Køleteknik Termodynamik og lovgivning for køleanlæg 48602

Køleteknik Termodynamik og lovgivning for køleanlæg 48602

INDHOLDSFORTEGNELSE H LOG P... 3 Opgave 1 kølemiddel R134at... 3 Opgave 2 kølemiddel R290... 5 Opgave 3 kølemiddel R22... 7 KOMPRESSORENS VIRKNINGSGRADER... 9 Masseflow og volumenflow... 11 FUGTIG LUFT... 14 Opgave 1... 15 Opgave 2... 16 Opgave 3... 17 VARMETRANSMISSION... 18 Opgave 1... 18 Opgave 2... 19 Opgave 3... 20 Opgave 4... 21 Opgave 5... 22 HOVEDOPGAVE DIMENSIONERING MV.... 23 Del 1... 23 Del 2... 26 Del 3... 27 Del 5... 29 side 2 / 29

H log p Opgave 1 kølemiddel R134at 1. Indtegn kredsprocessen i et h log p diagram, der regnes ikke med tryk- og varmetab i rør og ventiler. Der cirkuleres lige meget kølemiddel gennem begge fordampere (punkt 1 er en blanding af punkt 5 og punkt 8). 2. Udfyld tabellen Punkt Tryk bare Temperatur o C Enthalpi kj/kg Overhedning/ Underkøling K Kølemidlets tilstand 1 0,3 2 8 bare 67 3 29 4 5 6 6 1,4 7 6 8 side 3 / 29

Kølemidlet kan have følgende tilstande: mættet damp/væske, overhedet gas eller underkølet væske. 3. Hvad er kompressorens opgave? 4. Hvad styrer kompressorens afgangstryk? 5. Hvad er den termostatiske ekspansionsventils opgave? 6. Hvad er fordampernes opgave? 7. Hvor meget af kølemidler er fordampet i punkt 4? 8. Hvor meget af kølemidlet er fordampet i punkt 6? 9. Hvor meget trykfald kan der være i væskerøret inden der dannes flashgas? side 4 / 29

Opgave 2 kølemiddel R290 1. Indtegn kredsprocessen i et h log p diagram, der regnes ikke med tryk- og varmetab i rør og ventiler. 2. Udfyld tabellen Punkt Tryk bare Temperatur o C Enthalpi kj/kg Overhedning/ Underkøling K Kølemidlets tilstand 1 0,1-20 2 10 90 3 29 4 5 7 6 3,7 7 9 8 side 5 / 29

Kølemidlet kan have følgende tilstande: mættet gas/væske, overhedet gas eller underkølet væske. 3. Hvad er kompressorens opgave? 4. Hvad styrer kompressorens afgangstryk? 5. Hvad er den termostatiske ekspansionsventils opgave? 6. Hvad vil der ske med trykgastemperaturen hvis kølerummet kører alene? 7. Hvilken fordamper cirkuleres der mest kølemiddel igennem? 8. Hvad sker der med kompressorens ydelse hvis sugetrykket stiger? side 6 / 29

Opgave 3 kølemiddel R22 1. Indtegn kredsprocessen i et h log p diagram, der regnes ikke med tryk- og varmetab i rør og ventiler. Der cirkuleres lige meget kølemiddel gennem begge fordampere (punkt 1 er en blanding af punkt 5 og punkt 8). 2. Udfyld tabellen Punkt Tryk Temperatur Enthalpi 1 0,6 bare 2 13 bare 110 o C 3 33 o C 4 Overhedning/ Underkøling Kølemidlets tilstand 5 6 K 6 4 bare 7 6 K 8 side 7 / 29

Kølemidlet kan have følgende tilstande: mættet damp/væske, overhedet damp (gas) eller underkølet væske. 3. Hvad er kompressorens opgave? 4. Hvad styrer kompressorens afgangstryk? 5. Hvad er den termostatiske ekspansionsventils opgave? 6. Hvad er fordampernes opgave? 7. Hvilke rør bør man isolere? 8. Hvad sker der med kompressorens ydelse hvis sugetrykket stiger? 9. Hvad sker der med kompressorens effektforbrug hvis kondensatortrykket sænkes? side 8 / 29

Kompressorens virkningsgrader Kapacitet En kompressors kapacitet er et udtryk for den volumenstrøm kompressoren er i stand til at suge til sig, dvs. volumenstrømmen [q v vir ] målt på indsugningssiden. Kompressorens volumenstrøm [q v vir ] er bestemt af kompressorens teoretiske slagvolumen [q v teo ] samt den volumetriske virkningsgrad [η vol ]. Kompressorens teoretiske volumenstrøm for en stempelkompressor er: q v teo = π 4 d2 s n z [ m3 s] eller Swept volumen V v teo = q v vir 3600 [ m3 h ] d = cylinderdiameter [m] s = slaglængde[m] n = omdrejningstal [s 1 ] (omdr. Pr. sekund) z = antal cylindre På kompressorens mærkeplade er swept volumen ofte opgivet ved et omdrejningstal eller en frekvens. Den volumetriske virkningsgrad er defineret som forholdet mellem den virkelige volumenstrøm i indsugningsstudsen [q v vir ] og den teoretiske volumenstrøm [q v teo ] beregnet på basis af kompressorens geometriske slagvolumen. η vol = Virkelige volumenstrøm Teoretiske volumenstrøm = q v vir q v teo = V v vir V v teo eller q v vir = q v teo η vol Den volumetriske virkningsgrad [η vol ] for skruekompressorer afhænger ikke så meget af driftsforholdene. For stempelkompressorer er [η vol ] derimod meget afhængig af driftsforholdene. Den volumetriske virkningsgrad for stempelkompressorer afhænger især af følgende 4 faktorer: 1. Genekspansion af højtryksgas fra det skadelige rum. Virkningsgraden reduceres kraftigt ved stigende trykforhold. 2. Tryktab fra indsugning til cylinderhulrum (ventilplader m.m.). 3. Opvarmning af sugegas fra indsugning til cylinderhulrum. 4. Lækagetab fra højtryksside til lavtryksside. (stigende ved slid m.m.) Skitsen herunder viser sammenhængen mellem trykforhold og den volumetriske virkningsgrad for en stempelkompressor. Skruekompressorer har ikke noget skadeligt rum som stempelkompressorer og har derfor ikke nogen genekspansion af højtryks-gassen. Ved et trykforhold på 10 vil en volumetrisk virkningsgrad på 85-90% derfor ikke være usandsynlig. Trykforholdet (absolutte tryk) for stempelkompressorer op til 8 accepteres normalt. Den volumetriske virkningsgrad [η] kaldes også for leveringsgraden [λ]. side 9 / 29

Effektforbrug Kompressorens teoretiske effektforbrug beregnes ved at lade kompressionen forløbe langs en isentrop ud fra formlen: P` = q m h komp` = q m (h 2` h 1 ), hvor q m [ kg s] er kølemidlets kølemidlets massestrøm (cirkuleret masse pr. sekund) og h 1 [ kj kg ] er kølemidlets entalpi ved kompressorens indsugning og h 2` [ kj kg ] er kølemidlets entalpi ved kompressorens trykside. P komp` = q m h komp` kompressorens mekaniske effekt, teoretisk P komp = q m kompressorens mekaniske effekt, virkelig h komp` = h 2` h 1 kompressorens specifikke arbejde, teoretisk = h 1 kompressorens specifikke arbejde, virkelig Ved at beregne kompressorens teoretiske effektforbrug [P komp`] efter formlen ovenfor har vi set bort fra mekaniske- og strømningsmæssige friktionstab og tab i suge- og trykventiler. I praksis vil effektforbruget være større end det teoretiske, og kompressorens isentropiske virkningsgrad [η is ] med reference til den isentropiske proces kan beregnes ud fra trykrørstilstanden (under forudsætning af at der ingen varmestrøm er fra kompressorens højtryksside til kompressorens koldere dele og omgivelser). η is = eller η is = kompressorens specifikke arbejde, teoretisk kompressorens specifikke arbejde, virkelig = h komp` h komp kompressorens mekaniske effekt, teoretisk kompressorens mekaniske effekt, virkelig = P komp` P komp En stor del af den varme der udvikles ved friktionen mellem stempel og cylinder, i lejer, i pakdåse og eventuel oliepumpe vil gå i kølemidlet og resultere i at den virkelige kompression vil forløbe langs den røde linje, der er fladere end den isentropiske proces. Denne varmetilførsel medfører at rykkes til højre i diagrammet. En del af varmen vil forsvinde som varmetab til omgivelserne, men den skal købes og betales til el-værket. Ud over de friktionsmæssige tab vil der også være tryktab i ventiler som vil medføre en større akseleffekt. side 10 / 29

Masseflow og volumenflow 1. Tegn kredsprocessen i et h log p-diagram og marker punkterne 1 2 3 4 og udfyld skemaet. Tryk og varmetab i rør og ventiler medtages ikke. Punkt Tryk Bar e Temperatur C Enthalpi kj kg Overhedning/ Underkøling K Kølemidlets tilstand 1 1,0-5 h 1 395 2 6,7 50 h 2 435 3 29 h 3 4-10 h 4 240 2. Beregn Fordamperens specifikke arbejde Kompressorens specifikke arbejde Kondensatorens Specifikke arbejde Symbol Formel og beregning Resultat h 0 = (h 1 h 4 ) = h Komp = (h 2 h 1 ) = h C = (h 2 h 3 ) = Enhe d kj kg kj kg kj kg Køleanlæggets COP COP køl = Fordamperens effekt Is=0,72 Beregn Kølemiddelets massestrøm kompressorens effekt ф 0 = 7, 75 k q m = ф 0 h 0 = h 0 h Komp = kg s P Komp q m h Komp = k side 11 / 29

Kondensatorens effekt P C q m h C = 0,05 195 = k Aflæst i h log p diagrammet v g = 0,1015 m3 kg Kompressorens volumenstrøm q v virk q m v g = m 3 s V v virk q m v g 3600 = m 3 h Hvis den termostatiske ekspansionsventil ikke er korrekt justeret kan det medføre at overhedningen stiger. Derved udnyttes fordamperen ikke så godt og sugetrykket skal derfor sænkes for at holde den ønskede temperatur. Af h log p diagrammet og beregningerne vil vi se hvad konsekvensen bliver. 3. Tegn kredsprocessen i et h log p-diagram og marker punkterne 1 2 3 4 og udfyld skemaet: Tryk og varmetab i rør og ventiler medtages ikke. Punkt Tryk Bar e Temperatur C Enthalpi kj kg 1 0,75-1 h 1 400 2 6,7 59 h 2 445 3 29 h 3 240 Overhedning/ Underkøling K Kølemidlets tilstand 4-13 h 4 side 12 / 29

4. Beregn Fordamperens specifikke arbejde Kompressorens specifikke arbejde Kondensatorens Specifikke arbejde Symbol Formel og beregning Resultat h 0 = (h 1 h 4 ) = h Komp = (h 2 h 1 ) = h C = (h 2 h 3 ) = Enhe d kj kg kj kg kj kg Køleanlæggets COP COP køl = Fordamperens effekt Is=0,72 Beregn Kølemiddelets massestrøm kompressorens effekt Kondensatorens effekt ф 0 = 7, 75 k q m = ф 0 h 0 = h 0 h Komp = Aflæst i h log p diagrammet v g = 0,1176 m3 kg kg s P Komp q m h Komp = k P C q m h C = k Kompressorens volumenstrøm q v virk q m v g = m 3 s V v virk q m v g 3600 = m 3 h side 13 / 29

Fugtig luft 1. Udfyld skemaet Resultat af behandling Temperatur t [ ] Enthalpi I [ kj kg ] kg vand/ kg luft x [ kg kg ] Relativ fugtighed RF [%] Dugpunkt 100 % RF ved køling Kølegrænse 100 % RF ved befugtning [ ] [ ] 20 60 10 60 0 60 30 20 30 90 40 20 2 Definer Relativ fugtighed RF? 3. Hvad måler man den relative fugtighed med? 4. Hvad sker der med den RF hvis luften køles? 5. Hvad er luftens Dugpunkt? 6. Hvad er kølegrænsen? side 14 / 29

Opgave 1 Fryserum: L x B x H = 10m x 6m x 3m, Kølerummet har n = 4 luftskift/pr. døgn. Luftens massefylde ρ = 1,2 kg m 3 Udeluften Luften i kølerummet ttør = 30 o C RF = 80 % ttør = 0 o C RF = 100 % 1.1 Hvor meget energi skal der køles på grund af luftskifte pr. døgn (Q lufskifte)? 1.2 Hvad er køleeffekten til køling af luften? 1.3 Hvor meget vand tages der ud af luften pr. døgn? side 15 / 29

Opgave 2 Fryserum: L x B x H = 12m x 8m x 3m, Kølerummet har n = 4 luftskift/pr. døgn. Luftens massefylde ρ = 1,2 kg m 3 Udeluften Luften i kølerummet ttør = 20 o C RF = 70 % ttør = -18 o C RF = 100 % 2.1 Hvor meget energi skal der køles på grund af luftskifte pr. døgn (Q lufskifte)? 2.2 Hvad er køleeffekten til køling af luften? 2.3 Hvor meget vand tages der ud af luften pr. døgn? Vandet sætter sig som is på fordamperne. Fordamperne el-afrimes 2 gange 30 min. i døgnet. Vandet bortledes ved en temperatur på 2 o C 2.4 Hvor stor en effekt skal varmelegemet have? side 16 / 29

Opgave 3 Fryserum: L x B x H = 12m x 8m x 6m, 3.1 Beregn antal luftskifte n efter den imperiske formel som er beskrevet i NOK bind 1, s134? n = 70 V Luftens massefylde ρ = 1,2 kg m 3 Udeluften ttør = 22 o C RF = 60 % Luften i kølerummet ttør = -11 o C RF = 100 % 3.2 Hvor meget energi skal der køles på grund af luftskifte pr. døgn (Q lufskifte)? 3.3 Hvad er køleeffekten til køling af luften? 3.4 Hvor meget vand tages der ud af luften pr. døgn? Vandet sætter sig som is på fordamperne. Fordamperne el-afrimes 2 gange 30 min. hvert døgn. Vandet bortledes ved en temperatur på 2 o C 3.5 Hvor stor en effekt skal varmelegemet have? side 17 / 29

Varmetransmission Opgave 1 Frostrum: L x B x H = 12m x 6m x 3m Loft og sider er fremstillet af 100 mm elementplader med en varmetransmissionskoefficient, U = 0, 21 Gulv består af 10 cm beton, 50 cm Leca nødder, 0,5 m tørt sand med en varmetransmissionskoefficient U = 0, 4 m 2 K Temperaturen under gulvet er =10 0 C, temperaturen over loftet er = 20 0 C, temperaturen langs væggene = 15 0 C. Temperaturen i frostrummet = 18 o C 1.1 Beregn varmestrømmen til frostrummet? m 2 K Loft U /(m 2 *K) Areal m 2 ΔT = (t1 t2) K Varmestrøm Ф=U*A*ΔT Gulv Væg 1 Væg 2 Væg 3 Væg 4 252 Samlet side 18 / 29

Opgave 2 Frostrum: L x B x H = 6m x 4m x 3m Loft, sider og gulv er fremstillet af 140 mm opskummede elementplader med en varmekonduktivitet λ = 0, 021 m K 2.1 Beregn varmetransmissionskoefficienten U? (Formel side 120 NOK1) Temperaturen under gulvet =10 0 C, temperaturen over loftet =25 0 C, temperaturen langs væggene =20 0 C. Temperaturen i frostrummet = 18 o C 2.2 Beregn varmestrømmen til frostrummet? Loft U /(m 2 *K) Areal m 2 ΔT = (t1 t2) K Varmestrøm Ф=U*A*ΔT Gulv Væg 1 Væg 2 Væg 3 Væg 4 Samlet side 19 / 29

Opgave 3 Frostrum: L x B x H = 4m x 3m x 3m Loft, sider og gulv er fremstillet af 200 mm opskummede elementplader med en varmekonduktivitet λ = 0, 021 m K 3.1 Beregn varmetransmissionskoefficienten U? Temperaturen under gulvet =10 0 C, temperaturen over loftet =25 0 C, temperaturen langs væggene = 20 0 C. Temperaturen i frostrummet er 20 o C 3.2 Beregn varmestrømmen til frostrummet? Loft U /(m 2 *K) Areal m 2 ΔT = (t1 t2) K Varmestrøm Ф=U*A*ΔT Gulv Væg 1 Væg 2 Væg 3 Væg 4 Samlet side 20 / 29

Opgave 4 Frostrum: L x B x H = 8m x 6m x 3m Loft og sider er fremstillet af 100 mm elementplader med en U værdi = 0, 21 m2 K Gulvet består af 10 cm beton λ beton = 0, 46, 25 cm Leca nødder λ m K leca = 0, 085 λ sand = 0, 47 m K 4.1 Beregn gulvets varmetransmissionskoefficient U gulv? m K, 0,5 m tørt sand Temperaturen under gulvet er =10 0 C, temperaturen over loftet er = 20 0 C, temperaturen langs væggene = 15 0 C. Temperaturen i frostrummet er 18 o C 4.2 Beregn varmestrømmen til frostrummet? Loft U /(m 2 *K) Areal m 2 ΔT = (t1 t2) K Varmestrøm Ф=U*A*ΔT Gulv Væg 1 Væg 2 Væg 3 Væg 4 Samlet side 21 / 29

Opgave 5 Kølerum: L x B x H = 5m x 4m x 3m Loft og sider er fremstillet af 50 mm opskummede elementplader med en varmekonduktivitet λ = 0, 021 Det stillestående luftlag på ydersiden har en varmeoverføringskoefficient h 1 = 8 Luftlaget inde i kølerummet har en varmeoverføringskoefficient h 2 = 20 5.1 Beregn varmetransmissionskoefficienten U? m 2 K m 2 K m K Gulvet består af 15 cm beton λ beton = 0, 46 m K, 30 cm Leca nødder λ leca = 0, 085 m K, 40 cm tørt sand λ sand = 0, 47 m K 5.2 Beregn gulvets varmetransmissionskoefficient U gulv? (Formel side 123-124 NOK 1) Temperaturen under gulvet er =10 0 C, temperaturen over loftet er = 25 0 C, temperaturen langs væggene = 20 0 C. Temperaturen i kølerummet er 5 o C 5.3 Beregn varmestrømmen til frostrummet? U /(m 2 *K) Areal m 2 ΔT = (t1 t2) K Varmestrøm Ф=U*A*ΔT Loft Gulv Væg 1 Væg 2 Væg 3 Væg 4 Samlet side 22 / 29

Hovedopgave dimensionering mv. Del 1 Et frostanlæg til indfrysning og opbevaring af ænder stal dimensioneres og installeres. Rumtemperaturen er -21 Kølemiddel R404A med en fyldning på 4,6kg Tegn et rørdiagram af anlægget. Stempelkompressor med HP sikkerhedspressostat og sikkerhedsventil Luftkølet kondensator med pressostat til start/stop af blæser. Luftkølet fordamper med termostatisk ekspansionsventil. Anlægget kører pump down angiv indstillingstryk og temperatur. Anlægget er placeret i DK i omgivelsestemperaturer der ikke overstiger 32 1. Hvilken anlægstype er det efter Dansk Lovgivning og hvem må udføre arbejde på anlægget? 2. Bestem PS og angiv indstilling af sikkerhedsventilen og HP-pressostaten: 3. Sugerøret er Kategori 1 hvem må lodde røret og hvad kræves der for at udføre lodningen? 4. Hvor ofte skal anlægget have udført lovpligtigt eftersyn? 5. Inden idriftsætningen skal anlægget tryk- og tæthedsprøves ved hvilke tryk? side 23 / 29

6. Indtegn kølekredsen i et h log p diagram, der medtages ikke trykfald i rør og ventiler. Fordamperens overhedning er 6K. Kompressionen foregår langs en isentrop. Udetemperaturen er 15 og kondensatoren arbejder med en T = 12K, underkølingen er 3K. Hvad bliver kompressorens trykgastemperatur? Hvad er kølekredsens COP? 7. Tegn kompressorens styrekreds: side 24 / 29

Flasker Der skal fyldes kølemiddel på anlægget. Du har en flask e med R404A: Vægt = 15,5 kg Tara = 8,3 kg Flaskens volumen = 18 liter 8. Hvor meget kølemiddel er der i flasken? 9. Hvor meget mere kan der være i flasken? Kølemiddeltilstande; R404A: Fordampertrykket = 2 bare du måler en temperatur ved fordamperens afgang på -10 10. Hvad er fordamperens overhedning? Fordampertrykket = -0,2 bare, du måler en temperatur ved fordamperens afgang på -30 11. Hvad er fordamperens overhedning? 12. Hvordan vil du vurdere anlæggets drift? Kondensatortrykket er 13 bare, væsketemperaturen i receiveren er 27 13. Hvad er væskens tilstand? Kondensatortrykket er 9,8 bare, væsketemperaturen i receiveren er 20 14. Hvad er væskens tilstand? side 25 / 29

Del 2 Frostrum: L x B x H = 6m x 4m x 3m Loft og sider er fremstillet af 100 mm elementplader med en varmetransmissionskoefficient, U = 0, 21 Gulv består af 10 cm beton, 50 cm Leca nødder, 0,5 m tørt sand med en varmetransmissionskoefficient U = 0, 4 m 2 K Temperaturen under gulvet er =10 0 C, temperaturen over loftet er = 20 0 C, temperaturen langs væggene = 15 0 C. m 2 K 1. Beregn varmestrømmen til frostrummet? U Areal /(m 2 *K) m 2 Loft Gulv Væg 1 Væg 2 Væg 3 Væg 4 2. Drift i 16 timer beregn: ΔT = (t1 t2) K Samlet Varmestrøm Ф=U*A*ΔT side 26 / 29

Del 3 100 ænder à 3,2 kg skal indfryses til -18. Begyndelsestemperaturen er 12. c før = 3,35 kj (kg K) c efter = 1,76 kj (kg K) h ls = 246 kj Kg Frysepunkt (t frys ) = 2,7 1. Hvor meget energi skal der fjernes fra ænderne? Skitser nedkølingen i et koordinatsystem og vis formel og beregninger med enheder, resultat i kj og kh Q 1 = T 1 = Q 2 = Q 3 = T 3 = Q 1 = = Q 2 = = Q 3 = = ΣQ = Q 1 + Q 2 + Q 3 = = ΣQ = = Indfrysningen varer 16 time. 2. Hvad er køleeffekten? Vis formel og beregning med enheder. side 27 / 29

Del 4 Udeluften ttør = 15 o C RF = 60 % Luften i frostrummet ttør = -21 o C RF = 100 % 1. Hvor meget energi skal der køles på grund af luftskifte pr. døgn (Q luftskifte)? Resultat i kj og kh Q luftskifte = M l døgn h Hvor V = (l b h)[m 3 ], rummets volumen n = 5 [ 1 døgn ], antal luftskifte pr. døgn ρ = 1,2 [ kg m 3 ], luftens massefylde h = (h 1 h 2 ) [ kj kg ], ændring i entalpi, h 1 og h 2 aflæses IX diagrammet M l døgn = V n ρ [kg] 2. Hvad er køleeffekten til køling af luften? 3. Hvor meget vand tages der ud af luften pr. døgn? M vand = M l døgn x x = kg vand kg tør luft x = (x 1 x 2 ) [ kg vand kg tør luft ], ændring i vandindhold, x 1 og x 2 aflæses IX diagrammet side 28 / 29

Del 5 1. Beregn køleanlæggets samlede køleydelse: 2. Er der andre varmekilder? side 29 / 29