Masterproef Studie en analyse van een smart grid integratie van een industriële vriesinstallatie.

Transcriptie

1 Masterproef Studie en analyse van een smart grid integratie van een industriële vriesinstallatie. Studiegebied Industriële wetenschappen en technologie Opleiding Master of Science in de industriële wetenschappen: elektrotechniek Afstudeerrichting Automatisering Academiejaar Pieter Decock Academische bachelor- en masteropleidingen, Graaf Karel de Goedelaan 5, 8500 Kortrijk

2 Voorwoord De dag van vandaag zijn milieu en energieverbruik twee belangrijke topics. Dit heeft zijn invloed op de nieuwe technologieën die ontwikkeld worden. Naast het energie efficiënt aansturen van de installatie, wordt meer en meer gekeken naar de momentele kostprijs van de energie om de installatie aan te sturen. Door de installatie aan te sturen wanneer de energie beschikbaar is kunnen er ook kosten bespaard worden (marktwerking). Tijdens het laatste jaar van mijn opleiding kreeg ik de kans om mijn masterproef uit te voeren bij DTplan. Tijdens dit jaar heb ik een studie gemaakt over een vriesinstallatie ter voorbereiding van een integratie in een smartgrid toepassing. De studie van dergelijk project was voor mij een totaal nieuw gegeven. Daardoor heb ik mijn kennis voor dergelijke projecten kunnen verruimen. Graag wil ik mijn externe masterproef begeleider Sam Tytgat bedanken die een deel van zijn tijd en energie in mij en in dit werk gestoken heeft. Daarnaast wil ik ook Jan Desmet bedanken voor het in goede banen leiden van deze masterproef. Tenslotte zou ik ook nog mijn ouders willen bedanken die mij al mijn hele leven steunen en kansen geboden hebben om te staan waar ik nu sta. Ook mijn vrienden en familie wil ik bedanken voor hun steun tijdens mijn studiejaren aan de Howest. ii

3 Abstract The purpose of this thesis is to make a study in order to make a preparation for smart grid integration on an existing freezing installation. The master thesis is in collaboration with DTplan and a freezing company near Moorslede. The control and adaptation to the freezing process can be done in different ways. For example, can be chosen to reduce the maximum power or to shift with the freezing cycles in order to use the energy when he is available. The possibilities to control the freezing process are limited. The maximum power cant be reduced because the time limit for freezing the products to a temperature of -18 C is important for quality reasons. When the freezing process is to slow, Great ice crystals will be generated and reduce the quality of the product. The possible changes to the freezing process are limited to the increase of the compressor power at the right moments, in order to turn off the compressor when there is a shortage off energy. In order to be able to carry out this study. It will be necessary to know what the influences are that affect the freezing process. The heat energy that is required for freezing is 6.9 GJ. The elements who effect the freezing process are the fan of the evaporator (990 kwh), the lighting in the freezer (5,1 kwh) and the losses through walls, ceiling and floors (1.7 kwh). The total energy necessary for freezing in 29 ton chicken to a temperature of -22 C is 11 GJ. It is intended that the PV-system can provide the energy consumption of the compressor for the whole year. There for, there is need of an installation of 590 kw peak. This master exam examined wherever it is possible to integrate this installation in a smart grid application. But the economic aspect has not yet been reviewed. The integration has been examined for freezing chicken. It can be interesting to also check if the integration is possible for freezing vegetables or fish or other types of products. The integration was with a PV installation but could be interesting to look for other possible renewable energy to integrate the freezer. iii

4 Inhoudsopgave Voorwoord Abstract Lijst van figuren Inleiding ii iii viii x 1 Opbouw van de installatie Situering Algemeen opbouw De snelvriezer compressor Verdamper condensor Invriesproces waarom invriezen Micro-organismen Vorming ijskristallen Opbouw en koelproces van de snelvriezer Elementen die het vriesproces beïnvloeden Invriezen van het product Invloed van de verpakking op de koelenergie Dimensioneren van koelvermogen Snelvriezer Elementen die het koelproces beïnvloeden warmteverliezen van de muren, wanden en plafond Warmteverliezen door personen Interne warmte productie Uitrusting gerelateerde warmte Besluit Energie in functie van de eindtemperatuur Tot welke temperatuur mag er verlaagd worden? Regelen van de temperatuur in de snelvriezer iv

5 Inhoudsopgave v 4 Programma + meetapparatuur Inleiding Keuze van de meetpunten keuze van de meetapparatuur Wago PLC Opmeten van het vermogen Temperatuur meting Opbouw Programma Binnen lezen van de data Modbus RTU Vermogen meting Datalogger Bespreking Meting Bespreking meetwaarden Verbruik compressor + verdampingstemperatuur Verbruik van de verdamper Verbruik condensor Verbruik van de pomp voor de het condens water besluit Werkelijke waarden versus berekende waarden COP Gemiddeld verbruik per kg kip Evaluatie Inleiding Beperken van de energie vraag Regeling op de koeltoren Plaatsen van rolgordijnen Keuze van koelmiddel Regeling verdampertemperatuur en aansturing ventilatoren Gebruik duurzame bronnen Koelenergie nodig? Energie nodig? Vermogen nodig Integratie met een PV installatie Regelen van het verbruik in functie van de opgewekte energie Besluit 53 8 Natraject Natraject voor energiebesparing Natraject voor de smartgrid implementatie Bibliografie 55

6 Inhoudsopgave vi A Invriezen voedsel 56 A.1 Invloed van de samenstelling op de thermodynamische eigenschappen 56 A.2 Water A.3 De specifieke warmte A.3.1 niet bevroren voedsel A.3.2 bevroren voedsel A.4 Enthalpie in functie van de temperatuur A.4.1 bevroren voedingsmiddelen A.4.2 niet bevroren voedingsmiddelen A.5 Koelvermogen berekenen via latente en specifieke warmte van kip A.6 Vergelijken van de drie methodes B Invloed van de verpakking van voedsel op het vriesproces 70 B.1 situatieschets B.2 invriezen verpakking B.2.1 Paletten B.2.2 kartonnen dozen B.3 koelen van de lucht B.3.1 verschil tussen vochtige en droge lucht B.3.2 koelenergie C Refrigeration load 77 C.1 Instralingwarmte C.1.1 Wanden en plafond C.2 Interne belasting C.2.1 Elektrische toestellen C.2.2 Vorkliften C.2.3 Personen C.3 apparatuur gerelateerde belasting C.4 besluit D Regelsysteem verdampingstemperatuur 84 D.1 uitwerken regelsysteem D.1.1 Temperatuur meting voor in de kippen D.1.2 Temperatuur meting voor in de vriezer D.1.3 Keuze van de PLC D.1.4 Materialen voor het regelen van de verdampingstemperatuur.. 85 D.2 kostprijs E Monitoringsysteem 87 E.1 Bepalen van de te gebruiken PLC E.2 Bepalen van de meetpunten E.2.1 temperatuur meting E.2.2 Vermogen metingen E.3 keuze van de meetapparatuur E.4 berekening kostprijs

7 Inhoudsopgave vii E.5 ISO E.5.1 Waarom is deze norm belangrijk? E.5.2 Hoe werkt het? F Software dossier 93

8 Lijst van figuren 1.1 schematische voorstelling van de snelvriezer schematische voorstelling van de condensor schematische voorstelling van de snelvriezer Groei micro-organismen in functie van de tempratuur Koelenergie in functie van temperatuur voor kip via methode van de enthalpie C waarde kip in functie van temperatuur koelenergie in functie van de temperatuur voor 1kg kip Taartgrafiek warmteoverdracht in functie van de temperatuur Taartgrafiek warmteoverdracht in functie van de temperatuur (zonder apparatuur gerelateerde verliezen) Grafiek ijsvorming in functie van de temperatuur Wago PLC Diris A10 meetmodule Wago vermogenkaart ( ) opbouw van het programma functieblok modbus master functieblok Power measurement Verdampingstemperatuur in functie van de tijd Compressor vermogen in functie van de tijd Temperatuur in de vriezer in functie van de tijd Temperatuur in de dozen van de kippen in functie van de tijd Actief vermogen van de ventilatoren van de verdamper Actief vermogen condensor Actief vermogen condensor pomp De trias energetica Snelvriezer oude situatie Snelvriezer nieuwe situatie Koelenergie in functie van de temperatuur elektrische energie in functie van de temperatuur Totale energie in functie van de temperatuur Totale energie in functie van de temperatuur viii

9 Lijst van figuren ix 6.8 Temperatuur kip in functie van de temperatuur Energie opwekking van een PV installatie in functie van de tijd Verbruiksprofiel van de snelvriezer A.1 Grafiek ijsvorming in functie van de temperatuur A.2 C waarde kip in functie van temperatuur A.3 Koelenergie in functie van temperatuur voor kip via methode van de enthalpie B.1 Koelenergie in functie van temperatuur voor het koelen van houten paletten B.2 Koelenergie in functie van temperatuur voor het koelen van kunststoffen paletten B.3 warmtestroom in functie van de temperatuur bij een buitentemperatuur van -24 C C.1 Grafiek warmteoverdracht in functie van de temperatuur voor wanden en plafond C.2 Grafiek warmteoverdracht in functie van de temperatuur voor personen in de vriezer D.1 Wtrans transmitter D.2 Wtrans Receiver D.3 Wtrans Receiver E.1 Prijs berekening monitoring systeem E.2 Energy management system model

10 Inleiding Voor deze masterproef zou in een diepvries bedrijf een energie monitoring gebeuren ter voorbereiding van een integratie in een smartgrid. Het verbruik van dit bedrijf ligt rond de euro per maand. Binnen in het bedrijf is een koelinstallatie aanwezig. Deze koelinstallatie bestaat uit 2 grote delen de snelvriezer enerzijds (ongeveer 360 KW) en anderzijds een koelcel om de diepgevroren producten van de snelvriezer op temperatuur te houden (ongeveer 250 KW). Het doel van deze masterproef bestaat erin om een correcte voorspelling te maken van het energieverbruik in functie van het vriesproces. Zo kan de eindtemperatuur, vriestijd,... geregeld worden door de toevoer van energie te regelen. Daarmee kan dan in een later stadium de energie toevoer geregeld worden in functie van de momentele kostprijs (marktwerking) van de energie of in functie van eigenproductie (PV installatie). Om deze doelstellingen tot een goed einde te brengen zullen volgende stappen doorlopen moeten worden. Eerst moet een studie gemaakt worden van de energie die nodig is om de goederen diep te vriezen. Daarbij moet rekening gehouden worden met kwaliteit van het product na het invriezen, de tijd nodig om het in te vriezen en de verbruikte energie voor het invriezen van de goederen. Daarna moet er gekeken worden welke invloeden die er allemaal zijn die het vriesproces beïnvloeden. Dit kan zowel proces gerelateerd zijn (ventilatoren, condensortemperatuur,...) als externe invloeden. Na het uitvoeren van deze berekeningen kunnen de deze vergeleken worden met de werkelijkheid. Uit de resultaten kan eventueel het vriesproces bijgestuurd worden. zodat op einde een verbruikspatroon kan opgesteld worden voor een bepaalde hoeveelheid goederen. Waarna er kan voorspeld worden hoeveel energie er verbruikt wordt voor het invriezen van een bepaalde hoeveelheid kip, dit ter voorbereiding van de integratie in een smart grid applicatie. x

11 Hoofdstuk 1 Opbouw van de installatie Vooraleer er gestart kan worden met de meting en de studie van het vriesproces moet eerst een grondige studie gebeuren van de installatie. Door deze studie vooraf door te voeren kan zeer eenvoudig de juiste meetpunten gekozen worden. In een later stadium kan dan het vriesprofiel van de installatie opgesteld worden. Daarnaast zal er in dit hoofdstuk dieper ingegaan worden op de werking van het vriesbedrijf. 1.1 Situering Het bedrijf vriest per dag ongeveer 29 ton kippen in (Enkel zaterdag ongeveer 32 ton). Dit gebeurt in een snelvriezer die 1 maal per dag geladen wordt. Deze producten worden tussen 4 en 8 uur binnengereden in de vrieskamer. Daarna worden de kippen in de vrieskamer gelaten tot omstreeks 4 uur de volgende dag en worden ze opnieuw uitgeladen om de nieuwe vracht kippen te kunnen inladen. Dit ritueel wordt elke weekdag herhaald alleen op zondag worden er geen nieuwe kippen in de vriezer geplaatst. De kippen die uit de snelvriezer komen gaan dan naar een koelcel die de temperatuur van de kippen op niveau houdt. De temperatuur in deze koelcel ligt tussen de -20 C en -22 C. De kippen worden verpakt in kartonnen dozen van 10kg die per 48 verpakt worden op een palet. 1.2 Algemeen opbouw Binnenin het bedrijf is een koelinstallatie aanwezig. Deze koelinstallatie bestaat uit 2 grote delen: De snelvriezer (ongeveer 360 KW) 1

12 Hoofdstuk 1. Opbouw van de installatie 2 De koelcel om de diepgevroren producten van de snelvriezer op temperatuur te houden (ongeveer 250 KW). Voor deze masterproef zal de snelvriezer verder bestudeerd worden. 1.3 De snelvriezer De snelvriezer zal er voor zorgen dat al de goederen die binnenkomen in het bedrijf binnen de 22 uur zullen diepgevroren worden (tot een maximum temperatuur van -18 C). De schematische voorstelling van de snelvriezer is te zien in figuur 1.1. Figuur 1.1: schematische voorstelling van de snelvriezer de belangrijkste onderdelen van deze opstelling zijn: Compressor (Grasso schroef compressor) Verdampers Condensor compressor De compressor in deze installatie is een grasso schroef compressor. Deze compressor heeft een koelvermogen van 380 KW en een opgenomen vermogen van 230 KW. De compressor zelf is gelimiteerd op 110 kw.

13 Hoofdstuk 1. Opbouw van de installatie Verdamper De verdamper in deze installatie bestaat uit 15 ventilatoren die in drie groepen van 5 ventilatoren aangestuurd worden. Deze hebben samen een vermogen van ongeveer 45 kw condensor de condensor binnen deze installatie is een warmtewisselaar met een lucht gekoeld water circuit. Deze luchtkoeling bestaat uit 3 ventilatoren. De aansturing van deze condensor beperkt zich tot het instellen van het toerental van de ventilatoren in de koeltoren via een schakelaar. de belangrijkste verbruikers in deze condensor zijn. Koeltoren Circulatiepomp Warmtewisselaar water uit koelmiddel uit koelmiddel in water in Figuur 1.2: schematische voorstelling van de condensor Koeltoren Zoals eerder vermeld kan er aan de condensor niet veel aangepast worden, enkel het toerental van de ventilator. Deze kan geregeld worden in 2 standen namelijk hoog toerental en laag toerental. Deze instelling is mogelijk doordat er gebruik gemaakt is van een dubbel speed fan motor. Door gebruik te maken van 2 afzonderlijke spoelen per fase kan door 1 of alle 2 de spoelen in te schakelen verschillende snelheden bekomen worden. In figuur 1.3 is te zien hoe de motor geschakeld moet worden.

14 Hoofdstuk 1. Opbouw van de installatie 4 Figuur 1.3: schematische voorstelling van de snelvriezer Circulatiepomp In het condensor circuit is er een circulatiepomp aanwezig die ervoor zal zorgen dat het koelwater van de snelvriezer circuleert. Op deze pomp is er geen regeling aanwezig de pomp kan enkel aan of uit geschakeld worden. Het vermogen van deze pomp bedraagt 5,5kW. Warmtewisselaar Om de koelvloeistof te koelen is er een warmtewisselaar aanwezig die het gekoelde water van de koeltoren gebruikt om het koelmiddel af te koelen.

15 Hoofdstuk 2 Invriesproces 2.1 waarom invriezen Micro-organismen Binnenin voedingsmiddelen zijn er altijd Micro-organismen aanwezig zoals bacteriën, schimmels, gisten en virussen, deze veroorzaken geuren, slijmproducten en uiteindelijk bederf van de voedingsmiddelen. De groei van de bacteriën hangt af van de samenstelling en van de temperatuur van de voedingsmiddelen. Figuur 2.1: Groei micro-organismen in functie van de tempratuur Aan het eerste kan weinig veranderd worden. De tweede factor kan zeer eenvoudig beïnvloed worden. Zo is de groei in functie van de temperatuur te zien in figuur 2.1. Door de temperatuur tussen de 1 en de 4 C te brengen kunnen de voedingsmiddelen verschillende dagen bewaard worden. Wanneer de temperatuur tussen de -18 C en -35 C gebracht wordt kan de bewaartijd van de voedingsmiddelen verlengd worden naar verschillende weken tot verschijnende maanden. 5

16 Hoofdstuk 2. Invriesproces Vorming ijskristallen Bij het invriezen is de tijd van het vriezen van belang. Bij het vriesproces kunnen er zich namelijk ijskristallen gaan vormen, hoe langer het vriesproces duurt hoe groter de omvang deze kristallen kan worden. Grote ijskristallen zijn niet aangewezen voor de kwaliteit van de voedingsmiddelen, omdat deze de cellen het weefsel van de voedingsmiddelen kunnen beschadigen. Waardoor de kwaliteit van het product vermindert. Bij het snelvriezen wordt er zodanig snel gevroren dat er overal in de voedingselementen ijskristallen gevormd worden. Dit gebeurt zo snel en gelijktijdig dat deze ijskristallen niet kunnen uitgroeien tot grote ijskristallen waardoor deze het weefsel minder gaan beschadigen en de kwaliteit bewaard blijft. De vorming van de ijs in voedingsmiddelen wordt berekend in bijlage 2 paragraaf A Opbouw en koelproces van de snelvriezer De snelvriezer die hier bestudeerd wordt dient voor het invriezen van kip. Deze kip wordt geslacht in het slachthuis waar het dient gekoeld te worden tot 4 C. Deze temperatuur is opgegeven door de dienst volksgezondheid. De kippen komen toe in het bedrijf en worden in dozen verpakt en op paletten in de snelvriezer geplaatst. Eenmaal in de snelvriezer wordt in een maximum tijdspanne van 22 uur de kippen diepgevroren tot een minimum opgelegde temperatuur van -18 C. Deze waarde wordt opgegeven door het koninklijk besluit[1]. Deze temperatuur is de kerntemperatuur van de kippen. De tijd waarin de kippen gekoeld moeten worden tot een temperatuur van -18 C wordt niet opgegeven door een specifiek wetgeving. Als norm voor het invriezen van vlees wordt 1 cm per uur genomen als actie tegen het uitgroeien van pathogenen (ziekteverwekker van biologische oorsprong) tijdens het invriesproces. De volumes aan kip die ingevroren worden zijn de maandag kg de dinsdag woensdag donderdag en vrijdag kg en de zaterdag kg. De kippen worden per 10kg verpakt in kartonnen dozen en worden per 48 dozen gestapeld op een palet. Na het vriesproces worden de paletten vervoerd naar de koelcel waar ze op temperatuur gehouden worden zodanig dat de volgende cyclus kan starten. Het laden en lossen van de vriezer gebeurt door 2 personen die met een vorklift de paletten transporteren van de ene vriezer naar de andere koelcel. Dit duurt ongeveer van uur tot rond 08 uur.

17 Hoofdstuk 2. Invriesproces 7 De vriezer op zich is een ruimte van 16m op 8m met een hoogte van 3,5m. In de snelvriezer zijn er 3 verdampers aanwezig, per verdamper zijn 5 ventilatoren. Deze zullen ervoor zorgen dat de gekoelde lucht met een grote snelheid door de vriezer blaast waardoor de producten sneller zullen afkoelen. Dit omdat de isolerende laag rond de dozen verwijderd wordt door de hoge snelheid van de lucht. 2.3 Elementen die het vriesproces beïnvloeden. Voor het invriezen van de producten is er een vriezer ter beschikking met een bepaald energieverbruik/patroon. Wanneer men deze vriezer in een smartgrid toepassing wil inbouwen moet een duidelijk beeld verkregen worden van dit vriespatroon. Om dit patroon te kunnen bepalen zal een theoretische berekening nodig zijn van het benodigde koelvermogen van de installatie om een gewenste hoeveelheid producten in te vriezen. Om een correcte berekening te maken moeten alle elementen die invloed hebben op het vriesproces bekeken en berekend worden. Voor het bepalen van het koelvermogen moet niet alleen het invriezen van het product in rekening gebracht worden maar ook de andere belastingen op de vriezer. Zo is er product afhankelijke invloeden en invloeden door opbouw van de snelvriezer.. Het is niet alleen belangrijk om te weten welke elementen het vriesproces beïnvloeden maar ook hoe deze invloeden wijzigen bij een temperatuurswijziging, een wijzigende massa kip,.... Het bekijken van deze invloeden is nodig om het vriesproces nog altijd zo efficiënt mogelijk te kunnen aansturen bij veranderende omstandigheden. In dit hoofdstuk zal het koelvermogen berekend worden en bekeken worden welke invloeden er aanwezig zijn die het benodigde koelvermogen beïnvloeden. De invloeden die bekeken worden zijn: Invriezen van het product. Invloed van de samenstelling van de voeding op de koelenergie Invloed van de eindtemperatuur op de koelenergie Invloed van de massa op de koelenergie Invloed van de verpakking op de koelenergie Invriezen van het product Het belangrijkste element bij het bepalen van het koelvermogen is het product zelf. Zoals eerder vermeld zal het product ingevroren moeten worden tot een kerntemperatuur van -18 C. De belangrijkste vraag bij deze temperatuur is hoeveel koelvermogen er nodig is om deze temperatuur te bereiken?, welke temperatuur moet de

18 Hoofdstuk 2. Invriesproces 8 vriezer hebben om deze eindtemperatuur te verkrijgen? en hoe de samenstelling van de kip het totale koelvermogen beïnvloed? Invloed van de verschillende stoffen in de voeding op het koelvermogen Vlees en andere voeding bestaan uit verschillende stoffen, enkele de samenstelling wijzigt. Door de wijziging in samenstelling zal ook de fysische eigenschappen gaan veranderen. De verschillende elementen in de voedingsmiddelen aanwezig, zijn: Water Proteïnen Vet Vezels Ash Kip bestaat enkel uit 4 elementen namelijk Water 66%, proteïnen 19%, vet 15% en ash minder dan 1%. Elk van deze stoffen heeft bepaalde fysische eigenschappen die elk hun invloed hebben op de totale fysische eigenschappen van de voeding. Water heeft de grootste invloed op het koelvermogen om kip in te vriezen en dit om twee redenen. Enerzijds bestaat kip voor meer dan 60% procent uit water waardoor de fysische eigenschappen van water sterk doorwegen en anderzijds is de specifieke warmte van kip 2 maal groter dan deze van de proteïnen, vet, en ash waardoor de totale specifieke warmte sterk beïnvloedt zal worden door het water. De berekeningen betreffende de specifieke warmte en koelvermogen voor kip kan berekend worden op 3 verschillende manieren. Koelvermogen berekenen via samenstelling van de kip en de specifieke warmte A.3 Koelvermogen berekenen via samenstelling van de kip en enthalpie A.4 Koelvermogen berekenen via latente en specifieke warmte van kip A.5 Vergelijken van de drie methodes Wanneer de methode van enhtalpie vergeleken wordt met de methode van de soortelijke warmte kan vastgesteld worden dat dit op hetzelfde neerkomt. Bij het berekenen van de nodige energie voor het koelen van de kip volgens de soortelijke warmte

19 Hoofdstuk 2. Invriesproces 9 zal de soortelijke warmte berekenend worden in een bepaald punt en deze vermenigvuldigen met een T. Wanneer deze T zo klein mogelijk genomen wordt, gelijk aan dt dan zal er de integraal genomen worden van de C p wat identiek hetzelfde is als het berekenen van de enthalpie inhoud. De eerste twee methodes voor het bereken van het koelvermogen zijn gelijk aan elkaar enkel de derde methode is verschillend van de rest. Dit komt omdat de derde berekening geen rekening houd met de veranderende samenstelling tijdens het invriezen van de producten. De vergelijkende studie van beide berekeningsmethodes zijn te zien in paragraaf A.6, de grafiek 2.2 vat de vergelijkende studie samen. Op deze figuur is de benodigde energie te zien om 100 kg kip diep te vriezen tot een bepaalde temperatuur. Wanneer beide uitkomsten vergeleken worden met elkaar kan vastgesteld worden dat er een grote variatie op beide uitkomsten zit (ongeveer 20%). Op figuur 2.2 is het verschil in koelenergie tussen de beide waarden te zien. Figuur 2.2: Koelenergie in functie van temperatuur voor kip via methode van de enthalpie Uit de grafiek (figuur 2.2) kan besloten worden dat de energie nodig om de kip te bevriezen vooral de energie is om water in ijs te veranderen. Dit omdat de vorm van de hoeveelheid ijs ten opzichte van de water hoeveelheid terugkomt in de grafiek (volgens rekenmethode 1) (zie figuur A.1) De methode die voorgeschreven wordt om te volgen door de vakliteratuur [2] is de methode van enthalpie en de soortelijke warmte in functie van de temperatuur. Het verloop van de soortelijke warmte is te zien in figuur 2.3

20 Hoofdstuk 2. Invriesproces 10 Figuur 2.3: C waarde kip in functie van temperatuur Uit figuur 2.3 kan besloten worden dat boven de vriestemperatuur de berekeningen relatief eenvoudig zijn de C-waarde blijft ongeveer constant. Bij de temperaturen onder het vriespunt is dit toch compleet anders. Bij het vriezen, zal een deel van het water bevriezen waardoor de samenstelling wijzigt en zo ook de fysische eigenschappen (zoals c-waarde, vriestemperatuur,...) waardoor er geen constante waarde kan gekozen worden. invloed van de vriestemperatuur op de koelenergie Het wijzigen van de vriestemperatuur (tussen -18 C en -26 C) heeft weinig invloed op het totale koelvermogen. Dit komt omdat bij -18 C al veel water bevroren is waardoor de latente warmte van water geen sterke invloed heeft op de specifieke warmte. Daardoor wordt deze waarde ongeveer constant, waardoor de stijging een lineair verloop kent. Wanneer gekeken wordt naar de wijziging van koelvermogen bij temperaturen rond het vriespunt zal een kleine temperatuursdaling zorgen voor een grote stijging in het koelvermogen (zie figuur 2.4)

21 Hoofdstuk 2. Invriesproces 11 Eindtemperatuur Koelenergie (kj) procentuele stijging ,44 0% ,44 3% ,88 6% ,91 9% ,62 12% ,08 14% Tabel 2.1: Specifieke warmte van kip in functie van de tijd Bij tabel 2.1 moet rekening gehouden worden dat de temperatuur in de vriezer veel lager zal moeten staan dan de temperatuur die bekomen dient te worden. Dit komt omdat de temperatuur tot midden in de kip moet geraken. Wanneer de temperatuur gelijk is aan de gewenste temperatuur zou dit veel te lang gaan duren tot de gewenste temperatuur bekomen wordt en deze tijd is niet beschikbaar. Figuur 2.4: koelenergie in functie van de temperatuur voor 1kg kip De energie nodig om de 30 ton kip in te vriezen tot -18 C bedraagt 6,5 GJ. invloed van de massa kip op de koelenergie Wanneer de formules voor het berekenen van de koelenergie bekeken worden in bijlage A paragraaf A.3 kan besloten worden dat de massa rechtevenredig is met koelenergie. Daar deze massa een vast gegeven is wordt er niet verder op in gegaan.

22 Hoofdstuk 2. Invriesproces Invloed van de verpakking op de koelenergie Naast het invriezen van de voedingsmiddelen zelf moet ook de verpakking mee diepgevroren worden, dit vergt ook energie. Onder de verpakking valt de paletten waarop de goederen gestapeld zijn en de kartonnen dozen waarin de kippen gestopt zijn. Invriezen van de paletten Binnenin het bedrijf zijn twee soorten paletten aanwezig. Kunststoffen paletten en houten paletten de berekeningen voor het invriezen van de houten en kunststoffen paletten is te zien in bijlage A paragraaf B.2.1. De totale energie om een houten palet in te vriezen is gelijk aan 1750 kj en kunststoffen palet 656 kj. Dit is een groot verschil tussen de twee. De energie voor het invriezen van 480 kg kip is gelijk aan 108 MJ (per palet wordt er 480 kg gestapeld). De energie om de kip in te vriezen is vele malen groter dan een palet waardoor het wijzigen van de houten paletten naar kunststoffen weinig effect zal hebben. Kartonnen dozen De koelenergie voor het koelen van kartonnen dozen zal niet het verschil maken maar wel de isolerend eigenschappen van de kartonnen dozen. Doordat er gekozen wordt om de kip in gesloten kartonnen dozen te verpakken zal het nut van de grote lucht snelheden sterk verminderd worden. Dit is te zien in bijlage A paragraaf B.2.2. Door hier te kiezen voor dozen met ventilatie mogelijkheden (bijvoorbeeld gaten in de dozen) kan er voor gezorgd worden dat er veel minder diep gevroren moet worden om een zelfde vriestijd te bekomen. Door transport en hygiëne is dit niet mogelijk. 2.4 Dimensioneren van koelvermogen Nu de invloeden bestudeert zijn is het interessant om het totale koelenergie te berekenen die nodig zijn voor het invriezen van de kip van 4 C naar de eindtemperatuur. De gebruikte formules voor het berekenen van het vermogen zijn te zien in en A.3 en zijn uitgerekend voor kg kip. voor het bereken van de energie nodig om de paletten te koelen tot -22 C zijn te de formules te zien in hoofdstuk en hoofdstuk B. Om de kip in te vriezen tot -22 C is er 6,81 GJ nodig, om de paletten in te vriezen is er 82,6 kj nodig.

23 Hoofdstuk 3 Snelvriezer 3.1 Elementen die het koelproces beïnvloeden Zoals eerder vermeld worden er paletten met kip in de vriezer geplaatst. Deze paletten staan daar voor ongeveer 22 uur in. De kip wordt gekoeld door een gekoelde luchtstroom aan grote snelheid door de vriezer te blazen. De grote snelheid is noodzakelijk om de koude zo snel mogelijk te kunnen overbrengen op de kippen Door de grote snelheid te hanteren zal het isolatielaagje van lucht die normaal aanwezig is in de vriezer gaan wegblazen waardoor het vriesproces sneller plaats vindt. Om deze grote snelheden te bereiken zijn in de vriezer bij de 3 verdampers telkens 5 ventilatoren geplaatst de 15 ventilatoren hebben samen een vermogen van ongeveer 45 kw. Daarnaast zijn nog tal van andere producten aanwezig in de vriezer vb. verlichting,... om het vriesproces te kunnen uitvoeren. Al deze apparaten hebben ook hun invloed op het vriesproces. In dit hoofdstuk is het de bedoeling om deze invloeden te bekijken en de grote orde ervan te proberen schatten om zo een betere voorspelling te kunnen maken van de koelenergie die nodig is om de vriescyclus te voltooien. De invloeden die bekeken zullen worden zijn: Instraling warmte. Interne warmte productie (bv. lichten, elektrische motors,...). Binnenkomende lucht Uitrusting gerelateerde warmte (bv. ventilatoren verdamper) warmteverliezen van de muren, wanden en plafond In de bijlage C word de warmtestroom berekend in functie van de temperatuur. Wat gebeurt er nu indien de vriezer niet aanligt? hoe snel zal de temperatuur gaan dalen? Om dit te berekenen zijn volgende gegevens voorhanden: 13

24 Hoofdstuk 3. Snelvriezer 14 In de vriezer is ongeveer 30 ton kip aanwezig op temperatuur van -18 C. De rest is lucht en heeft een temperatuur van -24 C. De berekeningen zijn identiek als in de bijlage C. De resultaten zijn te zien in tabel 3.1. Binnen het half uur zal de temperatuur van -24 C naar -18 C dalen. Daarna zal de temperatuurdaling trager verlopen omdat dan de kip dan ook zijn energie zal afgeven. Doordat deze een veel grotere energie inhoud heeft dan lucht zal de temperatuurdaling veel trager verlopen. Volumeberekening Volume kip 28,84 density (kg/m 3 ) 1040 volume paletten (63) 2,62 density (kg/m 3 ) 600 volume lucht 768,52 Energie aanwezig in de lucht temperatuur density (kg/m 3 ) enthalpie (kj/kg) warmtestroom (T T-1) (kj) -24 1,417 1, , ,411 1, , ,406 1, , ,400 1, , ,394 1, , ,389 1, , ,383 1,902 Som 906,08 Warmtestroom temperatuur warmtestroom (T T-1) (W) Tijd (min) ,0 3, ,5 4, ,0 4, ,5 5, ,0 6, ,5 7, ,0 som 32,47 min Tabel 3.1: Tijdberekening voor het opwarmen van de snelvriezer bij afleggen installatie Opmerking: Hierbij werd verondersteld dat de kip en paletten -18 C hebben. Dit is namelijk niet het geval een gedeelte van de kip en paletten zal een lagere temperatuur bezitten. Om deze reden zal het opwarmen van de vriezer trager verlopen dan berekend Warmteverliezen door personen De warmteverliezen door personen bedraagt ongeveer 3,3kW per persoon bij een temperatuur van -24 C. Dit is een warmteverlies die vaak over het hoofd wordt gezien wanneer er veel personen rond lopen in de vriezer. In de snelvriezer kan deze

25 Hoofdstuk 3. Snelvriezer 15 waarde verwaarloosd worden want hier loopt maximum 2 personen gedurende 1 uur rond in de vriezer. Deze geven maximaal 23 kj af aan de omgeving. Dit is veel kleiner dan de GJ voor het invriezen van de kip Interne warmte productie De interne warmteproductie in de snelvriezer wordt gegenereerd door de lichten de waarde van de warmtestroom voor de gegeven verlichting is gelijk aan 232 W. De lichten branden continu in de snelvriezer en worden niet afgelegd. De benodigde koelenergie bedraagt 5,56 kwh of 20 MJ wat kleiner is dan de energie nodig om de kippen in te vriezen waardoor deze verwaarloosd mag worden Uitrusting gerelateerde warmte De warmteverliezen door de uitrusting gerelateerde warmte worden gegenereerd door de ventilatoren die aanwezig zijn om de geforceerde koeling te verwezenlijken de energie die de ventilatoren verbruiken worden integraal in de snelvriezer omgezet in warmte. Dit is enerzijds door de jouleverliezen, beweging lucht die omgezet wordt naar warmte,.... Omdat in de snelvriezer een groot vermogen aanwezig is aan ventilatoren (ongeveer 45 kw) en deze volledig omgezet wordt in warmte betekend dit een grote belasting voor de snelvriezer en dus een aanzienlijke stijging in het nodige koelvermogen. Op één dag wordt er 3,88 GJ warmte geproduceerd in de vriezer ten opzichte van de 6,5GJ voor het invriezen van de kip kan men deze waarde niet meer gaan verwaarlozen en zal deze waarde moeten meegenomen worden in de verdere berekeningen Besluit Nu al de invloeden bekeken zijn kan het interessant zijn om de grote orde van de invloeden met elkaar te vergelijken. Dergelijke vergelijking is te zien in de taartgrafiek 3.1

26 Hoofdstuk 3. Snelvriezer 16 Figuur 3.1: Taartgrafiek warmteoverdracht in functie van de temperatuur Uit figuur 3.1 kan besloten worden dat de grootste warmteverliezen te wijten zijn aan de apparatuur gerelateerde verliezen (ventilatoren). Figuur 3.2: Taartgrafiek warmteoverdracht in functie van de temperatuur (zonder apparatuur gerelateerde verliezen) Wanneer de verliezen bekeken worden zonder de verliezen die te wijten zijn aan de ventilatoren is te zien dat er 1 belangrijk invloedsfactor aanwezig is die het verbruik sterk zal mee bepalen namelijk de binnenkomende warmte via muren en plafond. In tabel 3.2 is een overzicht te zien van de energie die nodig is om de warmteverliezen te compenseren van de snelvriezer voor één dag.

27 Hoofdstuk 3. Snelvriezer 17 Thermische belasting Invloed kwh per dag warmtestraling muren en plafond 14,88 Interne belasting personen 3,36 elektrische toestellen 5,57 Ventilatoren 1080 Totaal 1103,81 Tabel 3.2: snelvriezer gerelateerde warmteverliezen per dag 3.2 Energie in functie van de eindtemperatuur Wanneer de benodigde energie bekeken wordt voor enerzijds het invriezen van de kippen en de warmteverliezen door de elementen van de snelvriezer is te zien dat de temperatuur een grote rol speelt. Zo is voor het verlagen van de eindtemperatuur van de kip met 1 graad gelijk aan een extra koelenergie van 89 kj. bij de elementen die het vriesproces beïnvloeden zal het verhogen van de eind temperatuur er voor zorgen dat er langer zal moeten ingevroren worden waardoor de ventilatoren langer moeten aanliggen en de warmteverliezen via de wanden verhoogd. Het verhogen of verlagen van de verdamper temperatuur en zo ook de snelheid van het vriezen, kan een grote invloed hebben op het rendement van de compressor. Zo zal het verhogen van de verdamper temperatuur zorgen voor een rendementsstijging van 3%. Wanneer deze redenering gevolgd word is het interessant om de temperatuur van de verdampers en zo ook de temperatuur in de vriezer zo hoog mogelijk te leggen. Dit is enerzijds niet zo eenvoudig als het lijkt. Om voedsel in te vriezen moet namelijk rekening gehouden worden met een aantal zaken. Zo is er de wettelijke bepaling waarin er voorgeschreven wordt dat de eindtemperatuur van de kippen onder de -18 C moet liggen en de kwaliteit van het vlees hangt ook sterk af van de manier waarop de eindtemperatuur bereikt wordt. In volgende paragraaf wordt er dan ook gekeken welke de optimale temperatuur is voor het invriezen van de kippen Tot welke temperatuur mag er verlaagd worden? Om te weten tot welke temperatuur er verlaagt mag worden moet verklaard worden waarom er snelgevroren dient te worden. Dit wordt besproken in bijlage Het komt erop neer dat door het snelvriezen van de kip, overal in de kip ijskristallen gevormd worden, indien er te traag wordt gevroren dan zullen er minder ijskristallen gevormd worden maar gaan de ijskristallen groter zijn waardoor deze het weefsel meer zullen aantasten dan de kleine kristallen waardoor de kwaliteit daalt.

28 Hoofdstuk 3. Snelvriezer 18 De hoeveelheid ijs wordt berekend bij een bepaalde temperatuur zie hoofdstuk A.2. De ijsvorming in functie van de temperatuur wordt weergegeven in figuur 3.3 en tabel 3.3. Figuur 3.3: Grafiek ijsvorming in functie van de temperatuur De vorming van ijs is sterk bij de temperaturen tussen de -2 C en -20 C daarna verandert het percentage ijs niet veel meer daarom zal het niet nodig zijn om nog verder snel diep te vriezen. Want hoe sneller er diepgevroren dient te worden hoe meer de installatie verbruikt terwijl de kwaliteit van het vlees ongeveer constant blijft. t ( C) x ice x u t ( C) x ice x u t ( C) x ice x u -2,81 0,95% 65,04% -3,8 34,14% 31,85% ,60% 11,39% -2,82 1,87% 64,12% -3,9 35,31% 30,68% ,89% 11,10% -2,83 2,76% 63,23% -4 36,37% 29,62% ,15% 10,84% -2,84 3,61% 62,38% -5 42,94% 23,05% ,61% 10,38% -2,85 4,43% 61,56% -6 46,27% 19,72% ,99% 10,00% -2,9 8,16% 57,83% -7 48,35% 17,64% ,32% 9,67% -3 14,10% 51,89% -8 49,80% 16,19% ,61% 9,38% -3,1 18,62% 47,37% -9 50,89% 15,10% ,86% 9,13% -3,2 22,20% 43,79% ,74% 14,25% ,09% 8,90% -3,3 25,10% 40,89% ,43% 13,56% ,29% 8,70% -3,4 27,51% 38,48% ,00% 12,99% ,47% 8,52% -3,5 29,55% 36,44% ,49% 12,50% ,64% 8,35% -3,6 31,29% 34,70% ,91% 12,08% ,80% 8,19% -3,7 32,81% 33,18% ,27% 11,72% ,94% 8,05% Tabel 3.3: Percentage ijs/water aanwezig per kg kip Naast het aspect van de ijsvorming in de kip is het ook belangrijk om te voldoen

29 Hoofdstuk 3. Snelvriezer 19 aan de wetten op het gebied van voedselveiligheid. Deze wetten leggen vast dat de temperatuur van diepgevroren goederen niet boven de -18 C mag [1]. Wanneer gekeken wordt hoeveel de temperatuur minimaal moet bedragen om geen grote variatie meer te hebben in de ijsvorming en waarbij er een veilige marge ingebouwd wordt om niet terug onder de -18 C te gaan kan men besluiten dat het interessant is om te laten snelvriezen tot -22 C om dan op dit punt te kunnen gaan spelen met de energie toevoer om zo een efficiënt mogelijk verbruik te creëren in functie van de productie van energie. Daarnaast zal de ijsvorming op dit punt niet hoog meer zijn. Een laatste aspect binnen de keuze van de eindtemperatuur is de temperatuur van de koelcel. deze temperatuur van de koelcel ligt tussen de -20 C en -22 C. Daardoor kan besloten worden dat de temperatuur van -22 C voldoende laag zal zijn Regelen van de temperatuur in de snelvriezer Regelen van de verdampertemperatuur Voor het onder controle nemen van de temperatuur zijn er een aantal extra toestellen nodig die alles regelen (de benodigde toestellen zijn beschreven in bijlage D). Het belangrijkste onderdeel is de RS8EM310 dit toestel zal ervoor zorgen dat de verdamper temperatuur traploos kan geregeld worden. Hierbij is het wel belangrijk dat het energieverbruik sterk zal stijgen bij het verlagen van de verdamper temperatuur. Indien het niet nodig is dat er traploos kan geregeld worden kan er ook gewisseld worden tussen 2 programma die ingesteld staan in de regelaar. Om nu te weten welke temperatuur de kip heeft is het interessant om de temperatuur te kunnen opmeten. Dit is mogelijk door het toepassen van een draadloze temperatuur sensor. Regelen van het opgenomen vermogen door de compressor Een andere belangrijke manier om de snelheid van het koelproces te regelen is door het onder controle nemen van het vermogen opgenomen door de compressor. Door de schuifpositie meer te gaan uitsturen zal het opgenomen vermogen gaan stijgen of dalen. Samen met het stijgen van het compressorvermogen zal de COP stijgen. Waardoor er efficiënter kan gekoeld worden. Uit deze gegevens kan er besloten worden dat het interessant is de compressor te gaan gebruiken bij vollast. Dus wanneer de schuifpositie volledig is uitgeschoven. [3]

30 Hoofdstuk 4 Programma + meetapparatuur Nadat de installatie bestudeerd is (zie hoofdstuk 1) en het vriesproces besproken is (hoofdstuk 2). Is de volgende stap om de parameters van de snelvriezer op te meten. Daarvoor zal eerst de meetapparatuur grondiger bekeken worden, om daarna dieper in te gaan op het programma die moet geschreven worden om de data te kunnen opslaan. 4.1 Inleiding In hoofdstuk 2 werd de hoeveelheid koelvermogen berekend. Deze waarde werd via theoretische formules bekeken. Er werden een aantal invloeden van buitenaf in rekening gebracht om een zo goed mogelijk beeld te krijgen van het verbruik en koelproces van deze vriesinstallatie. Omdat er in werkelijkheid veel meer invloeden aanwezig zijn die dit proces beïnvloeden moet bekeken worden of deze een grote invloed hebben op het proces en indien dit zo is hoe deze in rekening kunnen gebracht worden. Om deze invloeden en verbruik in kaart te kunnen brengen moet het verbruik van de installatie opgemeten worden. De monitoring van de installatie zal voor een langere tijd geplaatst worden. Dit om al de verschillende invloeden zoals buitentemperatuur, de te vriezen massa, eindtemperatuur voedsel,... in kaart te brengen. Deze gemeten waarden zullen dan gebruikt worden om het theoretisch model op te stellen. Om het verbruik van de installatie te meten zal een overkoepelend PLC programma de data via verschillende sensoren gaan opmeten en opslaan. De keuze en werking van de meetapparatuur voor het monitoring systeem zullen in dit hoofdstuk verder besproken worden. 4.2 Keuze van de meetpunten In hoofdstuk 2 werd binnen in het theoretisch proces verschillende invloeden op het vriesproces bekeken en berekend. Om deze invloeden te kunnen vergelijken met de 20

31 Hoofdstuk 4. Programma + meetapparatuur 21 werkelijke waarden zullen verschillende meetpunten gekozen moeten worden om te kunnen verifiëren of de theoretische waarde klopt met de werkelijke waarde. Een eerste invloed die bekeken wordt is de eindtemperatuur van de vriezer in functie van het benodigde koelvermogen. Om deze waarde te kunnen vergelijken met de werkelijke waarde zal de temperatuur van het voedsel en het koelvermogen dat gedissipeerd is opgemeten worden in de vriezer. Het meten van de temperatuur van het voedsel kan niet rechtstreeks gebeuren omwille van de voedsel hygiëne. Om toch een idee te krijgen van de temperatuur van het voedsel zal de temperatuur binnenin de vriezer opgemeten worden. Om het koelvermogen dat gedissipeerd is te meten zal de warmteoverdracht in de warmtewisselaar opgemeten worden door de ingaande en uitgaande temperatuur van het water op te meten in de warmtewisselaar. Naast het bereken van het koelvermogen dient er ook een voorspelling gedaan te worden van de benodigde elektrische energie. Om deze waarde te kennen zal een vermogen meting uitgevoerd worden op de installatie. De verbruikers die opgemeten worden zijn de compressor, Verdamper en condensor (circulatiepomp en luchtkoeler). Dit zijn niet al de verbruikers in de cyclus. Omdat deze vermogens vergeleken met de compressor verdamper en condensor veel kleiner zijn en dat ieder punt die opgemeten wordt, voorzien moet worden van een meter die een bepaalde kostprijs bezit. Werd in samenspraak met de klant beslist om deze niet te gaan opnemen in de eerste meting. Later kan nog altijd indien nodig meters bijgeplaatst of verplaatst worden keuze van de meetapparatuur Bij de keuze van de meetpunten werd besproken dat er enerzijds vermogenmetingen (kwh) en anderzijds temperatuursmetingen zullen doorgevoerd worden. De data moet ook opgeslagen worden met een bepaald interval over een bepaalde tijdsduur. Om dit te kunnen opmeten zullen bepaalde meters geplaatst en geconfigureerd worden om de data te kunnen opmeten en zal een PLC nodig zijn om de data die opgemeten is binnen te lezen en op te slaan. In de volgende punten zullen de gekozen meetapparatuur als ook de PLC verduidelijkt en gemotiveerd worden Wago PLC Er wordt gewerkt met PLC van Wago omdat het bedrijf al lang samen werkt met deze leverancier en meerdere communicatie kaarten ter beschikking heeft voor een WAGO PLC.

32 Hoofdstuk 4. Programma + meetapparatuur 22 De eigenschappen waaraan de PLC moet voldoen zijn grote data opslag en mogelijk om de PLC te benaderen van op afstand om zo het PLC programma van op afstand te beheren en de data te kunnen versturen over internet (via ftp). Voor de installatie is gekozen voor een (figuur 4.1) omdat deze over een ethernet ingang beschikt en omdat in deze module een SD kaart ingeplugd kan worden. Deze ingang is noodzakelijk omdat de gemeten data moet opgeslagen worden en de PLC gebruik maakt van een flash geheugen. Dit kan niet oneindig veel keer aangesproken worden (ongeveer 1 miljoen keer) en wanneer er lang en in kort interval data opslagen wordt kan deze waarde gemakkelijk gehaald worden binnen een aantal jaar. Een SD kaart werkt ook via enkele flashgegeugen maar is vele malen goedkoper om te vervangen dan de PLC. Verder is het gebruik van een SD kaart aangewezen om een grote hoeveelheid data te kunnen opslaan. Figuur 4.1: Wago PLC Opmeten van het vermogen Voor het meten van het verbruik kunnen de te meten toestellen opgedeeld worden in verschillende groepen. De verdeling van de groepen berust op de plaats van de toestellen op de site. Wanneer de toestellen dicht bij de plaatst van de PLC staan kan deze opgemeten worden met een communicatiekaart van WAGO. Wanneer de toestellen verder verwijderd staan van de site is het beter om een meetmodule te gebruiken die werkt via een bepaalde databus. Dit om de bekabeling die naar het PLC loopt te gaan beperken. Dit zorgt voor een beter overzicht en lagere kostprijs van het meetsysteem. Het is ook niet interessant om al de modules met een meter te voorzien die communiceert over de databus omdat deze modulen meer kosten dan de communicatiekaarten. Voor het meten van de toestellen die zich dicht bij de installatie bevinden zal gebruik gemaakt worden van een communicatiekaart van WAGO. Voor de meetmodules die zich op een grotere afstand bevinden van de PLC zal gekozen worden voor de diris A10 van socomec. Deze module werd gekozen omdat het bedrijf al ervaring heeft met dit toestel.