Sammanställning av Laborationer inom ämnet Energiteknik vilka ges vid kurser på TFE

Transkript

1 Umeå Universitet September 2003 Institutionen för tillämpad Fysik och Elektronik Anders Åstrand Sammanställning av Laborationer inom ämnet Energiteknik vilka ges vid kurser på TFE

2 Innehåll Hot-Box 2 Koaxialvärmeväxlare 3 Luftflödesmätningar 4 Luftbehandlingsaggregat 5 Motorprovbänk 6 Peltonturbin 7 Pumpbänk, serie och parallell drift 8 Pumplaboration, Industripump 9 Pumplaboration, shaft deflection 10 Solfångare 11 Strömningsförluster i rör 12 Teknikhusets ventilationsaggregat La Turbojetmotor 14 Värmeledning i cylindrisk kropp 15 Värmepump Carrier 16 Värmelagring (under utv) 17 Bestämning av ångbildningsentalpi 18 Kylmaskin/värmepump 19 Varmluftsmaskin typ stirling 20 Energiformer 21 Värmeledning i plexiglas 22 1

3 Hot-Box 2 exemplar Utrustningen består av en Hot-Box, vilken har fyra utbytbara väggsektioner av olika material och tjocklek. Som värmekälla inne i Hot-Boxen används en 60W glödlampa. Övrig utrustning är en temperaturregulator, ett flertal förmonterade termoelement av typ T samt en flatbäddskrivare. Mätdata loggas med hjälp av en Datataker DT100 och mjukvaran Decipher samt en PC. Syftet med laborationen är att vara ett komplement till de teoretiska kunskaper som kursen förmedlat i övrigt. Hot-Box är ett tillämpat moment för att öka förståelsen för betydelsen av en byggnadsdels U-värde. Uppgiften är att bestämma olika byggnadsdelarnas U-värde samt de olika materialens värmeledningsförmåga λ. I laborationen ingår även att studera betydelsen av ett byte från en- till tvåglas fönster, med avseende på energianvändningen. Figur 1 Bilden visar en s.k. Hot-Box, dess temperaturregulator samt en flatbäddskrivare som används vid laborationen. 2

4 Koaxialvärmeväxlare 2 exemplar Utrustningen består av en ca 3 m lång koaxialvärmeväxlare, vilken kan kopplas för motströms respektive medströms vattenflöde. Termometrar finns monterade i dykrör på olika platser i värmeväxlaren, och det finns svävkroppsmätare för flödesmätning. Studenterna skall studera begreppen värmegenomgångstal (U) och temperaturverkningsgrad (η) för en värmeväxlare och bestämma dess beroende av flödesriktning och flödeshastighet. Figur 2 Bilden visar koaxialvärmeväxlaren med termometrar och dess svävkroppsmätare. Ansluts till varm respektive kallvattenkrannen. 3

5 Luftbehandlingsaggregat 2 växlare kan köras samtidigt Laborationsutrustningen består av tre verkliga ventilationsaggregat, en med en korsströmsvärmeväxlare, en med en roterande växlare och en med en sk heat pipe växlare. Det finns möjlighet att köra två av systemen samtidigt, och de är naturligtvis kopplade till uteluft. Till de tre aggregaten finns en del mätutrustning anslutet eller tillgängligt, bl.a. ett flertal termoelement som är anslutna till en dator via en datalogger och utrustning för att mäta luftflöde Studenterna ges möjlighet att studera verkliga aggregats utseende, funktion och uppbyggnad. Luftlödet mäts med exempelvis Prandtl-rör, varmtrådsanemometer, vinghjulsanemometer och s.k. Q-dysor som finns inmonterade i aggregaten. Man bestämmer temperaturverkningsgrad och UA-värde med såväl NTU-metod som med den logartritmiska medeltemperaturen. Figur 3 Bilden visar en uppställning med den roterande värmeväxlaren inkopplad. 4

6 Luftflödesmätningar Ett exemplar Utrustningen är monterad på två ihopsatta bord och är relativt lång. Den består av en fast uppställning inkluderade radialfläkt, frekvensomvandlare för varvtalsreglering, rör utformat som ett stort venturirör med uttag för differenstryckmätning, anubar samt ram för mätning med påsmetoden. Övrig utrustning som används är Prandtlrör, precisionsmanometer, U- rörsmanometer, varmtrådsanemometer, vinghjulsanemometer, påsar (2 storlekar) samt ett venturirör av glas för mätning vid utlopp. Målsättningen är att studenterna skall prova olika mätmetoder för luftflödesmätningar och att utvärdera dessa. Eftersom rören är transparenta så kan de kan bland annat studera hur pass känsliga olika mätmetoder är för anströmningsvinkeln. Figur 4 Bilden visar laborationsuppställningen för luftflödesmätningar. Mätgivare är ej monterade. 5

7 Motorprovbänk Ett exemplar För laborationen finns en färdig motorprovbänk för belastningsprov. Belastningen görs med hjälp av en generator som belastas med hjälp av en likspänningskub. Övrig utrustning är varvräknare, U-rör för mätning av undertryck i insugningskanalen samt mätglas för bränsleförbrukning, hörselkåpor och tidtagarur. Laborationen syftar till att ge ökad praktisk förståelse för vissa i teorin tidigare behandlade begrepp rörande förbränningsmotorer. Genom att utföra ett prestandaprov på motorn så kan exempelvis effekt och moment diagram konstrueras. Man bestämmer även motorns verkningsgrad, den specifika bränsleförbrukningen samt fyllnadsgrad. Figur 5 Bilden visar motorprovbänken med en luftkyld 4-taktsmotor inkopplad. Likspänningsaggregatet för belastning är ej med på bilden. 6

8 Peltonturbinen Ett exemplar Med utrustningen kan man studera Peltonturbinens arbetssätt, variera fallhöjd, flöde och belastning. Belastning sker med hjälp av en trumbroms. Vattenflödet mäts med hjälp av en Thomson-skibord. En uppgift vid laboration kan vara att bestämma hur kraften på skovlarna varierar med avloppshastighetens riktning för en vald ineffekt. Det går också att studera hur turbinens uteffekt och verkningsgrad varierar med avloppshastighetens riktning. Figur 6 Bilden visar Peltonturbinen med tank och pump. Genom fönstret kan strålens riktningsändring efter kontakt med skoveln studeras. 7

9 Pumplaboration, Industripump Ett exemplar Laborationsutrustningen är en fast uppställning med cenrifugalpump, frekvensomvandlare, manometrar, tank och rörsystem med flödesmätare och ventiler. Övrig utrustning som behövs är fototakometer, talmeter och brevvåg. Övningen kan bestå i att ta upp data för bestämning av pumpkaraktäristik och/eller att studera varvtalsreglering respektive strypreglering. Målsättningen är att studenterna skall få en ökad förståelse för olika begrepp, såsom uppfodringshöjd, strypförluster mm samt de energibesparingar som kan nås genom val av olika reglermetoder. R G A GP GP Moment M Elmot or M Brevv Figur 7 Schematisk skiss av laborationsuppställningen.. Figur 8 Bilden visar den gula industripumpen med tank och frekvensomvandlare. 8

10 Pumplaboration, serie och parallelldrift Ett exemplar Uppställningen består av en rostfri tank rymmande 0,75m 3 vatten ovanpå vilken två stycken centrifugalpumpar är monterade. Rörsystemet består av genomsynliga plexiglasrör, ventiler och svävkroppsmätare. Genom att ställa in ventilerna i systemet så kan pumparnas drift ske i serie eller parallell drift. Det finns även möjlighet att med hjälp av den första pumpen driva den andra baklänges, dvs som turbin. För att kunna bestämma momentet för den drivande kraften så är en skivbroms monterad på utgående axel. Den bromsade kraften läses av på en våg via en momentarm. Figur 9 Bilden visar tanken med dess två pumpar och frekvensomvandlare. 9

11 Pumplaboration, shaft deflection Ett exemplar Denna laborationsuppställning kan användas på samma sätt som laborationen Industripump men huvudsyftet är att kunna studera utböjningen av pumphjulsaxeln. Laborationsutrustningen är en fast uppställning med cenrifugalpump, frekvensomvandlare, manometrar, tank och rörsystem med flödesmätare och ventiler. Förutom manometrar anslutna på tryck respektive sugsida så har den fem manometrar anslutna till olika punkter i pumphusets snäcka. Dessa är monterade 45º, 90º, 135º, 270º samt 315º från den sk tungan (cut water) i rotationsriktningen räknat. Pumpen drivs av en elmotor via en tandrem med ett visst utväxlingsförhållande. Övrig utrustning som behövs är fototakometer, talmeter och brevvåg. Övningen kan bestå i att ta upp data för bestämning av pumpaxelns utböjning, pumpkaraktäristik och/eller att studera varvtalsreglering respektive strypreglering. Målsättningen är att studenterna skall få en ökad förståelse för olika begrepp, såsom uppfodringshöjd, strypförluster mm samt de energibesparingar som kan nås genom val av olika reglermetoder. Figur 10 Bilden visar pumpuppställning med tank och frekvensomvandlare. Pumpen drivs av en elmotor med hjälp av en tandrem med utväxling. 10

12 Solfångare Ett exemplar Tre stycken solfångare är placerade på Teknikhusets tak på ett sådant sätt att man enkelt och tryggt kan stå kring dem med grupper av studenter. Det tre typerna av solfångare är dels tre vacuumrör av typ Mazdon heatpipe, en solfångare i vilken består av fyra st seriekopplade absobatorer från TeknoTerm, samt en tredje som är av fabrikatet Lartec i vilken värmebäraren går i en tunn vattenspalt mellan två rostfria plåtar. De tre olika typerna av solfångare som finns i uppställningen ger på ett enkelt sätt möjlighet till jämförande av prestanda, optimering av flöden mm. Exp Solfångare Ovan tak Ovan tak Aerotemper, kan förbikopplas Ack Exp Radiator Figur 11 Visar en förenklad systemritning för solfångarsystemet. Figur 12 Bilden visar de tre solfångarna på Teknikhusets tak. 11

13 Strömningsförluster i rör 2 exemplar En fast uppställning bestående av ett rörsystem bestående av raka rör och rörkrökar, en kulventil samt ett par svävkroppsmätare. Mätpunkter i form av T-rör vilka är anslutna till stigarrör via slangar. Med hjälp av uppställningen kan man mäta tryckskillnader, uttryckt i meter vattenpelare, mellan en mängd olika punkter i ett rörsystem med strömmande vatten. Vattnets volymflöde genom rörsystemet kan mätas med hjälp av svävkroppsmätarna. Syftet med laborationen är att i praktiken visa på det strömningsmotstånd som uppstår när en vätska strömmar genom ett rörsystem bestående av raka rör och rörkrökar och ventiler. Figur 13 Bilden visar en del av laborationsuppställningen för studier av förluster vid rörströmning i rakrör, krökar och ventiler. 12

14 Teknikhusets ventilationsaggregat LA002 Teknikhuset har bland annat två stora ventilations och luftbehandlingsaggregat i källarens fläktrum. Dels ett system med en roterande värmeväxlare, dels ett system med vätskekopplade batterier. Studenterna ges möjlighet att studera en större luftbehandlingsanläggning och samtidig fä kännedom om de olika anläggningsdelarnas utseende, funktion, placering och utrymmeskrav. Studenterna skall rita ett fullständigt flödesschema för anläggningen med de vätskekopplade batterierna. Genom mätning med bland annat ett Prandtl-rör skall aktuella driftsförhållanden och batteriets verkningsgrad bestämmas. Figur 14 Del ur driftkort för luftbehandlingsaggregat LA002 i Teknikhusets källare 13

15 Turbojetmotor Ett exemplar För denna laboration finns en komplett provbänk tillverkad av Turbine Technologies Ltd i Chetek, Wisconsin, USA. En turbojet motor som körs på flygbränsle eller vanlig fordonsdiesel är monterad på ett stativ innanför en huv av stål med ett fönster av kraftig polykarbonatplast. Motorn är utrustad med givare för tryck och temperaturer samt lastcell för mätning av dragkraft. Start sker med hjälp av tryckluft, tomgångsvarvtalet är ca rpm och max varvtal ca 90000rpm. Syftet med laborationen är att ge förståelse för den principiella funktionen hos en gasturbin samt att baserat på verkliga mätdata tillämpa teoretiska samband för bestämning av turbojetmotorns prestanda. Med detta menas kompressor- och turbinarbete, kompressorverkningsgrad och dragkraft, vid olika varvtal. Figur 15 Bilden visare en genomskärning av turbojet motorn och dess tryck och temperaturgivare. Figur 16 Bilden visar laborationsuppställningen med turbojet motorn. 14

16 Värmeledning i en fast cylindrisk kropp 3 exemplar Mätningarna görs på en plastcylinder i centrum av apparaten. Värme tillförs cylinderns centrum genom att man sänder elektrisk ström genom en manganintråd som är lindad på pyrofyllit (lavamaterial). Behållaren fylls med en blandning av vatten och is, vilket gör att cylinderns mantelyta får en temperatur på ungefär 0 C. I cylindern är ett antal hål borrade på olika avstånd från centrum. Uppgiften består i att undersöka teoretiskt hur temperaturen varierar i en cylindrisk stav då temperaturen är högre i centrum än ute på mantelytan när så kallat stationärt tillstånd (dt/dt = 0) har inträtt. Studenterna skall bestämma värmeledningstalet (värmekonduktiviteten) k för plexiglas/pvc, samt studera ett uppvärmnings- respektive avsvalningsförlopp. Figur 17. Apparaturen i genomskärning. och mätcylindern sedd uppifrån Figur 18 Bilden visar de tre olika uppställningarna med cylindrar i olika material. 15

17 Värmepump Carrier Ett exemplar Utrustningen består av en värmepump av typen Carrier 30QD 009 med en 14kW kompressor. För att kunna köra värmepumpen utan att ha tillgång till vare sig lämpliga media att ansluta till såväl förångare som kondensor, är systemet modifierat. De delar av utrustningen som är monterat utanför värmepumpens skåp får ersätta exempelvis en markslinga och ett radiatornät. Det finns fjorton stycken termoelement av typen K inmonterade i systemet och för temperaturmätning används en digital termometer för dessa. Den här värmepumpslaborationen är ett blindtest där inga komponenter är förklarade eller utmärkta. Tanken är att studenterna själva genom att följa värmepumpens process "rör för rör" skall finna alla komponenter och därigenom kompletteras den teoretiska bild av en värmepumps kretsprocess som förmedlas via olika läroböcker. Genom att studera processen i en värmepump och att under drift mäta temperaturer på olika punkter i systemet kan kretsprocessen ritas in i ett fasdiagram. Laborationen är ett uppskattat tillfälle till att studera en kommersiell värmepump och dess komponenters verkliga utseende Figur 19 Bilden visar Carrier värmepumpen som delvis är ombyggd för laborationsändamål. 16

18 Värmelagring (under utveckling) Utrustningen kommer att bestå av ackumulatortanken i solfångarsystemet och en elektrisk värmare samt en plattvärmeväxlare kopplad till kallvattennätet, samt ett enkelt radiatorsystem. I ackumulatortanken sitter termoelement av typ T inkopplade för att man skall kunna studera skiktning. Tanken skall kunna laddas med hjälp av solfångarna eller den elektriska värmaren. Urladdning kan ske med hjälp av radiatorn eller ev med hjälp av plattvärmeväxlaren. Från solfångar systemet Ack Exp Radiator Till solfångar systemet Kallvatte Till radiator Valmöjlighet av solvvx, alt seriekoppling Förstoring av ackumulatortanken Figur 20 Visar en förenklad systemritning över ackumulatortankens inkoppling. Fullständig systemritning se figur 11. Figur 21 Bilden visar ackumulatortanken, radiatorn,värmepatronen och värmeväxlaren. 17

19 Bestämning av ångbildningsentalpi 2 exemplar Uppställningen består av en kokare, som kan evakueras till önskat tryck, en vattenkylare, en kvicksilvertermometer samt en manometer. Uppgiften består i att bestämma ångbildningsentalpin för en okänd vätska i ett visst tryckintervall, samt identifiera vätskan med hjälp av litteraturdata. Syftet med laborationen är att vara ett komplement till teorin bakom Clapeyrons ekvation och fasövergångar. Fig 22 Bilden visar kokaren med vattenkylare och termometer till höger och manometer i mitten. 18

20 Kylmaskin/värmepump 2 exemplar kyl/värmepumpanläggningen består av en kompressor, kondensor, expansionsventil och förångare. I denna slutna krets cirkulerar köldmedium R134a. Till uppställningen hör också två stycken isolerade vattentankar. Med hjälp av slangar och en dränkbar cirkulationspump cirkulerar vatten mellan dessa tankar. I den övre tanken finns tre stycken elvärmare för önskad värmebelastning och den nedre tanken innehåller koaxialförångaren. Till den vattenkylda koaxialkondensorn kopplas en kallvattenslang. Temperaturer på vatten- och köldmedieflöden mäts med 10 st Pt-100 givare. Dessa är kopplade till en omkopplare med vars hjälp fyrpolsmätning kan göras. Trycken mäts med sex stycken tryckgivare och flödena med hjälp av rotameter samt tidtagarur och mätglas. Spänning och ström mäts med multimeter och amperemeter. Uppgiften är att bestämma anläggningens olika köld- och värmefaktorer samt förångar-, kondensor- och kompressoreffekterna. Syftet med laborationen är att visa hur en verklig kylmaskin/värmepump ser ut och fungerar samt förstå dess huvuddelar. Fig 23 Bilden visar kyl/värmepumpanläggningen och vattentankar, cirkulationspump, tryckmätare och rotameter. 19

21 Varmluftsmaskin typ stirling 5 exemplar Utrustningen består av en stirlingmaskin, med två utbytbara toppar, en med värmespiral och en med ett vattenprov. Till utrustningen hör lampa, pv-indikator, stroboskop, vikter att belasta motor med samt en hjälpmotor. Temperaturer i vattenprov samt värmespiral mäts med termoelement typ cromel-alumel och dessa loggas med hjälp av en flatbäddskrivare. Hjälpmotorn kan köra stirlingmotorn både med- och moturs. Genom att använda sig av toppen med vattenprovet kan stirlingmotorn gå som kylmaskin och värmepump. Med glödspiral, utan hjälpmotor, körs den som varmluftsmotor. Uppgiften är att bestämma termisk- och nyttig verkningsgrad för varmluftsmotorn samt storleken på förlusterna i stirlingcykeln. För kylmaskin/värmepump gäller det, förutom att bestämma kolvarnas rörelse relativt pv-diagram, även bestämma momentan underkylning samt studera frysnings- och upptiningsförloppet. Syftet med laborationen är att bli förtrogen med kretsprocesser, pv-diagram, verkningsgrad, kylmaskin, värmepump och varmluftsmotorer. Fig 24 Bilden visar stirlingmotor kopplad till hjälpmotor samt belastad med vikter. 20

22 Energiformer 1 exemplar Uppställningen består av en 4-takts bensinmotor, en elgenerator samt en varmvattenberedare. Övrig utrustning är spänningsaggregat GPS 3030, laddningsförstärkare modell 462A samt termoelement, tidtagarur och tändstift med piezoelektrisk tryckgivare. Mätdata loggas med 3 stycken HP34401 multimeters, 2 stycken HP53131 universalräknare, en GDM391A multimeter och ett HP54622A minnesoscilloskop. Med hjälp av ett elverk (4-takts Ottomotor och elgenerator) samt en varmvattenberedare studeras omvandlingen mellan fyra olika energiformer: kemisk, mekanisk, elektrisk samt termisk energi. Även 4-taktsmotorns arbetscykel studeras. Uppgiften är att bestämma de verkningsgrader som erhålls mellan energiomvandlingarna. All mätdata bearbetas i Origin. Syftet med laborationen är att få en förståelse för de energiförluster som uppstår mellan olika energiomvandlingar, samt även få en inblick i 4-taktsmotorns arbetscykel. Fig 25 Bilden visar ottomotorn i mitten. Till vänster ser man varmvattenberedaren. Mellan varmvattenberedare och ottomotor syns generatorn. 21

23 Värmeledning i plexiglas 3 exemplar Utrustningen består av ett litet kärl med isvatten. I kärlet finns en cylinderformad plexiglasbit med en värmespiral i centrum och ett antal hål borrade på olika avstånd från centrum. Temperaturerna i plexiglasbiten mäts med termoelement typ cromel-alumel och dessa loggas med hjälp av en flatbäddskrivare. Uppgiften är att bestämma värmekonduktiviteten för plexiglas samt studera uppvärmningsoch avsvalningsförloppet. Syftet med laborationen är att, förutom att vara ett komplement till de teoretiska kunskaper som kursen i övrigt förmedlat, ge kunskap om hur mätdata behandlas med feluppskattningar och felberäkningar. Fig 26 Bilden visar plexiglaset i kärlet samt spänningskälla och flatbäddskrivare som används vid laborationen. 22