4 Empirisk beskrivning av kylcontainerns teknik och marknad
4.5 Kylsystemet
Kylning kan definieras som en process för att uppnå och behålla en temperatur lägre än sin omgivning, med ett syfte att kyla produkter eller utrymmen till en önskad temperatur. En av de viktigaste tillämpningarna av kylning har varit att bevara livsmedlens kvalité och förlänga livslängden genom att lagra varorna vid låga temperaturer.
För att klara av att kyla ett system finns olika metoder, men den teknologi som vanligast förekommer är med hjälp av ett kylaggregat. Förenklat består ett kylaggregat av en förångare, kompressor, kondensor och strypventil, för att möjliggöra och sluta kylcykeln. I systemet cirkulerar ett köldmedium som används för att förflytta energi från en kallare plats till en varmare. Systemet förändrar trycket i köldmediet vilket får energin att förflyttas. Köldmediet har olika temperaturer och aggregationstillstånd vid specifika tryck, där trycket regleras av kompressorn samt strypventilen. Vid förångaren är köldmediet en vätska med ett lågt tryck och temperatur, detta tillstånd orsakar förångningen (köldmediet övergår till gasform och värme tas upp från omgivningen). Nästa steg för köldmediet efter förångaren är kompressorn, vid detta steg komprimeras gasen, vilket leder till att trycket och temperaturen ökar. Gasen pumpas vidare av kompressorn till kondensorn där värmen avges genom att köldmediet passerar ett nätverk av rör, som ofta är öppna mot omgivningen. Köldmediet kyls på så sätt och övergår till en vätska igen. Köldmediet är nu en vätska med en lägre temperatur och för att systemet skall kunna återupprepas krävs det att trycket sänks. Detta görs med hjälp av en strypventil, vilket leder till att köldmediet får ett lägre tryck och temperatur. Genom detta kan köldmediet passera förångaren igen och systemet kan återcirkulera. Ofta placeras en fläkt över förångaren för att kunna sprida vidare den kalla luften, vilket till exempel används för att sprida luften in i en kylcontainer (Thompson 2010, 29). I den arkitektoniska uppbyggnaden för kylsystemet är det främst två komponenter som har bidragit till att förändra prestandan och uppbyggnaden, nämligen kompressorn och köldmediet. Rapporten kommer därför att vidare fokusera på dessa komponenter.
Figur 6 – Kylsystem
4.5.1 Kompressorn
Under kylcontainerns utveckling har det funnits två olika kompressortekniker som har varit integrerade med kylcontainerns kylsystem; nämligen kolvkompressorn och scrollkompressorn. Kolvkompressorn var den tidiga tekniken, men där scrollkompressorn nu är den ledande tekniken inom kylcontainrarna, där ett skifte från kolvkompressorn inleddes i slutet av 1990-‐talet. För tillfället är det svårt att avgöra vilken av teknikerna som kommer bli den dominanta designen i framtiden eftersom det finns olika fördelarna med respektive design, vilket kommer diskuteras i senare delar av rapporten. En kompressor kan kort beskrivas som en mekanisk maskin som komprimerar gaser till ett högre tryck genom att minska volymen för ämnet. Kompressorn är hjärtat i kylsystemet och möjliggör att systemet kan utvinna kyla från köldmediet genom att utnyttja tryckförändringarna (Kylexpert 1, NYKCool).
4.5.1.1 Scrollkompressorn
En scrollkompressor är en enhet som använder spiralrörelser för att komprimera luft eller köldmedium. Kompressorns största användningsområden är inom kylanläggningar och vakuumpumpar, där konstruktionen anpassas mot sin tänkta funktion. Teknologin i en scrollkompressor bygger på att två spiraler rör sig i cirkulära banor, där det finns två olika tekniker för hur spiralrörelserna sker, nämligen; en spiral är fast monterad i kompressorenheten. Därefter kretsar den andra spiralen i roterande rörelser kring den fasta enheten. Den andra metoden är inte lika förekommande inom industrin, där tekniken istället bygger på att båda spiralerna rör sig i synkroniserade cirkulerande rörelser.
De roterande rörelserna skapar en serie av gasfickor mellan ytorna i spiralerna vilket tvingar in köldmediet in i mitten av kompressorn. Volymen blir allt mindre desto närmare centrum mediet kommer. Bilden nedan visar en scrollkompressor med en rörlig spiral där köldmediets väg genom konstruktionen illustreras. Längst till vänster har köldmediet en stor volym och lågt tryck. Det gråa symboliserar en fast spiral medan den röda är den rörliga spiralen. Den rörliga spiralen cirkulerar och tvingar in köldmediet mot kompressorns centrum. När mediet tar sig in mot centrum minskar utrymmets volym vilket också komprimerar gasen/vätskan. När mediet sedan är i centrum av scrollkompressorn transporteras den komprimerade gasen/vätskan vidare genom en ventil med en lägre volym och högre tryck. Scrollkompressorer med en roterande spiral är den teknik som används inom kylcontainersystemet.
Figur 7 -‐ Scrollkompressor
(Hamburg Süd 2014)
4.5.1.2 Kolvkompressorn
En kolvkompressor är en enhet som använder en eller ett flertal kolvar som rör sig i axiell led i cylindrar för att åstadkomma kompression av luft eller köldmedium. Kolvkompressorns konstruktion liknar dagens förbränningsmotorer. Enheten är uppbyggd av en central vevaxel som driver allt från en till ett flertal kolvar. Vevaxeln drivs vanligtvis av antingen en elektrisk-‐ eller förbränningsmotor. Kolvarna i cylindrarna är cirkulärt utformade för att underlätta konstruktionen samt minimera slitaget när dessa förflyttas i cylindrarna. När kolven rör sig, och utrymmet i cylindern ökar, sugs luft eller köldmedium in från en inloppsventil i kompressorn. Kolvens återgående rörelse in mot cylindern komprimerar gasen genom att minska utrymmet i cylindern. Gasen släpps ut med ett högre tryck än tidigare genom en utloppsventil i cylindern, vilket processen sedan återupprepas. (Machinery Lubrication 2005)
Figur 8 visar principen för kolvkompressorn. Siffra ett illustrerar inloppsventilen, där gas med lågt tryck sugs in i cylindern. Gasen i utrymmet (siffra tre på bilden) komprimeras sedan när kolven rör sig närmare cylinderväggen. När gasen har tillräckligt högt tryck öppnas utloppsventilen (siffra två i bilden) och gasen transporteras vidare.
Figur 8 – Kolvkompressor
4.5.2 Köldmedium
Ett köldmedium kan kortfattat beskrivas som ett ämne som transporterar energi mellan en kall och en varm reservoar med hjälp av ett mekaniskt system, med ett syfte att värma eller kyla sin omgivning. Mediet används ofta i en sluten process i system så som kylaggregat och värmepumpar. Olika varianter av köldmedium är kompatibla med olika kompressordesigner, detta eftersom ämnena har olika verkningsgrader och har karakteristiska egenskaper vid specifika tryck.
Enligt James M. Calm (2008) i sin artikel “The next generation of refrigerants – Historical
review, considerations, and outlook” finns det fyra generationer av köldmedium som har
varit aktuella under olika tidsperioder. Den första generationen köldmedium skapades genom Jacob Perkins ång-‐kompressor uppfinning på 1830-‐talet och dominerade fram till 1930-‐talet. De köldmedier som användes kan sammanfattas till: “allt som fungerade” där många var giftiga och brandfarlig. Nästa generation av köldmedium dominerade mellan 1930-‐ fram till 1990-‐talet. En övergång skedde till flourbaserade medium, främst på grund av säkerhetskrav som började växa fram i början av 1930-‐talet från olika industrier. Många olyckor skedde under utvecklingsperioden som var förknippade med läckage från köldmediet i kylsystemet. Giftiga ämnen som metylformiat (R-‐611) och svaveldioxid (R-‐ 764) läkte ut och skadade arbetare, vilket bidrog till en ökad efterfrågan på säkra köldmedium. Kylskåpen blev också allt vanligare hos familjer vilket drev utvecklingen ytterligare mot säkrare köldmedium. Den tredje generationens köldmedium dominerade mellan 1990-‐ och 2010-‐talet. Forskning betonade, under denna tid, kopplingen mellan freonbaserade köldmedium och skador på atmosfären. Bland annat tvingades industrier år 1996 att sluta tillverka kylanläggningar med skadliga klorväten efter Montrealprotokollet bestämmelser från 1987. Detta skapade ett intresse för “naturliga kylmedel” så som ammoniak, koldioxid och kolväten, istället för de ämnen som enbart kan skapas genom kemiska processer. Den sista generationen som James M. Calm (2008) nämner startade
under 2010-‐talet och har blivit allt vanligare i kylanläggningar idag. Den politiska debatten om växthuseffekten har även påverkat utvecklingen av köldmedium genom hårdare regleringar och lagar, vilket har fått miljömässiga lösningar att prioriterats. Nu strävar industrin efter ämnen med lågt Global Warming Potential (GWP), som är ett mått på hur mycket en gas bidrar till växthuseffekten på 100 år. Gaserna jämförs med koldioxid CO2 som har fått GWP-‐värdet 1 (Calm 2008).