Varmegenvinding M/F Samsø

Transkript

1 Bachelor projekt 2016 Varmegenvinding M/F Samsø Jesper Hjorth Jacobsen Fredericia Maskinmester skole

2 Titelblad Emne Varmegenvinding på M/S Samsø Skribent Jesper Hjorth Jacobsen, studerende, Fredericia Maskinmester Skole Udd. mail: Privat mail: Vejledere Brian Glyngø Thisvad, projektvejleder, FMS Mail: Thomas Mogensen, vejleder, M/F Samsø Mail: Problemformulering Hvordan er det muligt at bruge oversku dsvarmen fra de nye hovedmotorer, til opvarmning af færgen? Antal normalsider 17.1 sider af 2400 anslag Afleveringsdato D Uddannelsesinstitution Fredericia Maskinmesterskole Praktiksted M/F Samsø Danske færger A/S 1

3 Indhold Titelblad... 1 Abstract... 4 Forord... 5 Indledning... 6 Problemformulering... 7 Delspørgsmål... 7 Afgrænsning... 7 Metode... 8 Generelt... 9 Beskrivelse af det nuværende system...10 Hovedmotor nr Varmebehov...12 Nye hovedmotorer...12 Del konklusion...13 Driftsmønster...13 Pauser...13 Analyse af de nye hovedmotorer...14 Data for de nye hovedmotorer...14 HT systemet...14 TL system...14 Yderligere data:...14 Data fra de gamle motorer:...15 Lagring af varmen...16 Hvor meget energi skal der teoretisk lagres til natbehov?...16 Del konklusion...18 Overkapacitet...18 Del konklusion...19 Krav til pumper...20 Opbygning af nyt system...21 Placering af akkumuleringstanken og opbygning af rørsystemet...22 Besparelse

4 Investering i anlægget...24 Konklusion...26 Litteraturliste...27 Kildekritik...27 Perspektivering

5 Abstract This paper investigates the potential for heat recovery in M/S Samsø. Due to several engine breakdowns despite of a low number of hours, the ferry will get four new engines installed. The focus of this paper is to analyze the possibility to recover the waste energy from the new engines. There are several reasons for wanting to recover the energy; the main reasons is to reduce the costs and to reduce the environmental impact. Several calculations were performed with the purpose to investigate if it is possible to recover the energy the engines produce. The calculations performed in this paper include; how much energy it is possible to recover during a crossing from Ballen to Kalundborg and back again, how much energy it is necessary to recover before being able to cover the energy consumption during the night, and which capacity the pumps should have. The calculations show that it is relevant to recover the waste energy. By heating 30000L water to 82 C and letting it cool to 50 C, it will be possible to cover the energy consumption from The paper concludes that the new system has a paypack period of 13 months and 11 days. It is therefore recommended to install the waste recovery system, however it should be noted that many of the calculations are based on assumptions. 4

6 Forord Dette projekt er skrevet som den sidste del af min maskinmesteruddannelse, hvor jeg har været ombord M/S Samsø og haft min daglige gang siden slutningen af juli På M/F Samsø plejer de at tage 4 praktikanter hver semester hvor man forskudt går to og to en uge på færgen og en uge hjemme. Senior maskinchef Thomas Mogensen syntes det er en god ide at blande studerende fra forskellige maskinmester skoler, og derfor har mit ophold på færgen været med en maskinmester studerende fra MERTEC. Vi fik begge til opgave at skrive om varmegenvinding fra de nye hovedmotorer. Denne rapport er ikke skrevet i samarbejde med den studerende fra MERTEC, men der er blevet udvekslet ideer, tanker og snakket om projektet. 5

7 Indledning Da der i stigende grad er mere fokus på miljøet og fossile brændstoffer, kunne M/S Samsø godt tænke sig at få undersøgt hvorvidt det vil være muligt at nedsætte deres forbrug til opvarmning. Det er her denne rapport kommer ind i billedet. Denne rapport bygger videre på en række observationer og analyser, som er blevet lavet af de forhenværende bachelorstuderende. De har haft deres daglige gang på færgen før mig. Derudover anvendes mine egne observationer og analyser af færgen i denne rapport. M/F Samsø skal have fire nye hovedmotorer lagt i. I den forbindelse kunne rederiet godt tænke sig at få installeret et varmegenvindingssystem, hvor det vil være muligt at udnytte overskudsvarmen fra hovedmotorerne til opvarmning af færgen. Færgen har tidligere fået kortlagt deres varmeforbrug af bachelorstuderende og det er deres resultater denne rapport tager udgangs punkt i, og arbejder videre med. Det ønskes beskrevet hvordan det eksisterende varmegenvindingssystem er bygget op. Da de nye hovedmotorer ikke er blevet installeret eller er blevet testkørt endnu, er denne rapport bygget op omkring databladet for motorerne samt en række antagelser som bliver holdt op mod observationer og databladene for de eksisterende hovedmotorer. Færgens driftsmønster ønskes analyseret og det ønskes kortlagt hvornår der er brug for overskudsvarmen, samt hvor stort et varmebehov der er når færgen ligger i havn. Derudover ønskes det kortlagt hvor stor en mængde energi der skal gemmes for at dække færgens behov over en hel nat, samt hvordan det vil være muligt at gemme energien. Der ønskes udarbejdet et løsningsforslag til hvordan systemet eventuelt kunne se ud, og en ca. pris på hvad det vil koste, samt hvor stor en besparelse der ville kunne opnås ved at implementere systemet. 6

8 Problemformulering Hvordan er det muligt at bruge overskudsvarmen fra de nye hovedmotorer, til opvarmning af færgen? Delspørgsmål Hvor meget varme er der at hente fra de nye motorer? Hvordan vil det være muligt at gemme varmen, til når skibet ligger stille? Hvor længe vil det være muligt at gemme varmen? Hvor stor besparelse vil der kunne laves? Hvad er tilbagebetalingstiden? Afgrænsning Der vil ikke blive kigget på en eventuel godkendelse af varmevekslere til de højere temperaturer som hovedmotorerne generer, samt om det overhovedet er muligt at bygge dem om til de højere temperaturer. Der bliver ikke fokuseret på varmetab fra tankene, samt rør. Der bliver ikke indhentet et komplet tilbud for at få bygget systemet, og de priser der bliver nævnt er fra forskellige forhandlere og er derfor et øjebliksbillede. Der bliver ikke taget højde for det højere forbrug af strøm under sejllas grundet de ekstra pumper, samt et ekstra brændstofforbrug ved vægtforøgelse. Der bliver ikke regnet på skibsstabilitet, men det bliver taget med i overvejelserne med hensyn til placering af tanke. Der bliver ikke tage højde for hvor meget det vil koste for Dansk energirådgivning at udarbejde en rapport for at få engangsbeløbet for solgt CO 2. 7

9 Metode For at kunne svare på min problemformulering og mine delspørgsmål skal der: De nye motorer er ikke blevet testkørt, og for at kunne besvare min problemformulering må jeg anvende de teoretiske værdier fra databladene. Kortlægge færgens driftsmønster ved at kigge på sejlplanen, og analysere hvornår der er størst behov for eventuelt overskudsvarme. Udregne hvor stor mænge vand der skal bruges for at kunne genne en tilstrækkelig mængde energi, samt analysere på færgens plantninger om der er fysiks plads. Udregne hvor stort forbrug oliefyret har, samt indhente priser på de forskellige dele der skal indgå i det nye system. Undersøge hvor lang tilbagebetalingstid rederiet ønsker, samt om det er muligt at overholde deres ønske, ved at holde besparelsen op imod investeringen. 8

10 Generelt I dette afsnit vil der blive beskrevet lidt nødvendigt information for forståelsen af opgaven. M/F Samsø er en færge, som hører under rederiet Danske Færger A/S. Færgen er en dobbeltender færge, hvilket vil sige at færgen er ens i begge ender. Til dagligt sejler færgen fra Ballen (Samsø) til Kalundborg (Sjælland). Færgen har en overfartstid på en time og 15 minutter når den sejler hurtigt, og en time og 30 minutter når den sejler langsomt. Færgen har 4 hovedmotorer med tilhørende azimuth propeller, 2 i hver ende. Færgen har 6 dæk hvor der er varme på dæk Dæk 1 var oprindelig planlagt til at der skulle være biler, men det blev ikke godkendt af søfartsstyrelsen. I dag bliver det brugt som et lille værksted samt lager, og bliver omtalt som underlasten. Dæk 2 er vogndækket hvor der er biler og hvor der ingen varmekilde er. Dæk 3 er der hvor passagerne opholder sig, og dækket er opdelt i 2 områder; en grøn salon fore og en blå salon agter. Den grønne og den blå salon har hver deres AC enhed, så det er muligt at lukke for varmen til den ene eller begge af salonerne. Dæk 4 bliver omtalt som besætningsgangen og får varme fra AC 1. Det er der besætningen har kamre og messen befinder sig. Dæk 5 omtales som mestergangen og får varme fra AC 1. Dæk 6 er broen som får varme fra AC1 samt en varmepumpe. Når færgen ligger i havn, går færgen på landstrøm. Det gøres ved at et stort kabel fra land, bliver koblet til færgen og hjælpemotoren bliver slukket. Færgens nuværende hovedmotorer er af mærket Mitsubishi og har en max effekt på 1170 kw. Grundet mange problemer med hovedmotorerne har man fra rederiets side gået med til at få dem udskiftet. De nye hovedmotorer er af mærket Caterpillar og har en max effekt på 1250 kw. Færgen skal i dok den i Svendborg, hvor hovedmotorerne skal ligges i, derudover skal der installeres et nyt oliefyr. Færgens nuværende hovedmotorer har numrene 1 til 4, hvor nr.1 og nr.2 er i det forreste maskinrum som omtales grøn maskinrum, og nr.3 og nr.4 er i agterste maskinrum som omtales blå maskinrum. 9

11 Beskrivelse af det nuværende system M/F Samsø er i dag opvarmet ved et oliefyr Udover oliefyret er der mulighed for at bruge hovedmotor nr. 4 s kølevand til opvarmning af skibet. Der er 2 systemer som skal bruge varmen fra oliefyret; det ene er brinesystemet som bruges til opvarmning af skibet, det andet er forbrugsvandssystemet. Oliefyret virker ved, at den varmer kedelvandet op som derefter kører ud i en varmeveksler til henholdsvis brinesystemet og forbrugsvandssystemet. Hovedmotor nr.4 s kølevand bruges til at opvarme returvandet til oliefyret ved hjælp af varmeveksler nr. 1, se figur 1. Brinesystemet er et lukket system som består af varmeveksler nr.2, og 2 pumper, se figur 1. <Den ene pumpe kører 24 timer i døgnet når færgen har brug for varme, og bliver slukket om sommeren når der ikke er behov for varme. Det er muligt at styre omdrejningstal manuelt ved hjælp af en frekvensomformer. Pumperne pumper brinen ud til henholdsvis AC hvor AC 1 opvarmer besætningsgangen, mestergangen og broen, AC 2 opvarmer den blå salon, AC 3 opvarmer den grøn salon og AC 4 opvarmer kabyssen. Ved hver AC enhed sidder der en 3 vejs-ventil med tilhørende temperaturregulering. Her bliver der observeret at temperaturreguleringen ikke er indstillet særlig godt. Ventilen skifter ofte fra helt lukket til helt åben. Selve brinen består af vand med havoline XLC i et blandingsforhold 1/3. Forbrugsvandssystemet består af varmtvandsbeholder nr.3, hvor det varme kedelvand kører gennem en spiral og varmer det kolde ferskvand op, som bliver pumpet ud til forbrugerne efter behov, se figur 1. Der er også et el varmelegeme i som ikke er sluttet til. Dette skyldes at der engang har været en brand grundet en dårlig forbindelse til varmelegemet. Figur 1 10

12 Hovedmotor nr. 4 Det varmegenvindingssystem der er på færgen nu virker ved, at det varme kølevand fra hovedmotor nr.4 kører gennem varmeveksler nr.1, hvor den varmer returkedelvandet til oliefyret op, se figur 1. Efter kølevanden har været gennem varmeveksler nr1 kommer det i boxkøleren, det medfører at kølevandet til hovedmotoren kommer koldere retur til hovedmotoren end motoren er beregnet til. Oliefyret har et sætpunkt på min. 50 C, hvor oliefyret starter og varmer kedelvandet op til en temperatur på 60 C. Om sommeren bliver der observeret temperaturer op til 72 C grundet hovedmotor nr.4 s bidrag og at brinepumperne er slukket. Grunden til at man anvender 50 C som minimum er fordi forbrugsvandssystemet er koblet på. Det faktum at forbrugsvandet er koblet på giver nogle andre krav. Et eksempel derpå er at legionella bakterier først dør ved 50 C, og det er vigtigt at disse ikke er tilstede i forbrugsvandet. Såfremt at forbrugsvandet ikke er koblet på er det muligt at gå længere ned i temperaturer på kedelvandet, og stadig kunne udnytte varmen til brinesystemet. I 2010 blev der i forbindelse med en dokning installeret boxkøler på færgen. I den forbindelse fik man fire varmevekslere i overskud fra det gamle søvandskølingssystem. Grundet mangel på plads og uhensigtsmæssig placering af oliefyret blev varmeveksleren til hovedmotor nr. 3 fjernet. Den er dog stadig at finde på lageret. Varmevekslerne til hovedmotor nr. 1 og nr. 2 er stadig koblet på hovedmotorens respektive kølevandssystem. I 2014 besluttede man sig for at installere varmegenvinding på hovedmotor nr. 4. Hovedmotor nr. 4 blev valgt fordi den er i samme maskinrum som kedelsystemet og brinesystemet. Installeringen blev lavet i driften, da færgen kun behøver 2 hovedmotorer for at sejle (en i hver ende). Det var planen at de andre motorer også skulle kobles op så de også kunne bidrage, men det blev aldrig til noget selvom der er rør som er koblet på kedelvandsystemet i det blå maskinrum og løber gennem underlasten og end i det grønne maskinrum hvor der bare er en ventil på henholdsvis frem og retur løbet som er lukket. Det betyder at der vil være 4 varmevekslere til rådighed til opbygning af det nye system, uden at der skal laves en investering. 11

13 Varmebehov I dette afsnit vil færgens varmebehov samt data fra de nye hovedmotorer blive beskrevet. Disse data vil blive holdt op mod hinanden for at se, om det vil være muligt at lave varmegenvinding. De 2 bachelorstuderende som var i praktik på færgen sidste semester, skrev projekt om hvor stort et varmebehov færgen har for at kunne dimensionere et nyt oliefyr. I deres rapport blev det konkluderet at behovet er 172,92 kw 1 ved -12 C ude temperatur. Når færgen skal i dok, vil der blive installeret et nyt oliefyr med en mærkeeffekt på 300 kw 2. Grunden til at der skal bruges et nyt oliefyr skyldes, at de nye hovedmotorer er større og der vil derfor ikke være fysisk plads til dem med det nuværende oliefyr. Nye hovedmotorer De nye hovedmotorer er af mærket Caterpillar, nærmere bestemt serien 3512 C-HD. Det er en motor med 1250 kw. Motorerne har et højtemperatur, HT, kølesystem og et lavtemperatur, LT, kølesystem. HT systemet er til selve motoren og LT systemet er til ladeluftkøleren. Ifølge databladet 3 har HT systemet en udgangstemperatur på 99 C, og afgiver en max effekt til kølevandet på 485 kw. LT systemet har en udgangstemperatur på 48 C og afgiver en max effekt på 343 kw. Der bliver tilført en max effekt på 1021 kw til udstødningsgassen. Til olien bliver der tilført en max effekt på 160 kw. Ud af ovenstående oplysninger er det hurtigt at se, at der vil være størst potentiale i udstødningsgassen. Det samme bemærkede senior maskinchefen og derfor blev Alfa Laval Aalborg kontaktet. Der blev udarbejdet en rapport 4 om at implementere en varmeveksler i hver udstødning som viste at det rent praktisk godt kunne lade sig gøre, men da modtrykket i udstødningen ville blive for stort og der derved skulle større diameter på udstødningsrøret så ville prisen blive for høj. Ud fra tallene er det kølevandssystemet der skal kigges nærmere på. HT systemet har en temperatur på 99 C og LT systemet har en temperatur på 48 C. Jeg anser LT systemets temperatur til at være for lav, da kedelvandets temperatur minimum skal være 50 C. Dette blev beskrevet i afsnittet Hovedmotor nr Bilag 1 side 41 (projekt Morten) 2 Oplyst af rederiet. 3 Bilag 3 side 86 (Datablad hovedmotor) 4 Bilag 4-5 side (Rapport Alfa Laval, mail fra maskinchef) 12

14 Del konklusion Da færgen skal bruge en effekt på 172,92 kw til opvarmning og HT systemet har en effekt på max. 485 kw for hver hovedmotor, vil en motor godt kunne dække behovet 100 % under drift. Driftsmønster I dette afsnit vil der blive beskrevet hvilket driftsmønster færgen har, samt hvornår det vil være muligt at hente den overskydende energi ud af HT systemet og hvornår den skal bruges igen. M/F Samsø sejler til dagligt mellem Ballen(Samsø) og Kalundborg(Sjælland). Alt efter om det er sommer eller vinter samt hvilken ugedag det er, er der et forskelligt antal af ture. I sommermånederne hvor der ikke er behov for at opvarme færgen, bliver der sejlet mange flere ture grundet de mange turister. I vintermånederne hvor der er et stort behov for opvarmningen af færgen, sejles der få ture hvilket medfører at færgen ligger meget i havn. Når færgen sejler hurtigt tager overfarten 1 time og 15 minutter og der bliver brugt 30 minutter til lastning og losning. Når færgen sejler langsom tager overfarten 1 time og 30 minutter og der bliver brugt 15 minutter på lastning og losning. De dage færgen sejler langsomt er der typisk kun 2 ture. Det gør den fra omkring slutningen af august i hverdagene. Når færgen sejler hurtigt er alle 4 hovedmotorer startet og når den sejler langsomt er der kun 2 startet. Når færgen sejler mod Kalundborg er det hovedmotor 3-4 der kører og når vi sejler mod Samsø er det motor 1-2 der kører. Opstarten af hovedmotorerne sker ca. 20 minutter før afgang, så de er drift varme når der sejles. Det betyder at der er mulighed for at hente varme i alt den tid vi effektivt sejler, hvilket vil sige 1 time og 30 minutter på hovedmotor 3-4 og 1 time og 30 minutter på hovedmotor 1-2. Pauser En typisk hverdag i vintermånederne sejler færgen en tur om morgen og en tur igen om eftermiddagen/aftenen. Færgen sejler klokken 07:00 og er tilbage igen klokken 10:15 i Kalundborg. Det giver en tid tur/retur på 3 timer og 15 minutter. Der går ca. 10 minutter før hovedmotorerne bliver stoppet, hvilket sker omkring 10:25, hvorefter færgen går på landstrøm. Færgen ligger stille fra klokken 10:25 til 16:00 hvor færgen sejler samme tur igen. Det vil sige at der er en pause på 6 timer og 25 minutter, hvor oliefyret skal varme skibet op. Færgen kommer i havn igen kl 19:15, her går der ca. 15 minutter før motorerne bliver stoppet. Kl 19:30 går færgen igen på landstrøm og ligger stille til næste morgen hvor færgen sejler klokken 07:00. Det er en pause på 11 timer og 30 minutter hvor oliefyret skal varme færgen op. Det vil sige at oliefyret står for opvarmningen af færgen timer i døgnet. 13

15 Analyse af de nye hovedmotorer I dette afsnit vil der blive lavet en del antagelser for de nye hovedmotorer, da det er meget mangelfuldt med oplysninger fra de nye motor. På trods af flere telefonopringninger og mails til både den danske leverandør 5 og firmaet som skal står for monteringen 6 er informationerne stadig mangelfulde. Derfor bliver jeg nødt til at lave nogle antagelser for hovedmotorerne; henholdsvis HT og LT systemet. De antagelser der bliver lavet bliver holdt op mod data fra de gamle hovedmotor, samt begrundet. Data for de nye hovedmotorer HT systemet - Effekt 485 kw datablad C ud datablad C retur. Jeg antager det kommer retur med 67 C da der ikke skal være for stor temperatur forskel på fra og retur grundet de materialespændinger der ville opstå. TL system - Effekt 343 KW datablad C ud datablad C retur. Jeg antager det kommer retur med 30 C da der ikke skal være for stor temperatur forskel på fra og retur grundet de materialespændinger der ville opstå. Yderligere data: - Max Effekt behov kw 7. Da det er ikke er er rent vand der løber i motoren men et blandingsprodukt, kølervæske, udregnes her varmekapacitet og densitet. Kølervæsken består af en 66,6% vand og 33,3% havoline XLC, havoline XLC består af 93% Glycol som har en varmekapacitet 2,4 varmekapacitet på ca. 4,19 kj kg C havoline XLC består af 100% glycol. kj kg C kg og en masse fylde på 1120 m3. Hvor vand har en kg og en massefylde på ca m3. Jeg vælger at regne det som om at 5 Pon Power 6 Petersen og Sørensen 7 Bilag 1 side 41 (projekt Morten) 14

16 Ved hjælp af forholdsregning finder jeg kølervæskens varmekapacitet og massefylde. c køl = c glycol 33,3% + c vand 66,6% = 2,4 0, ,19 0,666 = 3,59 kj kg C ρ køl = ρ glycol 33,3% + ρ vand 66,6% = , ,666 = 1036 kg m 3 Udregninger af massestrøm gennem boxkøler: HT system M HT = p HT /( t c køl p køl ) = 485/((99 67) 3,59 1,036) = 4,075 kg/s LT system M LT = p LT/ ( t c køl p køl ) = 343/((48 30) 3,59 1,036) = 5,124 kg/s Disse massestrømme holdes op mod de oplysninger der er for de gamle hovedmotorer for at undersøge om det virker realistisk. Data 8 fra de gamle motorer: P max =1170 kw akseleffekt Ifølge databladet kan man regne med, at der bliver afgivet en effekt til kølevandet på 63,7% af akseleffekten ved max belastning. p køl = p max 0,637 = 745,3 kw Det betyder at der bliver afgivet en effekt til kølevandet på 745,3 kw. Og har ved den belastning en kølevandstemperatur på 71 grader frem og 55 grader tilbage. Det må medføre at: M gl = p køl /( t c køl p køl ) = 745,3/((71 55) 3,59 1,036) = 11,79 kg/s Da de nye hovedmotorer har en bedre virkningsgrad, og da HT og LT systemets massestrømme lagt samme giver et tal der ligger rimelig tæt de gamle hovedmotorers massestrøm, anser jeg mine antagelser for at være rimelige. Jeg kan derfor anvende antagelserne videre i denne opgave. 8 Bilag 6 side 101 (datablad gamle hovedmotor) 15

17 Lagring af varmen I dette afsnit vil det blive beskrevet og analyseret hvor meget energi der vil være til rådighed, samt vil det blive udregnet hvor meget energi der skal bruges for at dække færgens behov i løbet af natten. Dette vil blive udregnet ud fra nogle observationer der er lavet i slutningen af november. For at finde ud af hvor meget varme der kan lagres skal der først udregnes hvor meget energi hovedmotorerne afgiver til kølevandet. Ifølge databladet afgiver hver motor en effekt til kølevandet på 485 kw. Det vil sige, at den effekt der er tilgængelig er: kw = 1940 kw. Færgen har brug for en effekt til opvarmning ved 12 C på 172,92 kw 9. Ud fra beregningen kan man hurtigt se, at motorerne godt kan dække færgens behov under driften. I den sidste uge i november 2016 er der om natten blevet noteret hvor mange timer oliefyret har kørt om natten (fra ca. 19:30-07:00). Der var både varme på besætningsgangen, mestergangen, broen og grøn salon. Det blev til et max timeantal på 3,1 timer 10, temperaturen udenfor gik fra 6 C til -1 C ifølge DMI. Ud fra de oplysninger kan det udregnes hvor stor en effekt der skal til for at holde færgen varm om natten, som beskrevet i afsnittet driftsmønster. Når fyret kører afgiver det en effekt til kedelvandet på 286 kw 11. Det vil sige at den energi der skal bruges til at holde færgen varm i tidsrummet fra kl 19:30-07:00 er: 286kW 3,1h = 886,6 kwh. For at finde ud af hvor stor en effekt der skal tilføres kedelvandet for at holde færgen varm i det pågældende tidsrum er: p nat = 886,6 kwh 11,50h = 77,1 kw. Hvor meget energi skal der teoretisk lagres til natbehov? Det bliver indledningsvist undersøgt hvor meget vand der er brug for i løbet af natten, for af dække færgens behov. Her bliver det antaget at der er en temperatur i systemet på 72 C, da det er den temperatur der kan være i systemet om sommeren, og en minimums temperatur på 50 C. som der den temperatur forbrugsvandet minimum skal være. Massen af vand må være den effekt der er behov for samt den tid i sekunder, det skal bruges i divideres med den specifikke varmekapacitet for vand*temperatur forskel man kan tillade. Det givet til udtryk sådan her. m vand = 77.1kW 11,5h 3600 = kg l Det vil sige der skal bruges en tank på ca. 35 kj 4.19 kg (72 50) m3. 9 Bilag 1 side 41 (projekt Morten) 10 Bilag 7 side 102 (billede timer tæller) 11 Bilag 2 side 66 (projekt Jannik) 16

18 Da det er en forholdsvis stor tank der skal bruges, bliver man nødt til at undersøge om der er fysisk plads inden man regner videre. Ved at kigge på plantegninger for færgen 12 fremgår det at der er mange void spaces, hvor der ville være plads til at placere sådan en stor tank. På nuværende tidspunkt bliver to af tankene brugt som krængningstanke. Da det system skulle laves viste det sig, at de void spaces ikke var så store som oplyst. De skulle have været på 63,69 m 3 men var kun 25 m 3 så derfor antager jeg at man ikke kan regne med hvad der står i specifikationerne, men jeg vurderer at der plads nok til en tank af den størrelse i en af voiderne eller i selve underlasten. Det næste jeg bliver nødt til at finde ud af er, hvor lang tid det vil tage at varme den mængde vand op fra 50 C til 72 C. Her tager jeg udgangspunkt i, at varmeveksler og rør er godt isoleret og der ingen strålingstab er. Jeg starter med at regne ved fuld last, og hvor det kun er to hovedmotorer der afgiver effekt på hver 485 kw. Færgen har som tidligere nævnt et forbrug på 172,92 kw når vi sejler ved en temperatur på 12 C. Det forbrug regner jeg som konstant 180 kw. For at være sikker på det er overdimensioneret. Tiden = m vand c vand t (72 50) = = 4084s 68 min p max 2 p forbrug Som tidligere nævnt har vi den effekt tilgængelig i 1 time og 30 minutter for de 2 hovedmotorer i blå ende, og bagefter i den grønne ende. Det vil sige at det er tilgængeligt i 3 timer eller 180 minutter. Som det fremgår på udregningen ovenfor, vil det kun tage 68 minutter at varme den mængde vand op. Da hovedmotorerne ikke vil være fuld belastet ved overfarten vil det være dette være urealistisk. Derfor antager jeg at motorerne vil have ca. det samme omdrejningstal som nu som ligger på omkring 1400 omdr min. Det medfører, i henhold til databladets prop demand curve 13, at hver hovedmotor vil have et brændstofforbrug på 199,2 l, hvor det ved fuld last er på 301,9 l. Jeg antager at brændstofforbruget et h h direkte sammenligneligt med hvor stor effekt der bliver afgivet til vandet. Det vil altså sige at 199,2 = 0,659 = 65,9% af den effekt der bliver afgivet til kølevandet ved max belasting 301,9 vil blive afgivet ved 1400 omdr min. p 1400= p max 65,9% = 320 kw Det medfører at Tiden = m vand c vand t = (72 50) = 7008s 116,8 min p p forbrug Bilag 8 side 103 (plantegning) 13 Bilag 3 side 88 (Datablad nye hovedmotor) 17

19 Del konklusion Hvis de antagelser der er lavet er korrekte, vil det ud fra overstående beregninger være muligt at dække færgens varmebehov om natten på den pågældende uge, ved at varme l vand op til en temperatur på 72 C og tillade en nedkøling af vandet til 50 C. Overkapacitet Da det blev eftervist i ovenstående afsnit, at det vil være muligt at akkumulere en tilstrækkelig mængde energi i vandet til at dække færgens behov i den pågældende uge i november, vil der i dette afsnit blive analyseret videre på hvor stor en overkapacitet det vil være muligt at lave til de koldeste måneder. Jeg tager udgangspunkt i den samme mængde vand, 35000L, og minimumstemperaturen i tanken skal fortsat være 50 C. t = (p p forbrug ) tiden ( ) = = 33,88 c vand m vand 4, Det vil sige, at det vil være muligt at opnå en temperatur på vandet på 50 C +33,88 C = 83,88 C. Det medfører at den effekt der vil være tilgængelig i havne ophold om natten er: p nat = c vand m vand t 3600 timer Det giver en overkapacitet på: p nat ny = % p nat ,1 = 4, (83,88 50) ,5 = 120kW Min vurdering er, at det er alt for meget i forhold til hvad jeg mener der er behov for om natten. Jeg vælger derfor at nedsætte mængden af vand til 30000L og sætte temperatur til i tanken til max 82 C. Det skyldes at flowet gennem varmeveksleren vil blive for stort i forhold til, hvor meget der kan vindes ved det. Det bliver eftervist i afsnittet krav til pumper. p nat = c vand m vand t 3600 timer p nat = 97,16 p nat ny 77,1 = 4, (82 50) ,5 = 97,16kW % Det er min vurdering at 26% overkapacitet, i forhold til den pågældende uge, er nok til at dække færgens behov i de koldeste måneder. 18

20 Hvor lang tid vil det tage at varme 30000l vand op. Tiden = M vand c vand t = (82 50) = 8744s 146 min p p forbrug Da udregninger er lavet efter nat behovet, vil det også kunne dække behovet i pausen på 6 timer og 25 minutter. Og beregningerne påviser at det er muligt at dække hele behovet på en overfart, på morgenturen bliver vandet varmet op til en temperatur på 82 C, men i pausen vil der ikke ske en afkøling af vandet til 50 C det betyder der blive kørt noget mere kølevand gennem boxkøleren på eftermiddag/aften turen. Del konklusion Det vil være muligt at have 30000L som skulle opvarmes til en temperatur på 82 C til tillade en afkøling til 50 C og derved opnå en overkapacitet på 26% i forhold til den sidste uge i november. Det vil kunne lade sig gøre på 146 minutter, hvilket er mindre tid end der er til rådighed. 19

21 M3/h Jesper Hjorth Jacobsen E Krav til pumper Det er nu blevet kortlagt hvor stor en mængde vand der skal opvarmes, samt hvilken temperatur det skal opvarmes til. I dette afsnit vil det blive belyst, hvor stor en pumpe der skal bruges for at få overført energien fra motoren gennem varmeveksleren og hen til vandet. For kontinuerligt at kunne få overført energien fra hovedmotorens kølevand som har et konstant flow, konstant temperatur ud, og gerne vil have en konstant temperatur retur, bliver man nødt til at ændre akkumuleringstankens vandflow i takt med at temperaturen stiger. I hver varmeveksler skal vi have afsat hele kølevandets effekt som ifølge afsnittet lagring af varmen er på 320kW for hver hovedmotor Det giver sig til udtryk ved: m AK t AK c AK = m køl t køl c køl ρ køl = m box t box c køl ρ køl = 320kW For at kunne opnå den ønskede temperatur, bliver man nødt til at varme vandet op til højere temperaturer, ellers bliver differenstemperaturen meget lille og det vil kræve et meget stort flow gennem varmeveksleren. Derfor vælger jeg, at vandet til akkumuleringstanken som kommer ud i varmeveksleren, skal have en temperatur på 93 C. Når vi er kommet op på den temperatur som er ønsket, som er 82 C, på det vand som løber ind i varmeveksleren fra akkumulering tanken, skal der kun afsættes det aktuelle behov, som i dette tilfælde vil være 180kW. Resten vil blive afsat i boxkølerne, hvilket vil sige at den ene af de to hovedmotorer som kører skal have afsat 320 kw i boxkøleren, og den anden skal have afsat 140 kw i boxkøleren og de sidste vil blive afgivet til akkumuleringstanken. Det giver sig til udtryk i kurven på figur 2. Som det frem går skal kurven, skal pumpen kunne levere et flow fra 6,4 m 3 /h til 25 m 3 /h Flow gennem varmeveksler Figur Temperatur ind i varmeveksleren 20

22 Opbygning af nyt system I dette afsnit vil der blive beskrevet hvordan jeg vurderer systemet skal bygges op, samt hvilke komponenter der skal indgå. Som det ses på figur 3 skal systemet bestå af: - En varmeveksler der i forvejen er tilstede - Pumpe med tilhørende motor og frekvensomformer. - 3-vejsventil med tilhørende styring samt by-pass. -Akkumuleringstank. - Boxkøler. - Kedelvandssystem med en 3-vejsventil Figur 3 Hovedmotorens kølevand løber gennem en 3-vejsventil som enten kan sende vandet videre til varmeveksleren, eller til boxkøleren, eller en blanding. Hvis det løber gennem varmeveksleren bidrager den til opvarmning af vandet i akkumuleringstanken og kommer tilbage med 67 C. Hvis det løber ned i boxkøleren bliver det kølet ned af søvandet og kommer tilbage til motoren med 67 C. Hvis det bliver blandet vil det stadig kommer retur med 67 C. Akkumuleringstankens vand bliver pumpet ind i varmeveksleren og bliver opvarmet til en temperatur på 93 C. Pumpen skal kunne levere et flow fra 6,4m 3 /h ved 50 C til 25m 3 /h ved 82 C. Når vandet i tanken er blevet varmet op til en temperatur på 82 C, 21

23 åbner 3-vejsventilen, og sender noget af motorens kølevand til boxkøleren. Flowet fra pumpen flader til 14 m 3 /h og bliver der indtil at hovedmotorer bliver stoppet, hvor pumpen også stopper, se figur 3. Kedelvandet kommer i gennem en 3-vejsventil, hvor det enten kan køre ud og blive varmet op af vandet i akkumuleringstanken i en spiral eller varmeveksler i toppen af tanken. Hvis returvandet kommer under 50 C kører ventilen i en anden stilling og oliefyret starter op og systemet kører på samme måde som i dag. Indtil hovedmotorerne bliver startet og har varmet vandet i akkumuleringstanken op til 50 C, hvorefter ventilen kører tilbage igen. Da det ikke vil være hensigtsmæssigt at have 82 C varmet vand i varmtvandsbeholderen. Skal der monteres en 3-vejsventil med tilhørende temperaturregulering, så vandet ikke kommer over en temperatur på 60 C eller får genmonteret elvarmelegemet og gør det til et særskilt system. Kedelsystemet skal om natten have en massestrøm på: m kedel = p nat = 77,1 = 1,84 kg c vand t 4,19 10 s = 6,6 m3 h Underdriften skal have en massestrøm på: m kedel = p forbrug c vand t = 180 4,19 10 = 4,3 kg s = 15,5 m3 h Det vil sige, at der skal bruges en pumpe med en frekvensomformer med tilhørende temperaturregulering. Da jeg ikke kender planen for hvad der skal ske med kedelvandssystemet når færgen skal i dok, antager jeg at der bliver monteret en pumpe der opfylder disse krav. Placering af akkumuleringstanken og opbygning af rørsystemet I henhold til skibsstabilt vil det være mest hensigtsmæssigt, at placere tanken midtskibs, men det vil medføre at der skal være lang rørføring. Derfor ville jeg vælge at have 2 tanke på hver 15 m 3, som skal placeres henholdsvis i fore og agter, og så tæt på maskinrummet som muligt. Det skyldes at det er hensigtsmæssigt at få så lille en rørføring som muligt. Tankene og rørene skal være isoleret så godt muligt, hvilket er årsagen til at der ikke er regnet med varmetab til omgivelserne, da det anses for at være så lille at det er uden sønderlig betydning. Rørene skal føres fra hver hovedmotorers varmeveksler, som er placeret i maskinrummet gennem skottet ind til underlasten og ind i tanken. Kedelvandsystemet skal kobles på den spiral/varmeveksler som er placeret i toppen af hver tank. Da der i forvejen er rør fra det ene maskinrum til det andet, skal der ikke føres nye rør. 22

24 Besparelse Dette afsnit bliver baseret på data fra det gamle oliefyr og ikke det nye fyr det nye oliefyr da der ikke for hvilket oliefyr der bliver installeret Som tidligere nævnt bliver færgen i dag opvarmet ved hjælp af et oliefyr og fra hovedmotor nr.4 når den kører. En gang om ugen bliver der aflæst timetællere på forskellige ting ombord, her iblandt oliefyret. Hvis man kigger nærmere på det, kan man se at i perioden til har fyret kørt 1268 timer. 15 Brændstofforbruget for fyret er 25, ,9 = kg 16 kg h Færgen giver ca. 4 kr. per kg brændstof. Det betyder en udgift i perioden på: udgift per år = = kr. Udover prisen på brændstof til oliefyret, er der også noget vedligeholdelse., hvilket medfører at forbruget på fyret i den periode er: Hvis systemet bliver bygget op som bekrevet i afsnittet opbygning af nyt system viser mine beregninger at det vil kunne dække varmebehovet for færgen hele året rundt. Der kan dog ske uforudsete hændelser såsom nedbrud eller andre drift forstyrrelser, og derfor antager jeg at den kan dække færgens behov 95% af tiden. Det vil give en årlig besparelse på besparelse = udgift per år 95% = kr. Udover besparelsen af brændstof til oliefyret, får færgen et engangsbeløb for hver sparet kw/h på 36 øre, ved salg af CO 2. Det vil sige: engangsbeløb = timer på fyret 0,36 indfyret effekt , = kr. 15 Bilag 9 side 104 (timetæller oliefyr) 16 Bilag 2 side 65 (projekt Jannik) 17 Bilag 2 side 66 (projekt Jannik) 23

25 Investering i anlægget Fra færgens side ønsker man en tilbagebetalingstid på max 3 år. Det vil sige at opbygningen af systemet max må koste: besparelse 3 + engangbeløb = = kr. For at kunne give en ca. pris på hvad anlægget ville koste, bliver jeg nødt til at lave nogle antagelser. Jeg vil vælge at få specialbygget en tank til formålet, men da det ikke var muligt at få et tilbud for dette laver jeg beregningen med køb af seks tanke på hver 5000l. Det vil sige, at der skal placeres 3 tanke i hver ende som skal kobles i serie. Hver tank har en spiral i bunden, som skal flyttes op i toppen og seriekobles. Stk. pris kr. 18 Der skal bruges fire 3-vejsventiler med tilhørende aktuator. Som tidligere nævnt skal de monteres i de nye hovedmotorers kølevandsystem. Da jeg ikke kender rørdiameteren på det nye system antager jeg, at det er DN65 der skal bruges. Stk. pris ,43 kr. 19 Der skal bruges en 3-vejsventil med tilhørende aktuator til kedelvandssystemet. Her vælgere jeg at bruge den samme som til kølevandsystemet. Stk. pris ,43 kr. Der skal bruges fire pumper med tilhørende styring til at pumpe vandet fra akkumuleringstanken gennem hver hovedmotors tilhørende varmeveksler. Pumpen skal kunne levere et flow 20 fra 6,4 m 3 /h til 25m 3 /h. Pumpe med tilhørende styring Grundfos TPE Stk. pris Jeg antager at der max skal bruges 15 meter rør fra hver varmeveksler og ud til akkumuleringsstanken og tilbage til varmeveksleren. Pris per meter 91,40 kr 22. Samlet pris på hele systemet kr. eks. moms. Prisen er udregnet efter, at det er noget som maskinbesætningen selv kan lave, og der er derfor ingen arbejdsløn. Varmevekslerne er overskud fra tidligere system, samt ventilen til by-pass. Prisen er uden 18 Bilag 10 side 105 ( 19 Bilag 11 side 105 ( 20 Bilag 12 side 106 (Pumpe kurve grundfos.dk) 21 Bilag 13 side 106 pumpe (tyskvvs.dk) 22 Bilag 14 side 107 rør ( 761x45/ ) 24

26 diverse følere, rør buk, flange, efterisolering af tanke, og eventuelt arbejdsløn til indregulering og diverse rabatter. Tilbage betalingstid med engangsbeløb: = 1,11 år 1år 1 måned 11dage Tilbage betalingstid uden engangsbeløb: = 2,37 år 2år 4 måneder 14dage Da tilbage betalingstiden at under de max. 3 år vil det være en mulighed for færgen at få installeret det pågældende system. Og så derved nedsætte brændstof forbruget og spare på de fossilebrændstoffer hvilket både er godt for færgen men ikke mindst miljøet. 25

27 Konklusion Hvis de antagelser der er lavet gennem projektet er rigtige, skal færgen bruge 77,1 kw til opvarmning. Det vil dække færgens varme behov i forhold til den sidste uge i november, ved at have en godt isoleret akkumuleringstank på 30000L og varme de L vand op til en temperatur til 82 C og tillade en afkøling af vandet til 50 C, og stadig opnå en overkapacitet på 26%. Grundet den store overkapacitet Vil det være muligt at dække færgens behov hele året, men da man ikke kan dække sig ind imod driftsforstyrrelser, og nedbrud. Bliver det antaget at det er nok til at dække behovet på færgen 95% af tiden. Når der er så meget plads til rådighed som og så lange pauser som færgen har, vil det betyde at ved at installere et varme genvindingssystem på alle fire nye hovedmotorer vil det kunne dække færgen behov under en overfart 100% og i de lange pauser 95% af tiden. Og derved spare kg brændstof som betyder en årligt besparelse på kr. samt en indtjening for solgt CO 2 på kr. En ca. pris på opbygning af det nye system kr. med en tilbagebetalingstid på 1 år 1 måned 11 dage med så kort tilbagebetalings er det et projekt der er værd at gå videre med. 26

28 Litteraturliste Mekanisk fysik og varmelære 10. udgave, 1. oplag 2007 Bachler projekt Jannik krebs (vedlagt i bilag) Bachler projekt Morten Hess-Nielsen (vedlagt i bilag) Diverse fra M/F Samsøs arkiv Diesel engines1-2 Grundfos.dk Kildekritik Da projektet er bygget op med data fra tidligere projekter, er det forbundet med en vis usikkerhed, men da færgen har bestilt deres nye fyr ud fra disse projekter anser jeg dem for at være faktuelle og at det der står i dem er rigtigt. Jeg laver også en række antagelser gennem hele projektet, hvilket også giver en stor usikkerhed. Antagelserne bliver lavet og begrundet ud fra mine egne vurderinger og den viden jeg har opnået gennem maskinmesterstudiet samt samtaler med driftsbesætningen. Jeg har derfor en formodning om, at de antagelser jeg laver ikke ligger langt fra de faktiske data. Dette kan dog først blive bekræftet når hovedmotorerne har været i prøvestand for at blive testet. 27

29 Perspektivering Ideen ved varmegenvinding er god, i stedet for at overskuds varmen fra eksempelvis en motor som er et tab bliver den brugt til noget andet. Ideen med at gemme varmen til et senere tidpunkt, hvor der er brug for den, er både godt for en given virksomhed som sparer penge, men også for miljøet. Hvis man sejler i norden eller andre steder hvor det ikke altid er så varmt er det er en god løsning af gemme energi i akkumuleringstanke, især hvis man har så meget plads og så lange pauser som M/F Samsø. Såfremt at et skib eller en færge ikke har lange pauser, er dette en dyr løsning i forhold til hvor stor en besparelse der kan opnås. I så fald vil det være en bedre mulighed at installere et varmegenvindingssystem lignende det som færgen har i dag, hvor det kun er muligt at bruge overskudsvarmen når hovedmotoren er startet, da dette vil være en billigere løsning. En ting er at snakke kroner og øre, noget andet er at tale om hvordan en virksomheds ansigt er udadtil. Ved at implementere et varmegenvindingssystem, uanset pris og besparelser, vil det gøre virksomheden mere grøn, hvilket er noget mange mennesker kigger på. 28