| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Udvikling af nye generationer fyldestationer, der muliggør påfyldning af CO₂ i automobil- og køleindustrien

8 Teknisk beskrivelse, Fyldestation

• 8.1 Konceptanalyse
• 8.2 Scope of delivery
• 8.3 Fieldtest LS station

8.1 Konceptanalyse

Løsningsforslag

Resultaterne af foranalysen og de indledende forsøg viser, at fyldningspecifikationerne ikke kan opfyldes ved:

Fyldning fra gasfase eller

Fyldning direkte fra flaske fra overkritisk tilstand eller fra væskefase (0-30°C).

Der kan således kun vælges mellem tre overordnede fyldningsstrategier:
Selvdrevet væskeudløb fra lavtemperatur, f.eks. –35°C (gæt!!!), hvorved flashgasmængden reduceres.
Pumpning fra CO₂-væsketilstand til A/C-unit.

Etablering af overkritisk tilstand mellem flaske og A/C-unit vha. af kompressor og gaskøler.

Fyldning med væske
De to førstnævnte principper kræver en beholder (enten selve flasken eller en afspændingsbeholder) med fastpåtrykte forhold, så der opnås uafhængighed af variationer i omgivelserne. Principperne 1 og 2 er sammenfattet i figur 5.

(Figur ikke vist af konkurrencemæssige hensyn)

Figur 5: Principskitse (ikke komplet bestykning): Fyldning ved pumpning af væske til A/C-unit

I figur 5 er en løsning med afspændingsbeholder (CO₂-receiver) vist, hvor væske og gas er i ligevægt ved et fastspecificeret tryk (f.eks. 40 bar eller fast dP i forhold til omgivelsestemperaturen), der opretholdes af det eksterne R134a-anlæg. I princippet kan det konstante tryk også etableres i CO₂-flasken ved at anvende to udvendige kølespiraler. Den eksterne receiver giver dog større fleksibilitet, da flasker ved omskiftning således ikke først skal nedkøles. Endvidere opnås ved den eksterne receiver en uafhængig kobling til CO₂-forsyningen, og løsningen kan således anvendes ved en fremtidig on-line løsning.

CO₂-flasken tilsluttes via dykrør og en aktuatorventil til CO₂-receiveren. Niveauet i receiveren styres af niveauføleren Lc, som åbner aktuatorventilen ved faldende væskeniveau i receiveren. Væske eller overkritisk CO₂ ekspanderer fra flasken ned til beholderen, hvor flashgassen kondenserer på kølespiralen. Fra beholderen pumpes CO₂ til fyldehovedet gennem en massestrømsmåler, som styrer pumpen og ventilen før fyldehovedet.

I pumpeledning er en akkumulator monteret, som optager tryksvingninger i systemet ved åbning af ventilen, når fyldeprocessen startes, og sikrer en stabil strømning til A/C-unitten gennem resten af fyldeprocessen.

Når CO₂-flasken er næsten tom, bliver drivtrykket lille i forhold til receiveren, og niveauet i receiveren falder. Ved det lave niveau Le skiftes mellem de to CO₂-flasker, og en indikator kan aktiveres.

Ved længere tids strømløs tilstand kan trykket i fyldeaggregatet holdes under f.eks. 50 bar ved langsom afblæsning gennem sikkerhedsventilen på CO₂-receiveren.

Ved løsning 1 kan pumpen elimineres, men i praksis er løsningen mindre egnet, da en gasfri væsketilførsel til massestrømsmåleren er yderst vanskelig. Krav til isolering og væskeunderkøling stiger, når temperaturen sænkes samtidig med, at køleanlægget skal være større.

Relation til R134a-fyldestationer

Løsningen har mange lighedspunkter med den principudformning, der anvendes på AGRAMKOWs eksisterende fyldestationer. På nogle væsentlige punkter er det dog nødvendigt med yderligere forholdsregler grundet CO₂'s termodynamiske egenskaber.

R134a-fyldestationer opererer med et akkumulatortryk på 10 bar svarende til 40°C mætningstryk. Herved er der meget lille risiko for dannelse af gas i forsyningsledningen, f.eks. under længerevarende tidsintervaller mellem fyldninger. Dannelse af gas ved varmeindtrængning kan ikke elimineres efter samme princip, når fyldeprincippet baseres på pumpning af CO₂-væske.

Problemet kan løses ved at holde konstant væskecirkulation i den del af forsyningsstrengen, som indeholder akkumulatoren.

Forsyningsledningen skal endvidere være isoleret i tilfælde af en CO₂-fyldestation baseret på væskepumpning.

På afgangssiden af CO₂-receiveren før pumpefilteret kan en underkølingsspiral med fordel indføres, som minimerer dannelse af gas som følge af varmeindtrængning og tryktab.

Perspektiver i forhold til on-line udstyr

Løsningen er umiddelbart anvendelig i forhold til en fremtidig on-line løsning.

Fyldning fra overkritisk tilstand

En sådan løsning kræver, at der efter CO₂-flasken etableres en overkritisk tilstand, når flasken er under 30°C. Fra CO₂-flaske føres gas til en højtryksstempelkompressor, som komprimerer gassen op til et fastindstillet tryk, som styres af konstant tryk ventilen (PC) til en tilstand, hvor gasdensiteten er større end f.eks. 400 kg/m³. For at kunne trække gassen ud af flasken uden at ”fryse den ned” tilføres flasken kompressionsvarme og varme fra nedkøling af den komprimerede gas.

Den største udfordring er dog at styre processen, når den følger en isoterm ved eksempelvis 40°C. Trykket i flasken kan være tæt på sætpunktet på ventilen, og kompressoren kommer herved til at arbejde ved et lavt trykforhold. Det vurderes, at der vil opstå funktionalitets problemer for en kompressor under sådanne forhold. Problemet kan løses ved kompressor-bypass, evt. af en delstrøm, men styring af bypass, kompressor, flaskevarmeveksler og konstant tryk ventil bliver omfattende og umiddelbart vurderes det vanskeligt at opnå en tilstrækkelig fyldenøjagtighed.

(figur ikke vist af konkurrencemæssige hensyn)

Figur 6: Principskitse (ikke komplet bestykning): Fyldning fra overkritisk tilstand

Relation til R134a-fyldestationer

Løsningen afviger markant fra de eksisterende R134a-fyldestationer. Hele systemet er på gasform og under højt tryk. Der er tvivlsomt, om der kan findes egnede komponenter, og prisen vil umiddelbart være højere end for pumpeløsningen. Herudover er der åbne spørgsmål omkring kompressoren:

Kompressoren vil give anledning til olietilførsel til CO₂, medmindre der anvendes oliefri kompressor eller flertrinsolieudskiller med aktivt kulfilter. Oliefrie kompressorer er dyre, kræver vedligehold og er generelt uegnede til CO₂ pga. den dårlige smøreevne (lav viskositet). Aktive kulfiltre er dyre og kræver vedligehold.

Findes der overhovedet egnede kompressorer til sugning fra overkritisk tilstand?

Den eneste umiddelbare fordel i forhold til fyldning med væskepumpe er, at der undgås problemer med gasdannelse i pumpesystemet, og væskereturledningen fra fyldhovedet kan elimineres.

Perspektiver i forhold til on-line udstyr

Løsningen er ikke umiddelbart anvendelig i forhold til en fremtidig on-line løsning. Kan dog sammenkobles via en afspændingsbeholder.

Som konceptløsning og grundlag for anlæggets design blev ”fyldning med væske” valgt ud fra de allerede fremførte argumenter.

Line-side CO₂

8.2 Scope of delivery

The equipment consists of a mobile unit which can be placed line side for continuously line production or be placed in the rectification area for repair work . The adapter (hereinafter called flex gun LP) is connected to the CO₂ circuit by the low pressure side nipple of the CO₂ unit (hereinafter called LP) and performs the physical coupling between the CO₂ unit and the mobile unit by a bundle of hoses (hereinafter called hose management).

Two CO₂ bottles can be connected to the mobile unit simultaneously.

Option: application with assembly test, the mobile unit is supplied with i.e. nitrogen by a bottle.

Option: applications with two side evacuation and one side charging the CO₂ circuit of the CO₂ unit is connected to an additional adapter (hereinafter called flex gun HP) by the high side nipple (hereinafter called HP).

CO₂ Process sequence

The unit performs an evacuation and a pressure charging of the CO₂ circuit of the CO₂ unit according to the following sequence (pls. note two side evacuation and one side charging):

Option: Pressure increasing with i.e. nitrogen typically to 10-13 bar incl. continued control of major leakage. Typical process time 8-15 sec.

Pressure equalization and pressure test (pressure drop) typical to less than 0,1 bar/sec. Typical process time 5-10 sec.

Venting typical down to 0,5 bar. Typical process time 2-5 sec.

1.evacuation typically to less than 3-5 mbar incl. continued control of vacuum leakage (major and minor leakage). Typical process time 35-45 sec.

Vacuum control for 5–10 sec. typical to less than 10-8 mbar incl. control of vacuum (pressure rise).

2. Evacuation typically to less than 3-5 mbar incl. continued control of vacuum leakage (minor leakage). Typical process time 5 sec.

Charging incl. control of blocked nipple, charging time and amount. Typical process time 7-10 sec. (charging speed 80 gram/ sec.)

The times depend on the applications therefore the times mentioned are only directive. Furthermore the operator's handling time and the on-line units return time must be added to these times.

Operator sequence

When a CO₂ unit arrives in the charging area the following operator sequence must be performed (pls. note two side evacuation and one side charging):

Lift the ergonomic designed flex guns out of the holsters and connect them to the CO₂ nipples. Press gently at the start button of the flex gun LP to start the process.

The process runs automatically. The operator can monitor the process on the operator panel on the control cabinet. The operator can interrupt the process by pressing the stop button at the flex gun LP and restart the process by pressing the start button at the flex gun LP or he can remove the flex guns from the nipples and place them into the holsters.

An acoustic sound indicates the end of the process.

The operator removes the flex guns from the nipples and places them into the holsters.

Pump cabinet

The hydraulic cabinet with integrated drip-tray contains a vacuum pump, a mass-flow, a mass-flow controller, accumulator, sensors, a valve terminal and process valves, and a internal pump with automatic change over facility by empty bottle (including alarm warning).

All components fulfil the technical performance during evacuation and charging of CO₂.

Option: applications with assembly test, the mobile unit is supplied with i.e. nitrogen by a bottle. All pressure relief device and safety valves are built-in incl. alarm for empty bottle.

Filling head

The flex guns are provided by a hose management consisting of evacuation and charging hoses.

The flex guns are made of light and operator friendly materials, environmental designed and with automatic clamping quick couplings.

The hose management is connected to the pump cabinet with a quick-connector for quick exchange.

Control cabinet (standard)

Cabinet built together with the main unit mechanical cabinet with all electrical switch gear and control modules including PLC.

The cabinet is built according to EN60204-1. The control cabinet has general control modules as control on/off, main switch etc. The configuration of the unit is also made for remote I/O connection including the pneumatic control part. All sensors are connected with M8/12 approved remote plug terminals if possible.

The control cabinet has an operator panel (hereinafter called HMI) visualizing the process parameter, the process sequence with actual and pre-set units, the process faults, the unit faults and alarms that can be modified through password protection.

The process technically related operator controls as manual, automatic operation, push buttons, pilot lamps etc. are placed at the HMI.

PLC Control

PLC S7-315-2DP with ET200S/200X and TB170B (5,7”) operator touch panel for parameter settings, monitoring sequence steps with measured scaled values, process faults, equipment faults and alarms.

The following Siemens S7 versions will be used for the application software.

STEP 7 V. 5.2 + SP1, S7-GRAPH V. 5.1 + SP1, S7-PDIAG V. 5.1, Simatic ProTool/Pro V 6.0 + SP2, Simatic ProAgent V. 6.0 +SP2, NCM S7 Industrial Ethernet V. 5. + SP1, NCM S7 PROFIBUS V. 5.2 + SP1, CP PtP Param V. 5. + SP2, FM 350-1/450-1 V. 5.1, FM 350-2 V 4.0.1, Simatic Net PC software V 6.1 + SP1.

Please note that AGRAMKOW reserves the right to use the latest versions at project start

Process capability

Cmk > 1,67 calculated by 50 samples of vacuum level as a function of fixed time (typical 30-40 sec.), and 50 samples of charged CO₂. Vacuum range 5 – 2 mbar abs. ± 2 mbar. CO₂ amount 300-400 gram ± 5 gram

Pls note: the sample is not a normal distribution.

Calculation

General Data

Placing: The equipment must be placed indoors.

Ambient air temperature: 12 to 45°C

Atmospheric humidity: 30-90% (not condensing)

Transportation and storage: -25 to +55°C

Colour: RAL 7032 (light grey)

Electrical performance: According to IEC 204-1 or EN 60204-1

Pump cabinet

1 Dimensions incl control panel (l x h x w): 1375 x 1650 x 8/0 mm

2 Weight: abt. 400 kg

3 Evacuation capacity: 16 m³/h

3.1 End vacuum (abs.): 0.5 mbar

3.2 Make: Leybold (2-stage)

3.3 Vacuum sensor type: ceramic diaphragm

3.3.1 Range (abs.): 0,1-200 mbar

3.3.2 Accuracy: ± 0,2% FS

4 Charging amount: 300 - 3,000 g

4.1 Charging speed: approx 50-100 g/s

4.2 Accuracy approx: ± 5 gram (300-500gram, ± 1% (>500 gram)

4.3 Temperature compensation: 10 - 50° C

5 Refrigerant connection: ? male

5.1 Refrigerant: CO₂

5.2 Inlet filter: Particle filter

5.3 Inlet pressure: max 100 bar

5.4 Pump capacity: 50-80 g/s at 20 °C

5.5 Max pressure: typical 70 bar

6 Refrigerant bottle: 20 litre

7 Emptying level of bottle: tara + 2 kg (20° C)

8 Air connection: TEMA 1800 male

8.1 Allowable inlet pressure: 5-10 bar

8.2 Air consumption: 500 Nl/min. (NON lubricated)

9 Ventilation connection: NW16

10 Nitrogen/air pressure test (OPTION)

Allowable inlet pressure: max 20 bar

Nitrogen/air consumption: (A/C volume * pressure) litre (typical 240Nltr/min)

Pressure sensor type: ceramic diaphragm (IFM)

Range (abs.): 0-10bar

Control panel (standard)

Power consumption: abt. 4.0 kVA

Supply voltage: 3 x phase + N + PE

Frequency: 50 Hz or 60 Hz

Please note: Supply voltage and frequency in accordance with IEC 204-1 or EN 60204-1.

8.3 Fieldtest LS station

Selvom LS (Line-Side) station oprindelig er udviklet til automobil industrien fortages field testen hos Nilan i Hedensted, som anvender den til at fylde store Heat Pipes med CO₂.

Årsagen heri skal ses ud fra at automobil industrien i begyndelse af 2003 ”tabte” lidt af pusten omkring introduktion af CO₂ i MACs, herved blev mulighederne for en reel field test med masseproduktion umulig gjort.

De muligheder som Nilan kan tilbyde minder om masseproduktion pga. af fyldemængdernes størrelse 290-4,000gram, hvilket betyder af de væsentlige komponenter belastes tilstrækkeligt for at give masseproduktions lignende forhold.

Det har været nødvendigt at modificerer stationen lidt således at den blev tilpasset Nilan's forhold, men generelt har det oprindelige design koncept fungeret.

Field testen har også afspejlet på hvilke punkter produktet kan optimeres, hvor der er nye design muligheder og hvad de kritiske produktionsparametre er.

LS stationen har til dato udført ca. 2,500 fyldninger og fungeret tilfredsstillende efter lidt begynder vanskeligheder. Nilan er godt tilfreds med stationen.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 November 2005, © Miljøstyrelsen.