KYLSKÅPSPROJEKTET Grupp 1 Mi1A TMMI44 Namn Födelsedatum Mailadress Susanne Almquist 890308 susal716@student.liu.se Oliver Eriksson 931109 olier456@student.liu.se Johan Boström 941112 johbo700@student.liu.se Christian Hed 920730 chrhe745@student.liu.se
Sammanfattning Vi har räknat ut ett kylskåps köldfaktor vid normal drift och när vi ställde en fläkt bakom som var riktad mot kondensorn för att få en onormal drift. Detta har vi gjort genom att mäta ett antal olika temperaturer när kylskåpet var tomt och när vi ställt in en hink med varmt vatten i den. Sedan räknade vi ut hur mycket mer arbete det gick åt när vattenhinken var i kylskåpet och med hjälp av detta räknade vi ut köldfaktorn. Vi kom fram till att kylskåpet fick en högre köldfaktor då fläkten stod bakom kylskåpet och blåste bort varm luft från kondensorn. 1
Innehållsförteckning Sammanfattning... 1 Inledning... 3 Metod... 4 Resultat... 7 Grafer... 8 Normal drift... 10 Onormal drift... 12 Diskussion... 14 Slutsats... 17 Bilagor 2
Inledning Uppgiften går ut på att köldfaktorn (COP R) för ett kylskåp ska bestämmas vid normal drift och vid onormal drift. För att få en onormal drift valdes alternativet att rikta en fläkt mot kondensorn. Mätningarna ska genomföras med hjälp av bland annat en datalogger med fyra temperatursensorer, en dator med programvara som kan hantera dataloggern, en elmätare, en bordsfläkt och en hink med vatten. För att kunna räkna ut köldfaktorn ska två mätningar göras för varje driftfall, en med ett tomt kylskåp och en med en hink med ljummet vatten i kylskåpet. Skillnaden i tillförd effekt mellan de två mätningarna och vattnets avgivna värmemängd ska sedan användas för att räkna ut köldfaktorn för de båda driftfallen. 3
Metod Fyra temperaturgivare placerades ut på kylskåpet med hjälp av tejp. De mätte temperaturen på förångaren, i början och slutet på kondensorn och temperaturen i mitten av kylskåpet. Lufttemperaturen i rummet mättes i början av experimenten. Värmeflödet genom kylskåpsdörren minskades med hjälp av silvertejp. Mätningarna startades då kylskåpet var nerkylt och varade i minst fyra timmar. Data från temperaturgivarna samlades in av en datalogger under mätningarna och sparades sedan på en nätverkshårddisk. En mätning genomfördes med tomt kylskåp under normal drift. 4
En mätning genomfördes under normal drift men med en vattenhink i kylskåpet. Vattnet var ljummet då det sattes in och vattnets volym var cirka en liter per timme som mätningen skulle genomföras. Vattentemperaturen mättes av före och efter mättiden. En mätning genomfördes med tomt kylskåp under onormal drift. Onormal drift innebär att en bordsfläkt placerades bakom kylskåpet och riktades mot kondensorn under hela mättiden. 5
En mätning genomfördes under onormal drift med en vattenhink i kylskåpet. Vattnet var ljummet då det sattes in och vattnets volym var cirka en liter per timme som mätningen skulle genomföras. Vattnets temperatur mättes av före och efter mättiden. Det tillförda elektriska arbetet mättes med hjälp av en elmätare. Kompressorns medeleffekt räknades ut genom att momentaneffekten lästes av en gång per minut under cirka femton minuter i början av varje mätning, sedan räknades medelvärdet av momentaneffekterna ut. För att få ut exakta värden för köldfaktorn måste värmeflödet från omgivningen till kylskåpet vara lika stort i båda mätfallen. Det innebär att temperaturskillnaden mellan luften i rummet och luften i kylskåpet måste vara lika stor vid båda mätningarna för driftfallet. Eftersom detta inte varit fallet har temperaturkompensering tillämpas vid beräkningen av köldfaktorn. 6
Resultat Avlästa mätvärden: Tillförd medeleffekt under kompressorns drifttid [W] Kompressorns drifttid [s] Medeltemperatur i kylen [ C] Temperatur i rummet [ C] Vattentemperatur före [ C] Vattentemperatur efter [ C] Normal drift med tom kyl Normal drift med vatten Onormal drift med tom kyl Onormal drift med vatten 88,2 105 85,4 98,08 7020 14790 17700 22911-0,4-2,06 1,8 1,7 21,6 21,5 21,0 21,9 29,6 28 6,0 6,5 Massa vatten [kg] 4,0 9 Experimenttid [s] 12600 14790 37080 31500 7
0 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000 6600 7200 7800 8400 9000 9600 10200 10800 11400 12000 12600 13200 13800 14400 Temperatur ( C) 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000 6600 7200 7800 8400 9000 9600 10200 10800 11400 12000 12600 Temperatur ( C) Grafer 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20-25 -30 Normal drift utan vatten Före kondensorn Efter kondensorn I kylskåpet På förångaren 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 Tid (sekunder) Normal drift med 4l vatten Före kondensorn Efter kondensorn I kylskåpet På förångaren Tid (sekunder) 8
0 900 1800 2700 3600 4500 5400 6300 7200 8100 9000 9900 10800 11700 12600 13500 14400 15300 16200 17100 18000 18900 19800 20700 21600 22500 23400 24300 25200 26100 27000 27900 28800 29700 30600 31500 Temperatur ( C) 0 1200 2400 3600 4800 6000 7200 8400 9600 10800 12000 13200 14400 15600 16800 18000 19200 20400 21600 22800 24000 25200 26400 27600 28800 30000 31200 32400 33600 34800 36000 37200 Temperatur ( C) Onormal drift utan vatten 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20-25 Före kondensorn Efter kondensorn I kylskåpet På förångaren Tid (sekunder) Onormal drift med vatten 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 Före kondensorn Efter kondensorn I kylskåpet På förångaren Tid (sekunder) 9
Normal drift Till att börja med räknades vattnets värmemängd ut. Sedan räknades värmeeffekten från vattnet ut. Q vatten = m C p (T 2 T 1 ) m = 4 kg C p = 4181 J/kgK Q vatten = 394686.4 14790 = 26.69 W Den tillförda effekten räknades ut. tom = total = = el t komp t experiment 88.2 7920 12600 105 14790 14790 = 49. 14 W = 105 W Skillnaden mellan omgivningens temperatur och kylskåpsluftens temperatur räknades ut. T vatten = 21.5 + 2.06 = 23. 56 T tom = 21.6 + 0.4 = 22. 00 T tom,vatten = 23.56 22.00 = 1. 56 Kompensationsfaktorn räknades ut. 1.56 22 = 0.0709 7. 1% Värmekompensationen (VK) utfördes på det tomma mätfallets arbetseffekt. tom VK = 49.14 + 41.14 0.0709 = 52. 63 W Effekten för att kyla ner vattnet räknades ut: vatten = total tom 10
vatten = 105 52.63 = 52. 37 W Köldfaktorn beräknades. COP R = Q COP R = 26.69 0. 51 52.37 11
Onormal drift Till att börja med räknades vattnets värmemängd ut. Q vatten = m C p (T 2 T 1 ) m = 9 kg C p = 4181 J/kgK Sedan räknades värmeeffekten från vattnet ut. Q vatten = 809023.5 = 25.68 W 8.75 3600 Den tillförda effekten räknades ut. tom = total = = el t komp t experiment 85.4 17700 10.3 3600 98.08 22911 8.75 3600 = 40. 78 W = 71. 34 W Skillnaden mellan omgivningens temperatur och kylskåpsluftens temperatur räknades ut. T vatten abnormal = 21.9 1.70 = 20. 20 T tom abnormal = 21.0 1.8 = 19. 20 T abnormal = 20.20 19.20 = 1. 00 Kompensationsfaktorn räknades ut. 1.00 0.05208 5. 2% 19.20 Värmekompensationen (VK) utfördes på det tomma mätfallets arbetseffekt. tom VK = 40.78 + 40.78 0.052 = 49. 90 W 12
Effekten för att kyla ner vattnet räknades ut: vatten = total tom vatten = 71.34 42.90 = 28. 44 W Köldfaktorn beräknades. COP R = Q COP R = 25.68 0. 90 26.58 13
Diskussion Mätningarna startades när kylskåpet redan var kallt för att skapa mer likartade förutsättningar vid de olika mätningarna. Detta berodde på att andra grupper mätte på samma kylskåp och att det oftast inte fanns tid att låta kylskåpet värmas upp mellan mätgrupperna. Vattnet som sattes in i kylskåpet var tillräckligt varmt och tillräckligt stor mängd för att dess avgivna värmemängd skulle bli så stor att den påverkade hur mycket arbete som behövde tillföras via kompressorn. En av temperaturgivarna placerades på förångaren inne i kylskåpet. Placeringen valdes för att givaren skulle ge en tydlig bild av kompressorns arbetscykler, vilket också skedde. Två av givarna placerades på kondensorn, en före och en efter. I efterhand kan tyckas att detta var lite ogenomtänkt då mätvärdena inte använts i beräkningarna. Detta beror på att beräkningarna inte tänktes igenom ordentligt innan mätningarna påbörjades. Givarna placerades högt upp på kondensorn för att inte påverkas av värmen från kompressorn. Den fjärde och sista temperaturgivaren placerades mitt i kylskåpet. I efterhand kan sägas att givaren hade gett mer exakta värden på kylskåpsluftens temperatur om den placerats på större avstånd från förångaren. Resultatet hade blivit mer exakt om lufttemperaturen i rummet blivit registrerad under hela mätningen. Då hade luftens medeltemperaturen senare kunnat användas i beräkningarna. Medelvärdet av kylskåpets lufttemperatur användes. Avläsningen av momentaneffekter från elmätaren skedde i början av varje mätning. Värdet hade blivit mer exakt om momentaneffekten under en hel kompressorcykel lästs av. Även om så vore fallet hade lösningen med momentaneffekter och medelvärden blivit en förenkling. Elmätaren visade den förbrukade effekten mätt i kwh, eftersom att kylskåpet förbrukar så liten effekt under mättiden visades den förbrukade effekten med för få gällande siffror för att kunna användas. Den bästa lösningen hade varit om elmätaren visat den förbrukade effekten i enheten joule istället för i kilowattimmar. 14
Kompressorns drifttid lästes av från temperaturkurvan som visade temperaturen för förångaren, då förångarens temperatur sjönk jobbade kompressorn och när den steg vilade kompressorn. På grund av avläsningen kan värdet på kompressorns drifttid ha blivit en felkälla. I mätfallet normal drift med tomt kylskåp visade alla temperaturgivarna väldigt låga värden under cirka en halv kompressorcykel. Då detta inträffade mitt under mätningen när kompressorn jobbade i stabila cykler har vi antagit att temperaturkurvorna skulle ha fortsatt på den inslagna vägen även under denna tid. Vi kan inte förklara vad som har hänt med temperaturgivarna under denna tid. I mätfallet normal drift med vatten visar kurvorna en ständig nedgående trend. Det betyder att kompressorn arbetade hela tiden och kom aldrig ned till den inställda kylskåpstemperaturen. Detta beror på att den hela tiden bortförde värmen från vattnet och värmeläckaget från omgivningen. I mätfallet onormal drift med tomt kylskåp visar kurvorna att kompressorn jobbar i jämna cykler hela mättiden. Den innebär att den enbart hanterar värmeläckaget från omgivningen. Temperaturgivaren före kondensorn visar konstiga värden, detta kan bero på att den påverkades av fläkten. I mätfallet onormal drift med vatten visar kurvorna nedgående temperaturer under första delen av mättiden. Detta beror på att hanterar vattnets värmemängd. När vattnet blivit nedkylt behöver kompressorn bara hantera värmeläckaget och temperaturkurvorna visar då att den jobbar cykliskt. Om hela kylskåpet ses som ett slutet system kan dess energiutbyte med omgivningen ses som arbete tillfört kylskåpet via kompressorn, värme bortfört från kylskåpet via kondensorn och värme tillfört kylskåpet via läckage från rummet in i kylen. Då vi ställde in hinken med vatten i kylskåpet tvingades kompressorn att utföra ett större arbete för att kunna hantera vattnets värmemängd och då ökade värmeflödet ut via kondensorn. För att få ut ett exakt värde på köldfaktorn hade värmeflödet från rummet in i kylskåpet behövt vara detsamma i mätfallet med vatten och mätfallet utan vatten. För att kontrollera detta har skillnaden mellan lufttemperaturen i kylskåpet och lufttemperaturen i rummet beräknats och 15
eftersom att det varit stor skillnad mellan mätfallen har värdena temperaturkompenserats. Det innebär att värmeflödet från rummet till kylskåpet har räknats upp procentuellt för att kompensera för skillnaden i temperaturskillnad mellan mätfallen. I och med temperaturkompenseringen har beräkningarna blivit mer överensstämmande med verkligheten, men det är ändå en förenkling att anta att värmeflödet från rummet till kylskåpet skulle vara lika stort i båda mätfallen. Vi antar också att köldfaktorn är exakt densamma i båda mätfallen, detta behöver inte vara helt sant då förutsättningarna (till exempel lufttemperaturen eller luftflödet bakom kylskåpet) kan ha ändrats mellan mätningarna. Dock bör inte förutsättningarna ha förändrats så mycket att det påverkat köldfaktorn nämnvärt, därför är det rimligt att göra förenklingen. Beräkningarna har förenklats något då Q=mcp(T2-T1) användes istället för Q=m(u2-u1) vid beräkning av vattnets avgivna värmeeffekt. Värdet för cp 20 grader har använts i beräkningarna, detta beror på att cp för vatten i intervallet 30 till 5 grader varierar väldigt lite, därför har valet av cp-värdet haft liten påverkan på resultatet och förenklingen kan ses som rimlig. Beräkningen av COPR visar att kylskåpet blev mer effektivt när fläkten riktades mot kondensorn. Detta är rimligt då fläkten tillför arbete som hjälper till att bortföra värme från kondensorn och det innebär att kompressorn behöver tillföra mindre arbete för att kylskåpets totala energiutbyte med omgivningen ska bli detsamma. 16
Slutsats En fläkt riktad mot kondensorn gör ett kylskåp mer effektivt då den hjälper till att bortföra värme och på så vis hjälper kondensorn i dess arbete. En konsekvens av detta är att även om man inte kan ha en fläkt bakom sitt eget kylskåp hemma så skulle det vara bra att se till att luften bakom kylskåpet har möjlighet att cirkulera för att på så vis underlätta kylskåpets arbete och sänka elförbrukningen. En annan slutsats av resultatet är att kylskåpet förbrukar mer energi om man stoppar in något varmt i det och att man därför bör låta mat svalna innan man stoppar in den i kylskåpet. 17
Bilaga 1 Momentaneffekter och medeleffekter. Avläsning efter: [minuter] Normal drift med tom kyl [W] Normal drift med vatten [W] Onormal drift med tom kyl [W] Onormal drift med vatten [W] 1 98 118 101 2 90 114 100 3 90 113 100 4 86 108 98 5 88 108 97 6 86 107 96 7 88 101 98 8 86 103 98 9 88 105 96 10 88 101 98 11 85 101 97 12 87 100 98 13 88 101 14 84 100 18
15 91 100 16 100 Medelvärde under kompressorns drifttid 88,2 105 85,4 98,08 19