Projekt Kylskåp. Ett gediget arbete MI 1 B - GRUPP 1

Transkript

1 10/12/2014 Projekt Kylskåp Ett gediget arbete MI 1 B - GRUPP 1 Navnit Patel navpa030 Tobias Lindkvist tobli125 Filip Schwerger filsc006 Mathias Vilén matvi029 Gustaf Lange gusla251

2 Sammanfattning Vi har i detta projektarbete undersökt ett kylskåps funktion, och hur denna funktion förändras under påverkan av en fläkt riktad mot kylskåpets kondensor. Mätningarna gjordes på fyra olika driftfall, två test med normal drift, och två test med onormal drift. I ett av vartdera fallet placerades även en tillbringare med vatten i kylskåpet. Undersökningen genomfördes genom mätning av temperaturen vid olika delar av kylskåpets kompressorcykel. Sedan beräknades de värden som registrerats. Resultatet av våra mätningar och beräkningar visar att COP vid onormal drift blev 1,2, jämfört med 1,31 vid normal drift. Kylskåpets köldfaktor försämras alltså under påverkan av en fläkt riktad mot kondensorn.

3 Innehållsförteckning SAMMANFATTNING... 2 INNEHÅLLSFÖRTECKNING... 3 INLEDNING... 4 METOD... 5 Beräkningar... 6 Tabell RESULTAT... 7 Graf Graf Graf Graf Tabell DISKUSSION Slutsats Källförteckning.13

4 Inledning Projektarbetet Kylskåp är ett projektarbete i grupp där uppgiften var att undersöka de termiska och termodynamiska aspekterna kopplade till driften av ett vanligt kylskåp. För att kunna genomföra detta projekt krävs viss förkunskap, vilken har förvärvats under kursens gång; via förläsningar, lektionstillfällen samt laborationspass. Syftet med projektet var att ge ökad förståelse för: Kompressorcykeln och dess processer Värmeöverföring Temperaturmätteknik Analys, dokumentation och presentation av mätresultat Uppgiften var att beräkna kylskåpets köldfaktor, COP-värde, vid de olika driftfallen. Genom mätningar och analyser av temperaturen vid olika moment i kompressorcykeln som verkar i kylskåpet, skapas ett underlag för att räkna ut kylskåpets COP-värde.

5 Metod Vid utförande av detta experiment ombads vi ta reda på köldfaktorn kylskåp i normal, samt onormal drift. För detta ska kunna bestämmas så precist som möjligt, innefattade laborationen även två stycken mätningar av kylskåp vid normal respektive onormal drift innehållandes en viss mängd vatten. Detta gav oss fyra olika mättillfällen: - Tomt kylskåp, normal drift - Kylskåp med 4 liter vatten i, normal drift - Kylskåp med 4 liter vatten i, onormal drift. - Tomt kylskåp, onormal drift Från vår första mätning lyckades vi inte registrera några mätvärden möjliga att bygga en rapport på. Detta berodde främst på svag förståelse för instruktionerna, vilket inte hjälptes av opålitliga mätinstrument. Efter diskussion bland klasskamrater kom vi fram till att vissa saker behövde fastställas inför vår första mätning, punkter som vi sedan skulle förhålla oss till vidare under projektet. Dessa var: - På vilka punkter av kylskåpet mäter temperaturen? - Vilket störningsmoment väljer vi? För att mäta temperaturen, och därifrån kunna bestämma kylskåpets köldfaktor placerades sensorerna vid samma plats under varje mätning. Temperaturen mättes på fyra platser: - Köldmediets temperatur före kondensorn - Lufttemperaturen i kylskåpet - Köldmediets temperatur efter kondensorn - På förångaren, inne i kylskåpet Dessutom registrerades temperaturen i rummet utanför kylen (detta för att möjliggöra temperaturkompensering vid senare stadium för mer verklighetstrogna resultat). Som störningsmoment vid två av fallen valde vi att ha en fläkt riktad mot kondensorn, och för att säkerställa tillförlitliga mätresultat fästes en liten tejp-bit på varje sensor, för att undvika direktkontakt med metall. Bild 1 Visar sensorernas placering. Vid mätning 2 tillsattes även en dunk med vatten. Bild 2 Visar även fläktens placering vid onormal drift. Vid mätning 3 tillsattes även en dunk med vatten.

6 Med en planering av genomförande fastställt påbörjades mätningarna. Data registrerades och inhämtades med hjälp av programmet Temperature Logger. Intervallet mellan mätningarna sattes enligt instruktion till 30 sekunders intervall. Tre av mätningarna varade i ca fyra timmar, medan mätningen av tomt kylskåp under onormal drift varade i nio timmar. Mätvärdena sparades som tabeller i text-format, för att vid senare tillfälle omformas till grafer och tabeller i Excel. För att kunna bestämma kylskåpets värmefaktor mättes även det elektriska arbetet utfört av kompressorn. Detta genomfördes genom att avläsa momentan-effekten av kylskåpet under en kompressorperiod (det vill säga under den tiden kompressorn var aktiv). Momentaneffekten avlästes var 30:e sekund. När kompressorperioden avslutades summerades summan av de avlästa momentan-effekterna, och ett medelvärde för momentaneffekten kompressorn förbrukade under sin aktiva period kunde därmed räknas ut. Detta medelvärde användes sedan för alla de gånger kompressorn varit aktiv under fyra-timmars perioden mätningen pågick. Den totala tiden kompressorn varit aktiv lästes av vid varje mätnings slut. Denna tid multiplicerades med medelvärdet av momentan-effekten, för att fastställa totalt uträttat arbete under mätperioden. Det förbrukade arbetet kan divideras med den totala tiden experimentet pågick för att få ett medelvärde på den förbrukade effekten under hela experimentet. Temperaturkompensering genomfördes vid projektets slut genom att anta ett värde på lufttemperaturen under tiden mätningen pågick. Beräkningar För att räkna ut köldfaktorn för ett kylskåp används ekvationen nedan, där är den extra värmemängd som avges av vattnet, och är den extra effekt som krävs för att kyla vattnet. räknas ut genom ekvationen:, där temperaturen är vattnets temperatur vid testets begynnelse, och är vattentemperaturen när testet avslutas. beräknas genom sambandet, vilket är skillnaden i förbrukat arbete mellan mätning med vatten i kylskåpet och mätning av tomt kylskåp. Följande ekvationer har använts för att beräkna den kylskåpets förbrukade effekt: Medeleffekt = kompressorperiod - medeleffekt kompressorn förbrukar under en mätningen. = - kompressorns totala förbrukade ström under - energin kylskåpet förbrukat under mätperioden.

7 Värmemängden som tränger sig in i kylen under tiden mätningarna av tomt kylskåp pågår beräknas genom: Slutligen temperaturkompenserade vi resultaten för våra mätningar, så att de skulle kunna jämföras på ett rättvisande sätt. Följande ekvation ger oss den kompenserade temperaturen: Tabell 1 Tabell 1 redogör för de temperaturer som vi använt för beräkningarna av temperaturkompenseringen. T-luft är ett antaget värde. Värden test1: test2: test3: test4: Tluft: 21,3 C 21,3 C 21,3 C 21,3 C Tkyl*: 8,08 C 11,74 C 11,67 C 9,1 C ΔT: 13,22 C 9,56 C 9,8 C 12,2 C kompensering: 27,70% 21,30% Resultat Graf 1 Test 1 - Normal drift utan vatten Temperatur [ºC] Innan kondensor I kylen Efter kondensor Förångare Tid [min] Graf 1 är en illustration av temperaturskillnaden med avseende på tiden hos sensorerna under test 1. Under test 2 var kylskåpet verksamt utan störningsmoment under ca fyra timmar. Graferna skiljs åt med hjälp av unika färger. Förklaring av vilken sensor som illustreras i vilken färg syns till vänster. De fyra sensorerna placerades ut för att mäta temperaturen innan kondensorn, efter kondensorn, på förångaren samt luftens temperatur i kylen.

8 Graf 2 Test 2 - Normal drift med vatten Temperatur [ºC] Innan kondensor I kylen Efter kondensor Förångare Graf 1 är en illustration av temperaturskillnaden med avseende på tiden för hos sensorerna under test 2. Under test 2 var kylskåpet verksamt utan störningsmoment under ca fyra timmar. När testet påbörjades placerades en tillbringare med 4 liter rumstempererat vatten i kylskåpet. Graferna skiljs åt med hjälp av unika färger. Förklaring av vilken sensor som illustreras i vilken färg syns till vänster. De fyra sensorerna placerades ut för att mäta temperaturen innan kondensorn, efter kondensorn, på förångaren samt luftens temperatur i kylen. Graf 3 Test 3 - Onormal drift med vatten Tid [min] Temperatur [ºC] 40 Innan kondensor I kylen Efter kondensor Förångare Graf 3 är en illustration av temperaturskillnaden med avseende på tiden hos sensorerna under test 3. Under test 3 var kylskåpet verksamt med en fläkt riktad mot kondensorn under ca fyra timmar. När testet påbörjades placerades en tillbringare med 4 liter rumstempererat vatten i kylskåpet. Graferna skiljs åt med hjälp av unika färger. Förklaring av vilken sensor som illustreras i vilken färg syns till vänster. De fyra sensorerna placerades ut för att mäta temperaturen innan kondensorn, efter kondensorn, på förångaren samt luftens temperatur i kylen. Observera att denna mätning har vi fått tillhandahållen av grupp 5. Tid [min]

9 Graf 4 Test 4 - Onormal drift utan vatten Temperatur [ºC] Innan kondensor I kylen Efter kondensor Förångare Graf 4 är en illustration av temperaturskillnaden med avseende på tiden hos sensorerna under test 2. Under test 4 var kylskåpet verksamt utan störningsmoment under ca nio timmar. Graferna skiljs åt med hjälp av unika färger. Förklaring av vilken sensor som illustreras i vilken färg syns till vänster. De fyra sensorerna placerades ut för att mäta temperaturen innan kondensorn, efter kondensorn, på förångaren samt luftens temperatur i kylen. Tabell 2 Tabell 1 redogör för våra resultat. De innefattar de mätvärden som samlats in under mätningarna, samt värden som beräknats genom sambanden redogjort för under underrubriken beräkningar. Normaldrift Normaldrift Onormal Onormal Beteckning Förklaring tom vatten drift tom drift vatten Enhet Medeleffekt Medelvärde av effekten 62,73 59,8 56,2 55,25 W Wtom (ej kompenserad) Ej kompenserad Tid [min] 17,63 17,106 W Wtom Effekten som krävs för driva kylen under den totala tiden 12,754 13,46 W Wvatten Den extra effekt som krävs för att kyla vattnet - 8,922-7,63 W Wtom+vatten Den effekt som krävs för att driva kylen då man har vatten 21,677 21,1 W i den Qtom Den värmemängd som "tränger" sig in i kylen 16,77 16,52 W Qvatten Den extra värmemängd som avges av vattnet - 11,73-9,184 W COPR Coefficient Of Performance 1,31 1,2 - Kompressortid Tiden då kompressorn var igång s Totaltid Den totala mättiden för mätexprimenten s

10 Diskussion Det första som hände under projektet var att vi misslyckades helt och hållet med vår första mätning. Vi hade inte läst igenom instruktionerna tillräckligt tydligt och hade inte satt upp några parametrar för hur projektarbetet skulle gå till väga. Vi ägnade mer tid åt frågan när ska vi mäta?, än frågorna hur ska vi mäta? och vad ska vi mäta?. Detta ledde till att vi inte insåg vilka åtgärder man kan vidta för att genomföra mätningar som ger goda möjligheter att bygga vidare beräkningar på, förrän efter mätningarna var genomförda. Att förutsättningarna vid varje mätnings begynnelse är likadana är otroligt viktigt när man ska jämföra olika mätningar med varandra. Att varje mätning görs med samma kylskåp med samma prestanda, att lufttemperaturen i och utanför kylskåpet vid mätningarnas början är identiska och att mer precisa mätinstrument använts (för till exempel avläsning av temperaturen vid kondensorn, samt avläsning för kylskåpets el-förbrukning) är faktorer som leder till mer tillförlitliga resultat. Att ha en större noggrannhet samt skaffa en större förståelse för själva tillvägagångssättet är alltså två saker vi skulle lägga större fokus på vid ett nytt projektarbete. Hur precisa är sensorerna som mäter temperaturen? Vi har vid våra beräkningar förutsatt att de visar den faktiska temperaturen på platsen där vi mäter, men det är högst troligt att avläsningarna av temperaturen är påverkade av ett flertal olika faktorer. En viktig faktor är att vi har gjort mätningarna av temperaturerna på själva komponenterna och inte på själva vätskan som flödar i komponenten. Temperaturen på vätskan är temperaturen som man används vid beräkningarna och är således den temperaturen man eftersöker när man räknar på en kompressorcykels. Vid mätning på förångaren blir däremot felkällan denna mätmetod medför större, då sensorerna här är mäter plastkåpans temperatur. Plast leder som bekant värme dåligt. Här drar vi alltså slutsatsen att vår sensor placerad vid förångaren visar en för låg temperatur. Vår första mätning misslyckades främst för att sensorerna var ur funktion vid det mättillfället. Vi sätter ett frågetecken för sensorernas tillförlitlighet. Ett klart exempel på hur dessa sensorer påverkas av omgivningen finner vi även vid temperaturavläsningen av temperaturen vid kondensorn. Denna temperatur bör vara påverkad av rumstemperaturen och avläses därför som lägre än vad den egentligen är. Försök har gjorts att korrigera ett par av dessa faktorer, främst genom temperaturkompensering. Detta gjorde vi genom att anta en lufttemperatur för alla våra mätningar. Lufttemperaturen är naturligtvis inte densamma för alla fyra mätningar, och lufttemperaturen varierar förstås under tiden mätningarna pågår. Man kan alltså fråga sig om temperaturkompenseringen vi genomförde gjorde mer skada än nytta, då värdena som används för kompenseringen är antagna och byggda på lösa grunder. För varje ny beräkning eller antagande bygd på lösa grunder vi gör, blir slutresultatet mindre tillförlitligt. Temperaturkompenseringen skedde i allra högsta grad på detta sätt. Då resultatet utan kompensering blir tvärt om (kylskåpets effekt är då högre under normal drift än onormal drift), leder det till en tveksamhet kring vilka slutsatser det är möjligt för oss att dra kring kylskåpets drift. Mättiderna på våra mätningar av kylskåpet begränsades till ca 4 timmar då detta var tiden man kunde boka laborationssalen åt gången. En av våra mätningar skedde trots detta under nio timmar, då vi lät mätningen stå aktiv under natten. Detta då vi ville undersöka om våra

11 mätvärden blev mer tillförlitliga om vi lät mätningen pågå under en längre period. Vi noterar efter granskning av resultaten att mätningen som varade under nio timmar är mätningen som är mest exakt. Detta konstaterar vi genom att jämföra medeltemperaturen för hela mätningen, med medeltemperaturen efter fyra timmar. Skillnaden här är mycket liten, endast 0,5 C. En längre mätning jämnar alltså ut temperaturskillnaden som fanns när mätningen påbörjades, då luften i kylskåpet var rumstempererad. Skulle alla våra mätningar ägt rum under en längre tid skulle våra mätningar varit mer precisa, men denna förbättring skulle vara marginell i jämförelse med andra åtgärder vi skulle kunna vidta för att förbättra tillförlitligheten i våra resultat, åtgärder redogjorda för ovan. Vattenmängden som placerades i kylskåpet var 4 liter, en liter vatten för varje timme mätningen pågick. Vid normal drift kyldes vattnet från 24,3 grader till 14,2, en skillnad på 10,1 grader. Vid onormal från 22 grader till 13,5 grader, en skillnad på 8,5 grader. Vi noterar här att kylskåpet vi onormal drift alltså inte kylde vattnet lika väl som vi normal drift. Slutsatsen vi tvingas dra är därför att fläkten mot kondensorn påverkar kylskåpets kyleffekt negativt. Vid mätningen av kylskåpet utan vatten i visar sig samma resultat, att lufttemperaturen i kylskåpet var högre vid onormal drift än vid normal drift. Medeltemperaturen på luften i test 1 (normal drift) var 8,1 och i test 2 (onormal drift) 9,1. Återigen drar vi slutsatsen att kylskåpets kyleffekt är sämre med störningsmoment. Detta motsvarar inte våra förväntningar. Vi förväntade oss att kylskåpets kyleffekt skulle bli starkare med en fläkt riktad mot kondensorn. I kondensorn leds värme bort från kylskåpet. Fläktens effekt leder till ökad konvektion kring kondensorrören, vilket gör att mer värme kan ledas bort. Denna effekt ser vi tydligt i en jämförelse av graf 3, och graf 1. Kondensorns temperatur vid onormal drift är betydligt lägre. Om kondensorn leder bort mer värme, borde förångaren kunna ta upp mer värme från kylutrymmet, och på så vis öka kyleffekten. Varför ser vi då inte det i våra resultat? Att vattnets temperatur i kylskåpet inte är densamma vid mätningarnas start är en faktor. En jämförelse av hur mycket vattnet kylts under mätperioden skulle självklart blivit mer tillförlitlig om förutsättningarna varit desamma. Men varför kyls inte luften mer under mätningarna av tomt kylskåp? Trots att mätningen av tomt kylskåp under onormal drift pågick under nio timmar, blev medeltemperaturen lägre under normal drift. Därför drar vi slutsatsen att temperaturdifferensen i början av mätningarna inte ha påverkat resultat nämnvärt. Kylskåpet har helt enkelt inte kylt lika bra under onormal drift. Projektarbetets huvudsakliga frågställning var att beräkna kylskåpet köldfaktor. De värden vi erhållit är 1,31 för normal drift, och 1,2 för onormal drift. Köldfaktorn beräknas genom sambandet De värden vi erhållit är klart rimliga. Kylskåpets förbrukade effekt var innan kompenseringen lägre vid onormaldrift, efter kompenseringen var den högre. Samtidigt som kyleffekten hela tiden var sämre. Hur vi än beräknar kommer COP-värdet för de olika driftfallen att vara sämre vid onormal drift. Detta är ett resultat som överensstämmer med våra förväntningar. Att COP-värdet sjunker med ett störningsmoment är förväntat av rent logiska skäl. Om COP-

12 värdet hade blivit högre med en fläkt riktad mot kondensorn, borde kylskåpet av logiska skäl rimligen ha blivit producerad med en fläkt riktad mot kondensorn. Vi har ställt stor tillförsikt till de mätningar vi faktiskt uppmätt, och helhjärtat genomfört våra beräkningar utifrån dessa värden. Som diskuterat finns flera potentiella felkällor. För att kunna presentera ett tillförlitligt resultat anser vi att vi skulle behöva genomföra ytterligare trefyra mätningar, där vi minimerar alla felaktigheter som påverkat våra mätvärden. Slutsats Ett kylskåps köldfaktor påverkas negativt av att ha en fläkt riktad mot kondensorn. Detta då kyleffekten blir sämre, samtidigt som kompressorn tvingas arbete hårdare. Vi har erhållit ett rimligt COP-värde för kylskåpet, men med de flera antaganden och de många felkällorna under mätningarnas gång i beaktning vågar vi inte påstå att detta är kylskåpets faktiska köldfaktor. För att kunna göra det skulle flera mätningar behöva utföras, där större hänsyn tas för att minimera felkällorna.

13 Källförteckning - A.Cengel, J.Cimbala & R.Turner, (2012), Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences, New York: McGraw-Hill - K.Storck m.fl., (2012), Formelsamling i termo- och fluiddynamik