Snow Production Equipment at Ambient Temperatures Above Zero Degrees Celsius

142 Pages·2016·5.48 MB·English

Snow Production Equipment at Ambient
Temperatures Above Zero Degrees
Celsius
Jon-Brede Rykkje Dieseth
Master of Science in Mechanical Engineering
Submission date: June 2016
Supervisor: Trygve Magne Eikevik, EPT
Co-supervisor: Ignat Tolstorebrov, EPT
Norwegian University of Science and Technology
Department of Energy and Process Engineering

Preface
This master thesis is a part of the Mechanical Engineering study programme at Norwegian
University of Science and Technology(NTNU), and is written during the spring of 2016. The
thesis is within the scope of “Snow for the future” and is in coordination with Trondheim
Kommune, Norwegian Ski Federation, SINTEF and NTNU. The thesis investigates machinery
for making snow at ambient air temperatures above 0oC.

I would like to thank my supervisor Professor Trygve M. Eikevik for his great guidance and
dedication to the project during the work on the master thesis.

A special thank also goes to my co-supervisor Ignat Tolstorebrov for being available during the
work.

Trondheim, 10.06.2016
Jon-Brede R. Dieseth

i
ii
Abstract
In the perspective of increasing global temperatures, the periods with natural snow is shorter
and in areas, the snow in the winter is disappearing. Therefore, it is important to produce snow
at temperatures above 0°C to be able to maintain the snow activity close to the cities. Today,
temperature independent snow machines(TIS) produce plate ice, flake ice and ice slurry in
temperatures above 0°C. There are four manufacturers of TIS, IDE Technologies,
TechnoAlpin(TA), SnowTech and SnowMagic Inc. The machines are using refrigerants with
challenging properties, and CO is investigated as a substitute for these.
2

Vacuum and flake ice systems with a production capacity of 50 tons/day are modelled in EES,
to investigate the thermodynamic performance at different ambient temperatures. The flake ice
model shows that a single stage system(SCS) consumes less energy than a two-stage
system(TCS) in ambient temperatures below 14°C. The U-value and ice growth rate for the
flake ice drum(FID) are highly dependent on the ice thickness. Ice has high thermal resistance,
and dictates the heat transfer from water to CO rather than the metals or the refrigerants. The
2
vacuum model shows that a two stage system(TVS) is more efficient than a single stage
system(SVS) regardless of the ambient temperature. A cascade system with CO is more energy
2
intensive than the two previous systems. The most efficient vacuum system consumes just
20,8% of the energy required by the least efficient flake ice system. In terms of operation costs,
the snow from the flake ice system is 4,8 times more expensive than from the vacuum systems.
However, the investment costs are much higher for the vacuum system. Both the SCS and TCS
is more energy efficient than the TA SF100. The energy consumption is 3,4% and 1,8% lower,
respectively. A comparison between the vacuum models and existing machines is difficult, due
to little known information about the existing machine.

COMSOL was used to do calculations on the FID. The results reveal that increasing the number
of refrigerant pipes in the FID above 200, do not affect the temperature distribution on the
freezing surface too much. In addition, the thickness can be optimized regarding the structural
strength, rather than the heat transfer.

It is suggested to work further with improving the EES- and COMSOL models, investigate heat
recovery possibilities, improving the efficiency of the systems, estimating the life cycle cost,
look into operation strategies to minimize the energy consumption, and to build prototypes.
iii
Sammendrag
I perspektiv av økte globale temperaturer, er perioden med naturlig snø er kortere, og i noen
områder er snøen i ferd med å forsvinne helt. For å opprettholde snøaktivitetene rundt byene er
det derfor viktig å kunne produsere snø i temperaturer over 0°C. I dag produserer temperatur
uavhengige snømaskiner flakis, plateis og slush is i temperaturer over 0°C. Det finnes fire
produsenter, IDE Technologies, TechnoAlpin(TA), SnowTech and SnowMagic Inc.
Maskinene bruker kjølemedier med utfordrende egenskaper, og CO blir utforsket som en
2
substitutt for disse.

Vakuum og flakis systemer med en produksjonskapasitet på 50 tonn/dag er modellert i EES,
for å undersøke den termodynamiske ytelsen i forskjellige utendørstemperaturer. Flakis
modellen viser at et system med ett-trinns kompresjon(SCS) forbruker mindre energi enn et to-
trinns system(TCS) i temperaturer under 14°C. Varmeovergangstallet og vekst raten til islaget
på flakistrommelen(FID) henger tett sammen med tykkelsen på islaget. Is har lav termisk
ledningsevne, og dikterer varmeovergangen fra vannet til CO i mye større grad enn
2
egenskapene til metallene og kjølemediene. Vakuum modellen viser at et to-trinns kompresjons
system er mer effektivt enn en ett-trinns system uavhengig av utendørs temperaturen. Et
kaskade-system av vakuum og CO krever mer energi enn de to foregående systemene. Det
2
mest effektive vakuum systemet forbruker kun 20,8% av energien det minst effektive flakis
systemet behøver. Det betyr at flakis systemet er 4,8 ganger dyrere i drift enn vakuum systemet.
Investeringskostnadene er imidlertid mye høyere for vakuum systemene. Sammenlignet med
TA SF100, bruker SCS og TCS henholdsvis 3,4% og 1,8% mindre energi. En sammenligning
mellom eksisterende vakuum løsning og utviklet modell er vanskelig, da
systemkonfigurasjonen til det eksisterende system er ukjent.

COMSOL ble brukt til å kjøre beregninger på flakis trommelen. Resultatene viser at
temperaturfordelingen på fryseflaten ikke endrer seg mye ved å øke antall rør med CO til over
2
200. I tillegg, kan tykkelsen på trommelen optimeres med tanke på styrke fremfor
varmeoverføring, da temperaturfordelingen ikke påvirkes særlig av endring av tykkelsen.

Videreutvikling av EES- og COMSOL-modellene, undersøke varmegjenvinnings mulighetene,
forbedre effektiviteten av systemene, estimere livssyklus kostnader, se på driftsstrategier for å
optimere energiforbruk og produksjon, og å bygge en prototype er foreslått som videre arbeid.
iv