Ontwikkelen en testen van een Eutectisch transportkoelingssysteem

Ontwikkelen en testen van een Eutectisch transportkoelingssysteem Ir. A. van der Hoek Ir. P. Quaak Dr. J.J.G. Opdam

In samenwerking met: Bakker Logistiek Groep Dhr. H. Voorbach Dhr. H. Buijgers Friesche Vlag: Dhr. J. de Jong

Aan dit project is in het kader van het Besluit milieusubsidies, Subsidieregeling milieugerichte technologie een subsidie verleend uit het programma Reductie overige Broeikasgassen dat gefinancierd wordt door het Ministerie van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer. SENTERNOVEM beheert deze regeling

Ontwikkelen en testen van een eutectisch transportkoelingssysteem ROB 0377-03-01-01-001

1

Inhoudsopgave Hoofdstuk 1 Inleiding..................................... 3 1.4 Indeling................................................. 5 Hoofdstuk 2 Vergelijking systemen ................. 6 2.1 Inleiding................................................ 6 2.2 Huidige situatie ..................................... 6 2.3 Nieuwe situatie ...................................... 8 2.3.1 Oplaad circuit .................................... 8 2.3.2 Ontlaad circuit................................. 10 2.3.3 Vloeistofzijdige componenten .............. 11 2.3.4 Luchtzijdige componenten .................. 14 2.3.5 Elektrotechnische componenten ........... 16 Hoofdstuk 3 Keuze elementen voor het Eutectisch koelsysteem ................................. 19 3.1 Inleiding.............................................. 19 3.2 Geometrie............................................ 19 3.1.2 Materiaalkeuze .................................. 19 3.3 Veiligheid ............................................ 19 Hoofdstuk 4 Prestaties van het Eutectisch koelsysteem ................................................. 20 4.1 Inleiding.............................................. 20 4.2 Ontwerp kist van de koude accu ........... 20 4.2.1 Simulatie distributierit ...................... 20 4.2.3 Buitentemperatuur ........................... 20 4.2.4 Relatieve luchtvochtigheid .................. 21 4.2.5 Binnentemperatuur........................... 21 4.2.6 Gedrag pomp en ventilator................. 21 4.2.7 Ladingtemperatuur ........................... 22 4.3 Uitgewerkte metingen .......................... 24 4.3.1 Ladingtemperatuur ........................... 24 4.3.2 Temperatuur in de oplegger ................ 28 5 Elektriciteitsvoorziening............................. 30 5.1 Inleiding.............................................. 30 5.2 Accu’s ................................................. 30 5.3 Opwekking energie .............................. 31 Hoofdstuk 6 Resultaten................................. 34 6.1 Inleiding.............................................. 34 6.2 Besparingen ......................................... 34 6.3 Evaluatie van het eutectisch koelsysteem 36 Hoofdstuk 7 Uitgebreide samenvatting en conclusies .................................................... 37 7.1 Achtergrond en aanleiding ................... 37 7.2 Doel .................................................... 37 7.3 Opzet en uitvoering.............................. 37 7.4 Resultaten............................................ 38 7.5 Vervolg ............................................... 38


2

Hoofdstuk 1 Inleiding In het project “Ontwikkelen en testen van een eutectisch transportkoelingssysteem” is het door Ecofys voorgestelde concept uitgewerkt tot een functioneel testmodel en getest. In dit eindverslag wordt het uiteindelijke resultaat van het project gepresenteerd en vergeleken met de conventionele koelinstallaties in het gekoeld wegtransport. Tevens worden de belangrijkste prestaties van het systeem gepresenteerd zoals die tijdens de testen zijn vastgesteld. De conclusies van dit rapport bevatten aanbevelingen voor het hierna te realiseren prototype. Bij de beschrijving van de hoofdcomponenten van het ontwikkelde systeem wordt kort gerefereerd aan het onderzoek dat nodig was om tot de uiteindelijke uitvoeringsvorm en dimensionering te komen. In de subsidieaanvraag is de aanleiding en de probleemstelling van dit onderzoek als volgt verwoord. Geconditioneerd goederenvervoer over de weg wordt op dit moment voornamelijk uitgevoerd met compressiekoelmachines, aangedreven door een dieselgenerator (of in sommige gevallen direct via de tractiemotor). Deze wijze van conditionering heeft duidelijke nadelen, zoals een hoog brandstofverbruik, emissie van koelmiddelen, geluidshinder en onderhoudsgevoeligheid.

van een dergelijk koelsysteem zijn uitgewerkt in een eerder voltooid haalbaarheidsproject. De belangrijkste eigenschap van PCM is de faseverandering op een gewenste temperatuur. Voor de overgang van vaste naar vloeibare vorm (het smelten) is relatief veel (smelt)warmte nodig. Met een bepaalde hoeveelheid PCM in vaste vorm kan daarom gedurende een relatief lange periode warmte uit de laadruimte worden onttrokken (koeling van de laadruimte) alvorens de PCM geheel in vloeibare vorm is overgegaan. De cruciale eisen die aan een PCM installatie voor gekoeld transport gesteld worden zijn: • voldoende koelvermogen • een voldoende snelle regeneratie van de PCM • een acceptabele toename en goede verdeling van het gewicht • goede klimaatregeling in de laadruimte. Het PCM-koelsysteem bestaat uit een installatie aan boord, een landzijdig station voor opwekking en opslag van koude en een koppeling tussen beide systemen ten behoeve van het regenereren van de PCM aan boord van de wagen. Dit project is gericht op het vergaren van kennis ten aanzien van de juiste dimensionering van de deelsystemen zodat aan de gestelde criteria kan worden voldaan. Voor de optimalisatie van deze deelsystemen en de juiste match tussen de deelsystemen is het noodzakelijk tests uit te voeren. Deze tests zullen zich richten op de genoemde cruciale eisen. Het resultaat is een werkend testmodel van een boordsysteem (=functioneel model). Doel van dit project is het vergaren van kennis

In een eerder uitgevoerd haalbaarheidsonderzoek is vastgesteld dat het in energetische, economische en logistieke zin haalbaar is om de compressiekoelmachine aangedreven met een dieselgenerator te vervangen door een systeem met als basis koudeopslag in een Phase Change Material. Ook de globale technische specificaties

en het toepassen daarvan bij de ontwikkeling van een testmodel van een installatie voor klimaatbeheersing in vrachtvoertuigen op basis van koude opslag in een Phase Change Material (PCM), gekoppeld aan een methode voor de snelle regeneratie van PCM.


3

In dit project is samengewerkt met Bakker Logistiek Groep en Friesche Vlag. Bakker Logistiek groep is de distributeur van Friesche Vlag en verantwoordelijk voor de distributie van zuivelproducten vanuit de fabriek van Friesche Vlag in Nijkerk naar de supermarkten. Friesche Vlag is zuivelproducent en heeft belang bij betrouwbaar koeltransport. Bakker

Logistiek

staat

positief

tegen

het

vernieuwde koelconcept dat is uitgewerkt. De belangrijkste operationele voordelen die Bakker Logistiek ziet zijn: •

lagere energiekosten

•

lagere onderhoudskosten

•

lagere investeringen

•

verhoogde

kwaliteit

van

het

gekoeld

transport Friesche Vlag deelt de positieve houding van Bakker. hebben

Bakker Logistiek en Friesche Vlag het

project

begeleid

door

de

tussenresultaten te beoordelen en sturing te geven aan voor de transporteur relevante aspecten van de ingeslagen ontwikkeling. Verder zijn door hen de randvoorwaarden aangegeven waaraan het systeem dient te voldoen. Bakker Logistiek

heeft

meegedacht

engineeringsvraagstukken,

en

heeft

over twee

opleggers ter beschikking gesteld en waar nodig aangepast om ze geschikt te maken voor het uitvoeren van koelproeven. Door Friesche Vlag is een proeflading ter beschikking gesteld voor het uitvoeren van de eindtests.


4

1.4 Indeling Om een beter inzicht te geven in dit verslag volgt hier een korte beschrijving van de hoofdstukindeling: Hoofdstuk 2 Vergelijking systemen Hierin wordt een vergelijking gemaakt tussen het huidige en het concept koelsysteem. Ook worden de belangrijkste componenten van het concept omschreven. Hoofdstuk 3 Keuze elementen van het eutectisch koelsysteem De koude elementen vormen het hart van het eutectisch koelsysteem. In dit hoofdstuk wordt het onderzoekstraject beschreven dat geleid heeft tot de uiteindelijke keuze voor vormgeving en materiaal van de koelelementen Hoofdstuk 4 Prestaties van het eutectisch koelsysteem Het onderzoek en ontwikkelingstraject heeft geleid tot een functioneel model dat uitgebreid getest is. De testprocedure en resultaten worden in dit hoofdstuk besproken. Hoofdstuk 5. Elektriciteitsvoorziening De huidige elektrische installatie aan boord van de trekker en de oplegger dient ook de elektrisch aangedreven componenten van de koelinstallatie te voeden. In dit hoofdstuk wordt geanalyseerd op welke wijze dit mogelijk is. Hoofdstuk 6 Resultaten De projectresultaten worden in dit hoofdstuk weergegeven. Tevens wordt het vervolg op dit project geschetst. Hoofdstuk 7 Uitgebreide samenvatting en Conclusie Samengevat overzicht over het project en de conclusies.


5

Hoofdstuk 2 Vergelijking systemen 2.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt een vergelijking gemaakt van de huidige manier van transportkoeling en het nieuwe concept systeem. Transportkoeling wordt toegepast om producten die een korte houdbaarheid hebben, onder de juiste condities van leverancier naar klant te brengen. Voorbeelden hiervan zijn zuivel of bloemen. De producten worden koud in de oplegger van de vrachtwagen gereden en gedurende de rit koud gehouden. De producten hoeven niet te worden afgekoeld door de koelinstallatie, ze worden enkel op temperatuur gehouden.

2.2 Huidige situatie Bij het huidige koeltransport wordt gebruik gemaakt van een compressie koelmachine. Deze koelmachine wordt aangedreven door een dieselmotor. De koelmachine en de dieselmotor bevinden zich beiden in de koelunit van de oplegger. Het principe van deze compressie koelmachine is in afbeelding 2.1 weergegeven.

De hoofdonderdelen zijn: • de verdamper (evaporator) • de compressor • de condensor (condenser) • het expansieventiel (expansion valve) Een compressie koelmachine is een afgesloten systeem waarin koudemiddel circuleert. In koelsystemen in het gekoeld transport wordt doorgaans R134a als koudemiddel gebruikt. De verdamper is een warmtewisselaar die zich in de koelunit op de oplegger bevindt. In de verdamper verdampt het koudemiddel bij een lage druk en temperatuur waarbij warmte opgenomen wordt (= koude afgeven). Door middel van een ventilator wordt de lucht uit de oplegger door de verdamper geleid en gekoeld. De damp uit de verdamper wordt een compressor in druk en verhoogd. In afbeelding 2.2 is compressor voor dit soort weergegeven.

vervolgens in temperatuur een typische toepassingen

Afbeelding 2.2: compressor van een koelinstallatie in een oplegger

Afbeelding 2.1: principe van een compressie koelmachine

Het koudemiddel condenseert in de condensor waarbij het koudemiddel warmte afgeeft aan de buitenlucht. Daartoe wordt buitenlucht met een ventilator door de condensor geleid.


6

Hier zit een deel van het probleem van het geluidsniveau van de huidige installaties. Omdat de condensor gekoeld wordt door de buitenlucht kan de koelunit niet volledig, geluidsdicht, worden uitgevoerd. Na de condensor wordt het vloeibare koudemiddel weer via het expansieventiel naar de verdamper geleid. De temperatuur van het koudemiddel is nu weer zo laag dat het in de verdamper weer warmte opneemt uit de lucht in de oplegger waarmee de cirkel rond is. De hierboven besproken componenten moeten worden aangedreven. In de koelunit voorop de oplegger bevindt zich daartoe een dieselmotor. Deze haalt zijn brandstof uit een (aparte) tank die onder de oplegger is geplaatst. Deze is te zien in afbeelding 2.3. De dieselmotor (afbeelding 2.4) drijft de compressor, de ventilatoren van de condensor en de ventilatoren van de verdamper aan.

Afbeelding 2.4: dieselmotor van een koelinstallatie in een oplegger

Afbeelding 2.3: Aparte dieseltank


7

2.3 Nieuwe situatie In het nieuwe systeem van Ecofys wordt gewerkt met een koudeopslag aan boord van de oplegger (boordzijdig systeem). Dit systeem heeft totaal andere componenten dan het compressie koelsysteem. Het systeem zal voor de beperkte hoeveelheid benodigde elektriciteit een beroep doen op het beschikbare vermogen van een elektrische accu die zich in de oplegger bevindt. Het systeem is ontwikkeld tot het niveau van een functioneel testmodel. In de volgende paragrafen wordt deze nieuwe manier van transportkoeling verder uitgelegd. Eerst wordt het oplaad principe behandeld. Daarna wordt het ontlaad principe behandeld. Bij het ontlaad principe wordt een onderscheid gemaakt tussen een vloeistofzijdig en een luchtzijdig circuit. Ook worden de elektrotechnische componenten in deze paragraaf besproken.

2.3.1 Oplaad circuit De koelinstallatie bestaat onder andere uit een koude accu die voorop de oplegger is bevestigd. In deze koude accu wordt koude opgeslagen door middel van koudedrager vloeistof. Deze koude kan gedurende de gehele dag worden gebruikt om de lading die zich in de oplegger bevindt te koelen. De koude-accu wordt ‘opgeladen’ met koude aan het begin van een rit. Het oplaadprincipe is te zien in afbeelding 2.5. Het koelen van de koudedrager vloeistof gebeurt met een compressie koelinstallatie. Een compressie koelinstallatie is in de huidige situatie op de oplegger bevestigd voor de koeling. Deze koelinstallatie wordt “landzijdige installatie” genoemd. De koude productie vindt plaats vóór het transport in het landzijdig station en niet tijdens de rit in de koelunit op de oplegger zoals bij het huidige systeem.

Afbeelding 2.5: principe van het oplaadcircuit


8

Landzijdige installatie De landzijdige installatie die voor het funktionele testmodel is gebruikt is in afbeelding 2.5 weergegeven als “compressie koelmachine” (groene blok). De hoofdcomponenten in de landzijdige installatie zijn hetzelfde als bij de hiervoor besproken situatie met de dieselmotor. Een verdamper (in dit geval een warmtewisselaar welke een koudedrager vloeistof koelt), een compressor, een condensor en een expansieventiel. In de koelmachine circuleert koudemiddel. Het grote verschil met de conventionele koelunit op de oplegger is dat deze niet door een dieselmotor wordt aangedreven maar door een elektromotor welke weer gevoed wordt vanuit het net. Doordat de koelmachine in het landzijdig station groter kan zijn en altijd op een gunstig bedrijfspunt kan werken dan die van een mobiele koelunit is de COP van het landzijdig station beter

deze unit is ca 4 uur benodigd voor het opladen van de koude accu van het testmodel

Afbeelding 2.6: Landzijdig station De landzijdige installatie wordt gebruikt om de koudedrager vloeistof te koelen en deze in de koude accu rond te pompen. Wanneer de koude accu voldoende opgeladen is, kan de landzijdige installatie worden losgekoppeld en kan de vrachtwagen gaan rijden. In afbeelding 2.6 is de koelmachine unit te zien die door Ecofys is gebruikt voor het testen. Deze unit heeft als landzijdig station gefungeerd voor het testmodel. De capaciteit van deze unit is echter onvoldoende om een koude accu van een oplegger binnen 15-20 minuten op te laden. Met


9

2.3.2 Ontlaad circuit Het gebruik van koude, ofwel het ontladen van de koude accu. Er wordt bij het ontladen onderscheid gemaakt tussen een vloeistofzijdigen een luchtzijdig circuit. Onderscheiden worden: • Koude accu/coldpacks

• • •

Expansie tank pomp Warmtewisselaar

In afbeelding 2.7 is het principe van het vloeistofzijdig ontladen te zien. De koudedrager vloeistof wordt door een pomp door de warmtewisselaar gepompt. In de warmtewisselaar wordt de lucht afgekoeld. De koudedrager vloeistof warmt op en komt weer terecht in de koude accu. In de koude accu wordt deze warme vloeistof door middel van koude elementen (coldpacks) weer gekoeld.

Afbeelding 2.7: Principe van het vloeistofzijdig ontlaadcircuit


10

2.3.3 Vloeistofzijdige componenten De koude accu/coldpacks De accu bevindt zich voorop de oplegger, op dezelfde plaats waar normaal gesproken de conventionele koelunit is gemonteerd. De plaats en vorm van de koude accu is op afbeelding 2.8 te zien.

Het PCM in de coldpacks zal bevriezen in het temperatuurtraject van -2 naar -7 C. Omdat de coldpacks bevriezen kan er een grote hoeveelheid koude in worden opgeslagen doordat gebruik gemaakt wordt van de warmte die opgenomen wordt bij de faseovergang van ijs naar water.

Afbeelding 2.9. toont het interieur van de lege koude accu.

Afbeelding 2.10: Koude elementen, bestaande uit samengebonden coldpacks

Afbeelding 2.8: De koude accu die zich voorop de oplegger bevindt.

Afbeelding 2.9:Interieur van de koudeaccu.

Deze koude accu is gevuld met elementen welke fungeren als coldpacks. Deze zijn samengevoegd tot bundels. Deze bundels met elementen zijn te zien in afbeelding 2.10.

Expansie tank In de oplegger bevindt zich een expansie tank. Deze expansietank is in het circuit opgenomen omdat het een gesloten systeem is. De dichtheid van de koudedrager vloeistof varieert sterk en is temperatuursafhankelijk. Wanneer de temperatuur van de koudedrager vloeistof in de loop van de dag toeneemt, zal de druk in de installatie toenemen en de expansietank gevuld worden. Pomp Na de expansietank zit een pomp. Deze pomp zorgt voor de circulatie van de koudedragervloeistof. Er is voor een verdringingspomp gekozen omdat de pomp goed zelfaanzuigend moet zijn en de druk over de eventueel toegepaste nozzles moet overwinnen indien tijdens het ontladen gekozen wordt voor een niet vloeistof gevulde koude accu.


11

pomp worden opgebouwd. De druk die de lucht verliest moet door de ventilator worden overwonnen.

Afbeelding 2.11: opengewerkte verdringingspomp Warmtewisselaar De lucht in de oplegger wordt gekoeld door middel van een warmtewisselaar. Een typische schematische weergave is te vinden in afbeelding 2.12. Koude koudedrager vloeistof loopt door koperen pijpen in de warmtewisselaar (cooling fluid). De lucht in de oplegger wordt door middel een ventilator langs de aluminium lamellen van de warmtewisselaar geblazen (gasflow).

Afbeelding 2.12: schematische weergave warmtewisselaar De warmte uit de lucht wordt opgenomen door de koudere vloeistof. De lucht koelt daarbij af. Het gaat hier om een kruisstroom wisselaar. De vloeistofstroom bevindt zich loodrecht op de luchtstroom. Een belangrijke eigenschap van een warmtewisselaar is de hoogte van de drukval in beide media. Zowel de koudedrager vloeistof en de lucht verliezen tijdens het stromen druk over de warmtewisselaar. De druk die de vloeistof verliest in de warmtewisselaar moet door de

De drukval van de lucht hangt af van een aantal factoren. • Stromingssnelheid. • Als de stromingssnelheid van de lucht toeneemt, kan de lucht meer koude uit de vloeistof opnemen binnen een klein temperatuurtraject. Het nadeel is dat de lucht bij een hoge stromingssnelheid een hogere weerstand ondervindt in de warmtewisselaar en de drukval zal toenemen. • De afmetingen. • De grootte (lengte, breedte en de diepte) van de warmtewisselaar is ook bepalend. Wanneer de warmtewisselaar langer en breder wordt zal het doorstroomd oppervlak toenemen en de drukval afnemen omdat de lucht minder weerstand ondervindt. Dit in tegenstelling tot wanneer de warmtewisselaar dieper wordt. Dan zal de drukval toenemen. • De aluminium lamellen. • Deze zijn ook bepalend voor de drukval. Als de afstand tussen de lamellen kleiner wordt, kunnen er meer lamellen in een warmtewisselaar geplaatst worden. Het warmtewisselende oppervlak zal toenemen en het uitgewisselde koude vermogen van de warmtewisselaar ook. Dit omdat er meer lucht gekoeld kan worden. De drukval zal echter ook toenemen omdat de lucht nu meer weerstand ondervindt van de warmtewisselaar. De drukval van de vloeistof hangt van de stroomsnelheid en buisdiameter. • Wanneer het debiet hoog is, en de luchtsnelheid blijft gelijk, zal het vloeistofzijdig temperatuurverschil klein zijn. De verschiltemperatuur tussen de te koelen lucht en de vloeistof zal gemiddeld


12

hoger zijn. Hierdoor zal de lucht meer warmte kwijt kunnen en wordt het vermogen van de warmtewisselaar hoger. Het nadeel van een hoog debiet is dat de vloeistofzijdige drukval hoog is.

Voor al de hierboven staande eigenschappen van een warmtewisselaar moet een optimum gevonden worden. De warmtewisselaar is een essentiële component in de installatie. Het vermogen van de pomp en de ventilator worden bepaald door de eigenschappen van de warmtewisselaar.

Afbeelding 2.13: De gebruikte warmtewisselaar


13

2.3.4 Luchtzijdige componenten Hier wordt de luchtzijdige koudebenutting besproken, waarbij de koude accu wordt ontladen. De volgende onderdelen luchtzijdig systeem: • Ventilator • Luchtslang

horen

bij

het

Het principe van het luchtzijdig functioneren is als volgt. Warme lucht wordt de warmtewisselaar ingezogen. De lucht wordt afgekoeld in de warmtewisselaar. Daarna wordt het door middel van een ventilator twee luchtslangen in geblazen.


14

Ventilator Achter de warmtewisselaar bevindt zich een ventilator om warme lucht aan te zuigen en koude lucht weg te blazen. Ventilatoren kunnen grofweg worden ingedeeld in 3 categorieën, namelijk: axiaal ventilatoren, radiaal ventilatoren en dwarsstroom ventilatoren. Axiaal ventilatoren veranderen de richting van de luchtstroom niet, maar produceren een swirl in de luchtstroom. Het bekendste voorbeeld hiervan is een tafelventilator. Radiaal ventilatoren veranderen de richting van de luchtstroom wel. Het bekendste voorbeeld hiervan is een centrifugaal ventilator. De lucht wordt axiaal (vanaf 1 punt) aangezogen en radiaal uitgeblazen. Bij de testopstelling is gebruik gemaakt van een dwarsstroom ventilator. In grafiek 2.1 is te zien dat centrifugaal ventilatoren een hoge druk aankunnen, maar dan een kleine volumestroom produceren. De “pressure loss curve” laat het drukverlies van de ventilator als functie van de volumestroom zien. De axiaal ventilator kan een groot volume met een kleine druk produceren. De dwarsstroomventilator (cross-flow fan) zit hier precies tussenin.

eigenschappen een ventilator in deze installatie moest voldoen is voor deze dwarsstroom ventilator gekozen. Voor de dwarsstroom ventilator zie afbeelding 2.15.

Afbeelding 2.15: Dwarsstroomventilator Door de brede uitblaaszijde wordt een gelijkmatige luchtverdeling gemaakt. Doordat de lucht over een grote oppervlakte uitgeblazen wordt, zijn de luchtwervelingen klein. De volumestroom wordt geregeld door middel van het toerental van de ventilator. In afbeelding 2.16 is de uitstroming van de dwarsstroomventilator te zien.

Afbeelding 2.16: uitblaas dwarsstroomventilator Grafiek 2.1: Druk als functie van het debiet (bron: www.sanyodenki.co.jp)

De ventilator heeft de opzet van een radiaal ventilator en de eigenschappen van een axiaal ventilator: lage druk, hoog volume. Omdat van te voren niet duidelijk was aan welke

De compacte bouwgrootte en de geluidsdruk van de ventilator zijn nog twee belangrijke voordelen. Doordat de dwarsstromers zeer compact zijn, zijn ze gemakkelijk in te bouwen.


15

Luchtslangen Voor een goede verdeling van de koude lucht in de oplegger, wordt er gebruik gemaakt van luchtslangen. Deze luchtslangen zijn aangesloten op de uitblaaszijde van de warmtewisselaar. De lengte van deze luchtslangen is 10 meter. Elke 20 centimeter zit er een gat in de slangen. De functie van deze slangen en gaten is om zowel voor als achter in de oplegger een gelijkmatige temperatuur te bereiken. Op afbeelding 2.17 is de luchtslang te zien.

Afbeelding 2.18: De schakelkast in de oplegger

Afbeelding 2.17: Luchtslangen in de oplegger

2.3.5 Elektrotechnische componenten Voor de volledigheid worden in deze paragrafen de benodigde elektrotechnische componenten gepresenteerd en kort beschreven. De volgende elektrische onderdelen worden onderscheiden: • Motoren • Regelaars voor de motoren • PLC Regeling • Hygrostaat regelkast • Flowmeters • Meting opgenomen vermogen m.b.v. shuntweerstand • 24V voeding • Data acquisitiesysteem

De motoren De motoren zorgen voor de fysieke aandrijving van de ventilator en de pomp. Beide motoren zijn permanentmagneet gelijkstroom motoren van het merk Alpatek. De motoren worden aangestuurd door de regelaar. Regelaars voor de motoren Voor elk van de motoren is een regelaar aanwezig. De regelaars krijgen een signaal van de PLC (Siemens), variërend van 0,2 tot 4 Volt, binnen. Deze wordt door de regelaar omgezet naar een spanning van 0 tot 36 Volt, waarmee het toerental wordt ingesteld. De regelaar is weergegeven in afbeelding 2.20.

Voor het elektrische hoofdstroomschema wat voor het testmodel is gebruikt verwijzen wij naar In afbeelding 2.18 is de schakelkast welke zich in de oplegger bevindt te zien. Ontwikkelen en testen van een eutectisch transportkoelingssysteem ROB 0377-03-01-01-001

16

voorkomen dat er elektrotechnische storingen optreden in deze kast. In afbeelding 2.22 is dit apparaat weergegeven.

Afbeelding 2.22: de hygrostaat Afbeelding 2.20: Regelaar voor de motor en ventilator. De PLC regeling In de testopstelling wordt gebruik gemaakt van een PLC voor het aansturen van zowel de pomp en de ventilator. De PLC regelt ventilator en pomp op basis van de actuele toestand in de oplegger. Voor het vaststellen van de toestand worden de opleggertemperatuur, deur open/dicht, de vloeistoftemperatuur, de aanzuigtemperatuur en de inblaastemperatuur gemeten. Er is tevens een handbediening voor ventilator en pomp aangebracht, die de signalen uit de PLC kan overrulen. In afbeelding 2.21 is de PLC te zien.

Flowmeters Er zijn twee flowmeters opgenomen in het systeem. Een in het landzijdig station en een in het boordzijdig station. De flowmeter in het landzijdigstation meet het debiet tijdens opladen van de koudeaccu. De flowmeter in het boordzijdig systeem meet het debiet in het warmtewisselaar circuit. De gebruikte flowmeters zijn magnetische (inductieve) debietmeters. Een magnetisch inductieve debietmeter werkt met weinig mechanische onderdelen, is nauwkeurig en heeft een lage stromingsweerstand. In afbeelding 2.23 is de flowmeter welke in het landzijdig station zit te zien. In afbeelding 2.24 is de flowmeter te zien die in het boordzijdige systeem zit.

Afbeelding 2.21: Siemens PLC van het type S7200. Hygrostaat De hygrostaat zorgt voor het regelen van de relatieve vochtigheid in de schakelkast om te

Afbeelding 2.23: De magnetische debietmeter, landzijdig station


17

Afbeelding 2.24: De flowmeter in de boordzijdige installatie. Vermogensmeting met shuntweerstand Het opgenomen vermogen van het boordzijdig systeem in de verschillende toestanden is een belangrijke uitvoergrootheid tijdens de testen van het systeem. Omdat er een spanning van 24V aanwezig is, zijn de stromen hoog (afgezekerd met 160A). Deze zijn voor een digitale ampèremeter niet te meten, dus wordt er een shuntweerstand in de schakeling opgenomen. Een shunt weerstand heeft een zeer nauwkeurige lage weerstand (milli-ohm). Voor de vermogensmeting wordt gebruik gemaakt van een meetwaarde omzetter. Deze heeft als ingangen de systeemspanning en de spanning over de shunt, het uitgangssignaal is het totaal van het opgenomen vermogen van het systeem.

Afbeelding 2.25: Vitron 24V DC voeding Data acquisitiesysteem PRONET is het data-acquisitie systeem dat gebruikt is voor de verwerking van de meetdata. Dit wordt uitsluitend tijdens de testen gebruikt om relevante informatie over de systeemprestaties te verzamelen. PRONET zal geen deel uitmaken van het uiteindelijke systeem op de oplegger.

Voeding Omdat rijdend testen niet mogelijk was, is er een aparte 24 V voeding gebruikt. Op afbeelding 2.25 is deze voeding te zien.


18

Hoofdstuk 3 Keuze elementen voor het Eutectisch koelsysteem 3.1 Inleiding Er wordt gestreefd naar het ontwikkelen van een koelsysteem voor de transportsector dat in korte tijd kan worden opgeladen. Dit betekent dat het PCM in korte tijd van fase moet veranderen tijdens het opladen. De snelheid waarmee deze faseovergang plaatsvindt wordt hoofdzakelijk bepaald door de de geometrie van de elementen waarin het PCM wordt opgeslagen en het materiaal waarvan deze elementen zijn gemaakt. Het PCM dat gebruikt wordt is afkomstig van het bedrijf TEAP en is gebaseerd op water met zouthydraten. Het PCM is niet giftig, onbrandbaar en onschadelijk voort het milieu, maar wel corrosief.

3.2 Geometrie Er zijn verschillende vormen om het PCM in in te kapselen, te weten •

Bol

•

Cilinder

•

Vlakke elementen

•

Dampdicht

•

Geschikt voor dunwandige geometrieën

•

Chemisch resistent zijn tegen PCM

3.3 Veiligheid De gekoeld transport sector is zeer beducht voor het optreden van lekkages van ‘chemische’ stoffen in de laadruimte die mogelijk de lading kunnen aantasten. Het is derhalve van groot belang dat de koudetransport vloeistof die gecirculeerd wordt over de luchtkoeler in de laadruimte voedselveilig is. Voor het PCM dat gebruikt wordt in de elementen wordt dezelfde klasse van voedselveiligheid toegepast als voor de koudetransport vloeistof. Eventuele lekkage van dit PCM uit de elementen zal derhalve geen veiligheidsrisico opleveren

De verhouding tussen inhoud en oppervlak van een element bepaalt hoe snel een element gevuld met PCM kan worden opgeladen. Hoe groter de verhouding oppervlak/inhoud des te sneller kan het element worden opgeladen. Voor vlakke elementen valt deze verhouding het meest gunstig uit.

3.1.2 Materiaalkeuze Om tot een goede materiaalkeuze te komen moet een duidelijk eisenpakket aan het materiaal worden gesteld. Het materiaal moet voldoen aan de volgende eisen: •

Lage dichtheid


19

Hoofdstuk 4 Prestaties van het Eutectisch koelsysteem 4.1 Inleiding Het testsysteem was oorspronkelijk opgezet om getest te worden op de weg. Echter het gerealiseerde testsysteem bleek niet geschikt voor testen op de weg. Er is derhalve gekozen voor binnen testen in een hal onder gecontroleerde extreme condities buiten de oplegger. Alle elementen van de rit worden daarbij zo goed mogelijk nagebootst, behalve dan dat de oplegger rijdt. Er wordt een proeflading gebruikt, periodiek gaat de deur open en wordt een deel van de lading uit de oplegger gereden.

4.2 Ontwerp kist van de koude accu De omhulling van de kist is opgebouwd uit een sandwichconstructie met aan de buitenzijde een vezelversterkte polyester en aan de binnenzijde een isolerend schuim. De kist is door een externe partij doorgerekend op constructieve sterkte, rekening houdend met de belastingen die op de weg voor kunnen komen.

4.2.1 Simulatie distributierit In de praktijk duurt een flinke distributierit ongeveer 10 uur. Om praktische redenen wordt tijdens het testen in de hal uitgegaan van een distributierit van 6-8 uur uur. Er is gedurende de gehele beproeving uitgegaan van extreme condities buiten de oplegger: buitentemperatuur 30 graden en RV ca 3540%. De RV lijkt op het eerste gezicht niet extreem, maar in Nederland komen bij buitentemperaturen van 30 C geen hogere waarden van de RV voor dan 40%. Ook komt het niet voor in Nederland dat het 8 tot 10 uur achtereen 30 C met een RV van 35% is. De lading wordt met een bepaalde temperatuur de oplegger ingereden, bij voorkeur is dit de gewenste koeltemperatuur. Omdat buiten de oplegger geen koeling voorhanden was, is de ladingtemperatuur niet altijd op de gewenste koeltemperatuur. Hiermee is bij de interpretatie van de meetresultaten rekening gehouden. De lading bedraagt 8800 kilo (22 karren) met dummy-lading: verpakkingen met water. Elk uur gaat de deur een kwartier open en worden 4 karretjes van de lading uitgeladen. De gewenste temperatuur in de oplegger is 4-7 graden. Op deze manier wordt er een situatie nagebootst onder zware omstandigheden.

4.2.3 Buitentemperatuur

Afbeelding 4.1: oplegger opgesteld in een hal

Gedurende de gehele ritsimulatie wordt de temperatuur en de luchtvochtigheid buiten de oplegger zo constant mogelijk gehouden. De hoge temperatuur buiten de oplegger draagt bij aan het constante “koudeverlies” door de omhulling van de oplegger. Tijdens het openen van de deuren kan er een kleine “dip” ontstaan. Bij open deur stroomt koude lucht uit de oplegger en stroomt warme lucht van buiten de oplegger naar binnen.


20

4.2.4 Relatieve luchtvochtigheid

4.2.5 Binnentemperatuur Tijdens ritten en ook tijdens de ritsimulatie is de binnentemperatuur van de oplegger belangrijk en wordt continu gemonitord. Het is echter lastig om een algemene temperatuur van de oplegger te meten en vast te stellen. Voor een goede temperatuursverdeling wordt de koude lucht door luchtslangen in de oplegger geblazen. In deze luchtslangen zitten aan de onderzijde gaten. Direct na de luchtslangen heerst een andere temperatuur. Bij openstaande deuren verschilt de luchttemperatuur sterk van de ladingtemperatuur en zal de lucht bovenin de oplegger een veel hogere waarde hebben dan de lucht tussen de lading. Voor de ‘algemene’ temperatuur in de oplegger wordt er een sensor middenin de oplegger geplaatst. In afbeelding 4.2 zijn de luchtslangen te zien. Overigens is de verwachting dat het gebruik van luchtslangen tot kleinere temperatuurgradienten leidt binnen de oplegger.

4.2.6 Gedrag pomp en ventilator In de koelinstallatie zitten een paar grote stroomverbruikers. Dit zijn de volgende onderdelen; de motor van de pomp en de motor van de ventilator. Door verschillende bedrijfspunten in te stellen is van beide componenten het stroomverbruik afhankelijk van het doorstroomd debiet bepaald. In afbeelding 3.8 is het stroomgebruik van de ventilator te zien. stroom 20 18 16

stroom

14

stroom in A

De relatieve luchtvochtigheid buiten de oplegger is van significante invloed op de ladingtemperatuur als gevolg van de luchtuitwisseling die optreedt met geopende deuren. Het vocht in de warme binnendringende lucht condenseert daarbij op de koude lading waardoor de lading opwarmt. Dit effect is sterker naarmate de RV van de binnenkomende buitenlucht hoger is.

12 10 8 6 4 2 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Debiet in m3/s

Grafiek 3.8 :stroomgebruik ventilator Het stroomgebruik van de ventilator loopt niet lineair op. Te zien is dat het stroomgebruik oploopt als een 3de macht functie. Voor de pomp is een soortgelijke grafiek bepaald. In afbeelding 3.9 is het resultaat weergegeven.

14 12 Stroom s troom in A

10 8 6 4 2

Afbeelding 4.2: Luchtslangen in de oplegger

0 0

0.1

0.2


0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

21

0.9

1

Debiet in liter/seconde

Grafiek 3.9: stroomgebruik pomp

een doorsnede van een kar te zien. In deze kar zitten 20 kratten met elk 20 pakken proeflading.

Bij de pomp is er ook sprake van een 3de macht verloop van het stroomgebruik. De motor van de pomp vraagt bij volle belasting aanmerkelijk minder stroom dan de motor van de ventilator. De 3de macht functie wordt veroorzaakt door de eigenschappen van de ventilator en de pomp. Hierdoor zijn de eigenschappen van de ventilator en de pomp zijn hetzelfde. Bij gelijkblijvend ventilator/pomp rendement en luchtdichtheid geldt: • Het debiet is evenredig met het toerental • De druk is evenredig met het kwadraat van het toerental • Het opgenomen vermogen is evenredig met het product van druk en debiet en dus evenredig met de derde macht van het toerental. Hieronder volgt de uitleg in formules: Vermogen = Debiet * drukverschil P = Q * ∆p P = m3/s * N/m2 = Nm/s = J/s = W Hierin geldt: P = vermogen in Watt Q = debiet in m3/seconde ∆p = drukverschil in N(ewton)/m2

Afbeelding 4.3: Indeling van de kar t.b.v. de sensoren

De pomp en de ventilator zijn nodig voor warmteoverdracht. Het is belangrijk om een optimum te vinden voor een maximale warmteoverdracht bij een minimaal elektriciteit verbruik van de pomp en ventilator.

4.2.7 Ladingtemperatuur Het gehele gekoeld transport is gericht op het behoud van een (lage) ladingtemperatuur. Om deze reden is de ladingtemperatuur tijdens de ritsimulaties intensief gemonitord. Er zijn sensoren geplaatst verbonden met dataloggers. De plaatsen van de sensoren, om de lading temperatuur te meten, zijn in afbeelding 4.3 te zien. In deze afbeelding is

Afbeelding 4.4: Indeling van de oplegger


22

Sensor 1 van logger 1 zit in rij 1, krat 1 en melkpak 1, de plaatsing hiervan is in afbeelding 4.4 te zien. De plaatsing van de dataloggers zijn nauwkeurig gekozen. Omdat er een temperatuursverschil zou kunnen ontstaan tussen verschillende pakken. Er wordt gemeten aan pakken die zich aan de buitenkant van de kar bevinden en aan pakken die zich middenin de kar bevinden. In totaal zijn 18 tot 20 pakken op deze wijze gemonitord.


23

4.3 Uitgewerkte metingen In verschillende meetsessies is het systeem getest en geanalyseerd. Een typische meetsessie is in dit hoofdstuk gepresenteerd. Daarnaast worden globale resultaten van andere proeven gepresenteerd.

4.3.1 Ladingtemperatuur Tijdens de eerste metingen werd duidelijk dat direct aanblazen van de verpakkingen door lucht uit de slang tot onevenwichtige koudeverdeling kan leiden. Er werd een pak gemeten dat 4 graden was. Vlakbij, 4 pakken verder was een pak aanwezig met een temperatuur van 6 graden. Dit was een te groot verschil. Daarom is er gekozen om de slang 90 graden te draaien en de lucht richting de wand van de oplegger te blazen. Deze wijze van inblazen leidde tot een gunstige verdeling en is steeds zo toegepast.

Algemeen De proeflading bestaat uit 22 RIC’s. Een RIC bevat 400 pakken water van 1 liter. Tevens zijn twee RIC’s met slagroomverpakkingen van 0.25 l gevild met water toegevoegd. Deze RIC weegt circa 250 kg. Doordat buiten de oplegger geen koeling beschikbaar was, was het niet altijd mogelijk om met precies dezelfde ladingtemperatuur te starten. Daarom werd voorafgaand aan de metingen eerst een periode (enkele uren) ingelast met alleen ventilator aan om de lading te “homogeniseren” qua temperatuur en om de begintemperatuur aan te passen. Toch kunnen de afzonderlijke proeven aanmerkelijk in begintemperatuur van de lading verschillen. Het is daarom van belang om niet zozeer naar de absolute waarde van de ladingtemperatuur te kijken, maar vooral naar het opwarmgedrag.

Tijdens het meten is er voornamelijk gekeken naar de ladingtemperatuur ten opzichte van de omgevingstemperatuur. Ook werd gekeken wat het effect was van geopende deur (die een kwartier lang open werd gezet gedurende uitladen van een deel van de lading) ten opzichte van de ladingtemperatuur. Hier volgt een samenvatting van deze gegevens. De gepresenteerde meting is uitgevoerd op 12 april 2006 waarbij op 12 april . De werkwijze in deze proef (en de overige uitgevoerde proeven) was als volgt Afbeelding 4.5: de karren die in de oplegger staan • •

Er komen 22 karren (Roll Inn Container, RIC) in de oplegger In elk uur wordt er 45 min. lang gekoeld, in dat uur wordt er een kwartier lang de deur open gehouden om 4 RIC’s uit te laden; gedurende deze periode staat de koelinstallatie uit.

Proeven De tijdsbalk van de metingen van 12 april is op de volgende pagina te zien.


24

Tijdsbalk (12 april) Tijd Omschrijving (sec) 0 De compressiekoelmachine wordt aangezet om de koude accu in te vriezen. 7350 De compressiekoelmachine wordt uitgezet maar de pomp blijft aanstaan om de accutemperatuur te homogeniseren De ventilator in de oplegger wordt aangezet om de lading te homogeniseren. 10000 De heater en bevochtiger zijn aangezet (om de omgevingstemperatuur te verhogen) 11000 De pomp van de compressiekoelmachine wordt uitgezet. De pomp van het ontlaadcircuit wordt aangezet zodat er nu wordt gekoeld. Dit is de start van de ontlaadproef. 13700 Deur open en er worden 4 RICs uitgeladen ( L11 R11 en L10 R10 ) 14850 Deur dicht 17300 Deur open en er worden 4 RICs uitgeladen ( L9 R9 en R8 L8 ) 18200 Deur dicht 18300 Sproeiers uit (deze zorgen voor de vochtigheid van de ruimte, anders wordt het te droog) 20900 Deur open en er worden 4 RICs uitgeladen ( L7 ( dit is S1) R7 en R6 L6 ) 21800 Deur dicht 21900 Sproeiers aan 24500 Deur open en er worden 4 RICs uitgeladen ( L5 R5 en L4 R4 ) 25400 Deur dicht 28100 Deur open en er worden 4 RICs uitgeladen ( L3 R3 en L2 R2 ) 29000 Deur dicht 31700 Deur open en er worden 2 RICs uitgeladen ( L1 R1 ) 32600 Deur dicht; Einde proef. Ontlaadsysteem uitgezet


25

De ladingtemperaturen van twee sensoren in RIC 4 zijn weergegeven in grafiek 4.1. Kar R4 5 4.8

temp. in graden

4.6 4.4 4.2 4

+.

3.8 3.6

sensor 1 3.4

sensor 2

3.2 3 7500

11100

14700

18300

21900

25500

tijd in sec.

Grafiek 4.1: grafiek van de ladingtemperatuur van 12 april.

Het gaat om de ladingtemperatuur van kar R4, deze staat aan de rechterkant en is het 4e karretje tellend vanaf de voorkant van de oplegger. Met de tijdsbalk van 12 april erbij zien we dat het volgende heeft plaats gevonden: • Vanaf tijdstip 7350 zien we dat de ladingtemperatuur wat hoger wordt tijdens het “homogeniseren”; de ladingvan deze RIC geeft zijn koude af aan de wat warmere RIC’s. • Vanaf tijdstip 11000 wordt de koeling in de oplegger gestart; dit is pas na enige tijd merkbaar op de lading; omdat sensor 1 in een melkpak is geplaatst die bovenop de RIC bevestigd zit, is dit hier duidelijker zichtbaar dat bij sensor 2. Omdat de melkpakken rondom sensor 2 warmer zijn dan het melkpak zelf van sensor 2, zien we ook dat het melkpak zijn ‘extra’ koude afgeeft aan de andere pakken. • Als we de tijdstippen van 13700, 17300 en 20900 bekijken zien we duidelijk dat de open gaande deur veel invloed heeft op de ladingtemperatuur van de bovenste melkpakken in een RIC (sensor 1). Omda de verpakking met sensor 2 omringd

•

wordt door andere pakken wordt deze minder sterk beïnvloed. Vanaf tijdstip 24500 wordt kar R4 uitgeladen en naar een ruimte gebracht waar de temperatuur rond de 15 ligt en we zien daarom ook dat de ladingtemperatuur vanaf dat moment oploopt.


26

In grafiek 4.2 wordt het uitgestuurde vermogen weergegeven dat de luchtkoeler in de laadruimte afgeeft. Omdat de toestand van zowel de intredende en uittredende lucht zijn gemeten is het mogelijk om de geleverde koude te splitsen in een voelbaar en latent deel. Grafiek 4.2 vertoont 3 soorten vermogens: • Luchtzijdig voelbaar vermogen, dit omvat de temperatuurverlaging van de lucht • Latent vermogen, dit omvat de waterdamp die op het koelblok condenseert • Totaal vermogen: de som van voelbaar en latent

Het is nu interessant om het geleverde koelvermogen te beschouwen. De deur, gaat op volgende tijdstippen open: 14850, 18200, 21900 en 25400. Dit is in grafiek 4.2 te zien aan de hoge vermogens die geleverd worden door het systeem vlak na deur openen. Deze hoge vermogens ontstaan omdat de luchttemperatuur tijdens opening behoorlijk is gestegen en een hoge warmteoverdracht ontstaat in de warmtewisselaar als gevolg van de relatief hoge luchttemperatuur.

WW vermogen 12 april

16

14

12 totaal vermogen latent vermogen

vermogen in kW

10

luchtzijdig (voelbaar) vermogen

8

6

4

2

0 0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

-2

-4

tijd in sec.

Grafiek 4.2: vermogen van de WW op 12 april.


27

4.3.2 Temperatuur in de oplegger De temperatuur in de oplegger is belangrijk in de beeldvorming omtrent de toestand van de lading. Is deze temperatuur hoog dan kan dat als effect hebben dat de lading opwarmt en ligt deze dicht bij de gewenste ladingtemperatuur dan wordt ervan uitgegaan dat de ladingtemperatuur in ieder geval niet als gevolg van een te hoge luchttemperatuur gaat afwijken van de gewenste temperatuur. De luchttemperatuur is gemakkelijk te meten, dit in tegenstelling tot de ladingtemperatuur. In de praktijk wordt in eerste benadering de luchttemperatuur als benadering voor de ladingtemperatuur gehanteerd. De temperatuur in de oplegger moet goed gestuurd worden om zo de ladingtemperatuur (waar het eigenlijk allemaal om gaat) op een bepaalde temperatuur

te behouden. In grafiek 4.3 is de temperatuur in de oplegger samen met de omgevingstemperatuur te zien als functie van de tijd.

•

•

Op tijdstip 10000 werd de heater buiten de oplegger aangezet, de “buitentemperatuur” gaat van 15 graden naar ongeveer 28 graden (sensor 2). Het verloop van de binnentemperatuur heeft een aantal pieken en dalen, de oorzaak hiervan ligt aan de momenten waarop de deur open en dicht wordt gedaan. De deur wordt op de volgende tijdstippen geopend: 13700, 17300, 20900, 24500, 28100 en 31700.

temperatuurverloop binnen en buiten 30 27 24

temperatuur in de oplegger temp. in graden

21

omgevingstemperatuur

18 15 12 9 6 3 0 0

3600

7200

10800

14400

18000

21600

25200

28800

32400

tijd in sec.

Grafiek 4.3: Temperatuurverloop van de binnen en” buiten” temperatuur Samenvatting proef Ook zijn metingen herhaald om de De grafieken 4.1 t/m 4.3 geven een beeld van het reproduceerbaarheid van de verkregen proefverloop en van enkele belangrijke resultaten vast te stellen. meetresultaten tijdens de mestsessie van 12 april. Het belangrijkste beoordelingscriterium is de In totaal zijn er zo 14 meetsessies uitgevoerd, mate waarin de lading haar temperatuur waarbij verkenningen uitgevoerd zijn naar de behoudt. In figuur 4.2 is alleen het resultaat van effecten van verschillende bedrijfsvoeringen. een deel van de proeflading tijdens de proef van


28

12 april weergegeven, tijdens de beproeving is op 18 tot 20 plaatsen de ladingtemperatuur gemeten (zie afbeelding 4.4). Het resultaat van een proef kan goed gekarakteriseerd worden door de volgende grootheden: Tav – gemiddelde van alle gemeten ladingtemperaturen dTav - de verandering van Tav gedurende de gehele proef dTmax - de voorgekomen maximale opwarming: positieve lading temperatuur verandering gemeten met een ladingtemperatuur sensor dTmin - de voorgekomen maximale afkoeling: negatieve ladingtemperatuur verandering gemeten met een ladingtemperatuur sensor

De resultaten van de hiervoor beschreven meting van 12 april laat zich dan als volgt samenvatten: Tav = 5.1°C; dTav = 0.08° C; dTmax = 0.9 °C dTmin = -0.27 °C Gemiddeld warmde de lading dus heel weinig op, er waren zelfs delen van de lading die gedurende de proef zijn afgekoeld, en de gemeten maximale opwarming gedurende de gehele proef bedraagt minder dan 1 °C! Een goed resultaat bij “buiten” omstandigheden rond 30 °C!

I


29

5 Elektriciteitsvoorziening 5.1 Inleiding In de oplegger bevinden zich 2 elektrische accu’s. Deze elektrische accu’s worden tijdens het rijden opgeladen door de dynamo van de trekker. De elektrische energie die door de trekker wordt opgewekt wordt zowel door de trekker als door de oplegger gebruikt. De elektrische accu’s van de oplegger worden normaal gesproken alleen gebruikt voor de laadklep en de verlichting van de oplegger. Het is de bedoeling dat deze accu’s ook de elektrisch aangedreven koelinstallatie gaan voeden. In dit hoofdstuk wordt de elektrische energie balans opgemaakt.

Afbeelding 5.1: accu van de oplegger

5.2 Accu’s Er zijn in de oplegger 2 DAF accu’s in serie geschakeld. Dit type is te zien in afbeelding 5.1. De spanning van een enkele accu is 12V. Omdat ze in serie zijn geschakeld is de spanning die nu wordt geleverd 24V. De specificaties zijn te zien in tabel 5.1. Spanning

12 V

Capaciteit

175 ah

Aantal accu’s Totale spanning

2 24 V

Totale capaciteit

175 Ah

Energie inhoud

4200 Wh

Maximale piekstroom

900 A

De elektrische accu’s worden doorgaans alleen gebruikt voor de laadklep en de verlichting. Het vermogen wat de verlichting in de oplegger verbruikt is te verwaarlozen. Het duurt ongeveer 1 minuut om de laadklep helemaal omhoog te halen. Als deze klep leeg is, vraagt de motor van de laadklep 1 minuut lang 42 ampère. Als de laadklep gevuld is met 2 karretjes vol met zuivel (+/- 1000kg) vraagt de motor van de laadklep 1 minuut lang 47 ampère. Dit lijkt veel, maar omdat dit de benodigde stroom is bij 24V valt het vermogen mee. Deze elektrische accu’s worden gevoed door de dynamo van de trekker van de oplegger. Het is de bedoeling dat de elektriciteitsvoorziening welke nu aanwezig is in de trekker en de oplegger de koelinstallatie gaan voeden. Om te kunnen bepalen of de elektriciteitsvoorziening die zich nu in de trekker bevindt voldoende is voor de voeding van de koelinstallatie en de laadklep van de oplegger is er een nauwkeurige inschatting gemaakt van het elektriciteitsverbruik van de koelinstallatie. De bedrijfsuren die vermeld staan in tabel 5.2 zijn een goede inschatting. Deze zijn gemaakt in samenwerking met Bakker Logistiek. Bedrijfstijd vrachtwagen per dag Tijd laden en lossen (koelinstallatie uit)

10 uur 3,5 uur

Tijd rijden en stilstaan (koelinstallatie aan)

6,5 uur

Tabel 5.2: bedrijfsuren koelinstallatie

Tabel 5.1: specificaties accu


30

5.3 Opwekking energie Voor de gegevens van een dynamo hebben we specificaties van een DAF gebruikt 95XF (Bron: www.daf.nl en www.giessendam.nl). De gegevens van deze DAF zijn representatief voor andere modellen vrachtwagens. Voor deze vrachtwagen is een standaard dynamo beschikbaar. Ook is er een grote dynamo optioneel verkrijgbaar. In tabel 5.3 zijn de specificaties van de standaard dynamo te vinden. In tabel 5.4 zijn de gegevens van de grote dynamo te vinden.

Spanning 24 V Laadstroom stationair 35 A Laadstroom 1900 RPM 80 A Tabel 5.3: Dynamo capaciteit vrachtwagen DAF 95 Spanning 24 V Laadstroom stationair 40 A Laadstroom 1900 RPM 100 A Tabel 5.4: Dynamo capaciteit vrachtwagen DAF 95 met optioneel grote dynamo In tabel 5.5 is de dagelijkse elektriciteitsproductie uitgewerkt aan boord van de trekker.

Laadstroom (A)

Tijdsduur (h)

Duur distributierit

10

Uitladen (motor uit)

3.5

Uitladen (motor stationair)

3.5

Onderweg (rijden en stilstaan)

6.5

Energieopwekking Wh

Kleine dynamo Stationair draaien van de motor (standaard dynamo)

35

1.625

1365

Volluit draaien van de motor (standaard dynamo)

80

4.875

9360

Extra als de motor tijdens het uitladen aanstaat

35

3.5

2940

Totaal opgewekte energie over de gehele dag

10725

Totaal opgewekte vermogen de gehele dag (met uitladen motor aan)

13665

Grote dynamo Stationair draaien van de motor (grote dynamo) Volluit draaien van de motor (grote dynamo)

Extra als de motor tijdens het uitladen aanstaat

40

1.625

1560

100

4.875

11700

40

3.5

3360

Totaal opgewekte energie de gehele dag

13260

Totaal opgewekte energie de gehele dag (met uitladen motor aan)

16620

Tabel 5.5: energie opwekking aan boord van de trekker


31

Er is onderscheid gemaakt tussen de in tabel 5.3 besproken kleine dynamo en in tabel 5.4 besproken grote dynamo. Aan de hand van de gewone dynamo wordt deze tabel toegelicht. De motor van de vrachtwagen draait normaal gesproken tijdens een distributierit 6,5 uur (tabel 5.2). De overige 3,5 uur is de motor uitgeschakeld omdat de chauffeur aan het uitladen is. Van deze 6,5 uur draait de motor 75% van de tijd (4,875 uur) op volle toeren (1900 RPM). Er wordt dan een stroom van 80A opgewekt. De overige tijd (1,625 uur) draait de motor stationair (stoplichten etc.) en wekt de dynamo 35A op. De totaal opgewekte energie over een hele dag gezien is nu 10725 Wh. Er kan gekozen worden om de motor, tijdens het uitladen ook stationair te laten draaien. Als dit gebeurt, is de totaal opgewekte energie 13665 Wh. Alle genoemde vermogens en stromen gelden bij een voedingsspanning van 24V DC. Het onderste gedeelte van tabel 5.5 geeft de situatie weer wanneer er gebruik wordt gemaakt van een optioneel grote dynamo. De afgegeven energie bedraagt in dezelfde situatie als hierboven beschreven 13260 Wh. Als de vrachtwagen stationair draait tijdens het uitladen bedraagt de opgewekte energie 16620 Wh.


32

5.5 Dagsimulaties Tijdens de metingen is er een goed beeld ontstaan van de vermogens die gedurende de dag worden verbruikt door de koelinstallatie. In tabel 5.8 is een opsomming te zien van de elektrische verbruiken gedurende een dag, vergeleken met het opgewekte vermogen gedurende de dag. Het gemiddelde stroomverbruik van de ventilator en de pomp is bepaald aan de hand van de metingen. De pomp heeft tijdens de metingen over de gehele dag gezien, gemiddeld 2,7 A gebruikt. Voor de ventilator geld 4 A. Tijdens

Stroom (A) Energieverbruik trekker (24V)

deze metingen werd de temperatuur in de oplegger, na het openen van de deur, steeds geleidelijk terug gebracht naar de gewenste temperatuur. De pomp en de ventilator hebben beide niet volluit gedraaid tijdens deze dag. De laadklep vraagt tijdens het gebruik een stroom van 47 A, ongeacht het hoeveelheid gewicht. In de tabel 5.8 is te zien dat de standaard dynamo niet genoeg energie opwekt om de trekker en de koelinstallatie te voeden. Als men toch met een standaard dynamo de trekker en de koelinstallatie wil voeden moet men de motor van de trekker tijdens het uitladen laten draaien. Een optioneel grotere dynamo zou wel volstaan.

Tijdsduur (h)

Frequentie (per dag) Gehele dag door

Energie-verbruik (Wh)

50

6.5

7800

Laadklep

47

0.04

20

902.4

Pomp (gemiddeld verbruik)

2,7

0.75

10

486

4

0.75

10

720

6

0.25

10

600

2.5

1

10

360

Energieverbruik oplegger (24V)

Ventilator (gemiddeld verbruik) Meetsysteem 0verig Energieverbruik total

10868.4

Verschil opwekking-verbruik standaard dynamo

-143.4

Verschil opwekking-verbruik grote dynamo

2391.6

Verschil tussen opwekking-verbruik standaard dynamo als de motor tijdens het uitladen aanstaat

2796.6

Verschil tussen opwekking-verbruik grote dynamo als de motor tijdens het uitladen aanstaat

5751.6

Tabel 5.8: Elektriciteit opwekking vs. elektriciteitsverbruik


33

Hoofdstuk 6 Resultaten 6.1 Inleiding

6.2 Besparingen Het toepassen van het eutectisch koelsysteem leidt tot substantiële reducties in jaarlijkse CO2 emissies en energiekosten. Voor één oplegger uitgerust met een eutectisch koelsysteem zijn de reducties bepaald.

Voor de nieuwe situatie is hetzelfde gedaan voor het systeem met eutectische koeling. Daarbij is onderscheid gemaakt tussen het elektriciteitsverbruik van het landzijdig station, dat geleverd wordt door het net, en het verbruik door het boordzijdig systeem, dat geleverd wordt door de dynamo van de trekker. Dit laatste gebruik wordt omgerekend in een extra dieselverbruik door de trekker.

Energie gebruik koelunit TOEKOMSTIGE SITUATIE bij gelijke koudebehoefte als in huidige situatie

Energie gebruik koelunit HUIDIGE SITUATIE koudevermogen koelunit vollasturen koudevraag COP koelinstallatie aandrijfenergie Dieselstookwaarde efficiency dieselmotor Dieselvb spec. CO2 emissie CO2 emissie

12 600 7200 0.9 8000 36 25% 3200 115200 0.08 2.8 8960

kW uur/jaar kWh

koudevraag COP koelinstallatie

kWh MJ/lit

Elektriciteitsverbruik spec. CO2 emissie CO2 emissie

lit/jr MJ/jr kg/MJ kg/lit kg CO2/jr

Dieselkosten dieselprijs 0.95 Euro/lit Totale dieselkosten 3040 Euro/jr Tabel 6.1 Energie gebruik huidige situatie

In tabel 1 is het energiegebruik in de huidige situatie weergegeven. Daarbij is uitgegaan van de standaard toegepaste koelcapaciteit van 12 kW op een oplegger van 13 m lang. De jaarlijkse koudevraag is geraamd op 7200 kWh koude. Dit komt ruwweg overeen met het recentelijk door Bakker Logistiek opgegeven jaarlijks dieselverbruik voor koude. Op basis van dit koudeverbruik is de jaarlijkse CO2 emissie als gevolg van het dieselverbruik door de koelinstallatie en de jaarlijkse energiekosten berekend.

7200 kWh/jr 2.5 (incl pomp & ventilator) 2880 kWhe/jr 0.61 kg/kWh 1757 kg CO2/ jr

Extra elektraverbruik op de wagen, te leveren door dynamo dit kost extra diesel in de trekker elektriciteitsvb oplegger 3100 Wh/dag 312 dagen/jr elektriciteitsvb oplegger 967 kWh/jr dynamo efficiency efficiency dieselmotor

spec. CO2 emissie CO2 emissie

80% 25% 17410 484 2.8 1354

MJ diesel/jr liter diesel/jr kg/lit kg CO2/jr

Totaal CO2 emissie

3111 kg CO2/jr

Energiekosten Elektriciteit Elektriciteitsprijs Elektriciteitskosten

2880 kWh 0.08 Euro/kWh 230.4 Euro/jr

Dieselverbruik dieselprijs dieselkosten

484 lit. diesel/jr 0.95 Euro/lit 459 Euro/jr

Totaal energiekosten

690 Euro/jr

Tabel 6.2 Energieverbruik met eutectische koeling


34

In tabel 6.3 is de reductie in CO2 emissie en de besparing in energiekosten weergegeven.

Reductie CO2 emissie oud systeem nieuw systeem Reductie CO2 emissie

8960 kg CO2/jr 3111 kg CO2/jr 5849 kg CO2/jr

ENERGIEKOSTENBESPARING oud systeem 3040 Euro/jaar nieuw systeem 690 Euro/jaar Energiekostenbesparing 2350 Euro/jaar Tabel 6.3 Reductie in CO2 emissie en energiekostenbesparing

Zoals uit tabel 6.3 blijkt bedraagt de jaarlijkse CO2 emissie reductie voor de koeling van één oplegger 5.8 ton CO2/jaar, dit is een reductie van 65 %. De besparing in energiekosten bedraagt 2350 Euro/jaar wat overeenkomt met een reductie van 77%. Interessant is om vanuit dit specifieke resultaat (namelijk één specifieke transporteur werkend voor één specifieke sector) het totale potentieel voor Nederland te ramen. In de subsidieaanvraag is een potentieelschatting gedaan voor 2010. Daarbij is uitgegaan van een totaal aan koudeopwekkingsvermogen van 69900 kW. Omgerekend naar equivalente koelunits van 12 kW betekent een aantal van 5825 units. Met dit aantal is in tabel 6.4 het potentieel aan CO2 reductie berekend. Geraamd koudevermogen volgens Tewi berekening Capaciteit per koelunit Aantal equiv. koelunits

69900 kW

Reductie CO2 emissie

34071 ton CO2/jr 34.1 kton CO2/jr

12 kW 5825 units

reductie CO2 equivalent van HFC-134a Volgens Tewi berekening 59 kg CO2eq/kW Reductie CO2eq emissie 4124 ton CO2/jr 4.12 kton CO2/jr

Tabel 6.4 Potentiële besparing van eutectisch transportkoelsysteem

De totale reductie van 34.1 + 4.12 = 38.2 kTon CO2 reductie/jaar is daarmee minder dan in de oorspronkelijke subsidieaanvraag is aangegeven: daar is uitgegaan van een schatting van 150 kton CO2 reductie per jaar bij toepassing van dit systeem. Het verschil komt voort uit het aangenomen aantal vollast uren voor transportkoelsystemen. In de voorbeeldberekening van tabel 6.1 is uitgegaan van 600 uren, ten tijde van de subsidieaanvraag is uitgegaan van 2000 vollasturen. Het is in de sector van het gekoeld transport uitermate lastig om een goed beeld te krijgen van het aantal vollasturen dat gemaakt wordt. Binnen dit project is gebleken dat dit afhangt van het soort transport, het aantal uren dat deuren open staan, de toegepaste regelstrategie van de koelunit op de wagen, de mate waarin wagens ’s zomers eventueel extra ingezet worden ten opzichte van de winter enzovoort. Geconstateerd kan worden dat 600 uur een relatief lage waarde is, 2000 uur is aan de hoge kant, de waarheid zal hier ergens tussen in liggen. Daarnaast is de reductie per koelunit zoals gerealiseerd in ons testmodel minder dan verwacht ten tijde van de subsidieaanvraag. Daar zijn de volgende kanttekeningen bij te plaatsen. In de berekening zoals hierboven weergegeven is geen rekening gehouden met een gereduceerde koudebehoefte als gevolg van de verbeterde koudehuishouding in de laadruimte door de wijze van klimatisering met het eutectisch koelsysteem. Betere regelbaarheid en gelijkmatige koudeverdeling via een luchtslang leveren ook een besparing op. Vooralsnog is het lastig om de exacte besparing van het totale systeem te bepalen, maar een koudebehoefte reductie van circa 20 % wordt realistisch geacht. Het boordzijdig elektriciteitsverbruik is in het testmodel nog vrij hoog. Dit kan door keuze van andere componenten naar verwachting nog met 30-50% gereduceerd worden.


35

In dat geval bedraagt de CO2 emissie (zie tabel 6.2) van het eutectisch koelsysteem: Koudevraag: 0.8 * 1757 = 1405 kg CO2/jr Elektriciteitsbehoefte oplegger: 0.5 * 1354 = 677 kg CO2/jr Totale CO2 emissie: Totaal 2082 kg CO2/jr Daarmee is een reductie per oplegger (zie tabel 6.3) van 6878 kg CO2/jr te bereiken, het totale potentieel (zie tabel 6.4) wordt dan 40.1 kton/jr, inclusief de CO2eq van HFC-134a wordt de reductie 44.2 kton/jr. Met deze extra verbeteringen aan het systeem wordt de ten tijde van de subsidie aanvraag verwachte CO2 reductie per koelsysteem dicht benaderd. Immers, door de geraamde CO2 reductie ten tijde van de subsidieaanvraag te corrigeren voor het aantal bedrijfsuren wordt het volgende resultaat verkregen: 150 kton CO2/jr * 600 / 2000 = 45 kton CO2/jr Dit ligt dicht tegen de hierboven berekende besparing van 44.2 kton/jr die verwacht wordt, indien de voorziene reductie in elektriciteitsverbruik door het boordsysteem gerealiseerd wordt.

6.3 Evaluatie van het eutectisch koelsysteem

Het elektriciteitsverbruik van het boordzijdig systeem moet geleverd worden door de dynamo van de trekker. Door een grotere dynamo te installeren kan dit zonder meer gerealiseerd worden. De potentiële kwaliteitsverbetering van het gekoeld transport zelf als gevolg van een verbeterde koudedistributie over de lengte van de oplegger worden zowel door Bakker Logistiek als door Friesche Vlag positief gewaardeerd. Daarnaast is er een positieve verwachting ten aanzien van de reductie in onderhoudskosten aan het boordzijdig systeem. Beide partijen hebben vertrouwen in het systeem. De logistiek van het laden van de koude accu moet zich in de praktijk ontwikkelen. De proeven op kleine schaal hebben aangetoond dat een laadtijd van 20 min. realistisch is. Op ware schaal is het snelladen nog niet beproefd omdat daarvoor een hoge koelcapaciteit aanwezig moet zijn waarover Ecofys nog niet beschikt. De verwachte investeringskosten voor een totaal systeem liggen naar verwachting op hetzelfde niveau als voor conventionele koelinstallaties. Met dat gegeven gaan Ecofys en Bakker Logistiek door met de ingezette ontwikkeling.

Het eutectisch koelsysteem ziet er veelbelovend uit. De capaciteit van de koude accu zoals toegepast in het testmodel is groot genoeg om een extreem warme zomerdag te doorstaan zoals gebleken is bij de experimenten in de geconditioneerde hal. Het gerealiseerde systeem kent een lage geluidsproductie omdat alle geluidsproducerende componenten zich binnen de laadruimte van de oplegger bevinden.


36

Hoofdstuk 7 Uitgebreide samenvatting en conclusies 7.1 Achtergrond en aanleiding Geconditioneerd goederenvervoer over de weg wordt op dit moment voornamelijk uitgevoerd met compressiekoelmachines, aangedreven door een dieselgenerator (of in sommige gevallen direct via de tractiemotor). Deze wijze van conditionering heeft duidelijke nadelen zoals een hoog brandstofverbruik, emissie van koelmiddelen, geluidshinder en onderhoudsgevoeligheid. In een eerder uitgevoerd haalbaarheidsonderzoek is vastgesteld dat het in energetische, economische en logistieke zin haalbaar is om de compressiekoelmachine aangedreven met een dieselgenerator te vervangen door een systeem met als basis koudeopslag in een Phase Change Material. Ook de globale technische specificaties van een dergelijk koelsysteem zijn uitgewerkt in een eerder voltooid haalbaarheidsproject. Het PCM-koelsysteem bestaat uit een installatie aan boord, een landzijdig station voor opwekking en opslag van koude en een koppeling tussen beide systemen ten behoeve van het regenereren van de PCM aan boord van de wagen.

7.2 Doel Doel van dit project is het vergaren van kennis en het toepassen daarvan bij de ontwikkeling van een testmodel van een installatie voor klimaatbeheersing in vrachtvoertuigen op basis van koude opslag in een Phase Change Material (PCM), gekoppeld aan een methode voor de snelle regeneratie van PCM.

7.3 Opzet en uitvoering Centraal in het onderzoeksen ontwikkelingswerk staat de koude accu, die voldoende snel opgeladen moet kunnen worden, voldoende capaciteit moet hebben, moet goed ontladen kunnen worden en mechanisch veilig op een oplegger gemonteerd kunnen worden. De wijze van inkapseling van PCM is op laboratoriumschaal uitgebreid onderzocht, waarbij het onderzoek zowel de vorm en afmetingen van de inkapseling omvat als het toe te passen materiaal. Op minischaal is een proefopstelling gebouwd waarbij deze elementen met bevredigend resultaat zijn getest met betrekking tot oplaadgedrag en ontlaadgedrag. Vervolgens heeft het verdere onderzoek en de ontwikkeling van het systeem op ware schaal plaats gevonden. Er is een functioneel model van de koude accu op ware schaal gebouwd. Tevens is een functioneel model van de klimaatinstallatie voor de oplegger gebouwd. De klimatisering van de laadruimte, de wijze van luchtverdeling en het benodigde luchtdebiet zijn experimenteel onderzocht opdat het gewenste koeleffect gerealiseerd wordt. Het geluidsniveau van een dergelijk koelsysteem is zeer beperkt, omdat de bronnen geen hoog geluidsvermogen afgeven en bovendien binnen de omhulling van de laadruimte gepositioneerd zijn, waarbij deze omhulling een geluidsisolerende uitwerking heeft.


37

7.4 Resultaten Op basis van alle onderzoeksresultaten is een functioneel model van het totale systeem opgezet en gerealiseerd op een oplegger van Bakker Logistiek. Dit is in zijn geheel getest in een hal, waarbij op kunstmatige wijze zomerse condities buiten de oplegger zijn gecreëerd. Het gebruik van een oplegger tijdens een distributierit is nagebootst, waarbij elke ¾ uur de laadruimte geopend is en een deel van de proeflading uitgeladen is. De resultaten van deze testen zijn goed: • de accucapaciteit is groot genoeg om een zomerse distributierit te kunnen volbrengen • de lading kan op de gewenste temperatuur gehouden worden • de kwaliteit van het gekoeld transport als geheel verbetert door een betere koudeverdeling in de laadruimte • het geluidsniveau is laag • CO2 emissies als gevolg van het gebruik van een eutectisch koelsysteem wordt geschat op 35% van dat van een conventioneel systeem, dit is een reductie van 65%. Indien de gehele sector van het gekoeld transport in Nederland gebruik zal maken van het voorgestelde eutectisch koelsysteem wordt de jaarlijkse CO2 reductie geraamd tussen 45 en 150 kton/jaar.

kunnen treden. Tot twee keer toe zijn er in dit project problemen met de mechanische sterkte van de koude accu geweest. Hier is uit geconcludeerd dat de belastingen die tijdens ritten op kunnen treden heel hoog zijn. Tevens kunnen voorspanningen die geïntroduceerd kunnen zijn tijdens de montage tot overbelasting leiden. Het gehele onderzoeks en ontwikkelingstraject heeft geresulteerd in een functioneel testmodel dat thermodynamisch goed functioneert en voldoet aan de gestelde eisen. Bakker Logistiek en Friesche Vlag zijn positief over het behaalde resultaat, reden om het traject tot realisatie van een prototype door te zetten.

7.5 Vervolg Dankzij een goede samenwerking met Bakker Logistiek Groep en Friesche Vlag, is er een vervolgproject richting prototype in gang gezet dat toegesneden is op de alledaagse praktijk in het zuiveltransport. Parallel aan de realisatie van het prototype bereidt Ecofys de definitieve vormgeving van het eutectisch koelsysteem voor. Marktpartijen worden benaderd voor de leverantie van de sleutelcomponenten en met deze partijen wordt een marktrijp product ontwikkeld.

De toegepaste werkmedia, zowel de circulerende koudedrager vloeistof als het toegepaste PCM, zijn voedselveilig. Mochten er eventuele lekkages ontstaan en als gevolg hiervan onopgemerkt kleine beetjes in contact met voedsel komen, dan ontstaat er geen extra risico voor de gezondheid bij degenen die deze voedingsmiddelen tot zich nemen. De operationele tests in de praktijk hebben nog niet plaats gevonden omdat de koude accu mechanisch niet bestand bleek tegen de belastingen die tijdens de ritten op de weg op


38

Ontwikkelen en testen van een Eutectisch transportkoelingssysteem

Recommend Documents