Projektarbete Kylska p

Transkript

1 Projektarbete Kylska p Termodynamik Klass: MI1.b Gruppnummer 2 Kursnamn TMMI44 Datum för rapportinlämning: Handledare: Joakim Wren Namn Personummer E-postadress André Larsson Andla929@student.liu.se Christoffer Sjöholm Chrsj512@student.liu.se Anton Nordin Persson Antpe754@student.liu.se Anton Johansson Antjo751@student.liu.se 1

2 Sammanfattning Ett experiment på ett kylskåp skulle utföras där mätvärden från ett normalt fungerande kylskåp skulle jämföras med ett kylskåp som rubbats från sin normala drift. Kylskåpet rubbades då med att en fläkt blåste kondensorn. Ett antal sensorer kopplades till kylskåpet, samt med en effektmätare så värden kan samlas in. Vid varje driftfall så gjordes också en mätning med vatten placerad i kylen och temperaturdifferensen noterades. Med detta kunde COP R -värden 1 för normal drift och onormal drift räknas ut. Resultatet pekade på att om en fläkt blåste på kondensorn blev det kallare inuti kylen, men det ger ett mer ineffektivt kylskåp. 1 Ett mått på hur effektivt ett kylskåp är, där värden varierar mellan 0-5, där 0 ger ett extremt ineffektivt kylskåp. 2

3 Innehåll Sammanfattning... 2 Inledning... 4 Metod... 5 Beräkningar och resultat... 7 Beräkningar på utfört arbete:... 7 Beräkningar på arbete till vattnet:... 8 Uträkning av avgiven värmeeffekt från vattnet:... 8 Diskussion Slutsatser Referenser Bilaga Bilaga Bilaga Bilaga

4 Inledning Under projektarbetet skulle man mäta temperaturen på fyra olika komponenter i ett vanligt kylskåp för fyra olika driftfall. Temperaturerna det gällde var: på förångaren, före och efter kondensorn och även temperaturen mitt i kylskåpet. Processen stördes sedan på tre olika sätt. Ett genom att ställa in vatten i kylskåpet, ett med en fläkt bakom kylskåpet alltså på kondensorn och sedan ett med både vattnet och fläkt. Detta gav olika temperaturer på samtliga mätningar som sparades i en dator. Projektarbetets syfte var att få en bättre kännedom inom termodynamikens grunder för kompressorcykeln och hur den opererar, vad för värmeöverföringar som sker, hur man mäter temperatur och hur man presenterar och analyserar sina resultat. 4

5 Metod Det gjordes totalt fyra olika mätningar och varje mätning skulle pågå i minst fyra timmar. Vid varje tillfälle mätte man temperaturen på fyra olika punkter, där en av dem på frivillig plats. Dessa mätpunkter var samma för alla mätningar. Sensorerna satt på följande punkter: Figur 1: T 1 : I denna punkt tejpades en sensor på röret innan kondensorn. Mellan röret och sensorn var det tejp, för att undvika jordningsfel. T 2 : Kabeln tejpades i taket i kylskåpet så sensor sedan kan hänga fritt mitt i kylskåpet. T 3 : I denna punkt tejpades en sensor på röret efter kondensorn. Mellan röret och sensorn var det tejp, för att jordningsfel. T 4 : Sensorn tejpades mot väggen längst in i kylskåpet då förångaren sitter där. Sensorer kopplades till en logger som sparade temperaturdata och som i sin tur sparades i en dator. Se figur logger. Med ett intervall på 25 sekunder sparades temperaturdata för varje sensor. Kylskåpet var utrustat med en effektmätare. Denna användes till att få en medeleffekt av en kompressorcykels arbete. Medeleffekten togs fram genom att klocka effekten var 30:e sekund från kompressorns start till slut. För att sedan dividera med den totala tiden mätningen fortgick. Detta kommer vara arbetet in (W tom). 5

6 Vid varje mätning stördes kylskåpet på olika sätt för att få annorlunda resultat som sedan kunde jämföras och analyseras. Dessa olika driftfallen var: Driftfall 1: kylskåpet stod tomt utan störningsmoment (som vid vardaglig drift). Driftfall 2: en liter vatten per timme placerat inne i kylskåpet (4 liter i detta fall). Driftfall 3: en fläkt riktades mot kondensorn bakom kylskåpet. Driftfall 4: både fläkt och vatten användes i kombination. När vatten placerades i kylen användes en liter per timme experimentet fortgick. Alltså en mätning på fyra timmar krävde fyra liter vatten. Temperaturen i rummet antogs konstant. 6

7 Beräkningar och resultat Tabell 1: Mätvärden från kylskåp. Denna tabell innehåller mätvärden från fyra olika mätningar. Mätning 1 gäller normal drift utan vatten, mätning 2 normal drift med vatten, mätning 3 onormal drift utan vatten och mätning 4 onormal drift med vatten. Beskrivning Mätning 1 Mätnin g 2 Mätning 3 Mätning 4 Beteckningar Starttemperatur vatten [ºC] - 23,1-22,1 T 2 Sluttemperatur vatten [ºC] - 13,7-13,6 T 1 Kompressorns arbetstid [s] tkompressor Tid [s] t Medeltemperatur i kylskåp [ºC] 10,081 11,382 7,903 10,836 TKyl Tabell 2: Denna tabell innehåller effekt-, arbets- och medeleffektsvärden för kompressorn. De två förstnämnda antecknades med hjälp av en effektmätare, medan medeleffekten räknades ut med hjälp av effekten och den totala tiden då kompressorn arbetade. Medeleffekt kompressor för hela mätningen [W] 3,439 W tom Totalt uträttat arbete för en kompressorcykel [J] W en cykel Medeleffekt för en kompressorcykel [W] 62,642 W in cykel Kompressorns medeleffekt under en cykel: W en cykel=62,642 W. En cykel varade i 15 min, vilket motsvarar 840 s. Kompressorns medeleffekt under en cykel: 62,642840=52620 J Beräkningar på utfört arbete: Formel för temperaturkompensering: W in = W en cykel t kompressor t [1] T Rum : Rumstemperaturen antas konstant 21(ºC) för alla 4 mätningar T inne utan vatten = T Rum T Kyl [2] 7

8 T inne med vatten = T Rum T Kyl [3] W inne komp = W in tom (1 T inne utan vatten T inne med vatten T inne utan vatten ) [4] Beräkningar på arbete till vattnet: W in vatten = W in tot W in tom komp [5] Tabell 3: Denna tabell innehåller värden för uträknat arbete och temperatur för rum och kyl. Mätning 1 gäller normal drift utan vatten, mätning 2 normal drift med vatten, mätning 3 onormal drift utan vatten och mätning 4 onormal drift med vatten. Beskrivning Utfört arbete utan vatten[w] Utfört arbete med vatten [W] Temperaturdifferans mellan rum och kyl Temperaturdifferans mellan rum och kyl Utfört arbete inklusive kompensering [W] Arbetet som krävs för att kyla vattnet[w] Mätning Mätning Mätning Mätning Beteckning 19,002-21,925 - W in tom - 24,483-25,579 W in tot 10,919-13,097 - T inne utan vatten - 9,618-10,164 T inne med vatten 16,738-17,015 - W in tom komp - 7,745-8,564 W in vatten Uträkning av avgiven värmeeffekt från vattnet: 1:a Huvudsatsen för slutna system: Q 12 = m(u 2 u 1 ) m(v2 2 v 2 1 ) + mg(z 2 z 1 ) + W 12 [6] 8

9 ( 1 2 m(v2 2 v 2 1 ) + mg(z 2 z 1 ) + W 12 ) kan försummas då ingen fart, höjdskillnad eller tillfört arbete sker till vattnet. Det resterande av formeln blir då. Q 12 = m(u 2 u 1 ) [7] Eftersom vatten är inkompressibel kan denna formel användas: u 2 u 1 = c v (T 2 T 1 ) [8] Då temperaturdifferensen är liten kan detta antagande göras: c v c p [9] c v =4181J/kg Q 12 = m(c v (T 2 T 1 )) [10] Tabell 4: Denna tabell innehåller mätvärden från kylskåpet. Första raden innehåller massan för vattnet som tillsattes vid två av mätningarna medan de två senare raderna är den avgivna effekten från vattnet vid mätning 2 och mätning 4, som representerar mätning vid normal drift med vatten respektive onormal drift med vatten. Vatten Värde Beteckning Massa [kg] 4 m Avgiven effekt vid mätning 2 [W] 10,903 Q in vatten Avgiven effekt vid mätning 4 [W] 9,891 Q in vatten COP R,normal = Q in vatten W in vatten COP R,onormal = Q in vatten W in vatten [11] [12] Tabell 5, COP R för normal och onormal drift COP R,normal 1,408 COP R,onormal 1,155 9

10 Diskussion När sensorerna skulle sättas dit var det viktigt att tänka på att metall- mot metallkontakt ska undvikas då risken för jordfel kan uppkomma. Sensorerna placerades då på kondensorn där det fanns metallrör. Vi satte en tejp mellan röret och sensorn för att undvika detta. Dessutom när sensorerna placerades ut vid kondensorn så ville vi inte att det skulle sitta för nära kompressorn. Då kompressorn blir väldigt varm och rören är gjorda av koppar - som leder värme bra - sattes sensorerna en bit ifrån kompressorn för att undvika felaktiga mätvärden. Därför sattes T 1 och T 3 långt ifrån kompressorn längs röret. När vi dock i efterhand läste av värdena så blev temperaturen vid T 3 förvånansvärt höga och ibland högre än vid T 1. Detta kan förmodligen bero på att vi hade placerat T 3, olyckligtvis, rakt ovanför kompressorn och när kompressorn blir varm och dess värme stiger så kan det påverka resultatet att temperaturen blir högre. Så den sensorn kunde vi ha placerat längre till höger längs röret för att undvika den felkällan. Enligt instruktionerna som vi tillgivits genomförde vi mätningarna under minst fyra timmar. Vi använde oss av fyra liter vatten under denna mättid och detta samband mellan antal timmar och antal liter vatten är ingen slump. Sambandet är en standard vid laborationer som dessa. Samma antal liter och timmar används för att om man vill ha en effekt av att man tillsätter vatten i kylen, så får man inte ha för lite vatten för en viss tid. Detta skulle medföra att vattnet kyls ner för snabbt och då får man inte någon effekt av tillförseln av vatten. Motsatt effekt skulle uppenbara sig om man istället hade fler antal liter vatten än antal timmar. Dessa tankegångar kan också användas när vattentemperatur diskuteras. Om vattnet i fråga skulle vara för kallt (T < 20ºC) skulle det ta kortare tid att kyla ner luften i kylen, för att det kalla vattnet sänder ut mindre värmemängd. Kylen skulle arbeta lika mycket som när man har ideal vattentemperatur, men kylningsprocessen av luften skulle förkortas. Däremot om för varmt vatten (T > 25ºC) skulle tillföras, skulle det ta längre tid att kyla luften, för att mer värmemängd kommer ifrån vattnet. Innan och efter andra mätningen tog vi inte temperaturen på vattnet. Detta försvårade självklart projektets fortgång, då dessa värden var essentiella. Denna del av laborationen gjordes därför om och värden för vattentemperaturen antecknades. 10

11 Vi insåg inte heller att vi skulle ta temperaturen i rummet före varje mätning för att senare kompensera för den värmemängd som läckte in från rummet. Detta medförde att vi istället fick kompensera för medeltemperaturen i kylskåpet till en konstant rumstemperatur. Vi tog då rumstemperaturen subtraherat med medeltemperaturen i kylen och den temperaturdifferensen i procent använde vi till att sänka W in tom för mätningen utan vatten. Temperaturdifferensen i mätningen utan vatten blir då större och vi ville kompensera ner det till mätningen med vatten. I fallet normal drift blev det en kompensation på 20 % vilket skulle motsvara en temperaturdifferens i luften mellan 20 och 24 C. Det känns ganska orimligt att ha en så stor temperaturskillnad i rummet när kylskåpen och datorerna i rummet är ständigt på och några fåtal människor går in i rummet. Dock, de effektvärden vi fick fram blir då rimliga för att det krävs mindre arbete att hålla en låg temperatur i kylen utan någonting i det, samt att när man använder effektvärdet för det extra arbetet att kyla vattnet, till att räkna ut COP R, så blir COP R -värdet också rimligt. Ser man på ett nytt kylskåp med energiklass A+++ med liknande dimensioner som kylskåpet vi gjort våra mätningar på, är värdena inte helt orimliga heller. Det nya kylskåpet drar 64kWh/år 2 vilket motsvarar 7,3W/h. Jämför man det med vårt resultat med normal drift med vatten som är 6,121W/h känns det absolut rimligt, dock är det ca 20 % skillnad mellan dessa resultat. Det är svårt att göra någon rättvis jämförelse mellan dessa värden, då för många faktorer spelar in. Några exempel är hur kallt kylskåpet är inställt på, om det var något inuti under testet och vilka mått de har. Det nya kylskåpet vi började jämföra med ovan - men även alla andra klassade kylskåp på marknaden - har genomgått tester enligt EN standarden 3. Den är en av många EUstandarder som måste uppfyllas för att man exempelvis ska få klassa sitt kylskåp med energiklass A+++, som är den tuffaste klassen. I dessa tester tar de hänsyn till volym, omgivning och luftfuktighet för att nämna några exempel. Dessa faktorer gör att vi inte kan jämföra våra resultat på ett rättvist sätt. 2 Liebherr-International Deutschland GmbH (2005) TP 1760 Premium < GB/region-UK/products_hg.wfw/id _ > (Online) ( ) 3 European Commission through European Committee for Electrotechnical Standardization (2013). EN (Elektronisk) ( ) 11

12 Summa summarum, resultatet pekar på att när en fläkt blåser på kondensorn blir det kallare i kylen, men samtidigt jobbar kompressorn oftare och mer arbete tillförs till kylen för att hålla den låga temperaturen. Så COP R -värdet blir lägre än vid normal drift. Dessutom blåser fläkten på kondensorn som också drar ström. Skulle vi räkna med fläktens arbete så blir COP R -värdet ännu lägre. Detta verkar också rimligt. Om ännu mer energi krävs för att hålla den låga temperaturen, blir kylskåpet mindre effektivt. 12

13 Slutsatser En viktig punkt under detta projekt har varit att ta rätt mätvärden. Vi kan utan problem dra en slutsats om att vi missade två viktiga mätvärden, som var vattentemperaturen innan och efter mätningen och rumstemperaturen under försöken. Vi kan också förbättra oss till nästa uppgift genom att vara bättre förberedda, studera problemet och börja med uppgiften tidigare. När det gäller våra resultat kan man kort och koncist konstatera att med en fläkt som blåser på kondensorn, får vi ett kallare kylskåp men inte ett mer energieffektivt kylskåp. 13

14 Referenser 1: COP värde 2: Liebherr-International Deutschland GmbH (2005) TP 1760 Premium < (Online) ( ) 3: European Commission through European Committee for Electrotechnical Standardization (2013). EN (Elektronisk) ( ) 14

15 Bilaga 1 15

16 Bilaga 2 16

17 Bilaga 3 17

18 Bilaga 4 18

19 19