TORK – OCH HÄRDUGNAR

Examensarbete, 30 hp

Civilingenjörsprogrammet i energiteknik, 300 hp

ENERGIKARTLÄGGNING AV INDUSTRIELLA

TORK – OCH HÄRDUGNAR

Energy audit of industrial drying and curing ovens

Angelica Stoehr

kräver stora mängder energi. I denna rapport har identifiering och kart- läggning av energikrävande processer och källor för Ålö AB’s tork - och härdugnar utförts med betoning på aktuella värmeförluster, förbättring av teknologins prestanda samt återvinningspotential. Industriella processer bi- drar till stora mängder energianvändning, 38 % av Sveriges totala energi- användning, vilket i vissa fall resulterar i stora mängder överskottsvärme.

Förbättring och effektivisering av industriella processer bör ligga i tillverka- rens intresse för en mer hållbar och effektiv produktion, ur kvalité -, ekonomi -och miljösynpunkt.

Processerna torkning och härdning är två viktiga steg inom verkstads- industrin där torkugnen hettar upp komponenter för avlägsning av fukt och härdugnen hettar upp komponenter för härdning av ytornas färg. Var- dera ugn är konstruerad med en separat kylzon där överskottsvärme efter upphettning avlägsnas och släpps ut i form av spillvärme till atmosfären.

Tillvägagångssättet för identifiering av värmeflödets storlek utfördes med ett programmerbart styrsystem (PLC-system) för loggning av temperatur och hastighet. Transmissionsförluster genom ugnarnas klimatskal och el- användning för ugnarna i drift togs fram med hjälp av en IR-termometer och loggning av effekt.

Spillvärmen för tork - respektive härdugnens kylzon beräknades till 532

000 kWh/år och 699 000 kWh/år och transmissionsförlusterna resultera-

de i 13 000 kWh/år och 60 000 kWh/år beräknat på 53 % och 78 % av

arean på ugnstaken. Ett förslag om tilläggsisolering av 20 cm glasull skul-

le ge en besparing av transmissionsförlusterna på 48.5 % och 50.7 % per

år för tork - respektive härdugnen. Installation av ytterligare fläktar i ug-

narnas kylzoner samt ett ökat luftflöde på fläktarna skulle resultera i en

snabbare ned-kylningsprocess på grund av ett större och kraftigare luftflö-

de. Schemaläggning av produktflödet skulle resultera i energibesparingar vid

möjlighet för tidigare avstängning av ugnarna.

require large amounts of energy. In this report, identification and map- ping of energy-intensive processes and sources for Ålö AB’s drying and cure ovens have been conducted with an emphasis on current heat losses, im- provement of technology performance and recovery potential. Industrial processes contribute to 38 % of Sweden’s total energy consumption. In turn, large amounts of energy use result, in some cases, large amounts of surplus heat. From a quality, economical and environmental perspective, improvement and efficiency of an industrial process should be in the best interests to a manufacturer to maintain a more sustainable and efficient op- eration.

The drying and curing processes are predominant steps in the engineer- ing industry. The drying oven heats components for removal of moisture and the curing oven heats components to cure the painted surfaces. Each oven is designed with a separate cooling zone where after the required temperature has been reached, the excess heat is removed and released as waste to the atmosphere. To identify the heat flow size, a programmable logic controller (PLC) was used to log temperature and velocity. Transmission of heat loss through the ovens climate scale and power usage for the ovens in operation were measured using an IR (infrared) thermometer and logging power usage.

The waste heat calculated from the cooling zones of the drying oven was

532 000 kWh/year and 699 000 kWh/year from the curing oven. Transmis-

sion heat losses were 13 000 kWh/year and 60 000 kWh/year calculated on

53 % and 78 % of roof areas. Additional insulation with 20 cm glass wool

would provide savings of the transmission heat losses up to 48.5 % per year

for the drying oven and 50.7 % per year for the cure oven. Installing addi-

tional fans in the ovens cooling zones as well as increased air flow on the fans

would result in a faster cooling process due to a larger air flow. Schedul-

ing the product air flow would result in energy savings in the possibility of

reducing operating time of the furnaces.

Innehåll

1 Introduktion 1

1.1 Energianvändning Ålö . . . . 2

1.2 Syfte och mål . . . . 3

1.3 Tillvägagångssätt . . . . 3

1.4 Relaterade studier . . . . 4

2 Bakgrund 6 2.1 Systembeskrivning . . . . 6

2.1.1 Kylzon . . . . 9

2.2 Klimatskal . . . . 11

2.3 Ventilationsystem i byggnaden . . . . 12

2.4 Fjärrvärmesystem . . . . 12

3 Teori 13 3.1 Programmerbart styrsystem (PLC-system) . . . . 13

3.2 Givare . . . . 13

3.2.1 Temperaturgivare . . . . 14

3.2.2 Flödesgivare . . . . 14

3.3 El-installationer . . . . 14

3.4 Energiberäkningar . . . . 15

3.4.1 Frigjord energi vid kylning . . . . 15

3.4.2 Värmeflödeshastighet . . . . 15

3.4.3 Transmissionsförluster . . . . 15

3.4.4 Värmeöverföringskoefficient . . . . 16

3.5 Värmeåtervinning . . . . 17

3.6 Principen för värmeväxlare och värmepump . . . . 18

3.6.1 Plattvärmeväxlare . . . . 18

3.6.2 Roterande värmeväxlare . . . . 19

3.6.3 Vätskekopplade system . . . . 19

3.6.4 Värmepump . . . . 19

3.7 Statistik . . . . 20

4 Metod 20 4.1 Antaganden . . . . 21

4.2 El-användning ugnar . . . . 21

4.3 Transmissionsförluster . . . . 22

4.4 Frigjord energi kylzon . . . . 22

4.5 PLC-system . . . . 23

4.5.1 LOGO!Soft comfort . . . . 23

4.5.2 El-installation . . . . 26

4.5.3 Verifikation av mätutrustning . . . . 28

4.6 Loggning av data . . . . 28

4.7 Kontroll av över - eller undertryck . . . . 29

4.8 Statistiska beräkningar . . . . 29

5 Resultat 30 5.1 El-användning ugnar . . . . 30

5.2 Transmissionsförluster . . . . 30

5.3 Ventilationssystem kylzoner . . . . 31

5.3.1 Teoretiskt frigjord energi . . . . 31

5.3.2 Temperatur - och hastighetskurvor för ventilationssystemens frånluft i kylzonerna . . . . 32

5.3.3 Värmeflöde frånluft . . . . 36

5.4 Statistiska beräkningar . . . . 37

6 Diskussion 37 6.1 Analys av resultaten . . . . 37

6.2 Framtida arbete . . . . 40

6.3 Felkällor . . . . 40

7 Åtgärdsförslag 41 7.1 Transmissionsförluster . . . . 41

7.2 Spillvärme kylzoner . . . . 42

7.3 Effektivisering kylzon . . . . 43

7.4 Ökad hastighet produktionsflöde . . . . 44

8 Slutsatser 44

Referenser 44

A Bilaga

A.1 Beräkningar . . . . A.1.1 Transmissionsförluster . . . . A.1.2 Frigjord energi teoretisk . . . . A.1.3 Värmeflöde . . . . A.1.4 Felfortplantningsformeln . . . . B Bilaga

B.1 Drifttider . . . .

B.2 Cykeltider . . . .

1 Introduktion

Dagens energikonsumption ökar i takt med tillväxten av världens befolkning vil- ket påverkar industrisektorn. Inom industrin framställs produkter från förädling av råvaror och kan under tillverkningsindustrin delas in i de olika grenarna tung industri, processindustri och verkstadsindustri [1]. Detta examensarbete har ut- förts på Ålö AB i Brännland som klassificerar sig inom verkstadsindustrin med sin tillverkning av frontlastare och redskap till jordbruksmaskiner.

Energianvändningen inom industrisektorn stod för 38 % av Sveriges totala energi- användning i slutet på 2016 [2]. I takt med industrins utveckling ökar utsläppen av växthusgaserna koldioxid (CO ₂ ), kväveoxider (N O _x ), svaveldioxid (SO ₂ ) och kolmonoxid (CO) m fl, som alla bidrar till global uppvärmning. För att globalt sett minska utsläppen av miljöfarliga växthusgaser har EU:s klimat och energipo- litik satt upp följande tre mål till år 2020: en minskning av växthusgasutsläpp 20

% lägre än utsläppen som uppmättes 1990, förnyelsebara energikällor ska stå för 20 % av energianvändningen och ett försök att öka energieffektiviseringen med 20

% [3]. Behovet av ett ökat arbete för energihushållning inom industrin är därför viktigt och enligt E. A. Abdelaziz et. al finns det tre tillvägagångssätt för att jobba för detta: energiförvaltning, energieffektiv teknologi samt politik och regelverk [4].

Det förstnämnda tillvägagångssättet, energiförvaltning, omfattar energikartlägg- ning och utbildningar eller program för ett mer energieffektivt arbete. Energikart- läggningar (EKL) syftar till att utreda energianvändningen av en verksamhets drift. Kartläggningen visar hur energin är fördelad i verksamheten och bör in- nehålla förslag om energieffektiviserande åtgärder. Att få en bredare kunskap om energikrävande områden är ett bra underlag vid utveckling inom energiarbetet och val av lönsamma åtgärder [5]. 2014 infördes lagen om energikartläggning för alla stora företag där företagen ska redovisa energianvändning och förslag på energis- parande åtgärder [6]. Lagen berör företag med fler än 250 anställda och en årlig omsättning på 50 miljoner euro, inom publika eller privata sektorn [7].

Teknologin inom en industri kan bidra till stora skillnader i energianvändningen och benämns som det andra tillväggagångsättet för ett mer hållbart arbete. Genom underhåll av teknologin för undvikande av läckage eller brister samt investering i ny teknologi för t ex återvinning av spillvärme från processer kan energiförlusterna reduceras. Det sistnämnda tillvägagångsättet riktar in sig mot regelverk och lagar.

För ett globalt arbete för energieffektivisering samt minskade utsläpp måste indu-

strierna förhålla sig till de befintliga regelverk och lagar för energiskatter, utsläpps-

skatter, energisläppsdirektivet m fl [4]. 7:e Januari 2013 trädde industrisläppsdi- rektivet (IED) i kraft och en följd av det är industriutsläpps-bestämmelserna där cirka 1300 industrianläggningar berörs. Industriutsläpps-bestämmelserna innebär skärpning i kraven att tillämpa bästa möjliga teknik och redovisning av förorena- de utsläpp. Europaparlamentets och rådets direktiv ges i Direktiv 2010/75/EU [8].

På Ålö:s fabrik i Brännland finns det många bidragande faktorer till den totala energianvändningen. Ett pågående hållbarhetsarbete har bl a resulterat i en ny svetslinje med en energieffektivare teknik som introducerades år 2017. Ett annat område med stor förbättringspotential är fabrikens måleri. Måleriet kan delas in i följande fyra processteg: förbehandling, torkning, lackering och härdning, där fokus på förbättring inom hållbarhetsarbetet har varit förbehandlingens 12 steg i Zink/Manganprocessen, där uppstartstider har installerats.

I det här projektet kommer fokus att ligga på de två processtegen torkning och härdning, vilka kräver två energislukande ugnar. Ugnarna kommer i fortsättningen att gå under benämningarna torkugn och härdugn. Konstruktionenen för de båda ugnarna inkluderar en varsin kylzon, för nedkylning av komponenter, där över- skottsvärmen släpps ut genom byggnadens tak utan återvinning. Ugnarna avger även värme genom sina klimatskal i form av transmissionsförluster till omgivning- en.

1.1 Energianvändning Ålö

Ålö:s totala energianvändning kan delas upp i tre sektioner: el, värme och vatten.

Ett arbete har påbörjats inom fabriken för identifiering av de olika energikällor- nas storlek för vardera process/system, för utredning av hur energianvändningen är fördelad inom varje sektion. Arbetet utförs av Ålö och datan är i dagsläget inte fullständig och kommer inte att presenteras i denna rapport. I nästa stycke presenteras den totala energianvändningen per sektion med data från Ålö:s årliga redovisning av el -, värme - och vattenanvändning. Energianvändningen per sektion är beräknad på ett medelvärde över ett visst antal år, se nedan för varje sektion.

El-användningen utgörs av maskiner och processer, fläktar och pumpar till ven-

tilationen, ventilationsaggregat samt belysning. Det genomsnittliga värdet för el-

användningen är 538 918 kWh/år, beräknat på det genomsnittliga värdet av den

årliga energianvändningen åren 2013, 2014, 2015, 2016 och 2017. Användningen

av värme används för uppvärmning av lokalerna vilken i första hand tas genom

återvinning av processvärmen. Då processvärmen inte räcker till används fjärrvär- me från Umeå energi som styrs av en värmepanna som eldas med pellets. På vissa områden i fabriken skickas överskottsvärmen från pannan ut till element placerade längs väggarnas golv. Ett annat område som är i behov är värme är byggnadens ventilationssystem där aggregat värms upp. I ventilationssystemet finns även vär- mebatterier som är till för att frysskydda rören. Energianvändningen för värme av fastigheten och ventilationen är i genomsnitt 509 936 kWh/år, beräknat på det genomsnittliga värdet av den årliga energianvändningen åren 2015, 2016 och 2017. Uppvärmning av vatten sker med hjälp av värmepannan och används till 4 av de 12 vattenbaden i förbehandlingens Zink/manganprocess, duschar och kök.

Den genomsnittliga användning av energi för uppvärmning av vatten är 550 982 kWh/år, beräknat på det genomsnittliga värdet av den årliga energianvändningen åren 2013, 2014, 2015, 2016 och 2017.

1.2 Syfte och mål

Syftet med denna rapport är identifiering och kartläggning av energikrävande pro- cesser eller källor för måleriets tork - och härdugn, med betoning på aktuella värmeförluster, förbättring av teknologins prestanda och återvinningspotential av eventuella värmeförluster. Hur stora är värmeförlusterna? Kan den befintliga ut- rustningen effektiviseras? Kan processerna effektiviseras? Finns det återvinnings- potential för eventuella värmeförluster?

Identifiering av energikonsumerande utrustning och processer ska kartläggas med målet att hitta minst tre åtgärdsförslag som leder till en reducerad energianvänd- ning. Fokus på de två ugnarna valdes på grund av medvetenheten om värmeför- luster genom klimatskalen samt spillvärme från kylzonernas ventilation.

1.3 Tillvägagångssätt

En stor del av det här projektet bygger på användning av ett externt programmer- bart styrsystem (PLC-system). PLC-systemet kommer göra det möjligt att logga data för kylzonernas ventilationssystem med hjälp av temperatur - och flödesgi- vare, vilket i sin tur gör det möjligt för beräkningar av energiförluster i form av spillvärme. På grund av ett varierat flöde i ventilationssystemen krävs denna teknik för att uppnå ett trovärdigt resultat i jämförelse med handhållna mätinstrument.

Två andra delar av projektet riktar in sig på transmissionsförluster från ugnarnas

klimatskal och el-användning för ugnarna i drift med hjälp av mätinstrument för

yt-temperaturer och loggning av effekt.

1.4 Relaterade studier

På grund av samhällets stora behov av industrin är intresset inom forskning och studier för utveckling av teknik och processer stort. 2005 startades det frivilliga programmet för energieffektivisering i energiintensiv industri (PFE), där de an- mälda företagen fick skattereduktion i utbyte mot el-effektivisering. Genom med- verkan i programmet tog företagen på sig att el-effektivisera, genomföra en ener- gikartläggning, införa och certifiera ett energiledningssystem samt att inköp och projektering skulle utföras med rutiner som påverkar företagets energianvändning.

Programmets femårsperiod avslutades 2017 där de medverkande företagen, ca. 100 deltagande, gav ett resultat med en el-energibesparing på 1.45 Twh per år vilket motsvarar en ekonomisk besparing på 430 miljoner per år. Besparingen på 1.45 TWh per år är lika stor som den årliga elanvändningen för 80 000 eluppvärmda villor eller lika stor som den årliga elanvändningen för Uppsala kommun [9].

I en tidigare studie inom energieffektivisering av Sveriges pulverbeläggningsindu- stri undersöktes de tre största energikällorna torkug, härdugn och förbehandling.

Studien utfördes på två olika företag där det ena företaget använde elektricitet för användning av härdugnen. Första steget för komponenterna var förbehandlingen där vattenbad värmts upp till 60 ^◦ C. Sedan färdades komponenterna vidare in i en torkugn med en temperatur på 120 − 150 ^◦ C för att sedan färdas till pulver- boxarna för målning och slutligen vidare till härdugnen vars temperatur var ca.

200 ^◦ C. Efter härdning kyldes komponenterna ner i kylzoner med hjälp av fläktar för att påskynda nedkylningen. Undersökningen utfördes med loggning av proces- sernas el-användning för en jämförelse med resten av fabrikens el-användning. En

“Pinch analys” för processerna utfördes för att få vetskap om processernas vär- meåtgång, hur mycket överskottsvärme som måste tas bort och hur mycket värme som skulle kunna återvinnas. Värmeflödet uppskattades med hjälp av uppmätt data från processerna. Energianvändningen berodde främst på produktionsflödets storlek och hastighet. Studien tog fram två olika åtgärdsförslag för återvinning av överskottsvärmen från de två ugnarna. Förslag två presenterar en lösning att skicka överskottsvärmen från härdugnens kylzon till förbehandlingens process för uppvärmning av vattenbaden. Lösningen skulle ge en besparing på 128 MWh/år vilket enligt studien motsvarar en besparing på 85 000 kr [10].

2017 utfördes en studie för förbättring och energieffektivisering av ugnar inom in-

dustrin med fokus på klimatskalet. Ugnar inom industrin kräver stora mängder

energi och är en viktig del för slutproduktens kvalité. Ett bra system är där-

för viktigt ur flera synpunketer för tillverkaren. I undersökningen har F. Pask

et.al använt sig av två metoder: simulering med Dynamic Mechanical Analysis

(DMA) och CIE-Lch färg-tester. Metoderna applicerades på en ugn i industriell

storlek med en effekt på 1 MW och energiförsörjning med gas-brännare. Tempe- raturkurvor togs fram från simuleringar med och utan isolering på ugnens insida.

Resultaten från studien visar en skillnad i tid för ugnens temperatur i väggarna att uppnå stabilitet. För en ugn med isolering uppnåddes en stabil temperatur- profil för väggarna efter 10 h medens ugnens temperaturprofil utan isolering var fortsatt varierade efter 10 h och stabiliserades runt 20 h. Resultaten visade även en minskad svalningstid för ugnens väggar med isolering. Temperaturkurvor togs fram från simulering av processens temperatur för nedkylning med och utan iso- lering på väggar och golv. En jämförelse av de två fallen, utifrån rekommenderad temperatur för operatörer att vistas i ugnen, analyserades. Resultatet visade på en 87.5 % snabbare ned-kylningsprocess i fallet med isolering, för att uppnå den rekommenderade säkerhetstemperaturen [11].

Enligt en studie för energieffektivisering och utsläppsreducering genom återvinning och minskning av spillvämre i industriella ugnar, finns det två olika typer av tillvä- gagångssätt. Den första aspekten syftar på att uppnå bästa möjliga prestanda för befintlig utrustning. Där bl a en minskning av värmeförluster genom väggar och tak samt förbättring av schemaläggning av produktflödet ska tas i akt. Den andra aspekten syftar till en förbättring av utrustningen och tekniken i sig, i form av återvinning av spillvärme, förvärmning mm. Alltså, för en reducering av utsläpp samt energieffektivisering bör systemets maximala prestanda uppnås, och därefter en förbättring i form av återvinning, förvärmning mm utvecklas [12].

För att uppnå maximal prestanda av befintlig utrustning kan bl a hastigheten på fläktarnas luftflöde inne i en ugn ökas. Att öka hastigheten på luftflödet för fläktarna skulle påskynda uppvärmning och nedkylning. I fallet för uppvärmning kan detta dock leda till ojämnheter på materialets yta vid t ex pulvermålning. Ett alternativ är att ha ett kraftfullare flöde på fläktarna som sitter längre in i ugnen och ett lugnare flöde för fläktarna som sitter vid ingången [13]. För utveckling av den befintliga utrustningen i form av ny teknik eller återvinning finns det dock svårigheter med att kunna förutspå om en viss typ av energieffektivisering skulle bidra positivt till produktionen. Installation av ny teknologi för reducering av energiförbrukningen kan påverka produktionen med t ex driftstopp, utbildning av personal, komplikationer vid underhåll och reparationer av utrustningen mm.

Det finns en signifikant skillnad mellan återvinning och omvandling av energin till ett arbete, elektricitet eller kyla enligt A. B. Little och S. Garimella och återvin- ningen av överskottsvärme inom industrin anses svårt vid temperaturer lägre än 200 grader [14]. Användningen av spillvärme skulle underlätta vid metoder som inte kräver mekaniskt eller elektriskt arbete [15]. Spillvärme med hög temperatur,

> 400 grader, genererar större mängd energi vid återvinning jämfört med spill-

värme med låg temperatur, < 100 grader. Teknologierna för spillvärme med låga

temperaturer resulterar i lägre energibesparingar, men enligt en undersökning med återvinning av stora mängder spillvärme med låg temperatur visade sig besparing- en vara signifikant och bör ej förkastas. Ny teknologi avsedd för spillvämrme med låga temperaturer är under utveckling [16].

2 Bakgrund

I denna sektion presenteras en beskrivning av systemets funktion och uppbyggnad för de två ugnarna samt beskrivning av klimatskal, ventilationssystem i byggnaden och fjärrvärme till byggnaden.

2.1 Systembeskrivning

En komplett produkt består av en lastare inklusive tillhörande delar för montering.

En lastare och dess tillhörande delar färdas på samma hållare genom måleriets alla processer och kallas i fortsättningen för komponenter.

I Figur 1 visas en layout över måleriet för de olika stegen förbehandling, torkugn, lackering och härdugn. Förbehandlingen består av en Zink/Mangan-process med 12 olika bad där fyra av baden ska hållas till en konstant temperatur på ca. 55 ^◦ C vardera. Torkugnens uppgift är att avlägsna fukt från komponenterna, vars tidigare steg är förbehandlingen, för att sedan skickas in i torkugnens kylzon. Nedkylningen är viktig på grund av nästa steg i processen, lackeringen, där ytorna målas med ett pulver som härdar vid temperaturer högre än 40 − 50 ^◦ C, beroende på kulör.

Efter lackeringens pulverboxar skickas komponenterna vidare in i härdugnen vars

uppgift är att härda pulvret. Efter härdning kyls komponenterna ner i härdugnens

kylzon innan de färdas vidare ut i fabriken till montering.

Figur 1 – Layout över måleriets olika processer: förbehandling, torkning, lackering och härdning. Komponenterna färdas genom måleriet via en conveyer med start vid förbehandlingen.

Som tidigare nämnt kommer endast torkugnen och härdugnen behandlas i denna rapport. Konstruktionen för de båda ugnarna är lika men processerna skiljer sig åt genom att de verkar under olika temperaturer och tidsintervall.

I Figur 2 nedan visas en schematisk bild över torkugnen. Komponenterna färdas

in i ugnens torkzon, B3221, med 8 platser för torkning. Där torkas de med en

lufttemperatur 135 ^◦ C under tiden 35 minuter och uppnår en yt-temperatur på

ca. 90 ^◦ C. Sedan släpps de vidare in genom en sluss till torkugnens kylzon, B3225,

med lufttemperaturen 20 ^◦ C och 7 platser. Efter 20 minuter lämnar komponen-

tenterna kylzonen med en yt-temperatur på ca. 30 ^◦ C. Markeringarna 311, 312 och

316 är start/stopp-positioner. Komponenterna stannar om tiden ej har utgått eller

om nästkommande zon är påverkad. Om t ex 8 platser är upptagna i zon B3221

kommer nästkommande komponent att stanna vid position 311.

Figur 2 – Schematisk bild över torkugnen där de olika zonerna B3221 och B3225 samt de olika start/stopp-positionerna 311, 312 och 316 visas.

En schematisk bild för härdugnen visas i Figur 3 nedan. Komponenterna färdas in i ugnens härdzon, B3307, via en sluss. Slussen minskar värmeförluster till omgiv- ningen vid öppning av dörrarna. Härdzonen har lufttemperaturen 219 ^◦ C, vilket härdar pulvret på komponenternas yta som uppnår en temperatur på ca. 180 ^◦ C.

Tiden 55 minuter krävs för en fullständig process. I härdzonen finns det plats för 14 stycken komponenter. Komponenterna färdas sedan vidare in i nästa zon, B334, som även består av en sluss vars uppgift är att reducera värmeförlusterna till kylzonen vid öppning av dörrarna. Väl inne i kylzonen, med 9 platser, kyls komponenterna ner i en lufttemperatur på 10 ^◦ C, där de stannar i 35 minuter.

När de lämnar kylzonen har de en yt-temperatur på ca. 30 ^◦ C och färdas vidare

till suckarnas gång", zon B3340, för montering. Position 322, 324, 237 och 329 är

markeringar för start/stopp-positioner. Komponenterna stannar om tiden ej har

utgått eller om nästkommande zon är påverkad. Om t ex 9 platser är upptagna i

zon B3334 kommer nästkommande komponent att stanna vid position 327.

Figur 3 – Schematisk bild över härdugnen där de olika zonerna B3307, B3334 och B3340 samt de olika start/stopp-positionerna 312, 324, 327 och 329 visas.

2.1.1 Kylzon

I ugnarnas kylzoner styrs luftcirkulationen med hjälp av fläktar i golvet och längs väggarna. Vid nedkylning av en viss mängd stål frigörs energi i form av överskotts- värme som i detta fall skickas ut med ventilationssystemens frånluft i kylzonen.

Frånluften leder direkt ut genom byggnadens tak och form av spillvärme. I respek-

tive kylzon används två separata ventilationssystem där det ena är placerat vid kylzonens början och det andra är placerat vid kylzonens slut. De två systemen benämns hädanefter som ventilationsystem 1 och ventilationssystem 2, se Figur 4.

Figur 4 – Sido-vy över kylzonen och de två ventilationssytemen 1 och 2.

Ventilationens till - och frånluft regleras med spjäll där tilluften tas från utsidan av byggnaden. Då luften inne i kylzonen är varmare än 20 eller 10 ^◦ C, beroende på typ av ugn, är de två spjällen för till - och frånluft öppna och utomhusluft flödar in i kylzonen via tilluften och överskottsvärmen flödar ut ur kylzonen via frånluften.

Vid temperaturer lägre än 20 eller 10 ^◦ C, inne i kylzonen, är de två spjällen för till

- och frånluft stängda och det tredje spjället i mitten är öppet. Luften cirkulerar

då endast inne i kylzonen. Figur 5 visar en zoomad vy över ventilationssystemet.

Figur 5 – Zoomad vy över ventilationssystemet för kylzonen där spjällen är mar- kerade med tecknet "/".

Storleken på spjällens öppning beror på temperaturen inne i kylzonen. Vid tem- peraturer långt över 20 eller 10 ^◦ C står spjällen på vid gavel medens vid tempe- raturer bara några grader högre än 20 eller 10 ^◦ C står spjällen på glänt. Till - och frånluftens temperatur och flöde varierar med tiden. Tilluftens temperatur är lika med utomhustemperaturen och frånluftens temperatur beror av mängden stål i kylzonen, det vill säga temperaturen på överskottsvärmen. Storleken på flödet för till - och frånluft är lika då en konstant volym hålls inne i kylzonen och beror av mängden stål.

För att temperaturen i kylzonen ska hållas till 20 eller 10 ^◦ C under produktion krävs att utomhustemperaturen, det vill säga tilluften, är lägre än 20 eller 10 ^◦ C.

Vid utomhustemperaturer varmare än 20 eller 10 ^◦ C är inte kylning i kylzonen möjlig utan styrs av den aktuella utomhustemperaturen och mängden stål.

2.2 Klimatskal

Ett klimatskal på ett hus består av väggar, tak, golv, fönster och dörrar. Ett

bra klimatskal släpper inte ut värme till utsidan genom att vara väl isolerat och

lufttätt [17]. Ugnarnas klimatskal består av väggar, tak, golv och dörrar. Väggar,

tak och dörrar är uppbyggt av följande tre lager med början från indsidan: stål med

tjocklek 0,004 m, isolering med tjocklek 0,22 m och stål med tjocklek 0,004 m. Ena

änden av ugnens kylzon har inga dörrar utan är en öppen öppning. Ett område

på ena väggen har extraisolerats på grund av stora transmissionsförluster som gav upphov till överskottsvärme i måleriets lokal. För att minska spridningen av överskottsvärmen från ugnarnas klimatskal har även en hel vägg mot monteringen isolerats på grund av för hög rumstemperatur.

2.3 Ventilationsystem i byggnaden

I ventilationssystemet till fastighetens tilluft finns det värmebatterier som värmer upp el-aggregat med processens överskottsvärme från fabriken. De uppvärmda ag- gregaten för i sin tur över värmen till ventilationens tilluft från byggnadens utsida, som efter uppvärmning släpps ut i fastigheten. Under kalla dagar på vintern är inte processvärmen tillräcklig och en ackumulatortank måste då hjälpa till och pytsa ut varmvatten till systemet (beskrivet i sektion 2.4). I ventilationssystemet finns det även värmebatterier med installerade givare för frysvaktsfunktion. Värmebat- terierna är viktiga på vintern vid låga utetemperaturer för att ventilationsrören inte ska frysa.

2.4 Fjärrvärmesystem

Systemet för värme och kyla styrs av shuntgrupper som är länken mellan pri-

mär - och sekundärkrets. Värmen till ackumulatortankens vatten kommer från

ett fjärrvärmesystem som styrs av Umeå energi. Energiomvandlingen sker genom

förbränning av pellets i en värmepanna (primärkrets) som i sin tur värmer upp

vattnet till önskad temperatur, 80 ^◦ C, i ackumulatortanken. Från avläsning av

givare genererar systemet endast 79.6 ^◦ C. Vid behov skickas vattnet, 79.6 ^◦ C, till

en eller flera processer (sekundärkrets), t ex ventilationen, förbehandlingens bad

etc., och cirkulerar sedan tillbaka till ackumulatortanken med en temperaturatur

på 56 ^◦ C. Det vill säga, det sekundära systemet arbetar med andra temperatu-

rer än det primära systemet. Shuntgrupper sitter kopplade mellan systemen där

blandning av medierna mellan primär - och sekundärkrets sker på ett kontrollerat

sätt med hjälp av styrventiler, ställdon och cirkulationspumpar. På vintern krävs

maximal uppvärmning från värmepannan då alla processer i systemet är i behov

av värme. Processerna inkluderar 4 bad i förbehandlingen, varmvatten till duschar

och kök, fastighetsvärme och ventilation. På sommaren är det endast uppvärmning

av vatten till de 4 baden i förbehandlingen samt duschar och kök som är i behov

av uppvärmning.

3 Teori

Den här sektionen behandlar teoretisk beskrivning av PLC-system och givare, el- installationer, energiberäkningar, teknologier för energiåtervinning samt statistiska beräkningar.

3.1 Programmerbart styrsystem (PLC-system)

Ett programmerbart styrsystem förkortat PLC-system (från engelskans program- mable logic controller) är ett system med programmerbart minne för lagring av information om styrning och reglering av processer som används bl a inom indu- strin. Användningsområdet är främst automation av olika processer som styrning av en svetslinje, vattentank, positionering av robotar etc.[18]. Definitionen av ett PLC-system kan beskrivas som “ett programmerbart generellt styrsystem med specialbyggd hårdvara som självständigt kan utföra styruppgifter i fabriker och maskiner”[19].

Beståndsdelarna för en PLC är huvudsakligen processorn vars uppgift är att läsa av ingångarna och applicera med systemets programmerade programm, minnet som lagrar information, ingångarna vilka läser av de signaler som skickas in från givare och slutligen utgångarna som skickar signaler att t ex tända en lampa [18]. Det programmerade systemet förs över till PLC:n via minneskort eller nätverkskabel.

PLC:n placeras lämpligen i ett skåp med anslutningar för givare och el-uttag.

3.2 Givare

För omvandling av fysikaliska storheter lämpliga för avläsning eller signalbehand- ling används givare. De vanligast förekommande givarna inom reglertekniken är elektriska givare som omvandlar utsignalen till storheterna ström eller spänning.

Vanliga variabler på insignaler är temperatur, tryck, flöde, densitet, fukthalt, varv- tal, pH-halt, koncentration etc. För ett styrsystem är givaren ofta den svaga länken.

Vid fel insignal till regulatorn genereras felaktig utsignal [19].

Överföringen av mätvärden från givare till regulator sker vanligtvis med en strömslinga

på 4−20 mA. Mätvariabeln (temperatur, flöde, tryck etc.) omvandlas till en ström-

signal inom ett givet område, till exempel 0 − 200 ^◦ C. Dvs temperaturgivaren är

avsedd att användas inom området 0 − 200 ^◦ C och då strömsignalen visar 4mA

är temperaturen 0 ^◦ C. Utsignalområdet kan även vara 0 − 5 V, 1 − 5 V, 0 − 10 v

och 0 − 20 mA etc. [19].

En fördel med att använda 4−20 mA är att enkelt upptäcka uppkomsten av fel från en givare till ett instrument. Om strömsignalen från en givare är 0 mA vet systemet att något är fel eftersom det ligger utanför området och en felsignal skickas till t ex ett larm. Användningen av 4 − 20 mA kallas för upphöjd nollpunkt [19]. Fördelen med storheten spänning som utsignal inom området, exempelvis 0−10 V, är enklare felsökning och kontroll av utrustningen. Mätningar med multimeter utförs endast genom kontakt med plus - och minuspol istället för att bryta kretsen och koppla om för att göra en mätning. Det går även att mäta strömmen med multimeter men är svårt vid låga amperemeter [19].

3.2.1 Temperaturgivare

Den vanligaste variabeln för mätning och reglering i industriella processer är tem- peratur. Det finns många olika varianter på temperaturgivare där motståndster- mometrar, termoelementgivare och termistorer hör till de vanligaste. Dessa är av den elektriska typen som genererar en utsignal av storheten ström eller spänning [19].

3.2.2 Flödesgivare

Det finns många olika flödesgivare för mätningar av ett flöde och valet beror på typ av medie, önskad noggrannhet, storlek på flödet, typ av utsignal från givare etc. För ventilation kan en luftflödesgivare användas med mätningar av hastighet som storhet [19].

3.3 El-installationer

För installation av elektrisk utrustning behövs en el-ritning över installationen.

Skärmad kabel bör användas vid inkoppling av givare till ett styrsystem för mins- kad reducering av eventuella störningar från omrkingliggande elektrisk utrustning, till exempel en högspänningsledning. Störningar från omkringliggande utrustning kommer från de magnetfält som finns runt elektriska ledare. En skärmad kabel är utrustad med ett foliehölje runt trådarna samt en skärm i form av metalltrådar.

Med ett hölje av folie runt trådarna inuti ledaren samlas eventuella intilliggande

magnetfält upp av foliehöljet och stör ej mätutrustningen. Skärmen ska fästas både

i givare och styrsystemets skåp. Vid eventuella störningar leds dessa ner i jord via

skärmen och styrsystemet förblir opåverkat. Utan skärmad kabel kan störningar

orsakas och ge felaktiga mätresultat.

3.4 Energiberäkningar

3.4.1 Frigjord energi vid kylning

Vid kylning av en kropp med en viss temperatur till en omgivning eller kropp med en lägre temperatur frigörs energi från den varma kroppen. Den frigjorda energin kan beräknas enligt

Q = m × C _p × ∆T, (1)

där m är kroppens massa, C _p är den specifika värmekapaciteten för materialet och

∆T är skillnaden i temperatur [20].

3.4.2 Värmeflödeshastighet

Ett medies värmeflödeshastighet för ventilation ges av ekvationen

Q ˙ _v = ˙ V _v × C _p × ρ × ∆T, (2)

där ˙ V _v luftens volymflöde, C _p är luftens specifika värmekapacitet, ρ är luftens densitet, ∆T är temperaturskillnaden för luften [20].

3.4.3 Transmissionsförluster

Värmetransport genom ett klimatskal bidrar till transmissionsförluster i form av energi. Värmetransport genom ett medium kan beräknas med termisk resistans.

Den termiska resistansen beror på mediets geometri och termiska egenskaper. Re- sistanserna beräknas enligt ekvationerna 3-6 nedan

R _i = R _konv1 = 1

h ₁ A , (3)

R 1 = R ₃ = L ₁

k ₁ A , (4)

R ₂ = L 2

k ₂ A , (5)

R _u = R _konv2 = 1

h ₂ A , (6)

där totala resistansen ges av

R _tot = R _i + R ₁ + R ₂ + R ₃ + R _u . (7) Värmetransporten genom klimatskalet kan sedan beräknas enligt

Q = ˙ T _s − T ∞

R _tot . (8)

3.4.4 Värmeöverföringskoefficient

Beräkning av värmeöverföringskoefficienten beräknas enligt Ekvation 9 nedan

h = k

L _c N u, (9)

där N u är det genomsnittliga N usselttalet för naturlig konvektion över en hori- sontell yta vars empiriska korrelation ges av

N u = 0.1Ra ^1/3 _L , (10)

där Ra är Rayleigh nummer och gäller för 10 ⁷ ≤ Ra _L ≤ 10 ¹¹ . Vidare gäller

Ra L = Gr L P r, (11)

där P r är P randtls tal, en dimensionslös enhet som beskriver förhållandet mellan en fluids viskösa - och termiska krafter enligt

P r = ν

α . (12)

och Gr _L är Grashof s tal. En dimensionslös enhet som beskriver en fluids förhål- lande mellan flytkraft och viskositet och definieras enligt

Gr _L = gβ(T s − T ∞ )L ³ _c

ν ² (13)

där g är gravitationskonstanten, T _s yttemperaturen, T ∞ omgivningens temperatur och L _c den karaktäristiska längden som i sin tur definieras enligt

L _c = A _s

p (14)

och β är den termiska expansionskonstanten

β = 1

T _f , (15)

där T _f är filmtemperturen

T _f = (T _s + T ∞ )

2 . (16)

3.5 Värmeåtervinning

Teknologierna för återvinning av spillvärme kan delas in i två kategorier, akti- va och passiva, och beror på hur och när spillvärmen används. Mekaniskt drivna värmepumpar och organiska Rankine cykler (OCR) klassas som aktiva teknolo- gier där återvinningen av spillvärme kan kategoriseras in i tre olika typer för att ge värme, kyla eller elektricitet. Två dominerande teknologier inom den passiva kategorin är termisk energiförvaring och värmeväxlare. Ju större temperaturskill- nad mellan spillvärmen och det tänkta området för att tillföra energi, desto större mängd värme, kyla eller elektricitet kan utvinnas [21].

Vid återvinning av frånluften med t ex en värmeväxlare finns det många fakto-

rer att ta ställning till. En av de viktigaste faktorerna är värmeväxlarens förmåga

att leverera det önskade värmeflödet för att att uppnå en viss temperaturföränd-

ring mellan de två fluiderna. Pumpar eller fläktar, som driver flödet för till - och

frånluft, drivs av elektricitet där kostnaderna för drift kommer att bero av pum-

parna/fläktarnas effekt, el-priset och drifttiden. En minskning av massflödet vill

resultera i en minskning av pumparna/fläktarnas effekt vilket kommer att generera

en lägre driftkostnad. Detta skulle dock kräva en större storlek på värmeväxlaren

vilket i sin tur resulterar i en större investeringskostnad. En värmeväxlare med

tekniken för motströmsflöde genererar generellt högst verkningsrad, jämfört med

tekniker som parallellt flöde och korsströmsflöde, enligt [22].

3.6 Principen för värmeväxlare och värmepump

Det primära användningsområdet för värmeväxlare och värmepumpar är i venti- lationssystem. Principen för en värmeväxlare består av fläktar för in - och utsläpp av luft. Fläkten för inluft suger in utomhusluft som släpps ut till insidan av bygg- naden och fläkten för frånluft suger in inomhusluft som släpps ut till utsidan av byggnaden. När dessa flöden möts i värmexälaren sker ett värmeutbyte mellan fluiderna [23]. Det finns en uppsjö av olika varianter av värmeväxlare. Först och främst måste typen av värmeväxlare bestämmas där sedan valet av flöde för de två fluiderna måste göras, parallellt flöde, motströmsflöde eller korsströmsflöde. Nyc- kelparametrar som hastighet och massflöde samt en önskad värmetransport, från det varma flödet till det kalla flödet, bör bestämmas för beräkning av lämpliga dimensioner till värmeväxlaren [24].

Värmepumpens princip bygger på att gas komprimeras och värmen förs sedan över till vanligtvis inomhusluft via ett cirkulerande köldmedium [23]. Nedan följer en mer detaljerad beskrivning av olika tekniker för värmeväxlare och värmepumpar.

3.6.1 Plattvärmeväxlare

Det finns många olika varianter av plattvärmeväxlare där tre av de vanligaste tek- nikerna bygger på: parallellt flöde, motsrömsflöde eller korsströmsflöde. Tekniken för en plattvärmeväxlare är enkel där till - och frånluft passerar varandra mellan veckade aluminiumplåtar utan att blandas. Aluminiumplåtarna värms upp av det varma mediet och värmen överförs till det kalla mediet. Trots en enkel teknik är plattvärmeväxlarna svåra att rengöra. Plattvärmeväxlare har en verkningsgrad på ca. 60 - 90 % [25]. En plattvärmeväxlarna med motströmsflöde har generellt sett högst verkningsgrad och högsta termiska effektivitet, kan vara uppemot 100 %, av de tre olika modellerna [22].

Figur 6 – Schematisk bild över tre olika tekniker värmeväxlare där figuren längst

till vänster visar parallellt flöde, figuren i mitten visar korsströmsflöde och figuren

till höger visar motströmsflöde.

3.6.2 Roterande värmeväxlare

Principen för den roterande värmeväxlaren består av roterande hjul där en rotor värms upp av varm frånluft som i sin tur värmer upp kall tilluft. Dess höga verk- ningsgrad, ca. 85 %, är på grund av att luften strömmar genom smala kanaler och uppnår en hög temperatur. En nackdel med tekniken är risken för läckage från förorenad frånluft till tilluftssystemet. Detta kan dock vara försumbart vid stora mängder luft men tekniken är inte optimal för sterila områden på t ex sjukhus. En av fördelarna är att fläktarna arbetar under låga tryckfall vilket resulterar i en låg el-användning. Värmeväxlaren är även relativt enkel att rengöra [26].

3.6.3 Vätskekopplade system

System av typen vätskekopplad värmeåtervinning består av ett installerat värme - och kylbatteri i ventilationen. Varm frånluft värmer upp en frysskyddad vätska som cirkulerar mellan värme - och kylbatteriet som i sin tur avger värmen till den kalla tilluften. Detta är ett flexibelt system där till - och frånluftsaggregat kan placeras på platser oberoende av varandra. Verkningsgraden är ca. 70 % [25].

3.6.4 Värmepump

Det finns olika typer av värmevärmepumpar där en gren är luftvärmepumpar och kan delas in i tre kategorier: luftvattenvärmepump som kopplas in till ett vatten- buret värmesystem, luftvärmepump för uppvärmning av inomhusluft och frånlufts- värmepump kopplat till ett ventilationssytem för återvinning av värme till vatten eller luft [27]. En värmepump fungerar på samma sätt som ett kylskåp, att överföra värme från ett kallt område till ett varmare område. Denna process är nödvändig för att ett kylskåp ska hålla sin låga temperatur medens för en värmepump är syftet att att värma upp ett specifikt område.

Kylkretsen är värmepumpens hjärta som tar vara på energi från en källa som kan

användas för uppvärming av vatten eller lokaler där källan för luftvärmepumpar

är luft. En energi kan genereras från låga temperaturer, ibland under 0 grader, och

utvinnas uppemot 65 grader, beroende på typ av system. Inne i kylkretsen värms

en krets med ett kallt köldmedie upp av det ljumma frysskyddet som cirkulerar

inne i värmepumpen. Köldmediet värms då upp några grader och förångas till ett

gasformigt medie. Sedan ökas trycket på köldmediet med hjälp av en kompressor

och temperaturen stiger. Det heta köldmediet för sedan över värmen till t ex ett

hus. När köldmediet överför sin värme sjunker dess temperatur igen och återgår till

vätskefas, trycker sänks med hjälp av en expansionsventil och köldmediet övergår till sin ursprungliga temperatur och processen börjar om [28].

3.7 Statistik

Statistiska mätningar av hur mycket värdena i en serie stickprov avviker från me- delvärdet kan beräknas med standardavvikelsen. Det vill säga, standardavvikelsen är en uppskattning av osäkerheten/felet för ett enskilt mätvärde. I de fall där de observerade värdena i en serie av stickprov ligger nära medelvärdet blir stan- dardavvikelsen låg. För spridda värden i förhållande till medelvärdet ges en hög standardavvikelse. Formeln för beräkning av standardavvikelsen ges av

σ =

s P

(x − m) ²

n − 1 , (17)

där ^P är summan av det som följer till höger, x är ett enskilt observationsvärde, m är medelvärdet för stickproven och n är antalet observationer [29].

För vidare beräkningar av standardavvikelsen för en funktion kan en felfortplant- ningsformel användas. Syfte med felfortplantningsformeln är att avgöra hur mycket en approximation påverkar slutresultatet och definieras enligt

σ _f =

s

( ∂f

∂x ) ² σ ² _x + ( ∂f

∂y ) ² σ _y ² , (18)

där σ _f är standaravvikelsen för en viss funktion f , σ _x är standaravvikelsen för en variabel x och σ _y är standaravvikelsen för en variabel y [29]. Felfortplantningsfor- meln gäller endast för små standardavvikelser [30].

4 Metod

I denna sektion presenteras de olika metoderna för kartläggning av ugnarna. Det

första utförandet presenterar loggning av ugnarnas effekt för att få en uppfattning

om hur mycket el-användning utrustningen kräver samt eventuella besparingar vid

effektivisering av produktflödet. Sedan följer en beskrivning av undersökning av

transmissionsförluster genom ugnarnas klimatskal samt beräkningar på eventuella

besparingar med isolering som åtgärd. Den sista och mest omfattande delen be-

skriver metoden för kartläggning av tork - och härdugnens ventilationssystem för

respektive kylzon för beräkning av mängden spillvärme som släpps ut via frånluf- ten genom fabrikens tak. Teoretiska värden på frigjord energi från en viss mängd stål i kylzonen kommer att jämföras med de praktiskt uppmätta resultaten med syftet att kunna göra en rimlighetsbedömning.

4.1 Antaganden

För beräkningar togs följande antaganden:

• Omgivningens temperatur i lokalen antogs vara rumstemperatur 22 ^◦ C på grund av att det är den önskade rumstempertauren för fastigheten.

• Områden med yt-temperaturer lägre än 30 ^◦ C på ugnarnas klimatskal an- togs ej ge signifikanta resultat på grund av liten temperaturskillnad mellan omgivningens temperatur och yt-temperaturen. Dessa områden togs ej med i beräkningarna för transmissionsförluster.

• Transmissionsförlusterna från ugnarnas klimatskal antogs vara konstanta och ingen hänsyn till olika driftfall togs. Driftfallen per vecka skiljer sig endast åt på fredagar då drifttiden är 7 timmar kortare än för övriga vardagar, se appendix A.

• Yt-temperaturerna på takens insida i ugnarna mättes vid in - och utgången och antogs vara samma för hela arean på grund av bristfällig framkomlighet.

• Vid beräkning av transmissionsförluster antogs drifttiderna för ugnarna vara lika under hela året då de normalt sett inte skiljer sig från vecka till vecka, se appendix A.

• Samtliga beräkningar har utförts på 365 dagar på grund av bristfällig infor- mation om plustid och övertid vardagar och helger.

4.2 El-användning ugnar

För kartläggning av hur stor del av fabrikens totala el-användning som krävdes för användning av härdugnen, hur stor effekt som krävdes för ugnen i drift med och utan belastning samt hur mycket energi som krävdes för uppstart av ugnen varje morgon, utfördes mätningar i två olika fall. Mätningarna utfördes endast på härdugnen på grund av bristfällig mätutrustning.

Effekten för härdugnen under drift mättes med en data-logger som fästes runt

kablarna för inkoppling till el-skåpet. Mätningen utfördes under normala driftför-

hållanden under en vecka inom perioden 21/3 - 27/3. Fall 1 gick ut på att logga effekten av ugnen under drift utan belastning av komponenter, det vill säga ugnens effekt vid drift utan dörröppningar och stål att värma. Denna mätning utfördes under en natt då produktionen stod stilla. I fall 2 mättes effekten under 7 dagar då ugnen var i drift under produktionstid under normalla förhållanden, där ugnen stängs av vid midnatt varje vardag för att sedan startas upp igen morgonen därpå, se drifttider i bilaga A.

Från den loggade effekten kunde beräkningar på ugnens andel av den totala el- användningen för fabriken samt ett medelvärde för effekten för ugnen i drift utan belastning beräknas. Vidare beräknades ett medelvärde av effekten i två olika fall med hjälp från mätningarna från fall 1 och fall 2 nämnt ovan. Dessa beräkningar utfördes för en undersökning av huruvida det lönar sig att stänga av ugnen varje kväll för att sedan starta upp ugnen morgonen därpå. Beräkningarna utfördes mellan 23:59 - 06:30 för att täcka intervallet då ugnen varit avstängd samt startats upp igen.

4.3 Transmissionsförluster

För att beräkna transmissionsförluster genom ugnens väggar och tak utfördes mät- ningar på yt-temperaturen med hjälp av en IR-termometer. Ugnarna delades in i sektionerna väggar och tak. En serie mätningar för varje sektion utfördes och ett medelvärde togs fram. Endast de ytor med en genomsnittlig temperatur med signifikant skillnad i förhållande till omgivningens temperatur togs med i beräk- ningarna. Detta antogs vara temperaturer ≥ 30 ^◦ C. De ytor som uppnådde gränsen var ugnarnas tak. Arean beräknades med hjälp av ritningar på ugnarna. Med här- ledning i sektion 3.4.3 och 3.4.4 kunde värmeförlusterna beräknas med Ekvation 8.

På grund av element och generatorer placerade på de båda ugnarnas tak beräkna- des den procentuella ytan för möjlig placering av tilläggsisolering. För undersök- ning av eventuella energibesparingar upprepades beräkningarna av transmissions- förlusterna med en tilläggsisolering av glasull i olika tjocklekar, 10, 15 och 20 cm.

4.4 Frigjord energi kylzon

För att kunna göra en rimlighetsbedömning av de uppmätta praktiska resultaten

för kylzonernas ventilation beräknades även ett teoretiskt värde för den frigjorda

energin från komponenterna vid kylning. Uträkningarna baserades på värden under en dags normala driftförhållanden. Med hjälp av cykeltids-listor över produktflö- det kunde antalet lastare av varje modell bestämmas. Ett genomsnittligt värde på tillhörande detaljer beräknades, utifrån uppskattning och resonemang med perso- nal, av den vanligast förekommande modellen. Sedan kunde uträkning av frigjord energi beräknas för samtliga kompletta lastare (lastare inklusive tillbehör) med Ek- vation 1. Temperaturskillnaden för kylning i härdugnens - och torkugnens kylzon var 90 till 30 ^◦ C och 180 till 30 ^◦ C.

4.5 PLC-system

För mätningar av ventilationens frånluft från ugnarnas kylzoner programmerades ett styrsystem för användning av flödes - och temperaturgivare. Programmering av styrsystemet och inställning av givarnas parametrar beskrivs i sektion 4.5.1 nedan.

4.5.1 LOGO!Soft comfort

Styrsystemet programmerades i programmet LOGO!Soft comfort V8.1. I Figur 7

nedan visas en lista med beskrivning av de använda blocken för en större förståelse

av programmet.

Figur 7 – Lista över utvalda block från LOGO!Soft comfort V8.1. Listan visar beteckning, utseende i LOGO samt beskrivning av blocken.

Tabell 1 nedan visar logiken för OR (ELLER) - blocket. Tillstånd med värdet 1 är slutna och tillstånd med värdet 0 är öppna. OR (ELLER) - funktionen antar värdet 1 om en eller fler ingångar antar tillstånd 1, det vill säga lampan lyser.

Annars antas värdet 0.

Tabell 1 – Logiktabell för OR (ELLER) - blocket.

1 2 Q

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

Systemet programmerades i två delar. I den ena delen programmerades ett larm

för möjligheten att upptäcka eventuella felkopplingar eller givarfel. Den andra de-

len programmerades för loggning av data.

I systemet för larmet programmerades en analog förstärkare in för vardera givare.

Förstärkarnas uppgift var att skala om insignalerna från givarnas uppmätta värde till känd enhet på utsignal, i detta fall ^◦ C och m/s. Larmets uppgift var att skicka en utsignal som tänder en lampa. För den funktionen lades ett block med villkor in i systemet. Blocket betecknades analog tröskelutlösare och hade de inbyggda max/min-gränserna - 20 000 till 20 000. Systemet ställdes in till gränserna - 20 000 till -1. Detta för att larmet skulle utlösas om temperatur - eller flödesgivare genererade ett värde mindre än 0. Vid insignaler mindre än 0 triggades funktionen och en signal skickades vidare till OR (ELLER) - blocket vars uppgift var att undersöka om insignalerna uppfyllde villkoret ≥ 1. Om villkoret var uppfyllt för någon eller för båda insignalerna antogs värdet 1 för systemets utsignal och lampan började lysa. Se kretsen i Figur 8.

Figur 8 – Layout över systemets larmkrets för temperatur - och flödesgivaren.

Vid simulering var programmets minsta värde givarna kunde anta 0. För verifiering av att systemet fungerade ställdes den analoga tröskelutlösarens in till gränserna - 20 000 till 6. Vid insignaler från givare med ett värde mindre än 6 utlöstes larmet och systemet var verifierat.

Nedan visas kretsen för loggning av data i Figur 9. Insignal för start och stopp programmerades till ett relä vars uppgift var att hålla igång start/stopp - knappen då de trycks ner. Utan relä skulle start/stopp - knappen behövt hållas in konstant.

Ett puls/paus - block lades till för att ställa in loggningen till var 10e sekund vilket

kontrollerades genom observation vid simulering. För att direkt se de aktuella

värdena på PLC:ns display vid loggning lades ett block för text-meddelande till

och slutligen blocket för utsignaler, vilket i detta fall var temperatur och flöde.

Figur 9 – Layout över systemets larmkrets.

Systemet fördes över till en PLC av modell LOGO!12/24 RC av märket Siemens, med hjälp av en nätverkskabel. Via uppkoppling mellan PLC:n och PC:n kunde simulering av systemet kontrolleras.

Paramterar på utsignaler och mätområden ställdes in för det programmerade syste- met. Flödets och temperaturgivarens analoga utsignaler ställdes in till 0 − 10V för underlättning av felsökningar, se sektion 3.2. Mätområdena ställdes in till 0 − 30 ^m _s och 0 − 200 ^◦ C.

4.5.2 El-installation

Inkoppling av yttre förbindelser mellan givare och PLC utfördes med hjälp av da- tablad, observation av givarna och inre förbindelser i skåpet. En skärmad kabel med lämplig diameter gick inte att få tag på då inkopplingen skulle utföras. Istället kontrollerades området runt ventilationsrören och eftersom inga större intilliggande el-anslutningar fanns, kopplades givarna in med kabel utan skärm. Temperatur- givaren var en PT100 med analoga utsignaler 4 - 20 mA. För att skala om dessa till vald parameter i programmet, 0 - 10 V, installerades ett motstånd i skåpets el-anslutningar till PLC:n. Luftflödesgivaren var av märket Kimo modell CTV110 och behövde förutom inställning av parametrar i programmet ställas in manuellt.

Inställningarna av CTV110 ställdes in med hjälp av tillhörande datablad. Utrust-

ningen var avsedd för att mäta både flöde och temperatur. Dess temperaturgivare

var enligt databladet avsedd för 0 till 50 ^◦ C och valdes därför att inte kopplas in på grund av okänd max-temperatur i ventilationsrören (därav valet av en se- parat temperaurgivare PT100). I Figur 10 visas en bild på frontdelens insida av displayen.

Figur 10 – Frontdelens insida för CTV110, där S1 är switch 1 och S2 är switch 2 [31].

Givaren var utrustad med två switchar, switch 1 för flöde och switch 2 för tempera- tur. Inställningar för utsignal för flöde ställdes in med Switch 1. Med en skruvmejsel ändrades inställningarna och enheten ställdes in till m/s enligt Figur 11. Valet av m/s var på grund av senare omvandling av hastighet till volymflöde.

Figur 11 – Inställning av enhet för Switch 1 [31].

På samma sätt ställdes mätområdet för flödet in för 0 till 30 m/s enligt Figur 12. På grund av okänd max-hastighet i ventilationsrören valdes det bredaste intervallet.

Figur 12 – Inställning av Switch 1 för flöde inom olika gränser [31].

4.5.3 Verifikation av mätutrustning

För säkerställning av att utrustningen fungerade som den skulle och genererade rimliga värden utfördes en rad tester innan mätningarna påbörjades. För verifiering av temperaturgivaren noterades rumstempertaturen på kontoret till 22 ^◦ C, däref- ter startades PLC:n och displayens värde för temperatur stämde överens med den noterade rumstemperaturen. Sedan hölls temperaturgivaren i handen och värdet på displayen steg då till ca. 35 ^◦ C vilket kan approximeras med kroppstemperatur på 37 ^◦ C.

För att verifiera att mätutrustningen fungerade för dess ändamål i ventilationsrö- ret utfördes ett ytterligare test med hjälp av en handhållen varmtrådsanemometer av märket Testo. Varmtrådsanemometern mätte både flöde och temperatur och placerades i ett av undersökningens ventilationsrör. En serie mätdata noterades var 10:e sekund under 2 minuter. Sedan placerades styrystemets temperaturgivare och flödegivare i ventilationsröret och loggningen startades och hölls igång i 2 mi- nuter. De erhållna värdena från styrsystemets temperatur - och flödesgivare var ca.

1.15 ^◦ C högre och ca. 1.32 ^m _s lägre än de erhållna värdena från varmtrådsanemo- metern. På grund av kraftiga variationer på luftflödets hastighet och temperatur samt att mätningarna inte kunde utföras samtidigt antogs skillnaden ej signifikant.

4.6 Loggning av data

Med hjälp av det programmerade styrsystemet och mätutrustningen presenterad i sektion 4.5 kunde temperatur och hastigheten (riktning uppåt) loggas i ventila- tionsrören.

Två hål borrades i varje ventilationsrör för frånluft, ett hål för vardera givare.

Ventilationsrören var rektangulära med måtten 140 x 50 cm och hållen borrades i mitten på rörets långsida ca. 10 cm ovanför spjällen för frånluften. För att fästa givarna i hålen designades hållare i form av en gängad 1/2” mutter som svetsades fast på en plåtbricka. Hållarna skruvades sedan fast över de förborrade hålen. Gi- varna placerades i mitten av ventilationsrörets luftflöde och sattes i ordningen med flödesgivaren underst för att inte eventuella störningar i luftflödet skulle orsakas av temperataurgivaren.

På grund av tidsbrist loggades hastigheten och temperaturen endast under en dags

normala produktionsförhållanden per ventilationssystem. Mätningarna för venti- lationssystem 1 och 2 för härdugnen utfördes torsdag 3/6 samt onsdag 2/6. För torkugnens ventilationssystem 1 och 2 utfördes mätningarna torsdag 8/6 samt måndag 16/6. Loggningarna startades 06:30 eftersom spjällen i ventilationssyte- men öppnades för till - och frånluft då produktionen startade, det vill säga då första produkten passerade genom ugnen. Loggningen avslutades ca. 23:59. Vid beräkningar förkastades de värden då hastigheten var 0 m/s vid loggningens start eller slut. Detta gav ett loggningsintervall på ca. 17 timmar för samtliga mätningar.

Utifrån de givna data från mätningarna kunde frånluftens värmeflödeshastighet beräknas med Ekvation 2. I beräkningarna av värmeflödet användes temperatur- skillnaden mellan ventilationsrörets frånluft och kylzonens luft. Temperaturen i kylzonerna, som var inställd på 20 ^◦ C för torkugnen och 10 ^◦ C för härdugnen, kontrollerades med hjälp av temperaturkurvor för respektive kylzon.

4.7 Kontroll av över - eller undertryck

För att undersöka trycket i respektive kylzon användes en rökpenna av märket SMOKE-PEN Björnax AB Sweden, Pat. Pending. Pennans veke tändes på och hölls i utgången från kylzonen för undersökning åt vilket håll röken flödade. Vid undertryck borde röken sugits in i kylzonen och vid övertryck borde röken flödat ut till omgivningen. I torkugnens kylzon rådde ett tydligt undertryck då röken strömmade in i kylzonen. För härdugnens kylzon var testet svårt att utföra på högre halvan av öppningen (utifrån sett) då luft strömmade ut på grund av fläktar som satt monterade nära öppningen vilket orsakade ofrivillig ventilation. På den vänstra halvan av öppningen gick mätningarna att utföra mer noggrant där ett tydligt undertryck rådde då röken strömmade in i kylzonen.

4.8 Statistiska beräkningar

För att beräkna standardavvikelsen, för frånluftens temperatur och hastighet i kyl-

zonernas ventilationssystem, togs medelvärdet fram för respektive parameter och

Ekvation 17 användes. För beräkning av storleken på felet/osäkerheten av funktio-

nens värde för värmeflödet användes Ekvation 18. I felfortplantningsformeln måste

variablerna i funktionen vara oberoende av varandra. I funktionen för värmeflö-

de antogs densiteten inte bero av temperaturen. Ett medelvärde för densiteteten

vid de två olika temperaturerena och den specifika värmekapaciteten för luft vid atmosfärstryck användes. Detta bör inte ha orsakat någon signifikant skillnad på resultaten då temperaturskillnaden var relativt liten.

5 Resultat

5.1 El-användning ugnar

Den totala elanvändningen per år för härdugnen i drift under produktionstid beräk- nades till ca. 32 % av fabrikens totala el-användning per år. Effekten som används då ugnen är i drift utan belastning beräknades till 232.4 kW.

I Tabell 2 visas energianvändningen som krävs då ugnen är i drift under hela perioden utan att stängas av (fall 1) samt då ugnen stängs av vid midnatt för att sedan startas upp på morgonen (fall 2). Resultatet visar att fall 1 kräver en högre energianvändning, då ugnen var i drift under hela perioden istället för att stängas av.

Tabell 2 – Energianvändning för de två olika fallen för härdugnen, där den vänstra kolumnen visar fall 1 och den högra kolumnen visar fall 2.

Fall 1 [kWh] Fall2 [kWh]

1539.8 875.7

5.2 Transmissionsförluster

Nedan presenteras resultaten för transmissionsförlusterna genom tork - respektive härdugnens tak. Resultaten visar endast transmissionsförluster för takens tork- zon och härdzon på grund av att uppmätta yt-temperaturer för resterande ytor (väggar och kylzonernas tak) var lägre än 30 ^◦ C och antogs inte ge signifikanta värmeförluster.

Energiförlusten genom torkzonens tak beräknades till 13 451 kWh/år. Ytan för

möjlig placering av tilläggsisolering beräknades till 53 %. I Tabell 3 visas energiför-

lusterna med tilläggsisolering av olika tjocklek samt den årliga energibesparingen

vid användning av de olika alternativen. Energiförlusterna med en tilläggsisolering

på 20 cm glasull beräknades till 6 519 kWh/år, vilket motsvarar en energibesparing

på 48.5 %.

Tabell 3 – Energiförluster genom torkugnens tak med tilläggisolering av tjocklek 10, 15 och 20 cm samt energibesparing för de olika alternativen.

Isolering [cm] Q [kWh/år] Besparing [kWh/år]

10 9 148 4 302

15 7 887 5 565

20 6 931 6 519

De årliga transmissionsförlusterna genom härdzonens tak beräknades till 60 940 kWh. Ytan för möjlig placering av tilläggsisolering beräknades till 78 %. I Tabell 4 visas energiförlusterna med tilläggsisolering av olika tjocklek samt den årliga energibesparingen vid användning av de olika alternativen. Ett lager tilläggsisole- ring med tjocklek 20 cm skulle minska energiförlusterna med 30 898 kWh/år vilket motsvarar en energibesparing på 50.7 % per år.

Tabell 4 – Energiförluster och energibesparing genom härdugnens tak med tilläggsisolering av tjocklek 10, 15 och 20 cm.

Isolering [cm] Q [kWh/år] Besparing [kWh/år]

10 40 244 20 696

15 34 402 26 538

20 30 041 30 898

5.3 Ventilationssystem kylzoner

I denna sektion presenteras resultatet från den teoretiskt beräknade frigjorda ener- gi av en viss mängd stål i ugnarnas kylzoner, resultat från loggning av temperatur och hastighet i ugnarnas ventilationssystem för kylzonerna samt det beräknade värmeflödet, standardavvikelsen, och det Gauss-approximerade felet.

5.3.1 Teoretiskt frigjord energi

I Tabell 5 presenteras den frigjorda energin för kylning av kompletta lastare ba-

serat på en dags produktion under normala förhållanden. Temperaturskillnaden

var 150 ^◦ C för härdugnens kylzon och 105 ^◦ C för torkugnens kylzon. Resultaten

beräknades på 365 dagar drift per år.