Emelie Fjellstedt 2015
Examensarbete, 15 hp
Högskoleingenjörsprogrammet i energiteknik, 180 hp
Energiåtervinning ur kylluft
Svenska Lantmännens foderfabrik i Holmsund i samarbete med Umia AB
Emelie Fjellstedt
Förord
Detta examensarbete har utförts som den avslutande delen i min utbildning till högskoleingenjör inom energiteknik vid Umeå universitet. Arbetet omfattar 15 högskolepoäng och har utförts på uppdrag av Umia AB. Arbetet har gett mig nya insikter och lärdom inom området energiteknik samt gett möjlighet till nya kontakter inom branschen.
Det finns ett flertal personer som bidragit till detta projekts fullföljande. Jag vill börja med att tacka min handledare och delägare i Umia AB André Ruuth för ett intressant och lärorikt projekt samt vägledning genom projektets gång. Ett stort tack till alla anställda på Lantmännen i Holmsund som varit väldigt hjälpsamma och hjälpt till med allt ifrån fabriksgenomgång och installationer och ett extra tack till Stefan Bjurbäck som alltid funnits tillgänglig med sin kunskap, svarat på frågor och tagit fram material gällande fabriken. Vidare vill jag tacka till min handledare Mohsen Soleimani-Mohseni på Umeå universitet som inte bara i detta projekt utan även under mina tidigare år som student alltid bidragit med stor kunskap, engagemang och vilja att lära ut.
Sist men inte minst vill jag tacka Energibyrån nord som bidragit med kontorsplats, fungerat som ett bollplank under stora delar av projektet samt att jag fått ta del av den trevliga gemenskapen på arbetsplatsen.
Umeå 2015 Emelie Fjellstedt
Sammanfattning
Lantmännen i Holmsund tillverkar pelleterat djurfoder till gris, nöt, ren och höns. På fabriken finns tre stycken presslinjer som pressar råvarorna till pellets. Vid tillverkning av pellets blandas råvarorna med ånga som håller ca 75-78°C. Ångan gör att pelletsen blir varm och fuktig efter tillverkningen. För att pelletsen ska kunna hålla en god kvalité vid transport och förvaring torkas denna med luft i pelletskylar. Varje presslinje har en egen pelletskyl. Kylluften som lämnar pelletskylarna är relativt varm och fuktig. En del av energin som finns i kylluften tas idag tillvara på i ett återvinningssystem som ger värme till fabriken och melassanläggningen. Trots den nuvarande återvinningen är kylluftluftflödet fortfarande varmt när den lämnar byggnaden.
En del av målet i arbetet har varit att reda på vilken energi som finns i den utgående kylluften och vilken kvalité denna har. Den andra delen av syftet har varit att utreda hur denna energi kan tas tillvara.
Mätningar visar att kylluften från press 1 och 2 håller en medeltemperatur på ca 45°C och ett medel volymflöde på 7,5 m3/s när den lämnar byggnaden. Från presslinje 3 håller luften en något högre temperatur och volymflödet är ungefär hälften.
Möjliga avsättningsområden för energin är fabriksvärmesystemet, melassanläggningen samt tappvarmvatten.
Ungefärligt energibehov för dessa områden är:
Melassanläggning 133 MWh Fabriksvärme 68 MWh Tappvarmvatten 15,6 MWh
För att dessa områden ska kunna tillgodogöra sig energin som finns i kylluften behöver
temperaturerna in i systemen vara högre än vad som finns tillgängligt i kylluften. För detta ändamål föreslås att två stycken värmepumpar installeras på fabriken. En värmepump för att värma
melassanläggningen och en värmepump som kan förse fabriksvärmesystemet och tappvarmvattenberedning med värme.
Det finns ett stort energiöverskott från kylluften kontra avsättningsområdena. Energitillgången från frånluften är dock inte konstant utan styrs efter produktionen i fabriken. Genom att installera en ackumulatortank visar beräkningar att värmepumparna skulle kunna täcka 80 % av
energiförbrukningen.
Ekonomiska beräkningar visar att Lantmännen i Holmsund kan göra en besparing på 130 000 kr/år om de föreslagna åtgärderna införs. Återbetalningstiden för anläggningen beräknades till 8,1 år.
Abstract
Lantmännen in Holmsund produces pelleted animal feed for pigs, cattle, reindeer and chickens. In the factory there are three press lines which press the raw material into pellets. To manufacture the pellets raw materials are mixed with steam at a temperature of 75-78°C. The steam makes the pellets warm and moist, and after manufacturing the pellets need to dry in a cooler. Each press line has its own pellet cooler. The cooling air is relatively warm and moist at the exhaust from the pellets coolers. Some of the energy from the cooling air is used in a recovery system that provides heat to the factory and molasses plant. Despite the current recovery system, the air is still warm when it leaves the building.
The main objective of this study was to determine the energy contained in the exhaust air flow and which quality it has and also to investigate how this energy can be utilized.
Measurements showed that the air from the press 1 and 2 has an average temperature of about 45°C and a mean volume flow of 7.5 m3/s combined when it leaves the building. The air from press line 3 has slightly higher temperature and the volume flow is about half.
This study shows that the factory heating system, molasses plant and domestic hot water are areas where the energy can be used.
Approximate energy demands for these areas are:
Molasses Plant 133 MWh Factory Heat 68 MWh
Domestic hot water 15.6 MWh
If these areas are to benefit from the energy in the cooling air the temperature into the systems needs to be higher than what is available in the cooling air. The suggested solution is an installation of two heat pumps. One heat pump to the molasses plant and one heat pump to the factory heating system and domestic hot water.
There is a large energy surplus from the cooling air versus usage areas. Energy from the exhaust cooling air is not constant since it depends on the production in the factory. By installing a storage tank, calculations shows that the heat pumps can cover 80 % of the energy consumption.
Economic calculations shows that Lantmännen in Holmsund could save 130 000 SEK/year if the proposed installations are carried out. The payback time is calculated to 8.1 years.
Innehållsförteckning
1. Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Målsättning ... 1
1.3 Syfte ... 1
1.4 Avgränsningar ... 2
2. Teknisk beskrivning ... 3
2.1 Processbeskrivning ... 3
2.1.1 Ångpannan ... 3
2.1.2 Pelletspressar ... 3
2.1.3 Pelletskylar ... 4
2.1.4 Fläktar och filter ... 4
2.2 Avsättningsområden ... 5
2.2.1 Återvinningsanläggning ... 5
2.2.2 Fabriksvärmesystem och 90 kW elpanna ... 5
2.2.3 Melasstankar samt 100 kW elpanna ... 6
2.2.4 ACO-tankar ... 7
2.2.5 Tappvarmvatten ... 7
3. Teori ... 8
3.1 Värmepump ... 8
4. Metodbeskrivning ... 12
4.1 Fabriksgenomgång ... 12
4.2 Litteraturstudie ... 12
4.3 Mätningar av kylluft ... 12
4.4 Energibehov ... 13
4.5 Effektbehov ... 13
4.5 Tillgänglig energi och effekt ... 13
4.6 Ackumulatortank för kyleffekt ... 14
4.7 Ackumulatortank för varmvatten ... 14
4.8 Värmepump ... 15
4.8.1 Dimensionering av värmepump ... 16
4.9 Återvinningsbatteri ... 16
4. 10 Ekonomi ... 17
5. Resultat ... 19
5.1 Mätningar presslinje 1 och 2 ... 19
5.2 Mätningar presslinje 3 ... 20
5.3 Sammanfattning mätningar ... 22
5.4 Energi - och effektbalans ... 22
5.4.1 Effektbalans ... 22
5.4.2 Energibalans ... 23
5.5 Ekonomi ... 23
5.6. Åtgärdsförslag ... 24
6. Fler förslag till effektiviseringsåtgärder ... 25
6.1 Temperatur och styrning av melassanläggning ... 25
6.2 Frekvensstyrning av fläktar ... 25
6.3 Ventilation utan återvinning ... 25
7. Diskussion ... 26
7.1 Felkällor och mätfel ... 26
7.2 Effekt - och energitäckning ... 26
7.3 Ekonomi ... 27
8. Slutsats ... 28
9. Källförteckning ... 29
Bilaga ... 30
1
1. Inledning
Industriproduktion är ofta en energikrävande process. I Sverige står industrisektorn för drygt en tredjedel av energianvändningen. Energikostnaderna är ofta en stor del av produktionskostnaderna.
Det finns ett flertal sätt att effektivisera energianvändningen. Det kan t.ex. vara minskade
transporter, optimering av produktionen eller att återvinna energi från processen. Genom att öka nyttjandet av den egna tillgängliga energin minskar behovet av köpt extern energi som följaktligen bidrar till en ekonomisk lönsamhet för fabriken. En annan aspekt i det hela är hushållande med naturens resurser. Genom att minska andel köpt energi så bidrar det till mindre användning av fossila bränslen samt mindre utsläpp av växthusgaser.
1.1 Bakgrund
Lantmännen har sju fabriker som tillverkar djurfoder i Sverige. Den nordligaste fabriken är belägen intill hamnen i Holmsund utanför Umeå. Fabriken har 10 anställda och tillverkar pelleterat djurfoder åt gris, nöt, ren och höns. Anledningen till att fodret pelleteras är flera. En av anledningarna är att de tar mindre plats vid transport. En annan är att oskadliggöra eventuellt skadliga, och i vissa fall smittsamma, bakterier i produktionen.
Totalt finns tre stycken presslinjer som pressar spannmål till pellets. Fabriken har en 2 MW ångpanna som förser pelletspressarna med ånga. Pelletsen blir varm och fuktig vid tillverkningen varvid torkning med luft sker i pelletskylar. Kylluften som lämnar pelletskylarna håller en hög temperatur och en del av energin återvinns till fabriksvärmesystemet genom återvinningsbatterier.
Batterierna tar bara upp en viss del av energin som finns i kylluften vilket innebär att luften som lämnar byggnaden fortfarande är varm. Luftflödet genom pelletskylarna är relativt stort vilket gör att det borde vara möjligt att återvinna en större del av den utgående kylluften.
Energibehovet till fabriken är varmhållning av fabriksutrymmen, personalutrymmen, tappvarmvatten samt tankar som innehåller melass och fett, vilket används vid tillverkning av djurfoder. Dagens återvinning täcker inte hela energibehovet för fabriken vilket innebär att fabriken även har tre elpannor. Två av dessa elpannor täcker upp fabriksåtervinningssystemet medan den tredje pannan är till för att värma aco-tankarna som innehåller fetter.
1.2 Målsättning
Målsättningen med examensarbetet är att undersöka om det är möjligt att ta ut mer energi från pelletskylarnas utgående kylluft. En utredning skall göras vilken kvalité och hur stor energimängd den utgående kylluften har efter de befintliga återvinningsbatterierna. Det skall även utredas vilka avsättningsområden som kan ta tillvara på energi. En annan del av målet är att presentera ett förslag på hur energin kan tas tillvara samt reda ut ifall det är ekonomiskt försvarbart.
1.3 Syfte
Syftet med detta arbete är att beräkningar över tillgänglig energi och möjliga avsättningsområden ska vara ett stöd vid framtida energieffektiviseringsåtgärder på fabriken.
2
1.4 Avgränsningar
Alla mätningar gjordes under en begränsad tid på året. Beräkningarna grundar sig på dessa mätdata och tar inte hänsyn till variationer under året.
En fullständig dimensionering av värmebatteri och rördragningar gjordes inte. Däremot ges det ungefärliga kostnadsförslag på vad detta kan tänkas kosta.
Totaltrycksförluster över fläktar vid införande av nya komponenter har inte beräknats. Vilken totaltryckshöjning som återvinningsbatterierna bidrar till kan fås av tillverkare vid dimensionering.
3
2. Teknisk beskrivning
Detta avsnitt är en beskrivning över hur tillverkningsprocessen på fabriken ser ut samt vilka avsättningsområden för energi som finns i fabriken.
2.1 Processbeskrivning
Det finns ett flertal olika delar vid tillverkning av pelleterat djurfoder. Först och främst krävs råvaror t.ex. spannmål och fetter. Råvaror anländer till fabriken via båtar eller lastbilar. Råvarorna pressas därefter till pellets på en så kallad presslinje. Efter tillverkningen torkas pelletsen i pelletskylar.
Presslinjen består av flera olika moment och en schematisk bild över ordningen på presslinjerna syns i Figur 1.
Figur 1 En schematisk bild över presslinjerna. De streckade linjerna visar kylluftflödet.
2.1.1 Ångpannan
Vattenånga är en förutsättning för att råvarorna ska kunna pressas till pellets. Ångan produceras i en 2 MW pelletseldad panna. Drifttiden för pannan är sex dagar i veckan, då produktionen står still en dag i veckan. Vid tillverkning av processvattnet används kommunalt vatten. Innan vattnet förångas förvärms detta i flera steg. Vattenångan till fodret håller en temperatur på ca 75-78°C. Ångan tillsätts i fodermjölet i en blandare som sitter direkt innan pelletspressen.
2.1.2 Pelletspressar
Det finns tre pelletspressar på fabriken som är placerade på plan 3. I pelletspressarna leds malt fodermjöl in i en roterande matris med två rullar som är fastmonterade inne i matrisen. I matrisens centrum leds fodermjölet in och pressas ut av de roterande rullarna genom matrisens hål. Pelletsen skärs därefter till önskad längd.
4 2.1.3 Pelletskylar
Efter pressning av råvaror till pellets är pelletsen varm och fuktig. För att pelletsen ska hålla bra kvalité vid förvaring så torkas denna i pelletskylar. Pelletskylarna är uppbyggda likt kvadratiska lådor.
Pelletsen matas in i toppen och lämnar kylen i botten med en skruvmatare. Fläktar är placerade efter pelletskylarna och skapar ett undertryck som gör att luft sugs in genom springor i nedre delen av pelletskylarna. Luften sugs genom pelletskylen och ut i toppen, se Figur 2. Tiden det tar för pelletsen att passera hela pelletskylen, dvs. kyltiden, är ca 20 min.
Figur 2 En skiss över en pelletskyls olika delar.
Efter pelletskylarna sitter filter, fläktar och därefter återvinningsbatterier som tar upp värme från den utgående kylluften. Det finns ett stort återvinningsbatteri efter det att luftflödet från presslinje 1 och 2 går ihop. Ett batteri finns även på presslinje 3. Efter återvinningsbatterierna lämnar den fortfarande relativt varma luften fabriken. Luftflödet från press 1 och 2 går ut i en kanal genom taket på plan 2 medans luftflödet från press 3 går ut genom en kanal på väggen, strax under tak, på plan 3.
2.1.4 Fläktar och filter
Luften filtreras i korgar klädda med filterstrumpor som sitter i filterskåp. Dessa rengörs automatiskt med tryckluft. Dammet som sugs bort med tryckluften transporteras ut från filterskåpet med en cellmatare. På presslinje 3 sker även filtreringen med en cyklon. Cyklonen avskiljer större stoft innan luften åker in i två filterskåp. Presslinje 1 och 2 saknar cyklon och har två stycken filterskåp.
Det finns totalt tre stycken centrifugalfläktar på 30 kW vardera, en för vardera presslinje. Fläktarna drivs av remdrivna elmotorer och är placerade i slutet av presslinjen efter kylarna. Fläkten till press 3 är placerad på plan 3 i samma rum som pelletspress 3. De andra två fläktarna är placerade i samma rum som pelletskylarna på plan 2. Fläkten för presslinje 3 är av typen LMB 63-3 med ett maximalt varvtal på 1560 rpm. Fläktarna till press 1 och 2 är av typ LMB-56 och har ett maximalt varvtal på 1900 rpm. Fläktarna är frekvensstyrda och frekvensen styrs av differenstemperaturen mellan kylrummet och temperaturen på pelletsen. Elmotorerna som driver fläktarna går på ca 80 % av märkeffekt under största delen av året, vilket motsvarar 35-40 Hz. När det är kallt kan motorerna gå ner till 60-75 %. Luften som sugs in i fläktarna har aldrig en temperatur under + 5°C, vid dessa
5 förhållanden ska fläktarna gå på 40-50 % av effekten. Styrningen av detta fungerar dock inte
optimalt. Hur filter, cyklon och fläktar är placerade syns i Figur 3 och Figur 4.
Figur 3 Cyklon, filter, återvinningsbatteri och fläkten på presslinje 3.
Figur 4 Filter, fläktar och återvinningsbatteri på presslinje 1 och 2.
2.2 Avsättningsområden
För att värma anläggningen krävs energi. Var energin kommer ifrån samt var den används redovisas under detta avsnitt.
2.2.1 Återvinningsanläggning
Fabriken har ett värmesystem som återvinner överbliven värme från produktionen till uppvärmning av personalutrymmen och varmhållning av melasstankar. Återvinningsbatterierna är vätskebatterier där den cirkulerande vätskan i batterierna värms upp av den varma luften. Återvinningssystemet är kopplat till tre ackumulatortankar två stycken på 3 m3 vardera och en stor på 20 m3. trekubikmeter- ackumulatortankarna lagrar värmen som går till radiatorer, luftvärmare och värmebatteri till
ventilation. Tjugokubikmeter-tanken har två funktioner, den ena är att förvärma råvattnet som går in i ångpannan och den andra är att värma melasstankarna. När inställd framledningstemperatur inte längre kan levereras går elpannorna in och värmer systemet. Vid inspektion har trekubikmeter- tankarna hållit en temperatur på runt 40ᵒC.
2.2.2 Fabriksvärmesystem och 90 kW elpanna
En del av spillvärmen från produktionen tas idag tillvara i fabrikens återvinningssystem. Värme från presslinje 1 och 2 tas ut från ett återvinningsbatteri som sitter efter fläktarna. Värmen avges därefter via värmeväxlare till fabrikens värmesystem. Vid behov spetsas fabriksvärmesystemet med en 90 kW elpanna. Personalen antecknar elmätarställning av denna veckovis. Fabriksvärmesystemet värmer personalutrymmen, radiatorer, luftvärmare och värmebatterier till ventilation.
Framledningstemperaturen regleras enligt kurva i systemets dataundercentral (DUC) utifrån utomhustemperatur. Elpannan startar när den inställda framledningstemperaturen i systemet inte längre kan erhållas från ackumulatortankarna.
Elpannan till fabriksvärmeanläggningen är relativt ny och installerades i januari 2014 och loggad elförbrukning finns därför enbart tillgänglig från denna tid. Elpannans elförbrukning var mellan april 2014 till april 2015 totalt 68 MWh och elförbrukningen veckovis under perioden går att se i Figur 5.
6 Under år 2015 har årsmedeltemperaturen än så länge varit +6 - 7ᵒC varmare än normalt.
Årsmedeltemperaturen är ett medelvärde mellan åren 1961 - 1990 (SMHI, 2015). Under ett kallare år är elförbrukningen troligtvis högre. Under sommarmånaderna finns av naturliga skäl inget större uppvärmningsbehov av fabriken.
Figur 5 Elförbrukningen för fabriksvärmeanläggningen mellan perioden 140331-150330 veckovis.
2.2.3 Melasstankar samt 100 kW elpanna
Melass är en restprodukt från sockerproduktion och är en råvara som används i djurfoder.
Anläggningen består av totalt fem stycken tankar samt en pannstation med en äldre elpanna. En stor del av melassen förvaras i stora tankar utomhus som hålls varma för att hålla melassen flytande.
Tank 1, 2 och 3 hålls varma av två separata värmeslingor i nedre delen av tanken. Tank 4 är en mindre tank och har en värmeslinga som går utvändigt runt hela tanken. Tank 12 står inomhus på plan 3, i samma rum som pelletspressarna. Vid fodertillverkning tas melassen från tank 12, denna fylls på från de andra tankarna när nivån är låg. Tank 4 är i regel tom, denna fungerar som
försäljningstank och töms direkt efter påfyllning, denna tank har därför inget behov av varmhållning.
Melassen i tankarna utomhus förvaras vid en temperatur på 20°C. När det är dags att tömma tankarna utomhus så höjs temperaturen några dagar innan till 30°C för att melassen ska vara lättare att pumpa. Tank 12 håller en temperatur på strax över 30°C. Melasstankarnas volym går att läsa i Tabell 1. Effekten som utgår till melasstankarna styrs av returtemperaturen. Styrningen är inställd så att returtemperaturen skall hållas konstant. Vid kontroll har returtemperaturen på elpannan varit 46°C och framledningstemperaturen 52°C.
Tabell 1 Mellastankarna och dess volym.
Tank Volym
Tank 1 480 m3
Tank 2 380 m3
Tank 3 280 m3
Tank 4/försäljningstank 40 m3
Tank 12/dagtank ca 3 m3
Elpannan är på 100 kW och har tillverkningsår 1993. Elförbrukningen, enligt pannans loggbok, tre år tillbaka i tiden ses i Tabell 2. Denna elpanna har under projektets gång bytts ut mot elpannan som användes för att värma aco-anläggningen. Under perioden april 2012 – mars 2013 var
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 1 3 5 7 9 11 13
kwh
Vecka
7 elförbrukningen över 50000 kWh mer per år än de senare åren. Detta kan förklaras med att
årsmedeltemperaturen år 2014 var + 2,8ᵒC högre än normalt samtidigt som årsmedeltemperaturen år 2013 var + 1,8ᵒC högre än normalt (SMHI, 2015).
Tabell 2 Elförbrukningen på elpannan i melassanläggningen tre år tillbaka i tiden.
April 2012- mars 2013 April 2013 – mars 2014 April 2014 – mars 2015
169040 kWh 112255 kWh 117675 kWh
Elförbrukningens medelvärde under de tre senaste åren uppgår till ca 133 MWh/år. Hur elförbrukningen är fördelad veckovis under april 2014 – mars 2015 syns i Figur 6.
Figur 6 Elförbrukningen för melassanläggningen mellan perioden 140331-150330 veckovis.
2.2.4 ACO-tankar
Ett separat värmesystem finns för att värma aco-tankarna. I dessa tankar förvaras fetter som används vid foderproduktionen. Detta system värms med en 90 kW elpanna och ingår inte i
återvinningssystemet. Fettet i tankarna hålls varmt för att vara lättflytande och pumpbart, vid inspektion har en temperatur på 55-57°C hållits i de tre tankarna. Vid kontroll har
tilloppstemperaturen från elpannan varit 68 °C och returtemperaturen till pannan 61°C.
Elpannan håller en relativt jämn elförbrukning oavsett årstid. Antecknad elförbrukning finns tillgänglig från 2014-09-08. Ett medelvärde veckovis från denna tid fram till 2015-04-07 visar att elpannan förbrukar 960 kwh/vecka. På ett år blir elförbrukningen ca 50 MWh. Denna panna har under projektets gång bytts ut mot en mindre elpanna på 42 kW.
2.2.5 Tappvarmvatten
För uppvärmning av tappvarmvatten finns två varmvattenberedare. En större beredare som är en del av återvinningssystemet. Denna klarar inte enskilt av att täcka upp behovet av varmvatten. Som spets till denna beredare har därför en 100 l varmvattenberedare med elpatron installerats separat.
Elberedaren är av typ NIBE EVH 16-100-R och har en installerad effekt på 1 kW.
Varmvattenberedaren håller en temperatur på 64°C. Elförbrukningen har uppmätts till drygt 300 kWh/vecka. Under ett år blir elförbrukningen ca 15600 kWh.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 1 3 5 7 9 11 13
kwh
Vecka
8
3. Teori
Detta avsnitt behandlar teori som ligger till grund för en värmepumps värmefaktor och effektivitet.
3.1 Värmepump
Den grundläggande funktionen för en värmepump är att flytta energi i form av värme från ett kallt medium till ett varmt medium. Enligt termodynamikens andra huvudsats kan ett medium aldrig förflyttas av sig själv från kallt till varmt. Detta innebär att ett mekaniskt arbete måste tillföras för att en värmepumps funktion ska kunna uppnås. I en värmepump sker det mekaniska arbetet med en kompressor (Cengel & Boles, 2006).
Arbetet som kompressorn kräver vid en ideal process kan beskrivas med ekvation 1.
𝑊𝑛𝑒𝑡,𝑖𝑛= 𝑄𝐻− 𝑄𝐿 (1)
Där:
Wnet,in = tillfört arbete till kompressorn [kW]
QH = avgiven värmeeffekt [kW]
QL = upptagen effekt [kW]
Arbetscykeln för en värmepump är densamma som för en kylmaskin. Den vanligaste typen av arbetscykel i en värmepump är den så kallade förångningscykeln, se Figur 7. I dess enklaste form består denna av en förångare, kompressor, kondensor och strypventil. Kretsen är slutet och mediet i värmepumpen benämns köldmedium.
Figur 7 En värmepump i dess enklaste form med förångare, kompressor, kondensor och strypventil.
I förångaren är trycket lågt och köldmediet kommer in i förångaren i form av vätska. Den lågvärdiga energin, QL, tillförs i förångaren och köldmediet börjar koka. Kompressorn har som uppgift att komprimera ångan som bildas när köldmediet kokar. Vid komprimeringen intar köldmediet gasform och gasen leds in i kondensorn där värme avges, QH, och köldmediet kondenserar. Det
kondenserande köldmediet tillförs förångaren via strypventilen. Strypventilen har till uppgift att reglera trycket och mängden köldmedium. Efter strypventilen kan förångningscykeln återupptas.
(Björk, o.a., 2013).
9 Den ideala förångningsprocessen kan även beskrivas i ett temperatur - och entropidiagram, ett så kallat TS-diagram se Figur 8. Mellan 1-2 höjs temperaturen och entropin bevaras, kompressorns arbete sker. Mellan 2 -3 sker en minskning av både temperatur och entropi och värme tas ut från kondensorn. Mellan 3-4 sänks temperaturen medans entropin ökar något, här sitter strypventilen.
Mellan 4-1 tar köldmediet upp energi genom förångaren och entropin ökar (Soleimani-Mohseni, Bäckström, & Eklund, 2014).
Figur 8 Förångningscykeln i ett TS-diagram, y-axeln står för temperatur och x-axeln för entropi och. 1-2 är kompressorns kompression, 2-3 är kondensorn och värmeuttag. 3-4 är över strypventilen och 4-1 är upptag av energi samt förångningen.
I verkligheten sker inte kompressionen av ångan reversibelt vilket innebär att hänsyn bör tas till kompressorns isentropiska verkningsgrad, se ekvation 2.
𝜂𝑘 =ℎ2𝑠− ℎ1
ℎ2− ℎ1 (2)
Där:
ηk = isentropisk verkningsgrad h2s = ideal entalpi [kJ/kg]
h1 = entalpi [kJ/kg]
h2 = entalpi [kJ/kg]
Effektiviteten hos en värmepump beror på vilken energi som kompressorn kräver och vilken energi som värmepumpen avger. Detta beskrivs av ett enhetslöst mått som kallas COP-värde (coefficient of performance) eller värmefaktor på svenska, se ekvation 3.
𝐶𝑂𝑃ℎ𝑝 = 𝑄𝐻 𝑊𝑛𝑒𝑡,𝑖𝑛
(3) Där:
COPhp= värmefaktor
QH= avgiven värmeeffekt [kW]
Wnet,in = tillfört arbete till kompressorn [kW]
10 Precis som värmefaktor, beskriver finns för värmepumpens effektivitet beskriver kylfaktorn
effektivitet för kylmaskiner. Sambandet mellan värmefaktor och kylfaktor är enligt ekvation 4:
𝐶𝑂𝑃ℎ𝑝= 𝐶𝑂𝑃𝑟+ 1 (4)
Där:
COPhp= värmefaktor COPr= köldfaktor
Den teoretiskt högsta kyl – och värmefaktor som kan uppnås är direkt kopplat till temperaturer.
Detta kan beskrivas med en Carnotcykel. En Carnotcykel beskriver högsta möjliga temperaturutbyte som kan ske i en ideal process. Lågvärdig energi, QL, tillförs mellan a och b. En högre energi, QH, tas ut mellan d och c. Kompressorarbetet blir arean mellan dessa temperaturer och hela arean under d och c motsvarar energin som kan tas ut, QH. Detta visar att kompressorarbetet är proportionellt mot temperaturhöjningen, se Figur 9.
Figur 9 Carnotcykeln beskriver det bästa möjliga temperaturutbytet i en process.
Förångaren kan ses som en värmeväxlare där man överför energin från ett medium till ett annat.
Även kondensorn kan betraktas på samma sätt. I kondensorn har värmesänkan en stor del i hur mycket energi som kan överföras. Enligt Carnotverkningsgraden så ska skillnaden mellan TL och TH
vara så liten som möjligt för att få en optimal verkningsgrad, detta enligt ekvation 5 (Björk, o.a., 2013).
𝜂𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡= 1 −𝑇𝐿 𝑇𝐻
(5) Där:
ηcarnot = ideal verkningsgrad
TL = köldmediets temperatur i förångaren [K]
TH = köldmediets temperatur i kondensorn [K]
Det finns en stor betydande skillnad mellan ett bränsle eldat system eller elpanna och ett system som värms med en värmepump. En bränsleeldad panna bör hålla en hög temperatur för att undvika kondensutfällning. Pannan kan ge hetvatten upp till 80 °C och kopplas via en shunt till
11 värmesystemet. I ett sådant system är det ofta väldigt fördelaktigt med en ackumulatortank då den momentana effekten är större än vad systemet behöver. Det blir en hög verkningsgrad på systemet vid höga temperaturer. I en värmepump blir det tvärtom. En värmepump är som mest effektiv när skillnaden i temperatur mellan kalla och varma sidan är liten. En värmepump producerar således inte varmare vatten än vad systemet behöver, detta kallas för flytande kondensering. Om värmepumpen skulle arbeta likt en vedpanna med hög framledningstemperatur och shuntventil kallas detta fast kondensering. Det finns fall då fast kondensering eller en kombination med fast- och flytande kondensering kan vara nödvändigt att används i värmepump sammanhang, detta ger dock en dålig verkningsgrad på systemet (Björk, o.a., 2013).
Energin som går att ta tillvara på från kylluften beror på massflödet och skillnaden i entalpin mellan den ingående och utgående luften i en värmepump. Energin som utnyttjas från den tillgängliga kylluften kan beräknas med ekvation 6.
𝑄𝑢𝑡𝑛𝑦𝑡𝑡𝑗𝑎𝑑= 𝑚̇ × 𝑐𝑝× (𝑇𝐿,𝑖𝑛− 𝑇𝐿,𝑢𝑡) (6)
Där:
𝑚̇ = massflöde [kg/s]
cp = luftens specifika värmekapacitet [J/kg * °C]
TL,in = Luftens temperatur före förångaren [°C]
TL,ut = Luftens temperatur efter förångaren [°C]
Den utnyttjade energin från kylluften är densamma som den upptagna energin i värmepumpen.
Avgiven energi till värmekällan beror som tidigare nämnts på värmesänkan i kondensorn. Den avgivna energin beräknas med ekvation 7.
𝑄𝑎𝑣𝑔𝑖𝑣𝑒𝑛 = 𝑚̇ × 𝑐𝑝× (𝑇𝐻,𝑖𝑛− 𝑇𝐻,𝑢𝑡) (7)
Där:
𝑚̇ = massflöde [kg/s]
cp = luftens specifika värmekapacitet [J/kg * °C]
TH,in = värmesänkans temperatur före kondensorn [°C]
TH,ut = värmesänkans temperatur efter kondensorn [°C]
12
4. Metodbeskrivning
Detta avsnitt beskriver genomförande och hur mätningar skett för att uppnå målsättningarna.
4.1 Fabriksgenomgång
För att skapa en större inblick i problemformuleringen och hur denna skulle kunna lösas så gicks fabrikens olika delar igenom med driftpersonal på fabriken. Alla komponenter från
processtillverkningen till uppvärmningssystem behandlades. Efter rundvandring och samtal med personal skapades den tekniska beskrivningen för att ge en helhetsbild av processens olika delar.
Fabriksgenomgången var även till stor nytta när möjliga avsättningsområden studerades.
4.2 Litteraturstudie
För att skapa en djupare inblick hur ett värmepumpsystem fungerar samt hur detta kan tillämpas på Lantmännen i Holmsund gjordes en litteraturstudie. Det studerades hur komponenter fungerar och hur dessa hänger samman. Det studerades även vad en värmepumps effektivitet påverkas av.
Teoridelen kan ses som en sammanfattning på litteraturstudien. Litteraturstudien har även inneburit att läsa igenom liknande examensarbeten som tidigare utförts.
4.3 Mätningar av kylluft
För att ta reda på vilken energi det finns i kylluften mättes temperatur, flöden samt relativ fukthalt i den utgående kylluften. Relativ fukthalt uttrycks som kvoten mellan aktuell mängd vattenånga och mängden mättad ånga vid aktuell temperatur (Warfvinge & Dahlblom, 2010). Mätutrustningen som användes är Testo 435-4 som kan logga lufthastighet, fukthalt och temperatur samtidigt.
Mätningarna på presslinje 1 och 2 gjordes från kl. 12:27 till kl. 8:25 dagen efter. Loggningarna gjordes med 2 minuters mellanrum. Detta för att få en uppfattning hur kylluftflödet varierar under
tillverkningsprocessen. Mätningarna av luften på press 1 och 2 gjordes efter det befintliga återvinningsbatteriet innan kylluften lämnar byggnaden.
Mätningarna på presslinje 3 gjordes från kl. 9:39 till kl. 8:13 dagen efter. Loggningarna gjordes med 1 minuts mellanrum. Även här utfördes mätningarna i slutet av kanalen innan utgående kylluft lämnar byggnaden.
Håltagning i luftkanalerna var nödvändigt för att mätinstrumentet skulle kunna placeras i kanalerna.
Kanalernas mått mättes och kanalens tvärsnittsarea är därefter bestämd med ekvation 8 för cirkulära kanaler och ekvation 9 för rektangulära kanaler.
Tvärsnittsarea för cirkulära kanaler:
𝐴𝑐 = 𝜋 ×𝑑2 4
(8) Där:
Ac = kanalens tvärsnittarea [m2] d = kanalens diameter [m]
π = pi
Tvärsnittsarea för rektangulära kanaler:
𝐴𝑐= 𝑏 × ℎ (9)
Där:
Ac = kanalens tvärsnittarea [m2]
13 b = kanalens bas [m]
h = kanalens höjd [m]
Volymflödet kan därefter beräknas med ekvation 10.
𝑉̇ = 𝐴𝑐× 𝑐 (10)
Där:
V̇ = Volymflöde [m3/s]
Ac = tvärsnittsarea [m2] c = luftens hastighet [m/s]
4.4 Energibehov
Möjliga avsättningsområden i fabriken är fabriksvärmesystem, aco-anläggning, melassanläggning samt tappvarmvatten. Elförbrukningen som noterats veckovis av personalen överfördes till Excel för att enkelt kunna göra beräkningar och diagram.
För att ta reda på hur stor elförbrukningen för uppvärmning av tappvarmvatten installerade personal på fabriken en elmätare. Elmätaren lästes av två gånger under två veckor. Den totala elförbrukningen under et år baseras enbart på dessa två avläsningar.
Som syns i Tabell 3 uppgår det totala energibehovet för fabriken till ca 266 MWh/år.
Melassanläggningen står för 50 % av det totala energibehovet, fabriksvärmen 25 %, aco-tankarna 19
% och tappvarmvatten står för 6 %.
Tabell 3 Totalt energibehov för fabrikens uppvärmningsbehov.
Anläggning Energibehov/år
Fabriksvärme 67953 kWh
Melassanläggning 132990 kWh
Aco-tankar 49816 kWh
Tappvarmvatten 15600 kWh
Totalt 266359 kWh
4.5 Effektbehov
Den installerade effekten (exkl. återvinningssystemet) uppgår idag till 281 kW, där aco - och fabriksanläggningen har en elpanna på 90 kW vardera, melassanläggningen har en elpanna på 100 kW samt elpatron för tappvarmvatten 1 på kW.
Att ta reda på en byggnads maximala effektbehov är tämligen komplicerat. Det behövs data om byggnadens klimatskal och tidskonstant, något som inte finns tillgängligt. I detta fall har det utgåtts ifrån elförbrukningen de senaste året. Utifrån dessa data har varaktighetsdiagram på fabriksvärmen samt melassanläggningen skapats för att se den maximala effektförbrukningen under senaste året.
Då mätningarna ej är gjorda på daglig basis utan är ett snitt på en veckas förbrukning kan den maximala effekten momentant vara något högre.
4.5 Tillgänglig energi och effekt
En viktig aspekt som utretts är tillgängligheten på energin i kylluften. Fabrikens årskapacitet är 5870 h, dvs. den tid som energi från processen finns tillgänglig. Kylluften varierar i både temperatur, flöde samt fuktighet under ett dygn. För att kunna köra systemet med flytande kondensering behöver tillgänglig kyleffekt in till värmepumpen vara förhållandevis konstant och finnas tillgänglig under hela dygnet. Den energin som tas ut ur kylluften med återvinningsbatterier måste kunna kompensera för
14 den tid då den tillgängliga energin från processen är mindre än vad värmepumpen behöver. För att kunna åstadkomma detta krävs ackumulering av den uttagna effekten från kylluften.
4.6 Ackumulatortank för kyleffekt
Genom att sätta in en ackumulatortank mellan kylluftuttag och värmepump får värmepumpen en jämn tillgång till den kyleffekt som behövs för att leverera önskad värmeeffekt.
Vid dimensionering av ackumulatortank spelar temperaturer på inkommande och utgående vätska stor roll. Temperaturerna kommer inte att vara konstanta utan beror på hur produktionen körs, medeltemperatur i ackumulatortanken, hur stor skiktningen är i tanken samt lastens energibehov.
Tanken ska vara tillräckligt stor för att täcka upp produktionens variationer under dygnet. I detta fall kommer inte dimensionering av tank göras, då det redan finns en gammal oljetank i fabrikens pannrum som är lämplig att bygga om till ackumulatortank. Denna tank har en volym på 30 m3. Lagringsenergin i en ackumulatortank kan approximeras till 0,0011639 kWh/liter/°C med antaganden att vattnets densitet är 1 kg/l samt att vattnets specifika värmekapacitet är 4,19 kJ/(kg∙°C). I Tabell 4 syns vilken lagringsenergi som finns i en 30 m3 ackumulatortank beroende på vattnets
differenstemperatur in och ut ur tanken.
Tabell 4 Lagringskapacitet i en 30 m3 ackumulatortank vid olika differenstemperaturer.
ΔT kWh ΔT kWh
10 349,2 21 733,3
11 384,1 22 768,2
12 419,0 23 803,1
13 453,9 24 838,0
14 488,8 25 872,9
15 523,8 26 907,8
16 558,7 27 942,8
17 593,6 28 977,7
18 628,5 29 1012,6
19 663,4 30 1047,5
20 698,3 31 1082,4
4.7 Ackumulatortank för varmvatten
En ackumulatortank för varmvatten ska vara tillräckligt stor för att kunna leverera mängden
varmvatten när behovet är som störst. Behovet av varmvatten är som störts när personal på fabriken duschar efter avslutat skift. Vattenvolymen vid maximala förhållanden har beräknas med ekvation 11.
𝑉𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛= 𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑒𝑟 × 𝑞 × 𝑡𝑖𝑑 (11)
Där:
Vvatten = vattenvolym [l]
antal personer = personer som duschar samtidigt q = vattenflödet i dusch [l/s]
tid = duschtid [s]
15 Varmvattenberedarens storlek kan beräknas med ekvation 12.
𝑉𝑏𝑒𝑟𝑒𝑑𝑎𝑟𝑒= 𝑉𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛×𝑇𝑑𝑢𝑠𝑐ℎ− 𝑇𝐾𝑉
𝑇𝑉𝑉− 𝑇𝐾𝑉
(12)
Där:
Vberedare = Varmvattenberedares volym [l]
Vvatten = Vattenvolym [l]
Tdusch = Temperatur på duschvatten [°C]
TKV = Temperatur på inkommande kallvatten [°C]
TVV = Temperatur på varmvatten [°C]
En ackumulatortank kan bara utnyttjas till ca 80 % pga. inblandning av kallvatten. Detta måste tas hänsyn till vid val av volymen på en ackumulatortank (Armatec, 2015).
𝑉𝑎𝑐𝑘=𝑉𝑏𝑒𝑟𝑒𝑑𝑎𝑟𝑒 0,8
(13)
Där:
Vack = Ackumulatortankens volym [l]
Vberedare = Varmvattenberedares volym [l]
Vid beräkning av ackumulatortankens volym antogs ett normflöde på 0,2 l/s på duscharna (Upnor, 2013). Det antogs att vattnet i ackumulatortanken ska hålla en temperatur på 60 °C samt att inkommande kallvatten håller en temperatur på 5 °C. Det är räknat med att alla fem duschar som finns på fabriken används samtidigt. En snitt tid på 5 min/dusch har använts. Minsta
ackumulatorvolym för varmvatten blir då 225 liter.
Dimensionerande effekt som krävs för varmvattenberedning är den effekt som krävs för att på 50 minuter värma ackumulatortanken till den önskade temperaturen, detta kan beräknas med ekvation 14 (Armatec, 2015).
𝑃𝑉𝑉=𝑉𝑎𝑐𝑘× 𝐶𝑝× (𝑇𝑉𝑉− 𝑇𝐾𝑉) 𝑡𝑖𝑑
(14)
Där:
PVV =Tillförd effekt [kW]
Vack = Ackumulatortankens volym [l]
Cp= Vattens specifika värmekapacitet [4,19 kJ/kg °C]
TKV = Temperatur på inkommande kallvatten [°C]
TVV = Temperatur på varmvatten [°C]
tid = uppladdningstid [s]
4.8 Värmepump
Olika typer av värmepumpar och fabrikat har studerats. Kontakt togs med distriktsäljare på NIBE, för att hitta en lämplig värmepump till ändamålet. NIBE Fighter 1345 rekommenderades att använda till de ändamål som beskrevs. Detta är en fastighetsvärmepump som är framtagen för att användas till större fastigheter. NIBE Fighter 1345 finns i effektstorlekar mellan 24 kW till 60 kW och går bra att parallellkoppla upp till en effekt på 540 kW. Hur stor värme – och kyleffekt som värmepumpen på 60 kW kan leverera syns
i
Figur 10 (NIBE, 2015). För kyldiagram på värmepump 30 kW se bilaga.16 Figur 10 Kyl - och värmeeffekt för NIBE fighter 1345 60 kW vid olika temperaturer på inkommande köldbärare (NIBE, 2015).
Nedan följer ett kort exempel på hur några ekvationer i teoridelen kan användas och hur diagrammet läses av. För att få ut en önskad effekt på 68 kW vid en framledningstemperatur på 50 °C behövs en kyleffekt på ca 51 kW och en inkommande köldbärartemperatur på ca 12 °C. Vid dessa förhållanden fås med ekvation 1 ett kompressorarbete på 17 kW och värmefaktorn beräknas till 4 med ekvation 3.
4.8.1 Dimensionering av värmepump
En värmepump brukar i normalfallet dimensioneras för att klara av ca 95 % av en byggnads
energianvändning. Detta motsvarar 65-70 % av byggnadens maximala effektbehov. Resten av energin som behövs kommer från elpatroner inbyggda i värmepumpen eller en separat elpanna
(Energimyndigheten, 2015). Värmepumparna som är tänkta att installeras är dimensionerade utifrån att kunna leverera en så hög energitäckningsgrad som är möjligt.
4.9 Återvinningsbatteri
För att kunna ta tillvara på energin från kylluften behövs ett vätskebatteri. Det är batteriet som tar till vara på värmen från kylluften för att sedan överföra den upptagna värmen till den tänkta
ackumulatortanken. I denna rapport dimensioneras värmeåtervinningsbatteriets effekt. Effekten dimensioneras så att den tillgängliga energin in till värmepumpen ska finnas tillgänglig även då energin i kylluften är låg.
Innan effekten dimensionerades gjordes en utredning på den tillgängliga energin i kylluften. Batteriet dimensionerades på ett sådant sätt att när fläktarna går på max så skall batteriet kunna leverera den dimensionerande kyleffekten till ackumulatortanken.
17 Batteriet dimensionerades efter följande data på kylluften från press 1 och 2:
Flöde: 7,6 m3/s Temperatur: 45°C Relativ fukthalt: 42 %
Dessa förutsättningar beräknas finnas under 65 % av dygnet. För att ackumulatortanken skall kunna leverera önskad kyleffekt under resten av tiden behöver batteriet dimensioneras efter följande effekt:
𝑃𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖= 𝑄𝐿
𝑡𝑖𝑙𝑙𝑔ä𝑛𝑔𝑙𝑖𝑔 𝑡𝑖𝑑 (15)
Där:
Pbatteri= Effekt som skall levereras till ackumulatortank [kW]
QL = Kyleffekt [kW]
tillgänglig tid = procentandel av dygnet som maxeffekten finns tillgänglig.
Återvinningsbatteriet styr vilken energi som ackumulatortanken skall lagra. För att få en bra energitäckningsgrad på systemet skall batteriet även dimensioneras på ett sådant sätt att det skall kunna leverera en differenstemperatur till tanken på 25°C.
4. 10 Ekonomi
För att ta reda på ifall en investering är ekonomisk lönsam finns flera olika metoder att använda. En ekonomisk kalkyl är dock sällan så exakt att den går att använda som en exakt kostnad över en investering utan bör snarare ses som en riktlinje ifall investeringen är lönsam eller inte. En av de vanligaste metoderna att använda är paybackmetoden. Paybackmetoden är ett mått på hur lång tid det tar för den minskade kostnaden att kompensera för grundinvesteringen. Denna är enkel att förstå och visar ett tydligt resultat men des svaghet är att den inte tar hänsyn till ränta eller vad som händer efter paybacktiden.
Paybacktiden beräknades med ekvation 16.
𝑇å𝑟= 𝐺
å𝑟𝑙𝑖𝑔𝑏𝑒𝑠𝑝𝑎𝑟𝑖𝑛𝑔 (16)
Där:
G = Investeringskostnaden i kronor a= Årligbesparing i kronor per år
För att räkna ut paybacktiden togs investeringskostnader fram av Umia AB. Priset på värmepumparna kommer från NIBE.
Investeringskostnader 750 000 kr NIBE F 1345 30 kW 131 000 kr NIBE F 1345 60 kW 179 000 kr
Totalt 1 060 000 kr
18 I en värmepump är det kompressorarbetet som står för elkostnaden. Elkostnaden för att driva en värmepump beräknas med ekvation 17.
𝑒𝑙𝑘𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑 = 𝑒𝑙𝑝𝑟𝑖𝑠 𝐶𝑂𝑃ℎ𝑝
(17)
Där:
Elpris = kostnad för 1 kWh el i kronor [kr/kWh]
COPhp = värmevärdet för den aktuella installationen
Den årliga besparingen vid installation av värmepump beräknades med ekvation 18. Denna tar hänsyn till värmepumpens värmefaktor samt den energi som värmepumpen inte kan tänkas leverera.
Å𝑟𝑙𝑖𝑔 𝑏𝑒𝑠𝑝𝑎𝑟𝑖𝑛𝑔 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑓ö𝑟𝑒× 𝑒𝑙𝑝𝑟𝑖𝑠 − (𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟× 𝑒𝑙𝑝𝑟𝑖𝑠 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑉𝑃×𝑒𝑙𝑝𝑟𝑖𝑠
𝐶𝑂𝑃ℎ𝑝) (18) Där:
Årlig besparing = kostnaden per år som kan sparas vid installation av värmepump [kr/år]
Energiföre = Nuvarande energiförbrukning [kWh/år]
Elpris = kostnad för 1 kWh el i kronor [kr/kWh]
Energiefter = Energiförbrukning som värmepumpen inte klarar av att leverera [kWh/år]
EnergiVP = Energiförbrukningen som täcks upp med värmepump [kWh/år]
19
5. Resultat
Mätningarna som gjorts visar att det finns mycket energi att tillgå i den utgående kylluften. I detta avsnitt presenteras resultatet av mätningar gjorda mellan 2015-04-15 och 2015-04-17 på
presslinjerna. Den ekonomiska analysen presenteras även i detta avsnitt.
5.1 Mätningar presslinje 1 och 2
Temperatur, flöde och fukthalt är loggade samtidigt. Loggningarna resulterade i 600 stycken mätvärden per parameter. Temperaturen var som lägst 29,9°C och den maximala temperaturen uppmättes till 52,4°C. Temperaturen i kylluften beror på vilken temperatur pelletsen har efter tillverkning samt temperaturen i kylrummet. Medelvärdet på temperaturen under dygnet är beräknat till 45,4°C. Topparna i diagrammet indikerar på att pelletskylarna är fulla och dalarna när pelletskylarna är tömda se Figur 11.
Figur 11 Temperaturmätning på kyluften från press 1 och två under 20 timmars produktion.
Volymflödet är beräknat utifrån mätningar av luftens hastighet i kanalen. Vid topparna jobbar fläktens elmotor i ca 80 % av maxeffekten. Maximalt volymflöde som uppmätts var 9,2 m3/s och det lägsta 4,22 m3/s. Medelvärdet under dygnet är 7,47 m3/s se Figur 12.
Figur 12 Volymflödet på kylluften från press 1 och 2 under 20 timmars produktion.
29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53
12:27:59 13:03:59 13:39:59 14:15:59 14:51:59 15:27:59 16:03:59 16:39:59 17:15:59 17:51:59 18:27:59 19:03:59 19:39:59 20:15:59 20:51:59 21:27:59 22:03:59 22:39:59 23:15:59 23:51:59 00:27:59 01:03:59 01:39:59 02:15:59 02:51:59 03:27:59 04:03:59 04:39:59 05:15:59 05:51:59 06:27:59 07:03:59 07:39:59 08:15:59
°C
Klockslag
4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00
12:27:59 13:03:59 13:39:59 14:15:59 14:51:59 15:27:59 16:03:59 16:39:59 17:15:59 17:51:59 18:27:59 19:03:59 19:39:59 20:15:59 20:51:59 21:27:59 22:03:59 22:39:59 23:15:59 23:51:59 00:27:59 01:03:59 01:39:59 02:15:59 02:51:59 03:27:59 04:03:59 04:39:59 05:15:59 05:51:59 06:27:59 07:03:59 07:39:59 08:15:59
m3/s
klockslag
20 Som synes i Figur 13 visade mätningarna på fukthalten en stor variation under dygnet. Det högsta uppmätta värdet var hela 90,2 % och det lägsta 9,4 %. Merparten av tiden håller sig fukthalten mellan 30 – 50 %. Medelvärdet beräknades till 42,7 %.
Figur 13 Mätningar på kylluftens fukthalt på press 1 och 2 under 20 timmars produktion.
5.2 Mätningar presslinje 3
Loggningarna är gjorda under ca ett dygn. Loggningarna på press 3 resulterade i totalt 1365 st mätvärden för respektive parameter.
Den högsta temperaturen mättes till 53,9°C och den lägsta mättes till 18,2°C. Medeltemperaturen under dygnet är beräknad till 45,4 °C se Figur 14.
Figur 14 Mätningar på kylluftens temperatur på press 3 under 1 dygn.
10 20 30 40 50 60 70 80 90
12:27:59 13:01:59 13:35:59 14:09:59 14:43:59 15:17:59 15:51:59 16:25:59 16:59:59 17:33:59 18:07:59 18:41:59 19:15:59 19:49:59 20:23:59 20:57:59 21:31:59 22:05:59 22:39:59 23:13:59 23:47:59 00:21:59 00:55:59 01:29:59 02:03:59 02:37:59 03:11:59 03:45:59 04:19:59 04:53:59 05:27:59 06:01:59 06:35:59 07:09:59 07:43:59 08:17:59
%
Klockslag
25 30 35 40 45 50 55
09:38:36 10:16:36 10:54:36 11:32:36 12:10:36 12:48:36 13:26:36 14:04:36 14:42:36 15:20:36 15:58:36 16:36:36 17:14:36 17:52:36 18:30:36 19:08:36 19:46:36 20:24:36 21:02:36 21:40:36 22:18:36 22:56:36 23:34:36 00:12:36 00:50:36 01:28:36 02:06:36 02:44:36 03:22:36 04:00:36 04:38:36 05:16:36 05:54:36 06:32:36 07:10:36 07:48:36
°C
Klockslag
21 Volymflödet på press 3 visade på en stor variation på kort tid till skillnad från mätningar på press 1 och 2 se Figur 15. Medelvärdet är beräknat till 4,6 m3/s.
Figur 15 Volymflödet på press 3 under ett dygns produktion.
Som synes i Figur 16 är det högsta värdet som mättes på fukthalten 81,2 %, den lägsta mättes till 13
% se. Medelvärdet på fukthalten beräknades till 34,9 %.
Figur 16 Mätningar på kylluftens fukthalt på press 3 under ett dygns produktion.
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00
09:38:36 10:17:36 10:56:36 11:35:36 12:14:36 12:53:36 13:32:36 14:11:36 14:50:36 15:29:36 16:08:36 16:47:36 17:26:36 18:05:36 18:44:36 19:23:36 20:02:36 20:41:36 21:20:36 21:59:36 22:38:36 23:17:36 23:56:36 00:35:36 01:14:36 01:53:36 02:32:36 03:11:36 03:50:36 04:29:36 05:08:36 05:47:36 06:26:36 07:05:36 07:44:36
m3/s
Klockslag
10 20 30 40 50 60 70 80
09:38:36 10:16:36 10:54:36 11:32:36 12:10:36 12:48:36 13:26:36 14:04:36 14:42:36 15:20:36 15:58:36 16:36:36 17:14:36 17:52:36 18:30:36 19:08:36 19:46:36 20:24:36 21:02:36 21:40:36 22:18:36 22:56:36 23:34:36 00:12:36 00:50:36 01:28:36 02:06:36 02:44:36 03:22:36 04:00:36 04:38:36 05:16:36 05:54:36 06:32:36 07:10:36 07:48:36
%
Klockslag
22
5.3 Sammanfattning mätningar
I Tabell 5 ochTabell 6 syns en sammanfattning av resultatet på mätningarna gjorda på presslinjerna.
Tabell 5 Mätresultat press 1 och 2.
Press 1 och 2 max min medel enhet
Temp 52,4 29,9 44,6 °C
Flöde 9,2 4,2 7,5 m3/s
Relativ fukthalt 81,2 41,9 42,7 %
Tabell 6 Mätresultat press 3.
Press 3 max min medel enhet
Temp 53,9 18,2 45,4 °C
Flöde 4,6 m3/s
Relativ fukthalt 81,2 34,9 %
5.4 Energi - och effektbalans
Nedan redovisas balanser mellan energi och effekter som värmepumpen kan leverera i förhållande till den energi och effekt som krävs för systemen. Det är räknat på att täcka upp effektbehov och så stor del av energibehovet som möjligt för både melassanläggning, fabriksvärme samt varmvatten.
5.4.1 Effektbalans
Varaktighetsdiagrammet visat att det maximala effektbehovet på fabriksvärmen uppgår till 51 kW se Figur 17.
Figur 17 Varaktighetsdiagram för fabriksvärmen.
Enligt ekvation 14 uppgår det totala effektbehovet för varmvatten till 17 kW. Det totala
effektbehovet för fabriksvärme samt varmvatten blir således 68 kW. Kyleffekten som krävs för dessa system är ca 46 kW vid en framledningstemperatur på 65°C, enligt Figur 10.
0 10 20 30 40 50 60
0 70 140 210 280 350
kW
Dagar
23 Figur 18 visar det framtagna varaktighetsdiagrammet för melassanläggningen. Det maximala
effektbehovet uppgår till 36 kW. Kyleffekten som systemet kräver är således 23 kW vid en framledningstemperatur på 50°C enligt bilaga.
Figur 18 Varaktighetsdiagram för melassanläggning.
Den totala kyleffekten för melassanläggning, fabriksvärme och varmvatten uppgår till 67 kW. Med ekvation 15 fås att effektuttaget ur återvinningsbatteriet bör vara på 106 kW. Denna energi finns tillgänglig att hämta från press 1 och 2.
5.4.2 Energibalans
Total energibehov för melassanläggning, fabriksvärme samt varmvatten uppgår till ca 217 MWh/år.
Med en drifttid på 5870 h/år och återvinningsbatteriets effekt på 106 kW blir den tillgängliga energin från kylluften ca 622 MWh/år. Det finns således ett betydande energiöverskott.
Beräkningar visar att det är möjligt att åstadkomma en energitäckningsgrad över 80 % med
ackumulatortanken. Energitäckningsgraden är direkt kopplat till hur mycket energi som är möjligt att lagra i ackumulatortanken.
5.5 Ekonomi
Resultatet av de ekonomiska beräkningarna visar att fabriken kan göra en besparing på nära 130 000 kr/år med ett elpris på 1 kr/kWh se Tabell 7. Återbetalningstiden med dessa förutsättningar är beräknad till 8,1 år.
Tabell 7 Kostader per år för energianvändning före och efter installation med värmepumpar samt årligbesparing efter installation.
Område Kostnad före
åtgärder
Kostnad efter åtgärder
Besparing
Melassanläggning 132 990 kr 53 196 kr 79 794 kr
Fabriksvärme + VV 83 553 kr 33 421 kr 50 132 kr
Totalt 216 543 kr 86 617 kr 129 926 kr
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 70 140 210 280 350
kW
Dagar
24
5.6. Åtgärdsförslag
Åtgärdsförslaget innebär att installera två stycken värmepumpar. En 30 kW värmepump för melassanläggningen samt en 60 kW värmepump för fabriksvärmen och varmvattenberedning.
Kyleffekten som krävs till värmepumparna är tänkt att hämtas från kylluften på presslinje 1 och 2. För att ta reda på effekten i kylluften skall det installeras ett nytt återvinningsbatteri efter det befintliga återvinningsbatteriet. För att få en jämn fördelning av kyleffekten in till värmepumpen föreslås att en ackumulatortank sätts in mellan återvinningsbatteri och värmepump. Detta för att värmepumpen skall jobba mot flytande kondensering samt så jämnt som möjligt utan att starta och stoppa i onödan. Flödesschemat i Figur 19 visar den föreslagna lösningen för att kunna ta tillvara på energin.
Värmepumpen till melassanläggningen föreslås att placeras i anslutning till den befintliga elpannan i melassanläggningens pannrum. Värmepumpen till fabriksvärmesystemet bör placeras i fabrikens pannrum. Ackumulatortanken är placerad intill pannrummet i fabriken.
Figur 19 Flödesschema på det föreslagna åtgärdsförslaget.
25
6. Fler förslag till effektiviseringsåtgärder
Under projektets gång har det stötts på saker som inte berör syftet i arbetet men som ändå anses kunna förbättras. Nedan redogörs dessa problem och förslag till fortsatt arbete.
6.1 Temperatur och styrning av melassanläggning
Idag styrs varmhållningen i melassen av returtemperaturen. Styrsystemet skall hålla en konstant temperatur på returen från melasstankarna. Vid standby ska tankarna utomhus hålla en temperatur på 20°C. När urtappning av tanken skall ske höjs temperaturen 1 vecka innan till 30°C. Detta för att melassen skall vara lättare att pumpa.
En tom tank har inget behov av varmhållning. När en tank är tom så stängs denna av personal i programmet för styrning av drift, temperaturen i tanken borde då sjunka eftersom varmhållning inte är nödvändig. Vid inspektion har returtemperaturen från tankarna hållit 23-27°C på tank 2 och 3, trots att tankarna är tillfälligt tomma, stängda och ej används. Detta tyder på att styrsystemet på melassanläggningen inte fungerar som det ska. Genom att justera styrsystemet så att tankar som saknar behov av varmhållning stängs av helt minskar energiförbrukningen. Detta förslag kräver inga dyra ombyggnationer utan enbart justering av det redan befintliga DUC systemet. Detta är en relativ billig och enkel lösning som kommer att minska energiförbrukningen.
Tank 1 är ej inkopplad i DUC och personalen kan således inte reglera styrningen av denna. Denna håller samma temperatur oavsett behovet av tömning. Denna skulle med fördel kunna kopplas in i DUC så att personalen även kan styra temperaturen på denna.
En utredning på hur lång tid det tar att öka temperaturen till önskad tömningstemperatur i
melasstankarna skulle kunna medföra att det går att hålla en lägre standby temperatur på tankarna.
En lägre standby temperatur minskar värmeförluster från tankarna samt ger en lägre energiförbrukning.
6.2 Frekvensstyrning av fläktar
Vilket luftflöde som behövs för torkning av pellets beror på temperatur samt fukthalt i kylrummet.
Frekvensen styrs av temperaturdifferensen mellan pellets och rum. Idag fungerar inte
frekvensstyrningen av fläktarna som den borde. Styrningen av fläktarna ligger mellan 65-80 %, där fläktarna går på 80 % uppskattningsvis 90 % av tiden. Frekvensen av fläktarna borde gå att minska ytligare när den inkommande kylluften är varm till pelletskylarna. Trots att differenstemperaturen mellan pellets och rum är 0°C så går fläktarna som om temperaturdifferensen vore 5°C.
En utredning borde göras för att säkerställa vilket luftflöde som behövs när pelletsen torkas. optimal torkning innebär mindre svinn, högre kvalité samt kortare kyltider. Kortare kyltider innebär färre och kortare stopp i produktionen eftersom pelletskylarna måste tömmas helt innan en ny foderstort kan tillverkas. Om luftflödet kan sänkas innebär detta en besparing på fläktarnas elförbrukning.
6.3 Ventilation utan återvinning
I apparatrummet på plan 2 sitter ett uteluftintag för ventilation. Denna ventilation är av typen FT- system och saknar återvinnig. Kall uteluft värms med vätskekopplat värmebatteri till önskad
temperatur på tilluften och frånluften lämnar byggnaden i flera olika kanaler. Det är allmänt känt på fabriken att detta skulle behövas byggas om till ett system med ventilationsåtervinning. Det föreslås göra en vidare utredning av detta system, som idag anses kräva mycket energi.
