Køleteknik, termodynamisk grundlag, beregning, dimensionering

Transkript

1

2 Køleteknik, termodynamisk grundlag, beregning, dimensionering

3 This page intentionally left blank

4 Køleteknik, termodynamisk grundlag, beregning, dimensionering 2. UDGAVE Af Søren Gundtoft og Aage Birkkjær Lauritzen Nyt Teknisk Forlag

5 Køleteknik Termodynamisk grundlag Beregning Dimensionering 2. udgave Nyt Teknisk Forlag 2003 Forlagsredaktion: Thomas Rump, Omslag: Maria Worm Reinhardt e-isbn Bestillingsnummer: Mekanisk, fotografisk, elektronisk eller anden gengivelse af denne bog eller dele heraf er ikke tilladt ifølge gældende dansk lov om ophavsret. Alle rettigheder forbeholdes. Nyt Teknisk Forlag Ingerslevsgade København V [email protected]

6 Forord Bogen er tænkt som lærebog i køleteknik for ingeniørstuderende ved danske ingeniørhøjskoler. Der forudsættes derfor et kendskab til termodynamik og matematik svarende til det obligatoriske niveau på maskinretningerne. Kapitel 2 indeholder dog en kortfattet gennemgang af den relevante termodynamik. Formålet med bogen er at udrede det termodynamiske grundlag for køleprocessen, som i bogen er begrænset til kun at omfatte kompressionskøleprocessen. Der er lagt særlig vægt på at gennemgå beregningsgangen for forholdsvis komplicerede anlæg, eksempelvis 2-trinsanlæg med forskellige mellemkølersystemer, kaskadeanlæg, skruekompressoranlæg herunder forskellige economizersystemer samt ORC-anlæg. Som et andet væsentligt afsnit indeholder bogen en gennemgang af beregningsgrundlaget for termisk dimensionering af varmevekslere, specielt de relativt omfattende teorier for beregning af varmeovergang i fordampere og kondensatorer. Gennemgangen er her afgrænset til de traditionelle varmevekslere af rørkedeltypen. Selv om nye typer varmevekslere vinder frem bl.a. pladevarmevekslere er forståelsen af beregningsgangen for de traditionelle systemer et godt udgangspunkt for arbejdet med de nye typer. Det har ikke været hensigten at skrive en bog med hovedvægten på den praktiske køleteknik, idet der her henvises til den eksisterende litteratur. Vi har fået nyttige kommentarer og forslag til bogen fra Holger Kristensen og Ejnar Krog Hedegaard, begge tidligere medarbejdere hos Sabroe Refrigeration, samt Poul Rathje m.fl. Kølelaboratoriet hos Danfoss Nordborg. Denne hjælp har vi været taknemmelige for. I 2. udgave af bogen har vi lavet tilføjelser til kapitel 6 vedrørende pladevarmevekslere, og til kapitel 7 vedrørende nye kølemidler samt et par nye afsnit. Vi er opmærksomme på den hastige udvikling inden for nye kølemidler, herunder bestræbelserne for at anvende naturlige kølemidler som vanddamp, kuldioxid, kulbrinter, ammoniak og luft. Men da hovedsigtet med bogen ikke er at informere om den nyeste udvikling, men snarere at forklare de grundlæggende teorier, har vi ikke gjort så meget ud af at opdatere kapitel 7 som man måske kunne ønske sig. Ud over disse tilføjelser indeholder 2. udgave blot redaktionelle ændringer, rettelser af trykfejl m.m. Vi har fået en del henvendelser fra læserne om fejl, hvilket vi er taknemmelige for, og vi er stadigvæk interesserede i at blive gjort opmærksomme på fejl og mangler ved bogen. Aarhus, januar 1998 Søren Gundtoft & Aage Birkkjær Lauritsen

7 This page intentionally left blank

8 Indhold 1 Køleteknikkens betydning og opgave Definition og afgrænsning af det køletekniske fagområde Køleprincipper 12 2 Termodynamik Varme og arbejde, 1. hovedsætning Lukket system Åbent system Indre arbejde og friktion Entropi, 2. hovedsætning Entropi, T,s-diagram Carnots kredsproces Kompression, ekspansion Kompression Ekspansion Varmetransmission Varmeledning Varmeovergang, konvektion Varmegennemgang Temperaturdifferens Tilstandsdiagrammer og stofdata Tilstandsændringer i p,v,t-diagram T,s-diagrammet h,s-diagrammet log p,h-diagrammet Stofdata og tabeller Fugtig luft Lovmæssigheder og tilstandsstørrelser h,x-diagram Tilstandsændringer for fugtig luft Litteratur Eksempler 50 3 Køleprocessen trins-kompressionskøleanlæg Kompressionskøleanlæggets virkemåde Kredsprocessen i T,s- og log p,h-diagram Muligheder for forbedring af effektfaktoren Underkøling 58

9 8 Indhold Intern varmeveksling trins-kompressionskøleanlæg Åben mellemkøler (2-trins-drøvling) Lukket mellemkøler (1-trins-drøvling) Bestemmelse af mellemtrykket p m Kaskadeanlæg Economizeranlæg ORC-anlæg Eksempler 75 4 Kompressionsprocessen Kompressortyper Stempelkompressorer Skruekompressorer Lamel- og drejestempelkompressorer Turbokompressorer Kapacitet og leveringsgrad Volumetrisk virkningsgrad for stempelkompressorer Volumetrisk virkningsgrad for skruekompressorer Effektforbrug og virkningsgrad Kompressorens energibalance Teoretisk effektforbrug og virkningsgrad Eksempel, beregning af λ og η s Indiceret og mekanisk virkningsgrad, stempelkompressorer Virkningsgrad, skruekompressorer Rørsystemer og ventiler Dimensionering af rørledninger Beregning af tryktab Tryktab i lige rørledninger Tryktab i enkeltmodstande Eksempel, økonomisk optimering Kondensatorer og fordampere Fordampere Kondensatorer Tryktab og varmeovergang, uden faseskift Strømning i rør Strømning udvendigt på tværs af rør Fordampning Fordampning, udvendig (pool evaporation) 134

10 Indhold Fordampning, indvendigt i rør Kondensering Kondensering, udvendigt på rør Kondensering, indvendigt i rør Overslagsberegninger Temperaturforløb k-værdier, erfaringstal Eksempler Kølemidler Primære kølemidler Inddeling af kølemidler Krævede egenskaber Vandopløselighed Olieopløselighed Vigtigste kølemidler CFC/ozon-problematikken Drivhuseffektekten ODP, GWP og TEWI Naturlige kølemidler Sekundære kølemidler Saltopløsninger Glycoler Instationær varmeovergang Nedkøling uden temperaturgradient Nedkøling med temperaturgradient Særlige forhold vedrørende faseskift (Indfrysning) Eksempler Styring, regulering og overvågning Regulering i kølemiddelkredsen Reguleringsudstyr Pumpecirkulation Regulering af sekundært kølemiddel til kondensatoren Kølevandsregulering Regulering af køleluftstrømmen Temperaturregulering Kapacitetsregulering af kompressorer Motorer Kapacitetsregulering 198

11 10 Indhold 9.5 Afrimning Luftafrimning Elektrisk afrimning Varmgasafrimning Energiforbrug til afrimning Sikkerhedsudstyr Sikring mod overtryk Sikring af olietryk Sikring mod undertryk Beregning af kuldebehov Transmissionstab Luftskifte Døråbning Nedkøling/frysning af varer Gæringsvarme Luftomrøring Afrimning Belysning Personvarme Eksempler Tabeller og diagrammer Tabeller Diagrammer Symboloversigt 247 Litteraturliste 253 Stikord 255