DE10316165B4

DE10316165B4 - Solare transportable Kompakt-Milchkühleinheit

Info

Publication number: DE10316165B4
Application number: DE10316165A
Authority: DE
Inventors: Rainer Rudischer; Jörg Dr. Waschull
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2023-04-10
Also published as: DE10316165A1

Abstract

Solare transportable Kompakt-Milchkühleinheit, mit international standardisierten Außenabmessungen und einem an ihr außen schwenkbar angebrachten Photovoltaikgenerator (1), der in bekannter Weise mit Einheiten wie PV-Energiewandler (2) einschließlich Steuerung und elektrischer Speicher (3) gekoppelt ist, und die Energieversorgung gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, dass die Milchkühleinheit zwei unterschiedlich große, einzeln schaltbare, drehzahlregelbare Kältemittelverdichter (4.1, 4.2) besitzt, die über einen oder zwei Wärmetauscher (5) mit einem Kälteträgerkreislauf (6) verbunden sind, in dem ein Durchflusskühler (7) zur Kühlung für die noch warme, frisch angelieferte Milch, ein Milchkühltank (8) für die Kühlung der bereits gelagerten Milch und ein separater, vom Milchkühltank (8) getrennter Eisspeicher (9) zur Speicherung der überschüssigen Kühlenergie derart verschaltet sind, dass sie vom Kälteträger einzeln oder kombiniert durchflossen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solare transportable Kompakt-Milchkühleinheit, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die durch einen Photovoltaikgenerator mit Elektroenergie versorgt wird. Bevorzugtes Einsatzgebiet der autarken, örtlich flexibel einsetzbaren und nach Wasseranschluss innerhalb weniger Stunden betriebsbereiten Anlage sind sonnenscheinreiche, warme Regionen, die nur über eine schwach entwickelte oder gar keine konventionelle Energieinfrastruktur verfügen.
Für die Sicherung der Qualität ist die zeitnahe Kühlung der entmolkenen Milch unerläßlich. Die Kühlanlage muss mindestens dem durch die ISO-Norm 5708 gesetzten Standard entsprechen; ihre Leistung ist danach so zu bemessen, daß sich die Milch innerhalb von zwei Stunden auf 3-5°C kühlen lässt, wobei die Homogenisierung des Milchfettes bereits innerhalb von zwei Minuten möglich sein muss.
Es ist seit Langem bekannt, Milch durch Lagerkühlung oder Durchflusskühlung mittels Kaltwasser oder Sole vorzunehmen. Die dabei entstehende Wärmeenergie kann anderweitig genutzt werden; so ist durch DE 42 00 252 A1 angeregt, auf der Basis zweier thermisch getrennter Kreisläufe solche Energien neben der, die aus einer Solaranlage gewonnen wird, für eine Fußleistenheizung zu verwenden.
Der Stand der Technik ist durch Anlagen geprägt, bei denen die Kühlung der Milch unter Direktverdampfung des Kältemittels stattfindet. Stationäre Anlagen mit Direktverdampfung im Milchkühltank (sogenannte Tankkühlung) sind für Tankgrößen von 200 bis 5000 l bevorzugt, wogegen bei größeren Milchaufkommen die Direktverdampfung in Durchflusskühlern üblich ist (Durchflusskühlung). Bei geringen Volumina an zu kühlender Milch (< 200 l) findet man fast ausschließlich das Verfahren der Tauchkühlung, also die Direktverdampfung in Tauchkühlern. Zur Reduzierung der zu installierenden Kälteleistung kommen meist Eisspeicher mit Wasser als Kälteträger zum Einsatz.
Entwicklungsvarianten und -trends bei solchen Tanks können u. a. aus DE 100 39 014 02 , DE 42 28 752 C2 , DE 691 06 272 T2 und DE 27 57 726 A1 entnommen werden; Milchkühlanlagen nach dem Durchflussprinzip sind beispielsweise durch DE 41 34 277 02 und DD 245 241 A1 bekannt.
Neben diesen konventionellen Anlagen zur Milchkühlung sind verschiedene Experimente mit solar versorgten Anlagen bekannt. Hervorzuheben ist eine derartige stationäre Anlage mit Direktverdampfung in einem konzentrischen Eisspeicher (de Blas, M.; Appelbaum, J. L.; Prieto, E.; Garcia, A.: Milk cooling facility for a farm powered by photovoltaic solar energy. Proceedings of the Seventeenth European Photovoltaic Solar Energy Conference, pp. 2483-2486, München, 22.-26.10.2001). Dieser Prototyp besteht aus zwei konzentrischen, zylindrischen Tanks in einer einzigen Struktur. Der erste Tank ist eine Kühlkammer für die Milch, der zweite Tank enthält gefrorenes Wasser. Der Milchtank befindet sich im Behälter mit dem gefrorenen Wasser, sodass die Milch ohne den Einsatz eines Pumpsystems gekühlt wird.
Das System soll ohne Batterien auskommen. Hierfür ist vorgesehen, das Problem der temporär und quantitativ eingeschränkten Energieversorgung einerseits und des großen Energiebedarfs nach Anlieferung der Milch andererseits, durch Nutzung der Energie, die während der Konversion von Eis zu Wasser produziert wird, zu lösen. Der Photovoltaikgenerator ist direkt mit den Verdichterantrieben verbunden; ein dazwischen geschaltetes Energieaufbereitungssystem oder Mikroprozessoren sind zwecks Reduzierung des Aufwands nicht vorgesehen.
Bei allem Fortschritt gegenüber bisherigen, mehr oder weniger labormäßigen Versuchsanlagen bzw. im Vergleich zu bislang bekannten Feldversuchen zeigt auch das vorstehende System letztlich nur, dass Photovoltaiktechnik grundsätzlich auch zur anforderungsgerechten Milchkühlung geeignet ist. Die optimistischen Angaben bezüglich Kühlkapazität und -leistung sowie Systemreife müssen unter den Aspekten dauerhafter praktischer Anforderungen, wie Investitionskosten, Skalierbarkeit, Warmwassererzeugung, Hilfsenergie (für periphere Komponente wie Steuerung oder Rührwerk, Flächenverbrauch sowie Wartungsaufwand und -möglichkeit) im Nutzungsgebiet ernsthaft bezweifelt werden. Denn das System ist nur schlecht skalierbar, die Direktverdampfung im Eisspeicher führt zu geringer Energieeffizienz (niedrigere erforderliche Verdampfungstemperatur und damit für solare, notwendigerweise energiesparende Anwendungen nur bedingt geeignet), hohe Speicherverluste sind bei notwendiger Reinigung des Kühltanks mit heißem Wasser offensichtlich und schließlich ist eine Eisdickenüberwachung zur Vermeidung von Schäden durch Eisbildung notwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine photovoltaisch angetriebene, örtlich ohne Weiteres umsetzbare Stand-alone Kompakt-Milchkühlanlage für den Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen angegeben werden, die unter realistischen Marktbedingungen wettbewerbsfähig ist. Die Anlage soll den Anforderungen der ISO 5708 uneingeschränkt genügen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2-9.
Nach Maßgabe der Erfindung ist eine solare Kompakt-Milchkühleinheit, bestehend aus einer transportablen, geschlossenen oder offenen Gehäusestruktur mit international standardisierten Außenabmessungen und einem außen an ihr schwenkbar angebrachten Photovoltaik-Generator, der üblicherweise die ausschließliche Energieversorgung gewährleistet, vorgesehen. Die Gehäusestruktur, bevorzugt ein 20 ft-Container, umschließt erfindungsgemäß zwei unterschiedlich große, einzeln leistungsregelbare Kompressionskälteanlagen und einen Kälteträgerkreislauf mit einem Durchflusskühler, einem Milchkühltank und einem separatem Eisspeicher sowie Hilfsaggregaten und -vorrichtungen.
Erfindungsgemäß wird die solare Milchkühleinheit mit zwei Kältemittelverdichtern, deren Eingangsleistungen etwa im Verhältnis 1/3 zu 2/3 stehen, betrieben. Eine solche Auswahl ermöglicht eine sehr gute Anpassung an den tages- und jahreszeitlichen Verlauf des solaren Energieangebotes. Um das Energieangebot optimal zu nutzen, ist zudem eine Drehzahlregelung der Verdichter, die einen Kälteträgerkreislauf versorgen, vorgesehen. Die Kältemittelverdampfung geschieht in einem zweikreisigen Verdampfer-Wärmetauscher, bevorzugt in einem Plattenwärmetauscher, sodass die Redundanz der Kältekreisläufe gesichert ist. Es ist aber auch vorteilhaft möglich, hierfür zwei getrennte Wärmetauscher zu verwenden.
Der Durchflusskühler, der Milchkühltank und der Eisspeicher sind derart miteinander verschaltet, dass die Durchlaufkühlung (bei hoher Verdampfungstemperatur) für die noch warme, frisch angelieferte Milch der Tankkühlung (mittlere Verdampfertemperatur) für bereits gelagerte (kalte) Milch vorangeht. Bei ausreichender Einstrahlung erfolgt die Eisspeicherung der überschüssigen Kälteenergie bei niedriger Verdampfungstemperatur. Am Einlass des Durchflusskühlers ist ein Dumptank vorgesehen; hier können Milch-Einzellieferungen über einen Filter eingegeben und im Falle einer Verschmutzung der Milch die Lieferung verworfen werden.
Der Eisspeicher, kann ausgelegt sein für eine Speicherkapazität für die Abkühlung von zwei Tankfüllungen und deren Kühllagerung für zwei Tage und so gestaltet, dass er sofort betrieben werden kann, ist zur Sicherung einer hohen Modularität der Einheit vom Milchlagertank getrennt. Tank und Eisspeicher können auf diese Weise unabhängig voneinander skaliert werden; ein Anfrieren der Milch am Tank wird sicher verhindert. Außerdem werden die Energieverluste (Kälteverluste) minimiert, die bei der regelmäßigen Tankreinigung mit heißem Wasser auftreten. Es hat sich gezeigt, dass ein Kugeleisspeicher, dessen Kugeln mittels Ordnungselementen zu einer optimalen Volumenfüllung gezwungen werden, allen Anforderungen am besten entspricht.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Kondensationswärme des Kältemittels zur Aufbereitung von Heißwasser (u. a. zur Transportbehälterreinigung) zu nutzen und die luftgekühlten Kondensatoren erst bei einer ausreichend hohen Temperatur im Heißwasserbereiter alternativ in Betrieb zu setzen.
Da der Energiespeicher und PV-Generator aus ökonomischen Gründen nicht für extrem einstrahlungsarme Perioden dimensioniert ist (was praktisch einer Oberdimensionierung entspräche), ist eine Anschlussmöglichkeit für eine Backup-Energiequelle vorgesehen.
Diese Kompakt-Milchkühleinheit zeichnet sich bedingt durch die mögliche Modularität der Energieversorgungseinrichtungen und der Anschlussmöglichkeit eines Backup-Systems, durch eine hohe Flexibilität bezüglich der geographischen Einsatzgrenzen aus; gleichzeitig wird bei vergleichsweise moderaten Kosten eine nahezu 100%ige Versorgungssicherheit ohne Beeinträchtigung der Qualität der Milchkühlung gewährleistet. Die einfache Ausführung der Anlage ermöglicht, dass viele Komponenten vor Ort mit einheimischen Fachkräften ausgeführt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der solaren transportablen Kompakt-Milchkühleinheit ist schematisch in 1 dargestellt. Neben der grundsätzlichen Systemgestaltung ist die vorstehend beschriebene Einordnung der erfindungswesentlichen Komponenten, namentlich die unterschiedlich großen Kältemittelverdichter 4.1 und 4.2, der zweikreisige Verdampfer-Wärmetauscher 5, der Kälteträgerkreislauf 6 mit dem Durchflusskühler 7 (mit dem vorangestelltem Dumptank 10), dem Milchkühltank 8 und dem Eisspeicher 9, (einschließlich Umwälzpumpe 11), sowie elektronische Expansionsventile 16 zu entnehmen.
Des Weiteren ist aus 1 die Verbindung des Kältemittelkreislaufes 12 mit den luftgekühlten Kältemittelkondensatoren 13 und dem Heißwasserbereiter 14 entnehmbar.
Schließlich ist die Energieversorgung der Einheit auf der Basis des Photovoltaikgenerators 1, des PV-Energiewandlers 2 und des elektrischen Speichers (Bleibatterien) 3 sowie der Backup-Energiequelle 15 in ihren bekannten Grundzügen mit Bezug zum Kältemittelkreislauf 12 dargestellt.
In Abhängigkeit von der aktuellen Milchtemperatur bzw. des Vorhandenseins von Milch im Milchkühltank 8 und/oder im Dumptank 10, von der Verfügbarkeit von Solarenergie und vom Ladezustand der beiden Energiespeicher 3, 9 wird durch die Kompakt-Milchkühleinheit einer der nachfolgend aufgeführten sieben Betriebszustände eingestellt.
Die einzustellenden Betriebszustände sind:

– Ruhezustand (keine Sonneneinstrahlung, kein Kühlbedarf, Aufrechterhalten von Steuerungsfunktionen, Sicherstellen der Rührfunktion im Milchkühltank 8);
– solare Durchflusskühlung (Milch im Dumptank 10, ausreichende Einstrahlung für solaren Verdichterbetrieb), Regelkreisteilnehmer: Kältemittelkreislauf 12 entsprechend Strahlungsangebot, Kälteträgerkreislauf 6, Durchflusskühler 7;
– Laden des Eisspeichers 9 (ausreichend Einstrahlung für solaren Verdichterbetrieb, kein Kühlbedarf, Eisspeicher nicht voll geladen), Regelkreisteilnehmer: Kältemittelkreislauf 12 entsprechend Strahlungsangebot, Kälteträgerkreislauf 6, Eisspeicher 9;
– solare Behälterkühlung (ausreichend Einstrahlung für solaren Verdichterbetrieb, Kühlbedarf im Milchkühltank 8), Regelkreisteilnehmer: Kältemittelkreislauf 12 entsprechend Strahlungsangebot, Kälteträgerkreislauf 6, Milchkühltank 8;
– Entladen des Eisspeichers 9 (Kühlbetrieb im Milchkühltank 8, keine ausreichende Einstrahlung für solaren Verdichterbetrieb, Eisspeicher geladen), Regelkreisteilnehmer: Kälteträgerkreislauf 6, Milchkühltank 8, Eisspeicher 9,
– batteriegestützte Durchflusskühlung (Milch im Dumptank 10, keine ausreichende Einstrahlung für solaren Verdichterbetrieb), Regelkreisteilnehmer: kleiner Kältemittelverdichter 4.2, Kältemittelkreislauf 12, Kälteträgerkreislauf 6, Durchflusskühler 7, Batterie 3;
– batteriegestützte Behälterkühlung (Kühlbedarf im Milchkühltank 8, keine ausreichende Einstrahlung für solaren Verdichterbetrieb, Eisspeicher 9 entladen), Regelkreisteilnehmer: kleiner Kältemittelverdichter 4.2, Kältemittelkreislauf 12, Kälteträgerkreislauf 6, Milchkühltank 8, elektricher Speicher 3.

Mit Hilfe der Stellgrößen Verdichterauswahl, Verdichterdrehzahl, Öffnungsverhältnis des elektronischen Expansionsventils 16 und Volumenstrom des Kälteträgers wird die Kälteerzeugungsanlage derart betrieben, dass einerseits nicht mehr Energie verbraucht wird als vorgegeben und andererseits die Verdampfungstemperatur im Verdampfer-Wärmetauscher 5 dem gewählten Betriebszustand entspricht (hohe Verdampfungstemperatur t₀ bei Durchflußkühlung (ca. 10 bis 12°C), mittlere t₀ bei Tankkühlung (ca. 0°C) und niedrige t₀ bei Eisspeicherbeladung (ca. –5 bis –7°C)).
Mit diesem Verfahren wird die Steuerung der Forderung nach optimaler Energieeffizienz bei der Kälteerzeugung gerecht. Damit ist es möglich, den Solargenerator sowie die elektrischen Energiewandlungskomponenten so klein wie möglich zu dimensionieren und eine kostengünstige solar betriebene Kompakt-Milchkühleinheit zu realisieren.

1: Photovoltaikgenerator
2: PV-Energiewandler
3: elektrischer Speicher (Bleibatterie)
4.1: Kältemittelverdichter
4.2: Kältemittelverdichter
5: Wärmetauscher
6: Kälteträgerkreislauf
7: Durchflusskühler
8: Milchkühltank
9: Eisspeicher
10: Dumptank
11: Umwälzpumpe
12: Kältemittelkreislauf
13: Kältemittelkondensator
14: Heißwasserbereiter
15: Anschluss Backup-Energiequelle
16: elektronisches Expansionsventil

Claims

Solare transportable Kompakt-Milchkühleinheit, mit international standardisierten Außenabmessungen und einem an ihr außen schwenkbar angebrachten Photovoltaikgenerator (1), der in bekannter Weise mit Einheiten wie PV-Energiewandler (2) einschließlich Steuerung und elektrischer Speicher (3) gekoppelt ist, und die Energieversorgung gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, dass die Milchkühleinheit zwei unterschiedlich große, einzeln schaltbare, drehzahlregelbare Kältemittelverdichter (4.1, 4.2) besitzt, die über einen oder zwei Wärmetauscher (5) mit einem Kälteträgerkreislauf (6) verbunden sind, in dem ein Durchflusskühler (7) zur Kühlung für die noch warme, frisch angelieferte Milch, ein Milchkühltank (8) für die Kühlung der bereits gelagerten Milch und ein separater, vom Milchkühltank (8) getrennter Eisspeicher (9) zur Speicherung der überschüssigen Kühlenergie derart verschaltet sind, dass sie vom Kälteträger einzeln oder kombiniert durchflossen werden.
Solare transportable Kompakt-Milchkühleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Eingangsleistungen der beiden Kältemittelverdichter (4.2, 4.1) ein Drittel zu zwei Drittel beträgt.
Solare transportable Kompakt-Milchkühleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (5) kältemittelseitig zweikreisig und kälteträgerseitig einkreisig ausgeführt ist.
Solare transportable Kompakt-Milchkühleinheit nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (5) ein Plattenwärmeübertrager ist.
Solare transportable Kompakt-Milchkühleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Durchflusskühler (7) am Einlass ein Dumptank (10), in dem Milch-Einzellieferungen über einen Filter eingegeben werden und der im Falle einer Verschmutzung der Milch ein Verwerfen der Lieferung ermöglicht, vorgeschaltet ist.
Solare transportable Kompakt-Milchkühleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisspeicher (9) ein Kugeleisspeicher ist, dessen Kugeln mittels Ordnungselementen zu einer optimalen Volumenfüllung gezwungen werden.
Solare transportable Kompakt-Milchkühleinheit nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Kälteträgerkreislauf (6) eine Umwälzpumpe (11), im Kältemittelkreislauf (12) neben Kältemittelkondensatoren (13) ein Heißwasserspeicher (14) sowie die elektronische Expansionsventile (16) geschaltet sind, und eine Backup-Anschlussmöglichkeit (15) mit dem PV-Energiewandler (2) verbunden ist.
Solare transportable Kompakt-Milchkühleinheit nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemittelkondensatoren (13) luftgekühlt und außen an der Gehäusestruktur der Einheit angebracht sind und gemeinsam mit dem Heißwasserbereiter (14) oder jeweils für sich allein betrieben werden können.
Solare transportable Kompakt-Milchkühleinheit nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Backup-Anschlussmöglichkeit vergesehen ist die für unterschiedliche Stromquellen geeignet ist.