Wärmerückgewinnung (WRG) bei der Milchkühlung · 4 Vorgaben Milchkühlung Art. 14 Kühlen und...

Eidgenössisches Departement für Wirtschaft,Bildung und Forschung WBF

Agroscope

www.agroscope.ch I gutes Essen, gesunde Umwelt

Wärmerückgewinnung (WRG) bei der Milchkühlung

Markus Sax

Weiterbildungskurs für Baufachleute, 3./4. November 2015

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Inhalt

• Ziele und Vorgaben für Milchkühlung

• Funktion der Kältetechnik bei der Milchkühlung

• Reduktion der Stromkosten

• Schlussfolgerung

Wärmerückgewinnung bei der Milchkühlung | Weiterbildungskurs für Baufachleute 2015Markus Sax | | © Agroscope | Institut für Nachhaltigkeitswissenschaften (INH), Tänikon 1, 8356 Ettenhausen

=>

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Ziele der WRG bei der Milchkühlung

• Abwärme von Kälteaggregat nutzen

• Brauchwarmwasser vorerwärmen

• Reduktion des Strombedarfs von Boilern

• Einsparung von Stromkosten

• Leistungssteigerung der Milchkühlung


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Vorgaben Milchkühlung

Art. 14 Kühlen und Lagern der Milch

frisch gewonnene Milch muss:

• bei täglicher Ablieferung innerhalb von 2 Stunden auf ≤ 8°C abgekühlt sein

• wenn alle 2 Tage abgeliefert wird weiter auf ≤ 6°C

Auszug aus der Verordnung des Eidgenössischen Departements des Innern (EDI) über die Hygiene bei der Milchproduktion (VHyMP)

Auszug aus Richtlinien für die Durchführung der Kontrollen bei Melkanlagen:Temperatur von Rücklauf bei Zirkulationsreinigungen sollte >50°C (Milchabnehmer, z.B. Käserein fordern z.T. 55°C)Wärmerückgewinnung bei der Milchkühlung | Weiterbildungskurs für Baufachleute 2015Markus Sax | | © Agroscope | Institut für Nachhaltigkeitswissenschaften (INH), Tänikon 1, 8356 Ettenhausen

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Kältetechnik bei der Milchkühlung

Kälteaggregat

Verdichter (Kompressor)

Verflüssiger

Kältemittelleitungen

Expansionsventil

VorlaufRücklauf

MilchtankT ≈ 34°C

T < 6°C

Foto: Moser Stalleinrichtungen AG,

Quelle: Kälte, Klima, Aktuell (KKA), Bauverlag BV GmbH, Gütersloh


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Milchtank mit aufgesetztem Kälteaggregat

Milchtank

Kälteaggregat

Foto: Agroscope INH Tänikon

Messgeräte



Kälteaggregat

Verdichter

Messgeräte

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Material und Methode

Messungen bei Milchkühlung von Wassererwärmung bei 8 Milch-viehbetrieben (bis heute)Jahresmilchmengen der einzelnen Betriebe zwischen 230’000 – 450’000 kgMessgrössen:• Temperatur bei Milch und Wasser (Kalt- und Warmwasser)• Volumenstrom bei Wasser (Wasserbedarf)• Milchmenge gemäss Abholscheinen• «Schätzung der Milch für Eigenbedarf, welche auch gekühlt wird»• Temperatur von Kältemittel bei Verdichter, Kondensator,

Milchtank und Warmwasserspeicher


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Schema von Messkonzept

E1

E2

V2 T4

T3

V1 T2

T1

T5

T7

T6

Kältemittel-leitungen

Kälteaggregat

Legende:T: TemperaturE: StromV: Volumenstrom


Brauchwarmwasser ca. 45 – 50°C

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Phasenübergänge bei 1 kg Wasser

flüssig zu Dampfvon Eis zu

Wasser

100°C

0°C

Tem

pera

tur [

°C]

cp = spezifische Wärmekapazität

Normaldruckp = 1013 bar

≈ 1.163 Wh/kgK


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Berechnung Wärmeenergie

Q = m x c x T

Wasser: cp ≈ 1.163 Wh/kgKMilch: cp ≈ 1.093 Wh/kgK

(ohne Verdichterleistung)


Q = Energiemenge in Wattstunden [Wh]m = Masse [kg]cp = spezifische Wärmekapazität

T = Temperaturdifferenz in Kelvin [K]

Milchkühlung: von 34°C auf 6°C100 kg * 1,093 Wh/(kg*K) * 30 K ≈ 3'279 Wh

Temperatur Leitungswasser: ~10°CSolltemperatur Warmwasserspeicher: ~50°C

Wassererwärmung: von 10°C auf 50°C3'279 Wh / (1,163 Wh/(kg*K) * 40 K) ≈ 70 Liter

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Milchkühlung mit WRG

Milchtemperatur: ~34°C

Temperatur gekühlte Milch: ~6°C

100 kg * 1.093 Wh/kgK* 30 K ≈ 3279 Wh*

Wassererwärmung:3279 Wh

1.163 Wh/kgK * 40 K

ElektroBoiler

Warmwasser-speicher

Kälteaggregat

≈ 70 Liter

*ohne Verdichterleistung; Kälteaggregat- und Kältemittelabhängig

≈ 50°C

≈ 80°C

Kaltwasser

Heisswasser


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Kältemittelkreislauf

MilchtankKältemittelleitung

Kältemittel flüssig

Kältemittel gasförmig

Quelle: Reisenr, K., Fachwissen Kältetechnik, Berlin, 2013


p ≈ 13 barT ≈ 53°C

p ≈ 3 barT ≈ 0°C

13

Dampfdruckkurve von Kältemittel

Temperatur [°C]

Dru

ck, p

[bar

]

Dampfdruckkurve von Kältemittel R134a

Temperatur Kältemittel vor Kondensator

Dampfdruckkurve von Kältemittel R134a

Quelle: Felder, H., Wuppertal~53°C

~13Druck nach

Verdichter


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Bedeutung Formelzeichen von Kältemitteln

Quelle: Reisenr, K., Fachwissen Kältetechnik, Berlin, 2013


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Erste Ergebnisse von Messungen

• Menge von Brauchwarmwasser zu Reinigungszwecken (Melk- und Milchlageranlage)

• Stromeinsparung zur Wassererwärmung (Brauchwarmwasser) bei Elektroboiler

• Stromeinsparung bei Kälteaggregat von Milchkühlung


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Brauchwarmwasser für Reinigungs-zwecke pro 100 kg Milch

2530

42

32

49

2531 28 26

50

0

10

20

30

40

50

60

70

Betrieb 1 Betrieb 2 Betrieb 3 Betrieb 4 Betrieb 5

Was

serv

erbr

auch

[l]

Betriebe [-]

Brauchwarmwasser aus Boiler ohne WRGBrauchwarmwasser aus Boiler mit WRG

Reinigung von Melk- und Milchtankanlagen:

• Wassertemperaturen ca. 80 – 85°C => Wassertemperatur muss beim Rücklauf von Zirkulationsreinigungen ≥ 50°C

• Wasserverbrauch für Reinigung ca. 35 Liter pro 100 kg Milch

Elektrische Energieeinsparpotentiale in der Landwritschaft, Thür, C., Winterthur, 2013

Jahresmilchmengen:Betrieb 1 + 5 > 300’000 kgBetrieb 2 = 300’000 kgBetrieb 3 + 4 < 300’000 kg


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Stromverbrauch von Boilern zur Erwärmung des Brauchwarmwassers

69

4036 33

49

38

22 2215

21

0

10

20

30

40

50

60

70

80


Str

omve

rbra

uch

[kW

h]

Betriebe [-]

Stromverbrauch Boiler ohne WRG

Stromverbrauch Boiler mit WRG

• Stromeinsparung mit WRG bei Milchkühlung liegt bei ca. 40 – 57 %

Stromverbrauch von Boilern während 4 Melk- und Reinigungsdurchgängen vor und nach dem Einbau einer WRG:


• Bei Betrieb 5 wurde Brauchwarmwasser im Boiler vor Einbau der WRG auf 90°C aufgeheizt


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Stromverbrauch Kälteaggregat

1.82.0

1.8

2.1

1.9

1.6 1.61.7

1.9

2.2

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5


Stro

mve

rbra

uch

[kW

h]

Betriebe [-]

Strom für Kälteaggreagat vor Einbau WRGStrom für Kälteaggregat nach Einbau der WRG

• Stromeinsparung mit WRG ca. 40 – 57 %

Stromverbrauch vom Kälteaggregat pro 100 kg Milch vor und nach dem Einbau einer WRG:


Stromeinsparung Kälteaggregat ca. 5 – 20% (stark abhängig von Kälteaggregatgrösse und Kältemittel


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Kalkablagerungen im Boiler

Elektroheizstab mit Kalkablagerungen


Elektroheizstab

Kalkablagerungen


Boiler (ca. 450 l)


Kalkablagerungen auf Heizstäben erhöhen Strombedarf massiv!


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Mehrverbrauch Strom durch Kalkablagerungen auf Heizstäben:

1 mm Kalk auf den Heizstäben ca. 8% mehr Strom

10 mm Kalk auf Heizstäben ca. 50% mehr Strom

Kalkablagerungen auf Heizstäben

Quelle: Energie – Umwelt.ch, Genf, 2015

Foto: Agroscope INH, Tänikon


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Wartung von Kälteaggregaten

Kälteaggregat steht in «Kammer» auf der Heubühne:• Gute Zugänglichkeit und Übersicht zu

Kontrollzwecken• Zuluft von kleinem Raum ohne Frischluft-

zufuhr und stark Staubbelastet

Kälteaggregat steht unter Dachschräge auf Strohbühne:• Zugang und Übersicht sehr schlecht• Zuluft durch Strahlungswärme von Dach

vorerwärmt und «Luftzufuhr» und mit Staub «kontaminiert»

Foto: C. Thür Foto: C. Thür


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Brauchwassererwärmer

Boiler mit Wärmeschichtung: Volumen 750 Liter

ElektroheizstabAufwärmen oberer Boilerinhalt auf 85°C über Nacht (ca. 450 liter)

Aufwärmen unterer Boilerinhalt auf ca. 50°C mit WRG aus der Milchkühlung (ca. 300 liter)

Aufgrund von Durchmischungen (Warm- und Kalkwasser) im Speicher nicht zu empfehlen

War

mw

asse

r-S

peic

her

Elek

trob

oile

r

Foto: C. Thür

Zu empfehlen:Warmwasserspeicher vor

Elektroboiler «vorschalten»

Foto: Agroscope INH, Tänikon


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Schlussfolgerungen

• Der Bedarf an Brauchwarmwasser zu Reinigungs-zwecken beträgt durchschnittlich 35 l / 100 kg Milch

• Der Strombedarf für die Erwärmung des Brauchwarm-wassers kann mit einer WRG bei der Milchkühlung um ca. 40 – 57 % gesenkt werden.

• Eine WRG bei der Milchkühlung kann den Milchkühlprozess verkürzen und dadurch den Strombedarf des Kälteaggregats reduzieren.

• Wartungsarbeiten bei Boilern und Kälteaggregaten sind wenn möglich jährlich durchzuführen.


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Ausblick

• Weitere Messungen bei Milchkühlanlagen und WRG-Anlagen werden durchgeführt

• Checkliste für optimierte Speichergrössen und Installationen auf Anlage bezogen soll erstellt werden

….auch in Beachtung einer möglichen Betriebserweiterung!


Photo: Baumgartner, Ramsau

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Öko Milchkühlung frisch auf der Milchbank

Bild: Wilhelm Wendekind, Uslar (D) Bild: Wilhelm Wendekind, Uslar (D)


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Literatur

• Bonkoß, K., Neiber, J., Neser S., Energieeinsparung in der Milchviehhaltung, Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL), Freising-Weihenstephan, 2012

• Institut de l’élevage, Les consommations d’énergie en bâtiment d’élevage laitier, Paris Cedex 12, 2009

• Lebéhot, A., Consommation électrique du bloc traite, Chambred'Agriculture du Calvados, Caen cedex, Novembre 2009

• Thür, C., Elektrische Energieeinsparpotentiale in der Landwritschaft, Winterthur, 2013

• Nosal, D., Kosten der Milchkühlung und Wärmerückgwinnung, FAT-Bericht 364, Tänikon 1989


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Danke für Ihre Aufmerksamkeit

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