Effect vacuumverhoging en spoelen in kolommen op uitspoelen van melk = Effect of rinsing with a higher vacuum and rinsing in slugs on pre-rinse results

Proefstation voor de Rundveehouderij, Schapenhouderij en Paardenhouderij (PR) Lelystad Waiboerhoeve Rapport 1 6 1

EFFECT VACUUMVERHOGING EN

SPOELEN IN KOLOMMEN

OP UITSPOELEN MELK

(Effect of rinsing with a higher vacuum

and rinsing in slugs on

pre-rinse results)

Regionale Onderzoek Centra

VOORWOORD

In 1991 is de Afdeling Melkwinning van het Proefstation voor d e Rundveehouderij, Schapenhouderij en Paardenhouderij gestart m e t het project "Milieusparend reinigen v a n melkwinningsapparatuur". Dit onderzoek werd mogelijk gemaakt door NOVEM (Nederlandse Onderneming voor Energie en Milieu). Onderdeel van d i t project is het onderzoek naar een optimale spoeltechniek in melkleidinginstallaties.

Onze dank gaat u i t naar allen die hun medewerking hebben verleend bij h e t t o t stand komen v a n d i t rapport. M e t name naar de stagiaires die veel praktisch werkzaamheden hebben verricht.

INHOUDSOPGAVE

. . .

1 INLEIDING 1

. . .

2 METHODE EN MATERIAAL 4

. . .

2.1 Proefopzet 4 2.2 De proefstal

. . .

4 2.2.1 De spoelleidingen

. . .

6

. . .

2.2.2 Wet 50 0 mm systeem 6

. . .

2.2.3 Het 75 0 mm systeem 6 2.3 Uitvoering

. . .

7

. . .

2.4 Praktijkmetingen 8 3 MEET- EN SYSTEEMGEGEVENS

. . .

9

. . .

3.1 De besturingseenheid 9

. . .

3.2 Meetapparatuur 10

. . .

3.2.1 Percentage vervuiling 10

. . .

3.2.2 Hoeveelheid 11 3.2.3 Statistische verwerking

. . .

12

. . .

3.3 Systeemgegevens 14 3.3.1 Opzuighoeveelheid van spoelleidingen

. . .

14

3.3.2 Dimensies van de melkleidinginstallatie

. . .

15

. . .

4 RESULTATEN EN DISCUSSIE 17 4.1 De vervuilingsoplossing

. . .

17

4.2 De plaats en hoeveelheid vervuiling

. . .

18

4.3 Metingen aan het 50 mm melkleidingsysteem

. . .

20

4.4 Metingen aan het 50 mm systeem met melkmeetglazen

. . .

26

4.5 Metingen aan het 75 mm melkleidingsysteem

. . .

31

4.6 Metingen aan het 75 mm melkleidingsysteem met melkproduktie- meters

. . .

34 4.7 Doorstroommetingen

. . .

37

. . .

4.8 Praktijkmetingen 39

. . .

5 CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN 45

. . .

5.1 Proefmetingen 45

. . .

5.2 Praktijkmetingen 48 6 LITERATUUR

. . .

51 BIJLAGE

. . .

52

SAMENVATTING

Bij het reinigen v a n melkleidinginstallaties w o r d t veel water gebruikt. D e hoeveel- heid is afhankelijk van het soort en de grootte van de installatie. Tussen bedrijven is daarom o o k een grote variatie. De hoeveelheid w o r d t geschat o p 10 li- terldierldag. De huidige W e t Lozingsbesluit Bodembescherming en de W e t Verontreiniging Oppervlaktewater maken d a t spoelwater niet meer op h e t oppervlaktewater geloosd m a g worden. Alternatieven zijn mestopslag en riool. Beide alternatieven brengen kosten m e t zich mee zodat vermindering v a n spoelwater financieel e n milieusparend aantrekkelijk is. D i t onderzoek h e e f t t o t doel waterbesparing en daarmee spoelwaterreductie door een optimalisatie van de voor- en naspoeling v a n een melkleidinginstallatie. Er is onderzocht o f door h e t spoelen i n kolommen en 1 o f een verhoging van het v a c u u m een beter spoeleffect bereikt kan worden.

De Nederlandse melkveehouderij heeft een groteverscheidenheid aan melkleidingin- stallaties. D i t betekent d a t d e resultaten die voor een bepaald t y p e melkleidingin- stallatie gelden, niet o p hoeven t e gaan voor een ander type installatie. De meest geschikte werkwijzen dienen dus voor verschillende typen melkleidinginstallatie onderzocht t e worden.

De proef is uitgevoerd i n een proefstal o p de Waiboerhoeve t e Lelystad. De gebruikte melkstal is een 2 x 3 open tandem m e t 2 melksystemen, een 50 m m 0 en een 75 m m 0 melkleiding. In deze proefstal zijn verschillende praktijksituaties

na t e b o u w e n .

In de proefstal is een besturingseenheid geplaatst die de gekozen variabelen, vacuum en kolomgrootte o p een constante wijze kan variëren. Hierbij is uitgegaan van een sturing v a n de hoeveelheid water en lucht m e t kleppen. Het vacuumniveau w o r d t gevarieerd door een regulateur.

De installatie w o r d t o p een standaard manier vervuild m e t een oplossing van w a t e r en keukenzout (NaCl). Deze oplossing is gekozen na een vergelijkend onderzoek m e t melk, water en melk en water en keukenzout. Als de installatie is vervuild w o r d t een spoelprogramma ingesteld en worden een aantal metingen uitgevoerd.

De basis v a n de proef ligt bij h e t meten van de geleidbaarheid van het spoelwater en de hoeveelheid gebruikt spoelwater. Na vervuilen en draineren is er 100 % vervuiling aanwezig. Gedurende het spoelen neemt d i t af t o t O % vervuiling. De mobiele meetapparatuur bestaat u i t een interface m e t vier meetpunten en een PC. Aan de interface zijn de volgende meetpunten gekoppeld:

- Geleidbaarheid v a n h e t spoelwater

- Temperatuur v a n h e t spoelwater

- Vacuüm i n de luchtafscheider

- Tijd d a t de melkpomp spoelwater verpompt

Vanuit deze waarde w o r d t een spoelcurve weergegeven die o p de X-as de hoeveelheid spoelwater weergeeft en o p de Y-as de vervuiling. Deze uitspoelcurve w o r d t voor elk spoelprogramma gemeten en opgeslagen i n de PC. M e t kengetallen v a n de verschillende uitspoelcurves van een melkleidinginstallatie w o r d t een variantie-analyse gemaakt m e t h e t statistische programma Genstat. De hoeveelheid water die nodig is o m de installatie schoon t e spoelen hangt o.a. af van de diameter en lengte v a n de melkleiding en h e t gebruik v a n extra apparatuur zoals melkmeetglazen en melkproduktiemeters. Een ander belangrijk onderdeel is de hoeveelheid vervuiling die uitgespoeld moet worden. Uit een aantal metingen blijkt d a t de meeste vervuiling i n de melkleiding achterblijft. Bij het 50 m m systeem is d i t 1,9 l? na 5 minuten draineren. In totaal blijft er 2,4 l vervuiling achter. Voor h e t 75 m m systeem geldt een hoeveelheid van 0,6 l? i n de melkleiding e n 1,3

l

in h e t totale systeem.

De eerste inleidende metingen geven aan dat een uitspoelcurve zonder luchtinjectie, bij een laag v a c u u m veel minder snel schoon zijn dan bij luchtinjectie en hoog vacuum.

VERVUIUNG (%) VERVUIUNG (Sb)

110

-

met luchönjecöe . . . . , zonder luditinjecöe _go

- 1 O + - - ~ r - . ,

.

, . , , ,

.

HOEVEELHEID 8) -10 , , , , , m , , , . , , ,HOEVEELHEID (I)

o 10 X , 30 40 50 O 10 X) 30 40 50

Figuur A: Uitspoelcurve met en zonder luchtinjectie Figuur B: Uitspoelcurve bij 40 en 60 kPa

De volgende melkleidinginstallaties zijn i n de proefstal doorgemeten:

- Het 5 0 m m melkleidingsysteem zonder melkmeetglazen

- H e t 5 0 m m melkleidingsysteem m e t melkmeetglazen

- H e t 75 m m systeem zonder melkproduktiemeters

-

H e t 7 5 m m systeem m e t melkproduktiemeters

Bij deze t w e e melkleidinginstallaties is gebruik gemaakt van een aantal verschillen- de spoelleidingen:

- Een dubbele laagliggende 38 m m 0 spoelleiding

- Een dubbele hoogliggende 32 m m 0 spoelleiding

- Een enkele hoogliggende 32 m m 0 spoelleiding

De resultaten u i t deze metingen lieten een eenduidig algemeen beeld zien. H e t effect v a n v a c u ü m heeft tussen het niveau v a n 4 0 en 5 0 en tussen 4 0 en 6 0 Kpa een significant effect. Tussen 50 en 60 Kpa is het effect niet altijd significant, h e t effect blijft w e l positief. Het effect van spoelen i n kolommen tussen 1 e n 2 kolommen is significant. Het effect tussen het gebruik van 2 , 3 of 4 kolommen is niet altijd significant, ook hier blijft het effect w e l positief.

Het gebruik van melkproduktiemeters vraagt een geheel andere aanpak van spoelen. D e melkproduktiemeters bufferen de vervuiling. Spoelen i n kolommen

heeft hier een g r o o t effect.

Vervolgens zijn er op t w e e bedrijven op de Waiboerhoeve praktijkmetingen gedaan o m d e resultaten gemeten i n de proefstal, o p praktijkschaal t e toetsen.

Conclusies

H e t spoelen i n een aantal kolommen geeft een reductie van voor- en naspoelwa- ter v a n 30 t o t 50 %. Een kleine kolom (3 x 20 Z) heeft een hogere snelheid dan een grote k o l o m (1 x 60 Z). Tussen de kolommen door kan de vervuiling worden verwijderd zonder t e worden vermengd m e t schoon water.

B B e optimale kolomgrootte hangt af van de gebruikte spoelleiding. De inhoud van de spoelleiding waar de spoelstellen aan hangen is de optimale kolomgrootte. Bij deze kolomgrootte is de verdeling van spoelvloeistof voldoende.

B H e t spoelen m e t een verhoogd vacuüm geeft een reductie v a n het spoelwater v a n O t o t 50 %. Een verhoging naar 50 á 60 kPa is hierbij voldoende. Voorwaar- de hierbij is d a t de melkpomp voldoende snel aangestuurd w o r d t en voldoende capaciteit heeft o m h e t sneller aangevoerde spoelwater t e verpompen.

ia De t w e e bovengenoemde effecten zijn voortgekomen u i t een snelheidsverhoging v a n h e t spoelwater.

i De inwendige diameters van de melkleidinginstallatie bepalen voor een deel de snelheid v a n het water. Verder onderzoek kan zich hierop richten.

i H e t spoelen van een melkleidinginstallatie verloopt volgens t w e e principes, afhankelijk v a n de v o r m en constructie v a n het t e spoelen onderdeel. Onderdelen waar de vloeistof snel door kan stromen zonder dat er buffering optreedt worden gespoeld door verdringing. Dit zijn melkslangen, melkleidingen en melkmeetgla- zen m e t voldoende snelle afvoer.

Onderdelen waarin spoelwaterbuffering optreedt worden gespoeld door verdunning. D i t zijn melkstellen, melkstroomindicatoren en melkproduktiemeters.

Bij bufferende onderdelen heeft het spoelen in kolommen een groter effect dan bij niet bufferende onderdelen. Een verdringingsspoeling verloopt sneller bij een hoge snelheid van het spoelwater. Dit is t e bereiken door vacuhm verhogen en luchtinjecties.

6% De praktijkmetingen bevestigen en ondersteunen de eerde genoemde conclusies

en reducties.

i De hoeveelheid restvervuiling in een installatie is mede bepalend v o o r de

hoeveelheid voor- en naspoelwater o m die installatie schoon t e spoelen.

In een goed sanitair aangelegde installatie m e t voldoende afschot er1 drainage blijft een minimale hoeveelheid restvervuiling achter.

SUMMARY

Rinsing and cleaning o f milking equipment takes a l o t o f water. The amount depends o n t h e complexity o f t h e installation. Between farms is a big variation. The average amount used is 10 liter\cow\day. The n e w l a w "draining decision soilconservation" and t h e l a w "pollution surfacewater" ensure t h a t wastewater is n o t drained o n t h e surfacewater. Alternatives are manurepit and sewer. Both alternatives c o s t money, re-use and decrease o f wastewater is financially and environmentally attractive.

The purpose o f this investigation is t o decrease wastewater b y optimizing t h e pre- and after rinse b y using a higher vacuüm orland using slugs.

D u t c h dairies have a l o t o f varieties o f milk parlours. I t means t h a t t h e results of this investigation can n o t always be used directly. The m o s t efficient w a y of rinsing needs t o be tailoring t h e results, i n practical situations. The tests are done o n a experimental f a r m "Waiboerhoeve" in a 2 x 3 open parlour w i t h t w o milklines, a 50 m m and a 75 m m milkline. In this parlour w e can create different practical situations. In t h e parlour is a control-unit where w e can variate vacuüm, air inlet and w a t e r inlet for different time periods.

De installation is contaminated i n a standard w a y w i t h a solution o f NaCI (salt). This contamination is chosen after a comparison w i t h milk, water and milk and water and NaCI. The basic measurement is conductivity and quantity o f rinse water. I n t h e beginning o f a rinse t e s t there is 100% contamination, during rinsing i t goes d o w n t o 0%. The mobile measuring equipment exists o f four sensors channels and a PC. The channels are:

- Conductivity of t h e rinse water

- Temperature o f t h e rinse water

- V a c u ü m in t h e receiverunit

- Pumptime o f t h e milkpump.

with en without air injection and with 4 0 and 60 kPa.

CONGEMRATION (%) 110,

-

with air inlet ... withuisiriniet

CONCENTRATION (X)

110-

- I O ~ - - - ~ ~ U A ~ ~ ( I ) - l O J . i l i i i i i i i i . i i i m i , i , , ,,,,, QUANTiiY(I)

O 10 P 30 40 50 O 10 20 30. 40 50 Figufe A: Rinse curve with and without airinjection Figure B: Rinse curve with 40 and 60 kPa

The next milk installations are tested in the test parlour.

-

50 mm low milk line without milk jars

- 50 mm low milk line with milk jars

- 75 mm low milk line without milk production meters

- 50 mm low milk line with milk production meters

Those four systems are tested with different rinse lines.

-

a double 38 mm low rinse line

- a double 32 mm high rinse line

The results o f t h e tests lead t o a general conclusion. There is an positive significant effect o f v a c u u m between 4 0 and 5 0 kPa and between 4 0 and 6 0 kPa. Between 5 0 and 6 0 there w a s n o t always a significant effect. The e f f e c t o f rinsing i n slugs is always significantly positive between 1 and 2 slugs. Between 2,3 or 4 there was a positive e f f e c t although i t w a s n e t significant.

The use o f milkproduction meters requires a different approach. M o s t o f the milkmeters need flooding t o clean t h e t o p o f t h e meter. A g o o d adjustment of valves is important.

A t t h e end of al1 parlour tests t h e results were checked o n practica1 farms. On the farms w e realized a reduction i n prerinse water o f 4 0 %

-

50%.

Conclusions

i Rinsing in slugs gives reduction o f pre and afterrinse u p t o 50%.

u A smal1 slug ( 3 x 2 0 t ) has a higher velocity than a big slug ( I x ô O f ) .

Between slugs there m u s t be a good fast drainage o f water

De o p t i m u m slug size depends o n t h e size (volume) o f t h e rinse line.

0 The volume o f t h e rinse line where clusters are attached is t h e best slug size. The w a t e r is then correctly divided over t h e clusters.

0 Rinsing i n w i t h a higher vacuum gives reductions o f pre- and afterrinse u p t o 50%.

The milkpump should have enough capacity t o remove the rinse w a t e r w i t h o u t mixing.

i Vacuüm effect is caused b y a higher velocity o f t h e water.

i The rinse process w o r k s w i t h t w o principals, depending o n f o r m and construc- tion. Parts where rinse w a t e r can reach high velocities (milkhose, milkline etc) are rinsed b y flushing a w a y t h e contaminated water. Parts w h i c h have a buffer (milk jars, milkproduktion meter, milkflow indicator etc.) are rinsed b y dilution.

i Rinsing in slugs has a bigger effect o n buffering parts o f t h e installation.

i The measurements o n practica1 farms confirm t h e results o f t h e testparlour,

i The amount o f residual water is important for a efficient rinse result

r In a properly conatructed ( good slope o f t h e milk line and automatic drainage) milking installation residual water should be minimal.

A list o f translations o f captions for tables, figures, appendices and expressions is given f r o m page 8500 wards.

l INLEIDING

Het reinigen van melkleidinginstallaties kost water, energie en chemie. Een goede voorspoeling is de basis voor een goede reiniging. Dit betekent dat zoveel mogelijk melkresten uit de melkleidinginstallatie verwijderd moeten worden met het voorspoelen. Onderzocht is of verhogen van de snelheid van water, door het spoelen i n kolommen (slugs) en een verhoging van het vacuüm een beter spoeleffect bereikt kan worden. Zo kan dus met minder water hetzelfde of misschien wel een beter uitspoeleffect van melk worden bereikt. Dit kan voor verschillende reinigingscircuits met verschillende onderdelen worden onderzocht. Bij de naspoeling zijn het de resten hoofdreinigingsoplossing die verwijderd moeten worden. Het is nu algemeen gebruikelijk om een aanzienlijke hoeveelheid water in één keer door de hele installatie te laten gaan. De drijvende kracht hierbij is het vacuum. Deze methode vraagt echter zeer veel water. De huidige werkwijze bij de reiniging van melkleidinginstallaties is als volgt:

Na het melken wordt de installatie klaar gemaakt voor de reiniging: De melkstellen worden op de spoeljetters geplaatst, het melkfilter wordt verwijderd en de melkslang wordt uit de tank gehaald en in de spoelbak geplaatst. Vervolgens wordt de reinigingsautomaat aangezet. Deze reinigingsautomaat voert (vaak zonder controle van de veehouder) een programma uit. Eerst een voorspoeling met water van 45

OC

om melkresten uit de installatie te verwijderen. Hierna een hoofdreiniging met water van 75

'

C

met daaraan toegevoegd

0,5%

gecombineerd reinigings- en desinfectiemiddel. Aan het einde volgt een naspoeling met koud water om de achtergebleven reinigings- en ontsmettingsmiddelen te verwijderen.

Het waterverbruik voor de reiniging van melkleidinginstallaties wordt geschat op 10 l?/koe/dag. De jaarlijkse hoeveelheid spoelwater (exclusief melkkoeltank) in Nederland komt dan op 7.000.000 m3 per jaar. Deze hoeveelheden vloeien voort

uit de bestaande aanbevelingen m.b.t. benodigde hoeveelheden water voor verschillende installaties. Een experimentele onderbouwing van deze normen is tot nu toe onvoldoende gegeven.

- 2 -

De normberekening is gebaseerd op het aantal melkplaatsen, diameter en lengte van de melkleiding [Koning, e t al, 19881. Daarnaast w o r d t er een extra hoeveelheid water ingebracht voor melkmeetglazen en melkproduktiemeters. Deze n o r m geeft aan hoeveel water er gebruikt m o e t worden per spoelbeurt. De normberekening is als volgt.

Voor melkleidinginstallaties m e t melkmeetglazen geldt: hoeveelheid per spoelbeurt = 20

k'

+

3-5 l per melkstel

Voor melkleidinginstallaties m e t ruime diameter ( > 5 0 m m 0) geldt: hoeveelheid per spoelbeurt

-

30

k'

+

6-7 l per melkstel

Voor melkproduktiemeters w o r d t een extra hoeveelheid gerekend v a n 0-4 l per melkproduktiemeter afhankelijk van het type.

Vanuit de doelstelling o m m e t minder water t e kunnen reinigen en spoelen is i n eerste instantie naar h e t "spoeleffect" v a n h e t gebruikte water gekeken. U i t literatuur k o m t naar voren d a t het Reynoldsgetal [Koning, e t al, 19881 en de snelheid [Grasshoff,l9931 van water een positieve invloed hebben o p het verwijderen v a n vuil u i t leidingsystemen enlof leidingdelen.

De vloeistofstroom is een mengsel van water en lucht (de drijvende kracht). De reinigingsoplossing kan bestaan u i t 6 soorten stroming [Lind, 19901. In figuur 1 zijn de diverse 2-fase stromingen weergegeven. De eerste is d e luchtbellen stroming "dispersed bubble f l o w " . Vloeistof en lucht worden gelijk gedoseerd zodat er een mengsel t e zien is m e t luchtbellen. De lamminaire stroming o f "anular f l o w " is een stroming van water m e t een overmaat aan snel stromende lucht. Er ontstaat een film van water aan de wanden van de leiding. De stratified f l o w is een lagenstro- ming, deze ontstaat bij een klein druk verschil (geringe snelheid). Door de zwaartekracht v o r m t een laag vloeistof m e t daar boven een laag lucht. D e golvende stroming of " w a v y f l o w " is een stroom waarbij het water stroomt aan de onderkant en de lucht stroomt daar over heen. De bovenkant van de leiding w o r d t niet bevochtigd, er ontstaan golven. Als de luchtstroming toeneemt en er voldoende water is ontstaan hogere golven "semi-slugflow". De propstroming o f "slugflow"

is een stroming waarbij de bovenkant van een leiding wordt geraakt door een kolom water voortgestuwd door lucht. De lamminaire stroming en de propstroming hebben beide een goede reinigende werking [Tragardh, von Bockelmann, 19801. De vloeistofverdeling en het grote temperatuurverlies maken dat de lamminaire stroming minder geschikt is voor een goede vuilverwijdering. Een vloeistofsnelheid van 1,5 mls of meer is voldoende voor een effectieve reiniging [Timperley, 1 9 8 1

l.

LUCHTBELLENSTROMING GOLVENSTROMING

FILMSTROMING SEMI PROPSTROMING

LAGENSTROMING PROPSTROMING

Figuur 1 Schematische weergave van verschillende 2-fase stroming (waterllucht) BRON: O.Lind ,1990

Naast stromingsvorm is turbulentie een belangrijke factor. Bij een vloeistofstroom door buizen spreekt men van een turbulente stroming, als het getal van Reynolds (Re) groter is dan 10.000. Bij een turbulente stroming heeft vrijwel elk punt in de kolom vloeistof dezelfde snelheid, dit in tegenstelling t o t de lamminaire stroming (Re = 2300). Het effect van Reynoldsgetal en verschillende vloeistofsnelheden werd bepaald voor twee leidingsystemen (figuur 2, 38 m m 0 en 75 m m a).

Log m. of organiwn,

recczvwed g

Figuur 2a.b Effect van Reynoldsgetal en gemiddelde snelheid op het uitspoelen van indicator- organismen van twee ieidingdiameters (38 mm 0 en 7 5 mm 0) BRON: D.Timperley, 1981

De hoeveelheid spoelwater per spoelbeurt is voor de drie spoelgangen n o g vaak gelijk. De werkgroep reinigen [Koning, et al, I9881 geeft aan dat de voor- en naspoelhoeveelheid kan worden teruggebracht naar 75 % van de normhoeveelheid. Dit zou een reductie van 17 % op het totale spoelwater betekenen. In juli 1992 werd h e t bozingsbesluit Bodembescherming van kracht, naast de bestaande W e t Verontreiniging Oppervlaktewater. Bovengronds uitrijden van spoelwater over h e t land en lozen o p h e t oppervlaktewater zijn hiermee verboden. Alternatieven zijn o.a. lozing i n d e mestput o f o p h e t riool. Een vermindering van spoelwater is m e t deze w e t t e n daarom milieusparend en financieel aantrekkelijk.

2 METHODE EN MATERIAAL

2.1 Proefopzet

Het doel van de proef is het verbeteren van het spoeleffect door het vaststellen van het effect van verhogen van vacuüm en het tussentijds inlaten van lucht. De niveaus zien er als volgt uit.

- _{Vacuüm 40, 5 0 en 6 0 kPa}

- _{Luchttoevoer 0, 2 en 4 maal gedurende 2 en 8 seconden.}

De opzet van de proef is volgens het split-plot schema (tabel 1). Uit het schema blijkt d a t er per proef 15 spoelbeurten worden uitgevoerd. Deze 1 5 spoelbeurten worden per herhaling geloot. De proef w o r d t t w e e keer herhaald.

Tabel 1 Split-splot schema van de proef

Vacuüm 40 kPa 50 kPa 60 kPa

Aantal keer O O O

X 2 X 2 2 X 8 2 x 2 2 X 8 2 X 2 2 X 8

De Nederlandse melkveehouderij heeft een verscheidenheid aan melkleidinginstalla- ties. Dit. betekent dat resultaten die voor een bepaald t y p e melkleidinginstallatie gelden, niet hoeven o p t e gaan voor andere typen installaties. Be meest geschikte werkwijzen dienen dus voor verschillende typen melkinstallaties onderzocht t e worden. Om verschillende systemen c.q. onderdelen onder gelijke praktijkomstan- digheden t e kunnen onderzoeken is gekozen voor de melkstal o p Melkvee 5 v a n de Waiboerhoeve.

In totaal worden er 45 metingen gedaan per proef. De data worden omgezet in percentagevervuiling en hoeveelheid spoelwater. Daarna w o r d t m e t het programma Genstat een variantie-analyse uitgevoerd.

2.2 De proefstal

De stal is ingericht als experimentele proefstal. Uitgangspunt w a s d a t delen i n glas werden uitgevoerd o m de stroming van water en lucht t e kunnen zien.

De melkstal is een 2 x 3 open tandem-stal. Hierin zijn t w e e melkleidinginstallaties aangelegd: een systeem m e t een 7 5 m m 0 melkleiding, deels glas, m e t een glazen luchtafscheider. Het andere systeem heeft een 50 m m 0 melkleiding m e t een glazen luchtafscheider. Beide zijn laagliggende melkleidingen. Elk systeem heeft een aparte retourleiding naar de spoelbak. Beide melkleidingen hebben o o k een aparte spoelleiding die aan beide zijden van de luchtafscheider o p de melkleiding kan w o r d e n aangesloten. Hierdoor kan zowel linksom als rechtsom gespoeld worden. De diameter v a n deze spoelleiding is gelijk aan de diameter v a n de melkleiding. Dit is o m onnodige vernauwingen i n het stromingsciruit t e voorkomen.

Iedere zijde v a n de stal heeft drie melkstellen, die op beide melkleidingsystemen kunnen w o r d e n aangesloten. Standaard is een 38 m m 0 dubbele laag liggende glazen spoelleiding m e t een dubbele aansluiting o p de spoelbak. Naast deze spoelleiding is h e t mogelijk o m m e t een 32 m m 0 hoge dubbele en een 3 0 m m 0 hoge enkele spoelleiding t e spoelen.

De basisopstelling is zo aangelegd dat eenvoudig melkproduktiemeters of melkmeetglazen kunnen worden ingebouwd. Ook is het mogelijk o m andere melkstellen en spoeljetters m e t verschillende doorstroomoppervlakten door te meten.

Figuur 3 Melkleidingsystemen in de proefstal

2.2. i De spoelleidingen

2 x 38 mm 0 laqe spoelleiding

Deze spoelleiding is van glas en is weggewerkt onder de putrand. Door de uitvoering in glas is de kolomvorming goed waarneembaar, visuele beoordeling van de verdeling van vloeistof is hierdoor mogelijk. De inhoud van de spoelleiding waar de melkstellen op aangesloten zijn is 13

P.

De gevormde kolommen zijn : 12

P,

20

P,

60

P

en er is 0, 2 en 4 keer lucht ingelaten gedurende 2 en 8 seconden.

2 x 32 mm 0 hocie spoelleiding

Deze spoelleiding is van PVC. De inhoud van de spoelleiding waar de melkstellen op aangesloten zijn is 12 l . De gevormde kolommen zijn : 12 P, 20 l , 60

P

en er is 0, 2 en 4 keer lucht ingelaten gedurende 2 en 8 seconden.

- 8 - 1 x 32 m m 0 hoge s ~ o e l l e i d i n g

Deze spoelleiding is van RVS. De inhoud van de spoelleiding waar de melkstellen o p aangesloten zijn is 6 í?. De gevormde kolommen zijn : 6 l , 10 l , 60 l en er is 0, 5 en 9 keer lucht ingelaten gedurende 2 en 8 seconden.

A l deze spoelleidingen staan i n verbinding m e t een 38 m m opzuigleiding die in de spoelbak hangt.

2.2.2 Het 50 mm systeem

Als er i n d i t rapport over het 50 m m systeem w o r d t gesproken w o r d t er bedoeld h e t melkleiding systeem m e t een 50 m m 0 melkleiding. De rondgaande melkleiding is op t w e e punten aangesloten o p de glazen luchtafscheider. H e t afschot v a n deze melkleiding is v a n - % % t o t f % %

.

Op de melkleiding is naast d e luchtafschei- der een spoelleiding gemonteerd. Deze spoelleiding heeft een doorsnede v a n 50 m m . H e t inlaten v a n water en 1 o f lucht rechtstreeks o p de melkleiding is hiermee mogelijk.

2.2.3 Het 75 0 mm systeem

Als er in dit verslag over het 75 m m systeem wordt gesproken w o r d t het melkleiding systeem m e t een 75 m m 0 melkleiding bedoeld. De rondgaande melkleiding is o p t w e e punten aangesloten o p de glazen luchtafscheider. Het afschot van deze melkleiding is van O % t o t f 1 %

.

Op de melkleiding is naast de luchtafscheider een spoelleiding gemonteerd. Deze spoelleiding h e e f t een doorsnede v a n 50 mm. Het inlaten van water en 1 o f lucht rechtstreeks o p de melkleiding is hiermee mogelijk. Voor h e t spoelen van de 75 m m melkleidinginstal- latie is gebruik gemaakt v a n de dubbele laagliggende 38 m m spoelleiding m e t een extra voorziening voor het spoelen van de melkleiding.

Aan het einde v a n de spoelleiding zijn aan beide zijden extra aanvoerslangen geplaatst die spoelwater aanvoeren naast de luchtafscheider. In plaats v a n de zes

- 9 -

afvoerslangen o p de spoelleiding zijn er n u acht afvoerslangen. Door n u na aanvoer van spoelwater lucht t e injecteren o p de melkleiding worden er kolommen gevormd. Deze kolommen ontstaan in het eerste gedeelte van de melkleiding en stuwen het spoelwater m e t vervuiling in de melkleiding voor zich uit. De luchtinjectie o p de melkleiding vindt na elke ingelaten kolom plaats. Het proces is als volgt; het water w o r d t vanuit d e spoelbak opgezogen waarna een luchtinjectie de kolom water voor zich u i t drukt d e spoelleiding in. Als het spoelwater door de extra afvoerslangen is gezogen e n via deze slangen i n de melkleiding is gelopen, w o r d t lucht i n d e melkleiding geïnjecteerd. Voor deze proef zijn de volgende kolomgroottes doorgemeten, 1 x 7 5 í?, 2 x 3 7 í?, 3 x 2 5 í? en 5 x 1 5 í?. Bij de proef waar 1 x 7 5

E

en 2 x 3 7 í? is gebruikt wordt vier maal lucht geïnjecteerd o p de melkleiding.

2.3

Uitvoering

De melkleidinginstallatie w o r d t o p een gestandaardiseerde wijze m e t een vervuilingsoplossing vervuild. Hier is een standaard oplossing en werkwijze voor nodig. Een vergelijkend onderzoek is opgezet o m t o t een standaardvervuilingsop- lossing t e komen. De resultaten zijn t e vinden in paragraaf 4.1 "de vervuilingsoplos- sing".

De standaard werkwijze verliep als volgt: De melkstellen worden o p de "vervui- l i n g ~ " jetters geplaatst en de retourleiding van de rnelkpomp k o m t in het voorraad- v a t m e t vervuilingc-oplossing. Zo is het mogelijk de vervuilingsoplossing t e circuleren. Deze circulatie waarbij de oplossing in combinatie met lucht door de installatie w o r d t gezogen duurt t w e e minuten. De installatie is dan "vuil". Hierna w o r d t h e t vacuüm van de melkleiding afgehaald en kan het vuil gedurende zes minuten inwerken o p de installatie. Tijdens deze zes minuten w o r d t de installatie spoelklaar gemaakt. D a l w i l zeggen de tijdsinstellingen van de klepbesturing e n h e t vacuümniveau worden ingesteld, ook w o r d t de meetapparatuur klaar gezet. Elke uitspoeling w o r d t uit praktische overwegingen begonnen met een korte luchtinjectie gevolgd door 16 seconde rust. Dit is gedaan o m een vast beginpunt voor alle

-

1 0 -

metingen t e realiseren. Het vooraf ingestelde programma w o r d t doorlopen, en de uitspoeling w o r d t gemeten. De temperatuur van h e t spoelwater is 5 0 O C . Er is

gekozen voor één constante temperatuur o m de proef i n eerst instantie een niet t e grote omvang m e t t e veel variabelen t e geven. De temperatuur van voorspoelen is gekozen o p 5 0 O C omdat dit een voorspoeltemperatuur is die o p vele praktijkbedrij-

ven w o r d t gebruikt (warmteterugwinningswater).

De gebruikte hoeveelheid spoelwater is bepaald door een normberekening van de werkgroep reinigen, die i n de Nederlandse melkveehouderij algemeen bekend is. De berekende n o r m voor de diverse proef- en praktijkinstallaties is als volgt:

5 0 m m systeem

5 0 m m systeem m e t melkmeetglazen

7 5 m m systeem =

65

Z

7 5 m m systeem m e t Afikim melkproduktiemeters = 85 O

2.4

Praktijkmetingen

O m de gevonden resultaten in de praktijk t e toetsen zijn een aantal praktijkmeting- en uitgevoerd o p de Waiboerhoeve. De methode is bij deze bedrijven gelijk aan de proefmeting. H e t verschil is dat i n deze situatie een uitspoeling w o r d t gemeten van koewarme melk. I n eerste instantie i s de voorspoeling gemeten onder normale omstandigheden (zonder verhoogd vacuum en zonder luchtinlaat). Na deze meting zijn stapsgewijs v a c u u m verhoogd en is er in kolommen gespoeld. Als laatste meting zijn beide technieken tegelijkertijd toegepast. De hoeveelheid voorspoel- water is volgens de norm, vastgesteld door de fabrikant. Naast de praktijkmetingen m e t de elektronische meetapparatuur zijn er ook een aantal vereenvoudigde metingen gedaan. Deze metingen zijn uitgevoerd m e t behulp v a n een aantal emmers waarin h e t spoelwater w o r d t opgevangen. Als er 5 0 1 voorspoelwater w o r d t gebruikt w o r d t dit opgevangen i n 1 0 gelijke delen van 5 l . Vanuit elke 5 1

-

11

-

w o r d t een monster genomen waarvan de geleidbaarheid w o r d t bepaald. Deze geleidbaarheid kan worden omgezet in een percentage melk. Het verloop v a n h e t uitspoelen w o r d t zichtbaar gemaakt i n een staafgrafiek. Dit is een handige m e t h o d e o m m e t eenvoudige apparatuur t o c h een goede indruk t e krijgen v a n d e efficiëntie v a n voorspoelen.

3 MEET- EN SYSTEEMGEGEVENS

3.1 De besturingseenheid

In de proefstal is een besturingseenheid geplaatst die de gekozen variabelen, v a c u ü m en luchtinlaat o p een constante wijze kan realiseren.

Hierbij is uitgegaan v a n een sturing van de hoeveelheid water en lucht die i n de installatie w o r d t gelaten. Dit is t e bereiken door op de spoelleidingen kleppen t e plaatsen. Op elke spoelleiding is een watertoevoerklep en een luchttoevoerklep gemonteerd. Deze kleppen, acht i n totaal, worden gestuurd vanuit een elektro- nische besturingskast. M e t tijdschakelaars kan de lengte van drie perioden worden ingesteld:

1 watertoevoer open

-

dicht 2 luchttoevoer open

-

dicht

3 rustperiode tussen einde luchttoevoer en watertoevoer open

Figuur 4 Schematische weergave van de besturingseenheid A = tijdschakeling

B = luchtinlaatkleppen C = waterinlaatkleppen

D = spoelbak 1 ..4 = spoelleidingen

- 13 -

De tijdsinstelling heeft een bereik v a n minimaal 1 seconde t o t maximaal 1 0 uur. De volgorde v a n d e klepaansturing is als volgt: eerst gaat de watertoevoerklep open, gevolgd door een luchtinjectie. Daarna volgt een rustperiode (beide kleppen gesloten) zodat de installatie onder vacuum kan komen. De kleptijden zijn afzonderlijk v a n elkaar i n t e stellen maar de volgorde blijft gelijk (water-lucht-rust).

M e t deze besturingskast is h e t o o k mogelijk o m de kleppen handmatig t e bedienen. Tevens kan door handmatige bediening de klepbesturing gevarieerd w o r d e n over de vier spoelleidingen zodat de melkleiding en de melkstellen o m en o m gespoeld worden. De watertoevoerkleppen worden gestuurd door perslucht en de luchttoe- voerkleppen door vacuum. De vacuümpomp heeft een capaciteit v a n 1 0 0 0 l l m i n u u t bij 5 0 kPa. Dit is voldoende o m de installatie o p een vacuümniveau v a n 65 kPa t e brengen. De reserve capaciteit is 3 0 0 l l m i n u u t . Aan de vacuümleiding zijn drie regulateurs gemonteerd. Deze zijn in o f u i t t e schakelen m e t kranen. Elke regulateur heeft een vast ingestelde waarde, zodat m e t een enkele handgreep h e t v a c u u m zonder instelfout snel kan worden veranderd.

3.2 Meetapparatuur

De basis van de proef ligt bij de geleidbaarheid v a n h e t spoelwater i n verhouding t o t de hoeveelheid spoelwater die de melkpomp verpompt. De meetapparatuur is zo gemaakt d a t deze "mobiel" is. Het is zo mogelijk de meetapparatuur o p een praktijkbedrijf t e plaatsen, en daar een uitspoelcurve t e meten. De interface m e t de vier meetpunten is de verzameleenheid voor de t e meten waarden. Aan de interface zijn de volgende vier meetpunten gekoppeld:

-

Geleidbaarheid v a n h e t spoelwater na de melkpomp

- Temperatuur v a n h e t spoelwater na de melkpomp

- V a c u ü m i n de luchtafscheider

- Tijd d a t de p o m p spoelwater verpompt

Deze vier waarden worden weergegeven o p een scherm en tegelijk opgeslagen i n een file. De data u i t deze file worden later bewerkt. U i t de vier meetpunten w o r d e n

t w e e waarden herleid namelijk percentage vervuiling en hoeveelheid spoelwater. De temperatuur en geleidbaarheidmetingen worden gedaan achter de melkpomp. Deze plaats is gekozen omdat op deze plaats alle vervuiling die iri de installatie aanwezig was, passeert; spoelwater w o r d t hier afvalwater. Tevens is deze plek gunstig o m d a t de vloeistofstroom hier geen lucht meer b e v a t e n zo h e t signaal van de geleidbaarheidsmeter niet w o r d t verstoord. Het nadeel van geleidbaarheidsme- t i n g o p d i t p u n t is dat de oplossing in de luchtafscheider w o r d t gebufferd en daarna pas w o r d t gemeten.

3.2.1 Percentage vervuiling

De geleidbaarheidsmeter die voor deze proef is gebruikt, w o r d t i n d e praktijk gebruikt als sensor voor mastitisdetectie. Het is een doorstroommeter m e t t w e e elektroden die een spanningsverschil meet i n een vloeistof. D i t verschil w o r d t veroorzaakt door de ionen (zouten) in de vloeistof. Omdat de geleidbaarheid afhankelijk is van de temperaturen w o r d t er voor temperatuur gecorrigeerd. Hiervoor is de geleidbaarheid gecorrigeerd naar één temperatuur. Hiervoor zijn een aantal ijklijnen gemaakt. Er is gekozen voor 2 0 'C omdat dit de temperatuur is van de vervuilingsoplossing. D e geleidbaarheid van de vervuiling is 5,O m S / c m bij 20 'C. De geleidbaarheid van water is gemeten bij verschillende temperaturen, zodat correctie voor temperatuur mogelijk is. De metingen, gemeten m e t de Radiometer C D M 80 zijn weergegeven in tabel 2 en figuur 5.

Tabel 2 Geleidbaarheid van water bij verschillende temperaturen

TEMPERATUUR ' C 1 O 20 30 40 50 60 70

GELEIDBAARHEID (mS1m)

Figuur 5 Geleidbaarheid ijklijn van water bij verschillende temperaturen

Elke graad stijging of daling in temperatuur geeft één procent geleidbaarheids- stijging of -daling ten opzichte van het niveau bij 20°C, 0,33 mS/cm. De metingen zijn tevens uitgevoerd bij vervuilde oplossingen 1 % en 5 % melk. Deze ijklijnen hebben het zelfde lineaire verloop als die van water. Vervolgens wordt deze geleidbaarheid omgezet in percentage vervuiling. De vervuilingsoplossing wordt hierbij 1 0 0 % en schoon leiding water 0%.

GELEIDBAARHEID (mS)

---->

VERVUILING (%) TEMPERATUUR

('6)

3.2.2 Hoeveelheid

De hoeveelheid spoelwater wordt bepaald door de pomptijd te meten. Aan de hand van een pompkarakteristiek wordt bepaald hoeveel liter water er verpompt is. Deze pompkarakteristiek wordt beïnvloed door het vacuüm dat heerst in de luchtafschei- der boven de pomp. Hiervoor moet het vacuüm op deze plaats worden gemeten. Voor de berekening van de pompkarakteristiek zijn gegevens over de capaciteit van

-

16

-

de melkpomp nodig. De metingen zijn gedaan bij vier vacuumniveaus; 0, 40, 50 en 60 kPa. Het debiet in liter per seconde is gemeten bij pomptijden van 2,4 en 6 seconden. De resultaten van deze metingen staan in bijlage ll. Naast de grafische weergave in bijlage Ilb is de formule gegeven om het debiet van de pomp te kunnen berekenen bij verschillende vacuumniveaus.

Vanuit deze metingen komt de volgende tabel met de gemiddelde hoeveelheid verpompt water bij de vier vacuumniveaus. Figuur 6 is een grafische weergave van de meetgegevens uit tabel 3.

Tabel 3 Debiet (!/s) van 2 melkpompen in de proefstal bij verschillende vacuÜmniveaus

Vacuümniveau ikPa) O 10 20 30 40 50 6 0 Melkpomp 50 m m systeem 2,52 2,42 2,25 2,12 1,94 l , 1,57 Melkpomp 75 mm systeem 3,08 2,86 2,78 2,68 2,54 2,41 2,3 HOEVEELHEID (Literlsec) 3.5

1

-

50 mm systeem pomp . . . 75 mm systeem pomp

Figuur 6 Pompkarakteristieken van de 2 melkpompen (50 mm en 75 mm systeem) bij verschillend vacuüm

- 17

-

Figuur 6 toont aan dat de pompcapaciteit afneemt als het vacuüm stijgt. Elke eenheid (kPa) vacuümstijging o f daling geeft 0,015 f per seconde stijging o f daling

v a n h e t debiet. De hoeveelheid i n l / s is dan de pomptijd i n seconde, vermenig- vuldigd m e t h e t debiet welke gecorrigeerd is voor h e t vacuumniveau. O p deze manier is bij elk vacuümniveau m e t bij behorende pomptijd de hoeveelheid t e bepalen. D e melkpomp is zo geschakeld d a t bij een kleine hoeveelheid vloeistof w o r d t gepompt. Zo w o r d t een continue meting verkregen e n is er weinig buffering van spoelwater en vervuiling.

VACUUM (kPa)

---->

HOEVEELHEID ( l ) POMPTIJD (sec)

3.2.3 Statistische verwerking

D e verzamelde data zijn omgerekend naar percentage vervuiling en hoeveelheid spoelwater. Vervolgens zijn de data m e t het statistisch analyse programma Genstat verwerkt. Van elke uitspoelcurve is via "curve-fitting" een gestandaardiseerde curve berekend. Voor deze aangepaste curve geldt een formule m e t een aantal variabelen. Deze variabelen beschrijven de curve, zodat m e t deze variabelen variantie analyses uitgevoerd kunnen worden. De verschillende uitspoelcurve kunnen zo m e t elkaar vergeleken worden. De werkelijke curve past voor een g r o o t gedeelte i n de berekende curve, een percentage geeft aan voor hoeveel procent dit waar is. Een eis hierbij i s d a t de berekende curve voor meer dan 8 5 % de werkelijke curve weer m o e t geven. Is dit niet h e t geval dan w o r d t de betreffende uitspoelcurve niet i n de verdere analyse meegenomen.

De variabelen die berekend worden zijn:

R D i t is h e t dalingspercentage van de lijn berekent vanaf 1 0 0 % vervuiling. D i t h o u d t i n d a t elke liter gebruikt spoelwater de lijn m e t d a t percentage zal dalen, bijvoorbeeld 8 5 % zoals in figuur 7. In de bijlagen III t o t IX zijn van

-

18 -

alle proeven deze dalingspercentages weergegeven.

1 % D i t getal g e e f t h e t aantal liters water weer d a t nodig is o m de vervuiling t o t 1 procent t e reduceren.

O % D i t getal geeft h e t aantal liters water weer d a t nodig is o m de vervuiling t o t 1 procent t e reduceren.

VERVUILING (%) , , a . ,

-

gemeten berekend

Figuur 7 Werkelijke en berekende uitspoelcurve, R = 85 %, 1 % = 30 1 en O % = 37 I?

M e t behulp v a n deze resultaten w o r d t een variantie-analyse uitgevoerd. De variantie-analyse heeft h e t volgende model:

Y,, = p

+

ui -f-

pi

+

(a.fl),

+

e,, verklaring van h e t model:

Y = liter spoelwater o m 1 % vervuiling t e bereiken (verwachtingswaarde)

p = constante a = v a c u ü m effect

-

19 -

B

= k o l o m effect

(a$)

= interactie tussen vacuüm- en kolom effect e = rest variantie

H e t verschil i n analyseresultaat tussen een gemeten en een berekende curve is, indien de berekende curve meer dan 85 % de werkelijke curve benaderd nihil. Als eindresultaat w o r d t vooral gekeken naar de laagste waarde v a n vervuiling aan het einde v a n de spoelcurve. In d i t gebied zijn berekende en gemeten curve gelijk. Bij alle metingen aan h e t 50 m m systeem en bij de metingen m e t het doorstroom- oppervlakte zijn de berekende curven goed voor verdere analyse. Bij de metingen aan h e t 7 5 m m melkleidingsysteem zijn de curven zeer steil waardoor de berekende curve v o o r minder dan 85 % de werkelijke curve weergeeft. De reden v a n deze steile curve is d a t er in h e t 7 5 m m systeem minder restvervuiling achter blijft en d a t er meer verdunning optreedt van melk en water. De analyse is i n deze situatie gedaan m e t gegevens v a n de werkelijke uitspoelcurven. Hiervoor zijn werkelijke p u n t e n o p de uitspoelcurve i n de variantieanalyse opgenomen. Deze werkelijke p u n t e n zijn h e t aantal liters o m 1 % en O % vervuiling t e bereiken.

3.3 Systeemgegevens

Voordat de proeven zijn gestart is eerst de installatie o p verschillende punten doorgemeten. D i t is nodig o m voldoende inzicht t e krijgen in d e eigenschappen van de installatie. De pompkarakteristiek v a n de melkpomp is besproken i n paragraaf 3.2.2. De opzuighoeveelheden door de spoelleidingen zijn nodig o m de kolomgroot- t e t e kunnen bepalen. O m inzicht t e krijgen i n de stroming v a n de vloeistof is een "flowsheet" gemaakt waarin alle dimensies van de leidingen en slangen zijn weergegeven.

3.3. 1 Opzuighoe veelheid van spoelleidingen

tijden t e variëren ontstaan er verschillende waterkolomgroottes. Deze kolomgroot- t e s zijn afhankelijk v a n het gekozen vacuüm, van de diameter van de opzuigleiding e n v a n de melkleiding waarop d e melkstellen zijn aangesloten. Voor elke combinatie is de opzuigsnelheid i n liters per seconde bepaald. Dit is gemeten bij een opzuigtijd v a n 2, 4 en 6 seconden. De metingen zijn t w e e maal herhaald. De gemeten systemen zijn; spoelleiding (38, 3 2 en 3 0 m m 0) e n de spoelleiding rechtstreeks op de melkleiding ( 5 0 m m 0 o f 75 m m 0). De uitkomsten van deze metingen m e t de bijbehorende grafieken zijn weergegeven i n bijlage Ia t o t Id. Uit de gegevens van d e opzuighoeveelheid kan de snelheid v a n het water worden bepaald. D i t is de snelheid die i n h e t eerste gedeelte van de leiding w o r d t behaald. Deze snelheid zal afnemen door weerstand i n bochten. De snelheid van het water verder i n het systeem w o r d t bepaald door weerstanden en dimensies. O m de snelheid t e berekenen i n d e diverse spoelleidingen is de hoeveelheid opgezogen vloeistof i n cm3 per seconde gedeeld door h e t oppervlakte i n cm2. I n tabel 4 staat d e snelheid in mls, per opzuigleiding en per vacuümniveau bij wisselende opzuigtijden weergege- ven. Bij een opzuigtijd kleiner dan 1 seconde is een vertraging waardoor minder w o r d t opgezogen. De snelheid i s dan ook lager dan wanneer er langer w o r d t opgezogen. Vervolgens w o r d t er een optimum bereikt waar de snelheid h e t hoogst is. Bij een langere opzuigtijd ( > 5 seconden, grote kolom) neemt de hoeveelheid per seconde af. De door het drukverschil t e verplaatsen massa is groter waardoor de opzuigkracht afneemt, de snelheid neemt dan ook af. Bij toenemende diameter neemt de snelheid af. Het verhogen van vacuüm van 4 0 naar 5 0 kPa geeft een snelheidsverhoging v a n 17 %. Een vacuümverhoging v a n 40 naar 6 0 kPa geeft 2 5 % snelheidsverhoging. Dit geldt voor alle drie de opzuigleidingen. De snelheidsver- hoging door h e t vormen van kolommen en het inlaten van lucht is tussen een kolom v a n 6 0 f en 2 0 f 2 5 % meer snelheid bij de kleine kolom.

Tabel 4 Vloeistofsnelheden (mls) in verschillende spoelleidingen bij verschillende vacuümniveaus (kPa) en kolomgrootte (e)

Vacuümniveau en 2 x 3 8 m m opzuig- 5 0 mm opzuigleiding 7 5 m m opzuigleiding kolomgrootte leiding opp. 22 cm2 opp. 2 0 cm2 opp.44 cm2

5 0 kPa 1 0

e

2,25 2,40 1,80 6 0 kPa 1 0

e

2,50 2,60 2,oO 6 0 kpa 5 P 2,25 2,30 1,85 SNELHEID (ml@

= l

i - - - - . VACUUM RPS) l +- --,KOLMICàRaOïTE (L) l i. 5 40 50 80 10 20 40 80

Figuur 8a,b Snelheid van water (mls) in diverse spoelleidingen bij verschillende vacuümniveaus (in kPa, figuur 8a) en verschillende kolomgroottes (in t , figuur 8b)

3.3.2 Dimensies van de melkleidinginstalla tie

O m t e kunnen bepalen waar de stroming van h e t spoelwater w o r d t belemmerd door een beperkt doorstroomoppervlak, zijn van de totale melkleidinginstallatie binnendiameters bepaald. Aan de hand hiervan kunnen de doorstroomoppervlakken

o p bepaalde plaatsen i n de installatie worden berekend. Wanneer een leiding op een bepaalde plaats w o r d t gesplitst, dan w o r d t het doorstroomoppervlak v a n een onderdeel van de installatie vermenigvuldigd m e t het aantal gesplitste onderdelen. Omdat de zuig-rustslag verhouding 50:50 is en het pulsatiesyteem alternatief is, is er bij de berekening vanuit gegaan dat de helft van de tepelvoeringen open en de andere helft d i c h t is. H e t doorstroomoppervlak v a n de onderdelen waarvan er vier per melkstel aanwezig zijn, is daarom vermenigvuldigd m e t t w e e keer het aantal melkstellen i n plaats v a n vier keer. I n bijlage Xa zijn de diameters en de doorstroomoppervlakken weergegeven van de proefmelkstal. De nummers van de onderdelen in deze bijlage corresponderen m e t de afbeeldingen i n bijlage Xb. Het is n u mogelijk o m een knelpunt binnen de totale installatie o p t e sporen. Zo'n knelpunt zou een belemmering In de stroming van de vloeistof kunnen zijn tijdens de reiniging van de installatie. De vloeistofsnelheid kan o p plaatsen m e t een kleine doorstroomopening toenemen. Uit de gegevens is o p t e maken d a t de jetters een mogelijk knelpunt kunnen vormen en dat hier dan ook binnen de uitvoering v a n de proef rekening mee gehouden kan worden.

O m

enig inzicht t e krijgen i n de grootte van een knelpunt i n de melkleidinginstallatie kan h e t effect worden onderzocht van het opheffen o f verminderen van de storende factor.

Zo w o r d e n niet alleen kwantitatieve eigenschappen van de installatie bepaald maar o o k kwalitatieve eigenschappen die kunnen bijdragen t o t h e t optimaliseren van het spoeleffect.

4 RESULTATEN EN DISCUSSIE

Tijdens de voorbereiding v a n de proef zijn een aantal kleinere proeven gedaan. Deze proeven waren nodig o m meer inzicht t e krijgen i n de eigenschappen v a n de installatie en d e aard v a n vervuiling. Vervolgens is h e t 5 0 m m systeem m e t en zonder melkmeetglazen doorgemeten. Dit 5 0 m m systeem is m e t h o o g e n laag liggende spoelleidingenvan verschillende diameters doorgemeten. Vervolgens is h e t 75 m m systeem doorgemeten door eerst alleen de melkleiding en daarna alleen de melkstellen u i t t e spoelen. Ook zijn er metingen gedaan m e t melkproduktiemeters o p h e t 7 5 m m systeem. Daarnaast zijn er een aantal praktijkmetingen gedaan die i n d i t h o o f d s t u k w o r d e n besproken.

4.1 De vervuilingsoplossing

De vervuiling v a n de melkleidinginstallatie moet simuleren d a t er melk door de installatie is gestroomd. De melkleidinginstallatie moet dus gelijk w o r d e n vervuild als i n de praktijk. D i t is belangrijk omdat er o p deze wijze een zo reëel mogelijk beeld w o r d t verkregen v a n een uitspoelproces.

De meest natuurlijke manier is het circuleren van koewarme melk. Deze vervuilings- vloeistof heeft een aantal praktische nadelen. O m vetafzetting i n de installatie t e voorkomen zou de melk w a r m gehouden moeten worden. Bij hergebruik v a n melk v i n d t er een verdunning v a n de melk m e t water plaats waardoor d e vervuiling niet standaard is. Daarnaast kan de melk o p den duur bedervingsverschijnselen vertonen.

Omdat m e t de geleidbaarheidsmeter de ionen die i n de oplossing aanwezig zijn gemeten worden, lijkt een electrolytoplossing een praktische standaard vervuiling. H e t w a t e r m e t zout (keukenzout, NaCl) is snel klaar t e maken en de geleidbaarheid is makkelijk o p peil t e houden. In een vergelijkende proef is gekeken o f een zoutoplossing i n water andere aanhechtings- en geleidbaarheidseigenschappen heeft d a n melk en hoofdreinigingsoplossing. Hiervoor is h e t 5 0 m m melkleidingsy-

steem vervuild m e t warme halfvolle melk, een zoutoplossing en m e t een hoofdreinigingsoplossing. De vervuilingen hadden een geleidbaarheid van 5 mC/cm. Vervolgens zijn de vervuilingen uitgespoeld m e t 1 0 0 l water v a n 5 0 OC. Het vacuümniveau is 5 0 kPa en er is o m de 2 0 í? water lucht geïnjecteerd. De uitspoelcurves v a n de oplossingen zijn weergegeven in figuur 9. Deze curves liggen zo d i c h t bij elkaar dat geconcludeerd kan worden d a t zoutoplossing, melk en hoofdreinigingsoplossing voor d i t systeem en programma een vergelijkbaar uitspoelresultaat geven. Aangenomen w o r d t dat de duur van circulatie een beperkte invloed o p de aanhechting v a n de vervuilingsoplossing, de oplossing m o e t alle delen v a n de installatie gelijkmatig bevochtigen. De temperatuur van de vervuilings- oplossing is 25OC. De hier weergegeven resultaten zijn representatief voor een groter aantal vergelijkende proeven die zijn uitgevoerd.

De verschillende uitspoelvergelijkingen zijn i n een variantie analyse statistisch met elkaar vergeleken. De resultaten van deze variantieanalyse staan i n tabel 5.

Tabel 5 De hoeveelheid water

( e )

nodig om verschillende vervuilingsoplossingen uit t e spoelen tot

1 % van de begin vervuiling

Variabelen Liters bij 1 % vervuiling

Zoutoplossing ( 5 mS) Melkoplossing ( 5 mS) Reinigingsoplossing (5 rnS)

Standaardfout 0,32

VERVUILING (%) l l o l

-

melkoplossing . . . reinlglngsoplosing zoutoplossing -1 o

4

, , , , , , , , , , , , , , , , ,

.

, , , , , , , , , , , , , , , , , HOEVEELHEID (I) O 1 0 20 30

Figuur 9 Uitspoelcurven met zoutoplossing in water, melk en hoofdreinigingsoplossing als vervuilingsoplossing

Programma: 2 0 f water

-

luchtinjectie

Opzuigen: 2 x 38 0 mm spoelieiding

Reinigen: 5 0 mm melkleiding

Vacuüm: 5 0 Kpa

Het uitspoelen v a n vervuiling w o r d t gedaan m e t een ruime hoeveelheid water o m zeker t e zijn dat alle vervuiling w o r d t uitgespoeld. Regelmatige controle door dubbel u i t t e voeren spoellingen tonen dit ook aan.

4.2 De plaats en hoeveelheid vervuiling

Voordat er m e t het meten van de uitspoelingscurve is begonnen is eerst bepaald waar de vervuiling zich in de melkleidinginstallatie bevindt. Hiervoor zijn de verschillende onderdelen van de installatie in delen uitgespoeld. Door n u de installatie m e t een oplossing van bekende geleidbaarheid t e vervuilen, e n dan elk onderdeel afzonderlijk u i t t e spoelen kan van de hoeveelheid spoelwater d e begin- en eindgeleidbaarheid gemeten worden en kan teruggerekend worden hoeveel vervuiling achter is gebleven in het betreffende onderdeel. Uit praktische overwegingen zijn de volgende onderdelen afzonderlijk uitgespoeld. Van h e t 50 m m melkleidingsysteem zijn dit de melkstellen, melkmeetglazen, melkleiding en de luchtafscheider samen m e t pomp en persleiding. Van het 75 m m systeem zijn de

- 2 6 -

melkstellen, melkproduktiemeters, melkleiding, luchtafscheider samen m e t pomp en persleiding afzonderlijk uitgespoeld. De resultaten staan in tabel 6 e n 7.

Tabel 6 Hoeveelheid vervuiling (b' en %) direct na het melken en na vijf minuten drainage op verschillende punten van het 50 mm systeem

PLAATS V A N VERVUILING DIRECT NA MELKEN NA 5 MIN. DRAINAGE

50 mm MELKLEIDING SYSTEEM LITER % LITER %

6 melkstellen 0,2 4 0,2 8

6 melkmeetglazen (25 f ) 0, 1 2 0,l 4

Melkleiding ( 1 2 m) 2 3 56 1,9 80

Luchtafscheider (60 f ) , pomp en persleiding 2,o 38 0,2 8

TOTAAL 5,2 100 2,4 100

Tabel 7 Hoeveelheid vervuiling ( f en %) direct na het melken en na vijf minuten drainage op verschillende Dunten van het 75 mm systeem

--

PLAATS VAN VERVUILING DIRECT NA MELKEN NA 5 MIN. DRAINAGE

75 mm MELKLEIDING SYSTEEM LITER % LITER %

6 melkstellen 0, 2 4 0,2 16

6 melkproduktiemeters (2,5 f ) 0, 1 2 0,l 8

Melkleiding ( 1 2 m) 3,2 61 0,8 60

Luchtafscheider (45 f ) , pomp en persleiding 1,7 33 0,2 16

TOTAAL 5,2 100 1,3 1 O0

Uit deze metingen k o m t naar voren d a t de meeste (50 % t o t 6 0 %) van de vervuiling i n de nielkleiding zit; dit geldt voor beide systemen. Door de melkleiding goed o p afschot t e leggen loopt het grootste gedeelte van de vervuiling naar de luchtafscheider. Verder valt op dat het verschil i n hoeveelheid vervuiling i n de melkleiding voor een zeer groot deel w o r d t bepaald door de tijd dat er drainage plaats vindt. Vijf minuten laten draineren onder v a c u ü m geeft een reductie van de hoeveelheid vervuiling i n de melkleiding van 2,9

l

naar l , 9

t

bij h e t 50 mm systeem en v a n 3,2 naar 0,8

Z

bij het 75 m m systeem. Het 5 0 m m systeem heeft een afschot v a n -0,s % t o t +0,5 % waardoor veel vervuiling in de leiding achter blijft. D i t in tegenstelling t o t het 7 5 m m systeem waar het afschot O % t o t +0,5 % is. Daarnaast blijft er veel vervuiling achter in luchtafscheider, pomp en

-

2 7

-

persleiding. Deze vervuiling is gemakkelijk w e g t e halen door het plaatsen v a n een automatische drainageklep. In verhouding is er maar weinig vervuiling t e vinden in de melkstellen, melkmeetglazen en melkproduktiemeters, dit k o m t doordat deze hoger hangen dan de melkleiding waardoor de vervuiling kan uitzakken. De vervuiling die o p deze plekken achterblijft bevindt zich o p plaatsen die niet voldoende draineren zoals een schuin hangend melkstel of melkslangen m e t een lange bocht.

De totale hoeveelheid vervuiling die achter blijft in het systeem direct n a het melken is vrij hoog, 5,2 l voor h e t 5 0 m m systeem en 5,2 l voor het 7 5 m m systeem. De oorzaak hiervan is het ontbreken van automatische drainage e n een matig afschot van de 5 0 m m 0 leidingen.

4.3 Metingen aan het 50 mm melkleidingsysteem

Voor d e eerste serie metingen is gekozen voor het 5 0 m m melkleidingsysteem. Dit is gedaan omdat dit systeem eenvoudig is en het een veel voorkomend systeem is in de Nederlandse melkveehouderij.

Voor h e t 5 0 m m melkleidingsysteem zijn een aantal inleidende metingen gedaan. Het voorspoelen en naspoelen gebeurd in de praktijk veelal door h e t spoelwater o p t e zuigen via een spoelleiding o p de melkstellen. Bij een 5 0 m m systeem w o r d t soms gebruik gemaakt van een aparte opzuigleiding en een aparte luchtinjector o p de melkleiding naast de luchtafscheider (voor de proefstal zijn beide mogelijk). De eerst uitspoelcurve laat het effect van luchtinlaat o p de spoelleiding tijdens de spoeling zien. De uitspoeling waarbij lucht w o r d t ingelaten is bij 35 l schoon (O % vervuiling). De uitspoeling waarbij alleen aan het eind lucht wordt ingelaten ( als de spoelbak leeg is, is na 3 5

t

nog niet schoon (figuur 10a). Doordat het spoelwater via t w e e zijden in de luchtafscheider kan stromen blijft er vervuiling achter in de dode hoek tegenover de luchtafscheider. Deze hoeveelheid vervuiling k o m t vrij als aan het einde lucht w o r d t gezogen. In figuur 1 Oa is dit t e zien aan de toename van vervuiling bij 4 0 t . Door tijdens de spoeling lucht in t e laten w o r d t bereikt d a t het

spoelwater i n de dode hoeken k o m t en zo de vervuiling uitspoelt.

VERWIUW (X)

IlO.,

"o!

Figuur 10a,b Uitspoelcurve met en zonder luchtinjectie ( 1 0a) en een uitspoelcurve met 1 en zijden open (1 Ob)

Door één kant van de luchtafscheider voor ongeveer 9 0 % af t e sluiten ontstaat een systeem waarbij het spoelwater de melkleiding rond gaat. Figuur Sb laat het effect van eenzijdige afsluiting zien.

De uitspoelcurve laat zien dat bij uitspoeling m e t rondgaand spoelwater (1 zijde open) er 2 0 ! water wordt verbruikt o m 0 % vervuiling t e bereiken. Uitspoelen via t w e e zijden gebruikt 3 0 f water o m 0 % vervuiling t e bereiken.

WERVUIUNG (%)

'lol

Figuur 11 Uitspoelcurve bij 40 kPa en bij 60 kPa

Figuur 1 1 laat het verschil in uitspoelen zien bij verschillend vacuumniveau Bij deze uitspoelcurve is de installatie aan 1 zijde afgesloten en zijn er o m d e 20 O luchtinjecties toegepast. De uitspoeling bij 60 kPa is na ongeveer 25 l s c h o o n terwijl de uitspoeling bij 40 kPa pas bij 33 O schoon is.

B e lengte v a n de luchtinlaat (2 of 8 seconden) geeft bij d e gekozen proefopzet geen significant verschil. Hierbij is w e l belangrijk d a t er een voldoende lange rustperiode ( > l 0 seconden) tussen de kolommen w o r d t aangehouden. H e t spoelwater moet tijdig naar de luchtafscheider stromen voordat de volgende k o l o m w o r d t ingelaten. Bij een langere luchtinlaat

>

10 seconden k a n de rustperiode vervallen. De invloed v a n de langere luchtinlaat o p de temperatuur van h e t w a t e r is t o t n o g t o e onbekend. De snelheid van h e t water w o r d t bepaald d o o r h e t drukverschil. Bij grotere hoeveelheid lucht w o r d t het drukverschil niet n o g groter. H e t maximaal haalbare voor de proef is O

< - >

60 kPa.

- 3 0

-

Spoelen van melksrellen

Bij h e t uitspoelen van de zes melkstellen moet in totaal 0,2

P

vervuiling worden uitgespoeld. De vervuiling bevindt zich voornamelijk in de melkklauw. Figuur

l2

laat een uitspoelcurve van een melkstel zien. Uit het melkstel m o e t 0 , 0 3 3

P

(0,2

f

1 6 melkstellen) vervuiling uitgespoeld worden. Hiervoor is 2

P

spoelwater nodig. Bij het uitspoelen van een melkstel speelt het effect van verdringen een kleine rol. In de melkklauw is door een aparte luchtinlaat veel turbulentie waardoor spoelwater en vuil volledig mengen. E r vindt een uitspoeling plaats door verdunning. Als het melkstel w o r d t gespoeld door alleen verdunnen is na gebruik van 2

P

spoelwater nog 0,033 1 m e t 1,65 % vervuiling aanwezig. In de melkslang kan de hoeveelheid vervuiling weer door verdringing worden uitgespoeld.

VERVUILING (%) 110, 20

i

\ 10

l

\

O - ~ - r - l ' ~ ' ' ' ~ ~ ' . ' ' ~ ' ' .

-1 o , HOEVEELHEID (L) o 1 2 3 4

Figuur 12 Een uitspoelcurve van een melkstel met lange melkslang

Omdat er voor het spoelen van het complete 5 0 m m melkleidingsysteem meer spoelwater nodig is dan 6 keer 2

f,

zullen de melkstellen, bij een goede verdeling altijd voldoende spoelwater krijgen. De melkstellen krijgen als eerst spoelwater zodat gespoeld wordt m e t schoon water.

-

31 - Spoelen via 2 laagliggende 38 mm spoelleidingen

Bij h e t spoelen bij h o o g vacuum ( 6 0 kPa) en kleine kolommen ( 2 0 en 12 f ) oefent water een grote kracht u i t o p de installatie. De rubber 1 glas verbindingen zijn m e t slangklemmen extra vastgezet. De uitkomsten (gemiddelde van t w e e herhalingen) zijn weergegeven i n bijlage 111.

Tabel 8 Hoeveelheid water ( E ) nodig om een zoutoplossing uit te spoelen tot 1 % van de beginvervuiling bij drie verschillende vacuumiveaus

Variabelen

Standaardfout 2,76

Verschillende letters betekent een statistische betrouwbaar verschil ( P < 0,05)

Gebruik v a n een h o o g v a c u u m ( 6 0 kPa) geeft een significant lager water verbruik. De hoeveelheid water is de helft van de n o r m ( 5 0 l ) die gebruikt zou moeten worden.

Tabel 9 Hoeveelheid water ( E ) nodig om een zoutoplossing uit te spoelen tot 1 % van de beginvervuiling bij drie verschillende kolomgrootte

Variabelen

Standaardfout 3,09

abcd Verschillende letters betekent een statistisch betrouwbaar verschil (P < 0,05)

Er is i n deze situatie geen significant effect van kolommen. De resultaten v a n de drie kolomgroottes w o r d e n beïnvloed door h e t effect van vacuum (tabel 8). De hoeveelheid water bij 'i kolom van 6 0 f , 40 kPa is

37,6

f . H e t laagste waterver- bruik w o r d t gerealiseerd bij 1 kolom van 6 0 f 6 0 kPa. (tabel 10). Bij gebruik van t e kleine kolommen kan de verdeling negatief beïnvloed worden. De verdeling van

-

32 -

spoelvloeistof over de melkstellen is niet gemeten, door visuele beoordeling i n de glazen spoelleiding zijn hier w e l opmerkingen over t e maken. Bij gebruik v a n 1 kolom van 60 f? krijgen alle melkstellen ongeveer gelijktijdig en evenveel water. Bij gebruik van kleinere kolommen blijft de verdeling goed. Bij kolommen die kleiner zijn dan de inhoud v a n de spoelleiding waar de melkstellen op aangesloten zijn krijgt h e t laatst aangesloten melkstel meer water dan h e t eerste aangesloten melkstel. De kolom water schiet door naar dit laatste melkstel en k o m t t o t stilstand bij h e t laatste melkstel. Voor de lage 38 m m spoelleiding geldt een minimale kolomgrootte v a n 6 f?. De i n t e laten hoeveelheid spoelwater bij d e dubbele opzuigleiding is dan 12 f?

Tabel 10 Hoeveelheid water ( I ? ) nodig om een zoutoplossing uit t e spoelen tot 1 % van de beginvervuiling bij drie verschillende kolomgroottes en drie vacuümniveaus

Variabelen I x 6 0 f 3 x 2 0 t 5 x 1 2 t

40 kPa 37,6 d 31,7 Cd 30,6 abcd

50 kPa 23,5 ab 31,5 31,l

60 kPa 22,7 " 25,8 abc 24,8

Standaardfout 5,3

abcd Verschillende letters betekent een statistisch betrouwbaar verschil (P< 0,05)

Spoelen via l hoogliggende 32 mm spoelleiding

Tabel 1 1 Hoeveelheid water ( I ? ) nodig om een zoutoplossing uit t e spoelen tot 1 % van de beginvervuiling bij drie verschillende vacuümniveaus

Variabelen

40 kPa 36,7 a

50 kPa 34,6 ab

60 kPa 34,4 b

Standaardfout 1,16