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
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Foto: Agroscope INH Tänikon
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
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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)
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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
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p ≈ 13 barT ≈ 53°C
p ≈ 3 barT ≈ 0°C
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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
Betrieb 1 Betrieb 2 Betrieb 3 Betrieb 4 Betrieb 5
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:
Elektrische Energieeinsparpotentiale in der Landwritschaft, Thür, C., Winterthur, 2013
• 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
Betrieb 1 Betrieb 2 Betrieb 3 Betrieb 4 Betrieb 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:
Elektrische Energieeinsparpotentiale in der Landwritschaft, Thür, C., Winterthur, 2013
Stromeinsparung Kälteaggregat ca. 5 – 20% (stark abhängig von Kälteaggregatgrösse und Kältemittel
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Kalkablagerungen im Boiler
Elektroheizstab mit Kalkablagerungen
Foto: Agroscope INH Tänikon
Elektroheizstab
Kalkablagerungen
Foto: Agroscope INH Tänikon
Boiler (ca. 450 l)
Foto: Agroscope INH Tänikon
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!
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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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