Rapport av projektarbete Kylskåp

Transkript

1 Rapport av projektarbete Kylskåp Klass: Mi1a Gruppnummer: Mi1a 6 Datum för laboration: 1/10 4/ Datum för rapportinlämning: Labbhandledare: Joakim Wren Namn Personnumer E postadress Taulant Berisha taube785@student.liu.se Elmir Dugic elmdu554@student.liu.se Mattias Ingvarsson matin148@student.liu.se Tobias Gunnarsson tobgu436@student.liu.se Tobias Olsson tobol488@student.liu.se För handledaren: Datum för Bedömning: Betyg: Signatur: 1

2 Sammanfattning Uppgiften med detta projekt var att genom fyra olika experiment kunna räkna ut kylfaktorn ( COP R ) hos ett kylskåp, vid normal och onormal drift. Vid den onormala driften användes en fläkt som var placerad bakom kylskåpet och kylde ner kylskåpets kondensor. För att räka ut kylfaktorn användes fyra temperatursensorer som var placerade på olika platser på, samt inuti kylskåpet. Rumstemperaturen mättes både vid start och slut av testerna. Arbetet som tillfördes kylskåpet avlästes med en elmätare. Förväntan av testerna var att kyleffekten hos kylskåpet skulle vara bäst vid onormal drift. Detta då fläkten som användes vid onormal drift påverkar kylskåpets energiåtgång på så sätt att kompressorn inte behöver arbeta lika mycket som vid normal drift. Alltså, bortsett från det arbete som tillförs fläkten, medför driftstörningen att kylskåpet kräver mindre arbete vid onormal drift jämfört med normal drift. Trots att kompressorn inte arbetade lika hårt vid onormal drift så hade ändå kylskåpet en lägre kylfaktor vid normal drift. 2

3 INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1. Inledning 4 2. Teori 4 3. Metod Första mätningen Andra mätningen Tredje mätningen Fjärde mätningen 9 4. Resultat Beräkningar Diskussion Mätningar Analys av mätningar Analys av resultat Slutsats 20 3

4 Inledning I detta projekt stod kylskåpet i fokus. Då detta drivs av en omvänd kompressorcykel som transporterar ut värme från kylskåpet kan många termodynamiska principer tilllämpas. Med hjälp av simpla mätinstrumnt skulle kylskåpets COP värde beräknas och undersökas. COP är en förkortning av engelskans Coefficient Of Performance. Ett COP värde beskriver kyl/värmefaktorn hos en viss apparat vilket anger hur effektivt kompressorcykeln fungerar. I detta fall undersöktes vilken kylfaktor ( COP R ) ett kylskåp har i normala samt onormala omständigheter. Fyra mätningar utfördes för att stimulera eventuella driftstörningar eller belastningar hos kylskåpet för att därefter jämföra kylfaktor hos de olika mätningarna. Först utfördes en mätning under normala omständigheter, sedan en med en dunk med vatten placerad i kylskåpet. De två sista mätningarna utfördes med en driftstörning i form av en fläkt plaserad framför kondensorn, även här utfördes mätningen med och utan en dunk vatten placerad i kylskåpet. Dessa mätningar utfördes under en längre period för att sedan dokumenteras, sammaställas och analyseras. Hur påverkades kylskåpets COP värde vid de olika omständigheterna? Det återstår att se i följande rapport. Teori Ett kylskåps uppgift är att transportera värme från luften inuti kylskåpet till omgivningen. Principen för denna process är huvudsakligen att en vätska övergår från vätska till ånga, för detta krävs värme, det vill säga att vätskan absorberar den värme som finns i omgivningen. I ett kylskåp används ett specifikt köldmedium i ett slutet system för att övergå till och från gasform. Denna vätska vandrar genom förångaren där den avdunstar, för detta krävs värme vilket absorberas från luften i kylskåpet, därmed sänks temperaturen. Vidare förs ångan till kompressorn för att öka trycket samt temperaturen och sedan vidare till förångaren för att avge den absorberade värmen till omgivnignen. Med denna förkunskap kan vissa teorier och förväntningar sättas inför de kommande mätningarna. Framförallt vid driftstörning av fläkt vid kondensorn förväntas resultaten skilja sig drastiskt jämfört med utan driftstörning. Vad detta beror på tros vara att fläkten bidrar med en kontraproduktivitet i kompressorcykeln. Då köldmediet passerar kompressorn till kondensorn för värmeavgivning kommer fläkten att störa denna process med att kyla ner kölmediet i kondensorn. Denna nedkylning sker av en konduktiv värmeöverföring. Metod 4

5 För att projektets två uppgifter skulle kunna besvaras behövde man göra fyra mätningar på kylskåpet. Varje mätning skulle göras med ett minimum på fyra timmar för att få ett rättvist resultat. De två första mätningarna skulle göras i normal drift, alltså utan några störningar. Den första mätningen gjordes på ett tomt kylskåp och i den andra mätningen skulle en hink med en bestämd mängd vatten placerades i kylskåpet. Den tredje och fjärde mätningen skulle göras i onormal drift, som innebär att ett störningsmoment påverkade kylskåpets drift. I detta fall var störningsmomentet en fläkt som riktades mot kondensorn, för att hjälpa kondensorn att kyla ner köldmediet som finns i kylskåpets kompressorcykel. Detta gjordes i både fall tre och fyra. I det tredje testet skulle kylskåpet köras tomt och i det fjärde skulle likt test två en hink med vatten placeras i kylskåpet. Den huvudsakliga uppgiften med dessa mätningar var att ta värden på temperatur och effekt på kylskåpet i de olika fallen, och därmed ta reda på hur vattnet respektive driftstörningen påverkar kylskåpets kylförmåga. Den utrustningen som behövdes för att att testerna skulle kunna utföras var: ett kylskåp, en fläkt, en hink med vatten, en elmätare och fyra temperatursensorer som tejpades fast på olika platser på kylskåpet. Man använde även en datalogger som samlade temperaturvärdena och slutligen en dator som redovisade värdena i ett diagram. 5

6 Första mätningen Normal drift. Första mätningen under laborationen gick ut på att ta mätningar på ett tomt kylskåp i normal drift. Mätningen börjades med att sätta ut de fyra sensorerna som mätte temperaturen. För att kunna skilja på de fyra sensorerna betecknades dem T 1 T 4. Den första sensorern sattes innan kondensorn och betecknades T 1. Den andra placerades efter kondensorn och kallades T 2. Den tredje sensorn, T 3, placerades på förångaren, inne i kylskåpet, och den fjärde hängandes i luften i kylskåpet (se figur 1). Sensorerna placerades på samma ställen under alla fyra testerna eftersom det underlättade att se skillnader mellan testerna. Efter det nollställdes elmätaren och med noggrannhet sattes elmätaren och dataloggen igång samtidigt. Detta gjordes för att tidsintervallet i de olika instrumenten skulle vara så identiska som möjligt. När mätinstrumenten var igång så togs värden på el effekten som tillfördes kompressorn under de första femton minuterna för att få ett medelvärde. När detta väl var gjort var testet igång i fyra timmar. Testet avslutades med att läsa av drifttiden på kompressorn samt att data från temperaturloggern sparades som ett text dokument. De värden visas i tabell 1. 6

7 Andra mätningen normal drift med vatten. Syftet med den andra mätningen var att placera en hink med vatten inuti kylskåpet. Huvudsaken med att göra det var att ta reda på vad som händer med elektriska arbetet, temperaturen med mera när vatten placeras i kylskåpet. Detta skulle jämföras med de värden som togs i test ett och genom det se vilka skillnader vattnet gjorde. Till en början startades test två med att en dunken med fyra liter vatten vid 28,2 C ställdes in i kylskåpet, därefter tog man värden från elmätaren under de första femton minuterna precis som i första testet. Enligt instruktionen skulle man ha en liter vatten per timme som testet utfördes. Eftersom testet skulle utföras under ca fyra timmar, hade man alltså fyra liter vatten i hinken. Efter att testet var färdigt mättes temperaturen på vattnet ännu en gång för att få fram temperaturdifferansen. 7

8 Tredje mätningen Driftstörning (fläkt mot kondensorn). Mätning tre utfördes på samma sätt som den första mätningen, alltså ett tomt kylskåp med de fyra temperatursensorerna. Skillnaden mellan detta test och det första var dock att det placerades en fläkt bakom kylen. Fläkten var riktad mot kondensorn (se figur 3). Syftet med denna mätning var att ta reda på hur denna så kallade driftstörningen påverkar kylskåpets kylfaktor ( COP R ). Alltså att studera hur kylskåpet påverkas och vad som blir annorlunda då fläkten kyler ner kondensorn och därmed även köldmedlet då det befinner sig i kondensorn. 8

9 Fjärde mätningen Driftstörning (fläkt mot kondensorn) med vatten. Den fjärde mätningen gjordes med samma driftstörning och på samma sätt som i mätning tre, men precis som i test två placerades dessutom en hink vatten i kylskåpet, av samma anledning. Vattnets starttemperatur i detta testet var 26,2 C. Alla tester skulle som sagt utföras på ca fyra timmar och man hade därför fyra liter vatten i kylskåpet även under detta test. Temperaturen på vattnet mättes även efter detta test för att få fram en temperaturskillnad mellan start och sluttemperaturen för vattnet. 9

10 Resultat Tabell 1 Följande tabell presenterar avlästa värden från de använda komponenterna i mätningar. Det vill säga mätvärden från dataloggern samt elmätaren. Mätning 1 Mätning 2 Mätning 3 Mätning 4 T 1 T 2 [ C ] 27,82 35,34 24,57 26,19 [ C ] 30,37 39,16 26,63 29,19 T 3 [ C ] 13,27 15,74 12,51 14,45 T 4,medel [ C ] 2,35 0,12 2,95 0,49 T vatten (Innan/Efter) [ C ] 28,2/8,9 26,2/7,2 Tid [s] Drifttidkompressor [s] W in [W] 47,35 76,91 41,41 73,01 10

11 Figur 5 Temperaturdiagram från test ett, normal drift utan vatten. I diagrammet visas temperaturkurvorna från de fyra olika temperatursensorerna. De visas över hela laborationstiden på fyra timmar. Figur 6 Temperaturdiagram från test två, normal drift med vatten. under de första 2,5 timmarna sänks temperaturen konstant för alla fyra kurvorna. Detta på grund av att varmt vatten finns i kylen och därför krävs mer samt konstant arbete under lång tid för att kyla ner vattnet samt kylskåpet. 11

12 Figur 7 Temperaturdiagram från test tre, driftstörning i tomt kylskåp. I detta fall påverkade fläkten kylningen och därför har kurvorna många fler svängningar än under det första testet. Detta på grund av att fläkten kyler kondensorn och därför behöver kondensorn arbeta mindre för att kyla kylskåpet. Figur 8 Temperaturdiagram från test fyra, driftstörning med vatten. Även i detta fall sjunker temperaturen konstant i början, dock krävs det kortare tid än i test två eftersom fläkten hjälper till med kylningen. Detta medför att vattnet kyls snabbare än under det andra testet, och kondensorn stängs av redan efter knappt 1,5 timmar. 12

13 Beräkningar Formler 1 2 Q vatten = m(u 2 u 1 ) + 2m(v ) + (1:a HS slutet 2 v2 g(z ) 1 2 z 1 1 P E och KE försummas [ J] 2 m(u 2 u 1 ) = m C v ( T ) [ J] system. ) Q vatten = Q vatten t tot W vatten = W tom W W vatten = vatten W tot = W tot = COP R = t tot W tot W medel,avläst W tot t tot Q vatten W 3 vatten t drifttid W [ ] J [ ] W [ ] J [ ] W [ ] Tabell 2 Resultat av beräkningar Test 1/Test2 normal drift Test 3/Test4 driftstörning COP R 0,91 0,77 1 Storck Karl, Karlsson Matts, Andersson Ingrid, Renner Johan, Loyd Dan; Formelsamling i termo och fluiddynamik; Tekniska högskolan vid Linköpings universitet; 2012; s Ibid, s Ibid, s

14 Beräkningar av W tot Som nämnt tidigare, i metod, så mättes medeleffekten för kompressorn med syftet att kunna ta reda på den totala energin som denna förbrukat och den totala effekt som kompressorn arbetat med. Detta görs genom att multiplicera medeleffekten med totala driftstiden för kompressorn och därefter dividera med den totala mättiden för respektive test. I test 1 och 3 så anges denna effekt. W tom Test 1 W tot = 90, = ,1 J W ,1 tot = = 47,35 W = W tom Test 2 W tot = = J W tot = = 76,91 W Test 3 W tot = 103, = J W tot = = 41,41 W = W tom Test 4 W tot = 104, = J W tot = = 73,01 W 14

15 Temperaturkompensering av W tom För att beräkna testen som görs. kylen( Q tom på ett så bra sätt som möjligt ska förutsättningar vara likadana vid de olika COP R T omgivning varierar mellan testen vilket medför att det läcker in olika mängd värme i ). Kompressorn får då arbeta olika mycket och för att förutsättningarna ska bli så lika som möjligt ska en temperaturkompensering utföras. Den procentuella differensen mellan testen skall adderas på. W tom Normal drift Test 1 = 2,35 T medel, kyl T medel, omgivning = (22,1+21,8)/2 = 21,95 (22,1 är vid start. 21,8 är vid slut) T omgivning kyl = 21,95 ( 2,35293) = 24,30 Test 2 T medel, kyl = 0,12 T medel, omgivning = (21,0+22,8)/2 = 21,9 T omgivning kyl = 21,9 ( 0,11726) = 22,02 T T test1 test2 T test2 24,30 22,02 22,02 = = 0,104 Alltså ska, test 1 kompenseras med 10,4% extra. W tom Kompensering av W tom W tom, kompensering = W tom 1,104 = 52, 27 W Nya W tom = 52, 27 W 15

16 Driftstörning Test 3 = 2,95 T medel, kyl = (22,8+21,5)/2 = 22,15 (22,8 är vid start. 21,5 är vid slut) T medel, luft T omgivning kyl = 22,15 ( 2,95) = 25,10 Test 4 T medel, kyl = 0,49 T medel, luft = (23,0+21,8)/2 = 22,4 T = 22,4 ( 0,49) = 22,89 omgivning kyl T T test3 test4 T test4 25,10 22,89 22,89 = = 0,097 Alltså ska, test3 kompenseras med 9,7% extra. W tom Kompensering av W tom W in,kompensering = W tom 1,097 = 45, 41 W Nya W tom = 45, 41 W Beräkning av Q vatten Den värmeeffekt som vattnet i test 2 och 4 avger beräknas genom att ta reda på inre energin som avges då vattnet kyls ned för att sedan dividera denna med totala tiden för testet. C p värde avläses ur tabell i kursboken för vattnets temperatur vid start och slut av test och i 4 beräkningarna används medelvärde av dessa. Test 2 Q vatten = ,3 = J Q vatten = 14391= 22,46 W Test 4 Q vatten = = J Q vatten = 15051= 21,16 W 4 Yunus A. Çengel, John M. Cimbala, Robert H. Turner; Fundamentals of Thermal Fluid Scienses; Fourth edition in SI units; McGraw Hill Higher Education; New York, NY; 2012, s

17 Beräkning av W vatten Test 2 W vatten = W tot W tom = 76,91 52,27 = 24,64 W Test 4 W vatten = W tot W tom = 73,01 45,41 = 27,6W Beräkning av COP R Kompressorn i kylskåpet arbetar för att driva bort den värme som läcker in i kylskåpet, alltså för att hålla temperaturen i kylskåpet nere. Den värmeenergi som läcker in från omgivningen anges Q tom och den el energi som går åt i kompressorn anges W tom. Om dessa två hade varit kända så skulle de ha använts för att beräkna kylskåpets COP R värde. Då Q tom inte kan mätas så beräknas köldfaktorn istället med hjälp av den effekt som vattnet avger, Q vatten i test 2 för normal drift och test 4 för onormal drift och divideras sedan med den extra effekt W vatten som kompressorn kräver för att föra bort denna. Med detta fås kylskåpets köldfaktor för normal respektive onormal drift. Normal drift 22,46 COP R = 24,64 = 0,91 Onormal drift 21,16 COP R = 27,6 = 0,77 17

18 Diskussion Mätningar Alla mätningar utfördes under minst fyra timmar. Anledningen till detta var att kunna få ut bra och rättvisa värden som man sedan räknade ut ett medelvärde på. Om man hade utfört testet på kortare tid skulle det förmodligen vara svårt att få fram en medeltemperatur i kylskåpet, respektive vattnet i test två samt fyra, eftersom kylskåpet aldrig skulle hinna bli så kallt som termostaten är inställd på. Därmed skulle det även krävas mer arbete vilket innebär att även medelvärdet på arbetet hade kunnat bli missvisande. Tiden avgjorde som sagt även den mängd vatten som användes. Man hade en liter vatten för varje timme som kylskåpet var igång eftersom det är den tid som krävs för att kyla ner vattnet till den angivna temperaturen på kylskåpets termostat. Som nämnt tidigare mättes temperaturen på vattnet både innan och efter experimentet för att få en temperaturskillnad, som sedan användes i beräkningarna. Om man skulle haft mindre vatten så skulle det krävas kortare tid och även mindre arbete för att kyla ner vattnet, respektive längre tid samt mer arbete ifall man hade haft mer än fyra liter. De värden man fick fram efter testerna skulle med andra ord ha blivit missvisande om man exempelvis bara skulle ha två liter vatten under fyra timmars utförande. Analys av mätningar Angående mätningarna så finns det en hel del felkällor att ta hänsyn till. De olika testerna är okej att jämföra och mätvärdena går att räkna på, men detta blir inte felfritt. Testerna som utfördes gjordes med ett gammalt kylskåp och antagligen arbetar det inte lika jämnt som det en gång gjort. Det läcker in olika mycket Q tom i de olika testen då dörren på kylskåpet är sliten och den tejpas fast i kylskåpet då den stängs. Vid beräkning av COP R värde för kylskåpet genomförs temperaturkompensering, för att bättre kunna jämföra driftsfallen med varandra. Detta då kompressorn arbetar olika mycket då temperaturförhållanderna varierar. Metoden är att beräkna genomsnittliga temperaturskillnaden mellan luften i kylskåp och omgivande luften i de båda testen och därefter addera den procentuella skillnaden mellan dessa på W in. Medelvärde på luften i kylskåpet beräknades med hjälp av en av våra temperatursensorer. Medeltemperaturen i luften beräknades genom att mäta lufttemperaturen i början av testet och slutet av testet. Som exempel gav test ett 22,1 C vid start och 21, 8 C vid avslut. Medelvärde anges då till 21, 95 C, men temperaturen i luften kan ha varit nere på kanske19,5 C och uppe på 23 C. Alltså är denna metod för att utföra temperaturkompensering ej att rekommendera. Med denna insikt så skulle en temperatursensor med fördel ha placerats i omgivande luften för att kunna genomföra en bättre temperaturkompensering. Beräkning av medeleffekten till kompressorn genomfördes strax efter att testen startades. Detta är inte det mest lämpliga sättet att ta reda på medeleffekt. Innan mätningarna startades så drogs sladden till 18

19 kylskåpet ut för att försäkra att elmätaren nollställdes och kompressorn drog igång redan vid uppstart av mätningen. Därför kopplades kylskåpet ur i upp mot två minuter innan mätningarna startades. Beräkningar av medeleffekten till kompressor kan göras bättre om man väntar en cykel. Första cykeln då kompressorn är igång får den arbeta hårdare för att få ner temperaturen i kylskåpet. Om beräkning av medel istället hade ägt rum vid andra tillfället kompressorn var igång så fås ett medelvärde som är mer pålitligt och liknar övriga cykler. Analys av resultat Resultatet av beräkningarna visar att COP R värdena blev lägre vid onormal drift än vid normal drift. Detta var enligt våra antaganden märkvärdigt med tanke på att fläktens syfte var att kyla ner kondensorn så att kompressorn inte behöver arbeta lika mycket, och därför borde istället COP R värdet öka vid onormal drift. Dock kan dessa värden bero på den värmetransport som sker mellan kylskåpet och omgivningen. Eftersom temperaturen i kondensorn, alltså köldmediets temperatur, är högre än omgivningens temperatur, kommer en så kallad värmeöverföring att uppstå på så sätt att luften i omgivningen värms av kondensorn. Detta kan beskrivas med hjälp av termodynamikens nollte huvudsats, som säger att två kroppar med olika temperatur vill uppnå termisk jämvikt på så sätt att den varma kroppen avger värmeenergi till den kallare kroppen. Det som skiljer testerna utan driftstörning mot testerna med driftstörning är att värmetransporten vid driftstörning sker via påtvingad konduktivitet när fläkten blåser mot kondensorn. Påtvingad konduktivitet innebär att köldmediet kyls snabbare. Vid den påtvningande konduktiviteten bidrar fläkten till att värmetransporten mellan kylskåpet och omgivningen( Q tom ) effektiviseras. Med andra ord riktar fläkten värmen som avges i kondensorn mot kylskåpets baksida. Detta medför att värmen som läcker i( Q tom ) blir högre, därmed kommer den varma luften att värma kylskåpet istället för omgivningen. Alltså kommer fläkten att bidra med två motverkande processer som innebär att den ena processen bidrar med att hjälpa till att kyla ner kylskåpet medan den andra processen värmer upp omgivningen i kylen. I värsta fall kan den sistnämnda bli högre än den som gynnar kylningen. I laborationerna kan detta ha bidragit till att resultaten inte blivit som väntat och att COP R vid onormal drift blivit lägre än vid normal drift. Figur 9 och 10 nedan, visar hur kompressorcykeln överdrivet bör skilja sig mellan normal drift och onormal drift. Det viktiga att notera kring dessa figurer är skillnaden dem emellan i tillstånd 3 och tillstånd 4. Vid onormal drift kyls köldmediet i kondensorn mer än vid normal drift. Det visas i figur 10, där tillstånd 3 hamnar närmre mättnadslinjen. Eftersom det i en kompressorcykel råder konstant entalpi mellan tillstånd 3 och tillstånd 4, så innebär detta att även tillstånd 4 hamnar närmare mättnadslinjen. Följande intressanta konsekvens är avståndet mellan tillstånd 4 och tillstånd 1, som ökar. I aspekt till kylskåpet innebär detta att förångaren kan ta upp mer värme från omgivningen inne i kylskåpen. På så sätt behöver inte kompressorn arbeta lika hårt, eftersom att köldmediet inte behöver komprimeras lika mycket för att nå rätt temperatur. 19

20 Figur 9 Kompressorcykel utan driftstörning. Bilden visar en grov uppskattning av test ett samt test två. Detta är alltså inte en korrekt beskrivning av aktuell värmepump, utan är till för att få en bättre förståelse Figur 10 Kompressorcykel utan driftstörning. Grov uppskattning av test tre och fyra. Denna bild är heller inte en korrekt beskrivning av aktuell pump Slutsats Av våra studier kan vi dra slutsatsen att kylskåpet arbetar bättre vid normal drift än då en fläkt är riktad mot kondensorn. Resultatet skall anses vara ganska osäkert då flertalet förenklingar, avrundningar och antaganden har utförts längs vägen. För att genomföra dessa studier bättre så skall mer tid läggas på att planera genomförandet av mätningar, vart temperatursensorer placeras samt en större noggrannhet skall användas vid kalibrering av mätutrustning och genomförande av beräkningar. 20