AU2ADEMY. Dimensionering af hjælpesystemer til et mejerianlæg. Anders Krone

Transkript

1 AU2ADEMY Dimensionering af hjælpesystemer til et mejerianlæg Anders Krone

2 Titelblad Studerende: Anders Krone, M10766 Fagområde: Køleteknik/termodynamik Emne: Dimensionering af hjælpesystemet til et mejerianlæg Klasse: 6A Uddannelsessted: Aarhus maskinmesterskole Vejleder: Hayati Balo Afleveringsdato: 4. juni Virksomhedssamarbejdspartner: Au2mate A/S Rapportens omfang: 26,6 normalsider, af 2400 tegn 1

3 Abstract This bachelor project, Au2aemy, is the result of the last semester at Aarhus school of marine and technical engineering. It s based on a project that Au2mate is currently working on, which is a small academy, where they want to offer their customers the opportunity to learn everything they need to know, to successfully run a diary. The academy is going to consist of two different rooms, in one of them is going to classroom/simulations room and in the other room is going to be a miniature version of a realistic dairy plant. The problem of this rapport is about finding the necessary utilities for diary plant to be able to run is as realistic as possible. Before being able to finding the necessary utilities, I needed to study how a diary plant operate, before be able to determine the right utilities. From there studies I found out that the utilities that was needed was cold water from a refrigerant plant, some hot water from a boiler and some air pressure from an air compressor. Because the diary plant is to be placed close to offices, there was some requirements, to the different utilities. To be able to meet the requirements according to the plans for the utilities, all the parts of the utilities, needed to be watched separately. By watching the different parts separately, it s was easier to determent, which part would be the best in the given situation. After finding the best parts, the different parts was written down and some companies was contacted to give an offer on the assembled product. Before being able to determent the size on the refrigerant plant and boiler, there was some calculations that had to done. The calculations was made from the plans of the dairy plant and then oversized a little bit, to make sure that future requirements are meet. 2

4 Indholdsfortegnelse Titelblad... 1 Abstract... 2 Problemanalyse... 4 Problemformulering... 4 Metode... 5 Anlægsbeskrivelse... 6 De forskellige processer... 6 Modtagelsen af råmælk... 6 Råmælkstanken... 6 Pasteurisering... 7 Tanken til færdigbehandlet mælk... 8 Rengøring af udstyr (CIP)... 8 Hvad er et køleanlæg... 9 Dimensionering af køleanlægget Valg af kølemiddel Valg af kompressor Valg af fordamper Hvad er en varmeveksler Valg af kondensator Placering af anlæg Indhentning af tilbud på køleanlæg Hvad er en varmvandskedel Dimensionering af pumpe Dimensionering af rør Laminar og turbulent strømning Isolering af rør Konklusion Efterskrift Kontaktpersoner igennem projektet Bøger brugt igennem projektet Bilag Bilag Bilag

5 Problemanalyse Au2mate er en virksomhed der laver automationsløsninger til procesindustrien i ind- og udland. De har specialiseret sig i at levere udstyr af højeste kvalitet til mejeriindustrien. De har opnået deres store viden omkring mejeriindustrien igennem de seneste 2-3 årtier, hvor de medvirket til at lave succesfulde totalløsninger til mejeriindustrien i hele verden. På sigt, vil Au2mate gerne være i stand til, at kunne dele ud af deres store knowhow inde for mejeriindustrien, og er derfor i gang med at bygge et akademi til dette formål. Akademiet vil blive brugt til at undervise alt hvad man har brug for at vide for succesfuldt at kunne styre et mejeri. Akademiet vil også have en funktion internt i virksomheden, da det kan bruges til oplæring af nye ansatte, samt sparing imellem det nuværende personale. Akademiet vil blive opbygget af 2 dele. Den ene del af akademiet, kommer til at indeholde et realistisk mejerianlæg, med tilhørende hjælpe systemer. Mejerianlægget vil komme til at have flere funktioner, bl.a. vil det blive brugt til udstilling, således at deres kunder kan se hvad de kan forvente og hvilke løsninger de kan levere. Anlægget vil også komme til at fungere som en del af undervisningen. Den anden del vil blive brugt som et teorilokale, hvor der undervises i bland andet PLC programmering. Der vil også være computere man kan sætte sig ved, for at afprøve teorien ved. Da der skal bruges nogle forskellige utilities, for at anlægget kan køre, skal dette implementeres i bygningen. På nuværende tidspunkt er der ingen værksted, og derfor har man tidligere ikke haft brug for bland andet trykluft. Under udbygningen er der blevet lavet en kælder under akademiet, hvor en del af kælderen skal benyttes som teknikrum. Mejerianlægget har brug for et lufttryks-, kølevands- og hedevandsanlæg for at kunne fungere som et virkelighedstro anlæg, fra en mejeriproduktion. Disse 3 utilities skal placeres nede i teknikkælderen. Problemformulering Hvordan virker mejerianlægget og hvorfor skal der bruges luft, samt koldt og varmt vand? Hvad består et køleanlæg af og hvordan dimensionere man et sådan et anlæg? Hvad består en varmvands kedel af og hvordan dimensioneres sådan en? 4

6 Metode Metoden der er blevet brugt til at løse problemstillingen i dette projekt er ren teoretisk, da det da ikke har været noget eksisterende at måle på. Dette har også resulteret i at der få steder i projektet at brugt erfaringstal, for at finde en tilnærmede værdi, af de reelle værdi. Fremgangsmåden hvorpå jeg er kommet frem til den løsning, som er beskrevet i rapporten, er gjort ved at først at gennemgå hvad de forskellige behov og ønsker er, for de anlæg der købes. Ønskerne var bland andet noget med placeringen af, størrelsen og støjniveauet. For at finde et anlæg der overholdt så meget af disse krav som muligt, blev hver komponent på anlægget set på hver for sig. Der blev set på de stærke og svage sider, på flere slags komponenter, der kunne det samme, men efter et andet princip, og ud fra dette foretages der et valg af hver af de enkelte komponenter i anlægget. Måden hvorpå størrelsen af de forskellige komponenter er bestemt, er ud fra beregninger. I beregningerne er der taget udgangspunkt i de ønskede flow og temperaturer der er på mejerianlægget, og ud fra dem er det beregnet hvor meget der skal til for at disse forhold altid kan overholdes. 5

7 Anlægsbeskrivelse Anlægget der skal bygges er et virkelighedstro mejerianlæg, bare i en noget mindre udgange end man vil se ude på et mejeri. Anlægget kommer i første omgang til at bestå af 5 individuelle stande, der har hvert sin funktion. De 5 stande repræsentere de mest anvendte bearbejdningsprocesser inde for mejeriindustrien. På sigt er det planen at der skal sættes flere stande op, for at kunne dække over flere processer. De forskellige processer I dette afsnit vil de følgende processer blive beskrevet: Modtagelsen af råmælk Råmælkstanken Pasteurisering af mælken Tanken til færdigbehandlet mælk Rengøring af udstyr Modtagelsen af råmælk Det første punkt i modtagelsen er der hvor mælken kommer ind til fabrikken ude fra. Normalt når et moderne mejeri modtager mælk, kommer der en lastbil med kølertank, der kommer og losser dets indhold. Der er 2 måder mejerierne bruger til at bestemme hvor meget hvor meget mælk de har modtaget. Den ene metode er via et flowmeter der måler mængden af mælk der er modtaget. Den anden er vægt der vejer lastbilen før og efter losningen for at finde ud af mængden af modtaget mælk. Da mælken under transporten godt kan have steget, køler man mælken ned ved hjælp af en varmeveksler. Før mælken kan sender vider til råmælkstanken, er den normalt kølet ned til under +4 grader. Råmælkstanken Råmælkstanken er der hvor man opbevare råmælken før den bliver sendt til pasteurisering. Da fløde og mælk vil separerer sig fra hinanden, hvis der ingen cirkulation er i tanken, er der placeret en omrører i bunden af tanken. Omrørerens opgaver er hele tiden at sørge for at mælken ikke bliver stilstående, men samtidig må der heller ikke køres for hurtigt, da det vil ilte mælken. For at kunne monitorerer på indholdet af tanken, er der installeret en række forskellige transducere. Der bliver hele tiden holdt høje med temperaturen og niveauet af mælken i tanken. Som transducer til at holde øje med temperaturen bruger man ofte en PT100 føler. Der findes mange forskellige transducere til at måde niveauet i tanken, ofte bruges en tryktransmitter der måler det statiske tryk i tanken. Som en ekstra beskyttelse imod overløb, er der i toppen af tanken placeret en overløbskontakt. Den stopper påfyldningen automatisk, hvis niveauet overstiger den. I bunden placer man også en sådan kontakt for at kunne indikere om tanken er fuldstændigt tom. Dette gøres af 2 grunde, den ene er for at sikre, at man har tømt tanken helt før rengøring og derved undgår spild. Den anden er for at forhindre anlægget i at suge luft ned i systemet, hvis der bliver suget imens tanken er tom. Indeholder mælken alt for meget luft, vil den næste proces omdannes til skum. 6

8 Pasteurisering Ved pasteuriseringen dræber man alle er bakterier man ikke ønsker i mælken. Når mælken er blevet pasteuriseret, er den klar til at blive drukket. Mælken kommer ind i anlægget via en lille balance tank, der hele siden skal sørge for at der er nok mælk til systemet. Er der for lidt mælk, kan man risikere at brænde mælken på der er inde i varmevekslerne, og derved ødelægge smages af mælken og man kan risikere at den brænder fast på indersiden af varmeveksleren. For at flowet heller ikke bliver for stort igennem varmevekslerne, sidder der en flowmåler der hele tiden skal sørge for at holde flowet konstant. Sender man for meget igennem kan man nemlig risikere at mælken ikke bliver varmet højt nok op og vil derfor ikke blive pasteuriseret. Der er også et andet punkt, hvor et for højt flow kan skade processen, men det vil være beskrevet senere. Opvarmningen af mælken sker over 2 gange. Første gang varmer man det op til omkring 55 grader. Efter den første opvarmning, køres mælken igennem en klarifikator. I klarifikatoren skimmes fløden fra mælken, da fløden er lettere end mælken, vil den ligge sig inderst og mælken yderst. Efter klarifikatoren sendes mælken nu igennem varmeveksleren igen, for at varme den op til pasteuriseringstemperaturen. Da mælken skal holde denne temperatur over et stykke tid, for at den dræber alle bakterierne, laver man et holdekammer, således at man sikre sig at mælken har været varm i lang nok tid. Holdekammeret laves ofte som rør, valset i en spiral. Løber mælken for hurtigt igennem holdekammeret, bliver alle bakterierne i mælken ikke dræbt og vil derfor heller ikke være pasteuriseret. Dette er den anden grund til at der er en flowmåler. Efter holdekammeret sidder der en temperaturtransducer der måler på temperaturen af mælken. Er temperaturen for lav sender man mælken tilbage til balance tanken. Hvis temperaturen passer sendes mælken til køling. Når mælken skal køles anvender man genindvinding af varmen. Man bruger nemlig den kolde råmælk til at køle det varme mælk, hvilket også resultere i at den kolde mælk bliver varm. For at komme helt ned på den rigtige temperatur er man dog nød til at bruge kølevand. Under afkølingen af mælken har man altid et højere tryk på den pasteuriserede side, end man har på råmælks siden. Grunden til dette er at man ved utætheder imellem varmevekslerne ikke risikere at blande det pasteuriseret mælk med råmælken. I tilfælde af utætheder, vil den pasteuriserede mælk nemlig løbe ned i råmælken og ikke omvendt. Efter afkølingen bliver mælken sendt til tanken for den færdigbehandlede mælk. 7

9 Tanken til færdigbehandlet mælk Disse tanke minder meget om dem der bliver brugt til råmælken. Disse tanke har den samme slags temperaturtransmitter, niveautransmittere og omrører. Dog har man på dette anlæg valgt ikke at bruge tryktransmittere til at bestemme det nødagtige niveau, men derimod en vægt. Rengøring af udstyr (CIP) Da man har med fødevarer at gøre, er det vigtigt at alt er rent. Specielt i mejeriindustrien er det noget man går meget op i, da de produkter de laver kan indeholde mange forskellige bakterier, som kan gøre folk syge. I daglig tale kalder man rengøringsudstyret for et CIP anlæg som står for cleaning in place. Rengøringsproceduren består af 4 operationer. Før rengøringen går i gang, sikres at der ikke er noget mælk tilbage i systemet. Grunden til at man gør dette er minimere spild af produkt, men også for minimere rensning af spildevand. Når en tank er tom er det vigtigt, med at samme at få renset den igennem med vand. Får man ikke renset igennem med det samme, kan man risikere at mælken tørre ind og hænge fast på overfladen af tanken, hvilket gør det sværere at få den ren. Temperaturen på vandet der bliver brugt har også en betydning, da det er nemmere at rense mælkeresterne ud med varmt vand. Temperaturen må dog ikke overstige 55 grader da det kan størkne proteinerne i mælken. Rensning med varmt vand tager omkring 10 minutter. Efter de 10 minutter, renses der med varmt syre. En tommelfingerregel siger, at den syre man rengøre med skal have den samme temperatur, som det den skal rense har været udsat for, eller mindst 70 grader. Syren bliver brugt til at fjerne alt det der ikke blev skyllet ud under vand rensningen. Normalt renser man med syre i omkring 30 minutter. Efter afsyreingen skylles der igen igennem med vand i omkring 5 minutter. For at vaske tanken bruger man en varm lud-sæbe. Sæben er for at fjerne eventuelle rester som syren ikke kunne fjerne. Efter afvaskningen bliver der igen skyllet igennem med rent vand. 1 1 Dairy processing handbok 8

10 Hvad er et køleanlæg Et køleanlægs grundlæggende funktion er at flytte noget varme fra et sted til et andet. Dog er det ikke umiddelbart muligt at flytte noget varme fra et sted der er koldere, til et sted der er varmere. Fx kan et køleskab, der står i et rum med en temperatur på 20 grader ikke rent varmeteknisk opretholde en temperatur inde i køleskabet på 4-5 grader. Dette problem kan dog løses ved at bruge et køleanlæg. Køleanlægget udnytter nemlig, at væske ved forskellige tryk, har forskellige kogepunkter. Til at transportere varmen rundt i anlægget, bruges en væske, også kaldet et kølemiddel. Kølemiddelets opgave er at via fordampning at optage varme fra fx et rum og flytte den et andet sted hænd, hvorved kølemidlet igen kondenseres. Komponenten der bliver brugt til at optage varmen fra rummet til kølemidlet, kaldes for en fordamper. Fordamperens opgave er at virke som en køleflade. Kølefladen tiltrækker den omkringliggende varme, der gør at kølemidlet inde i fordamperen fordamper. Kølemidlet inde i fordamperen siger man er ved lavtryk, da det er det punkt i anlægget hvor trykket er det laveste. Her udnytter man det tidligere beskrevne fænomen med at kogepunktet ændres i forhold til trykket. Efter kølemidlet er fordampet suges den op med en pumpe, også kaldt for en kompressor. Kompressorens opgave er at suge kølemiddelsdampen væk fra fordamperen og derved transportere varmen væk fra fordamperen. Kompressoren tilføre også kølemidlet et højere tryk, hvilket øger temperaturen på kølemiddelsdampen. Dette medføre at kølemiddelsdampen er blevet tilført noget mere energi. Med andre ord kan man sige, at det arbejde kompressoren har udført under trykforøgelsen, er flyttet over til kølemidlet. Efter trykforøgelsen siger man nu at man er i højtryks området, da det er her man har det højeste tryk i anlægget. I dette område benytter man sig af, at ved det højere tryk, er kogepunktet steget, i forhold til lavtrykssiden. Da kølemidlet hele tiden cirkulere rundt i anlægget skal varmen fjernes igen. Til at fjerne varmen bruger man en kondensator. Kondensatorens opgave er at omdanne den varme damp til væske, igennem nedkøling. Nedkølingen i kondensatoren kan gøres på mange forskellige måder, alt efter hvordan man ønsker at udnytte varmen. Man kan fx sætte en varmepumpe på der udnytter varmen, til at varme noget andet op, i stedet for bare at smide varmen væk. For at overholde trykforskellen der er imellem fordamperen og kondensatoren, sidder der er drøvleorgan. Drøvleorganet er en ventil, hvis opgave er at adskille høj- og lavtrykssiden af køleanlægget og samtidigt styre mængden af kølemiddel der strømmer ned til fordamperen. Uden drøvleorganet vil trykket der bliver lavet i kompressoren bare løbe over på lavtrykssiden, og man vil derved opnå det samme tryk i hele systemet, hvilket vil resultere i at varmen ikke kan blive flyttet. 2 2 Noget om køleteknik, bind 1 9

11 Dimensionering af køleanlægget Dette afsnit vil omhandle nogle af de overvejelser og valg, der er blevet gjort under dimensionering af køleanlægget. Der vil være beskrevet hvorfor lige netop de valg der er blevet tager er gjort og hvad man måske kunne have gjort anderledes. Køleanlægget der skulle dimensioneres, var et vandkølingsanlæg, hvis job er at producere noget koldt vand, til at køle på to processer, igennem to forskellige pladevarmevekslere. Fra ledelsens side var er opsat nogle ønsker for hvilke krav anlægget skulle overholde. Disse krav blev derfor gjort til den højeste prioritet. Der var krav til prisen, da anlægget ikke skulle køre hele tiden, men højst et par gange om dagen. Derfor ville man ikke ud og investere i et dyrt specialet fremstillet anlæg, der kunne spare lidt på strømforbruget, frem for et masseproduceret anlæg, der måske ville være mindre effektivt, men derimod meget billigere i indkøb. Da anlægget kommer til at stå i nærheden at kontor lokaler, var der et krav om at det ikke måtte larme alt for meget under drift. Sidste krav stillet fra ledelsens side, var at anlægget skulle kunne stilles nede i en lille teknikkælder, som er bygget under produktionshallen. Da teknikkælderen ikke er ret stor, skal køleanlægget derfor helst være så kompakt som muligt. For overhoved at kunne dimensionere anlægget, skulle den nødvendige kuldeydelse findes. Kuldeydelsen blev beregnet ud fra de flow der var opgivet til at være under produktion, sammen med det temperaturfald der var ønsket på væsken. Da der er to processer der kan køre på sammen tid, blev kuldeydelsen beregnet ud fra det. Følgende formel blev brugt til at bestemme hvor stor en varme der skulle fjernes fra procesvandet. Hvor: Q er kuldeydelsen i W, m er mængden af brine pr time, Cp er den specifikke varmekapacitet for brinen og, T er temperaturforskellen på brinen. Q = ṁ c p Δ T Resultatet af dette må derfor være den nødvendige kuldeydelse, da køleanlægget skal fjerne så meget varme fra procesvandet. Resultatet af den overstående beregning er 9 kw. Kølemidlet der er blevet brugt til at køre den anden væske ned, har nu modtaget varmen fra den og har derved opnået en temperatur stigning. Denne stigning er man nød til at kende, da den bliver brugt senere til at beregne størrelsen på en af de andre komponenter. Temperaturstigningen beregnes på følgende måde: Δ T = Q c p ṁ Formlen er en ombytning af de overstående, men da mængden af brine pr time og den specifikke varmekapacitet ikke er den samme fås en anden temperaturændring, end den der er på mejerianlægget. Resultatet af udregningen bliver en temperaturstigning på 4,2 grader. 3 3 Noget om køleteknik, bind 1 10

12 Valg af kølemiddel Kølemidlet er som beskrevet tidligere, den del af køleanlægget der transportere varmen rundt i systemet. Generelt kan alle væsker anvendes som kølemidler, der er bare nogle der er bedre end andre. Hvor god en væske er som kølemiddel, afhænger af væskens fysiske, kemiske og fysiologiske egenskaber. Når man skal vælge hvilket kølemiddel, prøver man at finde et der opfylder så mange af disse egenskaber som muligt. Dog findes der ikke et kølemiddel der har alle disse egenskaber, derfor er man nød til at se på hvilke belastninger kølemidlet bliver udsat for og tage beslutningen ud fra dette. Nogle af de fysiske egenskaber, man ønsker, at kølemidlet har, er en høj fordampningsvarme, hvilket vil sige at kølemidlet kan optage en masse varme, før det begynder at fordampe. Dette er en fordel da både kondensatoren og fordamperen, kan bygges mindre, da hvert kg kølemiddel kan flytte en masse varme. En anden væsentlig fordel er at den høje fordampningsvarme gør at kølemiddel flydningen på anlægget bliver mindre. En anden god fysisk egenskab man ønsker sit kølemiddel at have er en høj fordampningsydelse. At et kølemiddel har en høj fordampningsydelse betyder at når det fordamper fylder den ikke ret meget. Dette er en fordel når man skal ud og vælge kompressor, da man kan vælge en med et mindre deplacement, da der ikke skal pumpes nær så meget damp rundt i systemet, som hvis man havde et kølemiddel med en lav fordampningsydelse. Trykket hvorved kølemidlet kondensere (kondenseringtrykket) og fordampere (fordampningstrykket) har også nogle at sige for anlægsopbyggelsen. Skal man hæve trykket meget for at kunne kondensere kølemidlet, stiller dette større krav til komponenterne og rørene på anlægget, da de skal kunne holde til det højere tryk. Det samme gælder med fordampningstrykket, blot i den anden retning. Hvis fordampningstrykket bliver lavere end det atmosfæretrykket, vil der opstå undertryk inde i systemet. Undertrykket vil suge luft ind i systemet, da mange komponenter ikke er konstrueret til at holde tæt ved undertryk. Hvis der opstår utætheder i rør o. lign, vil dette også suge luft ind i systemet. Trykforholdet imellem kondenserings- og fordampningstrykket spiller også en rolle, nu lavere trykforholder er, nu mindre effekt skal der afsættes i kompressoren. For at opnå dette, er man nød til at vælge et kølemiddel der har de bedste egenskaber ved de temperaturer, der forekommer i anlægget. Her er det også vigtigt at temperaturen på kølemidler aldrig kommer under frysepunktet, da dette vil frostsprænge anlægget. Bland andre fysiske egenskaber der ønskes kan nævnes: En så lav viskositet som muligt for at reducere trykfald, igennem systemet. Gode varmeoverføringsevne, da det reducere størrelsen på fordamper og kondensator. Af kemiske egenskaber er det ønskeligt at få et kølemiddel der: Er stabilt, forstået på den måde, at det ikke spalter eller danner nye forbindelser i de temperaturer og/eller trykområder, det bliver udsat for. Fx består ammoniak af brint og kvælstof. Hvis disse to grundstoffer spaltes, ville man i stedet for at have et godt kølemiddel, nu have 2 dårlige kølemidler. Ikke er brændbart, for at undgå brande og/eller eksplosioner. Ikke reagere med andre materialer på anlægget Af fysiologiske egenskaber, vil man gerne have et kølemiddel der: Ikke virker irriterende for åndedrætsorganer og/eller være giftigt. Ved utætheder skal det nemt kunne spores og ikke virke skadeligt for omgivelserne. 4 4 Køleteknik 11

13 Da der findes utroligt mange forskellige kølemidler, men selv kun havde kendskab til nogle af dem, har jeg derfor været nød til at få hjælp til at opstille en række over mulige kølemidler til denne opgave. Derfor kontaktede jeg underviseren Ole Bjerggaard, som gerne ville hjælpe. I samarbejde med ham lykkedes det at komme frem til seks forskellige kølemidler, som alle sammen ville være gode, til anlægget der skulle bruges. En af måderne hvorpå man kan se om kølemidlet er godt til opgaven, er ved at prøve at indtegne systemet i et h-log(p) diagram over kølemidlet. I et sådan diagram, kan man se alle de fysiske egenskaber for kølemidlet, og via beregninger, kan man også bestemme noget om hvor effektivt anlægget vil komme til at være. 5 Dog findes der et gratis program der hedder CoolPack, som både kan tegn og lave disse beregninger på køleanlægget. Dette program har jeg benyttet mig af til bland andet at bestemme COP faktoren 6 og finde trykforholdet imellem fordampnings- og kondenseringssiden. Neden under ses en tabel over de seks forskellige kølemidler, der kunne være en mulighed at bruge på anlægget. Kølemiddel COP Trykdifferens Info R134A 4,69 3,03 HFC R407C 4,58 2,94 Bruges bl.a. til aircondition HFC, Blandingskølemiddel R410A 4,4 2,66 Blandings kølemiddel med glid HFC R600 4,86 3,16 Butan, meget brandfarligt R600a 4,79 2,97 Isobutan, meget brandfarligt, bruges bl.a. i nye køleskabe R717 4,74 3,15 Ammoniak, høj temperatur Som det kan ses i skemaet ligger de stort set med samme COP faktor og trykdifferens. Derfor bliver man nød til at se på nogle af de andre egenskaber kølemidlerne har, og holde dem op imod de krav der er til anlægget. R600 (Butan) og R600a (Isobutan) er de 2 mest effektive kølemidler til denne opgave hvis man ser på det rent energiøkonomisk. De tilhører gruppen af de naturlige kølemidler der gør at de forekommer naturligt i naturen. Dette gør bland andet at der ingen kølemiddelsafgift er på dem, da de ikke anses for at være skadelige for naturen. Normalt når man siger butan tænker man lightergas, da det også bliver brugt der, men butan bliver også brugt til bland andet air condition anlæg til biler. Butan bliver dog ikke brugt i samme omfang som kølemidlet isobutan, hvilket er det kølemiddel der bliver brugt i alle nye køleskabe. Begge kølemidler har dog en meget negativ egenskab, da de begge to er ekstrem brandfarlige. Af denne grund, skal der tages særlige hensyn ved konstruktion og drift af anlægget, således at ingen farlige situationer kan opstå. Disse krav for anlægskonstruktionen koster mange penge at opfylde, hvilket blandet andet gør at mange producenter af masseproducerede køleanlæg ikke bruger hverken R600 eller R600a. Det næste i rækken af kølemidler er R717 (ammoniak), hvilket også tilhører gruppen med de naturlige kølemidler. Ammoniak består, som også skrevet tidligere, af kvælstof (N) og brint (H) og har den kemiske formel NH 3. Ammoniak har nogle rigtig gode egenskaber og det er det kølemiddel der har de bedste fysiske egenskaber af alle kølemidler. Dette gør at ammoniak er det kølemiddel der bliver anvendt på rigtigt mange anlæg, men specielt på industrielle køleanlæg. Dog har ammoniak både nogle negative kemiske og fysiologiske egenskaber da det er giftigt, ildelugtende, ætsende og brændbart, dog ikke når så meget som butan og isobutan. Disse 4 egenskaber gør at der er flere ting man skal tage højde for. Ammoniak er ætsende over for kobber, hvilket gør at et anlæg konstruktureret til at køre med ammoniak skal laves med stålrør, i stedet for kobber, som man normalt bruger i køleanlæg. Ammoniak bliver i mange tilfælde meget varmt under overhedning, derfor skal man også sørge for at alle komponenterne der kan blive udsat for den varme, kan 5 Noget om køleteknik, bind 1 6 COP faktoren, er en faktor der beskriver hvor høj en køleeffekt man får, ved at tilføje kompressoren en effekt. Nu højere COP faktor nu højere effektivitet. COP står for Coefficient of performance. 12

14 holde til det, ellers skal der køles de disse komponenter. Dette gør at komponenterne i mange tilfælde bliver dyrere i indkøb. Da ammoniak er klassificeret som et giftigt kølemiddel der er stærkt generende for luftfeje og kan give åndedrætsbesvær. Selv om det er forholdsvis let at lugte om der er utætheder i systemet, skal der, opsættes gasdetektere. Der skal også installeres en brugser, således at personer eventuelt kunne opholde sig i rummet, under et kølemiddelsudslip kan skylle ammoniakken af. De 3 sidste indgår under klasser af HFC kølemidler. Da disse kølemidler, ikke er ret gode for atmosfæren, er der lavet nogle lovkrav, samt oplagt en afgift på kølemidlet. Siden starten af 2007 er det ikke lovligt at opsætte eller fremstille nye køleanlæg med en fyldning af HFC kølemidler, med en fyldning på over 10 kg kølemiddels påfyldning, samt anlæg under 150g. Denne regel er lavet for at mindste anlæg der køre med disse kølemidler. Kølemiddels afgiften er også med til få kølebranchen til at gå mere og mere over til de naturlige kølemidler. Der er fx henholdsvis 215 kroners afgift pr kg/kølemiddel ved R134a, 266 kroner ved R407C og 313 kroner ved R410A 7, hvilket er omkring 150 kroner mere end i Dog bliver disse HFC kølemidler stadig brugt mange steder da de har nogle gode egenskaber, da de bland andet hverken er giftige eller brandbare. Det første af dem er R134a, med det kemiske navn CH 2FCF 3. R134a bliver først udviklet for at erstatte et andet kølemiddel ved navnet R-12, som er meget mere skadeligt end R134a. Kølemidlet bliver brugt på rigtigt mange køleanlæg men, ses nok mest brugt til air condition anlæg på biler. De to sidste af dem er R407C og R410A, som begge to er blevet lavet for at erstatte det samle kølemiddel R22. R407C bliver dog mest brugt til varme pumper imens R410A hovedsagligt bliver brugt på stationære air condition anlæg. 8 Efter at have gennemgået disse 6 forskellige kølemidler, lå min personlige mening omkring hvilket kølemiddel der ville være bedst, hvis man også tænker på de tidligere opstillede krav, et af de tre sidste kølemidler. Men da jeg ikke selv havde erfaring med et sådan anlæg fra tidligere, kontaktede jeg Bent Møller 9, for at fremlægge hvad jeg havde fundet ud af. Han sagde med det samme at det var kølemidlerne R407C og R410A man hovedsagligt brugte til disse opgaver. Både ammoniak, isobutan og butan kunne også godt bruges, men anlæg med disse kølemidler, kunne hurtigt komme til at koste over det dobbelte. Han påpegede specielt det med at de var brandbare, hvilket var det der gjorde dem dyrere at konstruere. Grunden til at man bruger R407C og R410A over R134a er at deres fordampningsydelse er højere, hvilket gør at der kan bruges en mindre kompressor på køleanlægget Noget om køleteknik, bind 1 9 Se kontaktpersoner igennem projektet 13

15 Valg af kompressor Der findes rigtig mange forskellige kompressortyper, som hver i sær har sine stærke og svage sider. Dette afsnit vil omhandle nogle af de mest anvendte typer og der vil blive perspektiveret til køleanlægget der skal bruges i dette projekt. Fortrængningskompressorer er den mest anvendte type kølekompressorer, derfor er det også denne type dette afsnit vil omhandle. Fortrængningskompressorens princip bygger på at der indespærres en mængde kølemiddelsdamp i en form for et lukket rum. Kompressoren tilføjer så noget energi til kølemidlet, i form af en tryk- og temperaturstigning, som så smides ud på afgangssiden. Normalt opdeles fortrængningskompressorer i to undergrupper, stempelkompressor og roterende kompressorer. Stempelkompressoren består af et eller flere stempler der, når de bevæger sig nedad, suger kølemiddelsdamp ind i cylinderen. Når stemplet bevæger sig opad komprimeres kølemiddelsdampen og der åbnes først for udgangsventilen når trykket inde i cylinderen, opnår det sammen tryk som er på udgangssiden. Stempelkompressorer findes i mange forskellige varianter og størrelser alt efter hvor stort en kapacitet der er behov for. Ydelsen for en stempelkompressor afhænger af 3 forskellige ting, antallet af cylindre, stemplets diameter og omdrejningshastigheden. Kapacitetsregulering af en stempelkompressor kan gøres på flere forskellige måder. Den nemmeste måde er ved at regulere på omdrejningshastigheden, eller hvis man kan køre med kompressoren i flere trin, så man blot kan slå stemplerne til/fra alt efter om der er behov for mere eller mindre. Der findes også andre mere besværlige måder at kapacitetsregulere på, men de vil ikke være beskrevet her, da de ikke forekommer ret ofte. Stempelkompressoren har dog den negative side at de er store i forhold til sin kapacitet og at de larmer væsentligt mere end de roterende kompressorer. Blandt de roterende kompressorer, er det scroll og skrue kompressorer der er de mest anvendte. Skrue kompressorer er blevet anvendt mere og mere over de sidste år, da man i højere grad benytter sig af skrue kompressorer i steder for stempelkompressoreren. Den store fordel med skruekompressoren er at den problemfrit kan arbejde med ved høje omdrejningshastigheder, den er kompakt, har få bevægelige dele og er viberationsfri. En af de andre grund til at man har set en fremgang af brugen af skruekompressoren, er at man har optimeret på den, for at skabe en bedre driftsøkonomi. Før denne optimering af kompressoren kunne den nemlig kun køre med et fast kompressions forhold, hvilket betød at man måtte drøvle på afgangssiden, for at få et lavere tryk. Dette var selvfølgelig ikke optimalt, da man opbygger et tryk for at 14

16 fjerne noget af det igen. Derfor har man tidligere bygget anlæg der, hvis kuldeydelsen faldt, havde en stempelkompressor der kunne overtage. Skruekompressoren består af to parallelle rotorer der er udformet som skruer, hvor af den ene er en han og den anden er en hun. På han rotoren sættes en motor, der trækker hunnen rundt via hannen. Når de køre rundt danner de et sug i indløbssiden der gør at kølemiddelsdampen bliver suget ind i kompressoren. Kølemiddelsdampene bliver sat under større og større tryk da kammeret hele tiden bliver mindre og mindre. Til sidst kommer dampene frem til udløbet, hvor den har opnået et højere tryk. For at kunne danne helt tæt imellem de to rotorer ligges der er tyk oliefilm. Det tykke olielag gør at man bliver nød til at have en stor olieudskiller på anlægget da der ellers vil komme meget olie med i luften. Scrollkompressor bliver også bruge i rigtigt mange køleanlæg, dog ser man dem oftest i de mindre køleanlæg. Dette er blandt andet fordi den ikke er så stor i forhold sin kapacitet, ingen vedligehold, har en god virkningsgrad samt er meget støjsvag. Scrollkompressoren har, lige som skruekompressoren også have det problem med det faste kompressionsforhold, men også på den her er der sket fremgang, hvad angår dette. Dog har denne løsning været længere tid undervejs, hvilket har gjort at man først inden for de sidste par år er begyndt at bruge scrollkompressorer mere og mere. Scroll kompressoren består af to snegle griber ind i hinanden. Den ene af sneglene sidder fast i kompressoren, imens den anden bevæger sig eksentrisk i forhold til den anden. Den eksentriske bevægelse gør at kølemidler bliver komprimeret, og derved stiger i tryk, da rumfanget imellem de to snegle bliver mindre og mindre. Inde i centrum af sneglene er der en afgang, som leder kølemiddelsdampende ud på højtrykssiden af køleanlægget. 10 Da valget imellem hvilken kompressor type der skulle være på anlægget skulle bestemmes, blev stempelkompressoren udelukket med det samme. Det skyldes blandet andet størrelsen og den høje lyd den laver under drift. Valget faldet derfor på de to roterende kompressor, da det begge to vil være gode til jobbet. Da jeg selv ikke havde den nødvendige viden til at sige hvilket en af de to typer der var bedst, diskuterende jeg det med de køletekniker, jeg kom i kontakt med under, da jeg skulle indhente tilbud. Største delen af de personer jeg snakkede med, helte mest til løsningen med scrollkompressoren. Der blev bland andet sagt at skruekompressoren ikke havde godt at af holde stille over længere perioder, samt de af og til skulle vedligeholdes, hvilket ikke er tilfældet med scrollkompressoren. Efter at have fået tilbud fra alle firmaerne, viste det sig også at 4 ud af 5 havde valgt en løsning med en scroll frem for en skruekompressor. Da der skulle bestemmes ud fra de 5 tilbud, blev det også et af de anlæg med scrollkompressoren der blev valgt. 10 Noget om køleteknik, bind 1 15

17 Valg af fordamper En fordampers opgave er, som tidligere beskrevet, at optage varme fra et rum eller væske og via den varme, fordampe det kølemiddel der er inde i den. Der skelnes imellem 2 principper, de luftkølede og væskekølede fordampere. Formålet med fordamperen der skal anvendes her, er at fjerne noget varme fra en væske, ved at bruge den anden. Af den grund vil princippet for væskekølede fordampere kun være beskrevet i dette afsnit. De væskekølede fordampere anvender en varmeveksler til at overføre varmen. Hvad er en varmeveksler En varmeveksler er en komponent der er designet til effektivt at kunne overføre varme fra en væske eller gas til en anden væske eller gas. Varmeveksleren overføre varmen fra det ene medie til det andet medie igennem en plade, et rør eller en væg. Man kalder denne metode for varmeoverførelse for indirekte overførelse af varmen. Der findes mange forskellige slags varmevekslere, i dette afsnit omtales dog kun de mest anvendte som fordampere. Der er 2 type varmevekslere der er fremherskende når man snakker væske til væske vekselvarmere. Den først type er pladevarmeveksleren, som også er den mest anvendte som fordamper. Pladevarmeveksleren er sammensat af mange tynde rustfrie plader, med et meget lille mellemrum imellem, men med meget store overflader, der gør at den effektivt kan overføre varme til en anden væske. På hvert plade er der lavet et mønster der gør at der kan strømme en væske i mellem pladerne. Pladeren er sammensat således at der skiftevis løber varmt og koldt vand imellem dem. Hvilket også er illustreret på billedet. Mønsteret har også den funktion at de skaber et mere turbulent flow, hvilket resultere i en højere varmeoverføringsevne. Man kan bruge pladsvarmeveksler på to forskellige måder. Man kan køre flowet igennem pladevarmeveksleren i medstrøms eller modstrøms flow. Ved medstrøms flow sendes de 2 væsler ind i samme ende af varmeveksleren og forløber parallelt hen til den anden ende hvor vandet har min udgang. Ved modstrøms flow sender man vandet ind i hver sin side, da man på denne måde kan opnå en højere virkningsgrad. Den højere virkningsgrad opnås da temperaturdifferensen imellem de 2 medier bliver større igennem hele varmeveksleren ved denne metode, hvilket gør at der kan overføres mere varme. Nu højere temperaturdifferens er, desto højere er varmeoverførelsesevnen nemlig. Ved modstrøms flow er det også muligt at få en udgangstemperatur indenfor 2-3 grader af indgangstemperaturen på varmesiden. Med medstrøms flow kan man derimod nemmere styre udgangstemperaturen, da den vil ligge sig tæt op af udgangstemperaturen på det andet medie. Dog er denne metode ikke nær så effektiv Dairy processing handbook 16

18 Den anden type varmeveksler der er meget anvendt er rørvarmeveksleren. Denne type varmeveksler består at en cirkulær beholder med en række rør inden i, der er monteret i endepladerne på beholderen. Den ene af væskerne i varmeveksleren løber inde i rør imens den anden væske løber på ydersiden af rørene, inde i beholderen. Væsken der strømmer inde i rørene, forløber parallelt inde i rørene, enten i et eller flere slag. At væsken kan strømme igennem i flere slag, betyder at den strømmer igennem varmeveksleren af flere gange, dette er bland andet illustreret på billedet. Anvender man varmevekslere med flere slag, har man normalt et lige antal, da det medføre at væsketilslutningen sidder i samme side. Fordelen ved at bruge flere slag er at man derved opnår en højere hastighed inde i varmeveksleren, hvilket øger varmeovergangstallet, dog medføre dette også til større tryktab. En anden negativ side ved denne varmeveksler type er at de er store i forhold til deres effektivitet, hvilket give en mindre ydelse/masse-forhold. Strømningsretningen i rørvarmeveksleren, fungere efter sammen princip som ved pladevarmeveksleren, hvor man både kan køre i med- og modstrøms flow. 12 Da anlægget jo skal være så kompakt som muligt, er der blevet valgt at der skal bruges en pladevarmeveksler som fordamper. Med en pladevarmeveksler, opnår man nemlig det største ydelse/masse-forhold. 12 Termodynamik 17

19 Valg af kondensator Kondensatorens opgave er som beskrevet tidligere at fjerne varmen fra kølemidlet har påtaget i fordamperen. Der skelnes imellem 3 forskellige principper når man snakker kondensatorer, de luftkølede, de vandkølede og fordampningskondensatorer. De luftkølede kondensatorer virker efter samme princip som fx køleren i en bil, hvor køleluften strømmer udvendigt hen over en lamel- eller ribbelflade og med kølemidlet strømmende indvendigt, i nogle rør. Luftkølede kondensatorer bliver mere og mere anvendt, det skyldes bland andet, at vand er blevet meget dyrere (afgifter m.m.) og at vand nogle steder er en mangel vare. Dog har luftkølede kondensatorer ikke ret store varmeovergangstal, hvilket gør at de skal bygges større end hvis man kølede med vand. Det skal dog påpeges at luftkølede kondensatorer kan laves mindre end luftkølede fordampere, selv om de virker efter samme princip. Det skyldes at der i kondensatoren ikke kan forekomme rim eller is og man derfor kan lave mindre anstand imellem lamellerne mindre. Væskekølede kondensatorer bruges stadig nogle steder, da man ved brug af dem kan opnå visse fordele. Selve kondensatoren kan laves billigt og mindre end de luftkølede. Det skyldes at varmeovergangstallet er meget højere, og derfor skal kondensatoren ikke være nær så stor, for effektivt at kunne kondensere kølemidlet. En anden positiv ting ved den væskekølede kondensator er at den kan udnytte varmen fra kondensatoren. Under kondensering overfører man nemlig varmen fra kølemidlet og over til kølevæsken, hvorved man nu har en varm væske, man eventuelt kan bruge til opvarmning af bygninger og lignende. De væskekølede kondensatorer virker efter samme princip som de væskekølede fordampere, som er beskrevet i det forrige afsnit. Fordampningskondensator virker på mange måder som den luftkøledekondensator, hvor en blæser sender noget luft forbi lameller. Denne kondensator er dog også forsynet med nogle små dysser der kan spraye vand ud over lamellerne, hvis luften ikke er nok til at kondensere væsken inde i kondensatoren. Når vandet sprayes over lamellerne fordamper ca. 10% af vandet når det berører lamellerne. Resten af vandet løber ned i en beholder i bunden af kondensatoren, hvor det igen kan bruges. Denne metode er meget mere effektiv, det skyldes at dem energi der bliver brugt på at fordampe vandet, der bliver sprayet på, bliver fjernet fra kølemidlet inde i kondensatoren. Da der skal en stor mængde energi til at få vand til at fordampe, gør det at der hurtigt bliver fjernet en masse energi. Dog har denne type kondensator den ulempe at den af og til skal rensen for aflejringer, fra det fordampede vand. Hvis kondensatoren står et sted der kan forekomme frost, skal der også tages højde for at vandet ikke kan komme under fryse punktet, da det til frostspringe den. 13 Valget af kondensator til dette anlæg, bliver helt klart en luftkøledekondensator. Dette skyldes at der ikke ønskes at der skal anvendes vand til kondensering af kølemidlet. Både fordi det vil blive en ekstra omkostning at få lagt vandrør over til anlægget og den store afgift på vand. 13 Noget om køleteknik, bind 1 18

20 Placering af anlæg Som sagt var der et ønske om at få placeret køleanlægget nede i en lille teknikkælder, der ligger under produktionshallen. Da kælderen ikke er større end cm 2 og kun har et minimum af ventilation, vil rummet simpelthen blive alt for varm under drift af køleanlægget. Dette skyldes at den varme der bliver fjernet i køleanlæggets kondensator, er svarende til den varme der bliver fjernet i fordamperen. Da den nødvendige kuldeydelse for anlægget er 9 kw, vil det betyde at man under drift, opvarmer man rummet med samme effekt. Dette har flere negative påvirkninger, både for køleanlægget, men også for det andet udstyr der skal være i kælderen. For køleanlægget vil det betyde at man skal højere op i kondenseringstryk. Dette skyldes at den temperatur kølemidlet skal kondensere ved, skal være højere end den temperatur der forekommer i rummet, og helst omkring kelvin højere. Da men øger temperaturen ved at øge trykket, vil man derfor få et unødvendigt højt kondenseringstryk. Dette problem kan dog løses, men det vil blive en ekstra udgift, at løse dette problem. Problemet kan løses ved at overføre varmen til et andet medie, som fx ved brug af en varmepumpe, som også er beskrevet i afsnittet Valg af kondensator. En anden løsning ville være, at placere kondensatoren i det fri. Dette vil kræve en ekstra varmeveksler der skal kunne overføre varmen fra det primære kølemiddel, over til et anden sekundært kølemiddel. Varmen fra det sekundære kølemiddel skal så fjernes ved at transporterer over til en anden kondensator, der eventuelt er placeret udenfor. Denne løsning er dog noget dyrere, da man skal ud og investere i en ekstra varmeveksler, samt der skal trækkes rør indefra og ud til at transportere det sekundære kølemiddel ud til kondensatoren. 14 Efter gennemgang af dette, sammen med ledelsen, er det blevet besluttet at køleanlægget godt må placeres udenfor. Denne placering gør dog at anlæggets skal have en væsentligt højere frostsikring end hvis anlægget havde været placeret nede i kælderen. Derfor har man valgt at køre med en blanding af vand og glykol i forholdet 60/40, som gør at frysepunktet for brinen ligger på -25 grader 15. Indhentning af tilbud på køleanlæg Efter at have gjort sig klar over hvad hvilke komponenter der ønskes på køleanlægget, blev der indhentet en række tilbud fra nogle forskellige firmaer, for at få den bedste pris. Igennem en kort samtale med de forskellige firmaer, om hvad vi gerne ville have for at anlæg, kom de med nogle forslag til et anlæg, sammen med en pris. Tilbuddene blev sat op imod hinanden og ud fra de kriterier der var opsat blev anlægget anlæg bestilt. Oplægget over tilbuddene og databladet på det valgt anlæg ligger under bilag Noget om køleteknik, bind

21 Hvad er en varmvandskedel Varmvandskedler laves i alle størrelser og former, alt efter hvad de bliver fyret med, samt hvor meget de skal levere. Da kraftvarmeværket der forsyner bygningen kun kan levere naturgas, er der derfor kun mulighed for at opsætte en naturgas kedel, eller en el patron til at opvarme vandet. Derfor vil dette afsnit kun omhandle disse 2 kedler. Et naturgasfyr består af en brænder, hvor naturgassen bliver afbrændt, og en kedel hvor vandet bliver varmet op. Der findes 2 slags naturgasfyr, det gamle som bare er et almindeligt fyr, og så findes der den nye model som hedder et kondenserende naturgasfyr. De 2 forskellige slags fyr er tegnet, for at få en bedre forståelse af hvordan de ser ud. Forskellen på de 2 forskellige kedler, er at kondenseringsfyret udnytter røggassen fra den afbrændte naturgas, imens den gamle model udleder røggassen igennem skorstenen. Ved brug af en kondenseringskedel kan man opnå virkningsgrader på over 90%, og ved brug af en almindelig kedel, kommer man normalt ikke over en virkningsgrad på 80%. Af denne grund sætter man ikke længere de traditionelle naturgasfyr op længere, men kun kondenserende fyr. 16 Den anden varmvandskedel, der også var en mulighed er ved brug af el patron til at opvarme vandet. Denne varmvandskedel virker næsten på samme måde som den traditionelle naturgas kedel. Men i stedet for at afbrænde noget gas, for at lave varme, bruger man nogle varmelegemer, til at varme vandet op til den ønskede temperatur. Denne løsning er dog meget dyrere end ved brug af naturgasfyr, da prisen på el er højere end prisen på naturgas. For at kunne finde en varmvandskedel i passende størrelse, skulle der beregnes hvor stor en effekt brænderen skal kunne levere for at dække behovet. Formlerne for at beregne behovet er de samme som blev brugt til at finde behovet for køleanlægget, derfor vil de ikke være gennemgået her igen. Der forefinder dog nogle beregninger for brænderne i bilag 2. Det samlede behov er blevet beregnet til 17,1 kw

22 Da der ved udbygningen var opsat et helt nyt gasfyr til gulvvarme og brugsvand, tænkte jeg at hvis det ville være det nemmeste, at kontakte det samme VVS installatør som opsatte den gamle varmvandskedel. Han kendte nemlig til den nuværende installation, og kunne derfor nemmere komme med gode ideer til en løsning. Efter et besøg VVS installatøren, kom vi frem til 2 forskellige løsninger. Den første var at installere en ny kedel parallelt med den eksisterende, for at de sammen ville kunne levere det samlede behov. Den anden løsning lød på at fjerne den eksisterende kedel og erstatte den med en kedel der var stor nok til både at dække behovet for bygningen og mejerianlægget på sammen tid. Prisen på begge løsninger ville næsten være den samme, da det ville have været nødvendigt at lave nye rør, hvis løsningen ved de 2 kedler skulle bruges. Derfor blev vi enige om, at gå med løsningen hvor den eksisterende kedel blev fjernet og der i stedet blev opsæt en større kedel. Der blev også snakket om at lave solvarmere på taget, men dette var man ikke interesserede i fra ledelsens side. Derfor vil der ikke være et afsnit der omhandler en eventuel besparelse, ved brug af solvarmere. Efter et par dage vendt VVS installatøren tilbage, da han og hans rådgivere, havde kommet frem til at det ikke var muligt bruge en gaskedel, da forskellen på afgangs- og udløbstemperaturen ikke ville være højere end 4,5 grader 17. Den lave temperaturforskel vil give problemer med varmeveksleren i gaskedlen, da den ikke vil kunne kondensere, og derfor ville de fraråde denne løsning. Ville vi alligevel bruge løsningen med gaskedlen, skulle der findes en anden VVS installatør, da de ikke ville levere denne løsning. Derfor blev der enighed om at gå med løsningen med el patronen. Først blev der snakket om at sætte el patron op der var stor nok til at kunne holde vandet varmt hele tiden. Jeg fik et tilbud fra VVS installatøren, som også ligger i bilag 2, der var dog flere af produkter der var blevet valg, der ikke passede til opgaven. Bland disse fejl, havde el patronen en alt for stor effekt, i forhold til det behov der er, og så var pumpen der skulle pumpe vandet rundet alt for lille. Det med pumpen, er beskrevet i næste afsnit. Nåede dog aldrig at modtage et revurderet tilbud, før vi blev enige om at gå med en anden løsning. For at undgå at skulle have en stor forsikring foran el patronen, ville man installere en el patron med en mindre effekt. For at kunne opretholde temperaturen på vandet, vil man så bruge en buffertank med varmtvand, der ville kunne holde temperaturen på vandet oppe på en acceptabelt temperatur. Man vil ikke helt kunne undgå at temperaturen falder lidt, men man er villig til at have et lille temperaturfald. Vi nåede aldrig at komme frem hvor stor buffertanken skulle være, eller hvor stor en effekt el patronen skulle være på, men der er uploadet en excel 18 fil hvor det er muligt at se temperaturen efter en times drift, alt efter hvor stor en tank og/eller el patron man vil bruge. Tallene fra excel arket er kun rådgivende, da der er mange faktorer der spiller ind, som der ikke var været muligt at tage højde for, som fx hvordan vandet i tanken kommer til at blande sig med det returvandet. 17 Se bilag

23 Dimensionering af pumpe For at være sikker på at man får sendt den nødvendige mængde vand rundt i systemet, er man nød til at sørge for at pumpen kan levere denne mængde vand, ved det trykfald der er i systemet. Men skelner imellem to forskellige former for tab, den første er de mekaniske tab, og den anden de hydrauliske tab. De mekaniske tab kommer fx fra tab i lejer, imens de hydrauliske blandt anden stammer fra strømningstab. Beregning af de hydrauliske tab i rør vil være beskrevet i næste afsnit. Når man kender til sine trykfald, og det ønskede forbrug kan man se på pumpens kurve om den kan levere den ønskede mængde vand. På billedet oven over er pumpekurven over tre forskellige Grundfos ALPHA2 pumper, som var en af dem der var med i det tilbud, der var lavet over el patronen. På tilbuddet var der ikke angivet hvilket model af pumpen der ville blive leveret, men hvis man bare sammenligner med forbruget på de 4,8 m 3 /h kan man se at ingen af pumperne er i nærheden af at kunne levere den rigtige mængde. En løsning kunne være at sætte 2 eller flere pumper i parallel drift og derved opnår en høj nok leveringsgrad, ellers skulle der bruges en enkelt pumpe der ville kunne levere det hele. Fordelen ved at sætte flere i parallelt drift, er at man kan ændret forbruget, ved at slukke for en eller flere af pumperne. Dette er ikke muligt hvis man kun har en stor. Derfor kan det tit være en fordel at sætte flere pumper i parallelt drift, ikke fordi den store ikke kan levere den lille mængde, men fordi den vil gøre det med en lille virkningsgrad i forhold til, hvis man kun kørte med en af de parallelt koblede pumper. Da der er 2 forskellige processer, der skal kan køre uafhængigt hinanden på mejerianlægget, kan det godt være en fordel, at bruge løsningen med parallelt drift. Før man kan tage den endelige beslutning og bestemme hvilken eller hvilke pumper man vil bruge, er man nød til at kende til trykfaldet på anlægget Centrifugalpumpen 22

24 Dimensionering af rør Da både det kolde og varme vand, samt lufttryk ikke bliver produceret i sammen rum som det skal anvendes i, skal der trækkes nogle faste rør til dette formål. Der var krav til at rørene brugt skulle være mejerirør, at trykfaldet ikke blev alt for stort og at væsken inde i rørene ikke larmer alt for meget under drift. For at kunne dimensionere rørene, er man nød til at kende til de forhold, som rørene vil til blive udsat for. Da det er friktionstabet der er det mest interessante, er det det der vil blive fokuseret på først. Når man regner friktionstab skæner man imellem friktionstabet i lige rør og friktionstabet i enkeltmodstande. Formlen for beregning af friktionstabet i lige rør, ser således ud: Δ p = λ L 1 Hvor: d i 2 ρ c2 λ (lambda) er friktionstallet, som skal findes via Reynoldstal, L er den samlede længde på røret, d i er rørets indre diameter, ρ er densiteten på vandet, ved en given temperatur, c er hastigheden på mediet i rørene. Lambda bestemmes ud fra Reynoldstal. Reynoldstal finde på følgende måde: Re = Hvor: ν er den kinematiske viskositet, ved en given temperatur, η er den dynamiske viskositet, ved en given temperatur. c d i ν = c d i ρ η Reynoldstal er et dimensionsløst tal, der beskriver forholdet mellem inerti- og friktionskræfter i væsken. Reynoldstal bruges til at bestemme hvor turbulent en strømning væsken har, man skæner imellem laminar og turbulent strømning. Ved strømning i rør, siger man at hvis Reynoldstal er mindre end 2300 har man laminar strømning og er det højere, har man turbulent strømning. Ved laminar strømning findes lambda via beregninger, imens lambda ved turbulent strømning, skal finde via opslag i Moodys diagram. I Moodys diagram bruger man Reynoldstal sammen med den relative ruhed for røret, for at finde lambda. Der findes dog formler der tilnærmelsesvis kommer frem til samme resultat, som ved brug af Moodys diagram. Derfor anvendes denne formel ofte i regneark, formlen ser således ud: λ = ( 2 log k ( d i 3,71 + ( 5 0,1 log ( k d i)) Re 0,9)) Hvor: k er den relative ruhed for materialet, fundet via ruheden for materialet divideret med diameteren. Ruheden for forskellige materialer er en opslags værdi og kan også findes bagerst i termodynamikbogen (tabel 10.19). Efter at have sammenlignet resultater med dem fundet via Moodys diagram, man det ses at forskellen er minimal. Da der altid vil forekomme unøjagtigheder ved aflæsning i et diagram, anses denne metode til at være næsten lige så god. Forklaring på laminar og turbulent strømning vil være beskrevet i næste afsnit

25 Den eneste ukendte faktor er nu hastigheden på mediet i røret, da resten af tallene kan findes via opslag. Hastigheden på et medie inde i rør beregnes på følgende måde: Hvor: q v er volumenstrømmen c = 4 q v π d i For at finde det samlede trykfald, skal enkeltmodstandene i systemet også medregnes. Her tænkes der på bøjninger, ventiler osv. Formlen for at beregne friktionsmodstanden for de forskellige enkeltmodstande er ens og ser således ud: Δ p = ζ 1 Hvor: 2 ρ c2 ζ (zeta) er modstandstallet, der variere for de forskellige enkeltmodstande. Modstandstallet for de forskellige enkeltmodstande, kan findes via opslag i tabel, nogle af dem findes bland andet finde i termodynamik bogen, i henholdsvis tabel og bagerst i bogen. 20 Via et Excel 21 ark der er lavet følgende beregninger, med nogle forskellige rør dimensioner for at se hvor stort trykfaldet vil blive i systemet. Excel arket vil være at finde under bilag 3. Da der endnu ikke er lavet helt færdige tegninger over systemet, vil alle enkelt modstande ikke være at finde på excel dokumentet, men blot nogle af dem. Af den grund, er det heller ikke muligt, at kommer med en løsning på hvilken pumpe eller pumper der vil være den bedste løsning. Et godt bud på hvad det muligvis nok bliver er enten to eller tre af ALPHA2 pumperne fra Grundfos, alt efter hvilken model man vælger, eller også en enkelt af serien der hedder MAGNA, som også er fra Grundfos. Dog er disse væsentligt dyrere end ALPHA2 pumperne, hvilket nok gør at valget ikke falder på den. 20 Termodynamik

26 Laminar og turbulent strømning Som beskrevet i forrige afsnit, kan strømningen igennem et rør deles op i 2 forskellige grupper. Laminar strømning forekommer kun ved relative små hastigheder og betegnes som en rolig strømning med glatte strømlinier. Billedet under, ved punktet a, beskriver hvordan strømningen ser ud ved laminar strømning. Ved turbulent strømning er der hele tiden energiudvekling og kryds og tværs af strømlinierne. Et eksempel på turbulent strømning er vist på billedet over ved punktet b. Turbulent strømning forekommer næsten altid når strømning foregår i rør. Som nævnt i forrige afsnit skal friktionstallet λ finde via beregning, hvis man har laminar strømning. Formlen for at beregne friktionstallet ved laminar strømning ser således ud: λ = 64 Re Grunden til at man kan beregne den så let, er fordi at rørets ruhed ikke spiller nogle rolle, ved laminar strømning. Det skyldes at væsken, helt ude ved rørets væk, betegnes for at være stillestående. Ved turbulent strømning, bruger man som sagt Moodys diagram, som er vist på billedet, hvor man har Reynoldstal på X-aksen og henholdsvis friktionstallet og rørets relative ruhed på y-aksen Termodynamik 25

27 Isolering af rør Ifølge DS 452 Termisk isolering af tekniske installationer er det krav der siger at alle rør med kølede eller opvarmede medier skal isoleres, således at uønsket varmeoverførsel forhindres. Dertil er der også et krav til at varmeafgivelsen fra installationen, ikke forhindre reguleringen af rumtemperaturen. I standarten kan man finde nogle regler for hvor stort det maksimale varmetab for forskellige tekniske installationer må være. Man har inddelt installationerne i 5 forskellige isoleringsklasser, hvor klasserne går fra 0 til 4. Nu højere man stiger i klasserne, nu større krav er der til isoleringstykkelsen. Et uddrag fra standarten er vist på billedet. Grunden til at man har lavet disse krav til isoleringen, er de øgede energipriser, samt skærpede miljøkrav, for at spare energi og derved også reducere CO 2 udslippet. Da det varme vand skal bruges i et procesanlæg, kan man ud fra oversigtsskemaet, se at det går under kategori 4. Bruger man isolering fra ROCKWOLL, har de lavet noget beregninger for hvor stor en isoleringstykkelse man skal anvende og hvor stor en isoleringstykkelse de anbefaler at bruge, for også at kunne overholde fremtidige isoleringskrav. Den nødvendige isoleringstykkelse er beregnet ud fra kravene for DS 452, samt ved forskellige temperaturforskelle for røret og omgivelsestemperaturen. Ser man på hvor stor en isoleringstykkelse de mener vil være nødvendigt for rørene til dette projekt, skal man op på en tykkelse omkring 30 til 40mm, hvis man går ud fra at røret er Ø38 og har en temperatur forskel imellem rum og mediets temperatur på 40 grader. Dette kan dog godt svinge alt efter hvilken isoleringstype man ønsker at bruge. Til rørene med det kolde vande, kan man se ikke indgår under nogle af disse klasser. Det skyldes at der ikke er nogle krav til isoleringstykkelsen, når man har med kolde rør at gøre. Der skal dog isoleres, således at eventuelt kondensvand der kan når man fører kolde rør igennem opvarmede rum. Dette kan gøres ved at bruge isolering med dampspærrende membraner. 23 Dog nåede vi aldrig så langt i projektet, og derfor er der ikke tage stilling til hvilken isolering der vil blive brugt på rørene