Termo-ekonomiese evaluering van 'n melkpasteuriseerder

 

 

J. P. Nel^I; L. Pretorius^II

^IGroepsprojekbestuurder, NCD, Roodepoort, Nagraadse student, Randse Afri-kaanse Universiteit
^IIProfessor in Meganiese Ingenieurswese, (Lid) Laboratorium vir Stelsels, Randse Afrikaanse Universiteit

 

 

---

ABSTRACT

In this article it is shown how to choose a most economical milk pasteuriser from a range of options taking into account the financial as well as thermodynamic aspects. It is shown that the total cost of the pasteurisation plant sharply decreases as the percentage regeneration of heat increases. The thermodynamic analysis for the plant is mainly based on the first law the Thermodynamics. The economic analysis is based on the nett current value technique.

---

 

 

Simbolelys

D - druk, kPa

H - manometriese hoogte, m vloeier

P - huidige waarde, R

Ṗ - drywing, kW

- warmte-oordrag, kW

T - temperatuur, °C

Y - jaarlikse koste, R

c_p - spesifieke wärmte, kJ/kgK

g - gravitasieversnelling, m/s²

h - entalpie, kJ/kg

i - interne rendabiliteit (rente)

ṁ - massavloeitempo, kg/s

n - aantal périodes

η_m - nuttigheidsgraad, motor

η_p - nuttigheidsgraad, pomp

ρ - digtheid, kg/m³

 

Inleiding

Heelwat werk is sekerlik voorheen in die veld van die termo-ekonomie gedoen. Vergelyk kortliks die werk van Gaggioli en Wepfer [1] oor eksergie-ekonomie, Moran [2] oor beskikbaarheid en effektiewe energiegebruik, Bejan [3] oor termodinamiese optima en energiestoring, Bowater [4] oor termo-ekonomiese ontwerp van 'n vleisverwerkingsaanleg e.a.

In hierdie artikel word 'n termo-ekonomiese metode gebruik om uit 'n reeks opsies, die mees ekonomiese melkpasteuriseerder te kies. Hiermee word hopelik weer eens beklemtoon dat ingenieurswese en ekonomiese oor-wegings hand aan hand gaan.

 

Pasteuriseringstoerusting

Pasteuriseringstoerusting wat in hierdie artikel ontleed word is die reeks pasteuriseerders van 'n vervaardiger [5] soos in tabel 1 beskryf. Soos uit figuur 1 gesien kan word is die tipiese pasteuriseerder wat ontleed gaan word, in beginsel 'n warmteruiler waar melk regeneratief voorver-hit word, dan verhit word m.b.v. stoomverhitte warm water en na 'n houperiode verkoel word m.b.v. verkilde water. Die pasteuriseerders wat beskou word is tipiese plaat warmteruilers.

 

 

Energiebehoeftes

Die vervaardigerspesifikasies en pryse van die pasteuriseerders wat evalueer word, word in tabel 1 getoon.

Om die berekeninge van energiebehoefte te demonstreer is die gegewens vir een opsie gebruik. 'n Werkstaat [8] is ontwikkel om dieselfde berekeninge vir al die opsies te doen, en die resultate word in tabel 2 weergegee.

Berekeninge is grootliks op die eerste wet van die Termodinamika gebaseer.

Aannames

In die termiese evaluering is die volgende aannames gebruik:

(i)Produksie

Aanvaar dat die apparaat 10 uur per dag vir 6 dae per week gebruik word. Dit impliseer 'n produksietyd van 3 120 ure per jaar.

(ii)Nuttigheidsgraad

Ten einde insetdrywing te bereken, word die volgende ge-middelde nuttigheidsgrade (η) aanvaar:

Elektriese motors:

η_m= 0,87 Pompe:

η_p= 0,85

 

Tabel 3

 

(iii) Spesifieke warmte

Die spesifieke warmte van melk is ongeveer 3,87 kJ/kgK by 5°C (Kessler [6]).

In hierdie berekeninge word die spesifieke warmte by 5°C aanvaar as 'n gemiddelde spesifieke warmte vir melk.

Vir water sal 'n gemiddelde waarde van 4,19 kJ/kgK gebruik word.

Die werkstaat is egter so opgestel dat die spesifieke warmte gevarieër kan word sodat die invloed daarvan op die energieverbruik bepaal kan word.

(iv) Toerustingspesifikasie

Om die berekeninge te demonstreer word 'n pasteuriseerder beskou wat onder die volgende toestande bedryf word. (Vir ander opsies sien tabel 1):

Melkvloeitempo 15 000 kg/h

Inlaattemperatuur 4 °C

Pasteurisasietemperatuur 75 °C

Uitlaattemperatuur 4 °C

Regenerasie 85%

Drukval: produk 280 kPa

Vloeitempo: Verkilde water 30 000 kg/h Drukval: warm water 100 kPa

Drukval: Verkilde water 100 kPa

Prys: R56 500

Berekeninge word deurentyd gedoen met verwysing na figuur 1.

Berekening van pompdrywing

Uit "Pumps principles and practice" [7] is die pompdrywing .

waar

ṁ die massavloeitempo, g gravitasieversnelling en

H die manometriese hoogte in m vloeier voorstel.

Deur gebruik te maak van die verwantskap.

 

Bogemelde verteenwoordig dan die drywing benodig vir die produk pomp.

Regeneratiewe verhitting en verkoeling

Die wArmte benodig om die produk te verhit is:

Per definisie is die persentasie regenerasie:

Berekening van stoom benodig word vervolgens getoon:

Uit die eerste wet van die Termodinamika volg:

In bogenoemde word aanvaar dat tydens die verhittingsproses met stoom, versadigde stoom by 165 °C kondenseer na versadigde water by 95°C.

Die drywing benodig vir die warm waterpomp word bereken deur gebruik van vergelyking 3:

Kosteberekening

Die volgende aspekte word in die kostemodel van die pasteuriseerder gebruik. Die eenheidskostes vir 'n tipiese suiwelaanleg, soos bereken deur Nel [8] word gebruik:

Stoomkoste (R/kg) = 0,0383

Elektrisiteit (R/kWh) = 0,1196

Verkilde water (R/kWh) = 0,0801

Soos in paragraaf 3.1.1 getoon, word die apparaat vir 3 120 ure per jaar gebruik.

Die jaarlikse produksie is dus:

3.3 Kontantvloei

Die kostes bereken word nou soos volg geprojekteer:

Jaar 1 - kapitaalkoste - R56 500

Jaar 2 - energiekoste - R75 158

Vir Jaar 3 tot Jaar 10 word die energiekoste bereken as:

In jaar 10 word die kapitaalherwinningswaarde as 'n kapitaalinvloei geprojekteer. Dit word so bereken:

Die huidige waarde van die jaarlikse kostes word nou bereken volgens vergelyking:

Waar P = Huidige waarde

Y = Jaarlikse koste

i = Interne rendabiliteit

n = aantal periodes

Hierdie waardes word almal bymek aar getel om die netto huidige waarde te bepaal. 'n Inflasiekoers van l5%, interne rendabiliteit van l8,5oh en groeikoers van 3% vir die
suiwelaanleg is in bogemelde berekeninge gebruik.

Verder is 'n sensitiwiteitsontleding gemaak om aan te toon hoe sensitief die resultate van die termo-ekonomiese ontledittg van die melkpasteuriseerder vir verandering in die inflasie- en rentekoerse is. Die groeikoers is vir illustrasiedoeleindes vas op 3o/o gehou.

 

Resultate van termo-ekonomiese evaluering

Die keuse van die mees ekonomiese pasteuriseerder uit 'n reeks pasteuriseerders met verskillende regeneratiewe vermodns kan nou gedoen word na aanleiding van berekeninge, soos hierbo getoon, vir die reeks pasteuriseerders.

In tabelle I t.e.m. 4 word respektiewelik die spesifikasie, die termodinamiese analise, die jaarlikse koste en die kontantvloei weergeg€e, soos o.a. bereken m.b.v. die werkstaatprogram. Die resultate in die tabelle is gegenereer deur 'n inflasiekoers van 15%, interne rendabiliteit van 18,5oh en groeikoers van 3% te gebruik.

Figuur 2 stel die resultate grafies voor. Die resultate van die sensitiwiteitsontleding word in tabel 5 getoon. In di6 tabel word getoon wat die totale besparing vir 'n 10 jaar periode vir verskillende inflasie- en rentekoerse sou wees indien 'n lae drukval melkpasteuriseerders met 95% regenerasie i.p.u. 'n soortgelyke pasteuriseerder met 85% regenerasie gebruik word.

 

Bespreking van resultate

Uit figuur 2 kan duidelik gesien word dat die totale koste (uitgedruk in die huidige waarde van geld) skerp daal, soos wat die regenerasie toeneem.

As bv. die pasteuriseerders wat 85% en 95o/o regenerasie het met mekaar vergelyk word, is dit duidelik dat daar met 'n addisionele kapitaalbelegging van R25 800 (d.i. R82 300-R56 500) 'n totale besparing van R265 457 (d.i. R579 892-R314435) in die l0 jaar periode gerealiseer word. (Die syfers kom uit tabelle I en 4).

 

 

Uit tabel 5 kan afgelei word dat indien die interne rendabiliteit 10% en die inflasiekoers 12% oor die 10 jaar periode sou wees, die totale besparing deur 'n melkpasteuriseerder met 95% regenerasie i.p.v. een met 85% regenerasie te gebruik R390 682 sou wees. Hierdie besparing is dus in werklikheid heelwat groter as die geval waar 'n interne rendabiliteit van 18,5% en inflasiekoers van 15% aanvaar is.

Die besparing in kapitaal wat teweeg gebring word deur die drukval te verhoog, is nie lonend nie, want dit word deur die addisionele energiekoste oorskry. Vergelyk bv. die twee pasteuriseerders, in die voorbeeld wat albei 85% regenerasie het, maar met drukvalle van respektiewelik 280 kPa en 520 kPa. Die besparing in kapitaalkoste is Rl 300 maar die addisionele totale koste is R6006.

 

Slotsom

In hierdie artikel is die gebruik van termo-ekonomie as 'n metode om ingenieursekonomiese keuses te maak weer eens gedemonstreer vir 'n reeks melkpasteuriseerders.

Deur die kontantvloei oor 'n 10 jaar tydperk te projekteer is die relatiewe belangrikheid van kapitaal- en bedryfskoste in ag geneem. In die geval van die pasteuriseerder was kapitaal relatief onbelangrik t.o.v. die totale koste maar in ander gevalle, soos bv. 'n stoomketelinstallasie (sien [8]) sped dit 'n groot rol.

In hierdie voorbeeld is slegs energiekoste beskou omdat eksergiekoste dieselfde resultate sou lewer [7].

Indien opsies oorweeg word waar die gebruik van alternatiewe tegnologie ter sprake kom, sal eksergiekoste meer realistiese resultate as energiekoste lewer (Gaggioli en Wepfer[1]).

Daar is aangetoon dat deur van pasteuriseerders met hoër regeneratiewe vermoëns gebruik te maak, groot kostebesparings gerealiseer kan word.

By die finale keuse van 'n pasteuriseerder is egter nie net termo-ekonomiese oorwegings ter sprake nie. Prosesoorwegings moet ook in ag geneem word. In hierdie artikel is prosesoorwegings nie in ag geneem by die evalue-ringsproses nie en die nodige versigtigheid moet dus aan die dag gelê word met die finale implementering van resultate.

 

Bronnelys

1. Gaggioli, P. A., Wepfer, W. J., Exergy economics, Energy, Vol 5, No. 823, 1980.         [ Links ]

2. Moran, M. J., Availability analysis - a guide to efficient energy use, Prentice Hall.

3. Bejan, A., Two thermodynamic optima in the design of sensible heat units for energy storage, Transactions of ASME, Vol. 100, 1978.         [ Links ]

4. Bowater, F. J., Economic design for a large meat works refrigeration plant, Refrigeration and Air Conditioning, Vol. 92, No. 1099, 1989.         [ Links ]

5. APV South Africa Ltd., Posbus 9448, Johannesburg, 2000, tel. (011) 444-7580.

6. Kessler, H. G., Food Engineering and dairy technology, Verlag A. Kessler.

7. Anonymous, Pumps principles and practise, S.A. Pump Manufacturers Association.

8. Nel, J. P., Energieoptimering van 'n suiwelfabriek, Magisterverhandeling in Ingenieurswese, Randse Afrikaanse Universiteit, 1991.

 

 

Eerste weergawe Maart 1992
Finale weergawe Junie 1992