Adviesrapportage: Effectieve energieterugwinning in het aardappelverwerkingsproces.

Transcriptie

1 Adviesrapportage: Effectieve energieterugwinning in het aardappelverwerkingsproces. Naam: Datum: 26-okt Ben Kettler Bob van Heijningen David Ursem Pascal Wagemaker Rolf Oosterveer Tom Phillips Opleiding: Werktuigbouwkunde School: Haagse Hogeschool te Delft Blok coördinator: Dhr. Paul van Souren Bedrijf: Kiremko B.V. Contactpersoon: Dhr. Eric van Oorschot

2 Voorwoord Dit adviesrapport hebben wij (projectgroep Kiremko) geschreven in het kader van onze functie als toekomstige ingenieurs studerend aan de Haagse Hogeschool. Dit rapport is bestemd voor het bedrijf Kiremko en de projectbegeleiders vanuit de Haagse Hogeschool, dhr de Groot en de dhr Souren. Bij deze willen we het bedrijf Kiremko, met name dhr. van Oorschot, bedanken voor de opdracht toelichting, de rondleiding door het bedrijf, de begeleiding en het beschikbaar stellen van technische gegevens met betrekking tot het energieverbruik en procesoverzichten. Vanuit de Haagse Hogeschool willen we dhr. de Groot bedanken voor zijn visie en begeleiding tijdens het project. Tevens gaat onze dank uit naar dhr. Souren voor de colleges en workshops die tijdens de projectperiode gegeven zijn. Delft, oktober

3 Inhoudsopgave MANAGEMENT SAMENVATTING... 5 Inleiding... 5 Samenvatting... 5 Conclusie... 6 Aanbevelingen OPDRACHTOMSCHRIJVING Pakket van Eisen en Wensen Afbakening BRAINWRITING Concepten ANALYSE/RESEARCH Octrooionderzoek Quality Function Diagram FMEA WARMTEPOMP Werking warmtepomp Energie berekening Producenten/ leveranciers Kosten berekening LITERATUURLIJST BIJLAGE 1: PLAATJES BRAINWRITING BIJLAGE 2: TUSSEN RAPPORTAGE BIJLAGE 3: SYSTEEMANALYSE BIJLAGE 4: QUALITY FUNCTION DIAGRAM

4 BIJLAGE 5: TECHNISCHE INFORMATIE WARMTEPOMP HELIOTHERM

5 Management samenvatting Inleiding Kiremko houdt zicht bezig met het ontwikkelen, fabriceren en installeren van voedselverwerkingmachines. Kiremko levert complete voedselverwerkinglijn(en) tot en met enkelstuks machines. Deze machines zijn voornamelijk bedoeld voor het verwerken van aardappels en groentes. De aardappelverwerkingsmachines worden voornamelijk gebruikt om frites en chips te produceren, de groenteverwerkingsmachines worden gebruikt voor het produceren van voorgesneden groente. De huidige markt wordt steeds milieubewuster in verband met de hoge energieprijzen. Hierop speelt Kiremko in door zo energiezuinig mogelijk te ontwerpen. Dit betekent dat er wordt gekeken naar de afgevoerde energie, bijvoorbeeld restwarmte, die terug in het systeem kan worden gebracht en op deze manier kan worden hergebruikt. Er zijn nog enkele fases in de productielijn voor frites waar de restwarmte nog niet optimaal wordt hergebruikt. De opdracht die hieruit ontstaan is om een systeem te vinden waardoor de overige warmte ook nog te gebruiken kan worden in het proces. Kiremko heeft aangegeven om het proces van de afvalwarmte van de Fryer (frituuroven) te analyseren. Hierbij is onderzocht hoe de afvalwarmte, wat nu gekoeld wordt aan de buitenlucht, her te gebruiken in een verbeterd systeem. Samenvatting Er is onderzoek gedaan naar mogelijke systemen die gebruikt kunnen worden, om de restwarmte wat geproduceerd wordt door de Fryer (bakdamp frites), te benutten en vervolgens de gewonnen warmte weer in het proces van de aardappelverwerkingslijn her te gebruiken. Na dit vooronderzoek zijn een aantal concepten bedacht waarop de restenergie kan worden teruggewonnen. Na deze concepten te hebben uitgewerkt en met behulp van berekeningen zijn een drietal concepten gekozen die mogelijk rendabel zijn. Vervolgens is er in samenwerking met Kiremko bv, Dhr. E. van Oorschot, een keuze gemaakt tussen de drie concepten. Deze concepten zijn de boiler, absorptiekoeler en de warmtepomp. Er is gekozen om de haalbaarheid van de warmtepomp te onderzoeken en verder uit te werken. De uitwerkingen hiervan is in dit rapport te vinden. De Warmtepomp is alleen berekend met de 90 C Input, dit heeft te maken met de deadline wat gehaald moest worden voor het project, er is ook geconcludeerd dat de 90 C Input het meest interessant is vanwege de hogere COP (coëfficiënt of performance) waarde. Uit het FMEA (Failure Mode and Effect Analasys) is echter gebleken dat er preventief onderhoud gepleegd moet worden aan de warmtepomp, om te voorkomen dat er in de bedrijfstroming geen onnodig gevaar/ storingen kunnen ontstaan. Verder is er gekeken naar de vermogens, kosten, precieze werking en hoe deze onderwerpen zijn te integreren in het huidige systeem. 5

6 Conclusie Door middel van de concepten die gemaakt zijn door de projectgroep is er met het bedrijf besloten om de concept: warmtepomp uit te werken. De reden dat dit concept gekozen is, is gekomen omdat het bedrijf een nieuwe uitdaging zoekt wat verder geëngineerd kan worden. Dit is uiteraard niet de enige reden dat dit concept gekozen is. Omdat er vanuit het bedrijf is aangegeven dat het ook mogelijk is om de restwarmte meteen te koppelen aan een warmtepomp kan er een zeer hoog rendement behaald worden. Deze aankomende gewonnen thermische energie is meteen toepasbaar in het systeem. Uit de theoretische berekening blijkt dat het theoretische warmtefactor COP (coefficient of performance) (ε th ) van de warmtepomp 7.7kW is. Uit informatie van nuttige documentatie (zie Warmtepomp) van warmtepompen blijkt dat een COP van 4.7 realistischer is. Er wordt dan ook verder gerekend met 4.7 COP. Dit houdt in dat elke kw elektrische energie die de pomp verbruikt levert 4.7 kw thermische energie op. Met de warmtepomp wordt water van 90 C opgewaardeerd naar 140 C bij een druk van 3 bar. Zo kan de stoom direct toegepast worden in het proces. Uit de berekening blijkt dat er genoeg thermische energie gegenereerd wordt door de warmtepomp om al deze processen in zijn geheel te verzien. Pre Heater Blancheren 2 e keer blancheren Chemical dip Aanbevelingen Boiler concept Om de restwarmte van de Fryer her te gebruiken, is er een mogelijkheid om de restwarmte op te slaan in een vat. Hierdoor kan de thermische energie van het medium met een temperatuur 60 C a 70 C gebruikt worden voor warm aftap water of reiniging voor het gehele systeem. Absorptiekoeling concept Om de restwarmte van de Fryer her te gebruiken, is er een mogelijkheid om de thermische energie (warmte) om te zetten in koude energie. Vervolgens kan dit gebruikt worden om de (100 C ) verwarmde frites af te koelen met een x aantal graden Celsius. Het voordeel is dat de elektrische vriezer minder (elektrisch) energie gebruikt om de frites af te koelen naar -20 C. 6

7 1 Opdrachtomschrijving Om het productieproces in kaart te brengen is er een flowchart gemaakt. (zie Fig. 1 Flowchart). Hierin staat schematisch weergegeven hoe het proces verloopt en welke energiestromen erbij horen. De gegevens hiervoor zijn geleverd door Kiremko d.m.v. een presentatie met een overzicht wat voor machinerie er staan in een aardappelverwerkingslijn. Omschrijving flowchart: - in de ingaande pijlen staat het verbruik per proces. - in de blokken staat het proces en bij welke temperatuur het plaatsvindt. - Als er grote verliezen plaats vinden, staan die weergegeven in de diamand boven de box van het proces. Hierin staat de hoeveelheid en in welke vorm de verloren energie zich bevind. Er bestaan veel mogelijkheden om de energiestromen binnen het proces efficiënt te beheren. De afvalwarmte van de frituurovens wordt grotendeels door een condensatiewarmtewisselaar teruggewonnen (zie fig. 1.1 Detailed view). Deze afvalwarmte bestaat uit damp dat vrijkomt tijdens het bakproces. In deze damp bevindt zich water en oliedampen. Tijdens het bakproces worden de frites gebakken in hete olie; het aanwezige vocht wat zich op de frites bevindt verdampt en wordt afgezogen. De hiermee teruggewonnen warmte-energie uit de condensor heeft een temperatuur van 90 C. Vanuit Kiremko is aangegeven dat de warmte dat gewonnen wordt, mag bestaan uit het direct gebruiken van de warmte uit de Condensor of de warmte gebruiken nadat het door de Dryer is geweest, dan bestaat de warmte uit een temperatuur van 70 C (dit systeem wordt in het huidige proces gebruikt). Te zien is in Fig. 1.1 Detailed view hoe het huidige proces is. 7

8 Fig. 1 Flowchart 1

9 Fig. 1.1 Detailed view 9

10 1.1 Pakket van Eisen en Wensen Onderstaand een overzicht waaraan de eisen en wensen van het ontwerp aan moet voldoen. De eisen en wensen zijn opgedeeld in gebruikers- en fabricage-eisen en wensen. De gebruikerseisen en wensen zijn gespecificeerd door de klant en betreffen de eisen en wensen waar het product in het dagelijks gebruik aan moet voldoen. De fabricage-eisen zijn opgesteld door de producent en zijn opgesteld om een zo eenvoudig mogelijke productie te bereiken. Gebruikseisen: Overtollige energie recupereren Geschikt voor lage energieniveaus Geschikt voor voedselverwerkende industrie Thermisch sluitend systeem Geschikt voor flexibele productie met wisselende warmtevraag Hygiënisch en veilig, volgens NEN 1672 Gebruikswensen: Innovatief Onderhoudsvriendelijk Compact systeem Economisch verantwoord Betrouwbaar Gemakkelijk te bedienen Gemakkelijk afleesbaar Gemakkelijk te reinigen Efficiënt Fabricage-eisen: Produceerbaar uit RVS plaatmateriaal, koker/buisprofielen en inkooponderdelen Fabricagewensen: Produceerbaar met de bewerkingen: snijden, zagen, zetten, lassen, boren, slijpen. Eenvoudig te assembleren. 1.2 Afbakening In dit project wordt onderzoek gedaan naar de mogelijkheden tot het benutten van recuperatiewarmte uit de frituuroven van een aardappelverwerkingslijn. Hierbij wordt gekeken naar de overige stappen in de productielijn om deze energie te kunnen benutten. Dit onderzoek bevat: onderzoek naar concurrerende producten onderzoek naar octrooien en eventuele conflicterende patenten analyse van processen die warmte-energie nodig hebben analyse van verschillende energie-opwaardeersystemen conceptontwerp van een methode om de energie te benutten. Dit project beperkt zich tot de restwarmte uit de frituuroven. Restenergie uit andere productiestappen wordt buiten beschouwing gelaten. De afbakening is ingesteld vanwege de grote van het project. 10

11 2 Brainwriting Gedurende het onderzoek naar de alternatieven om een passend systeem te bepalen, is er een zo gehete brainwriting uitgevoerd. Hierin is d.m.v. ideeën die verzonnen zijn, concepten ontwikkeld. Meer informatie hoe de ideeën ontstaan zijn is te zien in bijlage 1: Plaatjes Brainwriting. Dit proces is gebruikt om concepten op te stellen. Het is een systeem wat gebruikt kan worden voor een start te maken voor het beginproces van de engineering van producten/processen. 2.1 Concepten De concepten die ontwikkeld zijn, is individueel uitgezocht en als groep getoetst naar de mogelijkheid en toepasbaarheid om dit te integreren in het bestaande proces of eventueel een nieuw proces. Vanuit de toetsing zijn 3 concepten overgebleven tot een mogelijkheid om het mogelijk te integreren in het proces. Dit gaat om de volgende concepten: 1. Warmtepomp 2. Absorptiekoeling 3. Boiler (schoonmaak water) Door middel van de concepten is er met het bedrijf besloten om de concept: warmtepomp uit te werken. De reden dat dit concept gekozen is, is gekomen omdat het bedrijf een nieuwe uitdaging zoekt wat verder geëngineerd kan worden. Dit is uiteraard niet de enige reden dat dit concept gekozen is. Omdat er vanuit het bedrijf is aangegeven dat het ook mogelijk is om de restwarmte meteen te koppelen aan een warmtepomp kan er een zeer hoog rendement behaald worden. Deze aankomende gewonnen thermische energie is meteen toepasbaar in het systeem. De concepten zijn terug te lezen in de bijlage 2: tussen rapportage. Het systeem warmtepomp zal vervolgens worden toegelicht in H4 Warmtepomp. 3 Analyse/research Om een goed en duidelijk verhaal te plaatsen, is er vanuit de projectgroep als opstartende fase een analyse/ research uitgevoerd. Dit is terug te zien in H1 opdrachtomschrijving zie Fig.1 en Fig.1.1 en het systeemanalyse rapport wat toegevoegd is in bijlage 3 : Systeemanalyse aardappelverwerking productielijn. Vanuit dit onderzoek is er een duidelijk verhaallijn verkregen, waardoor het projectgroep beter een oordeel heb kunnen geven aan de ontwerpen/ concepten die zijn ontstaan. 3.1 Octrooionderzoek Vanuit de concepten is er een octrooionderzoek gedaan naar systemen die gebruikt kunnen worden in het proces. De informatie over de octrooionderzoek is toegevoegd in de systeemanalyse rapport in bijlage: 3. Uit dit onderzoek is gekomen dat er een bestaand systeem gebruikt gaat worden. Het octrooionderzoek is uitgevoerd om niet in conflict te komen met de bestaande markt, zodra het systeem toegepast wordt in de productie. 11

12 3.2 Quality Function Diagram In het QFD (Quality Function Diagram) is een vergelijking gemaakt tussen de klanten en het bedrijf Kiremko zelf. Met name is er een vergelijking gemaakt tussen klantenwensen, prestaties van het product en onderdelen van het product. Door deze vergelijkingen wordt duidelijk welke onderdelen voor klant het belangrijkste zijn. Door een score aan de vergelijkingen te hangen komt de volgende conclusie naar voren. Uit het QFD blijkt dat voor een klant van Kiremko, de condensor, verdamper en compressor van een warmtepomp de belangrijkste onderdelen zijn. Overige onderdelen zoals de appendage en het koudemiddel scoren minder hoog. Deze onderdelen hebben een meer ondersteunende functie met een lage invloed op de kwaliteit van het eindproduct. De conclusie is dat voor de klant, de eerstgenoemde onderdelen van hoge kwaliteit moeten zijn. Daarom moet er bij de warmtepomp leverancier extra gelet worden op deze onderdelen. In bijlage 4: Quality Function Diagram is een analyse toegevoegd, dit bestaat uit een Excel sheet, vanuit deze sheet is een toetsing uitgevoerd en geïntegreerd in de algehele concepten. Dit systeem heeft bijgedragen bij de eindbeoordeling van het concept. 3.3 FMEA Voor het concept is een FMEA (Failure Mode and Effect Analasys) gebruikt om te toetsen waar de risico s binnen de productielijn bevinden. Deze analyse bestaat uit verschillende aspecten waarop dit concept is getoetst, namelijk op: veiligheid, betrouwbaarheid, reparatiekosten, invloed op de productie en milieu. Twee situaties Om een beeld te krijgen hoe de warmtepomp het efficiëntst kan worden toegepast is gekeken naar twee verschillende opties. De eerste optie is een warmtepomp plaatsen tussen de condensor met een mediuminput van 90 C. Het voordeel hiervan is dat de COP waarde van de warmtepomp rond de 8 is. Uitleg m.b.t. het COP waarde, zal verder worden behandeld in H4 Warmtepomp. Optie twee is de warmtepomp plaatsen na de Dryer met een mediuminput van 70 C. Deze optie heeft een COP waarde van 4,5. Fig. 3.1 Aan de hand van de toetsing, te zien in tabel 3.2, is gebleken dat situatie 1, een extra risico met zich meebrengt. Een mogelijkheid is wel om de warmtepomp te integreren in het bestaande proces. Hierbij zal de warmtepomp na de Dryer worden geplaatst, echter zal de COP (coëfficiënt of 12

13 performance) waarde van de warmtepomp lager uitvallen wanneer de Dryer niet in het systeem is opgenomen. In tabel 3.2 FMEA is te zien dat er een aantal kritische subprocessen zijn, namelijk: Fryer Warmtepomp Dryer Leidingen RVS Kranen Koppelstukken Pomp Middels preventief onderhoud kunnen deze mogelijke knelpunten worden voorkomen. Aan de hand van de toetsing te zien in tabel 3.2 is de Dryer subproces weggelaten. Hierdoor zal de Warmtepomp een belangrijker onderdeel worden in het algehele proces. Een belangrijk punt is dat het preventief onderhoud op hoog niveau staat t.o.v. situatie één. De kritische subprocessen volgens de tabel zijn identiek aan situatie één echter is de Fryer weggelaten in het proces. Tabel. 3.2 FMEA 13

14 De toetsing waar de conclusie op gebaseerd is in de onderstaande tabel te vinden. De nummering geeft een klasse aan van mogelijk gevaar/veiligheid wat in het proces kan ontstaan. Tabel 3.3 Toetsing 14

15 4 Warmtepomp 4.1 Werking warmtepomp Een warmtepomp is een apparaat die thermische energie van een medium kan ontrekken en vervolgens in een ander medium kan afgeven. Denk hierbij aan een koelkast, in dit systeem zit een koudemiddel die thermische energie onttrekt uit de koelkast en afgeeft aan de omgeving. Dit kan men voelen aan de verwarmde rooster aan de achterkant van de koelkast (zie fig. 4.1 werking Warmtepomp). Fig. 1 Werking koelkast In dit figuur is te zien dat een compressor een hoge druk opbouwt aan de condensorkant. Hierdoor wordt het medium in het warmtepompsysteem van een gas tot condenseren gebracht. Bij deze faseovergang komt veel thermische energie vrij die in een langsstromend medium afgegeven wordt. De hoge druk die in de condensor wordt opgebouwd komt met behulp van een expansieventiel tot stand. Zo n expansieventiel zorgt voor een instelbare vernauwing in het systeem die ingesteld kan worden. Hierbij moet gedacht worden aan de druk die in het systeem veranderd. Het effect hiervan kan zijn dat het expansieventiel de doorgang verkleind, hierdoor verhoogd de druk in de condensor en in de verdamper neemt de druk verder af. De verhoogde druk in condensor zorgt voor een hogere oververhitting, dus er wordt meer thermische energie afgegeven. Bij de verdamper wordt de druk lager, hierdoor zou er meer thermische energie onttrokken worden. Maar er is minder koudemiddel in de verdamper die de thermische energie uit het medium kan onttrekken omdat het meeste koudemiddel in de condensor blijft. Door de grote hoeveelheid aan koudemiddel in de condensor zal de warmteoverdracht lager worden omdat er minder ruimte is voor de faseovergang van gas naar vloeibaar, waar juist veel energie bij vrij komt. Het vergroten van de doorgang bij het expansieventiel werkt het tegenovergesteld. De druk in de condensor wordt lager waardoor de oververhitting lager wordt en dus ook de temperatuur. De verdamper komt vol te staan met koudemiddel, hierdoor is er minder ruimt voor het verdampen van 15

16 het koudemiddel en dus ook minder thermische energie onttrokken uit het medium. Een warmtepomp systeem is dus op sommige punten complex. Fig.4.2 Warmtepomp Cyclus Een warmtepomp functioneert volgens een bepaalde cyclus dat weergeven wordt in de afbeelding Warmtepomp Cyclus. In deze afbeelding wordt door de blauwe lijn de warmtepomp cyclus weergeven en de rode lijn geeft de druk aan. De werkdruk is gekoppeld aan een bepaalde bedrijfstemperatuur. De blauwe lijn geeft de volgende punten weer. 1-2 Compressor (druk verhogen) 3-4 Condensor (Thermische energie afgeven) 5-6 Expansieventiel (Drukverschil in het systeem creëren) 6-1 Verdamper (Thermische energie opnemen) Enthalpie = warmte-inhoud (bij constante druk en temperatuur opgenomen hoeveelheid warmte per massa eenheid (kj/kg) De warmtepomp werkt volgens een cyclus waarbij een koudemiddel (medium in de warmtepomp) door het systeem wordt gepompt met behulp van een compressor. De compressor (punt 1-2) verhoogt de druk in het systeem, dit is te zien aan de lijn die in de Y- richting verloopt. Vervolgens condenseert het medium zich in de warmtepomp, wat gebeurt in een warmtewisselaar. In deze warmtewisselaar wordt warmte afgegeven door de condensatie van het medium met de samenhang van de verhoogde druk in het systeem. Daarna gaat het medium langs het expansieventiel (punt 5-6) waarnaar de druk in het systeem omlaag gaat. Doordat de druk in het systeem verlaagt wordt zal het medium verdampen, dit gebeurd in de verdamper. Door het verdampen van het medium in de verdamper zal er thermische energie onttrokken worden uit de warmtewisselaar. Uiteindelijk komt het medium weer lang de compressor die de druk in het systeem opvoert. 16

17 4.2 Energie berekening Er is een berekening gemaakt hoeveel energie er kan worden omgezet met de warmtepomp. Hier wordt gekeken naar de energie die wordt terug gewonnen uit de frituurdamp. Binnen de productielijn zitten processen die werken op stoom van 3 bar (134 c), dit is haalbaar met de warmtepomp. Door het koudemiddel op te waarderen naar de gewenste 140 c kan er genoeg stoom worden geproduceerd om deze processen van warmte te voorzien. Hierdoor is het niet nodig om de stoom apart te genereren wat vervolgens een besparing oplevert. Aanwezige energie in de frituurdampen. Gegevens van Kiremko enthalpie in (h in ) enthalpie uit (h uit ) massastroom waterdamp (Φ m ) 4970 kj/kg 1525 kj/kg 2210 kg/hr Met behulp van deze gegevens kan de in de condensor teruggewonnen energie berekend worden h h h in uit h kj / kg Met behulp van de massastroom kan dit omgerekend worden naar een beschikbaar vermogen P h P P m kw kj / hr Warmtepomp De energieopbrengst van een warmtepomp wordt uitgedrukt in de warmtefactor ε, ook wel COP genoemd. Deze warmtefactor kan op verschillende manieren berekend worden. Als de warmteproductie volledig verliesvrij volgens een volledig omkeerbaar kringproces van Carnot verloopt, wordt gesproken van de ε c. Deze is als volgt gedefinieerd: TH c T T H L 413 8, Hierbij wordt de temperatuur in Kelvin gebruikt. 413K = 140 C; 363K = 90 C Wanneer niet wordt gerekend met temperaturen maar met enthalpie, kan een betere benadering van de werkelijke warmtefactor bereikt worden. Hiervoor is het nodig in een log(p)-h diagram van het gebruikte koudemiddel (R718 water) de loop van het carnot-proces te schetsen. Hieruit kan dan op verschillende punten in het proces de enthalpie afgelezen worden. Note: De Warmtepomp is alleen berekend met de 90 C Input, dit heeft te maken met de deadline wat gehaald moest worden voor het project, er is ook geconcludeerd dat de 90 C Input het meest interessant is vanwege de hogere COP (coefficient of performance) waarde. 17

18 Fig Reynolds grafiek Het proces verloopt als volgt: van punt 1 naar 2 wordt de druk verhoogd d.m.v. een compressor. Hierna, tussen punt 2 en 3 condenseert het koudemiddel bij hoge temperatuur. Vervolgens verlaagt de druk tussen punt 3 en 4 in een expansieventiel. Daarna neemt tussen punt 4 en 1 het koudemiddel energie op waardoor het verdampt. Met behulp van deze tekening kan de theoretische warmtefactor ε th berekend worden th h h 2 2 h 3 h , Hierbij wordt er vanuit gegaan dat de compressie tussen punt 1 en 2 omkeerbaar (verliesvrij) verloopt. Het verschil met de carnot-warmtefactor is dat de expansie tussen punt 3 en 4 niet omkeerbaar is. In werkelijkheid zal de compressie ook niet volledig verliesvrij verlopen. Het verlies aan rendement wordt vertaald in warmte. Deze warmte wordt opgenomen door het koudemiddel, waardoor de enthalpie tussen punt 1 en 2 verder oploopt dan in het diagram is weergegeven. Het verlies aan rendement wordt dus weliswaar nuttig gebruikt als warmte, maar de werkelijke warmtefactor komt hierdoor wel lager uit. Aangezien de werkelijke warmtefactor ε w afhankelijk is van het rendement van de gebruikte componenten in de warmtepomp is hier geen berekening van te maken. Uit documentatie blijkt echter dat bij het gebruik van een turbocompressor een werkelijke warmtefactor van 4,7 haalbaar is. 18

19 De totaal opgewekte energie m.b.v. een warmtepomp is: P uit P el w Tevens geldt:: P uit P el P in Hierbij is P el het toegevoegde elektrische vermogen, en P in het vermogen opgenomen uit de warmtebron. Hieruit valt P el af te leiden: Pin 2115 Pel 572 kw 1 4,7 1 w en P uit P P P kw uit in el 2687 Belangrijke gegevens: Hieruit blijkt dat voor het aandrijven van de warmtepomp een elektrisch vermogen van 572kW benodigd is. Het beschikbare vermogen om stoom te produceren is 2687kW, dit is inderdaad 4,7 keer het elektrisch vermogen. Uit de berekening blijkt dat het theoretische warmtefactor COP (coefficient of performance) (ε th ) van de warmtepomp 7.7kW is. Uit informatie van nuttige documentatie (zie Warmtepomp) van warmtepompen blijkt dat een COP van 4.7 realistischer is. Er wordt dan ook verder gerekend met 4.7 COP. Dit houdt in dat elke kw elektrische energie die de pomp verbruikt levert 4.7 kw thermische energie op. Met de warmtepomp wordt water van 90 C opgewaardeerd naar 140 C bij een druk van 3bar. Het voordeel hiervan is dat er processen zijn die werken bij deze temperatuur en druk. Zo kan de stoom direct toegepast worden in het proces. Zoals in de tekening is weergegeven. Hier is duidelijk te zien dat de opgewaardeerde stoom direct gebruikt word in de processen - Pre Heater - Blancheren - 2 e keer blancheren - Chemical dip Uit de berekening blijkt dat er genoeg stoom gegenereerd wordt door de warmtepomp om al deze processen in zijn geheel te verzien. Voor de opstart van het proces wordt er gebruik gemaakt van Pre Heaters, zodat ook bij het opstarten de benodigde stoom kan worden opgewekt. Een voorbeeld van een Pre Heater is een gas gestookte geiser. Door middel van een thermostaat kan de geiser in en uit worden geschakeld. Zodra het proces op temperatuur is, zal de thermostaat dit waarnemen en de geiser uitschakelen. Tijdens de opstart fase zal het systeem niet winstgevend zijn. Op de volgende pagina is het proces van de warmtepomp geïntegreerd in het huidige systeem. Toegevoegd de thermische proces stromen en de machinerie wat gevoed kan worden met een warmtepomp. 19

20 264 kw Proces 2 Chemical Dip 341 kw Blancher kw Blancher 1 Preheater 812 kw 80 C / 1525 kj/kg 2687 kw +/- 0 kw Pre heater Input Condensor 140 C Output Elektricty Heatpump 527 kw Input Evaporator Input 2115 kw 90 C Pre heater Condensor Input 30 C Output Proces 1

21 4.3 Producenten/ leveranciers Er zijn een aantal bedrijven op de markt dat zich specialiseert in het produceren, leveren, en installeren van warmtepompen. Deze bedrijven maken een onderscheidt in het leveren van warmtepompen voor thuis gebruik en voor industriële toepassingen. Voor de levering van de warmtepomp die voor deze toepassing geschikt is, zal een bedrijf apart moeten worden benaderd. Gezien de input van de glycoloplossing tussen de 70 C en 90 C is, zal een speciaal uitgevoerde warmtepomp geschikt zijn. Uit onderzoek is gebleken dat de reguliere warmtepompen werken met een output tot maximaal 60 C, dit echter is niet toereikend voor onze toepassing. Volgens de informatie die is vrijgegeven van de fabrikant kan een COP waarde +/- 4 worden gehaald, dit is gebaseerd op de invoer van warm water op een temperatuur van +/- 60 C. Een aantal leveranciers van industriële warmtepompen zijn onder andere Heliotherm uit Duitsland, Viessman uit Duitsland en Thermea uit Duitsland. Deze laatste heeft warmtepompen die geschikt zijn om restwarmte terug te winnen om weer te kunnen hergebruiken. Ook hier is de maximale output van de warmtepomp 60 C. Hieronder is een voorbeeld te zien van een warmtepomp van Viessman die wordt gebruikt om restwarmte terug te winnen. Fig Viessmann warmtepomp Bron: 21

22 4.4 Kosten berekening Prijsopgave De prijs van deze systemen lopen erg uiteen. De warmtepompen die toe te passen zijn in huis en kleinere bedrijfsruimte kost rond de ,-. Vanzelfsprekend zullen deze kosten hoger uitvallen wanneer een warmtepomp voor de industriële doeleinden zal worden gebruikt. Ter vergelijking wordt een berekening laten zien waaruit blijkt waar de besparing in zit. Deze tabel is gevonden op de site: In deze tabel is te zien welk vorm van warmtepomp het meeste investeringskosten heeft en wat de output in vermogen is. Tabel 1 bron: Leonardo-energy.org 22

23 Literatuurlijst Naam: Documentatie: Editie: Wim Hoogland Rapport over rapporteren 4 e J. Ouwehand Toegepaste Energietechniek 3 e T.J.G. Papa E.Post A.C.Taal Referentie naar: Bedrijf: Naam: Documentatie/ toevoeging: Kiremko Dhr. Eric van Oorschot Moody-diagram Excel sheet (overzicht bedrijfstroom) Technische informatie Haagse Hogeschool: Naam: Dhr. Paul Souren Colleges Dhr. Joep de Groot Feedback Dhr. F. Zoller Technische informatie Internet: Power Quality & Utilisation Guide, februari Industrial Heat Pumps for Steam and Fuel Savings, juni Leverancier/producent industriële warmtepomp Leverancier/producent industriële warmtepomp Octrooionderzoek Google European Patent Office Warmtepomp Informatie 23

24 Bijlage 1: plaatjes Brainwriting 24

25 25

26 Inleiding Bijlage 2: Tussen rapportage In de projectgroep zijn er ideeën opgedaan en vervolgens verwerkt tot 6 concepten die in de tussen rapportage terug te lezen zijn. Uit de 6 concepten zijn vervolgens 3 concepten uitgekozen tot een mogelijke optie als eindoplossing. Dit tussenrapport is gemaakt dat het bedrijf kan zien waarmee we bezig zijn en eventueel advies kan geven. Op de volgende pagina eerst een analyse van het gehele proces en een detailed view van de Fryer en Condensor. 26

27 Fig.1 Flowchart 4-27

28 Fig. 1.2 Detailed view Fryer process & Condensor 28

29 2. Concepten De mogelijke opties om de warmte her te gebruiken is het volgende: 1. Absorptiekoeling 2. Boiler (reinigingswater voor systeem) 3. Direct stoom hergebruiken in systeem 4. Stirling motor 5. Warmtepomp 6. Reegenerator regenpijp principe Vanuit de bovenstaande concepten is er een conclusie getrokken dat we 3 concepten kunnen toepassen in het proces. Het gaat om de concepten: Absorptiekoeling, Warmtepomp, Boiler (reinigingswater voor systeem) Ter informatie op de volgende pagina s de concepten die zijn opgezet: 29

30 Absorptiekoelmachine Ten opzichte van de mechanische compressiekoelmachine is de mechanische compressor vervangen door een thermische compressor. De absorptiekoelmachine wordt niet mechanisch aangedreven door een elektro- of een verbrandingsmotor, maar wordt thermisch aangedreven. Fig. De betreffende absorptiekoelmachine is als eentraps uitgevoerd. Bij de tweetrapsuitvoering komen er twee generatoren en twee oplossingspompen in de opstelling. Door inwendige warmtewisseling tussen de rijke en arme oplossing is de effectieve koudefactor te verhogen van de waarde 0,7 naar 1, deze waarde houdt in dat de hoeveelheid warmte energie wat in de generator wordt gepompt met een 70 tot 100 % kan worden omgezet in koude energie. Werking: Vanuit de Condensor komt de warmteoverschot met medium temperatuur van 70 a 80 Celsius met een volumestroom van naar de Generator. Vanuit dit punt zal het water d.m.v. een warmtewisselaar de warmteoverdracht Q afgeven aan het medium in de generator wat bestaat uit Libr zoutoplossing & water. Vervolgens zal het water verdampen en naar de condensor neerslaan. Hier ontstaat een warmteoverschot van +/- 35 Celsius dat vervolgens gekoeld wordt. De rijke Libr 30

31 zoutoplossing zal worden afgevoerd naar de absorber waar vervolgens rijke Libr zoutoplossing met waterdamp van de verdamper in contact komen. Hieruit ontstaat ook een warmteoverschot, maar dit is echter minimaal. Het afgekoelde vloeibaar water wat zich bevindt in de condensor zal d.m.v. een klep naar de verdamper geleid worden. Doordat de verdamper onder vacuüm staat zal de oplossing van het water bij een lage temperatuur verdampen en zal de waterdamp afgevoerd worden in het proces van de absorber. De roodgemarkeerde onderdelen is de koeling van de absorptiekoeling. Dit is een minimale warmtewinst/ verlies. Dit zal geen invloed hebben op de prestaties van het systeem wat kan worden toegepast voor de Fryer. Omdat de volumestroom met een medium temperatuur van 70 a 80 Celsius vanuit de condensor (warmteoverschot vanuit de Fryer) naar de aborptiekoeling gaat, zal de temperatuur te laag zijn om water te verdampen. Dit kan echter worden opgelost door de generator (vat) onder vacuüm te trekken. Dit is nodig, omdat bij normaal atmosferische druk (1 bar) water kookt bij een temperatuur van 100 Celsius. Hierdoor zal het medium bij een lagere temperatuur koken. 31

32 Boiler concept Boiler concept Inleiding concept Boiler In dit concept wordt er gekeken naar de verloren thermische energie, nuttig op te slaan in een boiler. De 70 C aan waterglycol mengsel die op dit moment naar de buitenlucht wordt gekoeld, wordt nu gekeken of het rendabel is om deze energie op te slaan in een buffer. Hierbij wordt er gedacht aan een boiler die opgewarmd wordt met de thermische energie. Vervolgens kan het verwarmde water uit de boiler gebruikt worden voor het reinigen van de productielijn. Werking: De werking van dit concept is niet complex. Het overtollige warmte wat nu met een temperatuur van 70 C met de buitenlucht wordt gekoeld, wordt in dit concept geleid naar een andere warmtewisselaar. Deze warmtewisselaar is bevestigd rondom een waterleiding waar leidingwater doorheen stroomt naar de boiler. Door de warmtewisselaar wordt het leidingwater van 15 C naar 65 C verwarmd. Boiler concept 32

33 Boiler concept geïntrigeerd in het systeem 33

34 Berekening Voor het concept met de boiler zijn er berekeningen gemaakt voor de hoeveelheid vraag aan thermische energie. Hierbij moet er gedacht worden aan een boiler met een inhoud van 10 m³ aan water. Deze hoeveelheid water heeft als begintemperatuur 15 C en moet uiteindelijk verwarmd gaan worden naar de 65 C. Hiervoor is er een bepaalde hoeveelheid aan thermische energie nodig. Deze energie dient in eerste instantie uit de restwarmte van de Fryer gehaald te worden. Wanneer er een tekort aan thermische energie is dan moet er een na verwarmer gebruikt gaan worden. De energie die totaal nodig voor een 10 m³ boiler is kj, dit gaat gepaard met een volume stroom van 26,8 m³/h aan waterglycol mengsel en een afgifte vermogen van 4,07 kw gedurende 144 uur (6 dagen). Deze hoeveelheid aan energie moet naast de energie gelegd worden die uit de Fryer komt. Daarna kan er een conclusie eraan gehangen worden die de doorslag geeft of dit concept haalbaar is. Conceptkeuze Het boiler concept is haalbaar omdat er genoeg vermogen beschikbaar is om de boiler te verwarmen. Er is namelijk een vermogen van 1410 kw beschikbaar. Toch is er in overleg met Kiremko niet gekozen om dit concept verder uit te werken. Dit komt doordat er al een concept bestaat bij Kiremko voor het gebruik van een boiler. 34

35 Direct stoom hergebruiken in systeem Inleiding Concept 1 is bedacht tijdens de brain writing sessie. Hier heeft iedereen een idee geschetst dat vervolgens werd doorgegeven voor aanvulling door groepsgenoten. In dit stukje wordt concept 1 genoemd: direct hergebruiken van stoom, behandeld. Werking Boven de frituur pan vind warmte verlies plaats. Deze warmte bevind zich in gas vorm namelijk stoom. Door deze stoom met behulp van een afzuiger op te vangen is het mogelijk om hier energie uit terug te winnen. Het ontwerp voor directe terug koppeling houd in dat de afgezogen stoom via een goed geïsoleerde ventilatie schacht terug word geleid naar bijvoorbeeld de dryer. Om hier vervolgens ingeblazen te worden en zo de dryer op temperatuur te brengen en de aardappels te drogen. Het direct hergebruiken van de afgezogen stoom was in theorie goed toepasbaar omdat er geen warmte overdracht hoeft plaats te vinden. Dus is het niet nodig rekening te houden met rendementen van installaties als warmte wisselaar, warmte pomp of andere varianten. Als de ventilatie schacht goed geïsoleerd is zou zo de al verwarmde stoom de aardappel drogen en zou het verbruik van de droger dus beschouwd kunnen worden als besparing t.o.v. het huidige proces. Voordelen - Geen overdrachts verlies zoals andere oplossingen - Klein systeem dat makkelijk toe te passen is in bestaande systemen - Besparing van de drogers verbruik - Mits je de stoom filtert bruikbaar condensatie water (met hoge temperatuur) Nadelen: - De afgezogen stoom is verontreinigd (hiervoor moet worden onderzocht of deze vorm niet schadelijk is, of hoe de stoom gefilterd kan worden) - In de droger moet een afvoer voor het gecondenseerde stoom - De droger en de frituurpan moeten dicht bij elkaar staan anders verliest de stoom onderweg teveel warmte - Houd condens over van een redelijk hoge temperatuur 35

36 Stirlingmotor Stirlingmotoren of heteluchtmotoren zijn motoren die gebruik maken van een thermodynamische cyclus. Er wordt gebruik gemaakt van de expansie van lucht of andere gassen bij verhitting en de contractie ervan bij afkoeling. Toepassing in situatie Door gebruik te maken van de warmte van de water glycol oplossing na de condensatiewarmtewisselaar, zou een stirlingmotor aangedreven kunnen worden. Hierbij is de Tlaag 20C (buitenlucht) en de Thoog 70C (water glycol). Met het laagste en de hoogste temperaturen is het thermisch rendement van het stirlingproces te berekenen, als volgt: Trendement = 1-Tlaag/Thoog Trendement = 1-293/343 = 0,145 Hoe groter het temperatuur verschil des te hoger het thermische rendement. Hoewel er wel (speelgoed) modellen zijn van stirlingmotoren die werken op een delta T van 50, deze worden echter niet toegepast voor praktische toepassingen zoals het aandrijven van een generator. Naast het lage thermische rendement zou de stirlingmotor ook groot van omvang moeten zijn om te kunnen werken op deze temperaturen. Dit brengt ook hoge kosten met zich mee. In de huidige situatie is een stirlingmotor niet aan te raden om toe te passen. 36

37 Warmtepomp Een warmtepomp is een apparaat dat warmte tegen het natuurlijk evenwicht in kan verplaatsen van een laagwaardig naar een hoogwaardig niveau. Dit is vergelijkbaar met een waterpomp, die water verplaatst van een laag naar een hoog niveau. Warmtepompen zijn bekend van hun toepassing in koelkasten en vriezers. Ook voor hoge temperaturen en grote vermogens zijn warmtepompen te verkrijgen. Werking Een warmtepomp bestaat uit een gesloten leidingsysteem met een koudemiddel erin. Dit koudemiddel is zo gekozen dat het aan de koude zijde in vloeistoffase verkeert, en aan de warme zijde in gasfase. Een compressor comprimeert het gasvormige koudemiddel. Hierdoor neemt het kookpunt toe. Het gas stroomt langs een condensator (de warme kant), waar het onder de hoge druk condenseert, en hierdoor energie afstaat aan de condensator. Het gecondenseerde, vloeibare koudemiddel stroomt vervolgens door een expansieventiel naar de koude kant. Door het expansieventiel verlaagt de druk. Onder deze lage druk kan de vloeistof weer verdampen, waarbij het energie opneemt. Vervolgens komt het weer aan bij de compressor en de cirkel is rond. De compressor is over het algemeen een turbocompressor of scrolcompressor. Deze wordt meestal aangedreven door een elektromotor. Dit betekent dat een warmtepomp ook energie verbruikt. Effectiviteit De effectiviteit van een warmtepomp wordt uitgedrukt in de Coëfficiënt of Performance, kortweg COP. Hoe hoger het temperatuurverschil, hoe lager de COP. De COP is de factor waarmee energie teruggewonnen wordt. Een COP 3 betekent bijvoorbeeld dat er aan de condensator zijde 3x zoveel energie afgezet wordt als benodigd is om de compressor aan 37

38 te drijven. 1/3e van deze energie komt dan uit de compressor, 2/3e uit het medium dat langs de verdamper stroomt. In de grafiek hiernaast is de verdampingstemperatuur uitgezet tegen de COP van typische warmtepompen met scrol- en turbocompressors. Wanneer gekeken wordt naar een turbocompressor warmtepomp met een werktemperatuur van 70 C naar 120 C, dan is een COP van ca. 4,7 mogelijk. Voordelen van een warmtepomp Het gebruik van een warmtepomp heeft als voordeel dat de laagwaardige energie kan worden opgewaardeerd tot een bruikbaar niveau. Het is zelfs mogelijk direct stoom te produceren van ca. 120 C, ofwel 2 bar. Hierdoor hoeven er aan de huidige aardappelverwerkingslijn weinig aanpassingen gedaan te worden om de opgewekte warmte te kunnen benutten. Een ander voordeel is dat alle warmte gebruikt kan worden en de koelmachine die nu gebruikt wordt waarschijnlijk kan vervallen. Bovendien is het bij de gebruikte temperaturen mogelijk om water als koudemiddel te gebruiken. Hierdoor zijn er geen schadelijke of gevaarlijke stoffen nodig. Nadelen van een warmtepomp Het grootste nadeel van een warmtepomp is dat er elektrische energie nodig is om de compressor aan te drijven. Aangezien elektrische energie duurder is dan aardgas, is het belangrijk een goede kosten/baten berekening te maken. Als de COP te laag is, is de energiewinst te laag om het kostenverschil tussen elektriciteit en aardgas te overbruggen. Een andere optie is de warmtepomp aan te drijven met een verbrandingsmotor. Hierbij kan aardgas als krachtbron gebruikt worden, maar de aanschafkosten zullen hoger zijn. 38

39 reegenerator regenpijp principe Dit ontwerp is gebaseerd op een eerder concept waarbij de regenpijp werd gebruikt om energie uit vallend regenwater te halen. Middels een berekening werd echter duidelijk dat dit op huishoudelijke schaal niet rendabel is. Hierbij een klein onderzoek of dit binnen een fabriek wel haalbaar is. Werking reegenerator regenpijp principe De stoom en oliedampen die na de fryer worden afgezogen gaan direct door filters en zullen direct naar boven worden getransporteerd. Boven in de toren zal de damp worden gecondenseerd en opgevangen in een buffer. Bij de berekening is uitgegaan van een constante stroom waarin 2210 kg/hr water in zit. Vervolgens zal het water door de buis vallen en zal het water, met de kinetische energie, worden omgezet in elektrisch energie. De omzetting van de kinetische energie naar elektrische energie heeft een rendement van 75%. Conclusie Te zien is dat het vermogen van dit principe in ons geval 1,6 kwh zal opleveren wanneer we dit berekenen over één dag. Dit principe is dan ook niet aan te raden om energie terug te winnen uit de restwarmte. 39

40 Inleiding Bijlage 3: Systeemanalyse Vanuit de opdrachtgever dhr. Eric van Oorschot van het bedrijf Kiremko B.V. is een aanvraag verstuurd om te onderzoeken hoe de restwarmte van de Fryer (frituurpan) kan worden hergebruikt in de aardappelverwerking productielijn. De Stoom wat ontstaat door het bakken van de frites/ chips wordt nu gedeeltelijk hergebruikt d.m.v. een warmtewisselaar, vervolgens wordt het medium wat opgewarmd is door de stoom van de frites/ chips kleinschalig hergebruikt. Het overgrote gedeelte van het medium wordt nu afgekoeld in de buitenlucht wat nu kan worden beschouwd als verloren energie. Systeemanalyse: In het rapport: systeemanalyse is onderzocht naar de volgende onderwerpen: Anlayse/ informatie van het systeem/ product Concept ontwerp en uitleg (warmteterugwinning) Octrooi(en) QFD (Quality Function Deployment) gebruikt bij toetsing aankomende concepten Note: Als naslagwerk zal het PVA Kiremko bekeken moeten worden. Hierin staat de overige informatie. 40

41 1. productieproces Om het productie proces in kaart te brengen is er een flowchart gemaakt. Hierin staat schematische weergegeven hoe het proces verloopt en welke energie stromen erbij horen. De gegevens hiervoor zijn geleverd door Kiremko. Omschrijving flowchart: - in de ingaande pijlen staat het verbruik per proces. - in de blokken staat het proces en bij welke temperatuur het plaatsvindt. - Als er grote verliezen plaats vinden staan die weergegeven in de diamand boven de box van het proces. Hierin staat de hoeveelheid en in welke vorm de verloren energie zich bevind. In dit overzicht (pag. 5) is duidelijk te zien dat de processen van de Dryer en de Fryer de meeste energie verloren gaat. Deze energie bestaat uit stoom. Gegevens stoom Dryer: kg/hr c - 16 Bar Technische gegevens stoom Fryer: kg/hr c - 20 Bar Aan de hand van deze gegevens wordt gezocht naar mogelijke toepassingen om de aanwezige energie her te gebruiken. Zo is zijn er mogelijke opties om een Absorptiekoeler, Heat Exchanger direct toe te passen. 41

42 Fig.1 Flowchart 4-42

43 Fig. 1.2 Detailed view Fryer 43

44 2.3 Stakeholders De betrokken partijen bij de ontwikkeling, productie, distributie, installatie, onderhoud en verwijdering van het product zijn aangegeven in het onderstaande figuur. Fig

45 3.1 Octrooi Onderzoek is gedaan naar octrooien van producten die worden gebruikt in het aankomende ontwerp proces. Om het systeem te verwezenlijken zal bestaande producten moet worden toegepast. Dit zal als product aangeschaft moeten worden. Octrooi van de Absorptie koeler Fig

46 Octrooi van de Absorptie koeler Fig

47 Heat exchanger Fig

48 Heat exchanger Fig

49 Heat exchanger Fig

50 Heat exchanger Fig.2 7 Bovenstaand zijn voorbeelden van octrooien. Dit geeft een impressie over wat voor systemen er worden toegepast in het proces warmte terugwinning. 50

51 Bijlage 4: Quality Function Diagram

52 Bijlage 5: Technische informatie warmtepomp Heliotherm 52