Køleteknik - termodynamisk, 3. udgave, 1. oplag, 2018

3

3. UDGAVE

Termodynamisk grundlag . Beregning . Dimensionering

Denne lærebog giver en grundig indføring i køleteknikkens teoretiske grundlag, som hviler på de termodynamiske principper om energi- og massebalance i kredsprocesser. I kapitlerne om komponenter, styring og beregning af kuldebehov benyttes teorien til anvendelsesorienteret beregning og dimensionering af køleanlæg fra A-Z. Bogen omhandler overvejende kompressionskøling med faseskift og belyser de almindeligt forekommende beregningsrutiner.

Hovedparten af kapitlerne afsluttes med eksempler, som folder teorien ud og understøtter tilegnelsen af stoffet. Bogen er rigt illustreret, herunder med gode anlægs- og tilstandsdiagrammer.

Tabellerne og diagrammerne i det sidste kapitel udgør et nyttigt opslagsværk.

Målgruppen er primært studerende ved de videregående tekniske uddannelser samt ingeniører, der arbejder med køleteknik.

Tredje udgave er kritisk gennemgået og tilrettet. Der er tilføjet nye afsnit om bl.a. CO2-køleanlæg samt flere eksempler, og der er gjort mere ud af de praktiske driftsforhold, herunder samspil og regulering. Mange af eksemplerne er løst ved hjælp af beregningssoftwaren EES (Engineering Equation Solver). Endelig er bogen blevet opdateret med et helt nyt layout.

ISBN 978-87-571-2896-3

9 788757 128963

praxis.dk

varenr. 54003-1

Termodynamisk grundlag · Beregning · Dimensionering

Køleteknik er et selvstændigt område inden for maskinteknikken med en lang tradition. Køleanlæg transporterer varme fra et lavt til et højt temperaturniveau og bliver anvendt til mange proces- og komfortformål.

Køleteknik

Køleteknik

Aage Birkkjær Lauritsen og Jens Brusgaard Vestergaard

3. udgave

Køleteknik

Termodynamisk grundlag . Beregning . Dimensionering

Praxis – Nyt Teknisk Forlag

Køleteknik Termodynamik grundlag • Beregning • Dimensionering 3. udgave, 2018 © Forfatterne og Praxis, 1995 Forfattere: Aage Birkkjær Lauritsen og Jens Brusgaard Vestergaard Forlagsredaktion: Jesper Nørgaard, jno@praxis.dk Grafisk tilrettelæggelse og DTP: Vegard Brekke, Gamma grafisk AS Tegninger: Morten Stampe Mortensen Omslag: Nils Thobo-Carlsen Omslagsfoto: Johnson Controls Køleteknik Sat med: Times New Roman 11pt/13dd ISBN, eBog+ 978-87-571-3396-7 Varenummer: 54003-9+

Alle rettigheder ifølge gældende lov om ophavsret forbeholdes.

Kopiering fra denne bog må kun finde sted på institutioner, der har en aftale om kopiering med Copydan Tekst & Node, og kun inden for aftalens rammer. Se mere på www.copydan.dk

Praxis praxis.dk webshop.praxis.dk

Forord

Bogen er tænkt som lærebog i køleteknik for ingeniørstuderende ved danske ingeniørhøjskoler og universiteter. 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 overvejende at omfatte kompressionskøleprocessen. Der er lagt særlig vægt på at gennemgå beregningsgangen for forholdsvist komplicerede anlæg, eksempelvis totrins-anlæg med forskellige mellemkølersystemer, kaskadeanlæg, skruekompressoranlæg, herunder forskellige economizer-systemer samt ORC-anlæg. Derudover er der i denne 3. udgave et afsnit, som gennemgår beregningsgangen for absorptionskøleanlæg.

Som udgangspunkt for dimensionering af anlæggene er det nødvendigt at starte ved kuldebehovet. Beregningen af dette er behandlet i kapitel 8 og 10.

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. Det er ikke bogens hensigt at give en tilbundsgående gennemgang af varmetransmissionen ved faseskift.

Der er i stedet udvalgt de mest gængse tilfælde, og der henvises så til speciallitteratur for videre bearbejdning.

Vi har denne 3. udgave gjort mere ud af at beskrive de driftsforhold, anlæggene bliver udsat for. I kapitel 4 og 9 er der set på samspillet mellem kompressoren og fordamperen hhv. regulering af køleanlæggets kapacitet.

Det har ikke været hensigten at skrive en bog med hovedvægten på den praktiske køleteknik, idet der her henvises til anden eksisterende litteratur.

Denne 3. udgave af bogen er resultatet af en gennemgribende revision af tidligere udgave (1998). Vi har lavet en del nye afsnit og tilføjelser igennem bogen. De vigtigste er CO2 -køleanlægget og dets specielle anlægsopbygning, som er beskrevet ved et selvstændigt afsnit, samt gennemgangen af absorptionskøleanlægget. Der er tilføjet flere eksempler, og mange af bogens eksempler er løst ved hjælp af beregningssoftwaren EES.

6

Forord

Første udgave af bogen blev til i 1995 ved et samarbejde mellem Søren Gundtoft og Aage Birkkjær Lauritsen. Søren Gundtoft har siden trukket sig ud af arbejdet med bogen, men bogens indhold og form er stadig også Sørens fortjeneste. I denne 3. udgave er Jens Brusgaard Vestergaard blevet medforfatter og har bidraget med flere afsnit.

Vi håber, bogen kan være til hjælp i undervisning og ved dimensionering og beregning af køleanlæg. Vi er opmærksom på, at bogen stadig kan forbedres og udbygges, så vi tager derfor meget gerne imod rettelser og kommentarer til indholdet.

Aarhus, februar 2018 Aage Birkkjær Lauritsen & Jens Brusgaard Vestergaard

Indhold Kapitel 1

Køleteknikkens betydning og opgave 15 1.1 1.2

Kapitel 2

Definition og afgrænsning af det køletekniske fagområde 15 Køleprincipper 17

Termodynamik 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.2 2.2.1 2.2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.5.6 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.7 2.8

25

Varme og arbejde, 1. hovedsætning 26 Lukket system 26 Åbent system 27 Energibalancer 27 Strategi ved opstilling af energibalancer 29 Beregning af energibidrag til energibalancer 30 Indre arbejde og friktion 30 Entropi, 2. hovedsætning 31 Entropi, T,s-diagram 32 Carnots kredsproces 33 Kompression og ekspansion 35 Kompression 35 Ekspansion 37 Varmetransmission 38 Varmeledning 38 Varmeovergang, konvektion 40 Varmegennemgang 43 Temperaturdifferens 46 Tilstandsdiagrammer og stofdata 48 Tilstandsændringer i p,v,T-diagram 48 T ,s-diagrammet 52 h,s-diagrammet 52 log p,h-diagrammet 53 Stofdata og tabeller 54 Værktøjer til beregninger på køletekniske anlæg 54 Fugtig luft 56 Lovmæssigheder og tilstandsstørrelser 56 h,x-diagrammet 59 Tilstandsændringer for fugtig luft 59 Litteratur 63 Eksempler 64

8

Indhold

Kapitel 3

Køleprocesser 3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4 3.5 3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.3 3.7 3.8 3.8.1 3.8.2 3.8.3 3.8.4 3.8.5 3.8.6 3.8.7 3.8.8 3.9

69

Ettrins-kompressionskøleanlæg 69 Kompressionskøleanlæggets virkemåde 69 Kølekredsprocessen i T ,s- og log p,h-diagram 74 Muligheder for forbedring af effektfaktoren 78 Valg af temperaturniveauer 78 Underkøling 79 Overhedning 80 Intern varmeveksling 82 Totrins-kompressionskøleanlæg 83 Åben mellemkøler (totrins-drøvling) 84 Lukket mellemkøler (ettrins-drøvling) 86 Bestemmelse af mellemtrykket, pm 89 Kaskadeanlæg 91 Economizer-anlæg 92 Køleanlæg med CO2 som kølemiddel 94 Ettrins-anlæg 96 Totrins-anlæg 97 De energitekniske beregninger for de viste CO2 -køleanlæg 98 ORC-anlæg 99 Absorptionskøleanlæg 101 De grundlæggende principper 101 Anlæggets opbygning 103 Kredsprocessen for et vand-LiBr-system 103 Anlægstyper 104 Beregninger på absorptionskøleanlæg 105 Beregning på systemet ved en stationær driftssituation 108 Praktiske problemstillinger ved drift af absorptionskøleanlæg 111 Eksempel på driftstemperaturer i et absorptionskøleanlæg 111 Eksempler 112

Indhold

Kapitel 4

Kompressionsprocessen 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5

Kapitel 5

5.3.1 5.3.2 5.4 5.5

Kapitel 6

139

Kompressortyper 139 Stempelkompressorer 140 Skruekompressorer 144 Scrollkompressorer 146 Turbokompressorer 147 Drejestempelkompressorer 148 Kapacitet og volumetrisk virkningsgrad 149 Volumetrisk virkningsgrad for stempelkompressorer 151 Volumetrisk virkningsgrad for skruekompressorer 153 Effektforbrug og virkningsgrad 153 Kompressorens energibalance 153 Kompressorens teoretiske effektforbrug og isentropiske virkningsgrad 154 Bestemmelse af kompressorens isentropiske og volumetriske virkningsgrader 155 Stempelkompressorens virkelige effektforbrug 158 Skruekompressorens virkningsgrad 159

Rørsystemer og ventiler 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3

9

161

Dimensionering af rørledninger 161 Beregning af tryktab 164 Tryktab i lige rørledninger 164 Tryktab i enkeltmodstande 166 Specielle forhold ved højdeændringer i anlæg og såkaldte risere 169 Højdeændringer 169 Risere 170 Tryktab i kølekredsprocessen 171 Software for beregning af tryktab i rørledninger 173

Kondensatorer og fordampere 177 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4

Dimensionering af fordampere og kondensatorer 178 Fordampere 180 Valg af fordampere 184 Varmeovergang i fordampere 186 Fordampning, udvendig (pool evaporation) 187 Fordampning, indvendigt i rør 190

10

Indhold

6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.5

Kapitel 7

Kølemidler 7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.1.6 7.1.7 7.1.8 7.2 7.2.1 7.2.2

Kapitel 8

229

Primære kølemidler 230 Inddeling af kølemidler 230 Krævede egenskaber 231 Vandopløselighed 233 Olieopløselighed 233 Vigtigste kølemidler 234 Naturlige kølemidler 237 CFC/ozon-problematikken 238 Kølemidlernes klima- og miljøpåvirkninger Sekundære kølemidler 241 Saltopløsninger 241 Glykoler 241

Instationær varmeovergang 8.1 8.2 8.2.1 8.3 8.4

Kapitel 9

Kondensatorer 195 Varmeovergang i kondensatorer 197 Kondensering, udvendigt på rør 198 Kondensering, indvendigt i rør 199 Overslagsberegninger 204 Temperaturforløb 204 U -værdier, erfaringstal 206 Eksempler 207

243

Nedkøling uden temperaturgradient 246 Nedkøling med temperaturgradient 249 Beregning af køling af en væg eller plade med temperaturgradient ved en analytisk metode 252 Specielle forhold ved faseskift (indfrysning) 255 Eksempler 260

Styring, regulering og overvågning 9.1 9.1.1 9.1.2 9.2 9.2.1 9.2.2 9.3

239

267

Regulering i kølemiddelkredsen 268 Reguleringsudstyr 268 Pumpecirkulation 275 Regulering af sekundært kølemiddel til kondensatoren 276 Kølevandsregulering 276 Regulering af køleluftstrømmen 277 Temperaturregulering 277

Indhold

9.4 9.4.1 9.4.2 9.5 9.5.1 9.5.2 9.5.3 9.5.4 9.6 9.6.1 9.6.2 9.6.3 9.7

Kapitel 10

Beregning af kuldebehov 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 10.10 10.10.1 10.11

Kapitel 11

Kapacitetsregulering af kompressorer 278 Motorer 278 Kapacitetsregulering 278 Afrimning 281 Luftafrimning 281 Elektrisk afrimning 282 Varmgasafrimning 282 Energiforbrug til afrimning 283 Sikkerhedsudstyr 283 Sikring mod overtryk 283 Sikring af olietryk 283 Sikring mod undertryk 284 Eksempler 284

Transmissionstab 294 Luftskifte 295 Døråbning 296 Nedkøling/frysning af varer 298 Gæringsvarme 299 Luftomrøring 299 Afrimning 300 Belysning 300 Personvarme 300 Energilagring 301 Termiske energilagre 302 Eksempler 306

Tabeller og diagrammer 11.1 11.2

Tabeller 313 Diagrammer 342

Symboloversigt Litteratur Stikord

293

349 353

345

313

11

Eksempeloversigt med sideangivelse 2.1

Anvendelse af energibalancer for komponenter og anlæg

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

Ettrins-NH3 -køleanlæg 112 Ettrins-køleanlæg med intern varmeveksler 115 Totrins-NH3 -køleanlæg med åben mellemkøler 117 Totrins-NH3 -køleanlæg med åben mellemkøler med tilsluttet kølerumsfordamper 120 Totrins-NH3 -køleanlæg med lukket mellemkøler 123 Skruekompressor, economizer-drift 127 Totrins-CO2 -køleanlæg til køl og frost 130 LiBr-vand-absorptionskøleanlæg 133

5.1

Økonomisk optimering

6.1

Beregning af varmeovergang og varmetransmitterende areal i en rørkedelfordamper med udvendig fordampning 207 Beregning af varmeovergangstallet ved indvendig fordampning i rør vha. Chawlas metode 209 Beregning af varmeovergangstallet ved indvendig fordampning i rør vha. Bo Pierres metode 212 Beregning af varmeovergangstallet ved udvendig kondensering 213 Luftkølet kondensator med overhednings- og underkølingszoner 213

6.2 6.3 6.4 6.5

64

174

8.1 8.2

Instationær varmeovergang ved nedkøling af budding 260 Køling af kugle i luft og vand 263

9.1

9.6

Referenceanlæg til sammenligning af reguleringsmetoder (nominel drift) 284 Anlæg omdrejningsreguleret til 50 % af kapaciteten (A) 286 Anlæg start/stop-reguleret til 50 % af kapaciteten (B) 287 Anlæg sugetryksreguleret til 50 % af kapaciteten (C) 287 Anlæg overhedningsreguleret til 50 % af kapaciteten (D) 289 Anlæg bypass-reguleret til 50 % af kapaciteten (E) 290

10.1

Beregning af kuldebehov for et mindre køleanlæg

9.2 9.3 9.4 9.5

306

1

Køleteknikkens betydning og opgave

1.1 Definition og afgrænsning af det køletekniske fagområde Køleteknikken er et selvstændigt område inden for maskinteknikken med en over 100 år gammel tradition. Den har udviklet sig progressivt i de sidste 60 til 70 år og har i dag stor betydning for konservering, separation og forædling af stoffer. Med opbygning af køleanlæg i fx kølehuse er køleteknikken også særligt knyttet til byggeteknikken.

Køleteknikken omfattede oprindeligt køling og frysekonservering af levnedsmidler og køling af drikkevarer såvel som fremstilling af is.

I dag er køleteknikken blevet uundværlig til mange formål inden for den kemiske og mekaniske teknologi, kryoteknikken (frysetemperaturer under ca. −120 °C), den farmaceutiske industri, medicinalindustrien og til klimatisering af arbejds- og fabrikationslokaler såvel som kontorbygninger (komfortkøling). Køleanlæg indtager således en særstilling inden for maskinelle anlæg.

Et køleanlæg er et energitransportanlæg. Anlæggets opgave er at transportere en varmemængde fra et lavt temperaturniveau til et højere niveau. For at opnå dette kræves, ifølge varmelærens 2. hovedsætning, at der tilføres en vis energimængde. Ethvert køleanlæg er derfor i teoretisk forstand en varmepumpe. Forskellen består i, om det er det lave eller høje temperaturniveau, der nyttiggøres. Af hensyn til den praktiske anvendelse er der indført følgende benævnelser:

16

Kapitel 1 Køleteknikkens betydning og opgave

Køleanlæg Fjerner varme fra et køle- eller fryserum (eller evt. fra en kuldebærer) og afsætter det til omgivelserne, således at der i rummet holdes en temperatur under omgivelsernes temperatur.

Varmepumpe Tilfører varme fra omgivelserne til en bygning, således at der i rummet holdes en temperatur over omgivelsernes temperatur.

Anvendelsesområder for køleteknikken omfatter på den kolde side temperaturområder fra de laveste temperaturer nær det absolutte nulpunkt (−273 °C) til omgivelsestemperaturer, og for teknologiske processer også over dette. Der kan underopdeles i fem anvendelsesområder, som delvist overlapper hinanden: Laveste temperatur, kryo, under –100 °C: Gaskondensering, lavtemperaturfysik, superlederformål, rumfartsforskning Lavtemperatur, fra −120 °C til –80 °C: Procesteknik, kemisk og mekanisk teknologi Lavtemperatur, fra −90 °C til –40 °C: Klimaprøverum, procesteknik, kemisk og mekanisk teknologi Mellemtemperaturer, fra −50 °C til +5 °C: Fryseteknik, levnedsmiddelkøling, procesteknik, kemisk og mekanisk teknologi Højere temperaturer, fra −5 °C til +60 °C (og højere endnu!): Klimaanlæg, varmepumper, tørreprocesser, proceskøling.

Anvendelse af køleanlæg kan opdeles i følgende hovedområder: Forarbejdning, konservering og lagring af levnedsmidler, fx inden for slagterier, mejerier, bryggerier, bagerier, og lign.

Produktionsprocesser inden for bearbejdning af råstoffer i den kemiske og petrokemiske industri Dæmningsbyggeri, tunnelbyggeri, skøjtehaller Klimatisering af produktionshaller, arbejdslokaler og kontorbygninger Køling af transportudstyr, fx køleskibe til frugttransport, tankskibe til LNG (flydende naturgas) og LPG (flydende flaskegas), kølecontainere mv.

Køleprincipper

17

Anvendelse af varmepumpeanlæg kan opdeles i følgende hovedområder: Opvarmning af boliger. Dette kan udføres som jordvarmeanlæg, luft til luft-anlæg, luft til vand-anlæg eller vand til luft-anlæg.

Varmegenvinding i forbindelse med procesanlæg. Her anvendes spildvarme til opvarmning andre steder i processen.

Store varmepumper i fjernvarmesystemer vinder frem. Overskudsstrøm kan anvendes til at hæve temperaturniveauet på fx spildvarme fra processer og dermed levere billig fjernvarme.

Hovedområder inden for drift og fremstilling af køleanlæg: Produktion af komponenter til køleanlæg Anlægsudførelse, herunder projektering, montage og service Forskning og udvikling.

1.2 Køleprincipper Der findes flere metoder til køling. I denne bog vil overvejende kompressionskøling med faseskift, dvs. fordampning af en væske, blive gennemgået i detaljer. Af andre metoder kan nævnes: Frysepunktssænkning Tilsættes fx kogesalt (NaCl) til en vand-is-blanding, sænkes frysepunktet for blandingen. Noget af isen vil derfor smelte, og hertil kræves varme, som fås ved afkøling af blandingen. Temperaturen kan teoretisk set sænkes mest ved det eutektiske blandingsforhold, hvilket med kogesalt svarer til ca. –21 °C med 22,4 masse% salt. Processen har i dag kun historisk interesse og er ikke længere interessant i praktisk sammenhæng.

Køleanlæg med luft som kølemiddel /1.1/ Et køleanlæg med luft som kølemiddel består i sin simpleste form af en kompressor, en varmeveksler og en ekspansionsmaskine, som det er vist på figur 1.1. Det bærende princip er således kompression, afkøling og yderligere afkøling ved ekspansion, men uden faseskift.

Udføres kompressor og ekspansionsmaskine oliefrit, kan luftprocessen med fordel udføres som en åben proces uden eksterne varmevekslere med de deraf resulterende energitekniske fordele.

18

Kapitel 1 Køleteknikkens betydning og opgave

7 3

2

varmeveksler

regenerator

qmL 6

4

qmL

Figur 1.1 Køleanlæg med luft som kølemiddel. Her til køling af en frysetunnel.

I regeneratoren anvendes returluften fra frysetunnelen som køleluft.

T

K

M

kompressor

turbine

Pel 5 luft

qmL

1 qmL frysetunnel

Luft har som kølemiddel nogle attraktive egenskaber, da der er tale om et naturligt kølemiddel, som både er ubrændbart og ugiftigt.

Samtidig er luft overalt tilgængeligt og nedbryder hverken ozonlaget eller bidrager til drivhuseffekten ved udslip.

Luftkøleanlæg blev frem til omkring 1910 brugt en del ombord på skibe.

Et af problemerne med køleanlæg med luft som kølemiddel har været, at det i mange tilfælde ikke er energimæssigt lige så effektivt som traditionelle køleanlæg. Dette skyldes, at de benyttede kompressions- og ekspansionsmaskiner har en lav virkningsgrad, hvilket har stor indvirkning på systemets virkningsgrad (effektfaktoren " eller COP (coefficient of performance)).

Med udfasningen af syntetiske kølemidler står luft imidlertid som et energimæssigt attraktivt alternativ ved temperaturer lavere end 50 C. I dag bliver luftkøleanlæg kun brugt til enkelte frysetunneler, luftkonditioneringsanlæg på fly og for nylig også til luftkonditioneringsanlæg i højhastighedstog. Moderne design af kompressor- og ekspansionssystemer har ved hjælp af avancerede computermodeller (fx CFD) forbedret virkningsgraderne betydeligt, så anlæggene er mere konkurrencedygtige, og det vil åbne nye muligheder for anlæggenes anvendelsesområder. Hertil kommer, at disse anlæg principielt kan bygges væsentligt enklere og muligvis mindre pladskrævende end traditionelle anlæg.

Køleprincipper

19

Absorptionskøling De vigtigste typer af absorptionskøleanlæg er hhv. lithiumbromidvand- og ammoniak-vand-anlæg. Princippet er vist på figur 1.2. drøvleventil

q

kondensator

koger

q

Figur 1.2 Absorptionskøleanlæg med cirkulationspumpe.

fordamper

drøvleventil

q

absorber

pumpe kølemiddel, fx R717 opløsning i H2O

Absorptionsanlægget består af fire hovedkomponenter: Koger, kondensator, fordamper og absorber. Desuden indgår en cirkulationspumpe og to drøvleventiler. I kogeren uddrives ammoniakken af den vandige vand-ammoniakopløsning (salmiakspiritusblanding) ved tilførsel af varme. I kondensatoren kondenseres ammoniakken ved samtidig afkøling. I fordamperen fordampes ammoniakken igen ved optagelse af varme fra omgivelserne, dvs. her foregår den nyttige proces. Endelig absorberes den nu dampformige ammoniak i absorberen af vandet, som kommer fra kogeren via cirkulationen. Kogeren, absorberen, pumpen og drøvleventilen svarer således til kompressoren i et kompressionskøleanlæg.

Som det ses, sker kuldeoptaget ved fordampning af kølemidlet, her ammoniak. I modsætning til et kompressionskøleanlæg med fordampning kræves ingen kompressor, men dog en cirkulationspumpe.

Det er en fordel at undvære kompressoren, da strømforbruget til at drive pumpen er lavt. Ulempen er lav systemvirkningsgrad " (defineret som kulde-/kogerydelse), og ved vand-LiBr-anlæg må temperaturen ikke komme under 0 °C. Princippet benyttes til luftkonditionering (høje fordampningstemperaturer) og til køling, hvor der er store mængder spildvarme til rådighed (til kogeren).

For beregning af absorptionsanlæg henvises til kapitel 3, afsnit 3.8.

20

Kapitel 1 Køleteknikkens betydning og opgave

Absorptionskøling efter von Platen/Munter En særlig udgave af absorptionsanlægget efter von Platen/Munter er vist på figur 1.3.

NH3-gas kon

den

r sato

hydrogen separator vand

ford

amp

er

opløsning af NH3 og vand

varmeveksler

køleribber abs

Figur 1.3 Absorptionskøleanlæg efter von Platen/Munter.

orbe

r

koger

varmestrøm

massestrøm

Anlægget består af de samme fire hovedkomponenter, men i modsætning til absorptionsanlægget på figur 1.2 benyttes her ingen cirkulationspumpe, og anlægget er således helt fri for mekaniske dele. Da det samtidig kan holdes helt hermetisk (ingen pakdåser), er vedligeholdelsen minimal. Anlægget fungerer ved følgende tre kredsløb: Kølemiddelkredsløbet Til kogeren strømmer en stærk opløsning af ammoniak (NH3 ) og vand.

Kogeren tilføres varme, og en opløsning af NH3 i vand strømmer til separatoren. Her skilles en svag opløsning af NH3 og vand fra, mens NH3 -gas strømmer til kondensatoren, hvor den kondenseres til væske.

Væsken strømmer videre til fordamperen, hvor der optages varme (kuldeydelsen) ved fordampning. NH3 -gas blandes med hydrogen og strømmer til absorberen (gennem en varmeveksler), hvor den absorberes i den svage opløsning af NH3 og vand og strømmer tilbage til kogeren.

Absorptionsmidlets (vandets) kredsløb Vandet strømmer sammen med NH3 som en stærk opløsning til kogeren. Her koges NH3 af, hvilket trækker vand med op i separatoren.

Her skilles den svagere opløsning fra og ledes tilbage til absorberen, hvor NH3 igen absorberes.

Køleprincipper

21

Hydrogenkredsløbet Ren hydrogen strømmer ind i fordamperen, hvor den blandes med den NH3 -gas, der dannes. Blandingen strømmer gennem varmeveksleren ind i absorberen, hvor NH3 absorberes. Hydrogen er kun et drivstof og strømmer tilbage til fordamperen igen. Formålet med iblandingen er at sænke fordampertrykket uden at tage del i absorptionsprocessen.

Det er muligt, fordi summen af partialtryk i fordamperen skal være hydrogens partialtryk plus partialltrykkene fra NH3 og vanddamp.

Ved at tilføre hydrogen sænkes absorptionsprocessens deltryk således, og fordampningstrykket holdes tilstrækkeligt lavt.

Varmen til kogeren kan komme fra et el-varmelegeme eller en gasflamme. Anlægsprincippet benyttes i dag til campingformål (hvor der som varmekilde hurtigt kan skiftes mellem flaskegas, 12 V DC eller 240/110 V AC).

Tryktab overvindes alene ved hjælp af termik og tyngdekraft. For yderligere oplysninger henvises til ref. /1.2/ side 633-636.

Peltier-element Peltier-elementets princip er vist på figur 1.4a. e [mV]

ventilator

4

Figur 1.4 Peltier-køling. a) Måling af temperatur med termoelement. b) Køling med flere Peltier-elementer.

tvarm

M t [°C]

100 Cu e

V

t Cu

b)

kølezone

tkold

konstantan a)

t0= 0 °C

Elementet består af to metalliske ledere af forskelligt metal, som er loddet sammen. Hvis de to loddepunkter holdes ved forskellig temperatur, vil der løbe en veldefineret strøm i lederen (som giver sig udslag i en spændingsforskel over voltmeteret V). Dette princip benyttes til temperaturmåling (termoelement).

Sendes omvendt en strøm gennem lederen, vil det ene loddepunkt blive varmt og det andet koldt. Effekten kan forstærkes ved at koble elementerne i serie, som det er vist på figur 1.4b.

Peltier-elementets store ulempe er den ringe virkningsgrad, som er ca. 10-20 % (dvs. køleydelse i forhold til elforbrug). Blandt fordelene er, at de er små og der er ingen mekaniske dele. Peltierelementer benyttes bl.a. til køling af mikroskoper, computere og til køling af campingkøletasker.

22

Kapitel 1 Køleteknikkens betydning og opgave

Dampejektorkøling af vand Til køling af vand, dvs. til temperaturer over frysepunktet, kan man benytte et køleanlæg baseret på anvendelse af damp ved højt tryk og en ejektor. Et principdiagram er vist på figur 1.5, der er hentet fra ref. /1.3/.

Kompressionen sker i en dampdrevet ejektorkompressor med damp fra en dampkedel. Atmosfærisk luft, som uundgåeligt vil trænge ind i anlægget, fjernes med to ligeledes dampdrevne ejektorkompressorer.

damp damp

dyse

sekundær ejektor

luft

blanderør diffusor

fordamper

kondensator 38 °C, 510 Pa

4 °C, 64 Pa varme

Figur 1.5 Principdiagram af dampejektor-køleanlæg.

spædevand

kølevand

til kedel

I fordamperen fordamper vand ved lavt tryk og temperatur, hvilket foregår ved tilførsel af varme. Den dannede damp suges væk, så trykket og dermed den ønskede fordampningstemperatur opretholdes.

Fra kompressoren strømmer vanddamp ved et højere tryk til kondensatoren, hvor vanddampen kondenserer ved højere tryk og temperatur.

Herved afgives varme.

En væsentlig forskel til et traditionelt kompressionskøleanlæg er, at der her ikke er temperaturdifferenser i fordamper og kondensator.

Det kolde vand kan cirkuleres direkte til et procesanlæg som kølevand uden en varmeveksling, som det er tilfældet, hvis fx et ammoniakkøleanlæg skal anvendes til at køle vand. Det samme gør sig gældende på kondensatoren. Dette gør, at anlæggets effektfaktor derved øges.

Køleanlæg med vand som kølemiddel Ved anvendelsen af vand som kølemiddel er en af udfordringerne, at vanddampen ved de meget lave tryk har et meget stort volumen, og kompressoren skal derfor være stor. Der udvikles i dag på aksialkompressorer, som kan transportere de store gasmængder. Et eksempel på et sådant anlæg er vist på figur 1.6.

Køleprincipper

12 °C fordamper

6 °C 930 Pa

20 °C

Figur 1.6 Principdiagram af køleanlæg med vand som kølemiddel.

7 °C

aksialkompressor

23

25 °C kondensator

køletårn

30 °C 4250 Pa

31 °C

atmosfæretrykt

9 °C varmeveksler

Sublimation af fast stof Ved meget lave tryk (under tripelpunktet) vil fast stof ved tilførsel af varme ikke smelte til væske og senere fordampe, men gå direkte fra fast stof til dampfasen. Processen kaldes sublimation og kendes bl.a. fra kuldioxid (CO2 ), der ved atmosfæretrykket er under tripelpunktet og derfor ikke kan findes på væskeform, men går direkte fra tøris til gas. Processen kan udnyttes til køling gennem udnyttelse af sublimationsvarmen.

Frikøling Ved frikøling forstås udnyttelse af gratis køling fra forskellige kølekilder, herunder udeluft, jorden eller grundvand og havvand. Det er muligt, når den ønskede køletemperatur er højere end kildens temperatur, som for de fleste varierer over året. Kombinationen af de to temperaturer bestemmer, hvor stor en del af kølebehovet, der kan dækkes ved frikøling. Fx kan udeluft klare komfort- eller IT-køling en stor del af året, mens industrielle processer med høje temperaturer kan frikøles med udeluft hele året. Brug af havvand til køling i specielt vintermånederne har vundet meget frem i de senere år, ligesom havvand til køling af kondensatoren anvendes i sommermånederne. Begge dele udnyttes i kommerciel fjernkøling.

Man kan evt. anvende det, man kan kalde partiel frikøling, hvor man enten kører 100 % frikøling eller 100 % mekanisk køling og derimellem.

Der er selvsagt store energimæssige besparelser og dermed store penge at spare ved anvendelse af frikøling, da der kun er energiforbrug til pumper og/eller ventilatorer.

3

3. UDGAVE

Termodynamisk grundlag . Beregning . Dimensionering

Denne lærebog giver en grundig indføring i køleteknikkens teoretiske grundlag, som hviler på de termodynamiske principper om energi- og massebalance i kredsprocesser. I kapitlerne om komponenter, styring og beregning af kuldebehov benyttes teorien til anvendelsesorienteret beregning og dimensionering af køleanlæg fra A-Z. Bogen omhandler overvejende kompressionskøling med faseskift og belyser de almindeligt forekommende beregningsrutiner.

Hovedparten af kapitlerne afsluttes med eksempler, som folder teorien ud og understøtter tilegnelsen af stoffet. Bogen er rigt illustreret, herunder med gode anlægs- og tilstandsdiagrammer.

Tabellerne og diagrammerne i det sidste kapitel udgør et nyttigt opslagsværk.

Målgruppen er primært studerende ved de videregående tekniske uddannelser samt ingeniører, der arbejder med køleteknik.

Tredje udgave er kritisk gennemgået og tilrettet. Der er tilføjet nye afsnit om bl.a. CO2-køleanlæg samt flere eksempler, og der er gjort mere ud af de praktiske driftsforhold, herunder samspil og regulering. Mange af eksemplerne er løst ved hjælp af beregningssoftwaren EES (Engineering Equation Solver). Endelig er bogen blevet opdateret med et helt nyt layout.

ISBN 978-87-571-2896-3

9 788757 128963

praxis.dk

varenr. 54003-1

Termodynamisk grundlag · Beregning · Dimensionering

Køleteknik er et selvstændigt område inden for maskinteknikken med en lang tradition. Køleanlæg transporterer varme fra et lavt til et højt temperaturniveau og bliver anvendt til mange proces- og komfortformål.

Køleteknik

Køleteknik

Aage Birkkjær Lauritsen og Jens Brusgaard Vestergaard

3. udgave

Køleteknik

Termodynamisk grundlag . Beregning . Dimensionering

Praxis – Nyt Teknisk Forlag