TMMI44 Projektarbete Kylskåp Mi 1b Grupp 5 Erik Runesvärd, 950213, eriru231@student.liu.se Mayur Vaghjiani, 940712, mayva604@student.liu.se Filip Naeslund, 930114, filna681@student.liu.se Gustav Larsson, 951119, gusla930@student.liu.se Linköpings universitet Handledare: Joakim Wren Inlämnad: 2014-10-12 1
Sammanfattning Projektet gick ut på att analysera ett kylskåp i drift under fyra olika förhållanden. Analyserna grundas på mätningar av temperturer på kylskåpets komponenter samt elektrisk arbete som måste tillföras för att kylskåpet ska drivas. Med hjälp av dessa mätningar går det att göra beräkningar på kylskåpets Coefficient of Performance, (COP). De fyra olika driftfallen är: - Normal drift med en känd mängd vatten i kylskåpet - Normal drift med ett tomt kylskåp - Onormal drift med en känd mängd vatten i kylskåpet - Onormal drift med ett tomt kylskåp 2
Innehållsförteckning Inledning som beskriver problemställningen... 4 Teori (formler)... 4 Metod... 5 Beräkningar... 6 Resultat... 8 Diskussion... 14 Slutsats... 16 Referenser... 17 3
Inledning som beskriver problemställningen Projektetarbetet kylskåpet går ut på att öka förståelsen på hur termodynamiken hänger samman med hjälp av analyser av de olika driftfallen. För att få det vi få mer förståelse på dessa punkter: - Kompressorcykeln och dess process - Metod för att beräkna och förstå temperaturdifferenserna - Värmeöverförningar - Dokumentation, analys och presentation av mätresultat När dessa fyra punkter blivit kartlagda ska ett Coefficient of Performance, COP, beräknas vid varje driftfall. Detta görs för att öka förståelsen ännu mer på hur hela processen kompressorcykeln fungerar och hänger samman. Med hjälp av fyra temperatursensorer och en logger som är sammankopplad med en dator kan värden analyseras. Genom att välja lämpliga placeringar på temperatursensorerna och det elektriska arbetet som krävs för att driva kylskåpet ges det all information som behövs för att kunna beräkna COP värdet samt värmeutbyten vid de olika komponenterna i kylskåpet. Teori (formler) 4
Metod För att kunna räkna på denna uppgift krävs utplacering av fyra olika temperatursensorer som är kopplade till en temperaturlogger som i sin tur är kopplad till en dator. På datorn kan sedan sensorernas värden under hela mätningen läsas av och sparas. Två av temperatursensorerna placeras inuti kylskåpet, en placeras på kylskåpets kondensor som i detta kylskåp befann sig baktill i kylskåpet. Den andra sensorn placeras fritt hängande mitt i kylskåpet för att kylskåpets lufttemperatur ska kunna avläsas. De övriga två sensorerna placeras en på ett rör direkt efter kondensorn och den sista placeras innan kondensorn. För att mätvärdena ska bli så korrekta som möjligt ska mätsensorerna vara i kontakt mot det föremål som ska temperaturavläsas. Detta görs med hjälp av maskeringstejp för att sensorerna inte ska flytta sig under pågående mätning. För att uppnå optimala och realistiska mätresultat krävs det att kylskåpet stabiliseras innan drifttillfället. Detta görs genom att kylskåpet får köras tills det når önskvärd temperatur i kylskåpet. Fyra mätningar utförs. 1. Normal drift med tomt kylskåp 2. Normal drift med känd mängd vatten i 3. Onormal drift med tomt kylskåp 4. Onormal drift med känd mängd vatten i Vid onormaldrift så placerades en bordsfläkt bakom kylskåpet riktad mot kondensorn. Fläkten var igång konstant under hela mätningen. Detta för att skapa ett onormalt förhållande för att sedan se hur det påverkade mätvärdena jämnfört vid normaldrift. Vid driftfallen med vatten placerades en hink innehållandes vatten (1 liter vatten för varje timme som mätningen pågick). Vid drifttillfällen med vatten mättes även vattnets start- och sluttemperatur. Varje mätning gjordes i ca fyra timmar. 5
Beräkningar Söker COP R normaldrift COP R ( ) Temperaturkompensering: W 6
Söker onormaldrift: Temperaturkompensering: 7
Resultat Temperatur [ C] 60 Mätning kylskåp normal drift (tomt) 50 40 30 20 10 0 Innan Expantionsventil Luft i kylskåp Efter kompressor Förångare -10-20 -30 0 50 100 150 200 Tid [min] Graf 1. Detta är mätning 1 för normal drift (tomt). Ovan presenteras temperaturförändringarna hos de olika mätsensorerna under experimentets totala tid. Tidsaxeln presenteras i intervaller av 50 min var och den totala tiden är ca fyra timmar. De fyra sensorerna är placerade innan expansionsventilen, efter kondensorn, mot förångaren inne i kylskåpet och fritt hängande i kylskåpet. Temperatur [ C] 50 Mätning kylskåp normal drift med vatten 40 30 20 10 0 Innan Expantionsventil Luft i kylskåp Efter kompressor Förångare -10-20 -30 0 50 100 150 200 250 Tid [min] Graf 2. Detta är mätning 2 för normal drift med vatten. Ovan presenteras temperaturförändringarna hos de olika mätsensorerna under experimentets totala tid. Tidsaxeln presenteras i intervaller av 50 min var och den totala tiden är ca fyra timmar. De fyra sensorerna är placerade innan expansionsventilen, efter kondensorn, mot förångaren inne i kylskåpet och fritt hängande i kylskåpet. 8
Temperatur [ C] 40 30 20 10 0 Mätning kylskåp onormal (fläkt mot kondensor) + vatten Innan expantionsventil Efter kompressor Förångare Luft i kylskåp -10-20 -30 0 50 100 150 200 Tid [min] Graf 3. Detta är mätning 3 för normal onormaldrift (tomt). Ovan presenteras temperaturförändringarna hos de olika mätsensorerna under experimentets totala tid. Tidsaxeln presenteras i intervaller av 50 min var och den totala tiden är ca fyra timmar. De fyra sensorerna är placerade innan expansionsventilen, efter kondensorn, mot förångaren inne i kylskåpet och fritt hängande i kylskåpet. (Dessa värden har delats med grupp 1) Temperatur [ C] 40 Mätning kylskåp onormal (fläkt mot kondensor) tom 30 20 10 0 Innan expantionsventil Luft i kylskåp Efter kompressor Förångare -10-20 -30 0 50 100 150 200 250 Tid [min] Graf 4. Detta är mätning 4 för onormal drift med vatten. Ovan presenteras temperaturförändringarna hos de olika mätsensorerna under experimentets totala tid. Tidsaxeln presenteras i intervaller av 50 min var och den totala tiden är ca fyra timmar. De fyra sensorerna är placerade innan expansionsventilen, efter kondensorn, mot förångaren inne i kylskåpet och fritt hängande i kylskåpet. (Dessa värden var från labbgrupp 1) 9
Temperatur [ C] 40 Innan expantionsventil 38 36 34 32 30 28 26 Normal drift med tomt kylskåp Normal drift med känd mängd vatten Onormal drift med tomt kylskåp Onormal drift med känd mängd vatten 24 22 20 0 50 100 150 200 250 Tid [min] Graf 5. Detta diagram visar skillnaden i temperatur mellan de olika driftfallen vid samma punkt. Mätsensorns placering är innan expantionsventilen. Temperatur [ C] 25 Luft i kylskåp 20 15 10 5 Normal drift med tomt kylskåp Normal drift med känd mängd vatten Onormal drift med tomt kylskåp Onormal drift med känd mängd vatten 0 0 50 100 150 200 250 Tid [min] Graf 6. Detta diagram visar skillnaden i temperatur mellan de olika driftfallen vid samma punkt. Mätsensorns placering är i centrum inuti kylskåpet och mäter lufttemperaturen i kylskåpet. 10
Temperatur [ C] 50 Efter kompressor 45 40 35 30 Normal drift med tomt kylskåp Normal drift med känd mängd vatten Onormal drift med tomt kylskåp Onormal drift med känd mängd vatten 25 20 0 50 100 150 200 250 Tid [min] Graf 7. Detta diagram visar skillnaden i temperatur mellan de olika driftfallen vid samma punkt. Mätsensorns placering är på utsidan kylskåpets baksida efter kompressorn/innan kondensorn. Temperatur 15 [ C] På förångare 10 5 0-5 -10-15 Normal drift med tomt kylskåp Normal drift med känd mängd vatten Onormal drift med tomt kylskåp Onormal drift med känd mängd vatten -20-25 0 50 100 150 200 250 Tid [min] Graf 8. Detta diagram visar skillnaden i temperatur mellan de olika driftfallen vid samma punkt. Mätsensorns placering är inuti kylskåpet mot förångaren. 11
Bild 1 Bilden visar två olika mätpunkter. Placering 1 är längst in i kylskåpet där en av mätsensorerna sitter planerad mot kylskåpets innervägg för att komma så nära förångaren som möjligt. Placering 2 är en mätsensor som hänger fritt inne i kylskåpet en bit ner från taket. Censorn är centrerad i kylskåpet för att kunna få ut en medeltemperatur på kylskåpets innertemperatur, då temperaturen på botten av kylskåpet inte är den samma som i övre delen av kylskåpet. Bild 2 Bilden visar hur fläkten står uppställd för att kunna skapa det så kallade onaturliga förhållandet. Den är riktad mot centrum av kylskåpets bakdel. Detta för att kyla ner kondensorn. 12
Bild 3 Bilden visar kylskåpets baksida. Där placerades två andra mätsensorer. Placeringen av mätsensor 3 är en bit efter kompressorn men innan kondensorn, och mätsensor 4 är placerad efter kondensorn men innan expantionsventilen. Med hjälp av temperatursensorn i punkt 4 och 3 kan sedan temperaturförändringen innan och efter kondensorn räknas ut. Bild 4 Bilden visar hur en behållare med vatten placerats i kylskåpet. Detta gjordes på samma sätt under både onormalt och normalt förhållande. Behållaren fylldes upp med 4 liter vatten då mätningen pågick i 4 timmar. 13
Diskussion Syftet med denna laboration var att ta reda på COP värdet för ett kylskåp. Ett COP värde för normal drift och ett COP värde för onormal drift. För att kunna göra det så behövs det fyra mätningar. En mätning med tomt kylskåp vid normal drift, en mätning med vatten i kylskåpet vid normal drift. Sedan krävs två mätningar till på samma sätt vid onormal drift. På detta sätt kan man räkna ut hur mycket mer energi som krävdes för att kyla ner vattnet vilket man behöver veta för att kunna beräkna COP. Mättiden som användes var 4 timmar därför fylldes hinken med 4 liter vatten som sedan ställdes i kylen. Vattnet skall vara rumstempererat alltså runt 20-25 grader celsius. Alla mätningar som utfördes var ca 4 timmar långa. Detta för att få likgiltiga värden vid de olika driftfallen. Med facit i hand så hade laborationen kunnat utföras lite mer strukturerat. En plan över arbetesgången hade kunnat läggas upp för att undvika misstag. Som till exempel att glömma mäta temperaturen i rummet vid utförandet av mätningarna. Detta misstag skedde vid alla mätningar, vilket resulterade i att ett medelvärde på rumstemperaturen fick antas ( ). Ytterligare felkällor hade kunnat minimeras genom att få så lika förutsättningar som möjligt på mätningarna. Till exempel hade differensen mellan vattentemperaturen i de olika mätningarna kunnat minimeras samt differensen mellan starttemperaturen i kylskåpet i de olika mätningarna. Det som borde ha gjorts i början av varje mätning är att låta kylskåpet stabiliseras, d.v.s. låta kylskåpet gå några minuter till önskad temperatur är nådd, därefter påbörja mätningen. Vid de olika mättillfällena varierade placeringarna av temperatursensorerna till viss del på grund utav omplacering utav andra labbgrupper. Detta kan eventuellt resultera i mindre temperaturförändringar som inte skulle skett om de hade haft samma placering. Man kan tydligt se en stor temperaturdifferens mellan onormal drift och normal drift vid punkterna 3 och 4 i bild 3. Detta var förutsett då det beror på fläkten som placerats för att fläkta på kondensorn/kompressorn, vilket har resulterat i en lägre registrerad temperatur utav mätsensorerna. En annan felkälla som var väldig tydlig var när värdebyte gjordes med en annan grupp. Detta gjordes på grund av tidsbrist och eftersom den andra gruppen inte gjort på samma sätt så ledde detta till att resultaten inte blev lika, trotts att placeringen var snarlik. En annan sak som upptäcktes var att vissa grupper som gjorde mätningar ändrade på reglatorn inne i kylskåpet vilket ledde till högre respektive lägre temperaturer. Därför gällde det att vara extra uppmärksam när mätningen skulle påbörjas så reglaget var inställt på samma sätt under alla mätningar. Vid temperaturkompensering så görs en del antaganden. Man antar att om temperaturdifferensen mellan luften i kylen och luften i rummet är 20% större i det ena fallet 14
så kommer det att läcka in 20% mer värme i kylskåpet. Detta antar man sedan att kompressorn kommer behöva jobba 20% mer för att föra bort. Genom att då öka W med 20% i den mätningen som hade lägre temperatur differens så har man kompenserat för att kompressorn fick jobba 20% mer i fallet med stor temperaturdifferens. Dessa antaganden är inte helt korrekta då vi inte vet om det faktiskt läcker in så pass mycket mer värme i kylskåpet bara för att temperaturdifferensen mellan luften i rummet och luften i kylen är större. Ett antagande som är gjort är att mätsensorerna är fullt isolerade, vilket skulle betyda att ingen värme utifrån kan påverka ändpunkten på sladden. Men detta stämmer såklart inte vilket betyder att värme tillförs längst mätsensorsladden och gör att alla sladdar påverkas med rummets temperatur som leder till att mätningarna inte är helt korrekta. Även den elektriska effekten som uppmättes är inte heller helt korrekt. För att denna ska bli så exakt som möjligt borde effektmätaren ha registrerat värden under hela mättiden. Detta skulle resultera i ett säkrare värde. Istället har ett genomsnittligt värde antagits av en mättid på de första 15 minuterna. De COP värden som resulterades efter våra mätningar och beräkningar var högre än det teoretiska COP-värdet för ett kylskåp som ligger mellan 0,5 1,5 vid normal drift. Vårt värde differerade inte mycket jämfört med det teoretiska värdet men var ändå över det teoretiska värdet. Det höga COP-värdet var ganska förväntat i och med alla felkällor. COP-värdena vid de olika drifttillfällena skiljde inte mycket. COP-värdet vid onormaldrift var aningen större än vid normaldrift. Att COP-värdet var högre vid onormaldrift tror vi i gruppen är för att fläkten hjälpte till att kyla ner köldmedlet snabbare. Detta leder till att köldmedlet har lägre temperatur när den når förångaren jämfört med vid normaldrift. Lägre temperatur vid förångaren ger en större temperaturdifferens vilket leder till att förångaren kan ta upp mer värme från omgivningen vilket leder till att det blir kallare i kylskåpet och att kylskåpet fick en lägre medeleffekt. Ekonomiskt sätt är det dock inte lönsamt att ha fläkten riktad mot kondensorn då det går åt mer energi att ha igång fläkten än den energin man spar vid det onormala driftfallet. 15
Slutsats Den tydligaste och kanske viktigaste slutsatsen som kan dras ur detta projekt är att kylskåpet kräver mer arbete för att driva hela processen vid onormalt förhållande. Detta för att även fläkten kräver arbete och den vinsten som fås ut är inte så pass mycket lägre än normalt förhållande. Det finns så pass många felkällor som är nämnda ovan som alla tillsammans gör att resultaten kan variera så pass mycket som de gör och därför gett lite orealistiska COP-värden. För bättre resultat krävs mer noggrannhet i utförande och mätningarna. 16
Referenser Formelsamling i termo- och fluiddynamik (17 juni 2008) sida.8 Formelsamling i termo- och fluiddynamik (17 juni 2008) sida.77 17