Blok H2.1 THIN3
Beroepsproduct:
Concepten rapport
Groep:
WH29B2
Periode:
Blok H2.1
Ingeleverd op:
9-03-2012 Luuk de Jong(10071482), Tomas Lenssen(10026347), Pieter de Lange(10044833), Jeroen Koeleman(10027505),
Projectleden
Maurits de Koning(10005021), Edwin van der Mijl(10041214), Maik Klijberg(10066543), Samuel Liem(09048790), Stefan Immerzeel(10056025)
Ingeleverd door:
Jeroen Koeleman(10027505)
Tutor:
Dhr. van der Schyff
Voorwoord Dit concepten rapport is geschreven in het kader van het project Installatie 3. Voor dit project moeten alle 2e jaars werktuigbouw studenten een kaasfabriek ontwerpen. Dit rapport is geschreven door de groepsleden van WH29b2 en is bestemd voor onze begeleider T.A.P. Schyff en de blockcoördinator R. van der Meulen, maar ook voor andere mensen die geïnteresseerd zijn in het proces dat leid tot het tot stand komen van een concept voor een kaasfabriek. Ter Aar, Maart 2012
2
Inhoud ............................................................................................................................................................. 1 Voorwoord .............................................................................................................................................. 2 Samenvatting........................................................................................................................................... 5 Figuren lijst .............................................................................................................................................. 6 Tabellen lijst ............................................................................................................................................ 7 Inleiding ................................................................................................................................................... 8 Hoofdstuk 1: De fabriek........................................................................................................................... 9 1.1
Concept 1................................................................................................................................. 9
1.1.1 Omschrijving kaasmaak installatie ......................................................................................... 9 1.1.2 Omschrijving smeerkaas installatie ...................................................................................... 15 1.2 Concept 2..................................................................................................................................... 20 1.2.1 Omschrijving kaasmaak installatie ....................................................................................... 20 1.2.2 Omschrijving smeerkaas installatie ...................................................................................... 23 Concept 3........................................................................................................................................... 26 1.3.1 Omschrijving kaasmaak installatie ....................................................................................... 26 1.3.2 Omschrijving smeerkaas installatie ...................................................................................... 30 1.4 Eind concept ................................................................................................................................ 33 1.4.1 Omschrijving kaasmaak installatie ....................................................................................... 33 1.4.2 Omschrijving smeerkaas installatie ...................................................................................... 35 Hoofdstuk 2: Omschrijving te ontwerpen deel van de kaasfabriek ...................................................... 37 2.1 Algemene omschrijving ............................................................................................................... 37 2.2 Pakket van eisen en wensen ....................................................................................................... 38 2.2.1 Pasteuriseerinstallatie .......................................................................................................... 38 2.2.2 Opslagtanks .......................................................................................................................... 39 Hoofdstuk 3: Omschrijving verschillende concepten ............................................................................ 40 3.1 Concept 1..................................................................................................................................... 40 3.1.1 Omschrijving concept ........................................................................................................... 40 3.1.2 Berekeningen........................................................................................................................ 41 3.2 Concept 2..................................................................................................................................... 43 3.2.1 Omschrijving concept ........................................................................................................... 43 3.2.2 Berekeningen........................................................................................................................ 44 3.3 Concept 3..................................................................................................................................... 47 3.3.1 Omschrijving concept ........................................................................................................... 47
3
3.3.2 Omschrijving belangrijkste componenten en berekeningen ............................................... 47 Hoofdstuk 4: Keuze eindconcept........................................................................................................... 54 4.1 Welke keuze matrix ..................................................................................................................... 54 4.2 Toetspunten en weegfactoren .................................................................................................... 54 4.3 Keuze ........................................................................................................................................... 54 Literatuurlijst en links ............................................................................................................................ 55
4
Samenvatting In dit rapport worden als eerst de 3 concepten voor de hele fabriek behandeld. Ieder groepje heeft een concept bedacht met daarin alle benodigde installaties voor de kaasfabriek. Vervolgens wordt er, na overleg met de hele groep, één verbeterd concept bedacht waarin alle goede punten van de 3 eerder bedachte concepten verwerkt worden. Vervolgens worden er 3 concepten bedacht voor de koel/opslagtanks en de pasteur. Deze onderdelen moeten door projectgroep WH11b2 tot in detail uitgewerkt worden. Het eerste concept bestaat uit een gecombineerde opslagtank/pasteur. Hierdoor zijn er minder losse onderdelen en dat zou in de kosten moeten schelen. Concept 2 gaat uit van 3 losse opslag tanks die na de doorstroom pasteur geplaatst worden. Er is gekozen voor 3 tanks omdat er dan altijd één leeg staat zodat deze schoon gemaakt kan worden. Concept 3 bestaat uit twee koeltanks en een pasteur. Beide tanks kunnen gebruikt worden voor rauwe melk of gepasteuriseerde melk. Bij dit concept is het de bedoeling dat de melk na het pasteuriseren gelijk in de wrongelbereider gepompt wordt zodat deze niet eerst weer opgewarmd hoeft te worden tot 30 graden. Toen de concepten bekend waren moest er een keuze gemaakt worden. Dat is gedaan door middel van de kesselring methode. Concept 3 kwam hier het beste uit.
5
Figuren lijst Figuur 1.1 koeltank concept 1 Figuur 1.2 principe lobbenpomp Figuur 1.3 warmtewisselaar concept 1 Figuur 1.4 Afmetingen rijpkamer concept 1 Figuur 1.5 layout fabriek concept 1 Figuur 1.6 Diverse aanzichten met afmetingen van de wrongelbereider Figuur 1.7 Diverse aanzichten met afmetingen van de pers Figuur 1.8 Totaal plaatje pekel bad Figuur1.9 Coating machine Figuur 1.10 Black box totaal plaatje kuipjesmachine Figuur 1.11 Layout fabriek concept 2 Figuur 1.12 Voorbeelden van kaasvormen Figuur 1.13 Layout fabriek concept 3 Figuur 1.14 Totaal plaatje pers Figuur 3.1 afbeelding van de gecombineerde koel en pasteuriseer installatie Figuur 3.2 Blackbox benadering concept 2 Figuur 3.3 De warmtewisselaar van concept 2 Figuur 3.4 Het verwarmingselement van concept 2 Figuur 3.5 Een koeltank van concept 3 Figuur 6.6 Warmtewisselaar concept 3
blz.9 blz.10 blz.10 blz. 14 blz.19 blz.20 blz.21 blz.22 blz.22 blz. 24 blz. 25 blz.28 blz. 32 blz.34 blz. 40 blz. 43 blz. 43 blz. 46 blz. 47 blz. 53
6
Tabellen lijst Tabel 3.1 Kesselring keuzetabel
blz. 54
7
Inleiding Tijdens het overleg tussen de verschillende project groepen is er besloten dat projectgroep WH29b2 het deel van de kaasmaak installatie ontwerpt tussen het koppelpunt, waar de melk binnen komt, en de wrongel bereider. In dit deel van de installatie bevinden zich de opslagtank en de pasteuriseerinstallatie. In welke volgorde deze onderdelen worden geplaatst is aan de groepsleden van WH29b2. Zo kunnen bijvoorbeeld de 2 onderdelen gecombineerd worden of kunnen er extra tanks toegevoegd worden. Dit verslag begint met een hoofdstuk wat een exacte omschrijving geeft van het deel van de installatie welke groep WH29b2 moet ontwerpen. Vervolgens komt er een hoofdstuk waarin 3 concepten worden beschreven. Deze omschrijvingen worden onderbouwd met een aantal berekeningen van de hoofdcomponenten. In het laatste hoofdstuk wordt er een concept gekozen en wordt er omschreven hoe die keuze tot stand is gekomen.
8
Hoofdstuk 1: De fabriek In dit hoofdstuk worden de concepten van de mogelijke layout van de fabriek omschreven en vervolgens worden de beste punten van ieder concept tot een uiteindelijk concept verwerkt.
1.1 Concept 1 Dit concept is bedacht door Maik Klijberg, Stefan Immerzeel en Edwijn van der Mijl.
1.1.1 Omschrijving kaasmaak installatie In deze paragraaf word het concept voor het maken van de jong belegen kaas omschreven Koppelpunt/Opslagtank Eerst komt de melk aan in een vrachtwagen die zijn slang moet kunnen aansluiten aan de opslagtank en vervolgens moet het daar koel bewaart blijven tot het proces begint. Het concept bestaat uit een cilindrische tank met een ovale doorsnede die liggend zal worden opgesteld. De tank bestaat uit een binnentank met daaromheen isolatie afgewerkt met plaatmateriaal. De tank zal gedragen worden door een ondersteunend frame. De wanddikte van de tank is bepaald met behulp van Figuur 1.1 koeltank concept 1 de ketelformule. Hierbij is een veiligheidsfactor in acht genomen. De koeling van de melk zal door middel van een directe verdamper met koelleidingen tussen de bodem van de binnentank en de isolatie liggen. Het benodigde koelvermogen van 103W is berekend door het maximale warmteverlies door de wanden van de tank te berekenen bij een buitentemperatuur van 30⁰C. Het regelmatig in beweging brengen van de melk zal gebeuren door middel van twee roermechanismen waarbij de aandrijving bovenop de tank zal worden geplaatst. De aansluiting van de tankwagen op de tank zal gebeuren door middel van een uit rvs vervaardigde TW koppeling met een nominale diameter van 100mm. Dit is een standaard koppeling die op tankwagens wordt gebruikt. De afvoerleiding zal een leiding met een diameter van DN 20 zijn. De gebruikte afsluiter in deze leiding zal een vlinderklep zijn die goedgekeurd is voor het gebruik in combinatie met voedingsmiddelen. De afsluiter zal verticaal gemonteerd worden in verband met het kunnen aftappen van de leiding. Het reinigingssysteem in de tank zal een circulatiereinigingssysteem zijn. Ten behoeve van de reiniging en om de tank te vervaardigen is er in de bovenkant van de tank een luik aangebracht. Hieronder een lijst met de belangrijkste gegevens van dit concept van de opslagtank: -Materialen: Tank: Rvs 316L Isolatie: Rockwool multiboard Buitentank: aluminium plaatmateriaal. Frame: constructiestaal -Reiniging: Circulatiereiniging. 9
-Koeling: Directe verdamper. Koelleidingen op bodem binnentank. -Koppeling met tankwagen: TW-koppeling (DN 100) uit RVS. -Aanvoerleiding: DN 100 RVS -Koelvermogen: tenminste 103 W -Dikte binnenwand tank: 3mm. -Dikte isolatie tank: 100mm -Dikte aluminium behuizing: 1mm. -Gewicht tank:236,34kg -Totaal gewicht gevuld: 2400kg Pomp: Tussen de koeltank en de pasteuriseur installatie moet een pomp geplaatst worden om de melk te kunnen verpompen. Ivm de hygiëne dient de pomp aan diverse eisen te voldoen. Op deze eisen wordt bij de uitwerking van het uiteindelijke concept verder in gegaan. Het belangrijkste is dat de pomp goed schoon te maken is en dus ook goed gekeurd is voor de toepassing in de voedingsmiddelen industrie. De beste oplossing is de lobbenpomp. De werking van de Jabsco lobbenpomp is gebaseerd op het principe van de verdringerpomp waardoor de pomp ook voor hoge Figuur 1.2 principe lobbenpomp persdrukken geschikt is. Door de rustige verplaatsing van de vloeistof door de pomp heen worden kwetsbare producten niet beschadigd. De rotoren van de pomp draaien in tegengestelde richting. Bij iedere omwenteling wordt een constante hoeveelheid verplaatst. De hoeveelheid wordt naast het toerental bepaald door de tegendruk en viscositeit van het product. Bij het draaien van de rotor wordt het pomphuis aan de zuigzijde gevuld. De vloeistof wordt door de pomp verder verplaatst. De hele pomp is gevuld met vloeistof en deze wordt aan de perszijde weggedrukt. Pasteur: Bij het pasteuriseren van de melk moet het als eerst verwarmt worden van 4 naar 73 graden en vervolgens weer af te koelen naar 30 graden. Voor het verwarmen en het koelen van de melk wordt een tegenstroomwarmtewisselaar gebruikt. Uit de berekeningen kwam naar voren dat de verwarmings warmtewisselaar 0.175 m2 is en 2.79 meter lang. De warmtewisselaar om vervolgens weer af te koelen neemt 0. 055 m2 in en is 0.8 meter lang.
Figuur 1.3 warmtewisselaar concept 1
10
Opslag: Voordat de gepasteuriseerde melk naar de wrongelbereider gaat moet het eerst opgeslagen worden in opslagtanks. Hier wilde we 3 tanken voor gebruiken. Één tank dient als buffer en van de andere twee tanken is er één in gebruik en de andere is leeg om schoon te maken. Er moet dezelfde lading in kunnen als voor het pasteuriseren, dus kunnen we dezelfde afmetingen gebruiken als de eerste opslagtank alleen het koppelpunt moet vervangen worden door een leiding vanuit de pasteuriseermachine Wrongelbereider: In de wrongelbereider wordt het wei gescheiden. Dit gebeurt doordat er een arm in de wrongelbereider ronddraait die de wei scheidt. De wei is dunner dan de rest dus kan worden weggehaald door een zeef. Die zeef zit aan de onderkant zodat de wei het gehele proces weg kan lopen. De wrongelbereider is een hoge ketel met een stevige arm zodat we efficiënt omgaan met de ruimte. Uit berekeningen komt dat de tank 1.5 meter hoog is en de straal net wat meer is dan 1 meter. Lekbak: Nadat de wei en de wrongel van elkaar gescheiden zijn in de pasteuriseermachine zit er nog steeds wat wei in de wrongel. Deze wordt er uitgehaald in een lekbak doormiddel van een pers. We willen ongeveer en laag van 10 cm hoog hebben dus hebben we 2m^2 aan lekbak nodig. Opslag wei: De wei die afgetapt is bij de wrongelbereider en die van de lekbak gaan naar de zelfde opslagtank. Deze tank moet de capaciteit hebben om voor 5 dagen wei op te kunnen vangen. Dat is ongeveer 8000 liter. Omdat er met een eventuele overproductie rekening gehouden moet worden wordt er een tank van 8500 liter genomen worden. Deze tank staat aan het begin van de fabriek waar ook de vrachtwagen de melk leverde zodat er één plek is voor vrachtwagens om te stoppen. Droogbak: Na de lekbak wordt de wrongel door middel van de kantel functie in het droogbak gelegd. De droogrek bestaat uit een houten bak waar het wrongel op wordt gelegd om het te laten drogen. Aan het uiteinde van de bak lopen de kanten van de bak af zodat er doormiddel van een pers de wrongel in de kaasbakken vorm kan worden geschoven. Het is een geatomiseerd concept. Dit houd in dat het concept doormiddel van een besturing systeem werkt. Het besturingssysteem laat als eerst het wrongel op de droogbank leggen en voert de wrongel weer af wanneer de wrongel droog genoeg is. Het afvoeren wordt door middel van een pers gedaan. De afmeting van de bak is ongeveer 2m². Pers: De volgende stap is de opgedroogde wrongel vervoeren van het droogrek naar de stempel voor de kaasbakken. Om de opgedroogde wrongel te vervoeren wordt er gebruik gemaakt van een pers. Deze pers perst het opgedroogde wrongel naar de kaasbakken toe. Het persen wordt door een hydrolyse pers gedaan. Aan het uiteinden van de hydrolyse pers zit een vlakke plaat die de opgedroogde wrongel naar de aflopende kant schuift . De pers is gemaakt van RVS en wordt bevestigd aan de droogbak. De pers neemt een ruimte in van 0,5m in de lengte en de vlakke plaat heeft een breedte van 2m en een hoogte van 50cm.
11
Stempel met kaasbakken: Wanneer de wrongel bij de kaasbakken is aangekomen. Wordt de wrongel in een kaasbak geperst wanneer de bak vol zit perst een stempel de wrongel in een kaasvorm. Bij het persen van de opgedroogde wrongel naar de stempel moet er gekeken worden naar hoeveel wrongel er in zo een kaasbak gaat. Er worden kazen van 12kg gemaakt waardoor de kaasbakken een inhoud moeten hebben van 12 liter. Het concept wat er voor de stempel uit is gekomen is een handmatig ontwerp. Bij dit handmatig ontwerp wordt de wrongel met de hand in een kaas vorm gestempeld. De stempel wordt bediend door een werknemer die 17 kazen met de hand achter elkaar perst. De pers is van het RVS materiaal gemaakt. De ruimte die de stempel met kaasbakken inneemt is 0,5m² omdat er maar 1 stempel en een kaasbak nodig is om 17 kazen te vervaardigen. Deksel pers: Als de kaas in de vorm is geperst vervolgen de kazen hun weg naar de deksel pers toe. Deze deksel pers perst de kazen harder aan en zet de kazen vast in een houtenstellage. Het vastzetten van de kazen in de houtenstellages wordt handmatig gedaan. Het vastzetten van de houtenstellages worden door middel van 4 bouten en 4 vlindermoeren gedaan. De bouten en vlindermoeren zijn van het RVS materiaal gemaakt. De afmeting van 1 houten stellage is 100cm² Tijdelijke opslag: Bij de tijdelijke opslag worden de kazen vastgezet in hun houten stellages en worden ze in een aparte ruimte tijdelijk opgeslagen. Ze worden op een plank opgeslagen die in de lengte 17 kazen kwijt kan. De lengte van zo een plank is ongeveer 2m en de breedte is 50cm. Als de kazen lang genoeg hebben gelegen wordt de houten stellages van de kaas afgehaald en vervolgd de kaas zich naar het pekelbad. Pekelbad: Het pekelbad voegt zout toe aan de kaas. Naast de zout krijgt de kaas een betere korstvorming, wordt de kaas sterker en blijft de kaas langer houdbaar. Als eerst wordt de pekel substantie in het pekelbad gedaan. Nadat de pekel substantie in de pekelbad zit worden de kazen in het bad gelegd door een werknemer. Wanneer de kazen het zout hebben opgenomen worden de kazen handmatig uit het pekelbad gehaald. Het pekelbad zelf is gemaakt van het RVS materiaal. De afmeting van het pekelbad is ongeveer 2m² en heeft een hoogte van 1,5m. Droogrek: De volgende stap die komt is de kazen drogen. Dit wordt gedaan doormiddel van een droogrek. De droogrek bestaat uit een rij met planken. Op elke plank kunnen 17 kazen kwijt. De kazen moeten ook om worden gedraaid, dit wordt door middel van een werknemer gedaan. Elke plank neemt een lengte in van 2m en een breedte van 50cm. Plastificeermachine: Wanneer de kazen zijn gedroogd vervolgen ze hun weg naar de plastificeermachine. Dit concept maakt niet gebruik van een machine maar wordt door de hand bediend. Het handmatig plastificeren wordt gedaan door de kazen in te smeren met een plastic laagje. Het smeren moet zes keer gedaan worden aan allebei de kanten van de kaas. Dit wordt gedaan door middel van een werknemer. Voorraad kunststof: De voorraad kunststof wordt opgeslagen in een apart hokje. Dit hokje dient ervoor dat er spullen kunnen worden opgeslagen die niet nodig zijn of die juist nog niet gebruikt hoeven te worden. Dit hokje wordt naast de rijpkamer geplaatst. Hij neemt een ruimte in van 6m²
12
Opslag/rijpkamer: Eerst wordt er gekeken naar welke functies en taken er van toepassing zijn op de opslagkast. Functies: De kamer op de juiste temperatuur houden. De kamer op de juiste luchtvochtigheidsgraad houden. Zo min mogelijk (zon)licht in de kamer. Stofvrijhouden van de kamer Taken Een temperatuur regelsysteem installeren. Een luchtvochtigheidssysteem installeren. Een lichte overdruk in de kamer houden zodat de stof buiten de kamer blijft. Als de kazen uit het pekelbad komen en in het droogrek gelegen hebben worden de kazen voorzien van verpakkingenslaag. Deze laag zorgt ervoor dat de kazen niet bederven. De laag kan maar aan één kant per keer aangebracht worden omdat deze laag moet drogen. Dit drogen duurt een aantal uur. Er kan dus twee keer per dag een laag aangebracht worden en in totaal moet de kaas 3 lagen aangebracht krijgen. Dit betekend dat de kaas zes keer beschilderd moet worden. Deze kazen worden na elke keer dat er geplastificeerd wordt van en op de plank neergelegd. Dit wordt met de hand gedaan.Naast de beschermlaag moet de kaas ook op 15 graden Celsius gehouden worden. Dit wordt gerealiseerd door een klimaatbeheerssysteem. Dit systeem regelt zowel de temperatuur als de luchtvochtigheid. Ook wordt de kamer zo gebouwd dat er geen ramen in de muren zitten van het gebouw. Dit om te voorkomen dat er geen onnodig (zon)licht en stralingswarmte de kamer binnen kunnen dringen zodat de kazen niet verkleuren en zodat het klimaatbeheerssysteem niet meer vermogen hoeft te leveren dan nodig is. Afmeting van deze ruimte: Als de kazen moeten rijpen dan moeten deze acht weken blijven liggen voor jong belegen kaas en 16 weken voor belegen kaas. Dit betekend dat de hoeveelheid kaas in de kast zal fluctueren tussen de 766 en 832 kazen. Dit betekend dat de voorraadkast gemaakt moet worden op 832 kazen. Omdat er af en toe een overproductie zal zijn is ervoor gekozen om de kast te berekenen op 850 kazen. De kazen die op de zelfde dag geproduceerd worden worde zo veel mogelijk op de zelfde plank neer gelegd. Hierbij word er uitgegaan van de normale situatie van 17 kazen per dag. Iedere plank zal dus 17 kazen aan moeten kunnen. Elke kaas heeft een doorsnede van 386mm. Omdat de kazen niet tegen elkaar aan liggen wordt er van uit gegaan dat de kazen een diameter van 390mm hebben. Keer 17 kazen en dan is de lengte van de plank berekend. 17x 0,39 = 6,63 meter. Omdat er ook nog een stelling gemaakt moet worden wordt er van uit gegaan dat de kamer 7 meter lang zal worden. De kazen zullen 170mm hoog worden. Er moet ook rekening gehouden worden met de ruimte die nodig zal zijn om de stelling stevig genoeg te maken. Ook moeten de kazen bekeken kunnen worden en als de kazen gepakt worden moer genoeg ruimte zijn. Dit betekend dat er genoeg ruimte moet zitten tussen de kaas en de volgende plank. Er is gekozen om 250mm tussen iedere plank te houden. Dit betekend dat als de ruimte 3 meter hoog is dat er 12 planken boven elkaar gemaakt kunnen worden. Op iedere plank liggen 17 kazen en er zijn 12 planken per rij. Dit betekend dat er per rij 204 kazen per rij opgeslagen kunnen worden. Als er aan de 850 voldaan moet worden betekend dit dat er 4 stellingen moeten komen en dat er dan nog een kleinere stelling moet komen voor de laatste kazen.
13
Omdat de kaas een diameter van 386mm heeft moeten de planken ook zo lang worden. De kamer heeft 4 van deze planken. Dit betekend dat er dus al minimaal 1,54 meter van de kamer besteed is aan de planken. Ook moet er nog een stelling gemaakt worden om de planken op te leggen. Deze stelling neemt zo weinig ruimte in beslag dat dat hier buiten beschouwing gelaten wordt. Om goed bij de kazen te kunnen moet er genoeg loopruimte tussen de stellingen zijn. Deze loopruimte wordt op 1 meter gehouden. De totale breedte van de kast zal dus 3,54 meter zijn. Omdat deze 4 centimeter over de hele lengte verwaarloosbaar is worden deze 4 centimeter weggedacht. De totale breedte van de kast zal dus 3,5 meter zijn. de Dit betekend dat de kastindeling er als volgt komt uit te zien:
Figuur 1.4 Afmetingen rijpkamer concept 1
Ook moet er een installatie op komen te staan om de juiste temperatuur en de juiste luchtvochtigheid te houden. Dit Wordt met de volgende formules berekend. Om de doorlating van de muur te berekenen:
is de warmtestroom door de muur. is de warmtegeleidingscoëfficiënt. A is de oppervlakte van de muur T1 is de temperatuur in de rijpingskamer T2 is de omgevingstemperatuur. d is de dikte van het materiaal. Verder hebben de kazen ook een bepaalde temperatuur. Deze temperatuur zal ook invloed hebben op de warmte. De formule van de warmte afgifte van deze warmte is:
W is het wattage. C is de soortelijke warmte. L is de lengte. B is de breedte. H is de hoogte. is het temperatuurverschil. 14
Inpakken: Het inpakken wordt één keer in de week gedaan. Dit wordt met de hand gedaan en er wordt in één keer een partij van 16 kazen belegen en 32 kazen jong belegen. Deze kazen worden vervolgens in een wagen geladen en worden afgevoerd naar de klant.
1.1.2 Omschrijving smeerkaas installatie In deze paragraaf word het concept voor het maken van de smeerkaas omschreven Plastic verwijderaar: Functie: Al het plastic en de harde rand van de kaas af halen Taken: Met een mes langs de rand van de kaas gaan. De kaas vast zetten zodat deze niet meer kan bewegen zodat de rand van de kaas afgesneden kan worden. Het afval afscheiden van de bruikbare kaas. Ervoor zorgen dat de kaas niet uit elkaar getrokken word door de krachten die op de kaas komen te staan. Als er smeerkaas gemaakt gaat worden wil men hier snel aan beginnen. Het is dus niet handig om lang te moeten wachten op het wegnemen van alle niet bruikbare stukken van de kaas. Daarom is het handiger om dit onderdeel automatisch te maken. Zo kan veel tijd gewonnen worden. Na de machine moet wel een controlepunt zijn zodat er vanuit gegaan kan worden dat er geen enkel stukje plastic of niet bruikbare kaas overgebleven is. Ook moet er een plek zijn waar de afval in gedaan wordt. Dit moet vlak naast de machine gebeuren. Het schoonmaken wordt eens per tijdeensheid gedaan. Grootte: 1 vierkante meter Loopruimte
15
Smeltbad Functie: Zorgt ervoor dat de kaas een vloeibaardere substantie wordt. Zorgt ervoor dat de kaas in de bak blijft zitten. Taken: Toevoegen van smeltzout bij de kaas. Een bak creëren waar de kaas in kan liggen. De bak moet groot genoeg zijn. Stevigheid bieden zodat de bak niet uit elkaar valt. Moet corrosiebestendig zijn. Het verwarmen van het bad d.m.v. de wand van de bak warm te maken. In het smeltbad wordt de kaas gesmolten. Hierbij wordt het smeltzout handmatig toegevoegd. Dit omdat het over een dermate kleine hoeveelheid gaat per keer dat dit goedkoper is om dit door iemand te laten doen. Daarbij komt dat dit als extra voordeel bied dat het ook als controlepunt kan dienen. Wel moet de kaas en het smeltzout door elkaar heen geroerd worden. Dit word wel automatisch gedaan. Dit heeft als voordelen dat: Minder tijdintensief is dan handmatig roeren. Het kan gelijkmatiger geroerd worden. Dit zorgt voor een gelijkmatigere verdeling van de ingrediënten. Er minder arbeidstijd verloren gaat. Grootte: 2 vierkante meter Loopruimte Spuitgietmachine Functie: De goede hoeveelheid smeerkaas in de bakjes gieten. Taken: Een opslag voor een partij smeerkaas van twee keer 40 kilo. Een systeem hebben wat de goede hoeveelheid smeerkaas uit de voorraad kan nemen. Een systeem wat ervoor zorgt dat het bakje op de goede plek staat. Omdat er 600 bakjes kaas per dag geproduceerd moeten worden is dit proces wel interessant om te automatiseren. Er wordt gebruik gemaakt van twee spuitgietmachines. Deze machines zullen op de volgende manier werken. Er is een plateau met daarin een pasvorm. Deze pasvorm is zo gemaakt dat het bakje precies in de goede positie gezet kan worden. Boven deze pasvorm zit de mond van de spuitgietmachine. Als het bakje onder de machine gezet wordt druk je op een knop en afhankelijk van de ingestelde waarde zal de machine de goede hoeveelheid smeerkaas in het bakje gieten. De machine werkt op de volgende manier: Op de achterkant van de machine is een cilinder gemonteerd waar de smeerkaas in gedaan wordt. Onder in de cilinder zit een gat waar de smeerkaas uit kan komen zodat het in de bakjes kan. Als deze cilinder in de machine gezet wordt kan er een zuiger die passend is aan de cilinder tegen de oppervlakte van de smeerkaas aangezet worden. Als deze tegen de oppervlakte van de smeerkaas aan staat zet je het bakje onder de mond. Als er vervolgens op een knop gedrukt wordt zakt de zuiger een bepaalde afstand waardoor je precies het goede gewicht uit de machine krijgt.
16
Verpakkingsapparaat Functie: Een plastic laagje op het bakje monteren. Taken: Plastic op de goede maat afsnijden. Het plastic op het bakje sealen. Een datum op het plastic lazeren. Het apparaat op de goede hoogte stellen. Als de bakjes gevuld zijn met het goede gewicht is het van belang dat de bakjes een plastic laagje aan de bovenkant krijgen. Dit wordt gedaan zodat de smeerkaas afgesloten wordt van de buitenlucht en zodat de smeerkaas niet uit het bakje valt tijdens transport of verkoop. Net als de spuitgietmachine is ook de verpakkingsmachine automatisch aangestuurd. Op de velletjes die aan de bovenkant van het bakje van de smeerkaas bevestigd zal worden zit lijm in vaste vorm. In de machine komt er een klem naar beneden die vanaf de binnenkant van het bakje gezien voor de lijm rand een knijpkracht uit zal oefenen op de rand van het bakje. De achterste zijde van de klem zal vervolgens warm worden waardoor de lijm zal smelten. Door de drukkracht die uitgeoefend wordt aan de binnenkant( de kant die het dicht bij de smeerkaas komt) zal ervoor gezorgd worden dat de lijm niet bij de smeerkaas zal komen. Grootte: 5 vierkante meter Loopruimte Inpakken Functie: Het opstapelen en bij elkaar houden van smeerkazen. Taken: Ervoor zorgen dat de smeerkaasbakjes van elkaar gescheiden blijven. De smeerkazen per aantal bij elkaar doen. De grotere pakketten goed geordend in een koelcel bewaren. Het inpakken wordt gedaan zodat het afhalen makkelijker wordt. Er gaan bijvoorbeeld 20 bakjes van 100 gram smeerkaas en 10 van 200 in een doos.
17
Opslag van de smeerkaas Functie Het geconserveerd houden van de smeerkaas. Taken: De temperatuur in de cel constant op 4 graden Celsius houden. Zo veel mogelijk vocht uit de cel houden. De opslag voor de smeerkaas is nodig omdat niet elke dag de smeerkaas opgehaald zal worden. Dit betekend dat de smeerkaas ergens moet verblijven. Om smeerkaas goed te houden moet het op 4 graden Celsius gehouden worden. Op deze manier blijft de smeerkaas op zijn verst. 2 vierkante meter. Genoeg loopruimte.
18
Figuur 1.5 layout fabriek concept 1
1.2 Concept 2 Dit concept is bedacht door Luuk de Jong, Samuel Liem en Pieter de Lange
1.2.1 Omschrijving kaasmaak installatie In deze paragraaf word het concept voor het maken van de jong belegen kaas omschreven Koppelpunt Het koppelpunt is het begin van de kaasmaak installatie, hier wordt de melk vanuit de vrachtwagen de fabriek binnen gepompt. Dit koppelpunt is een gestandaardiseerd onderdeel zodat er geen problemen ontstaan met het aankoppelen van de melkwagen. Opslagtank De opslag tanks, er zijn er in totaal 4 aanwezig, bevinden zich in het proces zowel voor als achter de pasteur. Vóór de pasteur staat de tank waarin de rauwe melk bewaard wordt en achter de pasteur staan 3 tanks waarin gepasteuriseerde melk in opgeslagen kan worden. Van de 3 tanks na de pasteur is er altijd 1 leeg zodat deze schoongemaakt kan worden. De tanks, met een diameter van 1,3 m en een hoogte van 1,5 m kunnen ieder zo’n 2000 liter melk bevatten. De tanks nemen per stuk ongeveer 2m2 in beslag. Hierbij is rekening gehouden met extra ruimte ivm het schoonmaken rondom de tanks. Pasteur Om de melk te pasteuriseren wordt er gebruik gemaakt van een doorstroom pasteur. De pasteur neemt ongeveer 2m2 in beslag Wrongelbereider
Figuur 1.6 Diverse aanzichten met afmetingen van de wrongelbereider
De wrongel bereider heeft een volume van 2000L. alle ingrediënten worden met de hand toegevoerd de buitendiameter is 1.26 m. wrongel bereider is voorzien van een kraan net boven de bodem. De kraan wordt gebruikt om de wei af te tappen en wordt gebruikt tijdens het schoonmaken van de machine. De wrongelbereider staat op poten zodat er gemakkelijk onder de machine gekomen kan worden tijdens het schoonmaken.. Het roerwerk hangt zodanig boven de wrongel bereider dat deze netjes in het midden hangt en genoeg ruimte is om de gereedschappen te verwisselen. De hoogte etc. kan worden aangepast. De pers Na het maken van de wrongel wordt de kaas gevormd. Dit gebeurd door middel van een pers. Hier is gekozen voor handbediende pers om kosten te drukken. de wrongel wordt in kaasmanden opgeschept en vervolgens in vormen gedaan. De kaas heeft een diameter van 38.6 cm en een hoogte van 17 cm. De kazen worden op 2 lagen gestapeld van ieder 4 stuks.
Figuur 1.7 Diverse aanzichten met afmetingen van de pers
De opgestapelde kazen worden op tafel gelegd en afgedekt met nog een plaat. Dit geheel van 8 kazen komt onder een pers. De randen zijn voorzien van een inkeping om de overige vloeistof op te vangen. De pers staat op poten zodat er onder de tafel makkelijk schoon te houden is. Om eventuele misproductie op te kunnen vangen zijn er bij dubbele productie nog 2 vrije persen. Zo kan er dubbel geproduceerd worden mocht er wat mis gegaan zijn bij het proces.
21
Pekelbad Het pekelbad is een bad met het volume van 5000 Liter. Hierin worden de rekken met kaas neergelaten. Het pekelbad bevat 5 rekken, 1 rek voor iedere dag waardoor de productie van 16 kazen per dag op gang gehouden kan worden. De rekken worden in het bad gehesen door een brugkraan, deze kraan kan zo het hele bad bereiken en dan een rek op de kant hijsen. Deze installatie vereist 3 bij 4 meter, 3 meter de lucht in en 1 meter de grond in, hierbij is gerekend:
Het bad Loopruimte om het bad De los en laad ruimte
Figuur 1.8 Totaal plaatje pekel bad
Coating De coating machine is semiautomatisch. De kazen worden door een medewerker in de machine geplaatst. De machine zorgt voor een coating laag op de ene helft van de kaas, om deze gelijkmatig aan te brengen gaat de machine een paar keer over de kaas hen. Als deze gedroogd is word de kaas overnieuw in de machine geplaatst waarop de andere helft van de kaas wordt gecoat. De machine neemt 8m2 in beslag. Hier is de loop ruimte al bij meegerekend. De hoogte zal neerkomen op 2m inclusief het reservoir (dit is dus door een persoon te vervangen).
Figuur1.9 Coating machine
22
Opslag De kazen worden na het coaten door een medewerker in schappen gelegd om te rijpen. Dit gebeurt in schappen van 1m diep waarbij aan allebei de kanten loop/rij-ruimte is zodat men goed bij de kaas kan. Behalve aan de muur kant, hier zal de diepte slechts 0.5m zijn omdat men anders niet goed bij de kaas kan. De hoogte van de schappen zal 2.5m zijn, zodat men met een kleine vorkheftruck de kazen goed kan bereiken. Deze truck word door een medewerker bestuurd. De opslag zal ongeveer De kaas verblijft maximaal 10 weken in de opslag om te rijpen. Als men 16 kazen per dag maakt dan hebben we een opslag nodig van:
7m lang 8,5 m breed 2,5 m hoog
In deze ruimte zullen 5 rekken staan van elk 10 kazen hoog en 16 kazen lang. Dit zou neerkomen op 1 volle plank per dag. Wat het rijpingsproces overzichtelijk houdt.
1.2.2 Omschrijving smeerkaas installatie Smeerkaas wordt gemaakt door kaas te smelten en dan aan de gesmolten kaas smeltzouten toe te voegen waardoor de kaas niet meer stolt. Tegelijk met de smeltzouten worden ook eventuele kruiden toegevoegd. Voor het smelten van de kaas moet de kaas worden verhit. Hier voor wordt een magnetron gebruikt. De laadruimte van de magnetron moet 8 kazen in 1 keer kunnen bevatten, de afmetingen van de laadruimte bedraagt daarom 1 bij 1 meter en is 0,5 meter hoog. De ruimte bevat verschillende laad niveau’s en loopt onderin af naar een afvoer. Deze afvoer komt uit op een wormwielpomp. Hier is voor een wormwielpomp gekozen vanwege de dichtheid van gesmolten kaas en omdat dit makkelijker te reinigen is. De totale afmetingen van de machine ruimte wordt dan 3 bij 3 meter. Dit is gebaseerd op de machine (1 bij 2 meter) en bewegingsruimte. De kaas wordt hierna opgevangen in een vat met een maximale volume inhoud van 125 Liter. Dit is gebaseerd op 8 kazen van ieder 12 Liter (96 Liter) met dan genoeg ruimte voor de nog toe te voegen smeltzouten. De afmetingen van dit vat wordt dan 0,5 bij 0,5 bij 0,5meter. Ook steekt het vat een halve meter boven de grond uit. De kaas in het vat moet warm blijven zodat het niet stolt voordat de smeltzouten zijn toegevoegd, hiervoor moeten er verwarmingselementen in de wand van het vat zitten. Om alles goed te verwarmen en goed te mengen zit er ook een mixer in het vat. Als de smeerkaas bereidt is moet het worden afgetapt uit het vat, hierbij wordt dezelfde manier gebruikt om de gesmolten kaas uit de magnetron te halen.
23
Kuipjes machine De gesmolten kaas zit in een vat met een maximale inhoud van 125 liter dit is gebaseerd op het maximale aantal kazen dat per dag wordt omgezet naar smeerkaas. De kuipjes komen in twee varianten een van 100ml en een van 200ml met 8 gesmolten kazen per dag zijn dat ongeveer 480 kuipjes van 100ml en 240 kuipjes van 200ml. Deze machine werkt semiautomatisch, een werknemer zet de kuipjes in rekken , deze rekken zijn uitgerust met een sensor die elke keer 1 kuipje losmaken van de stapel, waarna ze op een lopende band terecht komen. De volgende stap is de kaas in het kuipje spuiten, dit gebeurt onder een kleine druk en met behulp van een sensor zodat er precies 100 of 200ml in de kuipjes komt. Dan worden de deksels op de kuipjes gedaan dit gebeurt door middel van een kleine hydraulische pers. Als de kuipjes van de loopband af komen worden ze meteen netjes in bakken geplaatst zodat ze kunnen worden opgeslagen of vervoerd. Dit hele proces vindt plaats op één loopband die elke 10 cm stopt zodat elke machine dan nauwkeurig zijn handeling kan uitvoeren. De machine neemt een ruimte in van 2,5 m breed en 8 m lang, hier zit de loopruimte al bij gerekend. Onderhoud aan de machine zal bestaan uit het grondig reinigen van de vul machine en het smeren en hygiënisch houden van de kuipjes reservoirs en de deksel machines.
Figuur 1.10 Black box totaal plaatje kuipjesmachine
24
Layout fabriek
Figuur 1.11 Layout fabriek concept 2
25
Concept 3 Het concept, ontworpen door Jeroen Koeleman, Tomas Lenssen en Maurits de Koning, zal in dit hoofdstuk worden beschreven. Voor elk onderdeel van de fabriek zullen de functies, taken en de bedachte oplossingen worden uitgewerkt.
1.3.1 Omschrijving kaasmaak installatie In deze paragraaf word het concept voor het maken van de kaas omschreven Opslagtanks Nadat de melk uit de tankwagen komt zal de melk worden opgeslagen. Er worden 2 melktanks elk ter grootte van de daghoeveelheid melk, zo’n 2000Liter, geïnstalleerd. Deze tanks bevatten een elektrisch roermechanisme en bestaan uit rvs. De koelleidingen zitten tussen de binnen- en buitenwand van de tanks. De afmetingen zijn zo’n 2m2 aan vloeroppervlak per tank. Functie De functie van de melk opslag tanks is het opslaan en het koel bewaren van de melk. Taak De tanks kunnen de melk opslaan doordat deze vloeistof dicht zijn. Het koel bewaren kan doordat de tanks een koelelement met thermostaat bevatten waarmee de temperatuur van de melk geregeld kan worden. Pasteur De pasteur zorgt ervoor dat de melk langer houdbaar wordt. Rauwe melk is zo’n 24 uur houdbaar en na pasteurisatie is de melk ongeveer 7 dagen houdbaar. In dit concept is gekozen voor een doorstroompasteur. Deze pasteur heeft een volumedebiet van 666L/h en kan constant in bedrijf zijn. De melk word met behulp van een warmtewisselaar tot 72 graden celsius verwarmd en daarna snel afgekoeld tot zo’n 30 graden. De vrijgekomen warmte bij het afkoelen wordt dmv een warmtewisselaar gebruikt voor het verwarmen van de melk. Na de pasteur komt de melk direct in de wrongelbereider waar de wrongel bereid kan worden. De melk wordt met pijpleidingen in de wrongelbereider gepompt. De pasteur zal voornamelijk in RVS worden uitgevoerd en bevat zo’n 3m2 aan vloeroppervlak. Functie De functie van de pasteuriseer installatie is het langer houdbaar maken van de melk. Taak De installatie maakt de melk langer houdbaar door het voor 15 tot 20 seconden te verwarmen tot 72 graden C en het daarna snel af te koelen tot 30 graden C.
26
Wrongelbereider en draineerbak Nadat de pasteur de melk gepasteuriseerd heeft komt de melk in de wrongelbereider en draineerbak. In deze bak wordt de wrongel bereid en ook de wrongel gedraineerd. Alle ingrediënten voor de kaas worden hier handmatig toegevoegd. Ze worden met de hand met een maatbeker of weegschaal afgemeten en toegevoegd. De wei wordt met een handmatig bediende kraan afgetapt aan de bodem van de tank. De messen om de wei te roeren worden elektrisch bediend met een motor. De aansturing van de motor gebeurt handmatig met drukknoppen. De messen worden handmatig aan de aandrijving gemonteerd. Doormiddel van zeven in de wrongelbereider wordt de wrongel tegen de wand gedrukt en zal de laatste wei eruit lopen. De wrongel wordt vervolgens handmatig in de kaasvormen geschept. Om de juiste hoeveelheid wrongel in de bakken te krijgen worden de kaasbakken gewogen. De inhoud van de wrongelbereider is 2000Liter is rond en is gemaakt van rvs met een dubbele wand. Tussen deze wanden loopt heet water om de melk op temperatuur te houden. De wrongelbereider beslaat een vloeroppervlak van 2,5m2. Functie van de tobbe De functie van de tobbe is het vasthouden en op temperatuur brengen/houden van de melk Taken van de tobbe De tobbe houdt de melk vast door vloeistof dicht te zijn. Het op temperatuur brengen/houden van de melk gebeurt door het pompen van warm water door de dubbele wand. De temperatuur wordt ingesteld met een thermostaat. Functie van het roermechanisme De functie van het roermechanisme is het snijden en wassen van de wrongel Taken van het roermechanisme Het snijden van de wrongel gebeurt door de messen met de scherpe kant naar voren te laten draaien. Het wassen van de wrongel gebeurt door de messen met de botte kant naar voren te laten draaien. Functie draineerbak De draineerbak moet het laatste beetje wei uit de wrongel verwijderen. Taak draineerbak De draineerbak verwijderd de laatste beetjes wei uit de wrongel door de wrongel samen te persen tussen een aantal zeven.
27
Wei opslag In de installatie is een opslag tank voor de wei opgenomen zodat de wei opgespaard kan worden totdat deze opgehaald wordt. Deze tank kan 10.000 liter wei bevatten. Aan het eind van iedere week wordt de wei opgehaald. Wei kan gebruikt worden als ingrediënten voor bijvoorbeeld frisdranken en medicijnen. De tank heeft de vorm van een staande cilinder en is gemaakt van rvs. De tank beslaat een vloeroppervlakte van 4m2. De tank is geïsoleerd door middel van steenwol en wordt gekoeld door koelleidingen in de tank. Functie De functie van de wei opslag tank is het opslaan en het koel bewaren van de wei. Taak De tank kan de wei opslaan doordat deze vloeistof dicht is. Het koel bewaren kan doordat de tank een koelelement met thermostaat bevat waarmee de temperatuur van de wei geregeld kan worden. Kaasvormen De kaasvormen zorgen er voor dat de kaas in een bepaalde vorm kan worden geperst. Ook kan het laatste beetje wei uit de wrongel geperst worden omdat er gaatjes in de onderkant van de mal zitten. De kaasvormen zijn gemaakt van een kunststof en bevatten een netje om de kaas er gemakkelijk uit te halen. De kaasvormen kunnen op elkaar gestapeld worden in de pers. Functie De functie van de kaasvorm is het vorm geven aan de kaas en het mogelijk maken van het afvoeren van het laatste beetje wei
Figuur 1.12 Voorbeelden van kaasvormen
Taak De kaasvorm brengt de kaas in vorm door een bepaalde vorm te behouden. Het afvoeren van de wei gebeurt door gaatjes in de bodem van de vorm. Kaaspers Zodra de wrongel in de kaasvormen gedaan is wordt de kaasvorm gesloten wordt deze voor 2 uur onder de pers geplaatst. Tijdens het persen wordt de wrongel zoveel mogelijk tot een homogene massa geperst waarbij ook het laatste wei uit de wrongel geperst wordt. Door het persen begint zich ook een korst te vormen. De pers bestaat uit 4 cilinders waarbij er 4 stapels van 4 kazen tegelijk kunnen worden geperst. De pneumatische cilinders worden handmatig bediend met een 2/5 schakelaar. De pers zal zo’n 1m2 aan vloeroppervlakte in beslag nemen. Functie De functie van de kaaspers is het samenpersen van de wrongel zodat er een homogene massa ontstaat. Taak Door een druk op de kaas uit te oefenen die een aantal maal groter is dan het gewicht van de kaas zelf.
28
Pekel bad Het dieppekelbad bestaat uit een rechthoekige bak met een zoutoplossing erin. De kazen liggen per dag in een rek van vier kazen breed en vier kazen hoog opgestapeld. Omdat de kazen er 5 dagen in moeten liggen zullen er 5 rekken achter elkaar in het bad worden gezet. Per dag wordt er één rek uitgehaald met een elektrisch bediende loopkat die boven het pekelbad hangt. De kazen worden handmatig in en uit het rek getild. Het pekelbad en de rekken zullen worden vervaardigd uit rvs. Het pekelbad zal zo’n 4m2 aan vloeroppervlak in beslag nemen. Functie pekel bad De functie van het pekel bad is het vasthouden van de pekeloplossing. Taak pekel bad Door vloeistofdicht te zijn kan het bad de pekel vasthouden Functie rek De functie van het rek is het vasthouden van meerdere kazen zodat deze niet verschuiven of gaan drijven tijdens het pekel proces. Taak Het rek voorkomt dat de kazen gaan schuiven of drijven door deze in te klemmen. Het gewicht van het rek zorgt dat het geheel niet boven komt drijven. Plastificeren Nadat de kazen boven het pekelbad zijn uitgelekt moeten ze voorzien worden van een plastic laagje. Dit zal handmatig met een kwast gebeuren wanneer de kazen in de stelling liggen. Na een laag coating moeten de kazen enkele uren drogen voordat de kaas kan worden omgekeerd en er een volgende laag op kan worden geverfd. De coating is poreus waardoor de kaas nog wel kan blijven “ademen”. Functie De functie van het plastificeren is het aanbrengen van een coating op de kazen. Taak Het aanbrengen van het laagje kan op verschillende manieren. Denk hierbij bijvoorbeeld aan spuiten, kwasten en onder dompellen.
29
Rijpruimte In de rijpruimte moeten de kazen 4 tot 8 weken rijpen. De kazen moeten elke 4 dagen worden omgekeerd. Het in de schappen leggen en het uitnemen van de kazen gebeurt handmatig. Eens in de 4 dagen worden de kazen automatisch omgekeerd. Twee planken klemmen de kazen vast tussen zich in en draaien de kazen om. In de kaasplanken zitten kleine hollingen waar de kazen in liggen zodat ze er niet uitschuiven. Functie De functie van de rijpruimte is het rijpen van de kazen. Taak Het rijpen gebeurt door de kazen 4 tot 8 weken te laten liggen. De kazen moeten eens in de 4 dagen worden omgekeerd.
1.3.2 Omschrijving smeerkaas installatie In deze paragraaf word het concept voor het maken van de smeerkaas omschreven Plastic verwijderaar Voor het maken van smeerkaas dient de beschermende coating weer van de kaas verwijderd te worden. Een van de eigenschap van de coating die op de kaas zit is dat deze in water oplosbaar is. Deze machine sproeit water op de kazen en borstelt vervolgens met een zachte borstel de coating van de kaas. Functie De plastic verwijderaar dient de coating van de kaas af te halen Taak Het verwijderen van de coating doormiddel van het oplossen van de coating en het vervolgens van de kaas af te borstelen. Kaas snijder. Om er voor te zorgen dat de kaas makkelijk smelt moet deze in kleinere stukjes gesneden worden. Dit wordt in de Kaas snijder gedaan. Deze machine is het best te vergelijken met een friet snijder. De kaas wordt door een pneumatische cilinder door een rooster van messen gedrukt. Hierdoor ontstaan lange balkjes kaas. Om een x aantal centimeter worden deze balkjes door een mes afgesneden zodat blokjes ontstaan. Functie De kaas in blokjes snijden Taak Door de kaas door een rooster van messen te drukken en vervolgens de ontstane balkjes met een mes in blokjes te snijden.
30
Smelt bad In het smelt bad wordt de kaas gesmolten en worden er diverse ingrediënten handmatig aan toegevoegd om de smaak aan te passen en de kaas smeerbaar te maken. Het smeltbad is bevat een roer werk om de gesmolten kaas en andere ingrediënten van de smeerkaas met elkaar te mengen. Functie van het smelt bad De functie van het smelt bad is het vasthouden en smelten van de kaas Taken van het smelt bad Het smelt bad houdt het kaasmengsel vast door vloeistof dicht te zijn. Het op temperatuur brengen/houden van de kaas gebeurt bijvoorbeeld door het pompen van warm water door de dubbele wand. De temperatuur wordt ingesteld met een thermostaat. Functie van het roerwerk Het roerwerk zorgt ervoor dat de diverse ingrediënten met elkaar gemengd worden Taken van het roerwerk Door spatels door de ingrediënten te roeren worden de diverse ingrediënten gemengd tot een homogene massa. vul en verpakkingsmachine De vul en verpakkingsmachine voert de lege kuipjes aan, spuit de juiste hoeveelheid kaas in de kuipjes, dekt de kuipjes af met folie en plaats vervolgens een dekseltje op de kuipjes. De gesmolten kaas wordt in een bak boven op de machine gepompt. Onderaan de bak zitten Slangen die op hun beurt weer met plunjers verbonden zijn. Op de in en uitgang van de plunjer zitten 1 weg kleppen. Als de zuiger in de plunjer omhoog gaat wordt is de klep op de uitstroom opening gesloten en wordt de smeerkaas in de plunjer gezogen. Zodra de zuiger weer naar beneden gaat sluit de klep op de instroom opening en opend de klep op de uitstroom opening. Nu wordt de smeerkaas in de kuipjes gespoten. Vervolgens worden de kuipjes afgedekt met zilverfolie. De zilverfolie zit op een rol en word aangevoerd tot vlak boven de kuipjes, waarna de folie door verwarmde rollen op de op het kuipje al aanwezige smeltlijm gedrukt wordt. Vervolgens wordt de folie door messen afgesneden. Als laatste stap wordt het plastic dekseltje op het kuipje gedrukt. Dit wordt gedaan door een rol waar zuignapjes opzitten welke de dekseltjes vast kunnen houden. De afstand waarop de zuignapjes op de rol zitten is even groot als de afstand tussen de kuipjes op de lopende band. Boven de rol zit de aanvoer van dekseltjes. Iedere keer als er een leeg zuignapje onder de aanvoer komt, komt de rol iets omhoog en dan pakt deze een dekseltje. Vervolgens gaat de rol weer naar beneden en in dezelfde beweging wordt aan de onderkant van de rol een dekseltje op een kuipje gedrukt. Functie De vul en verpakkingsmachine vult de kuipjes met smeerkaas en dekt deze vervolgens af met zilverfolie en een dekseltje Taak -
Vullen: Door met een plunjer systeem de kaas uit het smeltbad te zuigen en deze vervolgens in de kuipjes te spuiten. Afdekken met folie: Door de folie van de rol af tot boven de kuipjes te geleiden en deze vervolgens op de kuipjes te rollen met een hete wals Deksel plaatsen: door het dekseltje van een stapel te pakken en deze op het kuipje te drukken.
31
Figuur 1.13 Layout fabriek concept 3
1.4 Eind concept Dit concept is in samenwerking met de hele groep gekozen en bestaat uit de beste delen of een combinatie van de beste delen van de verschillende concepten. Bij elk onderdeel staat een beschrijving en verantwoording waarom voor dat concept gekozen is.
1.4.1 Omschrijving kaasmaak installatie In deze paragraaf word het concept voor het maken van de kaas omschreven Aanvoer melk De melk wordt dagelijks aangevoerd in een tankwagen van 2000 liter. Met behulp van een TWkoppeling (DN 100) uit RVS wordt de melk in één van de twee eerste opslagtanks gepompt. Deze tank is cilindervormig en is vervaardigd uit rvs. De koelleidingen zijn buiten de wand van de tank aangebracht en de tank is geïsoleerd met rockwool multiboard. Één van de twee tanks is gevuld met al gepasteuriseerde melk en de andere tank wordt dagelijks bijgevuld, gepasteuriseerd en verwerkt tot wrongel. Eens in de 5 dagen wordt de gepasteuriseerde melk gebruikt voor het maken van de kaas en zal de binnenkomende melk gepasteuriseerd worden opgeslagen. Als de verse melk gelijk na de pasteur wordt gebruikt in de wrongelbereider, wordt er energie bespaard door de melk niet te hoeven afkoelen tot 4 graden C en weer op te warmen tot 30 graden C. Pasteur De pasteur zorgt ervoor dat de melk langer houdbaar wordt. Rauwe melk is zo’n 24 uur houdbaar en na pasteurisatie is de melk ongeveer 7 dagen houdbaar. In dit concept is gekozen voor een doorstroompasteur. Deze pasteur heeft een volumedebiet van 666L/h en kan constant in bedrijf zijn. De melk word met behulp van een ketel en warmtewisselaar tot 72 graden celsius verwarmd en daarna snel afgekoeld tot zo’n 30 graden. De vrijgekomen warmte bij het afkoelen wordt dmv een warmtewisselaar gebruikt voor het verwarmen van de melk. Na de pasteur komt de melk direct in de wrongelbereider waar de wrongel bereid kan worden. De melk wordt met pijpleidingen in de wrongelbereider of in de opslagtank gepompt. De pasteur zal voornamelijk in RVS worden uitgevoerd en bevat zo’n 3m2 aan vloeroppervlak. Wrongelbereider In de wrongelbereider wordt de wrongel bereid en gedraineerd. Alle ingrediënten voor de kaas worden hier handmatig toegevoegd. Ze worden met de hand met een maatbeker of weegschaal afgemeten en toegevoegd. De wei wordt met een handmatig bediende kraan afgetapt aan de bodem van de tank. De messen om de wei te roeren worden elektrisch bediend met een motor. De aansturing van de motor gebeurt handmatig met drukknoppen. Ook de messen kunnen handmatig worden verwisseld en weggedraaid. Doormiddel van een zeef op de bodem van de wrongelbereider wordt de wrongel omhoog getakeld en zal de laatste wei eruit lopen. De wrongel wordt vervolgens handmatig in de kaasvormen geschept. Om de juiste hoeveelheid wrongel in de bakken te krijgen worden de kaasbakken gewogen. De inhoud van de wrongelbereider is 2000Liter is rond en is gemaakt van rvs met een dubbele wand. Tussen deze wanden loopt heet water om de melk op temperatuur te houden. De wrongelbereider beslaat een vloeroppervlak van 2,5m2.
Wei opslag In de installatie is een opslag tank voor de wei opgenomen zodat de wei opgespaard kan worden totdat deze opgehaald wordt. Deze tank kan 10.000 liter wei bevatten. Aan het eind van iedere week wordt de wei opgehaald. Wei kan gebruikt worden als ingrediënten voor bijvoorbeeld frisdranken en medicijnen. De tank heeft de vorm van een staande cilinder en is gemaakt van rvs. De tank beslaat een vloeroppervlakte van 4m2. De tank is geïsoleerd door middel van steenwol en wordt gekoeld door koelleidingen in de tank. Kaaspers en kaasvormen Na het maken van de wrongel wordt de kaas gevormd. Dit gebeurd door middel van een pers. Hier is gekozen voor handbediende pers om kosten te onderdrukken. Het systeem maakt gebruik van hefbomen waar gewichten aan gehangen kunnen worden om de juiste persdruk te bereiken. De kaasvormen zorgen er voor dat de kaas in een bepaalde vorm kan worden geperst. Ook kan het laatste beetje wei uit de wrongel geperst worden omdat er gaatjes in de onderkant van de mal zitten. De kaasvormen zijn gemaakt van een kunststof en bevatten een netje om de kaas er gemakkelijk uit te halen. Ook ligt er een stuk eetpapier met het kaasmerk onderin. De kaasvormen kunnen op elkaar gestapeld worden in de pers. De wrongel wordt in kaasbakken opgeschept en vervolgens in vormen gedaan. De kaas heeft een diameter van 38.6 cm en een hoogte van 17 cm. De kazen worden op 2 lagen gestapeld van 4 stuks.
Figuur 1.14 Totaal plaatje pers
De kazen worden met het opscheppen van de wrongel in kaasbakken gedaan. De bakken worden op 2 lagen gestapeld. Zo’n geheel bevat dus 8 kazen. Om aan de dag behoefte van 16 kazen te voldoen zijn er dus 2 persen nodig.
34
Pekelbad Het pekelbad is een bad met het volume van 5000 Liter. Hierin worden de rekken met kaas gezakt. Het pekelbad bevat 5 rekken, 1 rek voor iedere dag waardoor de productie van maximaal 20 kazen per dag op gang gehouden kan worden. Een rek kan vier kazen in de breedte en 5 lagen boven elkaar bevatten. De rekken worden in de breedte achter elkaar geplaatst. Per dag wordt er één rek uitgehaald met een elektrisch bediende loopkat die boven het pekelbad hangt. De kazen worden handmatig in en uit het rek getild. Het pekelbad en de rekken zullen worden vervaardigd uit rvs. Deze installatie vereist 3 bij 4 meter, 3 meter de lucht in en 1 meter de grond in, hierbij is gerekend: - Het bad - Loopruimte om het bad - De los en laad ruimte Plastificeren Nadat de kazen boven het pekelbad zijn uitgelekt moeten ze voorzien worden van een plastic laagje. Dit zal handmatig met een kwast gebeuren wanneer de kazen in de stelling liggen. Na een laag coating moeten de kazen enkele uren drogen voordat de kaas kan worden omgekeerd en er een volgende laag op kan worden geverfd. De coating is poreus waardoor de kaas nog wel kan blijven “ademen”. Rijpruimte In de rijpruimte moeten de kazen 4 tot 8 weken rijpen. De kazen moeten elke 4 dagen worden omgekeerd. Het in de schappen leggen en het uitnemen van de kazen gebeurt handmatig. Eens in de 4 dagen worden de kazen automatisch omgekeerd. Twee planken klemmen de kazen vast tussen zich in en draaien de kazen om. In de kaasplanken zitten kleine hollingen waar de kazen in liggen zodat ze er niet uitschuiven. Inpakken De kazen worden uit de rijpingskamer gehaald en worden op een kar geladen. Deze kar kan per verdieping vier kazen hebben. Omdat er 17 kazen per dag en vijf dagen per week geproduceerd zal worden betekend dit dat er 85 kazen per week gemaakt worden afgeleverd. Elke dagproductie krijgt een eigen kar. Dit betekend dat er 5 karren komen a 200 kilo per stuk.
1.4.2 Omschrijving smeerkaas installatie In deze paragraaf word het concept voor het maken van desmeerkaas kaas omschreven Ontplastificeren. Voor het maken van smeerkaas dient de beschermende coating weer van de kaas verwijderd te worden. Een van de eigenschap van de coating die op de kaas zit is dat deze in water oplosbaar is. Deze machine sproeit water op de kazen en borstelt vervolgens met een zachte borstel de coating van de kaas.
35
Smeltbad In het smeltbad wordt de kaas gesmolten. Hierbij wordt het smeltzout handmatig toegevoegd. Dit omdat het over een dermate kleine hoeveelheid gaat per keer dat dit goedkoper is om dit door iemand te laten doen. Daarbij komt dat dit als extra voordeel bied dat het ook als controlepunt kan dienen. Wel moet de kaas en het smeltzout door elkaar heen geroerd worden. Dit word wel automatisch gedaan. Dit heeft als voordelen dat: - Minder tijd intensief is dan handmatig roeren. - Het kan gelijkmatiger geroerd worden. Dit zorgt voor een gelijkmatigere verdeling van de ingrediënten. - Er minder arbeidstijd verloren gaat. Vulmachine Omdat er 720 bakjes kaas per dag geproduceerd moeten worden is dit proces wel interessant om te automatiseren. Er wordt gebruik gemaakt van twee spuitgietmachines. Deze machines zullen op de volgende manier werken. Er is een plateau met daarin een pasvorm. Deze pasvorm is zo gemaakt dat het bakje precies in de goede positie gezet kan worden. Boven deze pasvorm zit de mond van de spuitgietmachine. Als het bakje onder de machine gezet wordt druk je op een knop en afhankelijk van de ingestelde waarde zal de machine de goede hoeveelheid smeerkaas in het bakje gieten. De machine werkt op de volgende manier: Op de achterkant van de machine is een cilinder gemonteerd waar de smeerkaas in gedaan wordt. Onder in de cilinder zit een gat waar de smeerkaas uit kan komen zodat het in de bakjes kan. Als deze cilinder in de machine gezet wordt kan er een zuiger die passend is aan de cilinder tegen de oppervlakte van de smeerkaas aangezet worden. Als deze tegen de oppervlakte van de smeerkaas aan staat zet je het bakje onder de mond. Als er vervolgens op een knop gedrukt wordt zakt de zuiger een bepaalde afstand waardoor je precies het goede gewicht uit de machine krijgt. Verpakkingsapparaat Als de bakjes gevuld zijn met het goede gewicht is het van belang dat de bakjes een plastic laagje aan de bovenkant krijgen. Dit wordt gedaan zodat de smeerkaas afgesloten wordt van de buitenlucht en zodat de smeerkaas niet uit het bakje valt tijdens transport of verkoop. Net als de vulmachine is ook de verpakkingsmachine automatisch aangestuurd. Op de velletjes die aan de bovenkant van het bakje van de smeerkaas bevestigd zal worden zit lijm in vaste vorm. In de machine komt er een klem naar beneden die vanaf de binnenkant van het bakje gezien voor de lijm rand een knijpkracht uit zal oefenen op de rand van het bakje. De achterste zijde van de klem zal vervolgens warm worden waardoor de lijm zal smelten. Door de drukkracht die uitgeoefend wordt aan de binnenkant( de kant die het dicht bij de smeerkaas komt) zal ervoor gezorgd worden dat de lijm niet bij de smeerkaas zal komen. Inpakken Het inpakken wordt gedaan zodat het afhalen makkelijker wordt. Er gaan bijvoorbeeld 20 bakjes van 100 gram smeerkaas en 10 van 200 in een doos. De bakjes worden handmatig in de doos gezet wanneer ze van de vulmachine komen. Opslag van de smeerkaas: De opslag voor de smeerkaas is nodig omdat niet elke dag de smeerkaas opgehaald zal worden. Dit betekend dat de smeerkaas ergens moet verblijven. Om smeerkaas goed te houden moet het op 4 graden Celsius gehouden worden. Op deze manier blijft de smeerkaas op zijn verst. Oppervlakte: 4 vierkante meter.
36
Hoofdstuk 2: Omschrijving te ontwerpen deel van de kaasfabriek Zoals de titel van dit hoofdstuk al zegt wordt er in dit hoofdstuk beschreven welk deel van de kaasmaak installatie projectgroep WH29b2 moet gaan ontwerpen.
2.1 Algemene omschrijving Het deel van de installatie dat projectgroep WH29b2 moet ontwerpen begint bij het koppelpunt waar de melkwagen de slang aan koppelt en loopt tot aan de pijp die naar de wrongelbereider gaat. De componenten die daar tussen aanwezig zijn verschillen per concept, maar de volgende onderdelen moeten minimaal aanwezig zijn: Pasteuriseerinstallatie Eén of meerdere opslagtanks Pasteuriseerinstallatie De pasteuriseerinstallatie zorgt ervoor dat de melk langer houdbaar wordt. Rauwe melk is zo’n 24 uur houdbaar en na pasteurisatie is de melk ongeveer 7 dagen houdbaar. De installatie behandeld de melk volgens een bepaald proces waarbij de melk 15 tot 20 seconden verwarmt wordt tot 72 graden C en daarna snel wordt afgekoeld tot 4 graden. Functie van de pasteuriseerinstallatie De functie van de pasteuriseerinstallatie is het langer houdbaar maken van de melk. Taak van de pasteuriseerinstallatie De installatie maakt de melk langer houdbaar door het voor 15 tot 20 seconden te verwarmen tot 72 graden C en het daarna snel af te koelen tot 4 graden C. Opslagtank De opslagtank is, zoals het woord al zegt, een tank waarin de melk opgeslagen kan worden. Om de melk langer te kunnen bewaren wordt de tank gekoeld. Functie van de opslagtank De functie van de melk opslag tanks is het opslaan en het koel bewaren van de melk. Taak van de opslagtank De tanks kunnen de melk opslaan doordat deze vloeistof dicht zijn. Het koel bewaren kan doordat de tanks een koelelement met thermostaat bevatten waarmee de temperatuur van de melk geregeld kan worden.
37
2.2 Pakket van eisen en wensen Om een concept voor de pasteuriseerinstallatie met opslag tanks tot stand te laten komen moet er eerst worden nagedacht waar de concepten aan moeten voldoen. Dit wordt gedaan door middel van het pakket van eisen en wensen. In dit pakket van eisen wordt per onderdeel aangegeven aan welke eisen en wensen ze moeten voldoen
2.2.1 Pasteuriseerinstallatie Hieronder volgt een opsomming van de eisen en wensen waaraan de Pasteuriseerinstallatie aan dient te voldoen. Eisen voor de pasteuriseerinstallatie Inhoud: 2000 Liter Er moet een bedieningspaneel aanwezig zijn om de machine in werking te zetten en uit te zetten Aan de pasteuriseermachine moeten goeden aansluitingen zitten zodat de machine goed aansluit op de voorgaande en de eerstvolgende machine De Pasteuriseerinstallatie moet veilig in gebruik zijn De Pasteuriseerinstallatie moet het melk kunnen verhitten tot 72 graden Celsius De Pasteuriseerinstallatie moet het melk kunnen laten afkoelen tot 4 of 30 graden Celsius(afhankelijk van gekozen concept) De melk moet gelijkmatig verwarmd en gekoeld worden De machine moet uit een materiaal bestaan die is vast gelegd in de normen Kleppen en appendages moeten goedgekeurd zijn voor gebruik met voedingsmiddelen In de installatie mogen geen gebieden zijn waar resten in achter kunnen blijven De Pasteuriseerinstallatie moet eenvoudig schoongemaakt kunnen worden. De Pasteuriseerinstallatie moet kleppen bezitten waaruit monsters kunnen worden genomen Wensen voor de pasteuriseerinstallatie De pasteuriseerinstallatie zo compact mogelijk zijn Zo een hygiënisch mogelijk ontwerp De onderhoudskosten/fabricagekosten zo laag mogelijk houden Het zo snel mogelijk pasteuriseren van het melk Zo een laag mogelijk energieverbruik Zo een lang mogelijke levensduur
38
2.2.2 Opslagtanks Hieronder volgt een opsomming van de eisen en wensen waaraan de opslagtanks aan dienen te voldoen. Eisen voor de opslagtanks Inhoud: 2000 Liter Er moet een buffer opslagtank zijn om eventuele te laat levering van het melk te kunnen compenseren De tanks moeten bestand zijn tegen de druk van de melk De opslagtanks moeten veilig zijn De opslagtanks moeten uit een materiaal bestaan die is vast gelegd in de normen Kleppen en appendages moeten goedgekeurd zijn voor gebruik met voedingsmiddelen De tank moet aflopend (> 3⁰) worden geïnstalleerd Melk moet in beweging worden gehouden om een homogeen mengsel te behouden. De tanks moeten eenvoudig schoongemaakt kunnen worden. De tanks moeten kleppen bezitten waaruit monsters kunnen worden genomen Melk moet gekoeld blijven tot 4⁰C Koppelstuk tankwagen moet gestandaardiseerd zijn. Afvoerleiding op laagste punt in tank. Wensen voor de opslagtanks De tank moet zo compact mogelijk zijn Zo een hygiënisch mogelijk ontwerp De onderhoudskosten/fabricagekosten zo laag mogelijk houden Zo een laag mogelijk energieverbruik Zo een lang mogelijke levensduur
39
Hoofdstuk 3: Omschrijving verschillende concepten In dit hoofdstuk worden de 3 bedachte concepten behandeld. Aan bod komen de diverse berekeningen van de hoofdcomponenten en een omschrijving van het concept.
3.1 Concept 1 Dit concept is bedacht door Edwin van de Mijl en Stefan Immerzeel
3.1.1 Omschrijving concept Er moet gekeken worden naar de opslag van de melk en het pasteuriseren ervan. Als er wordt gekeken hoe het kaas normaal gepasteuriseerd wordt, zijn er 3 opslagtanks nodig en 1 pasteuriseerinstallatie. Een tank wordt gebruikt voor het opslaan van de ongepasteuriseerde melk. Daarnaast wordt een opslagtank gebruikt voor het opslaan van de gepasteuriseerde melk. Ook moet er een buffer komen als de melk niet geleverd kan worden aan de fabriek. Hiervoor is ook een opslagtank voor nodig. De pasteuriseerinstallatie zorgt ervoor dat het melk langer Figuur 3.1 afbeelding van de gecombineerde koel en pasteuriseer installatie houdbaar blijft dit wordt gedaan door middel van de melk op te warmen tot 72˚C en vervolgens snel af te koelen tot een temperatuur van 30˚C als de melk gelijk gebruikt gaat worden in het kaasmaakproces of tot 4 graden als de melk nog wordt opgeslagen. Het concept wat bedacht is probeert zo weinig mogelijk onderdelen nodig te hebben zodat de fabricatiekosten en de onderhoudskosten laag worden gehouden. Dit concept bestaat uit een opslagtank die zowel de melk opslaat als de melk pasteuriseert. In deze opslagtank komt een roer mechanisme die de melk circuleert. Daarnaast wordt de melk gelijk matig gekoeld en verwarmd doormiddel van water die door een dubbele wand loopt van de opslagtank. Deze opslagtank heeft een aflopend gedeelte zodat al de melk makkelijk naar de afvoer loopt. Het enige wat dan nog ontbreekt is een buffer. In dit concept wordt niet gebruik gemaakt van een buffer maar van een grotere opslagtank na het pasteuriseren van het melk. Hierdoor zijn de opslagtank en de buffer voor het normaal pasteuriseren van de melk niet nodig en er daardoor bespaart wordt in de kosten. Dit concept wordt geheel gemaakt van het materiaal RVS. Dit omdat Rvs de juiste specificatie heeft om toegepast te worden in de voedingsmiddelen industrie.
40
3.1.2 Berekeningen Om te kijken of het concept in de werkelijk kan worden toegepast moet er bepaalde waardes worden berekend. Allereerst moeten de vermogens berekend worden van de pompen, koeling en verwarming. Daarnaast moet de benodigde tijd worden berekend om 2000L melk te pasteuriseren. Ook moet er berekend wat de afmetingen van de grootste onderdelen van de machine zijn. Vermogens berekening van het verwarmingselement Om het vermogen van het verwarmingselement te berekenen stellen we een warmtebalans op. In de RVS opslagtank kan 2000L melk die gekoeld bewaard moet blijven met een temperatuur van 4˚C en die bij het pasteuriseren verwarmt moet worden naar 72˚C. Qop = Qaf Qop = Qmelk Qaf = Qelement c*m*Dt = P * t Melk heeft als soortelijke warmte 3.9 103 J/(kg·K) De dichtheid is 1.03 103 kg/m^3 dus 2000L is 2060kg Dt = 72-3 = 69 3.9 103 * 2060 * 69 = 554346kJ In 3 uur willen het opgewarmd hebben dus dat is 10800 seconden. 554346kJ = 10800 * P P = 51 kW Vermogensberekening van het koelings element Het opgewarmde melk van 72˚C moet natuurlijk ook weer snel worden afgekoeld naar 30˚C anders is het pasteuriseren niet voltooid. Om de vermogen uit de rekenen van de koeling wordt er gebruik gemaakt van de volgende formules: Qop = Qaf Qop = Qmelk Qaf = Qelement c*m*Dt = P * t Als deze formules vervolgens worden ingevuld komt er de volgende waarde uit: Melk heeft als soortelijke warmte 3.9 103 J/(kg·K) De dichtheid is 1.03 103 kg/m^3 dus 2000L is 2060kg Het melk wordt gekoeld van 72 graden naar 30 graden Celsius dus Dt = 30 -72 = -42 3.9 103 * 2060 * -42 = -337428kJ Het melk moet snel worden afgekoeld zodat het melk lang houdbaar blijft. Er is gekozen om de 2000L melk binnen 10 minuten te laten afkoelen dus dat is 600 seconden. 337428kJ = 600 * P P = 562 kW
41
Afmetingen van de machine De afmetingen van de machine is ook een belangrijk deel om berekend te worden. Dit komt doordat wanneer de afmetingen niet goed zijn niet al het melk er in past of dat de pasteur machine de druk niet aan kan. Daarom moet de wand minimaal uit een dikte van 3mm. Om nog meer afmetingen te berekenen hebben we de inhoud nodig. De inhoud wordt berekend doordat er bekend is dat er 2000L in de machine moet en dat is 2m³. De hoogte van de tank is 1,5m zodat je overal bij kan. Als de diameter van de tank dan berekend moet worden wordt er gebruik gemaakt van de volgende formule. V = π x r² x h Waarin: V = Volume in m³ r = straal in m h = hoogte in m De formule invullen geeft: 2 = π x r² x 1,5 r = 0,652m dus een diameter van 1,3m
42
3.2 Concept 2 Dit concept is bedacht door Luuk de Jong, Samuel Liem en Pieter de Lange.
3.2.1 Omschrijving concept Om te beginnen hebben we een black box gemaakt van het proces onderdeel.
Figuur 3.2 Blackbox benadering concept 2
De opslag tank heeft een cilindrische vorm zodat het makkelijker schoon te maken is. De afmetingen van de tank hoogte = 1,5m en diameter = 1,3m. De vorm is zodanig zodat het gemakkelijk schoon te houden is van stof e.d. (hygiëne). Het isolatiemateriaal schulpschuim moet voor een hoger rendement zorgen. Het pasteuriseren gebeurd met een warmtewisselaar met de tegenstroom principe. Het element is spiraal vormig om sneller het melk te laten opwarmen.
Figuur 3.3 De warmtewisselaar van concept 2
43
3.2.2 Berekeningen Eigenschappen van de vloeistof melk: Dichtheid: 1,030 kilogram per liter Specifieke(soortelijke) warmte: 3,9 x 10³ Thermische geleidbaarheid : 0.49 W/m*K Viscositeit : 0.00168 Pas Berekening koelvermogen van tank Dit geldt voor één tank respectievelijk voor de vier tanks die in gebruik wordt genomen. Twee van de drie tanks worden in productie genomen. Wanneer er iets mis is met de buffer of wordt er schoongemaakt dan is er nog één reservetank.
warmtestroom door wand van koeltank oppervlakte warmtedoorgangscoëffciënt RVS warmtedoorgangscoëffciënt schulpschuim = temperatuur d = diameter Maximale temperatuur in fabriek ø
Berekening oppervlakte tank: (
)
(
)
Berekening warmte verlies door de tank wand = 21.5 d = 0.003 m d = 0.05 m = 1.316
d=0.001 m
44
Koelmachine met -30° vloeistof Koelvloeistof 38° <- -30° Melk 72° -> 4°
(2000liter melk stroomt dan in 2 uur en 45 min door de pasteuriseerinstallatie)
Berekenen van de U-waarde d=0.001 m(wanddikte van de buis)
Berekenen van de oppervlakte van de warmtewisselaar
De diameter van het spiraal is 0,2meter de lengte volgt dan uit:
De lengte van de spiraal wordt:
De lengte van de Spiraal is dus 0,063 meter of wel 6,3 cm.
45
Verwarmingselement verwarmingsmedium Melk
100° -> 30° 4° -> 72°
Berekenen van de U-waarde
Figuur 3.4 Het verwarmingselement van concept 2
d=0.001 m(wanddikte van de buis)
Berekenen van de oppervlakte van de warmtewisselaar
De diameter van het spiraal is 0,2meter de lengte volgt dan uit:
De lengte van de spiraal wordt:
De lengte van de Spiraal is dus 0,046 meter of wel 4,6 cm.
46
3.3 Concept 3 Dit concept is bedacht door Tomas Lenssen, Maurits de Koning en Jeroen Koeleman
3.3.1 Omschrijving concept Voor dit concept is er gekozen om te werken met twee koeltanks die aangesloten zijn op de pasteuriseerinstallatie. De gedachten hierachter is dat de rauwe melk die binnen komt nog een tijdje opgeslagen kan worden(maximaal 24 uur) totdat hij verwerkt wordt. Na de koeltank wordt de melk gepasteuriseerd en afgekoeld tot 30 graden zodat deze gelijk in de wrongelbereider gebruikt kan worden. Of de melk wordt verder afgekoeld en vervolgens opgeslagen in de tweede tank als buffer. De pasteuriseerinstallatie is een doorstroom variant. De melk wordt door een pomp door de installatie verplaatst. Voor dit concept is er uit gegaan van 2100 liter melk die opgeslagen en gepasteuriseerd dient te worden. Er is bewust uitgegaan van een overcapaciteit van 100 liter zodat er zeker voldoende vermogen in de installatie aanwezig is.
3.3.2 Omschrijving belangrijkste componenten en berekeningen In deze paragraaf worden de belangrijkste componenten omschreven en worden de belangrijkste berekeningen getoond. Opslagtank De opslagtanks van de melk moeten aan een aantal eisen voldoen. Aan de hand van deze eisen is een concept bedacht. Uiteindelijk zal een illustratie en beschrijving van het gekozen concept worden weergegeven.
Het concept bestaat uit 2 cilindrische tanks met een ovale doorsnede die liggend zullen worden opgesteld. De tanks bestaat uit een binnentank met daaromheen isolatie afgewerkt met plaatmateriaal. De tank zal gedragen worden door een ondersteunend frame. De wanddikte van de tank is bepaald met behulp van de ketelformule. Hierbij is een veiligheidsfactor in acht genomen. De koeling van de melk zal door middel van een directe verdamper Figuur 3.5 Een Koeltank van concept 3 met koelleidingen tussen de bodem van de binnentank en de isolatie liggen. Het benodigde koelvermogen van 103W is berekend door het maximale warmteverlies door de wanden van de tank te berekenen bij een buitentemperatuur van 30⁰C. Het regelmatig in beweging brengen van de melk zal gebeuren door middel van twee roermechanismen waarbij de aandrijving bovenop de tank zal worden geplaatst. De aansluiting van de tankwagen op de tank zal gebeuren door middel van een uit rvs vervaardigde TW koppeling met een nominale diameter van 100mm. Dit is een standaard koppeling die op tankwagens wordt gebruikt. De afvoerleiding zal een leiding met een diameter van DN 20 zijn. De gebruikte afsluiter in deze leiding zal een vlinderklep zijn die goedgekeurd is voor het gebruik in combinatie met
47
voedingsmiddelen. De afsluiter zal verticaal gemonteerd worden in verband met het kunnen aftappen van de leiding. Het reinigingssysteem in de tank zal een circulatiereinigingssysteem zijn. Ten behoeve van de reiniging en om de tank te vervaardigen is er in de bovenkant van de tank een luik aangebracht. Hieronder een lijst met de belangrijkste gegevens van dit concept van de opslagtank: -Materialen: Tank: Rvs 316L Isolatie: Rockwool multiboard Buitentank: aluminium plaatmateriaal. Frame: constructiestaal -Reiniging: Circulatiereiniging. -Koeling: Directe verdamper. Koelleidingen op bodem binnentank. -Koppeling met tankwagen: TW-koppeling (DN 100) uit RVS. -Aanvoerleiding: DN 100 RVS -Koelvermogen: tenminste 103 W -Dikte binnenwand tank: 3mm. -Dikte isolatie tank: 100mm -Dikte aluminium behuizing: 1mm. -Gewicht tank:236,34kg -Totaal gewicht gevuld: 2400kg Pomp Tussen de koeltank en de pasteuriseerinstallatie moet een pomp geplaatst worden om de melk te kunnen verpompen. Ivm de hygiëne dient de pomp aan diverse eisen te voldoen. Op deze eisen wordt bij de uitwerking van het uiteindelijke concept verder in gegaan. Het belangrijkste is dat de pomp goed schoon te maken is en dus ook goed gekeurd is voor de toepassing in de voedingsmiddelen industrie. Na wat onderzoek blijkt dat er verschillende pompen geschikt zijn voor de toepassing in de kaasmaakinstallatie. Hieronder volgt een opsomming: Hygiënische lobbenpomp/impellerpomp Oscillerende zuigerpomp Hygiënische excentrische worm pomp Slangenpomp Lucht gedreven membraam pompen Voor de toepassing in de te ontwerpen kaasmaakinstallatie moet de pomp in ieder geval aan de volgende technische specificaties voldoen: Een volume debiet van 700 liter per uur Instaat zijn om een vloeistof met een viscositeit van 2.1 Mpa te verpompen toerental regelbaar in verband met efficiëntie(ten opzichte van een smoorklep) Groot bereik in opvoerdruk in verband met onduidelijkheid van de exacte druk. Gekeken naar de bovenstaande eisen dan blijft er maar één pomp over en dat is een lobbenpomp. In dit geval de Jabsco A 55210 lobben pomp. Deze pomp heeft een maximaal capaciteit van 16 liter per min, wat neer komt op 960 liter per uur. De maximale druk die deze pomp kan leveren is 14 Bar. Deze pomp is niet zelf aanzuigend, dus de pomp moet onder het laagste niveau van de tank geplaatst worden om te zorgen dat deze niet droog komt te staan.
48
Principe van de lobbenpomp Het principe van de lobbenpomp bestaat al meer dan 30 jaar en is oorspronkelijk ontwikkeld voor het verpompen van viskeuze producten in de voedingsmiddelenindustrie. De werking van de Jabsco lobbenpomp is gebaseerd op het principe van de verdringerpomp waardoor de pomp ook voor hoge persdrukken geschikt is. Door de rustige verplaatsing van de vloeistof door de pomp heen worden kwetsbare producten niet beschadigd. De rotoren van de pomp draaien in tegengestelde richting. Bij iedere omwenteling wordt een constante hoeveelheid verplaatst. De hoeveelheid wordt naast het toerental bepaald door de tegendruk en viscositeit van het product. Bij het draaien van de rotor wordt het pomphuis aan de zuigzijde gevuld. De vloeistof wordt door de pomp verder verplaatst. De hele pomp is gevuld met vloeistof en deze wordt aan de perszijde weggedrukt. Verwarmingsvermogen pasteuriseerinstallatie Voor het verwarmen van de melk wordt een tegenstroomwarmtewisselaar gebruikt. Met de onderstaande berekeningen wordt bepaald wat het vermogen van de warmtewisselaar moet zijn. Melk heeft een soortelijke warmte van 3,9*10^3 J/kgK =3900J/kgK Melk heeft een dichtheid van 1040 kg/m3 2100liter melk heeft een massa van 2100/1000*1040=2184kg De aangeleverde melk heeft een temperatuur van 4 graden Celsius De melk moet opgewarmd worden tot 72 graden Celsius. Het totale temperatuur verschil is 68 graden Celsius. De formule waarmee het benodigde verwarmingsvermogen berekend kan worden is:
Als de formule ingevuld wordt met de bovenstaande gegevens dan komt daar een waarde uit van: 579196800 joules. Dit is het aantal joules dat in 3 uur aan de melk moet worden toegevoegd. Om dit getal om te rekenen naar Watts moet het gedeeld worden door 3*3600. Daar komt 53629 Watt uit. Er moet dus per seconden 53,63 Kilowatt aan warmte aan de melk toegevoegd worden.
49
Verschil in temperatuur van verwarmingswater Gegevens Massa stroom van het water is vast gesteld op 1/4 liter per sec De soortelijke warmte van water is 4200 J/kgK Toegevoegde warmte aan melk: 579196800 Joules
Het verschil tussen de in en uitgangstemperatuur van het verwarmingswater is dus 51,08 graden Celcius. Voor nu wordt eruit gegaan van een ingangstemperatuur van 95 graden. Dit omdat er voorkomen dient te worden dat het water in het verwarmingssysteem gaat koken. De uitgangstemperatuur wordt daarmee 95-51,08=43,92 graden Celsius.
50
Berekening lengte warmtewisselaar De rvs leiding heeft een warmteweerstand van 20 W/m*K De Uwaarde van de rvs leiding met een wanddikte van 2 is 10000 W/m2K Temperatuur melk in is: 4graden Celsius Temperatuur melk uit is: 72graden Celsius Temperatuur water in is: 95 graden Celsius Temperatuur water uit is: 43,92 graden Celsius De wanddikte van de Rvs binnen leiding is 2mm = 0.002 De warmtestroom is: 579196800 Joules = 53629,33 Watt Om de onderstaande formule in te kunnen vullen moet eerst de De formule hiervoor luidt:
uitgerekend worden.
Waarbij: het verschil in temp. Tussen de binnen komende melk en het uitgaande verwarmingswater is. het verschil in temp. Tussen de uitgaande melk en het binnenkomende verwarmingswater is.
Het invullen van de bovenstaande gegevens in de onderstaande formule levert het oppervlak van de warmtewisselaar op.
Het totale oppervlakte van de warmte wisselaar is dus 0,175 m2
51
Om nu de lengte van de warmte wisselaar te berekenen dient het oppervlakte gedeeld te worden door de omtrek van de buis. De omtrek van de buis is:
De lengte van de warmtewisselaar volgt dan uit:
koelvermogen pasteuriseerinstallatie Het is de bedoeling om aangevoerde melk in een vrij korte tijd van 72°C af te koelen naar 30°C. Om dit te realiseren is gekozen voor een warmtewisselaar die de doorstromende melk met behulp van koelwater verkoeld. We nemen hiervoor leidingwater met een temperatuur van 13°C en een stroming van 1/7 liter per seconde. Eerst een aantal waardes van melk en water. Melk
Water
Cm = 3,9 kJ/kgK Øvm = 0,194l/s Dichtheid melk = 1040kg/m³ Ømm = 1,04kg * 0,194 l/s = 0,2 kg/s
Cw = 4,2 kJ/kgK Øvm = 1/7l/s Dichtheid water = 999kg/m³ Ømw = 1kg * 1/7 l/s = 1/7 kg/s
In de warmtewisselaar vind het volgende proces plaats waarbij de warmte van de melk wordt overgedragen aan het water. Ømm * Cm * T = Ømw *Cw * T 0,2 * 3,9 * (-42) = 1/7 * 4,2 (13 – Tu) Tu = 67.6°C water T = 54,6°C Het water warmt dus 54,6°C op. Aan de hand van het temperatuurverschil in het water kan berekend worden hoeveel kilo joule aan warmte er in het water is gaan zitten. Ømw * Cw * T = Øw 1/7 * 4,2 * 54,6 = 32.76 kJ
52
Om de lengte van de warmtewisselaar te berekenen moet het aantal kJ omgezet worden naar W. kJ / s = kW We nemen 3 uur de tijd om het totaal volume van 2100l af te koelen. Dit betekend dat we voor het verkoelen van 0,194l, 1 seconde de tijd hebben. Hieruit volgt: 32.76kJ / 1s = 32.76kW
Figuur 3.6 Warmtewisselaar concept 3
Om de uiteindelijke lengte van de warmtewisselaar te bepalen moet de vorm en de warmtegeleidingscoëfficiënt bepaald worden. We gaan uit van een twee-buizen warmtewisselaar van RVS, met een contact oppervlak van 0,6912mm omtrek, en een wanddikte van 2mm. λ RVS = 20 W/mK A = 0,0006912m * L d = 2mm
Voor de lengte van het contact oppervlak delen we het totaal oppervlak door de gemiddelde omtrek van de binnenste buis. Omtrek = pi*D = 3,1415*22 = 0,6912mm = 0,06912m 0,0555 m² / 0,06912 = 0,803m = L Uiteindelijk hebben we dus een warmtewisselaar van ongeveer 0,8 meter. Hiermee kan de melk voldoende worden afgekoeld naar 30°C.
53
Hoofdstuk 4: Keuze eindconcept 4.1 Welke keuze matrix Om een keuze tussen de concepten te maken is gekozen voor een morfologisch overzicht beter bekend als de Kesselring methode. Met deze methode worden er punten voor de uitvoering van elke wens uit het PVE toegekend. Uiteindelijk zal er één concept als meest ideale uit het overzicht komen. Het is gebruikelijk dat er dan voor dat concept gekozen wordt.
4.2 Toetspunten en weegfactoren Om tot een gegronde keuze van het gekozen concept te komen is het belangrijk dat de verschillende concepten aan een aantal punten kunnen worden getoetst. Deze toetspunten worden gehaald uit het pakket van eisen en wensen dat betrekking heeft tot de pasteuriseerinstallatie. Aangezien een concept per definitie wordt afgekeurd wanneer het niet aan de eisen uit dit pakket voldoet en of wanneer het technisch onmogelijk is om het concept te maken, zullen deze factoren niet worden opgenomen in de keuzematrix. Elk concept moet hier immers aan voldoen. Omdat bepaalde punten belangrijker worden geacht dan anderen is er aan elk toetspunt een weegfactor toegepast. Deze factor (oplopend van 1 t/m 3 waarbij factor drie het zwaarst mee telt en factor één het lichtst) word maal het aantal punten (ook een schaal van 1 t/m 3) gedaan. Hierna worden alle punten per concept bij elkaar opgeteld. Het concept met de meeste punten komt als hoogste uit het schema en zal waarschijnlijk worden gekozen als definitief concept.
4.3 Keuze In onderstaande tabel is de keuzematrix te zien. Volgens deze matrix, die met alle groepsleden is ingevuld, is het concept van Jeroen, Tomas en Maurits het winnende concept. Dit concept zal uiteindelijk worden uitgewerkt tot de daadwerkelijke machine.
Energieverbruik
Levensduur van machine
Bedieningsgemak
Totaal
Procentueel
1
2
1
2
3
3
3
38,00
84%
Concept Luuk, Samuël
1
2
3
1
2
3
1
1
2
30,00
67%
Concept Stefan, Edwin
3
1
2
3
3
1
2
2
1
28,00
62%
Max punten
3
3
3
3
3
3
3
3
3
45,00 100%
Weegfactor
1
3
3
1
2
1
2
2
2
17,00
Tijdsbestek pasteuriseren 2000 Liter
Onderhoudskosten
3
Mogelijkheid tot schoonmaken
2
Hygiënisch ontwerp
Concept Jeroen, Tomas, Maurits
Formaat machine
Fabricagekosten
Tabel 3.1 Kesselring keuzetabel
54
Literatuurlijst en links Boeken Taal, A.C. (2005). Toegepaste energieleer ( 1e druk). Den Haag: SDU
Links http://wikimelkwinning.groenkennisnet.nl
Elektronisch handboek over melk winning en de daar bij behorende onderwerpen
http://nl.m.wikipedia.org/wiki/Melkkoeltank
Wikipedia pagina met informatie over melkkoeltanks.
http://www.wijkboerma.nl/
Leverancier van diverse pompen.
http://www.tkmn.nl/
ThyssenKrupp Materials Nederland (kortweg TKMN) is een van de meest vooraanstaande groothandelaren in staal, rvs en aluminium in Nederland.
55
