המחלקה |
המכללה |
למידה מרחוק |
Google News |
Search |
CV קורות חיים
שיפור מערכת קירור של מפעל מזון
Improvement of cooling system of food factory.
AFEKA PR ME DE AP TA 1 2040 Engineering (General). Civil engineering (General)
הוגש ע"י
Submittet by
מנחה
ד"ר משה תשובה
Advisor
Dr Moshe Tshuva
תמצית
מטרות הפרויקט הן: לשלב בין שתי מערכות הקירור של המפעל וע"י כך נוכל להשיג גיבוי למערכת הראשית וכן הורדת טמפרטורת המים במערכת ולהוזיל בכך את עלויות השימוש כתוצאה מצריכת חשמל זול. ועוד Abstract
The goals of project are: To combine two cooling systems of the factory and by doing so we can get a back-up system to the main system and so lower the water temperature in the system and cut down on costs of electricity usage. More…
מילות מפתח
קירור מחליף חום קרח
Keywords
refrigeration heat exchanger
תקציר
במפעל "גן שמואל מזון בע"מ" קיימות מספר מערכות קירור. מערכות הקירור נועדו לקירור בתהליכי ייצור שונים ולקירור מוצרים סופיים. מערכת הקירור הראשית פועלת על עקרון "מחזור דחיסת אדים" עם גז פריאון כקרר. מערכת משנית הקיימת במערכת היא מערכת "אמבטיית קרח" . מערכת זו בנויה ממחליף חום פלטות הטבול באמבט מים, הקרר הזורם במערכת הוא אמוניה. כתוצאה מקירור האמוניה קופאים המים
באמבט. היתרון הגדול של המערכת המשנית הוא באפשרות להפעיל את המערכת בלילה. מפעלים גדולים משלמים את חשבון החשמל לפי תעריף תעו"ז של חברת החשמל. לפי תעריף תעו"ז מחיר החשמל בלילה זול בצורה משמעותית ממחירו בשעות השיא. החסרון העיקרי של מערכת זו נעוץ בהיותה מערכת קטנה ובעלת זמן תגובה ארוך.לכן מערכת זו לא יכולה לשמש כמערכת ראשית למפעל. בפרויקט זה בוצע ניתוח של מצב קיים, לימוד של תהליכי יצור ואחסון של המוצרים הסופיים, בדיקת הדרישות הטכנולוגיות לקירור התהליכים והמוצרים, הכרת מערכות הקירור הקיימות, בדיקת האפשרות לשלב בין המערכות והכנת אפיון המערכת,תיכנון הרכיבים הדרושים לשילוב בין המערכות וחישוב כלכלי לאחר השימוש המוגבר בחשמל המוזל .
Abstract
There are numerous cooling systems in the "Gan Shmuel food inc." factory. These cooling systems are meant for cooling in several different manufacturing processes and cooling final products. The main cooling system works on the "vapor compression cycle" principle with Freon gas as a cooling gas. A secondary system that exists is the "ice bath" system. This system is built of a plate heat exchanger that is immersed in a water bath. The coolant that flows in the system is Amonia. As a result of the Amonia cooling the water bath freezes. The biggest advantage of the secondary system is in its ability to use the system at night. Big factories pay the electric bill according to pricing of the electric company. According to this pricing system the cost of electricity at night is cheaper substantially than the price at the peak hours. The main disadvantage of this system is that it is a small system which has a long reaction time. Therefore this system can not be used as the main system for a factory. In this project analysis of existing cases have been done, the teaching of manufacturing and storage processes of final products, checking the technological requirements for cooling the procedures and products, getting to know the existing cooling systems, checking the possibility of combining between the systems and preparing the system specification, designing the required elements to combine between the systems and then a general calculation after the extended use in the cheapened electricity .
מטרות
שילוב בין שתי מערכות קירור יאפשר השגת מספר מטרות עקריות:
1) גיבוי מערכת ראשית.
מערכת "מים קרים" המשמשת כמערכת קירור ראשית מספקת כ-250 טון קירור לשעה והיא מבוססת על שלושה מתקנים שונים אשר מספקים את המים הקרים. במקרה של תקלה של אחד המתקנים אנו לא מסוגלים לעמוד בדרישות הטכנולוגיות לקירור תהליכים ואיחסון המוצרים.
2) הורדת טמפרטורה.
מערכת "מים קרים" מסוגלת לספק מים בטמפרטורה מינימלית של 7 מעלות צלזיוס עקב עיקרון עבודת מתקני הקירור. מערכת "אגירת קרח" מספקת מים בטמפרטורה הקרובה ל - 0 מעלות צלזיוס. השילוב בין המערכות יאפשר הורדת טמפרטורת המים של המערכת הראשית.
3) הוזלת עלות.
מערכת "מים קרים" לא מסוגלת לצבור אנרגיה, דבר אשר מאלץ הפעלה קבועה של המערכת גם בשעות הפסגה בצריכת החשמל כאשר מחירו גבוה מאד. לאומת זאת עיקרון העבודה של מערכת "אגירת קרח" מאפשר לנו לצבור קרח בלילה (שעות שפל) ולהמיס אותו ביום תוך כדי חיסכון בעלות החשמל.
4) יעול ניצול מערכת "אגירת קרח".
מערכת "אגירת קרח" נבנתה עבור תהליכים ומוצרים מסוימים אשר דורשים קירור לטמפרטורות נמוכות מאוד לתקופות קצרות יחסית. לכן הניצול של המערכת נמוך.
סקר מצב קיים
מערכת הקירור העיקרית, "מים קרים", מספקת מים בטמפרטורה 7°-12° לפי הדרישה לצרכנים השונים. ישנם חמישה צרכנים שונים בנוסף עוזרת למערכת מקבילה.
:הצרכנים .אולם יצור
."מפסטר "סמיכים
."СE" מחלקת
."מחלקת "כתש
.(עזרה למערכת מקבילה)
.מקסימום הצריכה של כל הצרכנים במקביל : 250-270 טון קירור לשעה
:ספקי מים קרים
מתקן "איאקס" - מערכת העובדת על עיקרון של "מחזור דחיסת אדים". הספק-100 טון קירור לשעה .
מתקן "קרייר"- העובד על עיקרון של "מחזור דחיסת אדים". הספק-50 טון קירור לשעה.
מתקן מחליף חום פלטות (מצנן אמוניה). זהו "מחזור דחיסת אדים" העובד עם גז אמוניה הספקו 100 טון קירור לשעה.
תאור סכמאתי של מצנן אמוניה
השימוש בשני המתקנים הראשונים יקר בגלל כמה סיבות:
1) אין אגירת אנרגיה(בניגוד להסברים על מערכת נוספת בהמשך)-שימוש בחשמל כל הזמן,כולל שעות הפסגה.
2) קירור המתקנים נעשה על ידי מים קרים – עומס נוסף על מתקנים עצמם.
3) כל תקלה מטופלת על ידי טכנאי חברת היצרן- לוקח הרבה זמן.
5) תחזוקה יקרה.
6) עבודה בלחצים גבוהים-צריכה מוגברת של חשמל.
למרות החסרונות והעלויות הגבוהות ,המתקנים מאוד נוחים להרכבה בשטח ונכנסים לעבודה מיידית.
לפני כמה שנים עם כניסת לקוחות חדשים (שוק יפני) במפעל נוצר צורך לספק מים בטמפרטורה הקרובה לאפס מעלות בהספק - 100 טון קירור לשעה. חלק מהמוצרים החדשים חייבים להיארז בטמפרטורה של 5°. מערכת הקירור שהייתה קיימת אז, היא המערכת שמתוארת מעלה והיא לא עומדת בדרישות הטכנולוגיות-מינימום 7°.
במערך בתי הקירור יש עודף תפעולי ליצור אנרגית קירור.על סמך הנתונים האלה הוחלט להתקין מתקן אגירת קרח אשר מקבל את האנרגיה ממדחסי הקירור הקיימים(אדי אמוניה בטמפרטורה של עשר מעלות מתחת לאפס). המערכת הזאת עובדת חודשים ספורים במשך השנה רק עבור מוצרים מסוימים.לכן הניצול של המערכת נמוך. 
מתקן אגירת קרח בהספק מקסימאלי 126 טון קירור לשעה צורך ממערכת מדחסים 100 כוחות סוס עבור כל 60 טון קירור לשעה.
יתרונות המערכת:
1) שימוש במדחסים עם כמה דרגות המונעים על ידי מנועים גדולים-קירור אוויר.
2) תחזוקה יחסית זולה.
3) קבלת מים בטמפרטורה הקרובה לאפס מעלות.
4) אגירת קרח בעיקר בלילה כאשר מחיר החשמל יורד פי 3 ביחס למחירו בפסגה.
חסרונות המערכת:
1) מערכת יחסית קטנה.
2) לוקח זמן לצבור קרח לכן הכניסה לעבודה לא מיידית.
שני חסרונות אלו מונעים מהמערכת מלשמש כמערכת עיקרית במפעל. אבל עלה הרעיון לשלב בין שתי המערכות בעזרת מחליף חום. בזאת נוכל להשיג כמה מטרות :
1) גיבוי למערכת הראשית (סיבה עיקרית).
2) הורדת טמפרטורת המים במערכת הראשית.
3) שימוש באנרגיה (קרח) האגורה בלילה( שעות גבע ושפל), כך נפחית שימוש בחשמל היקר בשעות הפסגה.
אפיון פונקציונאלי
הצגה מפורטת של המערכות הקיימות
מערכת "מים קרים" ורכיביה
ספקי מים קרים:
1) מתקן "איאקס" - מערכת העובדת על עיקרון של "מחזור דחיסת אדים".הספק-100 טון קירור לשעה.משאבת הזנה-משאבה צנטריפוגלית המספקת כ-50 טון מים לשעה.
2) מתקן "קרייר"- העובד על עיקרון של "מחזור דחיסת אדים".הספק-50 טון קירור לשעה. משאבת הזנה-משאבה צנטריפוגלית המספקת כ-30 טון מים לשעה.
3) מתקן מחליף חום פלטות (מצנן אמוניה). הספק-100 טון קירור לשעה. משאבת הזנה-משאבה צנטריפוגלית המספקת כ-50 טון מים לשעה.
הצרכנים:
1) מחלקת "ממברנות"- משאבת הזנה -משאבה צנטריפוגלית המספקת כ-50 טון מים לשעה.
2) אולם יצור- משאבת הזנה-משאבה צנטריפוגלית המספקת כ-30 טון מים לשעה.
3) מפסטר "סמיכים"- משאבת הזנה-משאבה צנטריפוגלית המספקת כ-50 טון מים לשעה.
4) מחלקת "סי-אי" - משאבת הזנה-משאבה צנטריפוגלית המספקת כ-30 טון מים לשעה.
5) מחלקת "כתש"- משאבת הזנה-משאבה צנטריפוגלית המספקת כ-30 טון מים לשעה.
6) מחליף חום פלטות המהווה עזרה למערכת קירור מקבילה(מערכת קירור קטנה שעובדת עבור תהליך יצור מסוים). משאבת הזנה-משאבה צנטריפוגלית המספקת כ-70 טון מים לשעה.
כל הצרכנים ביחד צורכים כ-250 טון קירור לשעה.
עיקרון העבודה של המערכת
הרכיב המקשר בין ספקי המים הקרים לבין הצרכנים זאת בריכת 
מים. הבריכה מחולקת לשני חצאים עד שליש הגובה, באופן כללי הבריכה עובדת על ממוצע טמפרטורות
לצורך ההסבר נשתמש בתיאור סכמאטי ונניח שהבריכה מחולקת לשניים פיזית-במציאות זאת אותה הבריכה עם טמפ' ממוצעת.
ספקי המים הקרים האלה מסוגלים לתת מים בטמפרטורה מינימאלית של 7 מעלות.
טמפרטורת המים שעברו דרך הצרכנים מגיעה ל- 15-16מעלות.
שני הנתונים האלה דינאמיים ותלויים בכמה גורמים:
1) טמפרטורת הסביבה-למרות הבידוד קיימת התופעה של מעבר
חום עם הסביבה.
2) מספר הצרכנים העובדים באותו הרגע.
3) מספר הספקים של המים הקרים העובדים באותו הרגע.
מערכת "אגירת קרח" ורכיביה
הרכיב העיקרי של המערכת היא בריכת אגירת קרח. הבריכה מחולקת ל-5 תאים.
פירוט טכני של תא בודד:
התא כולל קבוצה של 7 פלטות (תא מס' 5 כפול בגודל) לאגירת קרח, (דרך הפלטות זורם גז אמוניה). גודל הפלטה: 1.25*3 מטר-עובי קרח נדרש כ-40-50 מ"מ.
:תפוקת המערכת
כל פלטה - 3 טון קירור.כל תא: 3 * 7 --> 21 טון קירור לשעה (תא מס' 5 - 3 * 14 --> 42 טון קירור לשעה).
.כל המערכת – 126 טון קירור
מבט על (4 תאים)
מבט פנים(2 תאים)
הצרכנים:
1) מיץ מהסחיטה- מחליף חום.
2) "צנטריפוגה".
3) קו אריזה "קפואים".
4) מחליף חום " APV".
בנוסף לצרכנים קיים קו נוסף-"קו עוקף צרכנים". כאשר עובד צרכן בודד, הוא לא מסוגל לקלוט את כל המים שהמשאבה מספקת. לכן נוצר לחץ גבוה בקו שגורם לפתיחה של ברז מפוקד המפנה את עודפי המים לקו העוקף.ברז זה נפתח גם בתחילת העבודה בכדי למנוע היווצרות לחצים גבוהים, או מצב של חוסר תאום בין הברזים השונים.
לעומת המערכת הקודמת, במערכת "אגירת הקרח" אין משאבת הזנה נפרדת לכל צרכן, במערכת זו קיימת משאבה צנטריפוגלית אחת שמפעילה את כל מחזור הקירור. כל צרכן מחובר למערכת עם ברז מפוקד שנפתח לפי דרישת הקירור של אותו הצרכן.
נתוני המשאבה
עיקרון העבודה של המערכת
במערכת הקודמת ראינו שהבריכה מחולקת לשני חצאים, מים קרים ומים חמים, לעומת זאת במערכת "אגירת קרח" המים החמים שחוזרים מהצרכנים נכנסים לתוך הבריכה דרך הממטרות הממוקמות בחלקה העליון של הבריכה, (שירטוט של מבט פנים של שני תאים). תוך כדי המגע עם הקרח הנצבר על הפלטות המים מתקררים ויורדים לתחתית הבריכה בה ממוקמת משאבת ההוצאה.
חלופות
מטרת הפרויקט היא לתת גיבוי למערכת קירור ראשית, ("מים קרים") וגם להוריד את טמפרטורת המים. עד עכשיו התמקדנו ברעיון הכללי של הפרויקט- שילוב בין שני מערכות הקירור: "מים קרים" ו"אגירת קרח". אבל קיימות עוד אלטרנטיבות לפתרון הבעיה שיכולות לתת מענה לדרישות שהצבנו.
נפצל את הבעיה לשניים:
גיבוי המערכת "מים קרים":
נוכל להוסיף כמה יחידות של צ'ילרים,כמו "איקס" או "קרייר"
יתרונות של הצ'ילרים כגיבוי:
· המערכת כיחידה אחת שמוכנה מיידית לעבודה.
· התקנת המערכת מהירה ופשוטה.
חסרונות של הצ'ילרים כגיבוי:
· השקעה גדולה במערכת שמופעלת לעיתים רחוקות.
· תחזוקת המערכת יקרה.
· אין אגירת אנרגיה- שימוש בחשמל גם בשעת שיא.
הורדת הטמפ' של מערכת הקירור:
המגבלה העיקרית בטמפ' הקירור של המערכת היא קפיאת המים וגם הגדלת הנפח של המים בטמפ' השואפת לאפס מעלות, לכן ננסה להוריד את נקודת הקיפאון של המים.
גליקול-חומר שומני (כמו מלח) בריכוז של 30% מוריד את נקודת הקיפאון של המים ל- °5- . אבל באותו זמן אנחנו מקבלים הרבה אפקטים שליליים:
· התפוקה של המערכת יורדת באותו אחוז כמו ריכוז הגליקול בגלל הלחצים הנמוכים.
· הטיפול במערכת מסובך.
· בקרה קפדנית-חובה לשמור על אחוז קבוע של גליקול ,אחרת קיימת סכנת
פיצוץ המערכת.
עקב כל החסרונות והבעיות שהוזכרו מעלה ועקב הסיבה שכבר קיימת מערכת שלא מנוצלת במלוא כוחה, (מערכת "אגירת קרח"), המפעל לא מעוניין להשקיע כספים ומשאבים נוספים. לכן הוחלט להמשיך עם הרעיון של שילוב בין
מערכת "מים קרים" ומערכת "אגירת קרח".
תכנון ראשוני
הרכיב העיקרי שבעזרתו נוכל לשלב בין המערכות זה הוא מחליף החום. נבדוק סוגים שונים של מחליפי חום ונראה
את החסרונות והיתרונות:
מחליף חום בצורה של תרמיל וצינורות עם זרימה נגדית
מחליף חום בצורה של תרמיל וצינורות עם זרימה מקבילה
מחליף חום בצורה של תרמיל וצינורות עם זרימה משולבת
מחליף חום פלטות
למחליף חום פלטות כמה יתרונות בולטים:
1) בעל נפח ומשקל קטנים יחסית למחליפי חום מסוג צינורות בעלי ביצועים זהים.
2) מידות קטנות מהוות הורדת הוצאות עבור חומר גלם לבניית המחליף חום, (נירוסטה,טיטניום וכ"ו).
3) פשטות פירוק והרכבה מקלים על תהליכי ניקיון והחזרת המתקן לעבודה.
4) זרימה טורבולנטית בין הפלטות מקטינה אפשרות היווצרות סתימות והצטברות משקעים בין הפלטות.
5) פלטות עם גיאומטריות שונות מאפשרות להגיע למעבר חום מדויק לפי הדרישות של המערכת.
6) מספר פלטות בתוך השבלונה ניתן להוספה או הורדה הדבר מאפשר לעבוד בתנאים שונים ועבור דרישות שונות.
על סמך כל היתרונות האלו וגם העובדה שלמפעל ניסיון רב עם מחליפי חום מסוג זה, הוחלט לפתח את הפרויקט על בסיס מחליף חום פלטות.בהמשך נוודא שהבחירה היתה נכונה על סמך תכנון מפורט והצעות מחיר.
בעזרת התיאורים סכמאטיים נוכל לראות פתרונות אפשריים להכנסת מחליף החום.
אפשרות מס' 1
הרכיבים הדרושים לביצוע הפרויקט:
1. מחליף חום.
2. משאבת הזנה של "מים קרים".
3. ברז מפוקד להזנה של "מי קרח".
4. צנרת פלסטיק מבודדת ( ˝4).
5. מדי טמפ'.
6. מערכת בקרה (על ידי מהנדסי המפעל).
אפשרות מס' 2
באלטרנטיבה הזאת ננסה לצמצם את מספר הרכיבים הדרושים בעזרת השימוש ברכיבים הקיימים במערכות העובדות. ישנה אפשרות להשתמש באחד הצרכנים של מערכת "מים קרים", זהו מחליף חום המהווה עזרה למערכת המקבילה. הסיבה לבחירה בצרכן הספיציפי הזה הן:מ
1) משאבת ההזנה שלו הכי חזקה בין כל הצרכנים.
2) מיקומו הפיזי של הצרכן הזה מאפשר לחסוך בצנרת, כי הוא נמצא
קרוב יחסית למערכת "אגירת קרח".
לכן לטובת ההסבר אני מפריד את מחליף החום מכלל הצרכנים:
הרכיבים הדרושים לביצוע הפרויקט:
1. מחליף חום .
2. ברז מפוקד להזנה של "מי קרח".
3. צנרת פלסטיק מבודדת ( ˝4).
4. מדי טמפ'.
5. מערכת בקרה (על ידי מהנדסי המפעל).
ניתן לראות שתי האפשרויות מאוד דומות אבל נעדיף את האפשרות מס' 2 בגלל כמה סיבות:
· חיסכון במספר הרכיבים הדרושים לביצוע הפרויקט- שימוש במשאבת ההזנה של אחד הצרכנים הקיימים.
· חיסכון בצנרת – נצטרך להוסיף רק קו שיוביל את מי קרח למחליף חום וחזרה לבריכת קרח וקו קצר שיחבר בין מחליפי החום.
· פשטות העבודה עקב הכנסת מספר מצומצם של רכיבים.
· הפחתה של שעות העבודה בזמן בנית המערכת.
כל אלה גורמים להוזלת הפרויקט וזאת הסיבה העיקרית לבחירה באפשרות מס' 2.
