Projektarbete "Kylskåp"

Projektarbete "Kylskåp" IEI TMMI44 Termodynamik Tekniska högskolan vid Linköpings Universitet 2014-10-07 Gustav Carlqvist, Martin Forsell, Alexander Apelberg, Sandra Helte, Jenny Lundgren 1

Försättsblad Grupp 3: Namn Klass Pers.nr. E-post Alexander Apelberg Mi1a 911213-1454 Alexander.apelberg@gmail.com Gustav Carlqvist Mi1a 940517-0177 Carlqvist@live.se Jenny Lundgren Mi1a 950709-4069 jenlu821@student.liu.se Martin Forsell Mi1a 910211-4692 martin.forsell@gmail.com Sandra Helte Mi1a 9207060881 sandrahelte@gmail.com 2

Sammanfattning Vi utförde mätningar på ett kylskåp (värmepump) för att ta reda på dess COP R -värde (Coefficient of Performance) samt för att se hur ett kylskåp transporterar bort värme från dess innehåll (i vårt fall vatten). Detta gjordes med hjälp av en dator som förde ett diagram över temperaturförändringen i kylskåpet, en handdator kopplad till datorn som registrerade temperatur för fyra olika positioner på kylskåpet och dessutom i de fallen då en störning infördes, en fläkt. För att kunna räkna ut COP R -värdet för kylskåpet behövde vi utföra 4 olika mätningar: Två stycken under normal drift, en med vatten i kylskåpet och en utan samt två mätningar med en fläkt (störning) riktad mot kondesorn, en med vatten och en utan. Det vi kom fram till var att det krävs ett visst arbete för att kyla ner innehållet i ett kylskåp men att detta arbete kräver mindre energi än den energi vi för bort från innehållet. Vi har också sett att man kan effektivisera kompressorcykeln genom att placera en fläkt riktad mot kondensorn. 3

Innehållsförteckning 1. Inledning...5 2. Metod..6 -Förberedelse....6 -Tillvägagångssätt...6 3. Resultat..8 -Test1: Normal drift, tom kyl.....9 -Test 2: Normal drift med vatten....10 -Test 3: Onormal drift med tom kyl....11 -Test 4: Onormal drift med vatten...12 4. Diskussion..13 -Test 1: Normal drift, tom kyl..13 -Test 2: Normal drift med vatten..13 4

-Test 3: Onormal drift med tom kyl.13 -Test 4: Onormal drift med vatten...13 -Förenklingar och felkällor.14 5. Slutsats.15 6. Referenser.16 7. Bilagor..17 Inledning Syftet för projektarbetet är att få en djupare insyn i sambandet mellan värmeöverföring och arbete samt hur detta sker praktiskt. Vi har eftersträvat en god förståelse för kompressorcykelns funktion, hur man ska ta hänsyn till störningar under processen och vilken mätteknik som krävs för att få en så nogrann mätning som möjligt. Vidare är syftet med projektet dessutom att kunna på ett korrekt och tydligt sätt kunna presentera våra resultat. Vi har sökt värdet för köldfaktorn vid fyra olika situationer; ett tomt kylskåp, ett kylskåp innehållandes kranvatten och tidigare nämnda med störningar som i dessa fall var i form av en fläkt som placerades bakom kylskåpet riktad mot kondensorn. 5

Metod Förberedelse Under en laborationsintroduktion fick en av gruppens medlemmar en kort genomgång av kurshandledaren i syfte att ge oss en översikt av hur projektet ska utföras samt eventuella problem som kan uppstå. På kurssidan fanns en projektbeskrivning till hjälp och även en manual till de mätinstrument vi skulle behöva använda. Tillvägagångssätt Laborationens syfte var att ta reda på COP R (Köldfaktorn) för ett kylskåp under två olika driftfall. För att ta reda på vår köldfaktor behövde vi ta mätvärden som visade hur kylskåpets komponenter betedde sig under olika stadier av kompressorcykeln. Vi var även tvungna att ta värden på hur mycket energi som kylskåpet krävde för att hålla temperaturen på en stabil nivå. För att ta reda på hur kylskåpets kompressorcykel fungerar vid olika lägen/driftfall fick vi i uppgift att göra fyra olika mätningar: 1:a labben: utfördes på tomt kylskåp under normal drift. 2:a labben: utfördes med en hink vatten i kylskåpet under normal drift. 3:e labben: utfördes på tomt kylskåp under onormal drift. 4:e labben: utfördes med en hink vatten i kylskåpet under onormal drift. Anledningen till att två av mätningarna gjordes med mediet vatten är för att vi enkelt kan ta reda på vattnets egenskaper när det kommer till energiöverföring i form av värme. Mätvärdena togs medhjälp av en handdator med fyra stycken temperatursensorer (T1, T2, T3, T4) som i sin tur var synkroniserade med en stationär dator. I datorn valde vi att ta mätvärden var 30:e sekund så att vi skulle få en bild över hur kompressorcykeln såg ut under en längre period. Mätningarna skulle pågå i ca 4 timmar. För att mäta medeleffekten så gjordes en mätning manuellt av W momentan skedde 1 gång/min i tolv minuter. Resultatet multiplicerades med kompressortiden och sedan dividerades resultatet med den totala mättiden. Anledningen till att vi mätte manuellt istället för att använda en elmätare för att läsa av effekten var att elmätaren skulle ha visat ett värde med alldeles för låg upplösning vilket kunde ha gett ett felaktigt resultat. 6

Mätningarna togs på valfria ställen på/i kylskåpet och efter en gemensam diskussion valde vi att placera sensorerna på följande ställen: Bildtext: Bild ovan visar placeringen av sensorerna på kylskåpets baksida. T1 satte vi i början av kondensorn och T2 satte vi i slutet av kondensorn. Detta för att mäta temperaturdifferansen i kondensorkomponenten. (T3 och T4): Bildtext: Bild ovan visar placeringen av sensorer i kylskåpet T3 satte vi på förångaren och T4 satte vi mitt i kylen för att enkelt skilja på medeltemperaturen mitt i kylskåpen under de fyra olika laborationerna. 7

Resultat Tabell över mätdata och resultat från beräkningar Kyltillstånd Tom kyl Kyl med vatten Tom kyl, yttre påverkan Kyl med vatten, yttre påverkan Tid [h:m] 02:09 04:01 03:28 08:45 Starttemp. Vatten [ C] Sluttemp. Vatten [ C] Startemp. Kylskåp [ C] Sluttemp. Kylskåp [ C] 25,0 29,0 4 6,5 3,4 0,9 3,2 6,5 1,9 2,1 3,9 1,2 Massa vatten [kg] 4 9 Lufttemp 20,3 20,6 20,7 21,7 COP 0,53 0,53 1,013 1,013 (prick)q tom [W] 24,871 48,725 (Prick)Q vatten [W] 24,287 27,832 W el [W] 99,5 99,5 99,5 99,5 (Prick)W tom [W] 46,928 48,116 (Prick)W tot [W] 92,89 W 75,6 W (Prick)W vatten [W] 45,96 W 27,484 W 8

Test1: Normal drift, tom kyl Bildtext: Grafen visar hur temperaturen varierade med avseende på tiden i fallet med tom kyl under normaldrift. Under mättiden genomgick kylskåpet 5st kompressorcyklar. 9

Test 2: Normal drift med vatten Bildtext: Bild ovan visar grafen över hur temperaturen varierade med tiden under fallet med normal drift då en hink med 4 liter 25 vatten stod i kylen. 10

Test 3: Onormal drift med tom kyl Bildtext: Bild ovan visar grafen över hur temperaturen varierade med tiden under fallet med onormal drift med tom kyl. 11

Test 4: Onormal drift med vatten + Bildtext: Bild ovan visar grafen över hur temperaturen varierade med tiden under fallet med onormal drift med en hink med 9 liter 25 vatten. 12

Diskussion Test1: Normal drift, tom kyl Vi hade problem att starta mätningen pga problem med mätutrustningen (temploggern visade felaktig temperatur), därav kortare mättid. Trots detta fick vi ett resultat vi blev nöjda med eftersom att diagrammet som ritades upp av programvaran liknades en kompressorcykel. När vi utförde effektmätningen för att få fram en medeleffekt såg vi också hur momentaneffekten förändrades på ett sätt som motsvarar hur effekten i en kompressorcykel ändras beroende på vilken fas den genomgår. Test 2: Normal drift med vatten Från grafen kan man se att kompressorn fick jobba länge innan den slogs av och genomgick en normal kompressorcykel. Detta beror antagligen på att vattnets avgivna värmemängd störde kompressorcykeln eftersom att det värmde upp luften i kylen vilket ledde till att kompressorn fick arbeta en längre tid för att kyla ner (suga ut värmen) från kylskåpet. Test 3: Onormal drift med tom kyl Från diagrammet kan man utläsa att fläkten har påverkat genom att effektivisera kompressorcykeln så att det har tagit längre tid innan kompressorn har behövt börja arbeta efter varje avklarad cykel. Detta genom att mer värme har avgivits vid kondensorn (fläkten kyler kondensorn via konvektion). Test 4: Onormal drift med vatten Som man kanske kan förvänta sig ser diagrammet ut som en kombination av diagrammet för normal drift med vatten i kyl och onormal drift tom kyl. Effekten blir att kompressorn i början av mätningen får arbeta en längre stund för att motverka det uppvärmande vattnet men mellan varje cykel så är kompressorn avslagen en stund eftersom att fläkten effektiviserar kompressorcykeln (se test 3). 13

I vårt resultat har vi kommit fram till att kyleffekten är större för onormal drift än för normal drift vilket man tydligt kan se i framförallt diagrammen för båda fallen med vatten. Testet för normal drift med 4 liter vatten tog ca 3,5 timmar innan kompressorn först slog av och började genomgå en normal kompressorcykel medan testet för onormal drift med 9 liter vatten tog endast 3 timmar på sig innan den först stängde av sig. Alltså tog det kortare tid att kyla ner en större mängd vatten när fläkten blåste på kondensorn vilket visar på en ökad kyleffekt. Vi utförde mätningarna i ca 4 timmar för att tydligt kunna se hur kompressorcyklarna ser ut. Dessutom var det nödvändigt att mäta så länge för att vattnet skulle hinna kylas ner så att kompressorn hann påbörja en normal kompressorcykel i de fall då vatten användes. Sedan att vi använde så pass mycket vatten som vi gjorde var för att kunna se en tydlig skillnad mellan normal drift och onormal drift. Förenklingar och felkällor Möjliga felkällor i experimentet som kan ha påverkat resultatet av mätningarna: Värmeläckage från kylskåpet på grund av förslitningar i tätningar och isolering. För kort/lång mättid. Fel val gällande placering av sensorer, särskilt placeringen av sensorn som vi valde att placera i kylen som troligen var placerad för nära förångaren vilket gav en orimligt låg temperatur för luften i kylskåpet. Vattenmängden var olika i fallen med vatten i kylen på grund av att vi bytte ett mätresultat med en annan grupp som hade valt att använda en större mängd vatten. Sensorna kan ha kommit i kontakt med galvaniserade ytor vilket kan ha stört mätningen. Avrundningar när vi har gjort beräkningar. 14

Slutsats De slutsatser vi kan dra av detta projekt är att genom att placera ett innehåll i kylskåpet som har en högre värmekapacitivitet än luft (tomt kylskåp) så måste kompressorn arbeta längre för att föra bort dess värme och få ner temperaturen i kylskåpet till dess inställda nivå. Den effekt som går åt för att föra bort denna värmeenergi är dock mindre än den energin man för bort och man får alltså ett COP-värde som är högre än ett (detta gäller under normala förhållanden 1 och om kylskåpet fungerar som det ska). Vi såg också att man kan effektivisera kompressorcykeln för ett kylskåp genom att placera en fläkt riktad mot kondensorn och på så sätt föra bort mer värme där. Då kan mer värme tas upp i förångaren och kylningen av kylskåpets innehåll går fortare. Detta kan jämföras med att man i bilar placerar kondensorn till AC-systemet längst fram i bilen för att den ska kylas av fartvinden. 1 Med normala förhållanden menas normalt atmosfärstryck och normal rumstemperatur 15

UTRÄKNINGAR: Bilagor Driftfall 1(normal med tom och vatten): Q prick vatten = W prick tom = (m Cp( ΔT)) t vatten Wel tom t tom =24,287 W = 46,28 W Temp.kompensering: ΔT = 1,4% T1 W prick,tom Temp.komp = 46, 28 1, 014 = 46, 928 W W prick,tot = Wel,tot t vatten = 92,89 W W prick,vatten =W prick,tot - W prick,tom = 45,96 W Q prick,vatten COP= W prick,vatten = 0,53 Q prick,tom = COP W prick,tom = 24,871 W Driftfall 2(onormal med tom och vatten): (m Cp( ΔT)) Q prick,vatten = t vatten = 27,832W W prick,tom = Wel tom t tom Tempkompensering: ΔT 1 = = 4,6% T1 21,7 = 46W W prick,tom Tempkomp = 46 1,046 = 48,116 W W prick,tot = Wel,tot tvatten = 75,6 W W prick,vatten =W prick,tot - W prick,tom = 27,484 W Q prick,vatten COP= W prick,vatten = 1,013 16

Q prick,tom = COP W prick,tom = 48,725 W 17