Köldmedieläckage i kylanläggningar : En utredning om alternativa metoder för att detektera läckage

KÖLDMEDIELÄCKAGE I

KYLANLÄGGNINGAR

En utredning om alternativa metoder för att detektera läckage

HENRIC GUSTAVSSON

CHRISTIAN WESTERBERG

Akademin för ekonomi, samhälle och teknik

Kurs: Examensarbete, Energiteknik Kurskod: ERA206

Ämne: Energiteknik Högskolepoäng: 15 hp

Program: Högskoleingenjörsprogrammet i

energiteknik

Handledare: Lars Tallbom Examinator: Anders Nordstrand

Uppdragsgivare: Mats Thorén, Johnson Controls

System and Service AB

Datum: 2021-06-08 E-post:

henric.gustavsson@jci.com

ABSTRACT

Commercial refrigerant industry is one of the biggest contributing factors to global warming according to a study by Mota-Babiloni et al. (2015). Studies have shown that emissions of fluorinated greenhouse gases' effect on global warming can increase from 1.3% (2004) to 7.9% (2050) if no change in behaviour is implemented in the industry (Francis et al., 2017). At present, the F-Gas Ordinance sets requirements for leakage warning systems and periodic leakage detection.

The most common leak detection systems consist of sensors located outside the cooling process and measure the amount of coolant in the air. However, there are limitations with sensors, including measuring leaks in engine rooms with high air circulation and that the sensors are unable to measure small leaks and mistake other contaminants for refrigerant leakage (Leonardsson, 2021).

The purpose of this study is therefore to investigate where leakage occurs in a refrigerant process, how operating data changes and to propose an alternative detection method for refrigerant leakage.

Johnson Control has other technical solutions such as their Performance Index which compares a cooling process operation in practice compared to the theoretical performance that the unit should deliver. In their own test facility, however, it was discovered that a unit can lose up to 20 % of its refrigerant mass before a clear reduction in COP was discovered (Thorén, 2021).

To discover where the leakage in a cooling process occurs, a field study was conducted on a cruise ship docked in Barcelona. The first field study on leak detection was initially carried out by direct method, with the help of an electronic leak detector. The indirect method was also used to complement the direct method, this was done by ocularly looking for oil stains on and around the cooling process. It showed that leakage almost always occurs on the high-pressure side of gaskets, couplings and plugs. Similar discoveries were made in the study by Francis et al. (2017).

The results also showed that the more connections there are on a unit, such as plugs or service valves, the greater probability that leakage will occur. A solution to reduce leakage on units with many connections, such as supply systems, could be to adjust the design of the systems and simply remove plugs for connections that are no longer used for different reasons.

A second field study was conducted on the same cruise ship to determine what operational data changes due to refrigerant leakage. The unit was emptied into a service tank for two minutes while operating data was logged. After analysis of the results in 16 different operating data points, three of them were selected for the alternative leak detection model, the DGS-model.

Data for longer operating periods, approximately 5 months, with fault-free operation for the selected parameters Θout in evaporator, expansion valve opening degree and suction

overheating were compared with the operating data from the leakage experiment in field study 2. These three were selected from a total of 14 measured operating data points. The simultaneous increase of all three operating data points indicates refrigerant leakage. That fact is the major reason for the selection of the three operating data points.

A probability calculation based on the three data points was created to calculate the

probability of the data points being outside a given range. If the probability calculation says that the chance of the reported value is zero, it is indicated that there is a problem with the process, most likely a refrigerant leak.

As a proposal for further work, our proposal is to carry out validation tests of the DGS model on units in operation and a more accurate experiment on refrigerant leakage with operational changes per removed mass.

FÖRORD

Detta examensarbete utfördes som en avslutning på vår tre år långa utbildning inom

Energiingenjörsprogrammet med inriktning värmeteknik på Mälardalens Högskola. Kreativa lösningar på nischade problem har alltid haft stor dragningskraft för oss båda och denna studie om en alternativ detekteringsmetod för köldmedieläckage sammanfattar oss båda rätt bra.

Vi vill tacka Johnson Controls, Inc. för möjligheten att få utföra fältstudier på

proviantanläggning byggd och installerad av JCI. Ett tack till Peter Gustavsson som har fungerat som ett bollplank med sin kunskap om kylteknik. Ett speciellt tack vill vi ge till Mats Leonardsson som har bistått med mycket värdefull information och diskussioner.

Tack även till vår handledare Lars Tallbom på MDH.

Norrköping och Västerås den 8 juni 2021 Henric Gustavsson och Christian Westerberg

SAMMANFATTNING

Kommersiell köldmedieindustri är en av de största faktorerna till den globala

uppvärmningen enligt en studie av Mota-Babiloni m. fl. (2015). Studier har påvisat att utsläpp av fluorerade växthusgasers effekt på den globala uppvärmningen kan öka från 1,3 % (2004) till 7,9 % (2050) om ingen förändring i beteende genomförs inom branschen (Francis et al., 2017). I nuläget ställer F-gasförordningen krav på läckagevarningssystem och periodisk läckagedetektering.

De vanligaste läckagedetekteringssystemen består av sensorer som sitter utanför kylprocessen och mäter mängden kylmedium i luften. Det finns dock begräsningar med sensorer, bland annat med att uppmäta läckage i maskinrum med stor luftomsättning samt att sensorerna inte klarar av att mäta små läckage och misstar andra föroreningar för köldmedieläckage (Leonardsson, 2021).

Denna studies syfte är därför att undersöka vart läckage uppstår i en köldmedieprocess, vilka driftdata som förändras och att föreslå en alternativ detekteringsmetod för kölmedieläckage. Johnson Control har andra tekniska lösningar som deras Performance Index som jämför en kylprocess drift i praktiken jämfört med den teoretiska prestandan som aggeraget borde leverera. I deras egen testanläggning upptäcktes dock att ett aggregat kan tappa upp till 20 % av sitt köldmedium innan en tydlig minskning i COP upptäcktes (Thorén, 2021).

För att upptäcka vart läckagen i en kylprocess uppstår genomfördes en fältstudie på en kryssningsbåt dockad i Barcelona. Den första fältstudien om läckagedetektering genomfördes med direkt metod, med hjälp av en elektronisk läckagedetekterare samt med indirekt metod, genom att okulärt leta efter oljefläckar på och runt kylprocessen. Den visade att läckage nästan alltid uppstår på högtryckssidan vid packningar, kopplingar och pluggar. Liknande upptäckter gjordes i Francis m. fl. (2017).

Resultaten visade även att ju fler anslutningar, som pluggar eller serviceventiler, ett aggregat har desto större är sannolikheten att läckage sker. En lösning för att minska läckage på aggregat med många anslutningar, proviantanläggningar, kan vara att göra justeringar i ritningarna och helt enkelt ta bort ett antal pluggar för anslutningar som inte används längre. En andra fältstudie genomfördes på samma kryssningsbåt för att avgöra vilka driftdata som förändras, och hur stor förändring som inträffar vid köldmedieläckage. Aggregatet tömdes till en servicetank under två minuters tid medan driftdata loggades. Efter analyser av resultatet på de 16 olika driftdataområdena valdes tre driftdata ut för den alternativa

läckagedetektionsmodellen (DGS-modellen).

Data för längre driftperioder, cirka 5 månader, med felfri drift för de utvalda parametrarna Θut i förångare, expansionsventilers öppningsgrad och suggasöverhettning jämfördes med driftdatan från läckageexperimentet i fältstudie 2. Anledningen till att dessa tre valdes av totalt 14 uppmätta driftdata var att den simultana reaktionen för samtliga att öka är av köldmedieläckage och ingen annan trolig anledning finns med reservation för igensatta expansionsventilsfilter. Därefter skapades en sannolikhetsberäkning för att driftdatan för

parametrarna skulle vara utanför ett intervall. Om sannolikhetsberäkningen säger att chansen för det rapporterade värdet är noll indikeras att ett problem finns med processen, med största sannolikhet ett köldmedieläckage.

Vi tror att det finns goda möjligheter att utveckla DGS-modellen och att alternativ köldmediedetektering är genomförbar med befintlig teknik och data som finns i JCI:s kylaggregat.

Som förslag till fortsatt arbete vill föreslå att göra valideringstester av DGS-modellen på aggregat i drift och ett mer noggrant experiment på köldmedieläckage med driftförändringar per bortförd massa.

INNEHÅLL

2.1 Vilka läckage är vanligast i kylanläggningar? ... 4

2.2 Kan man med hjälp av befintliga givare analysera köldmediemängd i kylaggregat i stillestånd eller i drift för att fånga små läckage som inte ger utslag på gasdetektorer? ... 4

2.3 Hur stor påverkan har läckage på prestandan av en kylanläggning?... 4

3 LITTERATURSTUDIE ...6

3.1 Köldmedieval genom historien ... 6

3.1.1 Första generationens köldmedium ... 6

3.1.2 Andra generationen ... 6

3.1.3 Tredje generationen ... 7

3.2 Undersökning av köldmedieläckage i Storbritannien ... 8

3.3 Modell för läckagedetektering ... 8

3.4 Johnson Controls studie kring optimal köldmediemängd ...10

3.5 Läckagedetektering ...11

3.5.1 Direkt metod ...11

3.5.2 Indirekt metod ...12

3.6 Specifik tekniskdesign hos JCI ...13

3.6.1 Sugtrycksregulator ...13

3.6.2 Performance index ...13

3.7.1 Proviantanläggningar ...14 3.7.2 Luftkonditioneringsaggregat ...14 3.8 Normal sannolikhetsfördelning ...15 4 AKTUELL STUDIE ... 17 4.1 Fältstudier ...17 4.1.1 Fältstudie 1 - Läckagedetektering ...18

4.1.2 Fältstudie 2 - Kontrollerat läckage ...20

4.2 Förslag till läckagedetekteringsmetod ...20

4.2.1 Validering av driftdata ...20

4.2.2 Sannolikhetsuträkning ...21

4.3 Garantihistorik ...21

5 RESULTAT ... 23

5.1 Fältstudie 1 - Läckagedetektering ...23

5.2 Fältstudie 2 – Kontrollerat läckage ...26

5.2.1 Utloppstryck, kompressor ...27 5.2.2 Förångningstryck ...28 5.2.3 Expansionsventilens position ...29 5.2.4 Suggasöverhettning ...30 5.2.5 Θut, förångare ...30 5.2.6 Kompressorhastighet ...31 5.2.7 Ekonomizertryck ...32 5.2.8 Θut, ekonomizer ...32 5.2.9 Överhettning (ECO) ...33 5.2.10 Vätsketemperatur ...34 5.2.11 Tryckgastemperatur ...35 5.2.12 Tryckgasöverhettning ...35 5.2.13 Suggastemperatur ...36 5.2.14 Motorns strömförbrukning ...36

5.3 Vilken driftdata förändras vid köldmedieförlust ...37

5.4 Förslag till alternativ metod för detektering av köldmedieläckage ...37

5.4.1 Val av Driftdata ...38

5.4.2 DGS-modellen ...38

5.5.1 Proviantanläggningar ...38

5.5.2 Luftkonditioneringsanläggning ...40

6 DISKUSSION... 45

6.1 Läckage ...45

6.2 Säkerhetsventiler ...45

6.3 Läckagekällor ...46

6.4 DGS-modellen ...46

6.5 Nackdelar med DGS-Modellen ...48

7 SLUTSATSER ... 49 7.1 Garantiärenden ...49 7.2 Pluggar ...49 7.3 Läckage ...49 7.4 Driftdata ...50 7.5 Vikten av läckagedetektering ...50

8 FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE... 51

8.1 Analysering av Ekonomizers ...51

8.2 Utökad studie av driftförändring ...51

8.3 Validering av DGS-modellen ...51

FIGURFÖRTECKNING

Figur 1 Funktion för sannolikhetsfördelning, exempel ...16

Figur 2 Typ av aggregat som fältstudien genomfördes på ... 17

Figur 3 Resultat av vilken metod av läckagedetektering som upptäckte läckage ... 23

Figur 4 Rörschema där läckagestället är markerat ... 24

Figur 5 Trycksidor i ett köldmedieaggregat ... 25

Figur 6 Resultatet av vid vilket tryck läckage upptäcktes i fältstudie 1. ... 25

Figur 7 Rörschema där markerad ventil öppnades vid det kontrollerade läckaget ... 26

Figur 8 Utloppstryck, kompressor ... 27

Figur 9 – Förångningstryck ... 28

Figur 10 - Expansionsventilens position, i procent ... 29

Figur 11 – Suggasöverhettning ... 30

Figur 12 - Θut, förångare ... 30

Figur 13 - Kompressorhastighet ... 31

Figur 14 - Ekonomizertryck ... 32

Figur 15 - Θut i ekonomizer ... 32

Figur 16 - Överhettning ekonomizer ... 33

Figur 17 - Vätsketemperatur efter ekonomizer ... 34

Figur 18 – Tryckgastemperatur ... 35

Figur 19 - Tryckgasöverhettning ... 35

Figur 20 - Suggastemperatur ... 36

Figur 21 - Motorns strömförbrukning ... 36

Figur 22 Summering läckagekällor i proviantanläggningar från JCI:s garantidatabas ... 39

Figur 23 Summering av köldmediets aggregationstillstånd vid läckagetillfälle (Proviant) .... 39

Figur 24 Representerar antalet läckor på högtrycksida respektive lågtrycksida (Proviant) ... 40

Figur 25 - Summering läckagekällor luftkonditioneringsanläggning ... 40

Figur 26 Summering av köldmediets aggregationstillstånd vid läckagetillfälle (AC) ...41

Figur 27 Representerar antalet läckor på högtrycksida respektive lågtrycksida (AC) ...41

Figur 28 Total sammanställning av läckagekällor ... 42

Figur 29 Total summering av köldmediets aggregationstillstånd vid läckagetillfälle ... 43

Figur 30 Sammanställning av antalet läckor på högtrycksida respektive lågtrycksida ... 43

TABELLFÖRTECKNING

Tabell 1 - Egenskaper hos första generationens köldmedier ... 6

Tabell 2 - Egenskaper hos andra generationens köldmedier ... 7

Tabell 3 Egenskaper hos tredje generationens köldmedier ... 7

Tabell 4 Termodynamiska förändringar vid köldmedieläckage ... 9

Tabell 5 Termodynamiska förändringar vid kylbehovsminskning ... 9

Tabell 6 Informationsbeskrivning av aggregaten som användes i experimentet ... 10

Tabell 7 Resultat av COP experiment ... 10

Tabell 8 Resultat av θut experiment ... 11

Tabell 9 Köldmediemängd i aggregaten i den aktuella fältstudien... 17

Tabell 10 Huvudkomponenter i den aktuella fältstudien ... 18

Tabell 11 Specifikationer för elektroniskläcksökare av typen D-TEK Select ...19

Tabell 12 Läckageställen funna och vilken metod som användes ... 24

Tabell 13 - Förändring i driftdata vid köldmedieförlust ... 37

BETECKNINGAR

Beteckning Beskrivning Enhet

COP Coefficient Of Performance – En värmepumps verkningsgrad, även kallad värmefaktor

-

W Effekt Watt

FÖRKORTNINGAR

Förkortning Beskrivning

JCI Johnson Controls, Inc.

VFD Variable Frequency Drive

EXP Expansion Valve

ODP Ozone Depletion Potential

GWP Global Warming Potential

ECO Ekonomizer

CM Chilled Medium

HFC Hydro Fluoro Carbons

CFO Choro Fluoro Carbon

RACHP Refrigeration, Air Conditioning And Heatpumps

Bar(a) Absoluttryck i bar

DEFINITIONER

Definition Beskrivning

Förångningstryck Förångningstryck är det tryck som är vid lågtrycksidan av kompressorn. Det är också det trycket varvid

köldmediet förångas. Vid mättad gas kan även förångningstrycket beskrivas som

förångningstemperatur.

Suggastemperatur Suggastemperaturen är den verkliga temperaturen som mäts vid lågtrycksidan av kompressorn. Det beskrivs även som lågtryck då trycket är som lägst i systemet vid lågtrycksidan av kompressorn.

Suggasöverhettning Suggasöverhettningen är skillnaden mellan förångningstemperatur och verklig temperatur. Kompressor

utloppstryck Kompressor utloppstryck är det trycket som mäts direkt efter kompressorns utlopp. Tryckgastemperatur Tryckgastemperatur är den verkliga temperaturen som

mäts vid högtrycksidan kompressor.

Tryckgasöverhettning Tryckgasöverhettning är skillnaden mellan högtrycket och den verkliga temperaturen.

Definition Beskrivning

Kondenseringstryck Kondenseringstrycket är det tryck som är i kondensorn. Det är också det trycket varvid köldmediet

kondenseras. Vid mättad väska kan även kondenseringstryck beskrivas som kondenseringstemperatur.

Underkylning Underkylningen efter kondensorn är skillnaden mellan kondenseringstemperaturen och den verkliga

temperaturen som mäts efter kondensorn.

Alarm När ett alarm aktiveras ger det en indikation att något inte är som det ska i systemet men som inte är farligt. Ett alarm sker alltid innan en tripp för att ge en varning.

Tripp Tripp är ett en gräns där något är farligt för

anläggningen eller personfara. När en tripp sker så stängs aggregatet omedelbart av.

Högtryckskvot Högtryckskvot är relationen mellan lågtrycksidan och högtrycksidan från kompressorn.

Börvärde Värdet av en storhet som den reglerande processen ska tillhandahålla.

Ärvärde Det nuvarande värdet av den storhet som ska regleras. RADAR Johnson Controls Inc. övervakningssystem, där

driftdata samlas i en visuelldatabas. Absoluttryck Trycket i förhållande till vakuum.

Θut Skillnaden mellan förångningstemperatur på

köldmediet och temperatur på utgåendeköldbärare från förångaren.

1

1

INLEDNING

Enligt Leonardsson (2021) finns köldmediesystem överallt i vår omgivning i form av till exempel kylskåp, luftkonditioneringssystem, värmepumpar och ishallar. Alla dessa har kylsystem som alla använder sig av köldmedium där köldmediets termodynamiska egenskaper gör det möjligt att transportera stora värmemängder med ett relativt litet massflöde.

Det finns en rad olika köldmedium som används vid olika applikationer utöver detta har historien och miljöaspekten fått kylindustrin att tänka om i valet av köldmedium.

Köldmedium som används i dagsläget inom kylskåp, luftkonditionering och värmepumpar (RACHP) är fluorerade växthusgaser (förkortas F-gaser) (Francis et al., 2017).

Kommersiell köldmedieindustri är en av de största faktorerna till den globala

uppvärmningen enligt en studie av Mota-Babiloni med flera (2015). Därav finns en stor anledning att fokusera arbete på att minska läckage från RACHP. Utöver den stora

miljöpåverkan har priset på nya F-gaser ökat dramatiskt de senaste åren. Priset på F-gaser med hög Global Warming Potential (GWP) har ökat med upp till 1100 % under endast 2017 vilket förmodligen är en effekt av EU:s F-gasförordning (Makhnatch, 2019).

Köldmediers benägenhet att öka växthuseffekten mäts med indexet GWP och regleras i Kyotoprotokollet och av EU:s F-gasförordningen. GWP är ett mått på ett köldmediums klimatuppvärmningspotential via växthusgaser i förhållande till koldioxid. När ett kilo koldioxid släpps ut i atmosfären är GWP-indexvärdet 1. När ett kilogram av andra växthusgaser släpps ut i atmosfären sätts det i relation till påverkan av ett kilogram

koldioxid. GWP-indexet är en beräkning baserad på ett hundraårsperspektiv som definieras som den tid det tar för koncentrationen av gas kommer ner till en tredjedel av

koncentrationens ursprungsnivå (Gaasholt, 2014).

Studier påvisar att utsläpp av fluorerade växthusgasers påverkan på den globala

uppvärmningen har potential att öka från 1,3 % (2004) till 7,9 % (2050) om ingen förändring i beteende hos branschen genomförs (Francis et al., 2017).

1.1

Bakgrund

För att få en bild av hur stor påverkan köldmedier kan ha på växthuseffekten beskriver Gaasholt (2014) ett par exempel på vanligt förekommande köldmedium så här:

Släpps ett kilogram av köldmediet R134a ut i atmosfären motsvarar det ett utsläpp av 1 430 kilogram koldioxid. En modern bil släpper ut ungefär 150 gram koldioxid per kilometer körd. För att producera samma mängd koldioxid som ett kilogram R134a har på växthuseffekten måste en bil köras 9 533 kilometer vilket är drygt tio resor tur och retur från Göteborg till Stockholm. Samma uträkning går att göra för ett annat vanligt förekommande köldmedium, R404A. Ett kilogram utsläppt av denna ger upphov till 3 922 kilogram koldioxid. För att släppa ut lika mycket med samma bil som i exemplet innan kommer vi 26 147 kilometer, mer än halvvägs runt jorden (Gaasholt, 2014).

Läckor från köldmedieindustrin påverkar miljön på två sätt. Det första är den direkta påverkan utsläpp har på miljön genom köldmediers förstörande av ozonlagret eller den globala uppvärmningen. Det andra sättet är en indirekt påverkan av kylprocessens effektivitet vid större köldmedieläckage. Läckage leder till minskad effektivitet på kylmaskinen vilket leder till större elkonsumtion (Francis et al., 2017).

Alla köldmediefyllda RACHP-anläggningar riskerar att få läckage då trycket i anläggningen alltid är högre än det atmosfäriska trycket (Tassou and Grace, 2005). Att hitta läckage är av stort intresse på grund av köldmediers miljöpåverkan och inte minst för den ekonomiska aspekten (Makhnatch, 2019).

I nuläget ställer F-gasförordningen krav på läckagevarningssystem och periodisk

läckagedetektering. De vanligaste läckagevarningssystemen innefattar ofta en sensor som mäter koncentrationen av köldmediet i luften runt kylsystemet och ger ett larm då

koncentrationen överstiger ett visst börvärde (Leonardsson, 2021).

Det finns dock vissa begränsningar som bland annat innefattar att detekteringssensorn bör sitta nära läckagekällan, omöjligheten att ha stor koncentration av köldmediet i maskinrum med hög luftomväxling, svårigheten att upptäcka gradvis små läckage över tid samt att sensorerna tenderar till att upptäcka luftföroreningar som kan finnas i färg och lim vilket leder till falsklarm (Leonardsson, 2021).

En metod för att upptäcka läckage på andra sätt än genom detekteringssensorer är av stort intresse för Johnson Control och anledningen till att denna studie genomförs.

3

1.2

Syfte

Att utreda de vanligaste anledningarna till köldmedieläckage samt att föreslå en metod att med hjälp av befintlig mätutrustning och teknik ge en indikation att ett läckage sker.

1.3

Frågeställningar

1. Vilka typer av läckage och punkter för läckage är vanligast i kylanläggningar?

2. Kan man med hjälp av befintliga givare analysera köldmediemängd i kylaggregat i stillestånd eller i drift för att fånga små läckage som inte ger utslag på gasdetektorer?

3. Hur stor påverkan har läckage på prestandan av en kylanläggning?

1.4

Avgränsning

Studien utförs enbart på anläggningar som nyttjar väte-fluor-kol-föreningar, på engelska hydroflourocarbons (HFC).

Fältstudien genomförs på kylanläggning levererad av Johnson Control Incorporated (JCI) och de köldmedium som används av JCI.

Studien är endast applicerbar på anläggningar med elektroniska expansionsventiler där en styrsignal alternativt feedbacksignal mäts. En förutsättning är att temperaturmätning på lågtrycksida och förångningstemperatur finns.

En teoretisk alternativ läckagedetekteringsmetod skall föreslås men ett verkligt test föreslås i förslag på fortsatt studie.

2

METOD

För att tydliggöra hur frågeställningarna ska besvaras listas den tänkta metoden under respektive frågeställning nedan. Litteraturstudien bygger på vetenskapliga rapporter, böcker inom kylteknik, intervjuer och tidigare studier av JCI. Vetenskapliga rapporter har hittats i databasen Primo med hjälp av sökord som ”refrigerant”, ”refrigerant leakage”, ”refrigerant leakage detection” och ”F-gas”.

2.1

Vilka läckage är vanligast i kylanläggningar?

En litteraturstudie kommer genomföras för att påvisa vilka de vanligaste anledningarna till läckage är. Studien kommer även samla statistik från garantiärenden där köldmedieläckage är källan till garantiärendet. Samlingen jämförs med tidigare utredningar beskrivna i

litteraturstudien. En fältstudie där en proviantanläggning läckagesöks med hjälp av indirekt metod och direkt metod ska utföras. Resultat jämförs sedan med tidigare gjorda studier i ämnet.

2.2

Kan man med hjälp av befintliga givare analysera

köldmediemängd i kylaggregat i stillestånd eller i drift för att

fånga små läckage som inte ger utslag på gasdetektorer?

Litteraturstudien för denna frågeställning fokuseras på att hitta tidigare studier om vilken driftdata som förändras vid köldmediebrist och i vilken riktning de förändras.

En fältstudie med ett kontrollerat läckage ska genomföras för att upptäcka vilken driftdata i köldmediesystemet som påverkas. Driftdata mäts genom givare på aggregaten och registreras i JCI:s övervakningssystem RADAR för att sedan analyseras och jämföras med tidigare studier.

Analyseringen av driftdatan från fältstudien kommer att användas som bas i den statiska modellen som ska tas fram för att ge ett förslag på en alternativ metod för att upptäcka läckage.

2.3

Hur stor påverkan har läckage på prestandan av en

kylanläggning?

En litteraturstudie ska genomföras för att skapa en förståelse om hur stor prestanda förlusten är vid köldmedieläckage. Ett experiment utfört av JCI ska analyseras och jämföras med

5

litteraturstudien för att kunna besvara frågeställningen. Även en fältstudie ska genomföras om tydliga bevis inte upptäcks i litteraturstudie eller tidigare experiment av JCI.

3

LITTERATURSTUDIE

Litteraturstudien studerar mer ingående om köldmedieval genom historien. Den

uppmärksammar tidigare studier som genomförts inom köldmedieläckage samt studier om sannolikhetsberäkningar kopplat till köldmedieläckage. JCI använder sig av specifika designlösningar som studeras och beskrivs i detta kapitel.

3.1

Köldmedieval genom historien

Enligt Calm (2008) har kylbranschen genom historien använt sig av en rad olika typer av köldmedium baserat på vad man visste och trodde sig veta om påverkan dels på miljön, dels på människor. Första generationen var lättillgängliga men giftiga. Den andra generationen innehöll klor som förstör ozonlagret vilket ordnades till genom att ersätta klorider med fluorider.

Tredje generationen påverkar dock växthuseffekten väldigt negativt vilket lett branschen in på den fjärde generationen där till exempel koldioxid (som var en del av den första

generationen köldmedium) är populärt igen (Calm, 2008).

3.1.1

Första generationens köldmedium

Första generationens köldmedium beskrivs ofta som ”vi tar det som är tillgängligt och fungerar”. Koldioxid (CO2), ammoniak (NH3), svaveldioxid (SO2), propan (C3H8)och vatten (H2O) är bara några exempel som användes i början av 1800-talet och fram till början av 1900-talet. Då många av den första generationens köldmedium var både giftiga och tvingade kylprocessen att arbeta vid höga tryck fördes diskussioner om nya ”säkra” köldmedium. (Calm, 2008)

Tabell 1 - Egenskaper hos första generationens köldmedier

Fördelar Nackdelar

Lättillgängliga Giftiga

Låg påverkan på miljö Brandfarliga

3.1.2

Andra generationen

I mitten av 1900-talet kom andra generationens köldmedium som skulle fasa ut de osäkra första generationens köldmedium. Den andra generationen var en fluorbaserad molekyl som CFC (Chlorofluorocarbons) och HCFC (hydrochlorofluorocarbons). Vanliga typer av

köldmedium är typer som R-12 och R-11. Under mitten av 1900-talet upptäcktes ett samband mellan utsläpp av andra generationens köldmedium och dess påverkan på ozonlagret. (Calm, 2008)

7

Tabell 2 - Egenskaper hos andra generationens köldmedier

Fördelar Nackdelar

Stabila Stor påverkan på ozonlagret

Ej giftiga Ej brandfarliga

3.1.2.1.

Montrealprotokollets första påverkan på köldmedier

Redan 1973 upptäckte Frank Sherwood Rowland och Mario Molina att klorfluorkarbon-baserade kylmedier kunde ha en negativ effekt på ozonlagret. Deras forskning påvisade att CFC-molekyler var stabila nog att färdas långt upp i stratosfären där de sedan bröts ned och släppte lös en kloratom. Kloratomen i sin tur binder med syreatomer vilket minskar

mängden syre som kan slås sönder och bilda ozon i stratosfären.

Det dröjde dock ända till 1989 innan Montrealprotokollet trädde i kraft vilket bland annat innehöll ett utfasningsprogram för CFC-baserade köldmedium. Branschen behövde alltså hitta en ny generation köldmedium att bruka i sina kylanläggningar (Assembly of

Mathematical and Physical Sciences (U.S.). Panel on Atmospheric Chemistry, 1976).

3.1.3

Tredje generationen

HFC är ett samlingsbegrepp för köldmedium med fluorklorväten (Hydrofluorocarbons). Dessa köldmedier är klorfria köldmedium och har ersatt CFC/HCFC. Anledningen till ersättningen har att göra med att CFC/HCFC just innehåller klor som har bevisats ha en dramatisk negative påverkan av ozonlagret. Köldmedias benägenhet att påverka ozonlagrets mäts med ett index ODP (ozone depletion potential) (Calm, 2008).

Tabell 3 Egenskaper hos tredje generationens köldmedier

Fördelar Nackdelar

Ingen påverkan på ozonlagret Stor påverkan på växthuseffekten Stabila

Ej giftiga Ej brandfarliga

HFC-köldmedium är utifrån ozonlagret sätt ett bra substitut till CFC/HCFC men har en hög påverkan på växthuseffekten. För att minska GWP-värdet hos ett köldmedium är det vanligt att blanda olika HFC-köldmedium. Detta leder till nya egenskaper och varianter men också

att förångning och kondensering inte sker vid konstant temperatur vid rådande tryck, detta kallas för att köldmediet har en glide (Tommy Frejd, 2017).

Vanliga HFC blandningar är R134a, R404A, R407C, R407F och R410A (Gaasholt, 2014)

3.1.3.1.

Montrealprotokollets andra påverkan på köldmedier

Den första januari 2019 ratificerades Montrealprotokollet ytterligare en gång. Denna gång med en ny utfasningsplan för baserade köldmedium. På 30 år ska användandet av HFC-baserade köldmedium minska med 80 %. Det var bland annat detta som gav en rejäl rekyl på priset av köldmedium 2017, en ökning med över 1 100 % (Msuya, 2019).

3.2

Undersökning av köldmedieläckage i Storbritannien

Storbritanniens största matvarukedjor. I studien studerades 1464 servicerapporter för att skapa statistik vart i en process läckage sker och vilka komponenter som är mer benägna än andra att läcka.

På de 1464 servicerapporterna visade undersökningen att en nettovikt av 36 000 kilogram köldmedium blev adderad på grund av läckagen som skedde. I 17 % av fallen blev köldmedia adderad utan att en tydlig orsak till att köldmediet fattades i systemet. (Francis et al., 2017) Av de två olika matvarukedjornas olika kylanläggningar påvisades samma topp åtta

anledningar till läckage. Rör och kopplingsfel var ansvariga för 27 % av de totala

läckagekällorna. 21 % var av typen trasiga tätningar till ventiler. Av dessa två läckagekällor utgjorde de 53 % av den totala köldmediemängd som förlorades till atmosfären. Trasiga rör stod för 8 % av total massa köldmedia förlorad även om frekvensen för trasiga rör som läckagekälla endast var 0,3 % (Francis et al., 2017).

Olika studier beskrivna i (Francis et al., 2017) visar en stor skillnad när det gäller vibrationer som felkälla till läckage. Enligt vissa rapporter står vibrationer för endast 0,5 % av alla fel men i andra fel kan upp till 86 % av felen vara relaterade till vibrationer.

Enligt studien var de flesta läckor i områden runt högtrycksidan på köldmediekretsen. Läckor runt kompressorn var också vanliga. Detta är på grund av att stora vibrationer kan finnas runt kompressorn samt att många olika rördelar är kopplade till kompressorn. Utöver detta har många kompressorer axeltätningar vilket kan vara en stor läckagekälla (Francis et al., 2017).

3.3

Modell för läckagedetektering

Ett system som automatiskt hittar ett fel i ett system kan hjälpa att minska energianvändning, optimera servicebehov och minimera miljöeffekter så som

9

växthuseffekten av köldmedieläckage. En automatisk metod att upptäcka fel måste vara snabbare än en kyltekniker att upptäcka fel på ett redan övervakat system för att ha en förbättrande effekt (Leonardsson, 2021).

En sådan modell föreslås av Navarro-Esbrí (2006). Modellen bygger på att beräkna det troliga värdet av en variabel, som är känslig vid ett visst fel, i normal (felfri) drift. Den variabeln bör förslagsvis vara en direkt mätning som lätt kan tillhandahållas. Värdet jämförs sedan med en verklig mätning av samma beräknade värde. Beräkningen av värdet görs med ett antagande att alla förutsättningar finns för en felfri drift. När ett verkligt värde avviker mot det beräknade troliga värdet indikeras ett larm om att fel i processen finns

Navarro-Esbrí utförde experiment för att hitta vilken driftdata som förändrades vid felet köldmediebrist. En kontrollerad läcka skapades genom att öppna en serviceventil mot en servicetank medan driftdata loggades. Resultatet av experimentet presenteras i nedanstående tabell.

Tabell 4 Termodynamiska förändringar vid köldmedieläckage

Fel Förångningstryck, Temperatur

Högtryck, Temperatur

Överhettning Underkylning

Läckage Minskning Minskning Ökning Oförändrat

En analys av testet påvisade att överhettning och förångningstrycket är de mest känsliga parametrarna vid ett köldmedieläckage. Även om överhettningen är en känslig variabel måste en tanke gå till att det är en beräknad parameter och inte en direktmätning.

Förångningstemperatur valdes som en variabel att studera vid felet köldmedieläckage. För att beräkna det troliga värdet under felfridrift användes ingående temperatur från köld- och värmebäraren av kondensor och förångare. Även kompressorns roteringshastighet nyttjades som en variabel i uträkningen (Navarro-Esbrí et al., 2006).

För att validera metoden undersöktes hur modellen klarade av att inte indikera ett larm för köldmedieläckage vid ett tillfälle där samma termodynamiska förändringar sker i en verklig situation. En minskning av kylbehov är just en sådan förändring som påverkar samma variabler och beskrivs i nedanstående tabell.

Tabell 5 Termodynamiska förändringar vid kylbehovsminskning

Förändring Förångningstryck, Temperatur

Högtryck, Temperatur

Överhettning Underkylning

Kylbehov Minskning Minskning Ökning Oförändrat

Eftersom en förändring av kylbehov också förändrar de variablerna som användes för

uträkningen av det troliga värdet av förångningstryck kunde metoden skilja mellan ett fel och en verklig situation. Detta även om köldmedieläckage och minskning av kylbehov bidrar till samma termodynamiska förändringar (Navarro-Esbrí et al., 2006).

En begräsning med den föreslagna metoden är att den endast är applicerbar på Chiller Units och tar inte hänsyn till olika flödesförändringar av värme- och kylbärare (Leonardsson, 2021).

3.4

Johnson Controls studie kring optimal köldmediemängd

fyllnadsmängder av köldmedium. De två aggregat som testades var av typen chiller units med tubvärmeväxlare som kondensor och förångare. Som kompressor används modellen

turbokompressor. I tabell 6 beskrivs nominella kyleffekten, COP, optimal fyllnadsmängd och aggregatstyp. (Thorén, 2021)

Tabell 6 Informationsbeskrivning av aggregaten som användes i experimentet

Beskrivning Aggregat 1 Aggregat 2

Nominell kylkapacitet 6374 kW 7150 kW Nominell COP 5,16 4,88 Typ YK K3 YK J5 Optimal fyllnadsmängd 1500 kg 2030 kg

I experimentet testades nio olika fyllnadsmängder av köldmedium i syfte att beräkna skillnaden i COP jämförd med de olika fyllnadsmängderna. Fem olika fyllnadsmängder testades för att se skillnaden i θut. Tabell 7 beskriver resultatet av COP experimentet där noll kg från optimalfyllnadsmängd är den optimala fyllnadsmängden beskriven i tabell 6.

Experimentet påvisar den procentuella förändringen. (Thorén, 2021) Tabell 7 Resultat av COP experiment

Fyllnadsmängd från optimal fyllnad Aggregat 1 Aggregat 2 -300 kg 95,0 % 93,0 % -200 kg 98,0 % 95,5 % -150 kg 98,5 % 97,5 % -100 kg 99,0 % 99,3 % -50 kg 99,7 % 99,8 % -20 kg 100 % 100 % 0 kg 100 % 100 %

11 Fyllnadsmängd från optimal fyllnad Aggregat 1 Aggregat 2 +50 kg 100 % 100 % +200 kg 100 % 100 %

Tabell 8 beskriver resultatet av θut experimentet. Till skillnad från COP experimentet kan en tydlig skillnad påvisas när det gäller θut. På aggregat 1 syns en ökning på 38 % av θut när en minskning från 1500 kg till 1450 kg (3,3 %) av fyllnadsmängden har skett. Det går att jämföra med samma aggregat och COP experimentet, där en 2 % minskning av COP sker vid en köldmedieminskning från 1500 kg till 1300 kg (13,3 %).

Tabell 8 Resultat av θut experiment

Fyllnadsmängd från optimal fyllnad Aggregat 1 Aggregat 2 -200 kg 1,80 1,88 -100 kg 1,25 1,30 -50 kg 1,0 0,92 0 kg 0,72 0,70 +50 kg 0,70 0,70

3.5

Läckagedetektering

Enligt F-gasförordningen (EU) nr 517/2014 Kapitel II artikel 4 (Europaparlamentet, 2014) ställs krav på regelbunden läckagedetektering. Driftansvariga för stationära installationer såsom proviantanläggningar och luftkonditioneringsanläggningar skall, med hjälp av alla de åtgärder som är teknisk genomförbara och inte medför orimliga kostnader:

 Förhindra läckage av florerande växthusgaser  Så snart som möjligt åtgärda upptäckta läckage

Driftansvarig skall säkerställa att systemet kontrolleras av certifierad personal. För att upptäcka läckage definieras två metoder nedan som driftpersonal är skyldiga att kontrollera (Gaasholt, 2014).

3.5.1

Direkt metod

Den direkta metoden bygger på att använda sig av instrument/verktyg som hjälper användaren att detektera läckor.

3.5.1.1.

Elektronisk läckagedetekterare

En elektronisk läckagedetekterare är ett exempel på en sådan metod. En elektronisk läckagedetekterare använder sig av värmande diodteknologi. Tekniken består av ett

keramiskt element som värmer köldmedium och bryter isär molekylerna och lämnar positivt laddade klor eller fluorjoner (beroende på köldmediet) som dras till en negativt laddad uppsamlingstråd i läckagedetekteraren. Ett flöde från jonerna till uppsamlingstråden skapar en liten ström. När koncentrationen av köldmedium ökar medför det att strömmen ökar till en nivå som utlöser ett larm (Anonymous, 2011).

Larmen larmar generellt både visuellt och i form av en ljudsignal. Ett exempel på en elektronisk läckagedetekterare är D-TEK Select, denna läckagedetekterare har två lägen hög/låg som då ändrar nivågränsen för den ström som induceras för att hjälpa användaren att indikera vart läckan sker. En nackdel kan vara att om läckaget är stort sprids köldmediet i ett större område och läckagedetekteraren reagerar då inom ett större område vilket gör det svårt att indikera exakt vart läckagekällan är. Det kan då vara bra att använda sig av

läckagespray för att hitta läckagekällan och inte bara området. En elektronisk läckagedetekterare skall kontrolleras årligen mot en referensläcka som har en läckagehastighet av 5 g/år (Gaasholt, 2014).

3.5.1.2.

Läckagespray

Läckagespray är en av de äldsta metoderna att indikera läckage. Enkelt förklarat är

läckagespray en blandning av diskmedel och vatten. Blandningen sprayas över ett område och skapar bubblor där ett trycksatt system läcker. Små läckor och en blåsig miljö kan

försvåra användandet av metoden. En mycket stor läcka kan också blåsa bort läckagesprayen och göra det svårt att hitta exakt var läckaget sker. Har en elektronisk läckagedetekterare då indikerat att ett läckage sker i området bör läckan kunna hittas med hjälp av att leta efter ett blåsande ljud eller med hjälp av en hand känna att det sker en tryckförändring (Anonymous, 2011).

När köldmedia läcker ut absorberar ämnet värme från omgivningen då köldmediet förångas. Runt läckagestället blir det då kallt och ofta under 0°C, för att undvika att läcksprayen fryser och orsakar skador på anläggningen tillsätts ämnen för att minska fryspunkten i

läckagesprayen (Gaasholt, 2014).

3.5.2

Indirekt metod

Denna metod bygger på att visuellt inspektera och analysera köldmediekretsen. Driftdata som analyseras är tryck, temperatur, motorström och vätskenivåer. Visuellt kan även oljeläckage tyda på att ett köldmedieläckage sker. Olja finns inte naturligt utanför en köldmediekrets. Om olja befinner sig runt eller under en köldmediekrets har den läckt ut. Om olja tar sig ut tar även köldmedia sig ut. Om en direkt metod inte indikerar att

13

3.6

Specifik tekniskdesign hos JCI

Sugtrycksregulator och Performans index (PI) är tekniska lösningar hos JCI och kan inte antas existera hos samtliga köldmedieanläggningar.

3.6.1

Sugtrycksregulator

JCI använder sig av alarm och tripp i sina styrsystem. Det finns dock funktioner som är inbyggda i styrsystemet för att motverka att anläggningen går in i larm eller trippgränser. En sådan funktion är till exempel sugtrycksregulator. Sugtrycksregulatorn är inställt på en förångningstemperatur som ligger i närheten av larmgränsen. När aggregatet når den inställda förångningstemperaturen inställd på regulatorn aktiveras den. När regulatorn är aktiv skickas direkt en ändring i styrsystemet på motorhastighet. Syftet med regulatorn är att begränsa kompressorns effekt för att inte komma inom larm eller trippgränserna. En

regulators största syfte är att hålla ett aggregat i liv när någon kortvarig oförutsedd händelse sker i system. Tanken är att anläggningen ska kunna återhämta sig om händelsen är kortvarig och att regulatorn avaktiveras för att sedan låta aggregatet gå i normal drift igen. (Thorén, 2021)

3.6.2

Performance index

Performance index (PI) är en beräkning över hur något presterar mot ett definierat mål. PI teknik är en typ av feldetekterings metod och används redan av JCI. Hos JCI är PI ett index där beräkningar av det verkliga COP av aktuell drift jämför med den teoretiska optimala COP vid samma tillfälle. JCI:s performance index visas i form av en procentsats relativt till

optimal drift. (Thorén, 2021)

3.6.2.1.

Begränsningar

JCI:s PI indikerar att fel finns i processen dock inte vilket eller vilka fel som finns. PI är också ett index över optimal drift baserad på COP och studier visar att en köldmediemängd på 90 % av optimal mängd påverkar COP försumbart lite (Navarro-Esbrí et al., 2006). Även om PI är en bra metod att indikera fel i en process är den för långsam för att detektera felet

köldmedieläckage. (Thorén, 2021)

3.7

Kylaggregat som levereras av JCI

Enligt Leonardsson (2021) levererar JCI olika typer av kylanläggningar med inriktning mot kryssningsindustrin. Aggregat som tillverkas och levereras av JCI är oftast av typen

3.7.1

Proviantanläggningar

Proviantanläggningar är kylsystem där en köldmediekrets kyler eller fryser ner proviant i kyl och frysrum. De två olika aggregat som JCI tillverkar är DX-aggregat eller Chiller units.

3.7.1.1.

DX-aggregat

DX-aggregat eller direktexpansion är ett aggregat där huvudkomponenterna kompressor, oljeavskiljare och kondensor finns på samma ställe och beskrivs som ”aggregatet”. Förångare och expansionsventiler är utspridda i ett större utrymme, i JCI:s fall är förångare och

expansionsventiler utspridda över hela kryssningsbåten. Förångaren kan i detta fall kallas för batteri och är lokaliserade i de rum där värmen ska bortföras. Expansionen i

expansionsventilen sker i förångaren och köldmediet förångas med hjälp av den omgivande temperaturen i det rum som ska kylas. I DX system är köldmediekretsen stor och

köldmediemängden lika så. I anläggningar med DX-system finns många möjliga

läckageställen då köldmediesystem just är stort. De stora nackdelarna med ett sådant system är att läckage kan vara svåra att upptäcka och att en stor mängd köldmedia måste användas (Leonardsson, 2021).

3.7.1.2.

Chiller units

Chiller units är en motsvarighet för DX-aggregat och den stora skillnaden är att förångaren och expansionsventilen är lokaliserad på samma ställe som resterande komponenter. I chiller units finns alltid ett sekundärt köldmedium som värmeväxlas mot köldmediekretsen i

förångaren. I kylsammanhang i chiller units system används en glykollösning som pumpas runt i kryssningsbåten och absorberar värmen i de rum som skall kylas. I fryssammanhang i chiller unit fallet användes en saltlösning som på samma sätt som glykollösningen pumpas runt. Den stora fördelen med Chiller units är att köldmediet finns inom ett mindre begränsat utrymme vilket gör det enklare att upptäcka läckage. Köldmediemängden varierar självklart från system till system men det är en stor skillnad på köldmediemängd mellan chiller units och DX-aggregat och kan vara så pass stor som 1/10 enligt JCI (Leonardsson, 2021).

3.7.2

Luftkonditioneringsaggregat

Luftkonditioneringsaggregat levererade av JCI är alltid av typen chiller units. Som värmebärare till kondensorn används sjövatten med en varierande temperatur. Som köldbärare till förångaren används en glykollösning likt kylfallet i en chiller unit, dock är koncentrationen av glykol olika (Leonardsson, 2021).

15

3.8

Normal sannolikhetsfördelning

Normal sannolikhetsfördelningen kännetecknas av att de flesta observationerna av ett experiment ligger kring ett medelvärde och att antalet observationer minskar med ett ökat avstånd från ett medelvärde.

Ekvation 1: 𝑓(𝑦) = 1

𝜎√2𝜋𝑒 −(𝑦−𝜇)2

2𝜎2 , −∞ < 𝑦 < ∞

Ekvation 1 används för att räkna ut den normala sannolikhetsfördelningen med avseende på den slumpmässiga variabeln y. Ekvationen är definierad från negativa oändligheten till oändligheten.

Ekvation 2: 𝑍 =𝑌−𝜇_𝜎

Ekvation 2 används för att definiera en fördelning som en standard normal fördelning. Med ett Z värde kan z-tabeller användas för att hitta sannolikheter att observera ett värde högre eller lägre än Z värdet.

Ekvation 3: 𝑉(𝑌) = 𝐸[(𝑌 − 𝜇)2] = 𝜎2

Ekvation 3 beskriver uträkningen av variationen i en fördelning betecknat 𝑉(𝑌) eller 𝜎2 _där

roten ur variationen definieras som standardavvikelse. Beteckningen E(...) beskriver det troliga värdet av fördelningen och kan ofta beskrivas som medelvärdet, medelvärde betecknas som 𝜇. (Scheaffer, 2008).

Illustrerat med koordinater beskrivs sannolikhetsfördelningen med en klockliknande figur nedan i figur 1. Det är en normal sannolikhetsfördelningsfunktion uträknad med driftdata samlad i RADAR.

Figur 1 Funktion för sannolikhetsfördelning, exempel

Funktionen representerar sannolikhetsfördelningen för driftvärdet θut i ett frysaggregat.

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 f(y ) y

Funktion för sannolikhetsfördelning

17

4

AKTUELL STUDIE

I den aktuella studien beskrivs arbetet mer genomgående. Fältstudier, analyser och

tillvägagångssätt beskrivs under respektive underrubrik. Även hur Microsoft Excel använts för att generera normalsannolikhetsfördelningen finns beskrivet.

4.1

Fältstudier

I denna studie genomfördes initialt två fältstudier. Den ena för att besvara frågeställning till var läckage uppstår i en köldmediekrets genom att detektera läckage med två

läcksökningsmetoder. Den andra med syfte att bistå studien med driftdata till den sannolikhetsmodell som ligger till grund för läckagedetekteringsmetoden.

Figur 2 visar en bild av aggregatet som fältstudien genomfördes på.

Figur 2 Typ av aggregat som fältstudien genomfördes på

Fallstudierna genomfördes på en proviant anläggning där totalt åtta chiller units är installerade, fyra frysaggregat och fyra kylaggregat. Den totala köldmediefyllnaden i respektive aggregat beskrivs i tabell 9.

Tabell 9 Köldmediemängd i aggregaten i den aktuella fältstudien

Krets Köldmediemängd (R407F) Kyl 1 100 kg Kyl 2 100 kg Kyl 3 100 kg Kyl 4 100 kg Frys 1 45 kg Frys 2 45 kg Frys 3 45 kg

Krets Köldmediemängd (R407F)

Frys 4 45 kg

Chiller units levererade av JCI består av kompressor, oljeavskiljare, ekonomizer,

expansionsventiler, kondensor och förångare. Vilken typ av respektive huvudkomponent i dessa fältstudier beskrivs i tabell 10.

Tabell 10 Huvudkomponenter i den aktuella fältstudien

Anläggningsdelar Typ i kylaggregat Typ i frysaggregat

Kompressor Skruv, modell frick XJF151A Skruv, modell frick XJF120S

Oljeavskiljare 163 L 310 L

Ekonomizer Plattvärmeväxlare Plattvärmeväxlare Expansionsventil

förångare

Carel E4V95B Carel E2V4 Smart

Expansionsventil Ekonomizer

Carel E2V35 Smart Carel E2V18 smart

Kondensor Shell and tube Shell and tube

Förångare Shell and tube Shell and tube

Kyleffekten på en chiller unit i kylfallet är 295 kW och 47,9 kW i frysfallet. Den maximala omgivningstemperaturen i maskinrummet är 45 °C. Värmebortföring från kondensorn sker med hjälp av avjoniserat vatten med en temperatur av 38 °C och ett flöde av 136 m3_{/h (kyl)} och 35,7 m3_{/h (frys) (Bärthel-Wegmann, 2021).}

Fältstudien utfördes av Henric Gustavsson som innehar kylcertifikat kategori 1 vilket är ett krav enligt F-gasförordningen (Europaparlamentet, 2014).

4.1.1

Fältstudie 1 - Läckagedetektering

En fältstudie för att kontrollera förekomsten av läckage på en JCI levererad anläggning utfördes. Anläggningen är installerad på en kryssningsbåt och fältstudien utfördes när fartyget låg i hamn vid Barcelona.

Läckagedetekteringen bestod av två delar, direkt metod och indirekt metod. I den direkta metoden användes en elektronisk läckagedetekterare som varnar när härkomst av köldmedia befinner sig i närheten av detektorn. Läckagedetekteraren som användes var av typen D-TEK Select som är en produkt från det amerikanska företaget Infincon. När läckagedetekteraren indikerade att köldmedia fanns i närheten användes en läckagedetekteringsspray för att se exakt var läckaget skedde. Läckagesprayen som användes var av typen Easyfind LT. I tabell 11 nedan beskrivs specifikationer av den elektroniska läckagedetekteraren D-TEK Select.

19

Tabell 11 Specifikationer för elektroniskläcksökare av typen D-TEK Select

Specifikationer D-TEK Select

Kompatibla köldmedia HFO/HFC/HCFC

Minimum känslighet 3 gram/år

Kontrollerat mot referensläcka (5 gram/år) 2021 (Inficon)

4.1.2

Fältstudie 2 - Kontrollerat läckage

En kontrollerad läcka skapades från en köldmediekrets på anläggningen installerad av JCI. Den kontrollerade läckan skapades genom att öppna en serviceventil som är kopplad till en servicetank. Köldmediekretsen var av typen frys och använder R407F som köldmedia. När läckaget skapades var kylkretsen i drift i automatik läge.

Serviceventilen är lokaliserad på högtrycksidan efter kondensorn. Då aggregatet var i drift skapades en stor tryckskillnad mellan servicetank och serviceventil. Tryckskillnaden skapade ett flöde av köldmedia från kylkretsen till tanken. Serviceventilen öppnades endast 5 % av den totala öppningsgraden i syfte att skapa en liten läcka. Vid läckagetillfället hade

köldmediet aggregationstillståndet vätska. Det är svårt att avgöra hur mycket köldmedia som läckte ut till service tanken då ingen våg kunde användas. Aggregatet var i drift under endast 3 minuter innan aggregatet trippade på högtryckskvot. Detta tyder på att läckan inte var så liten som tänkt.

Tanken med läckaget var att se hur driftdata förändrades när ett läckage sker, det syftet uppfylldes även om läckan var större än först tänkt. När läckaget skapades gick aggregatet i 100 % men efter bara några sekunder efter läckan skapades kunde tydliga förändringar uppfattas.

4.2

Förslag till läckagedetekteringsmetod

Ett försök att skapa en alternativmetod att upptäcka köldmedieläckage beskriv i detta avsnitt. I detta fall undersöktes driftdata från en proviantanläggning installerad av JCI. Driftdatan har loggats i JCI:s egna övervakningssystem (RADAR) med en samlingsperiod av en gång per minut. Den totala loggningsperioden för den studerade driftdatan var från december 2020 till april 2021.

4.2.1

Validering av driftdata

Även om driftdatan var samlad från verklig drift var en validering av driftdatan ett krav. Valideringens syfte är att städa bort loggade driftdata där felfri drift inte kan antas. Genom en trendkurva kunde tydliga tecken av en försämring av prestanda upptäckas. Detta antas vara ett resultat av att filter med tiden blivit igensatta.

Enligt Leonardsson (2021) finns filter i en köldmediekrets av ett flertal anledningar. De filter JCI använder sig av är sug-, olje-, expansions ventils-, och torkfilter. Sug-, olje- och

expansionsventils filter finns för att få bort restprodukter från tillverkningen men även efter service och drift för att skydda komponenter i systemet. Torkfilter används för att ”torka” bort fukt från köldmediekretsen om fukt av någon anledning tagit sig in i köldmediekretsen. För att undvika loggade värden under driftstörningar användes endast loggade driftdata över perioden januari 2021 till mars 2021. Under denna period fanns det inga bevis för

21

Målet med den alternativa läckagedetekteringsmetoden är att den ska vara snabb nog att detektera ett fel i driften innan en operatör eller ett nuvarande larm upptäcker det. Till exempel om ett ärvärde aldrig når sitt börvärde är det lätt för ett larm eller en operatör att upptäcka att ett fel i driften finns. Med detta i åtanke studerades endast loggade driftdata där ärvärdet var runt börvärdet, mer specifikt inom +/- 4°C.

4.2.2

Sannolikhetsuträkning

Samlingen av felfria driftdata importeras i Microsoft Excel. Microsoft Excel som användes hade engelska som formateringsspråk. Utifrån den samlade driftdatan beräknas medelvärdet genom att summera samtliga värden och dela med antal observationer. Nedan redovisas ekvationerna som användes i Excel.

Ekvation 4: 𝑆𝑇𝐷𝐸𝑉. 𝑃(𝑜𝑚𝑟å𝑑𝑒)

Standardavvikelsen i den felfria driftdatan beräknas med STDEV.P Där område representerar de celler där standardavvikelsen skall beräknas.

Ekvation 5a:

𝑁𝑂𝑅𝑀. 𝐷𝐼𝑆𝑇(𝑥, 𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙𝑣ä𝑟𝑑𝑒, 𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑𝑎𝑣𝑣𝑖𝑘𝑒𝑙𝑠𝑒, 𝑓𝑎𝑙𝑠𝑘)

Den normala sannolikhetsfördelningen räknades ut med NORM.DIST. Där x representerar den cell den normala sannolikhetsfördelningen skall beräknas från. Medelvärde räknas ut genom att summera samtliga x värden och dela med antalet observationer. ”Falsk”

representerar att den normala sannolikhetsfördelningen skall räknas ut. Ekvation 5b:

𝑁𝑂𝑅𝑀. 𝐷𝐼𝑆𝑇(𝑥, 𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙𝑣ä𝑟𝑑𝑒, 𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑𝑎𝑣𝑣𝑖𝑘𝑒𝑙𝑠𝑒, 𝑠𝑎𝑛𝑡)

Sannolikheten att observera ett värde mindre än ett värde x räknades ut med NORM.DIST som i ekvation 5a med skillnaden att om värdet ”Sant” används beräknas integralen av den normala sannolikhetsfördelningen ut och en sannolikhet beräknas.

Ekvation 5c:

(1 − 𝑁𝑂𝑅𝑀. 𝐷𝐼𝑆𝑇(𝑥, 𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙𝑣ä𝑟𝑑𝑒, 𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑𝑎𝑣𝑣𝑖𝑘𝑒𝑙𝑠𝑒, 𝑠𝑎𝑛𝑡))

Sannolikheten att observera ett värde mer än x räknades ut med (1-NORM.DIST). I övrigt samma som i ekvation 5a.

4.3

Garantihistorik

En sammanställning av historiska garantiärenden hos JCI beskrivs i följande kapitel. Totalt studerades 103 garantiärenden där det tidigaste fallet var 2014-09-21 och det senaste

2021-04-14. Samtliga ärenden gällde läckage på proviant-, luftkonditionerings- och serviceaggregat levererade av JCI. Totalt var 59 av garantiärenden gällande proviant-, 43 gällande

luftkonditionerings- och en gällde serviceaggregat. Köldmedium som används i dessa aggregat var R407C, R407F (enbart i proviant) och R134a (enbart i luftkonditionering). Sammanställningen tar inte hänsyn till om garantiärendet var accepterat av JCI eller inte. Sammanställningen delades in i tre kategorier:

 Läckagekälla

 Aggregationstillstånd  Högtryck/lågtryck sida

Läckagekälla delades in sju underkategorier:

 Skäringskoppling  Säkerhetsventiler  Plugg  Packning  O-ring  Gängtätning  Axeltätning

För att bestämma vilket aggregationstillstånd köldmediet hade vid läckagetillfället förutsattes optimala driftförhållanden samt att aggregatet var i drift vid läckageupptäckten.

23

5

RESULTAT

Resultatet beskriver två fältstudier utförda på en proviantanläggning installerad och driftsatt av JCI. I fältstudie 1 har en läckagekontroll med direkt och indirekt metod använts för att indikera vart läckage sker i en köldmediekrets. I fältstudie 2 har ett kontrollerat läckage skapats i syfte att studera vilken förändring köldmedieläckage har på driftdata. Resultatet från fältstudie 2 presenteras i from en tabell och ett antal grafer som beskriver förändringen av det aktuella driftvärdet över läckageperioden. Ett förslag på en teoretisk alternativmetod att detektera köldmedieläckage med hjälp av att driftdata baserat på

sannolikhetsberäkningar presenteras.

5.1

Fältstudie 1 - Läckagedetektering

Läckagekontrollen utfördes på åtta köldmediekretsar i proviantanläggningen, fyra kyl- och fyra fryskretsar. Den genomfördes med direkt och indirekt metod. Den direkta metoden upptäckte 43 % av läckagen vilket syns nedan i figur 3. Med den indirekta metoden kunde 57 % av de totala läckorna bli funna. Olja var synligt runt läckagestället. De läckorna som hittades med den indirekta metoden kunde inte upptäckas med den direkta metoden då läckorna var mindre än fem gram per år som är den elektroniska läckagedetekterarens begränsning.

Figur 3 Resultat av vilken metod av läckagedetektering som upptäckte läckage

Samtliga upptäckta läckage finns i figur 4 sammanställt i ett rörschema för att beskriva vart i processen läckage är vanligast. Läckaget beskrivs med ett rött kryss där även en siffra

indikerar numret på läckagekällan.

Indirekt 57% Direkt

43%

Figur 4 Rörschema där läckagestället är markerat

I tabell 12 nedan beskrivs vilka typer av läckageställen som är markerade i figur 4, hur många läckor som blev funna på stället och med hjälp av vilken metod läckan hittades.

Tabell 12 Läckageställen funna och vilken metod som användes

Läckageställe Typ Antal Läckor Metod

1 Oljerör till axeltätningen (skäringskoppling)

1 Indirekt

2 Flänskoppling trycksida, kompressor (packning)

1 Direkt

3 Högtrycksvakt (skäringskoppling) 1 Direkt

4 Oljeseparator (plugg) 3 Indirekt

5 Oljeseparator (plugg) 5 Indirekt (var

av en hittades med direkt)

6 POV (koppling) 1 Direkt

7 Koppling (gängtätning) 1 Direkt

25

I ett köldmedieaggregat i drift finns två olika trycksidor som kan indelas i en högtrycksida och en lågtrycksida. Högtrycksidan är efter kompressorn men innan expansionsventilen, lågtrycksidan är efter expansionsventilen men innan tryckökningen i kompressorn. Indelningen visualiseras nedan i figur 5.

Figur 5 Trycksidor i ett köldmedieaggregat

I figur 6 påvisas att samtliga läckor upptäckta var lokaliserade mellan utloppet på

kompressorn men innan expansionsventilen. Enligt sammanställning från driftdata i RADAR var det genomsnittliga trycket på lågtrycksidan 2 bar(a), på högtrycksidan18 bar(a). Detta gäller ett snitt från både kyl- och frysanläggningar.

Figur 6 Resultatet av vid vilket tryck läckage upptäcktes i fältstudie 1.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Lågtryck Högtryck

Antal läckor per krets, högryck eller

lågtryck

5.2

Fältstudie 2 – Kontrollerat läckage

Ett kontrollerat läckage skapades genom att öppna en serviceventil kopplad till en

servicetank när aggregatet var i drift. I figur 7 är serviceventilen markerad i ett rörschema. Läckaget pågick under 2 minuter där driftdatan loggades i övervakningssystemet RADAR. En sammanställning av den förändring och i vilken riktning förändringen skedde presenteras med hjälp av grafer. Resultat från fältstudie 2 används som grund för att ge ett förslag på en teoretisk alternativ läckagedetekteringsmetod.

27

5.2.1

Utloppstryck, kompressor

Under det kontrollerade läckaget skedde en minskning av utloppstrycket efter kompressorn från minut 0. Figur 8 beskriver den minskningstrend driftvärdet påvisade under läckaget. Det ursprungliga trycket vid läckagestart var 18,2 bar(a) och sänktes till 14,0 bar(a) vilket är en minskning med 23,2 %. Detta är ett resultat av den förlorade volymen köldmedia som försvinner från köldmediekretsen. En minskad volym av köldmedia i kondensorn minskar gastrycket vilket resulterar i att driftvärdet minskar.

Figur 8 Utloppstryck, kompressor

12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 0.00 1.00 2.00 Bar(a) Tid (minuter)

Utloppstryck, kompressor

5.2.2

Förångningstryck

Förångningstrycket är stabilt till minut 1 av läckaget. Efter minut 1 minskar

förångningstrycket från 1,15 bar(a) till 0,39 bar(a) vilket är en minskning med 66 %. Figur 9 påvisar att den minskningen inte sker direkt, det är ett resultat av att

expansionsventilerna öppnar. När expansionsventilerna öppnar fortsätter en stabil

mängdköldmedia passera in till kompressorns sugsida även om ett läckage efter kondensorn sker.

Efter minut 1 är expansionsventilerna fullt öppnade vilket gör att volymen minskar i

samband med läckaget, när expansionsventilerna är fullt öppnade finns inte tillräckligt med köldmedia kvar i förångaren vilket i sin tur leder till att förångningstrycket fortsätter sjunka i takt med att kompressorn fortfarande är i drift.

Figur 9 – Förångningstryck 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 0.00 1.00 2.00 Bar(a) Tid (minuter)

Förångningstryck

29

5.2.3

Expansionsventilens position

När läckaget började reagerade styrsystem genom att öppna expansionsventilerna för att bibehålla den suggasöverhettning expansionsventilerna styr på vilket är vad figur 10 beskriver. Ökningen sker upp till den maximala öppningsgraden av ventilerna.

Vid läckagestart var öppningsgraden 83 % respektive 78 %, ökningen skedde upp till den maximala öppningsgraden, 100 %. Att expansionsventilerna öppnar kontinuerligt vid ett läckage påverkar ett flertal andra driftdata. Bland annat suggasöverhettning, sugtryck och θut i förångaren är driftdata som är stabila tills expansionsventilsöppningsgraden är maximalt öppen.

Figur 10 - Expansionsventilens position, i procent

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 0.00 1.00 2.00 % Tid (minuter)

Expansionsventilens position

5.2.4

Suggasöverhettning

En tydlig ökning av överhettningen sker från minut 1 kan ses i figur 11. Rör 1 hade en ökning med 229 % och rör 2 hade en ökning med 370 % från de ursprungligavärden av 9,25

respektive 5,98°C. Här påvisas kopplingen till expansionsventilensöppningsgrad tydligt.

Figur 11 – Suggasöverhettning

5.2.5

Θut, förångare

Figur 12 beskriver förändringen av θut i förångaren. Likt suggasöverhettningen och suggastemperaturen sker förändringen från minut 1. Som tidigare nämnt när

expansionsventilerna blev fullt öppna och ett tillräckligt massflöde av köldmedia inte längre kunde uppfyllas. Ökningen skedde med 243 % från ursprungsvärdet 6,27°C.

Figur 12 - Θut, förångare

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 0.00 1.00 2.00 T( °C) Tid (minuter)

Suggasöverhettning

Superheat (Suction) Valve 1 Superheat (Suction) Valve 2

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 0.00 1.00 2.00 T( °C) Tid (minuter)

Θut, förångare

31

5.2.6

Kompressorhastighet

Kompressorhastigheten vid läckagestart var 100 % då aggregatets ärvärde inte var lika med börvärdet. Efter minut 1 minskar hastigheten även om ärvärdet inte var lika med börvärdet, det är en konsekvens av JCI suggasregulator. Expansionsventilerna har öppnat till

maximalöppningsgrad efter minut 1 det leder till att sugtrycket sjunker från minut 1. När sugtrycket minskar till ett visst värde aktiveras sugtrycksregulatorn som begränsar hastigheten på kompressor för att hindra sugtrycket att nå en trippgräns inställd för att skydda aggregatet. Figur 13 visar kompressorhastigheten vid varje minut och är uttryckt i procent där 0 % motsvarar 800 rpm och 100 % motsvarar 2050 rpm. Totalt minskade hastigheten med 15 % från ursprungsvärdet 100 %.

Figur 13 - Kompressorhastighet 99.70 99.77 84.66 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 0.00 1.00 2.00 % Tid (minuter)

Kompressorhastighet