UMEÅ UNIVERSITET Fysiska institutionen Leif Hassmyr ENERGIFORMER

Transkript

1 1 UMEÅ UNIVERSITET Fysiska institutionen Leif Hassmyr ENERGIFORMER

2 2 UGIFT Att med hjälp av en motorbänk bestående av ett elverk (4-takts Ottomotor och elgenerator) samt en varmvattenberedare studera omvandling mellan 4 olika energiformer: 1. Kemisk Energi 2. Mekanisk Energi 3. Elektrisk Energi 4. Termisk Energi Försök 1: Att med mätsignalen från en piezoelektrisk tryckgivare, inmonterad i motorns tändstift, med hjälp av ett minnesoscilloskop mäta trycket som funktion av tiden och från dessa data beräkna och rita upp ett pv-diagram för Ottomotorns 4-takts cykel samt bestämma Ottocykelns termiska arbete med hjälp av pv-diagrammet. Försök 2: Att från mätdata beräkna de energier per tidsenhet (effekter) som erhålls vid omvandlingen mellan de olika energiformerna, samt beräkna verkningsgraderna vid dessa omvandlingar i Ottomotorn, generatorn och varmvattenberedaren. Att med hjälp av resultat från försök 1 och 2 rita ett effektfördelningsschema enligt nedanstående figur. Ange effekterna i Watt och rita pilarnas bredd i proportion till effekten. in Ottomotor Generator Varmvattenberedare ut Figur 1. Effektfördelningsschema

3 3 LITTERATUR Michael J. Moran and Howard N. Shapiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 3rd ed. (SI-version), 1996 INLEDNING Värmemotorns uppgift är att omvandla den kemiskt bundna energin i bränslet till mekanisk energi. Detta sker genom förbränning av bränslet. Själva energiomvandlingen kan ske på två sätt: 1. Förbränning utanför motorn 2. Förbränning inom motorn Exempel på motorer av det första slaget är kolvångmaskiner, ångturbiner och Stirlingmotorer. I dessa motorer uppstår energiförluster genom de avgående heta avgaserna och genom strålnings- och ledningsvärme, när värmeenergin skall transporteras in till motorn. I motorer av det andra slaget undviks en del av de ovan nämnda förlusterna och bränslet kan således utnyttjas bättre. Detta har gjort att motorer med inre förbränning har fått en vidsträckt användning, speciellt som framdrivningsmaskin för fordon av olika slag, mopeder, motorcyklar, bilar, tåg, traktorer och båtar samt motordrivna verktyg av olika slag, motorsågar, bergborrmaskiner, pumpar, lantbruksmaskiner och elgeneratorer. Förbränningsmotorns starka ställning beror på en mängd faktorer, såsom god bränsleekonomi, relativt liten vikt, enkla startförberedelser osv. Så länge lämpliga bränslen finns att tillgå, torde förbränningsmotorn behålla sin ställning inom de flesta av ovannämnda användningsområden. I denna laboration skall vi studera hur den vanligaste typen av förbränningsmotor, 4- takts Ottomotor, omvandlar den kemiska energin i bensin till mekanisk energi. Vi skall dessutom studera hur denna mekaniska energi omvandlas till elektrisk energi i en generator och därefter till termisk energi i en varmvattenberedare. TEORI Ottomotorn är en kolvmotor, där en bränsleluftblandning komprimeras och antänds av en elektrisk gnista. Bränslet utgörs vanligen av bensin, som vid förgasarmotorer uppblandas med luften i en förgasare, eller vid insprutningsmotorer insprutas i motorns cylindrar eller i insugningsledningen. Ottomotorn indelas i 2 huvudgrupper; 2-takts motorer 4-takts motorer beroende på antal takter som erfordras för fullbordande av ett arbetsförlopp.

4 4 I tvåtaktsmotorn sugs bränsleluftblandningen in i cylindern och komprimeras under första takten. Under andra takten sker expansion och uttömning av förbränningsgaserna ur cylindern. Två takter, dvs. ett varv hos vevaxeln, erfordras för att fullborda ett arbetsslag. I fyrtaktsmotorn sugs bränsleluftblandningen in i cylindern under första takten och komprimeras under andra takten. Under tredje takten sker expansion, och under fjärde takten sker utblåsning. Fyra takter, dvs. två varv hos vevaxeln, erfordras för att fullborda ett arbetsslag. FÖRSÖKSUSTÄLLNING Figur 2. Motorbänk Motorbänkens 3 huvuddelar är: 1. 4-takts Briggs & Stratton Bensinmotor, 3,7 kw (5 hk) 2. Elgenerator (230V, max. effekt 2.6kW) 3. Varmvattenberedare (2 1,0 kw, 230 V) För ytterligare data hänvisas till fabrikanternas datablad. (I pärm vid motorbänken).

5 5 MÄTUTRUSTNING Figur 3. Mätutrustning 3 st. H34401 multimeter: T (spänningssignal från termoelement, µv), vridmoment (mv), generatorspänning (230V) 2 st. H53131 universalräknare: varvtal(hz), flöde(hz) 1 st. GDM391A multimeter: Generatorström (10A) 1 st. Spänningsaggregat GS 3030: Drivspänning till givarna (15V) 1 st. H54622A Minnesoscilloskop: Tryck (spänningssignal från laddningsförstärkaren), tid 1 st. Laddningsförstärkare model 462A: Omvandling av piezoelektriska tryckgivarens laddningssignal till spänning. 1 st. Tändstift med piezoelektrisk tryckgivare: 1 st. tidtagarur: BNC/banan-kablar, banankablar, skyddade banankablar

6 6 EXERIMENTUTFÖRANDE - FÖRSÖK 1 Instruktion till upptagning av pv-diagram på Ottomotor. 1. Kontrollera att mätinstrumenten är inkopplade enligt instruktion i pärm vid motorbänken. Figur 4. Kalibreringsdiagram för piezoelektrisk tryckgivare. Laddningen Q som funktion av trycket p. Inställning av laddningsförstärkare model 462A: U ut = -Q in / C f (1) (Q in = den laddning som skapas i den piezoelektriska tryckgivaren pga. tryckförändringen) (C f = återkopplingskondensator som bestämmer förstärkningen ) (Tidskonstant =TC = C f R f bestämmer förstärkarens svarstid) OBS! Före inkoppling av givare- ställ alltid OERATE-GND switch i GND-läge. Även vid ändring av område bör OERATE-GND switch vara i GND-läge. Den piezoelektriska tryckgivaren har en känslighet som anges i pc/unit. Den piezoelektriska tryckgivaren som sitter i tändstiftet till motorbänken har en känslighet som enligt kalibreringsdiagram (Fig.4) är 14.5 pc/bar. Om man ställer in laddningsförstärkarens känslighetsinställning (transducer sensitivity = pc/unit) erhålls ett avläst värde på förstärkaren som är 0.01 bar/v. Eftersom känsligheten 0.01bar/V 100V/bar 10 bar 1000V. Om man vill ha en utsignal på 1V vid p=10 bar får man ställa områdesomkopplaren (range switch) = 1K units/volt U ut = 1V. [ 1000 bar/v delat med faktorn bar/v]

7 7 Inkoppling av laddningsförstärkare och oscilloskop 1. Ställ laddningsförstärkarens ingång i läge GND för att skydda ingången från urladdning av statisk elektricitet. 2. Skruva fast tändstift med piezoelektrisk tryckgivare på motorn. Skall finnas en tråd lindad ett tiotal varv kring tändkabeln för upptagning av triggsignal till oscilloskopets ingång 2 (triggingång). 3. Koppla speciell sladd mellan tryckgivaren och laddningsförstärkaren. Skall finnas en teflonslang som träs över den piezoelektriska tryckgivaren för att skydda den från urladdningar och temperaturstrålning från motorn. 4. Koppla BNC-kabel mellan laddningsförstärkarens utgång och minnesoscilloskopets ingång Slå på laddningsförstärkare och oscilloskop. 2. Kontrollera att varmvattenberedaren är kopplad till kallvattennätet. 3. Kontrollera att avgasslang är placerad så att avgaserna från motorn avlägsnas och att utsugsfläkten är startad. 4. Kontrollera att motorn kan rotera fritt. (Dra i startsnöret med motorns strömomkopplare i OFF-läge ) 5. Öppna bensinkranen till bensintanken. Vik över strömomkopplaren i ON-läge. Starta motorn. Koppla in varmvattenberedarens kontakt till generatorn och öka gaspådraget till MAX-läge. 6. Ställ på ljudisoleringshuv och koppla på slang för utsugning av varmluft. 7. Ställ laddningsförstärkarens ingång i läge OR och SHORT. 8. Registrera en 4-takts cykel på oscilloskopskärmen genom att justera in lämplig tids- och spänningsskala. (Använd ingång 2 på minnesoscilloskopet som triggingång så att en hel fyrtakt registreras på oscilloskopskärmen). Tryck RUN/STO (ett skärmsvep sparas). 9. Spara mätdata på diskett (oscilloskopet har diskettenhet) som csv-fil (datafil lämplig att ta in i kalkylprogram). Spara undan data genom att: 1. trycka : Save/Recall 2. trycka : Formats 3. trycka : CSV (datafil i tabellformat) 4. trycka : Quick rint till diskett 10. Mätdata ska senare bearbetas i plot- och analysprogrammet Origin för att beräkna och rita upp pv-diagrammet för Ottomotorns 4-takts cykel.

8 8 EXERIMENTUTFÖRANDE - FÖRSÖK 2 1. Vänta till dess jämvikt uppstått, d v s att temperaturskillnaden T över varmvattenberedaren ej förändras under ett tidsintervall på 1 min. 2. Avläs mätinstrumenten. 3. Mät bränsleförbrukningen genom att stänga bränslekranen och mäta tiden det tar för bränslenivån att passera mellan de två strecken i mätröret. (20 ml) 4. Dra ur kontakt till varmvattenberedaren och stäng sedan, genom att dra ned gasreglaget till MIN-läge, av motorn. Vik därefter motorns strömomkopplare till läge OFF. Överföring av datafilen på disketten till ORIGIN för bearbetning av data:. 1. Starta ORIGIN. 2. Under File : tryck Import ASCII *.CSV Öppna 3 st kolumner : (xaxis=tid), (B=ingång1=trycksignal) & (C=ingång2=triggsignal). 3. Under lot tryck scatter och plotta B som funktion av xaxis (U tryck (t).) [Graph1]. 4. Ta fram nolloffset på trycket. : a. Ta upp [Graph1]. Klicka data reader. (Finns på toolbars ) b. Bestäm läge för spänningen B vid utblås- och insugs-faserna. c. Beräkna medelvärdet av dessa B -värden. 5. Skapa ny kolumn : p och tryck : set column values : [col(p) = 10*(col(B)- medelvärde) +1 ]. sant tryck p (bar). (10* kommer från 10bar/V) 6. Skapa ny kolumn : t och tryck : set column values [col(t) = col(xaxis)]. 7. Under lot tryck scatter och plotta p, (col(p)), som funktion av t, (col(t)). (trycket som funktion av tiden) [Graph 2] 8. Ta upp [Graph2]. Klicka data reader. Bestäm punktnummer: p[x1] för triggtidpunkten (tändstiftsgnista), x1= t 0 = 0 och x2 = tid t fyrtakt för en hel fyrtakt = 2 varv på vevaxeln när p[x2] = p[x1]. 9. Bestäm tidpunkt t α=0 och t α=2 2π genom att summera den tid t som motsvaras av vinkelskillnaden 10, med vilken tändgnistan kommer före det att kolven når sitt översta läge (α=0, V=V min ). [ t = ( t fyrtakt - t 0 ) (10/720) t α=0 = t 0 + t, t α=2 2π = t fyrtakt + t ]. 10. Editera bort alla p- och t-värden i col(p) och col(t) utom värdena från t α=0 till t α=2 2π = tiden för en hel fyrtakt, [t α=0, t α=2 2π ] [ x α=0,x α=2 2π ]. Justera sedan tidsskalan så att tiden t = 0 motsvarar den tidpunkt vid vilken kolven

9 9 når sitt översta läge (α=0) genom att subtrahera tiden t från alla t-värden. 11. Under lot tryck scatter och plotta p, col(p) som funktion av t, col(t). (trycket under en hel fyrtakt) [Graph3]. 12. Arbetsvolymen V beräknas därefter med hjälp av formeln: R = Vmin (2) 2L 2 V R (1 cosα+ sin α) A+ R = vevradien = 31mm L = vevstakslängd = 124 mm α = 2 π t n = vevaxelvinkeln räknad från toppläget n = varvtalet (s A = kolvarean = π (32.5) V min = 30 cm 3-1 ) 2 mm 2 = minsta arbetsvolym (toppläget) α Figur 5 Kolvläget som funktion av vevaxelvinkeln Skapa ny kolumn: V och tryck : set column values [col(v) = 3.1*(1-cos(2*pi*col(t)*n) + (3.1/(2*12.4))*(sin(2*pi*col(t)*n))^2)*pi*(3.25)^2+30] ( OBS! n byts ut mot numeriskt värde för varvtalet. Volymen V fås i cm 3. ) 13. Rita sedan upp ett pv-diagram för Ottocykeln från de uppmätta och framräknade p- och V-värdena på samma sätt som i Figur 6. Under lot tryck scatter och plotta p, col(p) som funktion av V, col(v) pv-diagram i [Graph4].

10 10 Vmin Vmax Vmin Vmax Figur 6. V-diagram - Ottocykeln 14. Integrera pv-diagrammet för att bestämma energin som skapas för varje fyrtakt. Under Analysis tryck Calculus Integrate areavärde i bar cm 3. Genom att räkna om areavärdet till J och multiplicera med antalet fyrtakter per sekund, 1/(t fyrtakt - t 0 ) (s -1 ), får man sedan effekten i W. Rita ett effektfördelningsschema enligt exempel i nedanstående figur. Ange effekterna i Watt och rita pilarnas bredd i proportion till effekten. in fa = avgasförluster = 40% fk = kylvattenförluster = 28% fr = restförluster = 8% ut = 24% av in Figur 7. Effektfördelningsschema i Ottomotorn. Figuren visar värmebalansen för en 4-takts Ottomotor med ungefärlig verkningsgrad och ungefärliga förluster.

11 11 KEMISK ENERGI Bränsleförbrukning I bränsleledningen från bensintanken till motorn finns ett mätrör inkopplat (byrett). Genom att stänga bränslekranen på bensinslangen kommer bensinnivån i mätröret att sjunka allt eftersom motorn förbrukar bränsle. Med hjälp av tidtagarur och volymsmarkeringarna på mätröret kan bränsleförbrukningen bestämmas. Om man känner bränslets densitet ρ B kan sedan bränsleförbrukningen B beräknas enligt: B V ρ t B B = (3) B B = bränsleförbrukningen (kgs -1 ) V B = bränslevolym i mätröret ( 20 ml ) t B = tid för bränsleförbrukningen (s) ρ B = bränslets densitet = 0.74 kg dm -3 Tillförd bränsleeffekt: Den i bränslet tillförda effekten B till motorn beräknas enligt: B = B h (4) B = bränsleeffekt (W) B = bränsleförbrukning h = omvandlingsentalpi h Ultima(OK miljöbensin) = kj/kg MEKANISK ENERGI Motorns uteffekt = axeleffekt A erhålls som produkten av vinkelfrekvensen ω och vridmomentet τ. A = τ ω = τ 2π n (5) A = axeleffekt (W) n = varvtalet i varv s -1 Motorns varvtal n mäts med en induktiv givare som är kopplad vid sidan av motoraxeln i närheten av ett 16-kuggars cykeldrev fastsatt på motoraxeln. För varje drevkugg som passerar givaren erhålls en puls som kan räknas med frekvensräknare. f n = (6) 16 τ = F l (7) n = varvtal (varv s -1 ) f = frekvens i Hz τ = vridmoment (Nm) F = kraft (N) l = momentarmslängd = 200 mm Kraften F bestäms med hjälp av lastgivare. Kalibreringskonstanten = mv/n.

12 12 Figur 7. Lastgivare: - Interface.. Modell SM N ELEKTRISK ENERGI Elektriska effekten E bestäms genom att mäta ström och spänning över elgeneratorns belastning (varmvattenberedaren) enligt: E = U I (8) E = elektrisk effekt (W) U = spänning (V) I = ström (A) TERMISK ENERGI dv Den termiska effekten bestäms genom att mäta vattenflöde med en dt turbinhjulmätare och temperaturändring T över varmvattenberedaren med termoelement. dv dt = dv f flöde = vattenflöde i l s -1 (9) dt 5700 f flöde = turbinhjulmätarens frekvens i Hz Figur 8. Kalibrering av termoelement för mätning av temperaturskillnad mellan in- och uttemperaturerna i varmvattenberedaren. Termoelementspänningen som funktion av temperaturskillnaden.

13 13 U T = 40.8 (10) U = termoelementspänning i µv T = T ut T in (K) T dv = ρ H c T 2O p H2 (11) O dt T = termisk effekt (W) ρ H2 = vattens densitet (kg dm -3 ) O c p = specifik värmekapacitet (J kg -1 K -1 ) O H 2 VERKNINGSGRADER KEMISK ENERGI MEKANISK ENERGI OTTOMOTOR η KM = A 100 % (12) B MEKANISK ENERGI ELEKTRISK ENERGI ELGENERATOR η ME = E 100 % (13) A ELEKTRISK ENERGI TERMISK ENERGI VARMVATTENBEREDARE η ET = T 100 % (14) E Rita slutligen upp ett effektfördelningsschema för alla energiomvandlingarna: Kemisk energi Mekanisk energi Elektrisk energi Termisk energi enligt exempel i Figur 1. Ange effekterna i Watt och rita pilarnas bredd i proportion till effekten. LYCKA TILL!