Køleteknik, termodynamisk grundlag, beregning, dimensionering

Køleteknik, termodynamisk grundlag, beregning, dimensionering

This page intentionally left blank

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

Køleteknik Termodynamisk grundlag Beregning Dimensionering 2. udgave Nyt Teknisk Forlag 2003 Forlagsredaktion: Thomas Rump, tr@nyttf.dk Omslag: Maria Worm Reinhardt e-isbn 978-87-571-3200-7 Bestillingsnummer: 54003 1 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 44 1705 København V info@nyttf.dk www.nyttf.dk

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

This page intentionally left blank

Indhold 1 Køleteknikkens betydning og opgave 11 1.1 Definition og afgrænsning af det køletekniske fagområde 11 1.2 Køleprincipper 12 2 Termodynamik 17 2.1 Varme og arbejde, 1. hovedsætning 17 2.1.1 Lukket system 17 2.1.2 Åbent system 18 2.1.3 Indre arbejde og friktion 19 2.2 Entropi, 2. hovedsætning 20 2.2.1 Entropi, T,s-diagram 20 2.2.2 Carnots kredsproces 21 2.3 Kompression, ekspansion 24 2.3.1 Kompression 24 2.3.2 Ekspansion 26 2.4 Varmetransmission 26 2.4.1 Varmeledning 27 2.4.2 Varmeovergang, konvektion 28 2.4.3 Varmegennemgang 31 2.4.4 Temperaturdifferens 33 2.5 Tilstandsdiagrammer og stofdata 36 2.5.1 Tilstandsændringer i p,v,t-diagram 36 2.5.2 T,s-diagrammet 40 2.5.3 h,s-diagrammet 40 2.5.4 log p,h-diagrammet 41 2.5.5 Stofdata og tabeller 42 2.6 Fugtig luft 43 2.6.1 Lovmæssigheder og tilstandsstørrelser 43 2.6.2 h,x-diagram 45 2.6.3 Tilstandsændringer for fugtig luft 45 2.7 Litteratur 50 2.8 Eksempler 50 3 Køleprocessen 53 3.1 1-trins-kompressionskøleanlæg 53 3.1.1 Kompressionskøleanlæggets virkemåde 53 3.1.2 Kredsprocessen i T,s- og log p,h-diagram 56 3.2 Muligheder for forbedring af effektfaktoren 58 3.2.1 Underkøling 58

8 Indhold 3.2.2 Intern varmeveksling 60 3.3 2-trins-kompressionskøleanlæg 62 3.3.1 Åben mellemkøler (2-trins-drøvling) 63 3.3.2 Lukket mellemkøler (1-trins-drøvling) 65 3.3.3 Bestemmelse af mellemtrykket p m 67 3.4 Kaskadeanlæg 69 3.5 Economizeranlæg 71 3.6 ORC-anlæg 73 3.7 Eksempler 75 4 Kompressionsprocessen 87 4.1 Kompressortyper 87 4.1.1 Stempelkompressorer 88 4.1.2 Skruekompressorer 91 4.1.3 Lamel- og drejestempelkompressorer 93 4.1.4 Turbokompressorer 93 4.2 Kapacitet og leveringsgrad 94 4.2.1 Volumetrisk virkningsgrad for stempelkompressorer 95 4.2.2 Volumetrisk virkningsgrad for skruekompressorer 97 4.3 Effektforbrug og virkningsgrad 97 4.3.1 Kompressorens energibalance 97 4.3.2 Teoretisk effektforbrug og virkningsgrad 98 4.3.3 Eksempel, beregning af λ og η s 99 4.3.4 Indiceret og mekanisk virkningsgrad, stempelkompressorer 101 4.3.5 Virkningsgrad, skruekompressorer 103 5 Rørsystemer og ventiler 105 5.1 Dimensionering af rørledninger 105 5.2 Beregning af tryktab 107 5.2.1 Tryktab i lige rørledninger 107 5.2.2 Tryktab i enkeltmodstande 109 5.3 Eksempel, økonomisk optimering 112 6 Kondensatorer og fordampere 115 6.1 Fordampere 116 6.2 Kondensatorer 120 6.3 Tryktab og varmeovergang, uden faseskift 121 6.3.1 Strømning i rør 121 6.3.2 Strømning udvendigt på tværs af rør 125 6.4 Fordampning 133 6.4.1 Fordampning, udvendig (pool evaporation) 134

Indhold 9 6.4.2 Fordampning, indvendigt i rør 115 6.5 Kondensering 141 6.5.1 Kondensering, udvendigt på rør 142 6.5.2 Kondensering, indvendigt i rør 143 6.6 Overslagsberegninger 148 6.6.1 Temperaturforløb 149 6.6.2 k-værdier, erfaringstal 150 6.7 Eksempler 151 7 Kølemidler 161 7.1 Primære kølemidler 161 7.1.1 Inddeling af kølemidler 161 7.1.2 Krævede egenskaber 163 7.1.3 Vandopløselighed 164 7.1.4 Olieopløselighed 164 7.1.5 Vigtigste kølemidler 165 7.1.6 CFC/ozon-problematikken 168 7.1.7 Drivhuseffektekten 168 7.1.8 ODP, GWP og TEWI 169 7.1.9 Naturlige kølemidler 170 7.2 Sekundære kølemidler 171 7.2.1 Saltopløsninger 171 7.2.2 Glycoler 171 8 Instationær varmeovergang 173 8.1 Nedkøling uden temperaturgradient 174 8.2 Nedkøling med temperaturgradient 176 8.3 Særlige forhold vedrørende faseskift (Indfrysning) 181 8.4 Eksempler 185 9 Styring, regulering og overvågning 189 9.1 Regulering i kølemiddelkredsen 189 9.1.1 Reguleringsudstyr 190 9.1.2 Pumpecirkulation 196 9.2 Regulering af sekundært kølemiddel til kondensatoren 196 9.2.1 Kølevandsregulering 196 9.2.2 Regulering af køleluftstrømmen 197 9.3 Temperaturregulering 197 9.4 Kapacitetsregulering af kompressorer 198 9.4.1 Motorer 198 9.4.2 Kapacitetsregulering 198

10 Indhold 9.5 Afrimning 199 9.5.1 Luftafrimning 199 9.5.2 Elektrisk afrimning 200 9.5.3 Varmgasafrimning 200 9.5.4 Energiforbrug til afrimning 201 9.6 Sikkerhedsudstyr 201 9.6.1 Sikring mod overtryk 201 9.6.2 Sikring af olietryk 201 9.6.3 Sikring mod undertryk 202 10 Beregning af kuldebehov 203 10.1 Transmissionstab 203 10.2 Luftskifte 204 10.3 Døråbning 205 10.4 Nedkøling/frysning af varer 206 10.5 Gæringsvarme 206 10.6 Luftomrøring 207 10.7 Afrimning 207 10.8 Belysning 208 10.9 Personvarme 208 10.10 Eksempler 208 11 Tabeller og diagrammer 215 11.1 Tabeller 215 11.2 Diagrammer 238 12 Symboloversigt 247 Litteraturliste 253 Stikord 255