sammenlignes med sætpunktet SP. Ændringen af procesvæskens flow og indgangstemperatur måles med TT, som sender et feedforward signal FF til regulatoren. 13 Figur 5 Feedforward 13 Praktisk regulering og instrumentering side Page 19 of 32

20 8.5.1 Indstilling af Feedforward På Figur 6 vises der hvordan feedforward-signalet undgår en beregning, og adderes direkte til den normale PI eller PID regulators styresignal. Beregningen af FF viser, at den tager hensyn til tidforsinkelse, og dermed vil regulatoren reagere hurtigere og dermed få den ønskede temperatur. FF0 er basisværdien som indstilles til den gennemsnitlig indgangstemperatur, dvs. ifølge bilag 1.10 vil temperaturen være 100 C og hvor FF måleområdet er C og derfor skal FF0 sættes til 50%. Dvs. at det samlede styresignal u bliver: u = u PID + K F (FF FF 0 ) Figur 6 FF modul I praksis udføres feedforward-beregningen med et ekstra regulator modul i PLC`en. Basisværdien FF0 indsættes som sætpunkt på FF-modulet, og selve FF-signalet indsættes som PV-signal. Kf er FF-modulets forstærkning, hvis Kf er negativ svare det til en invers regulering, og er den positiv svare det til en direkte regulering. Måden man finder Kf på er at man uden feedforward måler sammenhængen mellem størrelsen af ændringen af indgangstemperaturen, og den ændring af styresignalet u til reguleringsventilen finder sin normal position ved Begrundelse for valg af regulering til rørveksler Fordelene ved at bruge en Feedforward regulering, er at den vil tage højde for belastningsændringer dvs. temperatur ændringer i dette tilfælde. Dette betyder at ventetiden imellem produkterne ikke vil forekomme, pga. temperaturtransmitter giver et FF signal til regulatoren om at temperaturen har ændret sig, og det tager den højde for ved at åbne damp eller vand alt efter om det skal køles eller opvarmes. Ulempen er at der skal købes en temperatur transmitter mere, og et FF-modul til plc`en og derefter indreguleres som beskrevet ovenfor. 14 Praktisk regulering og instrumentering side Page 20 of 32

21 8.7 Pladevarmeveksler frekvensomformer Figur 7 Frekvensstyret pumpe Figur 7 viser en PID tegning, hvor reguleringsventilen er erstattet af en frekvensomformer SY, der styrer omdrejningstallet på pumpen. Regulatoren vil nu styre pumpens omdrejningstal op og ned efter behovet for opvarmning og nedkøling, som registreres af en temperaturtransmitter på produktets afgangsside. Når omløbstallet på løbehjulets hastighed ændres, fås en ny pumpe karakteristik der har samme udformning som den første parabel. Når reguleringsventilen ikke er der mere vil det betyde, at pumpen ikke skal bruge pumpeenergi på trykfald over reguleringsventilen. Der vil være en besparelse ved at benytte en pumpe, til at regulere flowet af vandet i stedet for at styre det med en reguleringsventil. Fordi pumpen ikke køre ved en konstant hastighed, men pumpen kan styres vha. en frekvensomformer, hvor man kan reducere omdrejningstallet alt efter behovet. 8.8 Begrundelse for valg af regulering til pladevarmeveksler Grunden til valget af omdrejningsregulering på pumpen, skyldes at det er nødvendigt med udskiftning af pumpen, fordi den eksisterende pumpe ikke lever op til de nye krav med temperatur og flow. Derfor skal der investeres i en ny pumpe, og ved at frekvens styrer pumpen vil du kunne kører op og ned i hastighed alt efter behovet. Dette er en energimæssig god løsning, fordi effekten tilpasses den temperatur der kræves, i stedet for konstant køre fuld kraft. Ved en almindelig drøvleregulering, drøvler man på pumpens afgang. Dvs. når ventilen lukker medfører det at modstanden i anlægget øges, hvorved pumpen arbejder efter en større løftehøjde. Så denne regulering vil ikke være hensigtsmæssig, fordi det vil skabe et tryktab og derved et effekttab. Page 21 of 32

22 En anden metode ville være at regulere med en feedforward styring, som i tilfældet ved rørvarmeveksleren. Men fordi temperaturen bliver reguleret ved rørvarmeveksleren, vil der ikke være variationer i temperaturen på vandsiden. Flowet fra blandetanken vil være konstant, hvor flowet først ændres ved lobepumpen. Derfor vil det være unødvendigt at have en Feedforward i denne regulering. En simpel regulering ville også være en mulighed, men fordi en reguleringsventil er dyrere i drift end en frekvensstyret pumpe, er valget faldet på at frekvensstyre omdrejningstallet via et signal fra temperaturtransmitteren på produktets afgangsside. Før man kan bestemme hvilken pumpe der skal benyttes, er man nødt til at beregne tryktabet for at være sikker på ens pumpe kan overvinde dette tryktab. 8.9 Dimensionering pumpe Tryktab i systemet For at kunne dimensionere den rigtige pumpe, er det nødvendigt at kende hvor stort et tryktab der er i systemet. Det der sker når der opstår tryktab, er at der opstår friktion mellem vandets partikler og mellem rørvæggene. Der er taget udgangspunkt i et DN40 rør og en strømningshastighed på 1,5m 3 /hr på baggrund af hvad rørveksleren kan levere. Fordi det er et lukket system, og den skal løfte 2 meter vil den statiske løfte højde ikke være tilstede, da det udligner sig selv i et lukket system. Der er estimeret 40 meter rør, der er ikke taget højde for samlinger og t-stykker i beregninger ved tryktab i røret. For henvisning til udregning af tryktabet i røret se bilag H rør = 0,12 bar H pladeveksler = 65,4kPa 0,654bar H rørveksler = 0,345 bar 15 H samlet = H rør + H pladeveksler + H rørveksler = 0,12 + 0, ,345 = 1,12 bar 11,4mVs 15 Heat exchangers Selection, Rating, and Thermal Design side udgave Sadik Kakaç, Hongtan Liu, Anchasa Pramuanjaroenkij Page 22 of 32

23 8.9.2 Valg af pumpe For at kunne vælge den rigtige pumpe, er det vigtigt at vide hvilket flow der skal igennem pumpen og hvilket tryktab der kommer i systemet, og ikke mindst hvilken temperatur vandet kommer ind med. Tryktabet er regnet ovenfor til 11,4 mvs ud fra de givet oplysninger. Selve udvælgesen af den rigtige pumpe er fortaget i samarbejde med tekniker Mikkel fra Grundfos. Derudover skal man kigge på at opnå den bedst mulige driftsøkonomi, dvs. en optimal virkningsgrad ud fra den foreskrevne volumenstrøm. Da det ikke er muligt, fordi driftspunktet ikke vil være konstant, vil det være nødvendigt at tilpasse pumpens ydelse. Den eksisterende cirkulations pumpe vil ikke kunne klare en trykhøjde på 11,4mVs, som der er krævet for dette system. Se bilag Den eksisterende pumpe UPS F, ville ikke kunne klare dette tryktab, samtidig med at pak tætningen ikke kunne holde til en temperatur på 130 C. Se bilag Derfor er der valgt en ny pumpe, denne pumpe er dimensioneret ud fra et flow på 1,5 m 3 /hr, som er beregnet se bilag 1.4, dernæst en temperatur på 130 C som er mediets driftstemperatur. Denne pumpe er speciel fordi temperaturen overstiger 120 C, derfor skal det være et rustfri pumpehus for at kunne få den valgte løsning. Derudover er der et krav omkring pumpen skal være frekvensstyret for at kunne regulere på omdrejningstallet, derfor er der valgt en pumpe med indbygget frekvensomformer. Denne valgte pumpe er i samarbejde med Mikkel Worm fra Grundfos en CRNE3-2 FN-FGJ 3x V. På bilag 1.20 ses en pumpekarakteristik over den valgte frekvensstyret pumpe. Ved at have en frekvensstyret pumpe vil driftspunktet ligge på 88% af omdrejningstallet, i stedet for 100% ved en traditionel styring. Dette betyder at pumpen ikke skal bruge pumpeenergi, til at overvinde trykfaldet over reguleringsventilen, fordi reguleringsventilen er erstattet af en frekvensstyret pumpe. Effekten kan aflæses, på affinitetsparablen P1 viser pumpens elektriske effekt, og p2 er den akseleffekt som motoren skal levere til pumpeakslen se bilag Hvis der skulle vælges en pumpe som styres af en reguleringsventil, er man nødt til at gå en pumpe størrelse op for at kunne overvinde tryktabet. Derfor vælges en CR 3-3, hvis den ikke skal være frekvensstyret, denne pumpe kan ikke nedreguleres i hastighed, så derfor kommer der et større effekttab se bilag Page 23 of 32

24 9 Løsningsforslag pladevarmeveksler og en rørveksler På bilag 1.14 ses en PID tegning af anlægget med 3 varmevekslere. 1 rørvarmeveksler dens funktion er at opvarme boringsvandet op fra 10 C til en temperatur der spænder fra C, hvor t skal være mindre end 10 C i forhold til sluttemperaturen på produktet. Vandet i rørvarmeveksleren bliver opvarmet ved 3baro damp det svarer til ca. 144 C. Vandet der opvarmes i rørvarmeveksleren føres videre af en cirkulations pumpe gennem en pladevarmeveksler W01. Vandet der lukkes ud af pladevarmeveksleren har meget energi i sig, så derfor genbruges vandet i rørveksleren og derved er der dannet en lukket kreds. Hvis der kommer for meget vand, kan en drænventil åbnes på retur ledningen. Hvis vandet skal opvarmes, gøres det med 3baro damp gennem pladevarmeveksler W02. Når dampen kommer ud af pladevarmeveksleren, kommer det ud som kondensat. Når produktet har opnået den rette temperatur gennem temperatursløjfen, føres produktet videre til den streng hvor produktet pumpes over til spraytårnet, ligesom det eksisterende anlæg. Hvis man sammenbygger de 2 pladevarmeveksler, til en vil det spare en del plads. Men ved at sammenbygge de 2 vekslere, vil det betyde et større tryktab, fordi produktet skal igennem de 2 vekslere faktisk vil tryktabet være 2,5 bar på vandsiden, dette vil betyde at det vil være nødvendigt at udskifte fødepumpen til produktet. Derfor vælges der at få produktet ud i siden af pladevarmeveksleren se bilag Ved denne løsning vil de 2 pladevekslere kun have et tryktab for nedkølingen på 0,6bar og ved opvarmningen 0,004 bar for vandsiden af pladevarmeveksleren se bilag Page 24 of 32

25 9.2 1 pladevarmevekser og 1 rørveksler På bilag 1.17 ses en PID af løsningen med 1 pladevarmeveksler. Denne løsning er ikke mulig før man tryksætter anlægget, så det vil sige med en ekspansionsbeholder på 6 bar vil vandets tryk kunne sættes op til 4 bara i stedet for 1 bar. Det betyder i stedet for at opvarme med 99 grader vand, vil man opvarme med 144 C vand. Dette betyder at det er muligt at opvarme SSL produktet i pladevarmeveksleren fra C. Hvor før det kun var muligt med 2 pladevarmevekslere, hvor den ene opvarmede og den anden kølede produkterne. For at tjekke om det vil være nok med 1 pladevarmeveksler er det regnet på hvor meget vand der skal bruges til opvarmning af SSL se bilag Ifølge udregninger viser det at pladevarmveksleren som ses på bilag 1.13 ved et areal på 7,7m 2 kræver 864 kg/hr vand for at opvarme 37kW SSL. For at finde ud af om rørvarmeveksleren kan levere den nødvendige mængde er der indsat oplysninger i regnearket se bilag 1.4 og 1.5. Hvor disse udregninger viser at ved den nødvendige mængde vand er det nødvendige areal af rørveksleren på 0,96 m 2, hvis vandet kommer fra boringsvandet og skal opvarmes til 130 C. Dette betyder at rørveksleren ikke vil kunne opvarme vandet på en gang, men er nødt til at recirkulere vandet igennem veksleren af 2 gange inden at man tilføre produktet til pladevarmeveksleren. Men ved at bruge returvandet vil man kunne nøjes med at køre det en gang igennem veksleren, hvilket betyder en mindre opvarmningstid. En anden og vigtig ting, er at der ikke skal bruges så meget effekt på at nedkøle/opvarme vandet da t er betydelig mindre. I de tilfælde hvor vandet er for varmt vil man dræne så det får den rigtige temperatur, og tilføre boringsvand. Hvor vandet er for koldt, tilføres der damp til returvandet. Ved at benytte returvandet, medfører det at kapaciteten kan sættes op til 1500 kg/hr på vandet til SSL, og vil derfor kun kræve et areal på 0,80 m 2 Se Page 25 of 32

26 9.2.1 Ekspansionsbeholder Her er der fortaget udregninger af ekspansionsbeholderens størrelse ud fra den vandmængde der er i 40 meter DN40 rør. Til at finde ekspansionsbeholderens fortryk er det anlæggets fysiske højde målt i meter omsat til tryk i bar. V rør = π ( d i 2 ) 2 V e = L = 3,14 ( 0, ) ,6L 2 (0,07 t 2,5) P + 1 V 100 (P p) rør = V e = Ekspansionsbeholderens størrelse t = max temperaturen p = ekspansionsbeholders fortyk P = Sikkerhedsventilens åbningstryk V rør = Vandindholdet i røret (0, ,5) (6 + 1) 61,6 = 5,4L 100 (6 0,2) Valg af veksler løsning Valg af løsningen er truffet på baggrund af hvad der installationsmæssigt er bedst, samt hvilken løsning der er billigst. Fordelene ved at vælge 1 veksler med ekspansionsbeholder, er valgt på baggrund af når man recirkulere vandet vil der ikke være et problem med arealet på rørveksleren. En anden årsag kunne være hvis man på længere sigt vælger at udskifte rørveksleren, med en pladeveksler vil arealet ikke være en begrænsning. Derved vil løsningen med 2 pladevekslere være unødvendigt, fordi ved indkøb af den nye pladeveksler vil man dimensionere så pladeveksleren både kan opvarme og nedkøle. Problemet med 1 veksler, er at arealet ikke er stor nok ved opvarmning af boringsvand fra C vil kunne løses med at recirkulere vandet igennem rørvekslere 2 gange. En anden mulig løsning er som nævnt, at benytte returvandet fra pladeveksleren, da det kun er i start øjeblikket at vandet kun er 10 C. Ved løsningen med 2 pladeveksler skal der installeres damp, dræn og ekstra rør mellem pladevekslerne og derfor bliver det dyrere i installationsomkostninger. Samtidig er vedligeholdsomkostninger også dyre ved 2 pladeveksler Page 26 of 32

27 9.4 Økonomi I dette afsnit vil den økonomiske del blive behandlet, dette afsnit er med til at underbygge valget af varmeveksler løsning. For at kunne beregne en tilbagebetalingstid, skal den økonomiske besparelse ved investeringen beregnes. Den økonomiske besparelse vil blive beregnet ud fra en estimeret værdi, som er baseret på indrapporteringer i de første 5 måneder i 2015, som er oplyst af drifts ingeniør John Poulsen. Der skal fastsættes en pris på det producerede produkt, som bliver en gennemsnitspris på 5 kr. pr kg. Årlige vedligeholdelsesomkostninger er estimeret til kr. pr. veksler baseret på erfaringsmæssig tal fra industrien. Det forventes at levetiden på vekslerne er 5 år. For at kunne udregne omkostningerne ved de 2 løsningsforslag er der lavet en stykliste over hvilke komponenter der skal benyttes se bilag 1.22 og Disse styklister er lavet ud fra PID tegningerne, som ses på bilag 1.14 og For at kunne indhente priserne er der benyttet en prisliste fra Fagerberg til ventiler og vandudlader se bilag Når der står XV på PID tegningen betyder det at det er en ON/OFF ventil, dvs. der skal monteres en aktuator samt et fæstningssæt til aktuatoren. Ved reguleringsventilerne er der indbygget en controller og derfor er de ikke separate på styklisten. Priserne på reguleringsventiler, temperaturtransmitter, filter og rørvarmeveksler er fundet ud fra tidligere projekter i DuPonts SAP system. Pladevarmevekslernes priser kommer fra Alfa Laval, som har udarbejdet et tilbud se bilag Der kan nu beregnes tilbagebetalingstid ud fra en simpel tilbagebetalingsmetode: Tilbagebetalingstid 1 pladeveksler Årlig Vedligeholdsomkostninger = 40000kr. = 8000kr. 5 Besparelse pr/uge = Pris produkt Reduceret nedetid = 5 kr 5000 kg = kr. kg Besparelse pr/år = 25000kr 52 = kr. Komponenter = kr. Arbejdsløn = kr. Investering = komponenter + Arbejdsløn = = kr. Tilbagebetalingstid = Investering = 12 5 måneder Besparelse pr. år. årlige vedligehold Page 27 of 32

28 9.4.2 Tilbagebetalingstid 2 pladeveksler Årlig Vedligeholdsomkostninger = 60000kr. = 12000kr. 5 Besparelse pr/uge = Pris produkt Reduceret nedetid = 5 kr 5000 kg = kr. kg Besparelse pr/år = 25000kr 52 = kr. Komponenter = kr. Arbejdsløn = kr. Investering = komponenter + Arbejdsløn = = kr. Tilbagebetalingstid = Investering = 12 5,3 måneder Besparelse pr. år. årlige vedligehold Del konklusion økonomi Det ses at ved at installere en varmeveksler løsning, vil det give en besparelse på kr. per år disse besparelser er hvis nedetiden mindskes baseret ud fra de første 5 måneder af Besparelsen vil medføre en tilbagebetalingstid på 5 måneder ved at vælge løsningen med en pladeveksler som er tryksat, som derved bekræfter hypotesen omkring det er en rentabel løsning at investere i en pladeveksler, som derved mindsker nedetiden på sprayanlægget. 10 Diskussion Herunder vil der bliver diskuteret omkring de resultater der er fremkommet i projektet, med henblik på en efterfølgende konklusion. Da jeg startede projektet, var det store problem at operatørerne skulle vente på produktet blev nedkølet eller opvarmet i mellemtanken før det kunne pumpes videre til spraytårnet. Derfor vil jeg diskutere, hvilke resultater jeg kom frem til i den forbindelse. Varmegennemgangstallet har stor indflydelse på resultat af areal på rørveksleren, derfor har jeg valgt af udregne denne værdi. Hvis man sammenligner udregninger fra afsnit med tabel opslag bilag 1.7, kan man se at den udregnede værdi ligger inden for de erfaringsmæssige gennemgangstal der står i tabellen for damp-vand. Page 28 of 32

29 Der er i opgaven fokuseret på at bibeholde den eksisterende rørveksler til opvarmning/nedkøling af boringsvandet og returvandet, dette skyldes at de på sitet havde en rørveksler fra Kähler & Breum som virksomheden ønskede at benytte. Jeg vil anbefale at benytte en pladevarmeveksler i stedet da den er har en meget bedre virkningsgrad. Dette skyldes at tykkelse mellem dampen og boringsvandet er mindre ved at benytte en pladevarmeveksler, hvor tykkelsen på rørene i rørveksleren er tykkere medføre det at det tager længere tid at opvarme produktet. Dvs. ifølge bilag 1.8 er rørenes godstykkelse 2mm. Ved en pladevarmeveksler er pladerne meget tynde de er 0,5mm se bilag 1.13 så derfor kan de overfører varmen mere effektivt, dernæst er varme arealet meget større på en pladeveksler frem for en rørveksler. En anden vigtig detalje er at rørvarmeveksleren er fra 1999, derfor kan man ikke regne med arealet er 1m 2 pga. der kommer aflejringer på rørene, og derved bliver effektiviteten endnu ringere. En anden vigtig begrundelse for køb af ny pladevarmeveksler, er at rørveksleren begrænser flowet igennem rørene. Ved installation af en ny pladeveksler vil flowet ikke være begrænset af areal, og derved kan man have et højere flow igennem veksleren, og derved optimere endnu mere på nedetiden. 11 Kildekritik I projektet har jeg fået ekspertviden samt rådgivning af Poul Erik Persson, som har arbejdet med lignende projekter, derfor vil jeg kunne bruge hans erfaringer og ekspertise inden for området. Hans tidligere erfaringer vil påvirke resultatet. I forbindelse med udarbejdelsen af analysen af rørveksleren er der brugt teknisk dokumentation som kilde. Fordi rørveksleren er fra 1999 har jeg forholdt mig kritisk til størrelsen på rørveksleren pga. arealet kan være mindsket pga. kalkbelægning på rør. Desuden har jeg haft kontakt til leverandøren af pladevarmeveksleren, Vibeke Meyer som er ansat som kemi ingeniør ved Alfa Laval, for at indhente tilbud og udregninger omkring de nye vekslere. Vibeke Meyer er en pålidelig kilde, fordi hun har stor erfaring inden for varmevekslere. Valget af internetsider er valgt på baggrund af deres troværdighed: Grundfos er valgt for at kunne få den rette pumpe til opgaven samt oplysninger og pumpe karakteristikker på pumperne. For at validere oplysninger har jeg haft kontakt til salgsafdelingen for at sikre det var den rigtige pumpe til opgaven. Page 29 of 32

30 På Spiraxs hjemmeside er der brugt deres online damptabel, denne kilde er troværdig, fordi Spirax Sarco har 100 års erfaring inden for damp, og levere selv ventiler, trykmåler, vandudlader m.m. Arbejdstilsynet er brugt for at kunne udregne ekspansionsbeholderen, da det er en offentlig side må man anse for at denne kilde er troværdi. 12 Konklusion Analysen er fortaget ud fra beregninger og observationer på anlægget, resultatet viste at der er potentiale for at installere en pladeveksler, som kan opvarme/nedkøle. Analysen viste også hvor i systemet der kunne optimeres på nedetiden. Ud fra analysen på spraytørringsanlægget er der udarbejdet 2 løsningsforslag, til hvordan produktet hurtigere kan køles eller varmes. Det ene løsningsforslag er at en pladeveksler, både skal kunne køle/varme produktet, hvor anlægget bliver tryksat til 4 bar og boringsvandet bliver opvarmet/nedkølet i en eksisterende rørvarmeveksler. Det anden løsningsforslag er at en pladeveksler skal køle produktet, og en anden pladeveksler skal varme produktet, hvor boringsvandet til nedkøling af produktet opvarmes i rørvarmeveksleren for at imødekomme kravet fra produktionen om en t <10 C. Valget af løsningen er truffet på baggrund af hvad der har den mindste tilbagebetalingstid, og hvilken løsning der har mindst vedligeholdelsesomkostninger. Derfor er den bedste løsning hvor en pladeveksler både køle og opvarmer produktet. Fordi tilbagebetalingstiden kun er 5 måneder, og fordi der kun benyttes en veksler er der mindre vedligeholdelsesomkostninger, og monteringsomkostninger. Til at styre reguleringen på boringsvandet er der valgt en omdrejningsregulering af pumpen, som styres via en temperaturtransmitter som sidder på produktets afgangsside. Den pumpe der er valgt til den installation, er en Grundfos CRNE 3-2, som er en frekvensstyret pumpe. For at kunne mindske effekten ved opvarmning af boringsvandet fra 10 C til den ønskede temperatur, er der valgt at føre vandet retur til rørveksleren, da denne temperatur er varierende er der valgt at styre temperaturen med en Feedforward regulering, da den kompensere for forstyrrelser. Page 30 of 32

31 13 Perspektivering Under projektet er der gjort overvejelser over, hvilke andre synspunkter der kunne overvejes i forbindelse med reduktion af nedetiden af produktet. En anden måde at anskue projektet på, ville være at undersøge nærmere omkring at installere en pladeveksler i stedet for en rørveksler. Hvilke konsekvenser vil det have for produktionen hvis man kan sætte flowet op fra 1,5 til 10m 3 /hr. Vil flowet have betydning for nedetiden af produktionen, eller vil der være tilstrækkelig med flowet som rørveksleren levere. Hvor lang tid vil tilbagebetalingstiden være ved at indsætte en pladeveksler frem for den eksisterende rørveksler. Hvor lang levetid har rørveksleren tilbage, vil det kunne svare sig at installere den eksisterende veksler frem for at købe en mere effektiv pladeveksler. En anden ting man kunne undersøge er omkring vedligeholdelse ved varmeveksler, hvor tit vil det være nødvendigt at rense vekslerne, og hvad har det af betydning for nedetiden. Ville man være nødt til at have et ekstra sæt plader som indsættes når pladerne skal renses for at kunne holde nedetiden nede. Page 31 of 32

32 14 Kilder 14.1 Hjemmesider Grundfos : Spirax Sarco Arbejdstilsynet Eksperter Vibeke Meyer, Chemical Engineering hos Alfa Laval Poul Erik Persson, Maskiningeniør hos Process Engineering A/S 14.3 Bøger Dairy Processing Handbook Gösta Bylund udgivelse år 1995 Tetra Pak Processing systems Praktisk regulering og instrumentering, Thomas Heilmann, 6. udgave 2009, Heilmann s Forlag, ISBN Termodynamik, Aage Birkkjær Lauritsen og Aage Bredahl Eriksen, 3. udgave, 2012, Nyt teknisk forlag. IBSN Heat exchangers Selection, Rating, and Thermal Design Sadik Kakaç, Hongtan Liu, Anchasa Pramuanjaroenkij 3. Udgave 2012 by Taylor & Francis Group, ISBN Page 32 of 32

33 DuPont Nutrition Biosciences Bilagshæfte Optimering af produkt flow til spraytårn Kasper Østergaard G

34 Indholdsfortegnelse Bilag 1 Bilag Projektskabelon PID tegning eksisterende Driftsdata fra Produktionen Udregning af Rørvarmeveksler Udregning af Rørvarmeveksler areal Typiske Varmeoverføringskoefficienter U-værdi tabel Stykliste/tegning rørvarmeveksler Stofværdier for metaller Pladevarmeveksler udregninger Udregning af rørvarmeveksler med returvand Udregning af rørveksler areal returvand Kalculation Alfa Laval PID tegning 2 pladeveksler Tegning af sammebygget Pladeveksler Kalkulation sammebygget veksler PID tegning 1 pladeveksler Udregning af Opvarmning Grundfos UPS F CRNE 3-2 pumpekarakteristik CR 3-3 pumpekarakteristik Stykliste 1 pladeveksler Stykliste 2 pladeveksler Fagerberg Prisliste Alfa Laval Tilbud Tryktabsberegning rør Side 1 af 31

35 1 Bilag 1.1 Projektskabelon Emne Optimering af produkt flow til spraytårn Skribenter Fredericia maskinmesterskole studerende Kasper Østergaard Vejledere Klaus Kalmeyer - FMS, Lektor kk@fms.dk Kontaktperson Problemstilling Preben Bjerre, Engineering Manager, Dupont Nutrition Biosciences ApS Preben.Bjerre@dupont.com Dupont ønsker at få undersøgt hvilken muligheder der er for at reducere opvarmning/nedkølingstiden i mellemtanken. Problemformulering Hvordan kan nedetiden mindskes for køling/opvarmning af produktet i mellemtanken, således at det forsat imødekommer kravene fra produktionen? Hypotese Det forventes at det er en rentabel løsning at installere en pladeveksler til opvarmning/nedkøling af produktet. Kan den eksisterende rørveksler benyttes til at opvarme boringsvandet i den nye installation. Metode Driftsmanualer fra Kähler & Breum rørvarmeveksler Indhentning af tilbud hos Alfa Laval, og Grundfos Udregne areal af rørvarmeveksler for at finde ud af om nuværende rørvarmeveksler kan bruges i den nye drifts situation Side 2 af 31

36 Møde omkring om det er økonomisk rentabelt at installere en pladevarmeveksler med afdelingschef John Poulsen Dupont Indhentning af priser fra SAP system og prislister Projektets delopgaver Tilbagebetalingstid ved installation af pladevarmeveksler Kan nuværende rørvarmeveksler benyttes til opvarmning af boringsvandet. Valg af pladevarmeveksler Hvilken reguleringsteknisk løsning skal installeres ved regulering af pladevarmeveksler og rørvarmeveksler Valg af pumpe til boringsvand Side 3 af 31

37 1.2 PID tegning eksisterende Side 4 af 31

38 1.3 Driftsdata fra Produktionen Side 5 af 31

39 1.4 Udregning af Rørvarmeveksler Produkt Kapacitet kg/hr Start temperatur C Slut temperatur C Varmekapacitet kj/kg* C Energi kw Ciitrem N 12 VEG , , ,1 K Dimodan HP K 1500, , ,7 LACTEM P22-K 1500, ,182 61,0 MONO-DI HP 50- S-K 1500, ,183 94,1 PGE 215-K (POL) 1500, ,21 149,1 PGE 55-K 1500, ,2 140,0 PS 103/B-K(POL) 1500, , ,5 PS 222-K 1500, , ,9 SSL , ,4 1.5 Udregning af Rørvarmeveksler areal Damp til rørvarmeveksler Produkt Kapacitet kg/hr Start temperatur C Varmekapacitet kj/kg* C Energi kw LMTD TM C U værdi W/m 2 *C Areal rørvarmeveksler m 2 Ciitrem N 12 VEG - K 266,8 143,762 2,25 158,1 80, ,82 Dimodan HP K 176,6 143,762 2,25 104,7 100, ,43 LACTEM P22- K 102,9 143,762 2,25 61,0 115, ,22 MONO-DI HP 50-S-K 158,8 143,762 2,25 94,1 104, ,38 PGE 215-K (POL) 251,7 143,762 2,25 149,1 84, ,74 PGE 55-K 236,3 143,762 2,25 140,0 87, ,67 PS 103/B- K(POL) 191,5 143,762 2,25 113,5 97, ,49 PS 222-K 185,5 143,762 2,25 109,9 98, ,46 SSL 204,9 143,762 2,25 98,4 52, ,96 Side 6 af 31

40 1.6 Typiske Varmeoverføringskoefficienter Side 7 af 31

41 1.7 U-værdi tabel 1 1 Heat exchangers Selection, Rating, and Thermal Design side udgave Sadik Kakaç, Hongtan Liu, Anchasa Pramuanjaroenkij Side 8 af 31

42 1.8 Stykliste/tegning rørvarmeveksler Side 9 af 31

43 Side 10 af 31

44 1.9 Stofværdier for metaller 2 2 Termodynamik Aage Birkkjær Lauritsen og Aage Bredahl Eriksen side 290 Side 11 af 31

45 1.10 Pladevarmeveksler udregninger Produkt Kapacitet Start Slut Varmekapacitet kw kg/hr temperatur C temperatur C kj/kg* C Ciitrem N 12 VEG - K ,3 27,5 Dimodan HP K ,3 36,7 LACTEM P22-K ,3 64,2 MONO-DI HP 50-S-K ,3 38,5 PGE 215-K (POL) ,3 27,5 PGE 55-K ,3 18,3 PS 103/B-K(POL) ,3 27,5 PS 222-K ,3 31,2 SSL ,3 36,7 Vand til pladevarmeveksler Produkt Kapacitet kg/hr Start temperatur C Slut temperatur C Varmekapacitet kj/kg* C Energi kw Vand til Ciitrem N , ,7 4,216 27,5 VEG - K Vand til Dimodan HP 1500,00 70,0 91,0 4,186 36, K Vand til LACTEM P22-K 1500,00 45,0 81,8 4,182 64,2 Vand til MONO-DI HP 1500, ,1 4,183 38,5 50-S-K Vand til PGE 215-K 1500, ,7 4,21 27,5 (POL) Vand til PGE 55-K 1500, ,5 4,2 18,3 Vand til PS 103/B- 1500, ,8 4,189 27,5 K(POL) Vand til PS 222-K 1500, ,9 4,188 31,2 SSL ,4 4,29 36,7 Side 12 af 31

46 1.11 Udregning af rørvarmeveksler med returvand Opvarmning/nedkøling af Boringsvand Produkt kapacitet kg/hr Start temperatur C Slut temperatur C Varmekapacitet kj/kg* C Energi kw r værdi 3 baro kj/kg Ciitrem N VEG - K 1500,00 115, ,216 27,5 Dimodan HP K 1500,00 91,0 70 4,186 36,7 LACTEM P22-K 1500,00 81,8 45 4,182 64, MONO-DI HP S-K 1500,00 86,1 64 4,183 38,5 PGE 215-K 2133 (POL) 1500,00 110,7 95 4,21 27,5 PGE 55-K 1500,00 100,5 90 4,2 18, PS 103/B K(POL) 1500,00 90,8 75 4,189 27,5 PS 222-K 1500,00 90,9 73 4,188 31, SSL 1500,00 104, , Udregning af rørveksler areal returvand Vand/damp returvand Produkt Kapacite t kg/hr Start temperatu r C Slut temperatu r C Varmekapacit et kj/kg* C Energ i kw LMTD TM C U værdi W/m 2 *C Areal rørvarmeveksl er m 2 Ciitrem N 419, ,7 4,19 27,5 89,8 2390,0 0,13 12 VEG - K Dimodan 416, ,0 4,19 36,7 59,8 2390,0 0,26 HP K LACTEM 415, ,8 4,19 64,2 34,7 2390,0 0,77 P22-K MONO-DI 416, ,1 4,19 38,5 53,7 2390,0 0,30 HP 50-S-K PGE 215-K 418, ,7 4,19 27,5 84,8 2390,0 0,14 (POL) PGE 55-K 417, ,5 4,19 18,3 79,8 2390,0 0,10 PS 103/B- 416, ,8 4,19 27,5 64,8 2390,0 0,18 K(POL) PS 222-K 416, ,9 4,19 31,2 62,8 2390,0 0,21 SSL 75, ,0 2, ,5 2390,0 0,80 Side 13 af 31

47 1.13 Kalculation Alfa Laval Customer: Dupont Project: B Item: 2.Køling (Lactem 90 --> 55) Alfa Laval Plate Heat Exchanger Technical Specification 1*M6-MBASE PED, Category 1 1 Sections 55 Plates pdes=10.0 bar Tdes=140 C LC=600 mm LT=480 mm Ext.= 14 Plates Section I M6M ALLOY mm CLIP-ON FKMFF 53/55 pl 7.42/7.70 m² Load=64.17 kw Water 6000 kg/h 65.4 kpa 45.0 C-->54.2 C 3*9H Lactem 2000 kg/h 52.1 kpa 55.0 C< C 3*9H Media Temp. Dens. Sp.heat. Cond. Visc. Water Lactem CIP flow minimum 4000 kg/h, pressure drop 30 kpa Dimensions: Overall dimensions: LxWxH mm 719 x 320 x 909 Liquid volume (total): dm³ 23.2 Net weight, empty / operating kg 129 / 151 Packaging type: OCEAN LYING LPxWPxHP mm 1359 x 644 x 1180 Packed weight kg 172 Side 14 af 31

48 1.14 PID tegning 2 pladeveksler Side 15 af 31

49 1.15 Tegning af sammebygget Pladeveksler Side 16 af 31

50 1.16 Kalkulation sammebygget veksler Side 17 af 31

51 1.17 PID tegning 1 pladeveksler Side 18 af 31

52 SSL 1.18 Udregning af Opvarmning t p1 t p2 m p 95C 115C 2000 kg hr c p 3.3 kj kg C Produktets indløbstemperatur Produktets udløbstemperatur Massen af produktet Specifik varmekapacitet for SSL m p c p t p2 t p kg J ( 115 C 95 C) hr kg C Vand t v1 140C c vand 4.28 kj kg C Vandets indløbstemperatur kw W U 300 m 2 C A 7.70m 2 Erfaringsmæssigt tal for olie Bilag 14.7 Areal på pladevarmeveksleren tm A U W 15.9 C 7.7 m 2 W 300 m 2 C Den logaritmiske middeltemperatur t p1 95 C Produktets indløbstemperatur t p2 115 C Produktets udløbstemperatur t v1 140 tm C t v1 Vandets indløbstemperatur t v2 t p1 t p2 ln t v1 solve t v2 t p2 t v2 t p1 C Vandets udløbstemperatur t v C t v1 140C m vand c vand t v1 t v W kg hr J ( 140 C C) kg C Kapacitet af vand Side 19 af 31

53 1.19 Grundfos UPS F Side 20 af 31

54 CRNE 3-2 pumpekarakteristik 4 Side 21 af 31

55 1.21 CR 3-3 pumpekarakteristik Side 22 af 31