Utveckling av transportsystem för isskrap

EXAMENSARBETE INOM MASKINTEKNIK, Innovation och design, högskoleingenjör 15 hp SÖDERTÄLJE, SVERIGE 2017

Utveckling av

transportsystem för isskrap

Jakob Fischer

SKOLAN FÖR INDUSTRIELL TEKNIK OCH MANAGEMENT INSTITUTIONEN FÖR TILLÄMPAD MASKINTEKNIK

Utveckling av

transportsystem för isskrap

av

Jakob Fischer

Examensarbete TMT {2017:38 } KTH Industriell teknik och management

Tillämpad maskinteknik

Mariekällgatan 3, 151 81 Södertälje

Examensarbete TMT {2017:38}

Utveckling av transportsystem för isskrap

Jakob Fischer

Godkänt

{2012-06-21}

Examinator KTH

Alexander Engström

Handledare KTH

Håkan Carlqvist

Uppdragsgivare

Energi & kylanalys AB

Företagskontakt/handledare

Jörgen Rogstam

Sammanfattning

Energi och kylanalys är ett företag arbetar med effektivisering av energisystem med inriktning mot ishallar. Företaget är aktivt både i Sverige och internationellt och drivs av Jörgen Rogstam.

Arbetet kartlägger hur ishallar hanterar isskrapet som uppstår vid omspoling av ispister. Ishallar är stora förbrukare av elektricitet och därmed finns stor potential för effektivisering. Målet med arbetet är att identifiera svagheter med dagens lösningar samt utveckla ett koncept som

åtgärdar dessa problem. Konceptet ska innebära en minskad energiförbrukning och som sekundärt mål ska isskrapet kunna sparas för att återanvändas istället för att smältas. Ett antal tekniska lösningar jämförs och efter gallring vidareutvecklas den lösning som på bäst sätt uppfyller kraven i projektet. Den valda tekniska lösningen är en så kallad spiraltransportör.

Denna typ av transportör tillsammans med en asynkronmotor resulterar i en stor besparing av energi samtidigt som tekniken är väl beprövad och ställer små krav på underhåll.

Nyckelord

Konstsnö, isskrap, ishallar, conveyor, transportör, snis

Bachelor of Science Thesis TMT {2017:38}

Developement of conveyor system for transporting snow ice

Jakob Fischer

Approved

{2012-06-21}

Examiner KTH

Alexander Engström

Supervisor KTH

Håkan Carlqvist

Commissioner

Energi & kylanalys AB

Contact person at company

Jörgen Rogstam

Abstract

Energi och kylanalys is a company that specializes in raising the efficiency of the energy systems in ice rinks. The company is active in Sweden and internationally and is run by Jörgen Rogstam.

The project maps out how ice rinks handle the ice scrapings that results from resurfacing. Ice rinks consume a lot of electricity and therefore have great potential for improved efficiency.

The aim of this paper is to identify the weaknesses with the current solutions and develop a concept to fix these problems. The proposed concept must be more energy efficient and as a secondary goal it must enable second hand use of the scrapings instead of melting it. A number of technical solutions are compared and after an initial sorting out the concept which to the greatest extent fulfills the specified demands in the project is developed further. The chosen solution is a shaftless screw conveyor. This type of conveyor combined with a induction motor results in a big energy saving and an empirically tested solution with minimal maintenance.

Key-words

Artificial snow, ice scrapings, ice rinks, conveyor, transporter, snis

Förord

Jag vill tacka Jörgen Rogstam på Energi & Kylanalys för förtroendet och handledningen under projektets gång. Hans expertis kring ishallar och dess utformning har varit ovärderlig i arbetet med denna rapport.

Jag vill även rikta ett tack till Håkan Carlqvist som delat med sig av sin stora erfarenhet av examensarbeten och varit till en förutsättning för arbetets framskridande.

Nomenklatur

Specifik smältentalpi[Cs] Den energi som krävs för fasövergång från fast till flytande form hos ett material

Komfortkyla/-värme Måste ej värma eller kyla ett helt utrymme, endast öka komforten hos personer som befinner sig i det. Exempelvis golvvärme eller

luftkonditionering

Massflöde[𝑚]̇ Mått på hur stor massa som förflyttas per tidsenhet Volymflöde[𝑉]̇ Mått på hur stor volym som förflyttas per tidsenhet

Köldbärare Medium som har till uppgift att transportera värme från lasten till kylsystemet

Köldmedium Det mediet som tar upp värmen från köldbäraren och cirkulerar i en förångningskylprocess

Kylmedel Ett medium som kyler komponenter i kompressorkylmaskinen som avger värme

Regluft Den uppvärmda luften i en avfuktare

Processluft Den fuktiga luften från en anläggning som ska behandlas Cirkelbåge[b] Längd av en sektion hos den yttre radien hos en cirkel

Innehåll

1 Inledning ... 0

1.1 Bakgrund ... 0

1.2 Målformulering ... 0

1.3 Avgränsningar ... 0

1.4 Lösningsmetoder ... 1

2 Nulägesbeskrivning ... 2

2.1 Smältgrop... 2

2.1.1 Energiåtgång och nackdelar ... 2

2.2 Utomhusdeponi ... 3

2.2.1 Energiåtgång och nackdelar ... 3

3 Teoretisk referensram ... 4

3.1 Ishallar ... 4

3.1.1 Isspolning ... 4

3.1.2 Kylsystem ... 5

3.1.3 Avfuktare ... 6

3.2 Snöproduktion ... 6

3.2.1 Konstsnö ... 6

3.2.2 Snölagring ... 7

3.2.3 Alternativa användningsområden för isskrap ... 7

4 Genomförande ... 10

4.1 Verktyg och modeller för vidareutveckling ... 10

4.1.1 Identifiera funktioner och tekniska lösningar ... 10

4.1.2 Pugh – beslutsmatris ... 10

4.1.3 FMEA – Failure Modes and Effects Analysis ... 10

4.1.4 Studiebesök och intervjuer ... 11

4.2 Idegenerering ... 11

5 Resultat och analys ... 12

5.1 Funktioner ... 12

5.1.1 Funktionsspecifikation ... 13

5.2 Konceptförslag... 14

5.2.1 Förflyttning ... 14

5.2.2 Förvaring ... 15

5.2.3 Uppbrytning av gods ... 16

5.3 Gallring ... 16

5.3.1 Förflyttning ... 16

5.3.2 Förvaring ... 17

5.3.3 Deponi ... 18

5.4 Failure Mode & Effect Analysis – FMEA... 18

5.5 Dimensionering och vidareutveckling ... 18

5.5.1 Förutsättningar och dimensionering ... 19

5.5.2 Driftskostnad ... 21

5.6 Slutgiltigt koncept... 22

6 Diskussion och slutsats ... 24

6.1 Rekommendationer ... 24

0

1 Inledning

Detta arbete utfördes under vårterminen 2017 som examensarbete för högskoleingenjörsutbildningen inom maskinteknik vid KTH på uppdrag av Energi & Kylanalys.

1.1 Bakgrund

Kylsystem kräver mycket energi, och några av de allra största kylsystemen återfinns i ishallar. I Sverige finns över 350 ishallar som i genomsnitt erbjuder skridskoåkning under 230 dagar av året. Av den totala energianvändningen i en ishall så står kylsystemet för ca 40 %, vilket ungefärligen motsvarar 400 MWh årligen för den genomsnittliga ishallen. Ett kylsystems uppgift är att säkerställa kvaliteten hos isbanan tillsammans med ismaskinen som hanterar underhållet. En körning med ismaskinen lägger ut ca 500 liter vatten och plockar upp 1 m³ så kallat isskrap, ibland även kallad snöis för att den är väldigt lika konstsnö i sin sammansättning. Detta isskrap måste hanteras på något sätt. Idag används i huvudsak två metoder för att hantera isskrapet:

1. Dumpning: Ismaskinen dumpar isskrapet utanför hallen och låter den smälta bort.

2. Smältning: Isskrapet deponeras i en så kallad smältgrop där energi från den varma sidan av kylsystemet används för att smälta den.

Båda metoderna för med sig mindre önskvärda effekter. Vid dumpning så måste portarna till ishallen öppnas vilket leder till att varmare och framförallt fuktigare luft tar sig in och ytterligare påfrestar avfuktningssystemet, dessutom riskerar ismaskinen att dra med sig smuts in som kan förorena och missfärga isen. Isskrapet dumpas ofta på parkeringar eller gårdsplaner där den får smälta bort i sin egen takt. I och med att isskrapet inte täcks över så blir isskrapsmassan snabbt nedsmutsad av föroreningar i luften. Det finns lösningar i form av luftslussar för att avhjälpa det första problemet och vissa ismaskiner har spolmunstycken monterade vid hjulen för att avhjälpa det andra men dessa lösningar har visat sig presterar undermåligt i praktiken eller anses osmidiga att använda. Smältning löser de flesta problemen med dumpning men är samtidigt mer kostsam att då det kräver större yta inomhus och ökar

energiförbrukningen vid smältprocessen om gropen är underdimensionerad för ishallens behov.

Dessutom innebär en smältgrop en större investeringskostnad jämfört med dumpning.

Ishallar har funnits länge och de allra flesta svenska ishallarna byggdes under 70-talet. Den allra första ishallen byggdes i London 1895 och Sveriges första ishall i Jönköping stod klar 1958. Stor möda har lagts vid vissa anläggningar för att minska resursslöseri i form av investeringar i värmeåtervinning i

kylsystemet men det finns få exempel på resurseffektiv hantering av isskrapet. I ett vinterland som Sverige där snötillgången inte alltid är tillförlitlig borde det finnas alternativa användningsområden för isskrapet, exempel kan det lokala längdskidsspåret få en förlängd säsong om isskrap från traktens ishallar läggs ut i spåren. Konstsnön som en snökanon producerar är i det närmaste identisk med vad som smälts bort i stora mängder i landets ishallar.

Arbetet ämnar utarbeta ett system för att minska eller eliminera de negativa effekterna och öka energieffektiviteten hos isskrapshanteringen i ishallar.

1.2 Målformulering

Efter avslutat projekt skall ett system för hanteringen av isskrap från isspolning presenteras. Systemet skall innebära minskad energiåtgång jämfört med dagens lösning samt möjliggöra för alternativ användning av isskrapet.

1.3 Avgränsningar

• Arbetet är teorestisk och inga prototyper produceras

1

• Processen som analyseras i arbetet startar efter upptagningen av isskrapet.

• Energiberäkningar kommer att fokusera på kyl- och avfuktningssytem

• Arbetet utgår ifrån de förhållanden som gäller i ishallar

1.4 Lösningsmetoder

• Litteraturstudier

• Intervjuer

• Fältstudier

• Benchmarking

2

2 Nulägesbeskrivning

Den genomsnittliga ishallen förbrukar 1000 MWh årligen och varje dag produceras upp emot 10 m³ isskrap som ska tas hand om på något sätt. Den energi som går åt för att tillverka och underhålla isen i våra ishallar lagras i isskrapet som tas upp vid spolning av isen. Det krävs även välutbildad driftspersonal för att driva en ishall på ett effektivt sätt, personal som ofta har många uppgifter och lite tid att göra dem på. Tidspressen gör att ismaskinen måste kunna tömmas snabbt och på ett enkelt sätt. De två vanligaste tillvägagångssätten för isskrapshantering förklaras i detta kapitel.

2.1 Smältgrop

Ungefär en femtedel av svenska ishallar använder sig idag av denna metod. Isskrapet deponeras i en nedsänkt vattenfylld grop inomhus som ofta befinner sig nära isbanan. Gropen är försedd med värmeledningar ställda i direkt kontakt med vattnet. Värme återvinns från den varma sidan av

anläggningens kylsystem och pumpas med hjälp av en värmebärare genom rörsystemet i gropen(fig.1).

Värmeväxlingen som sker mellan rören och vattnet i poolen resulterar i en ökning av temperaturen vilket möjliggör smältning av isskrapet. För att säkerställa att isskrapet smälter samt minimera behovet av tillförd värme måste isskrapet vara helt nedsänkt i vattnet. Dessutom används ofta mekaniska omrörare(propeller) för att snabbare fördela värmeenergin i vattenmassan.

Svenska Ishockeyförbundet ställer följande krav på en smältgrop:

• Utrymmet måste ha en takhöjd på minst 3 meter för att möjliggöra för tippning från ismaskinen

• Gropen bör vara 2 meter bred och lång samt ha en volym om minst 6 m³(SIF, 2014)

Figur 1 Smältgrop [27]

2.1.1 Energiåtgång och nackdelar

En smältgrop dimensioneras efter kundens behov och önskemål. Ofta är det de större anläggningarna som investerar i den typen av system och en smältgrop kan ta hand om isskrapet från mer än en isbana.

3

En genomsnittlig omspolning genererar 1 m³ isskrap som kräver 167 MJ för att omvandlas till vatten enligt (2.1). En välkonstruerad smältgrop använder ingen energi utöver den som återvinns från kylsystemet däremot utnyttjas inte energin i isskrapet i någon större utsträckning. Värmeenergin från kylsystemet som uppstår vid tillverkning av isen återgår till systemet istället för att utnyttjas till exempelvis komfortvärme i andra delar av anläggningen.

𝐸 = 𝑐_𝑠∙ 𝑚 (2.1)

Många anläggningar har en underdimensionerad smältgrop eller ett oförutsägbart volymflöde vilket innebär att energi måste tillsättas för att säkerställa att isskrapet smälter. I vissa fall innebär detta att varmt vatten spolas på isslushen vilket innebär förhöjd energiförbrukning och höga kostnader för att driva anläggningen. Smältgropar bör ej finnas i samma utrymme som isbanan, då värmen från smältprocessen påfrestar kylsystemet. Det är därför rekommenderat att placera smältgropen i ett separat utrymme från isbanan för att spara energi.

2.2 Utomhusdeponi

Efter slutförd omspolning öppnas porten till hallen och ismaskinen dumpar isskrapet utanför byggnaden för smältning. I vissa anläggningar finns luftslussar som ser till att ishallen förblir sluten men vanligast är en enkel port som står öppen under tiden isskrapet dumpas. När ismaskinen åker tillbaka in i hallen så riskerar den att dra med sig smuts på däcken som kan förorena isen.

Kravlista för utomhusdeponi från svenska ishockeyförbundet:(SIF, 2014)

• Asfalt under deponiytan

• Asfalt på transportvägar

• Ismaskinen bör ej köras på gårdsplanen

• Slanganslutning för rengöring av transportvägar bör finnas tillgänglig

2.2.1 Energiåtgång och nackdelar

När porten öppnas så flödar varm luft in i ishallen på grund av naturlig konvektion som uppstår vid tryck och temperaturskillnader. Den varmare luften för med sig fukt in i ishallen. Fukten måste tas omhand av avfuktningssystemet vilket leder till ökade kostnader. Mängden fukt som tar sig in genom en öppen port kan förenklat beräknas med (2.2) och (2.3) och i genomsnitt krävs 2 kWh för att ta hand om en liter fukt.

Fukttransporten är som störst vid stora temperaturskillnaden mellan inne- och utemiljön, vanligtvis de första och sista driftsmånaderna. Under kallare perioder är situationen den omvända, utomhusluften är torrare och kallare än luften i hallen. Den kalla yttertemperaturer kan skapa problem med frostbildning i den fuktiga ishallsluften om porten tillåts stå öppen längre perioder. Utkörningsporten i en ishall är öppen i genomsnitt 3 min per tömning. (J.Rogstam, 2017) (Appendix 1)

𝑉̇_{𝑙𝑢𝑓𝑡}= 𝑣 ∙^𝐴

2∙ 𝑡 (2.2)

𝑉_{𝑓𝑢𝑘𝑡}= 𝑉̇ ∙ 𝜌_{𝑙𝑢𝑓𝑡}∙ ∆𝑚_{𝑓𝑢𝑘𝑡} (2.3)

4

3 Teoretisk referensram

För att förstå dom specifika problemen i en ishall krävs först grundläggande kunskaper om hur dom fungerar. Allt högre krav ställs på energieffektiviteten i våra ishallar, men för att kartlägga

besparingspotentialen måste först energiförbrukningen studeras närmare.

3.1 Ishallar

Den totala energiförbrukningen i en ishall kan sammanfattas med de så kallade “Big Five”(tabell 1) där kylsystemet står för den största delen. Det här arbetet kommer endast ta hänsyn till påverkan på kylsystem och avfuktning då dessa i störst utsträckning påverkas av hur isskrapet hanteras. Dessa två poster utgör samtidigt ca 49 % av den totala energiförbrukningen i en ishall tillsammans.(Stoppsladd, 2017)

Tabell 1 the Big Five

3.1.1 Isspolning

Vid skridskoåkning orsakas stor skada på isbanan och dessa skador åtgärdas genom att isen hyvlas och ett tunt lager vatten läggs på för att fylla ut skadorna som uppstått. Förr var den manuella omspolningen av en fullstor isrink tidsödande så på 40-talet utvecklade amerikanen Frank Zamboni den maskin som bär hans namn och vardagligt kallas för ismaskinen. Konstruktionen är i princip oförändrad till denna dag.

En ismaskin utför förenklat följande steg:

1. En kniv (fig.2) skrapar ytan och tar bort de översta lagret is

2. Isskrapet samlas ihop av en horisontell skruv och transporteras sedan av en vertikal skruv till isskrapstanken

3. Isen tvättas med vatten från en tank i ismaskinen, dammsugs upp, rengörs och återförs till tanken

4. Vatten från en separat tank med rent vatten fördelas jämnt över isen med hjälp av en gummiskrapa

5. Isskrapet dumpas genom att uppsamlingstanken tippas framåt och en lucka i fronten öppnas.

5

Figur 2 Översikt ismaskinssloda [17]

En regelmässig ishockeybana i Sverige är drygt 18 00 m²(17 94 m² om man exkluderar de rundade hörnen). Vid en genomsnittlig körning med en ismaskin används ca 500 liter vatten som i sin tur

genererar 1m³ isskrap. I genomsnitt genomförs 5–10 spolningar per dag vilket genererar upp emot 10 m³ isskrap dagligen. Den totala isskrapsproduktionen i Sveriges 350 ishallar under de i genomsnitt 230 dagarna som is ligger uppgår till drygt 805 000 m³.(Roni. K 2015)(IIHS, 2017)

Idag saknar de flesta ismaskinerna möjligheten att mäta vattenåtgången vid omspolning, något som i praktiken innebär att de flesta ishallar inte vet hur mycket vatten dom använder för att spola ispisterna.

Dom mätningar som gjorts indikerar dock att en ishall använder ungefär 1000 m³ vatten per år för att spola en isbana. (Roni.K, 2015) (N.Litzén, 2016) (Stoppsladd, 2014)

3.1.2 Kylsystem

Majoriteten av ishallarna idag använder ett indirekt kompressionskylsystem där värmen förs bort med hjälp av värmeväxlare(fig.3). Under isen cirkulerar en köldbärare som för med sig värmen som alstras vid skridskoåkning bort från isen. Värmen från isen överförs till kylsystemet genom värmeväxling och den nedkylda köldbäraren cirkuleras tillbaka till ispisten. I kylsystemet gör värmeväxlingen att dess

köldmedium kokar i förångaren och den efterföljande kompressorn ökar trycket och temperaturen ytterligare. Samtidigt ser kompressorn till att vätskan cirkulerar i systemet. Den heta och trycksatta gasen kommer in i kondensorn där värmen förs bort av ytterligare en värmeväxlare vilket får köldmediet att återgå till vätskeform. Slutligen passerar vätskan genom en expansionsventil som säkerställer att trycket återgår för att processen skall kunna upprepas.

Figur 4 Kompressionskylsystem [16]

Figur 3 Kylsystem [16]

6

3.1.3 Avfuktare

De flesta ishallar använder idag en så kallad sorptionsavfuktare(fig.4) för att reglera luftfuktigheten, dessa avfuktare står för ca 6% av den totala energiförbrukningen i en ishall.

Energiförbrukningen uppgår årligen till 80 - 150 MWh även för mindre anläggningar.

Om luften inne i hallen håller en för hög fukthalt så riskerar kondens att bildas och vattendroppar falla ned på ispisten med deformation av isytan som följd. Förhöjd luftfuktighet innebär risk för mögel och dimbildning inne i anläggningen vilket är skadligt både för byggnaden och människorna i den.

För att kunna kontrollera luftfuktighet krävs att utrymmet är tätt, öppna dörrar och dåligt tätade portar innebär en omedelbart ökad påfrestning på avfuktningssystemet. En ökad påfrestning på avfuktningen innebär ca 2 kWh för varje extra liter vatten som avfuktningssytemet måste ta hand om. (Stefan Håkansson, 2012) (J.Rogstam et al.,2014)

Förenklat kan sorptionsavfuktare beskrivas med följande steg:

1. Fukten i processluften tas upp av ett absorberande material i avfuktaren och den torra luften cirkulerar tillbaka.

2. Uppvärmd regluft tillförs för att tvinga fukten att evaporera från absorptionsmaterialet.

3.2 Snöns egenskaper och dess användningsområden

I Sverige produceras stora mängder konstsnö trots mångas bild av Sverige som ett vinterland.

Exempelvis använder de allra flesta skidanläggningar sig av konstgjord snö som grund för sina pister som resulterar i en förlängd säsong för skidåkning. Isskrap är väldigt likt konstsnö och fungerar utmärkt i skidspåren. Många kommuner erbjuder särskilda platser för deponi av snö för de som har stora mängder snö att göra sig av med, men eftersom natursnö inte är lika efterfrågat som konstsnö så fortsätter vinteranläggningarna att producera sin egen.

3.2.1 Konstsnö

Det finns många olika verktyg för att tillverka konstsnö, några exempel på detta inkluderar, fläktar, kanoner och lansar. En modern snökanon kräver ca 1,1 kWh/m³ för att framställa konstsnö och har kapaciteten att producera 20 m³/h men den genomsnittliga förbrukningen för en snökanon i Sverige är mellan 3,5 till 4,3 kWh vilket innebär stora kostnader i ett vintersportland som Sverige. Den

genomsnittliga årliga tillverkningen av konstsnö för en skidanläggning är ca 7 500 m³ vilket resulterar i ca 30 MWh årligen. Bristen på natursnö vissa år är endast en del i varför konstsnö produceras i så stor skala som den gör, konstsnö har egenskaper gör den fördelaktig att använda även de år det är gott om snö.

(M.Dahlberg, J.Rogstam, 2011)

Figur 4 Sorptionsavfuktare [8]

7

1. Snö tillverkad på konstgjord väg är uppbyggd av grövre korn än natursnö

2. Konstsnö skapas från vattendroppar vilket ger snökornen en rundare form än natursnö. Detta leder i sin tur till att konstsnö har en högre densitet än natursnö.

3. I ett skidspår motsvarar 10 cm konstsnö 40 cm natursnö hållfasthetsmässigt tack vare sin högre densitet. (SLAO, 2017)

3.2.2 Snölagring

Vatten har en stor termisk tröghet vilket är tydligt när man ser till den energi som förbrukas i en ishall.

För att kunna utnyttja snön efter att vinterkylan och natursnön smält bort behöver den isoleras på något sätt. Detta görs ofta genom att samla ihop snön i stora drivor eller i gropar och täcka den med

isolerande material.

Valet av täckmaterial styrs av hur stor andel av snön som tillåts avdunsta genom täcket. I Sverige används primärt isoleringsmaterial som tillåter för avdunstning och dessutom är nedbrytbart i naturen.

Vanliga exempel inkluderar sågspån och bark från skogsindustrin, problem uppstår när isoleringsmaterialet förfaller och de isolerande egenskaperna minskar.

Experiment har visat att ett 0,1 m tjockt täcke med träflis och ett 0,2 m täcke med sågspån resulterar i samma smältningshastighet, detta tros bero på att träflistäcket innehåller mer luft. En väl fungerande snölagringsanläggning resulterar i att så lite som 20 % av snön smält bort efter sommarmånaderna.

(Skogsberg, 2002).

3.2.3 Alternativa användningsområden för isskrap

Istället för att se isskrapet som ett problem som måste lösas kan det ses som en outnyttjad resurs. I ren värmeenergi innehåller 1 m³ isskrap 167 MJ och den sammalagda årliga mängden isskrap från Sveriges ishallar uppgår till 134 TJ motsvarande ca 37 GWh. Den energin går att använda istället för att smälta bort den till ingen nytta.(Linda Nohrstedt, 2010)(Ishotell, 2017).

3.2.3.1 Snökyla

Snökyla innebär att den termiska energin som finns lagrad i isskrapet används för värmeväxling i ett kylsystem. Ett uppmärksammat exempel på potentialen med snökyla finner vi i Sverige. Ett projekt pågår vid Sundsvalls sjukhus som sedan år 2000 använder snö för sina kylbehov. I praktiken handlar det om en jättelik värmeväxlare bestående av en grop där snö deponeras och täcks med isolerande

träflis(fig.5). Värme från sjukhuset smälter snön och smältvattnet pumpas genom ett filtersystem till värmeväxlaren. Tack vare träflisen räcker 70 000 m³ isskrap för att tillfredsställa sjukhuset behov av komfortkyla mellan april och september. Systemet levererade i genomsnitt 1000 MWh kyleffekt årligen de första fem åren anläggningen var i drift. Systemet använder sig i första hand av natursnö från stadens snöröjning men kompletterar snöfattiga år med konstsnö. 2005 användes tex 70% konstsnö till

Figur 5 Sundsvalls sjukhus [10]

8

anläggningen. Trots användandet av konstsnö beräknades sjukhuset år 2010 ha spara ca 333 MWh tack vare snökyla.(Robert Granström et al., 2010) (Snowpower, 2017)

3.2.3.2 Skidspår

Idag används konstsnö av de allra flesta skidanläggningar för att skapa en barriär mellan marken och natursnön. Detta görs eftersom konstsnö smälter långsammare och på så sätt kan säsongen förlängas.

Mängden snö som krävs för ett längdskidspår är starkt beroende av bredden på pistmaskinen. För ett väl fungerande skidspår krävs ett snödjup av minst 0,5 m och beroende på bredd och längd på spåret kan volymen beräknas enligt(2.2). Om vi tar Täby konstsnöspår som exempel så erbjuder dom 2,4 km skidspår med en bredd på fem meter vilket innebär att 6 000 m³ konstsnö behöver tillverkas, motsvarande 2,5 m³ per löpmeter eller 6 600 kWh för en modern snökanon och 21 000 kWh för en genomsnittlig snökanon. (M.Dahlberg, J.Rogstam, 2011)

𝑉 = 𝑙 ∙ 𝑏 ∙ ℎ (2.2)

I den finska staden Vuokatti anläggs årligen ett längdskidspår med snö lagrad med sågspån som sedan täcks med en presenning. Tack vare snödepåerna kan säsongen förlängas med upp till två månader.

3.2.3.3 Fjärrkyla

Följer samma princip som fjärrvärme, det vill säga en centraliserad produktion av komfortkyla som förmedlas ut till kund via fjärrkyleledningar. Kan idag använda så kallad frikyla där kallt vatten från djupa sjöar används för kylbehoven. Isskrap skulle vara en god källa till frikyla, enligt samma princip som sjukhuset i Sundsvall. Fjärrkyla möjliggör för kylrum och liknande utan behovet av enskilda små kylanläggningar med potentiellt farliga kemikalier och dyra investeringar. Störst potentiellt användningsområde ses dock för komfortkyla såsom luftkonditionering. Särskilt i länder med ett varmare klimat än Sverige finns stora vinster med att satsa på fjärrkyla. Kapaciteten hos fjärrkyleverken är idag inte tillräcklig för att tillgodose kraven som ställs av en ishall.

9

10

4 Genomförande

För att omsätta den teoretiska bakgrunden i praktik samlades data in och bearbetades. Nedan följer en sammanställning av de ingående aktiviteter som ligger till grund för resultatet.

4.1 Verktyg och modeller för vidareutveckling

Följande verktyg och modeller användes för att ta fram och bedöma koncepten.

4.1.1 Identifiera funktioner och tekniska lösningar

För att bestämma funktionerna som krävdes i den rekommenderade lösningen användes följande verktyg

FBS - Functional Breakdown Structure

Verktyg för att ta en idé från vad till hur. Strukturerad metod för att bryta ned den önskade slutgiltiga effekten av produkten till funktioner. Funktionsträdet ger en översiktbild av vilka funktioner som krävs för att uppfylla kundens önskemål och presenterar lösningar. Verktyget har sin utgångspunkt i frågan,

”Vad ska uppnås?” och slutar i svaret på frågan, ” Hur ska det uppfyllas?”.

Funktionsanalys

Identifierar vilken huvudfunktionen är, vilka funktioner som är nödvändiga för att uppfylla huvudfunktionen samt vilka ytterligare funktioner som anses önskvärda.

4.1.2 Pugh – beslutsmatris

Komparativ bedömning av koncept och dellösningar. Matrisen utgår ifrån en referens som övriga alternativt jämförs emot. Resultatet av en Pugh-matris är en indikation på hur ett alternativ presterar jämfört med ett annat och genererar inga numeriska värden. (appendix 4)(appendix 5)(appendix 6)

4.1.3 FMEA – Failure Modes and Effects Analysis

Verktyg för att förutse och förebygga möjliga problem. Problemen bedöms och poängsätts efter dess konsekvens, frekvens samt hur lätt problemet är att upptäcka enligt en förutbestämd skala. Dessa värden multipliceras för att belysa de mest allvarliga problemen.

Figur 6 FBS - Functional Breakdown Structure

11 4.1.4 Studiebesök och intervjuer

Studiebesök gjordes vid tre ishallar där driftspersonalen intervjuades. De två huvudsakliga sätten att ta hand om isskrap undersöktes på plats och frågor om handhavandet ställdes till driftspersonalen. Ett förutbestämt frågeformulär användes(appendix 3)

Anläggningarna som besökets valdes utifrån att täcka in olika:

• Storlek

• Typ av isskrapshantering

• Hur modern anläggningen är

4.2 Idegenerering

Målet med idegenereringen var att med hjälp av brainstorming sessioner och benchmarking skapa ett antal potentiella lösningar på frågeställningen för att sedan kunna identifiera dess styrkor och svagheter.

Utfördes i två steg. Fokus i första steget låg på att hitta så många olika lösningar som möjligt för att i nästa steg kunna bedöma vilka som bästa passar in i den specifika situationen som undersöks.

12

5 Resultat och analys

Efter att all nödvändig data tagits fram startade arbetet med att utröna vilken lösning som på bäst sätt uppfyller de krav som satts upp för projektet.

5.1 Funktioner

För att på ett effektivt sätt utveckla en produkt som uppfyller kundens önskemål är det viktigt att undersöka vilken funktionalitet som efterfrågas. Dessutom är det viktigt att försöka förutse vilka funktioner som kunden inte är medveten om att den vill ha. En viktig distinktion är också skillnaden mellan önskvärda funktioner och nödvändiga sådana. En funktionsanalys syfte är att bryta ned ett problem i funktioner för att klargöra vad som är en förutsättning för en produkts funktion och vad som ger mervärde för kunden. Funktionsanalysen resulterade i en tabell där relevanta funktioner

presenterades och klassificerades efter hur avgörande de är för konceptets funktionalitet (Tabell 2).

Funktionerna som klassificeras som nödvändiga i tabellen är inte tillräckliga för en bra produkt utan är strikt nödvändiga för att uppfylla huvudfunktionen.

Tabell 2 Funktionsanalys

Funktionsanalysen slog fast vad alla lösningar för isskrapshanteringen i ishallar måste ha gemensamt.

För att strukturera arbetet sammanfattades systemet i tre moduler för att svara mot de funktioner som önskas:

• Deponi – Avlastningsyta för isskrapet

• Förflyttning – Isskrapet förflyttas genom fasadväggen

• Förvaring – Uppsamlingskärl för isskrapet

Figur 7 visar hur dessa moduler principiellt skulle kunna samverka för att skapa huvudfunktionen i systemet.

13

De funktioner som identifierats som nödvändiga användes som grund för utvecklingen av en kravspecifikation som skulle fungera som stöd i det fortsatta utvecklingsarbetet.

Figur 7 Modulindelning

5.1.1 Funktionsspecifikation

Med utgångspunkt i funktionsanalysen togs en översiktsbild fram för hur dessa funktioner skulle kunna förverkligas (fig. 15) och en kravspecifikation togs fram.

Kapacitetskravet baserades på ett ”worst case scenario” där fyra omspolningar utförs inom loppet av en timme, motsvarande en volym av ca 4 m³ isskrap. Detta motsvarar en anläggning med två isbanor där ishockeymatcher spelas på båda simultant.

• Driftsäkerhet: Konstruerad av material som är väl lämpade för godset och inte bryts ned vid kontinuerlig drift.

• Säkerhet: Ej medför skaderisk för operatören. Konstruktionen skall inkludera adekvata skydd i form av kåpor och fixturer.

• Styrdon: Operation skall kunna initieras av användaren

• Underhåll: Konstruktionen skall möjliggöra för underhåll

• Kapacitet: Minsta volymflöde 4 m³/h

Utöver dessa krav så lyftes även aspekter för skapande av mervärde fram

• Resursförbrukning: Bör förbruka så lite resurser som möjligt.

• Platsbesparande: Bör ta upp så liten yta som möjligt, särskilt viktigt inomhus.

• Uppgraderbar: Lösningen bör kunna tillämpas oberoende av storlek på anläggning och kunna byggas ut vid behov.

14

5.2 Konceptförslag

För att uppfylla de identifierade funktionsbehoven och kravspecifikationerna undersöktes ett antal koncept närmare. Följande koncept togs fram under ide genereringen.

5.2.1 Förflyttning

Bandtransportör

Används ofta för transport av komponenter och sammansatta konstruktioner. Användningsområdet är stort då bandprincipen kan kombineras med ett stort antal material för själva bandet med varierande egenskaper. Används flitigt i industriella tillämpningar med autonoma arbetsmoment. Släta band fungerar bäst i horisontella lösningar då framdrivning förlitar sig på att friktionen mellan gods och transportband är tillräcklig för att motverka glidning.

Skruvtransportör

Principen bakom en skruvtransportör bygger på Arkimedes skruv och används oftast för transport kortare sträckor (<10 m) av bulkgods, dvs. material utan emballage. En vanlig tillämpning för denna transportlösning återfinns inom lantbruket där skruvtransportörer ofta används för förflyttning av exempelvis spannmål. För klibbiga och viskösa material fungerar en axellös transportör bäst eftersom

Figur 8 Transportband

Figur 9 Spiraltransportör

15

Dessutom kan en större variation på storleken av gods hanteras jämfört med en traditionell

skruvtransportör eftersom avsaknaden av en axel gör att hela kanalen teoretiskt kan fyllas med gods, förutsatt att godset håller ihop och inte faller genom håligheten i mitten av spiralen. Denna typ av förflyttningsmetod används i Zambonis ismaskiner idag för uppsamling av isskrap från isbanan. En axellös spiraltransportör har oftast en fästpunkt vid motorn och vilar på ett foder som minskar friktionen mellan spiralen och kanalen. För ökad stabilitet kan båda ändarna stabiliseras med fästplattor på båda sidorna. En nackdel med spiraltrasportören är att kapaciteten minskar, när vinkeln mot horisontalplanet ökar. (KWS, 2017)

Pumpar

En pump flyttar gods genom att skapa tryckskillnad på endera sida av godset, ofta en fluid i en sluten transportkanalen vilket tvingar godset till förflyttning. Traditionellt tillämpas pumpar till vätskor och gaser och ofta i slutna system såsom smörjsystem men med så kallade sugpumpar kan även heterogent gods pumpas. En fördel med att använda en pumplösning är friheten kring rör eller slangdragning. Om en slang används kan lösningen dessutom bli väldigt kompakt om den rullas upp efter användning.

(Pumpportalen, 2017)

5.2.2 Förvaring

För att kunna återanvända isskrapet så måste smältning förhindras. Den enskilt största anledningen till att isskrapet smälter är värmestrålning från direkt solljus. Smältning uppstår när den omgivande miljön håller en högre temperatur och energin tillåts flöda fritt däremellan. För att motverka smältning måste termisk jämvikt uppnås med så små förluster som möjligt eller energiflödet stoppas. Detta uppnås enklast genom att tilläggsisolera runt isskrapet och därmed minimera värmeöverföring genom det skyddande höljet. Ett annat alternativ vore att sänka ned förvaringen i marken för att använda jordmassan som isolator.

Figur 10 Centrifugalpump

16

5.2.3 Uppbrytning av gods

Isskrapet är packad när det dumpas från ismaskinen. För att inte behöva transportera en 500 kg solid isskrapsklump så bör godset fördelas upp i mindre bitar. En av de enklaste lösningarna vore att låta godset passera ett mesh(fig.11) där fallhöjden från ismaskinen agerar drivkraft. En annan lösning vore att använda mekanisk omrörare eller vibrationer i samband med deponin för att bryta bindningarna

mellan iskornen. En spiral med tänder(fig.12) skulle kunna inkorporeras innan inloppet till transportören för att riva sönder godset.

5.3 Gallring

Idégenereringsfasen sammanfattades i ett funktionsträd(fig.13) där den huvudsakliga funktionen med konceptet med dess subfunktioner presenteras. Under dessa ser vi olika potentiella lösningar för hur dessa funktioner kan realiseras. I gallringsfasen utvärderas de olika lösningarna ytligt och med hjälp av generaliseringar kring tekniken som föreslogs. Målet var att på ett effektivt sätt identifiera de lösningar som har störst potential och motiverade fortsatt utveckling.

5.3.1 Förflyttning

För att bedöma den bäst lämpade lösningen för transport användes Pugh matriser för att jämföra deras prestanda inom följande områden:

Figur 13 Funktionsträd

Figur 11 Binge med mesh Figur 12 Betandad spiral

17

• Underhåll: Hur mycket underhåll krävs?

Samtliga lösningar ansågs ställa låga krav på underhåll men en lösning med transportband innehåller fler komponenter än de andra två och anses därför kräva mer tillsyn.

• Energiåtgång: Hur mycket energi förbrukas?

En bandtransportör är som mest energieffektiv i horisontella lösningar men kraftbehovet ökar snabbt när godset skall flyttas vertikalt. En axellös spiraltransportör påverkas inte lika mycket av den stigande vinkeln energimässigt, däremot så minskar kapaciteten då fyllnadsgraden i fåran minskar med vinkeln.

Pumplösning ansågs sämre ur ett energisynsätt då denna lösning kräver att viskositeten i godset ökas med någon form av förbehandling och därmed krävde tillskott av energi innan själva förflyttningen påbörjats.

• Initialkostnader: Hur stora uppskattas kostnaderna för installation vara?

Spiraltransport ansågs kräva minsta initiala investering då bandtransportören bestod av fler komponenter och pumpen kräver förbehandling av godset.

• Kapacitet: Hur stort volymflöde kan uppnås?

Alla tre koncept kan uppnå det specificerade volymflödet.

Sammantaget ansågs en axellös spiraltransportör vara bäst lämpad i denna tillämpning. (appendix 4)

5.3.2 Förvaring

Förvaringen förväntas huvudsakligen motverka uppbyggnaden av isskrapsvallar på gårdsplanen utanför ishallen genom att samla all isskrap på en plats som lätt kan förflyttas. En Pugh matris användes för att jämföra tre olika containerlösningar.

De parametrar som jämfördes var:

• Kostnad – Hur mycket kostar produkten?

Den oisolerade lösningen är den minst kostsamma om man enbart ser till inköp

• Mobilitet – Hur lätt är det att flytta på produkten?

En nedsänkt container håller kylan bättre tack vare isoleringen från den omgivande jordmassan men det innebär också att det blir den minst mobila lösningen.

• Platsbesparing – Tar produkten mindre plats än de övriga?

Minst plats tar den nedsänkta containern.

En önskvärd funktion anses vara en isolerad förvaring som möjliggör för längre lagringstid och

transporter av isskrapet men eftersom det inte är det primära målet för projektet så tas ingen hänsyn till detta i gallringen. Den sammantaget bästa lösningen anses vara en oisolerad fraktcontainer.

(appendix 5)

18

5.3.3 Deponi

För att säkerställa att transportören kan förflytta godset så behöver isskrapet vara fördelat i mindre bitar. Tre lösningar för finfördelning av isskrapet jämfördes i en Pugh matris. En vibrationslösning som skakar isär godset, en mekanisk omrörare som river sönder is kockor och ett mesh som använder gravitationen som drivkraft för att tvinga igenom isskrapet. De parametrar som jämfördes var:

• Kostnad – Hur mycket kostar lösningen?

Ett mesh bestående av exempelvis armeringsjärn är den billigaste av de föreslagna lösningarna, vibrationen anses vara den dyraste

• Energiåtgång – Hur stor energiförbrukning innebär tekniken?

Mesh är en passiv lösning och kräver ingen tillförd energi, vibratorn förväntas kräva längre drift för att ge samma resultat som den mekaniska omrörningen vilket gör den minst energieffektiv.

• Separation – Hur finfördelat blir godset?

En vibrator ansågs fördela godset finast medans mesh ger det grövsta resultatet.

Om så skulle behövas kan alla tre kombineras för att säkerställa finfördelningen. Tack vare att den inte kräver någon tillförd energi och förväntas fördela godset tillräckligt anses ett mesh vara den bästa lösningen för finfördelning. (appendix 6)

5.4 Failure Mode & Effect Analysis – FMEA

En FMEA utfördes på en spiraltransportör med mesh och en oisolerad container. FMEA-analysen visade att de största potentiella problemen som kan uppstå vid användande alla kunde avhjälpas med

rutinmässigt underhåll och klara intervall för när dessa ska utföras.

Bristande arbets- och underhållsrutiner kan leda till begränsad prestanda och förkortad livslängd för systemet. Ett potentiellt problem som kom fram i analysen var att isskrapet kan klumpa ihop sig och lägga sig ovanpå transportspiralen. För att säkerställa att finfördelningens funktion bedömdes empiriska tester krävas(appendix 8).

5.5 Dimensionering och vidareutveckling

Systemets driftskostnad kartlades för att kunna uppskatta dess prestanda i förhållande till kostnaden att driva systemet. För att kunna uppskatta en kostnad och säkerställa att konceptet går att tillämpa i praktiken så används endast standardkomponenter som fanns lätt tillgängliga hos svenska

återförsäljare. Hållfastheten i komponenterna har ej tagits i beaktning då detta ansågs behöva studeras empiriskt. Mått återfinns i appendix 9.

19 5.5.1 Förutsättningar och dimensionering

Komponentvalet utgår ifrån det förutbestämda volymflödet och ämnar resultera i så låg energiförbrukning som möjligt. För att dimensionera komponenterna antogs följande:

Antaganden inför beräkningar:

• Transportörlängd: 5 meter

• Transportvinkel: 45⁰

• Spiralbredd: 0,1 m

• Volymflöde: 4 m³/h

• Densitet: 500 kg/m³

• Materialspecifik tröghetskoefficient(Progress resistance coefficient): 1,2 Spiralen:

Utgångsläget vid dimensionering av spiraltransportörer är att stigningen är densamma som diametern på spiralen, det är en bra lösning för de allra flesta fall (fig. 14). Genom att använda dimensioner tagna från faktiska produkter ökar tillgängligheten av komponenter samtidigt som dimensionerna med största sannolikhet är beprövade.(Martinsprocket, 2017)

Figur 14 Spiraldimensionering[22]

Val av motor:

En elmotor har till uppgift att omsätta el till mekanisk energi och det finns i huvudsak två olika typer av elmotor att välja på, Växelsström- och likströmsmotorer.

Likströmsmotorn är den vanligaste typen av elmotor och finns i alla typer av tillämpningar. DC-motorns stora fördel ligger i möjligheterna att styra varvtal samt att den går att driva med likström. DC-motorer har traditionellt haft en sämre verkningsgrad jämte AC-motorer men med moderna borstlösa BLDC- motorer har effektiviteten ökats, vikten minskats, vridmomentet ökats samtidigt som driftsäkerheten ökat.

En AC-motor används oftast med trefasig växelström men kan i vissa fall även hantera enfasig växelström vilket resulterar i en mindre jämn gång. Asynkronmotorer används flitigt i industriella tillämpningar och anses vara därför vara en mycket driftsäker motor som samtidigt är energieffektiv.

Ingen motortyp är bättre än den andra i allt men asynkronmotorns driftsäkerhet och effektivitet väger över till dess fördel.

20

En modern asynkronmotor har en mycket hög verkningsgrad, särskilt när den jämförs med

förbränningsmotorer. Enligt energimyndigheten har en elmotor en verkningsgrad över 80 %. I de flesta industriella tillämpningar används asynkronmotorer, tack vare dess uppbyggnad med induktionsdrift och generellt robusta utformning är motortypen i stort sett underhållsfri. Motoreffekten beräknades enligt (5.3) och sedan bestämdes nödvändigt varvtal utifrån volymflödet enligt (5.4). Med varvtal och motoreffekten bestämdes vridmomentet enligt (5.5).(Woodcock et al, 1987)(Appendix 2)(appendix 11)

𝑃 =

367

+

20

(5.3)

𝑛 =

𝑄 𝑉𝑣𝑎𝑟𝑣

60

(5.4)

𝑀 =

𝜔

(5.5)

Varvtal:

En asynkronmotor har ett synkront varvtal som bestäms enligt (5.7) där det varvtalet är beroende av frekvens och antalet poler. Polantalet är fast för en asynkronmotor med frekvensen kan ställas med en frekvensomriktare. När en asynkronmotor belastas uppstår ett fenomen som kallas för eftersläpning vilket får varvtalet att sjunka något från det synkrona varvtalet i (5.7). För att bestämma det faktiska varvtalet från motorn måste eftersläpningen tas i beaktning enligt (5.8). För att bestämma varvtalet som krävs för att uppfylla volymflödeskraven så bestämdes hur stor volym isskrap som förflyttas för varje helt varv spiralen roterar. Volymen som förflyttas med varje rotation beräknades enligt (5.6). Den högsta tillåtna rotationshastigheten för en spiraltransportör är beroende på spiraldiametern och

fyllnadsgraden. Generellt kan sägas att hastigheten kan höjas ju mindre spiralens diameter är och ju större fyllnadsgrad ett system har. Eftersom systemet inte ställer några högra krav på timing i driften så har en planremsdrift valts.(Drivteknik, 2017)(S.Friberg, 2014)

𝑉

=

4

(5.6) 𝑛

= 120

𝑝

(5.7) 𝑛 = 𝑛

(1 − 𝑠) (5.8)

En standardiserad ISO-container antas som lösning för förvaring av isskrapet. Standardhöjden för en sådan är 2,591 m, detta innebär att godset måste transporteras till en höjd av ca 3 meter. Prestandan hos en förvaringslösning kan bedömas genom att beräkna värmeeffekten som rör sig genom det yttre höljet enligt (5.1). Smälttiden kan sedan beräknas idealiserat enligt (2.1) och (5.2).(appendix 10)

𝑃 =

𝛿

∙ 𝐴(𝑡

− 𝑡

)

𝑡 =

𝑃 (5.2)

Deponibinge:

Bingen som isskrapet ska dumpas i måste vara tillräckligt kraftigt byggd och ha tillräcklig volym för att kunna hantera 1 m³ isskrap. En ismaskin är drygt 2 meter bred vilket betyder att bingen måste vara minst lika bred. Sidoväggarna vinklas in mot spiralen för att inte dödzoner ska uppstå. Dumpningshöjden från isskrapstankens utlopp varierar beroende på tillverkare och modell av ismaskin, för att säkerställa att konceptet fungerar oberoende av anläggningens val av ismaskin så har en höjd valts som är lägre än den lägsta dumpningshöjden hos tillgängliga maskiner.

21

5.5.2 Driftskostnad

Effekten hos motorn beräknas enligt (5.3) med en verkningsgrad på 80 % till ca 125 w. Vridmomentet beräknas enligt (5.4) till 17 Nm utifrån effektbehovet och det önskade varvtalet till 71 varv/min enligt (5.4), (5.7) och (5.8) med en eftersläpning av 5 %. För beräkning av elförbrukning används (5.9) där 1 Wh motsvarar 3600 J.

Driftskostnaden beräknas med ett önskat volymflöde av 4 m³/h, totalt fyra omspolningar per timma.

Detta volymflöde väljs för att representera det mest extrema fallet som systemet kan utsättas för. En genomsnittlig ishall tillhandahåller is under 3300 timmar årligen vilket innebär att 6600 ton, eller 13200 m³ isskrap måste hanteras av transportsystemet. Med den beräknade effekten kan energiåtgången beräknas enligt (5.8) till ca 413 kWh per säsong. (Stoppsladd, 2017)

𝐸 = 𝑃 ∙ 𝑡 (5.9)

Då volymflödet som valts för dimensioneringen av systemet inte är det normala, sett till hela säsongen så används den genomsnittliga vattenförbrukningen för isproduktion vid jämförandet. Den

genomsnittliga ishallen förbrukar ca 1 000 m³ vatten vid omspolning av en isbana, motsvarande 2 000 m³ isskrap. (Stoppsladd, 2017)

Jämfört med en smältgrop:

För att kunna göra en jämförelse mellan energiförbrukningen hos en smältgrop och det föreslagna konceptet så måste vi se till hur mycket energi som behövs för att smälta den specificerade mängden isskrap. Den energi som smältgropen använder för smältprocessen behövs ej med det föreslagna konceptet. Det innebär en frigöring av 167 MJ för varje kubikmeter isskrap som ska hanteras. I genomsnitt använder en ishall 1 000 m³ till isproduktion under en säsong. Mängden vatten motsvarar 2000 m³ isskrap som har ett energivärde av 334 000 MJ. Den energin motsvarar en förbrukning av ca 93 MWh årligen. När samma mängd isskrap hanteras av spiraltransportören uppgår förbrukningen till 62,5 kWh för hela säsongen.

Jämfört med utomhusdeponi:

Ur ett energiperspektiv så är det föreslagna konceptet en förbättring då ishallens atmosfär förblir sluten i och med att porten inte behöver öppnas vid dumpning. Precis i slutet och i början av säsongen får utomhusdeponi som störst effekt på energiåtgången då temperatur-, och därmed också fuktdifferensen är som störst. Förbrukningen beräknas enligt den genomsnittliga vattenförbrukningen och antagandet att varje utkörning deponerar 1 m³. Under de två varmaste månaderna av säsongen belastas

avfuktningsanläggningen med ca 23 000 liter vatten som måste föras ut ur ishallen för att inte riskera daggbildning, dimma och mögel. Denna volym motsvarar ca 45 MWh i ökad energiförbrukning som ej uppstår vid implementering av det föreslagna konceptet.

22

5.6 Slutgiltigt koncept

Efter gallring och specificering av konceptet visualiseras detta i en översiktsbild (fig. 15). Figuren visar de ingående komponenterna inklusive en 38 m³ stor container för förvaring.

Figur 15 Systemöversikt

Vid utloppet av transportören har systemet försetts med en gummerad kjol för att styra isskrapet och samtidigt bibehålla ett slutet, välisolerat system. En U-kanal valdes för att enkelt kunna inkorporera serviceluckor på den platta ovansidan. Spiralens första del försågs med tänder för att säkerställa att isskrapet bryts upp och inte klumpar sig.

Figur 16 Sidovy spiraltransportör

Tack vare sin driftsäkerhet och låga krav på underhåll har en asynkronmotor valts för konceptet. Genom att justera varvtalet som motorn levererar så undviks behov för en extra växellåda vilket minskar

23

kostnaderna väsentligt. För att nå varvtalet 71 varv/minut så valdes en åttapolig motor med en frekvensomriktare ställd på 5 Hz. Motorns effekt beräknades till 125 W och tillsammans med varvtalet resulterar detta i ett vridmoment av 17 Nm.

Valet av en axellös spiral tillsammans med ett styvt material innebar att hela spirallängden var tvungen att göras rak(fig.15). Detta tack vare att spiralen endast har infästningspunkter i ena änden och

avsaknaden av axel omöjliggör upphängning längs med spiralen. Spiralen vilar på ett foder av

lågfriktionsmaterial och har viss rörlighet i höjdled för att undvika att den kilas fast om gods skulle fastna i kanalen. Fastkilning motverkas även av det 40 mm stora hålet i mitten av spiralen som tillåter ett visst genomsläpp(fig.18).

Figur 18 Genomskärning spiral Figur 17 Asynkronmotor [26]

24

6 Diskussion och slutsats

Datainsamling:

Den föreslagna lösningen i detta arbete är baserat på den data som finns tillgänglig våren 2017 och till stor del på data insamlad i projektet stoppsladd, ett flerårigt samarbete mellan svenska

ishockeyförbundet, företag och branschorganisationer. Genom data insamlad i projektet kunde genomsnittliga värden för Sveriges ishallar tas fram, dessa värdens tillförlitlighet kan dock ifrågasättas då mätmetoder inte varit konsekventa vid alla anläggningar.

Det är svårt att dra allmängiltiga, kvantifierbara slutsatser kring energiförbrukningen i ishallar då förutsättningarna varierar mycket mellan anläggningar. Med de data som detta arbete tagit del av som grund är det svårt att kategoriskt säga att den föreslagna lösningen är mer energieffektiv än de

etablerade lösningarna. Jämförelsen skulle behöva göras med mer tillförlitligt statistiskt underlag.

För jämförelser med smältgropar så används energin som krävs för att smälta isskrapet för att bestämma energiförbrukningen. Detta förutsätter att energin som kommer från varma delen av

kylsystemet kan användas till något nyttigt, istället för att som idag värmeväxlas ut ur anläggningen. Inga tillförlitliga uppgifter finns på hur mycket extra energi som tillsätts i smältgropar för att påskynda

smältprocessen vilket skulle vara en mer rättvis jämförelse. Det är dock anmärkningsvärt att så stor del av den totala energiförbrukningen går åt till uppvärmning när det finns så stor besparing att göra genom att återvinna värmen från kylsystemet.

Koncept:

Det finns fler metoder att transportera isskrap än de som presenteras i detta arbete men av de

undersökta alternativen ansågs spiraltransportören prestera bäst utifrån satta mål. Spiraltransportören har till sin fördel att den är enkel att försluta, något som är en förutsättning för att behålla kylan.

Nackdelar kan vara friktionen som uppstår mot fodret i kanel leder till värmeutveckling som smälter isskrapet.

En av de största förtjänsterna med att använda en container för isskrapet är det faktum att allt isskrap samlas på en plats och inte tillåt sprida sig över parkeringar och gårdsplaner. Eftersom isskrapet är så energitätt så smälter det undan långsamt vilket gör att isskrapsvallarna byggs på under säsongen. Detta kan ibland bli ett logistiskt problem för personal och besökare när vallarna tar upp allt för stor plats.

Nyttan av att använda en asynkronmotor kan ifrågasättas då det naturliga varvtalet är högt i förhållande till volymflödet. Den högra driftsäkerheten anses dock väga tyngre än att perfekt matcha varvtalet med önskat volymflöde. Avvikelsen av 9 varv per minut anses tillräckligt bra för att inte kräva åtgärd.

Slutsats:

Arbetets mål var att utveckla ett mer energieffektivt sätt att hantera den isskrap som blir resultatet av omspolning av isbanor. Konceptet uppfyller funktionaliteten hos de etablerade lösningarna och åtgärdar de identifierade svagheterna hos desamma. Den föreslagna lösningen anses uppnått målen satta i projektet.

6.1 Rekommendationer

Potentialen hos energieffektivisering av ishallar har under arbetets gång bekräftats och fortsatt utveckling är välmotiverad. Resultatet av detta arbete bör ses som en förstudie. För att tillämpa

kunskapen i detta arbete föreslås att verifiering sker i samarbete med en sportanläggning där lösningen kan anpassas efter deras specifika behov. Det har utförts studier där värmen från ishallar används till något nyttigt exempelvis för att värma badhus. I ett sådant system behövs all överskottsvärme i kylsystemet för att värma övriga delar av anläggningen.

25

Det finns ett behov för mer mätdata gällande energiförbrukningen som skulle kunna motiveras genom ett projekt i samarbete med den utvalda ishallen. FMEA-analysen belyste potentiella problem med finfördelningen av godset, ett problem som bör undersökas empiriskt för att säkerställa tillräcklig funktion hos mesh- och tandkombinationen.

Ett möjligt problem som fanns i FMEA-analysen kan vara att isskrapet i containern byggs upp på höjden och kräver handpåläggning för att kunna utnyttja containerns fulla kapacitet. Något som bör undersökas vidare.

Alternativa lösningar för drivning bör undersökas för att se om det finns det fördelar med att använda olika typer av växlar för att anpassa varvtalet eller om det finns anledning att använda DC-motorer.

Investeringskostnader bör tas fram och jämföras för de olika lösningarna för att skapa incitament för ishallarna att byta till ett mer energieffektivt system.

26

27

(1) Skogsberg, K., 2002.

Träspån som termisk isolering på snö. En studie vid Polarbageriet, Älvsbyn, Sverige.

(2) Jörgen Rogstam & Mattias Dahlberg, 2011.

Energianvändning vid snötillverkning. En utredning av mobila snökanoners energianvändning vid svenska skidanläggningar.

(3) SLAO, 2017

Svenska liftanläggningars organisation, http://slao.se/fakta/om-snolaggning/ Hämtad:2017-04-10 (4) Stefan Person, 2016

LTZ Mittmedia, http://www.ltz.se/skidsport/langdskidor/lagrad-sno-och-battre-kanoner-ska-ge-tidigare-langdsasong Hämtad: 2017- 04-10

(5) Linda Nohrstedt , 2010

Här byggs världens största snökoja, http://www.nyteknik.se/bygg/har-byggs-varldens-storsta-snokoja-6423558 Hämtad: 2017-04-18 (6) Svenska Ishockeyförbundet, 2014

Bygga ishall – En faktabok för byggnation av ishallar (7) Stefan Håkansson, 2012

Svenska ishockeyförbundet - Energieffektivitet i ishallar (8) Fuktkontroll.se, 2015

Sorptionsavfuktare, http://fuktkontroll.se/produkter/sorptionsavfuktare Hämtad: 2017-04-18 (9) J. Rogstam, W. Mazzotti, 2014

ICE RINK AIR INFILTRATION AND DEHUMIDIFICATION PERFORMANCE INDICATION (10) Snowpower, 2017

Sundsvalls kylanläggning, http://www.snowpower.se/sundsvalls-kylanlaggning.asp Hämtad: 2017-04-20 (11) Pressinformation Ishotellet, 2017

Ishotellet i Jukkasjärvi, http://www.icehotel.com/wp-content/uploads/press-information-icehotel-2017-sve.pdf Hämtad: 2017-04-20 (12) Robert Granström, Truls Langendahl, Björn Olsson, 2010

Snökyla – Kyla är dyrt, snö är gratis (13) Mikael Bergman, 2013

Konstgjord snö och dess mekaniska egenskaper (14) IIHF, 2017

Ice rink guide (15) Nina Litzén, 2016

Properties of snow with applications related to climate change and skiing (16) Jörgen Rogstam, 2013

Små isbanor (17) ORFA, 1991

Refrigeration and Ice Making (18) Roni Kaya, 2015

Energy usage in ice rink resurfacing (19) Jörgen Rogstam, 2017

Intervjuer

(20) Knowledge workmanship solutions, 2017

http://www.kwsmfg.com/products/screw-conveyors.htm Hämtad: 2017-04-10 (21) Martin Sprocket, 2017

http://www.martinsprocket.com/docs/default-source/material-handling---screw-conveyor-catalog/screw-conveyor- components.pdf?sfvrsn=2 Hämtad: 2017-05-11

(22) Sidovy skruvtransportör, 2017

http://www.gheng.co.uk/segments-flights/ Hämtad: 2017-05-16

(23) Sten-Göran Friberg, 2014

http://www.habasitblog.com/sv/habatec-kunskapscenter/skillnaden-mellan-planremsdrift-och-kilremsdrift Hämtad: 2017-05-18

(24) Drivteknik.nu, 2017

http://www.drivteknik.nu/skolan/motor Hämtad: 2017-05-18 (25) Karlebo, 1936

Karlebo verkstadshandbok (26) Wikipedia commons, 2017

Asynkronmotor https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c1/Asynch-motor-1.png/320px-Asynch-motor-1.png Hämtad: 2017-05-19

(27) Jörgen Rogstam, 2017 Privat bild

(28) http://www.pumpportalen.se/berakning/berakning-pumpar/driveffekt/

(29) http://www.pumpportalen.se/pumphandboken/rotordynamiska-pumpars-grunder/

(30) C.R Woodcock, J.S Mason, 1987

Bulk Solids Handeling – An Introduction to the Practice and Technology

28

Uträkningen baserad på tryckfördelningen över en öppning på grund av temperaturskillnader och vindstyrka(se figur 1).

Antaganden:

• Volymen varm luft som flödar in i ishallen är lika stor som volymen kall luft.

• Mättnadsgraden av vatten skiljer sig på de olika sidorna.

• Uträckningarna utgår ifrån konstant temperatur och luftfuktighet

• Uträkningarna använder sig av vattenmassorna vid RF=100

• Vindhastigheten antas vara 3 m/s

• Porten antas vara 3*4 m dvs 12 m² stor

• Luftdensitet 1,2 kg/m³ (http://energy.extweb.sp.se/ffi/fukt.asp)

• Energiåtgången beräknas 2 kWh/liter vatten

𝑉 = 𝑉̇ ∙ 𝜌_{𝑙𝑢𝑓𝑡}∙ ∆𝑚_{𝑓𝑢𝑘𝑡} 1.1 𝑉̇ = 𝑣 ∙^𝐴₂∙ 𝑡 1.2

Hur länge står porten öppen?

Vid varje tömning antas porten stå öppen 3 minuter. Porten antas öppnas 9 gånger om dagen under den två varmaste månaderna, ungefär 60 dagar. Detta baseras på den genomsnittliga vattenförbrukningen

29

1 000 m³ per år och 230 driftsdagar per år. Detta resulterar i t=1 620 sekunder öppen tid för porten per dag.

Hur mycket vatten måste plockas bort från varje kubikmeter fuktig luft som tar sig in?

Vi antar utetemperatur av 20 ⁰C och en temperatur inomhus av 4 ⁰C. Avläsning i tabell 1 ger att differensen i fukt mellan temperaturer kan beräknas med:

∆𝑚_{𝑓𝑢𝑘𝑡}[𝑔] = 𝑚₂₀− 𝑚₄= 17,3 − 6,4 = 10,9

Volym luft som tar sig in vid varje dag beräknas enligt (1.2) till:

𝑉[𝑚³] = 3 ∙12

2 ∙ 1620 = 29 160 Detta motsvarar 1 749 600 m³ under de 60 varmaste dagar.

Med flödet uträknat kan vi bestämma mängden fukt som måste hanteras av avfuktaren enligt (1.1):

𝑉 = 1749600 ∙ 1,2 ∙ 10,9

1000= 22884,768 Energiförbrukningen beräknas till:

𝐸[𝑘𝑊ℎ] = 𝑉 ∙ 2 = 22884,768 ∙ 2 = 𝟒𝟓𝟕𝟕𝟎

30

Q[t/h]=2 V[m³/h]=4

𝜆 = 1,2(chipped ice, se appendix 11) L[m]=5

H[m]=3 D[m]=0,2 R[m]=0,11

Verkningsgrad elmotor: 80 % Ekvationer:

𝑃 =^{(𝑄(𝜆⋅𝐿+𝐻)}

367 +^𝐷⋅𝐿

20 1.1

𝑉_{𝑣𝑎𝑟𝑣} =^𝑏∙𝑟2

4 1.2

𝑏 = ^𝑣1

360∙ 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑟 1.3 𝑣₂= 𝑆𝑖𝑛⁻¹(^ℎ_𝑟) 1.4

𝑛 =

𝑄 𝑉𝑣𝑎𝑟𝑣

60 1.5

𝑀 = ^𝑃

𝜔 1.6

𝑛_𝑠= 120^𝑓

𝑝 1.7

𝑛 = 𝑛_𝑠(1 − 𝑠) 1.8

Effekten bestämdes för att uppnå önskat flödeshastighet enligt (1.1) till:

𝑃[𝑘𝑊] =(2(1,2 ⋅ 5 + 3)

367 +0,2 ⋅ 5

20 = 0,0990463215

När verkningsgraden tas med i beräkningen blir detta:

31

𝜂= 0,1238079019~𝟎, 𝟏𝟐

För att bestämma varvtalet beräknades volymen isskrap som transporterades per rotationsvarv av spiralen enligt (1.2). Volymen beräknades genom att bestämma cirkelsegmentet för den bestämda spiralradien enligt (fig 1). Det grönmarkerade området motsvarar den area som förflyttar isskrap.

Cirkelbågen beräknas enligt (1.3) där v bestäms med (1.4).

𝑣2= 𝑆𝑖𝑛⁻¹(0,01

0,11⁾= 5,2159~5,22 𝑣1= 180 − 𝑣2= 174,78 𝑏 =174,78

360 ∙ 2 ∙ 𝜋 ∙ 0,11 = 0,3356

Eftersom transportören är vinklad 45⁰ så multipliceras cirkelsegmentet(A) med radien(r) och delas med 2 för att bestämma volymen.

𝑉_{𝑣𝑎𝑟𝑣} =0,3356 ∙ 0,11²

4 = 0,001015

Varvtalet bestämdes enligt (1.5) till:

32

4 0,001015

60 = 65,6782~66 Vridmomentet beräknades enligt (1.6) till:

𝑀 =9550 ∙ 0,12

66 = 17,363636~17

För att bestämma utväxlingen som krävs användes (1.7) för att reglera ner varvtalet för en asynkronmotor med hjälp av frekvensomriktning och (1.8) kompenserar för eftersläpning:

𝑛_𝑠 = 1205 8= 75

𝑛 = 75(1 − 0,05) = 𝟕𝟏, 𝟐𝟓 Momentet blir då 16 Nm