Klass: Gruppnummer: Datum för laboration: Datum för rapportinlämning: Labbhandledare: Projektarbete Kylskåpet Termodynamik 7 MI1A Namn (gruppens kontaktperson Personummer E-postadress skrivs först) Simon Gustner 890526-2435 Simon.gustner@hotmail.com Jonathan Edsman 940511-0892 Joned928@student.liu.se Ulf Jansson 950729-6870 uffe.ja39@hotmail.com Nils Björklund 940427-2834 Nilbj218student.liu.se För handledaren: Datum för bedömning Betyg (Godkänd G, kompletteras K eller underkänd UK ) Signatur
Sammanfattning I det här projektet har COP-värdet för ett kylskåp uppmätts under normal respektive onormal drift genom att genomföra två tester för respektive fall, ett med tom kyl och ett med en bestämd mängd vatten vars temperatur uppmäts före och efter testet. Testen genomfördes med hjälp av elmätare, fläkt kyl samt en termostat med fyra ingångar som skickade data till datorn för ett så exakt och säkert resultat som möjligt. Genom att jämföra effekten samt energin som gått åt under experimentens gång och sätta in det i ekvationer med den värmemängd som tillförts via vattnet så fick vi fram ett resultat som visar på att kylens kyleffekt ökar när driftförhållandena störs samt en rad intressanta felkällor och förbättrings möjligheter. Inledning Syftet med projekt kylskåpet är att ge ökad förståelse för kompressorcykeln och dess termodynamiska processer. Utöver det ska det visa att gruppen förstår principerna bakom värmeöverföring, temperaturmätteknik, analys dokumentation och presentation av mätresultat samt kunna utföra dessa uppgifter praktiskt. Frågeställning/uppgift Uppgiften är att ta reda på köldfaktorn (COPR) för ett kylskåp vid 1. normal drift 2. onormal drift där ett av följande fall väljs a. Isolerad kondensor b. Fläkt riktad mot kondensorn c. Fläkt inne i kylen Metod Metoden bygger på att två experiment jämförs, där det ena består av en tom kyl, och det andra av en kyl med en känd mängd vatten med känd temperatur. Totalt krävs alltså 4 experiment för att besvara de två frågeställningarna. COPR kan approximativt anses vara lika för de två driftsfallen. Detta medför att COP Qtom Wtom Qtom+vatten Wtom+vatten Qtom COP* Wtom Qtom är okänd, Qvatten kan bestämmas Wtom kan mätas, Wtom+vatten kan mätas Det betyder att COP Qvatten då variablerna har följande värden: Wvatten Wvatten är det extra arbete som krävs för att kyla vattnet Qvatten är den värmemängd som vattnet avger Qtom är den värmemängd som läcker in i kylen under en viss tid t Wtom är det arbete som krävs för att driva kylen under tiden t
t varierar i uträkningarna mellan fyra och elva timmar men alla värden är viktade mot varandra för att bli kompatibla. Figur 1. Kylskåpet som användes i projektet. Figur 2. Principskiss av kompressorcykeln i kylskåpet. 1 Mätning 1: Mätning 1 genomfördes i ett tomt kylskåp vid normal drift. Datorn startades och loggern kopplades in i datorn. 4 sladdar med sensorer kopplades in i loggern och sensorerna sattes ut på fyra olika platser i kylskåpet. Tre platser var bestämda innan testet. En sensor sattes på kondensorn som sitter bakom kylskåpet, en sattes på förångaren inne i kylskåpet, inne i ett öppet frysfack. Den tredje placerades längst in i kylskåpet i mitten, mot bakre väggen. En fjärde sensor som var valfri att placera, sattes också på kondensorn; d.v.s. så att vi mätte när köldmediet var på väg in respektive ut ur kondensorn. 1 Mätning1 klassades som testmätning eftersom kylskåpet hade fel INSTÄLLNING. Dessutom utfördes experimentet felaktigt. Dessa värden togs från en annan labbgrupp.
Figur 1. Insidan av kylskåpet: (T3) sensor på förångaren, (T4) sensor inne i kylskåpet. Figur 2. Loggern (vid slutet av mätning 2) med inkopplade sladdar. Figur 3. Baksidan av kylskåpet. (T2) sensor på kondensorn in, (T1) sensor på kondensorn ut. Loggern startades liksom programmet TEMPERATURLOGGER som fanns på skrivbordet. Kylskåpet startades. Elmätaren, som satt i eluttaget som mäter den elektriska effekten som kylskåpet drar, startades om. Kylskåpet ställdes in på inställning 2 för att få en lagom kylskåpstemperatur i kylskåpet. Kylskåpet stängdes och omgivningstemperaturen mättes. Kylskåpet gick i cirka en kvart för att få en stabil drift. Figur 4. Elmätare (vid uppstart av mätning 2) Via programmets Setup så ställdes loggern in på att temperaturen ska avläsas var 30: nde sekund. Mätningen startades och elmätaren lästes av varje minut i 15minuter, för att kunna räkna ut en medel effekt på kompressorn. Testet pågick i 4 timmar och en powerpoint startades för att inte bli utloggade från datorn, detta för att kunna låta mätningen gå av sig själv. Efter 4 timmar fotades allt med mobilkamera, elmätaren skrevs av och den nya omgivningstemperaturen mättes. All mätdata sparades, både som textfil och graffil.
Figur 5. "Temperaturlogger" programmet (vid avslutat experiment 2). Mätning 2 Mätning 2 innefattade ett kylskåp med en hink fyllt med fyra liter vatten vid normal drift. Samma förutsättningar eftersträvades dvs. kylskåpet hade samma inställning, mätsensorerna sattes på samma ställe och testet utfördes på samma sätt som i mätning 1. Vattnets temperatur mättes innan testet samt en ny omgivningstemperatur mättes. Testet pågick i 4 timmar. Vid testets slut gjordes uppsamling av mätvärden enligt samma procedur som vid mätning 1 förutom att vattnets nya temperatur också mättes. Mätning 3 I mätning 3 mättes ett tomt kylskåp i en onormal drift. Vid onormal drift användes en bordsfläkt med inställning 2, som var riktad mot kondensorn. Detta test utfördes precis på samma sätt som mätning 1 med fläkten som undantag. Detta test gjordes på natten, därför kördes testet i mer än fyra timmar för att slippa stänga av testet mitt i natten. Efter testet samlades all data men alla mätningar efter 4 timmars drift sattes inom parentes och togs inte med i beräkningen.
2 Mätning 4 Mätning 4 som var den mest problemrika mätningen och i den mätningen genomfördes med ett kylskåp med 4 liter vatten vid onormal drift. Samma onormala drift som i mätning 3. Testet utfördes precis likadant som mätning 2 fast med en fläkt blåsandes på kondensorn. Efter 15min upptäcktes dock att en sensor satt fel vilket innebar att den behövde omplaceras och testet fick göras om. När det nya testet pågått i cirka 3 timmar upptäcktes det att mätningen hade ballat ur och antogs felaktigt. Ett beslut togs att mätningen inte var användbar och ett nytt test förbereddes. När det sista testet var klart efter 4 timmar, stöttes ännu ett problem på. Datorn hängdes sig när all data skulle sparas och kvar fanns endast foton samt värdena från elmätaren. 2 Efter ett samtal med Joakim Wren, kunde värden från samma test tas från vår byteslabbgrupp.
Resultat och beräkningar I beräkningarna kommer varje komponent behandlas separat och därför gäller termodynamikens första huvudsats för öppet system. När man säger att ett system är öppet innebär det bl.a. att det finns ett massflöde genom komponenten, samtidigt som det sker temperaturförändring och ett utgående arbete kan existera. Och samma formel fast för ett slutet system: Q m (h 2 h 1 ) + m g(z 2 z 1) + 1 2 m v 2 2 v 1 2 + W t Q m U 2 U 1 + m g(z 2 z 1) + 1 2 m v 2 2 v 1 2 + W 12 Komponenterna var för sig klassas alltså inte som ett slutet system, men alla tillsammans gör det. Därför är det viktigt att sätta en systemgräns när man utför tester och beräkningar, för att kunna konstatera vilket slags system som för tillfället analyseras. Vad det gäller kylskåpet så kan det konstateras att allt sammantaget alltså är ett slutet system. Vid framtagning av Q L H2O, alltså vattnet som placeras i kylen vid ett tillfälle, använder man formeln för första huvudsatsen öppet system: Q m(h2 h1) + PE + KE + W t Eftersom det finns mycket liten/ingen potentiell eller kinetisk energi när vattnet analyseras så försummas dessa tillsammans arbetet. Detta lämnar kvar ekvationen: Q H2O m (h 2 h 1 ) Nu kan ett värde på Q tas fram, dock är entalpin ett värde som inte är uppmätt. Eftersom värdet för entalpin inte finns tillgängligt så måste formeln skrivas om för att kunna ta fram kyleffekten. Den omskriva formeln blir: Q L H2O m c p (T 2 T 1 ) Eftersom vätskan räknas som inkompressibel så kan även c v uppskattas till samma värde som c p. I övriga fall där det finns tryckskillnader kan man fortfarande uppskatta dem till samma värde, då tryck har liten påverkan, medan skillnader i temperatur måste beaktas vid beräkning av c p och c v. Därför är det viktigt, vid framtagning av det värdet som cp och/eller cv ska anta, att beräkna den medeltemperatur som kommer råda under förändringen. Nu när första huvudsatserna har presenterats och förenklats, så riktas fokus till andra ekvationer som kommer behövas för att kunna beräkna de olika fallen som uppmätts:
COP R Q L H2O W t COP R Elektriskt Q L H2O W t Normal drift (+ vatten) Konstatera c v /c p för vattnet i kylen genom att med medeltemperaturen ta fram tabellvärdet. Medeltemperatur H2O T 2 T 1 2 28.2 + 8.92 2 18.55 Beräkning av kyleffekten med vatten: Q H20 m c v (T 2 T 1 ) 4 4179(282.2 301.5) 322619 J Beräkning av kyleffekten per sekund med vatten: Q H2O Tillfört arbete per sekund med vatten: Beräkning av COP H2O : Q H2O t W H2O W drifttid totaltid COP H2O Q H2O W t 322619 3600 4 ( )22.4W 97W 12000s 14400s 80,83W 22.4 80.83 49.914 0.7245 Beräkning av tillfört arbete per sekund utan vatten: W tom W drifttid totaltid Beräkning av kyleffekten utan vatten: 90,07W 7980s 14400s 49.914W Q TOM COP H2O W TOM 0.277 49.914 13.83W Beräkning av felmarginal
Temperaturdifferens (vatten tom) 23 22 Felmarginal (påslag på lägre T) 4,34% Högsta temperaturen 23 Beräkning av COP kylskåp med felmarginal: COP kylskåp Q H2O W t 1.0434 0.6944 Summering Normal drift utan vatten Normal drift med vatten Medeltemperatur H2O - 18.55 Medeltemperatur Rum 22 23 C v /C p (J/kgK) - 4179 Q H2O (J) - 322619 Q H2O (W) - ( )22.4 Q tom 13.83 - Felmarginal (%) +4.34 - COP kylskåp 0.2655 Tillfört Arbete (W) 49.914 Onormal drift (+ vatten) Konstatera c v /c p för vattnet i kylen genom att med medeltemperaturen ta fram tabellvärdet. Medeltemperatur H2O T 2 T 1 2 27.3 + 9.8 2 18.55 Beräkning av kyleffekten med vatten: Q H20 m c v (T 2 T 1 ) 4 4179(283.1 300.6) 292530 J Beräkning av kyleffekten per sekund med vatten: Q H2O Tillfört arbete per sekund med vatten: Q H2O t W H2O W drifttid totaltid 292530 3600 4 ( )20.31W 93,5W 7860s 14400s 51W Beräkning av COP H2O :
COP H2O Q H2O 20.31 W t 51 41.46 2.13 Beräkning av tillfört arbete per sekund utan vatten: W tom W drifttid totaltid Beräkning av kyleffekten utan vatten: 97,5W 6124s 14400s 41.46W Q TOM COP H2O W TOM 2.13 41.46 88.3W Beräkning av felmarginal Felmarginal (påslag på lägre T) Beräkning av COP kylskåp med felmarginal: Temperaturdifferens (vatten tom) Högsta temperaturen COP kylskåp Q H2O 1.114 W t 2.37 19.5 22 22 Summering Onormal drift utan vatten Onormal drift med vatten Medeltemperatur H2O - 18.55 Medeltemperatur Rum 22 19.5 C v /C p (J/kgK) - 4179 Q H2O (J) - 292530 Q H2O (W) - ( )20.31 Q tom 88.3 - Felmarginal (%) - +11.4 COP kylskåp 2.37 Tillfört Arbete (W) 41.46 11,4%
Drift med fläkt och tom kyl 40 30 grader Cº 20 10 0-10 -20-30 00:00:00 50 40 30 1timme 2timmar sensor1 sensor2 sensor3 sensor4 tid normal drift och tom kyl 3timmar 4timmar grader C 20 10 0-10 -20-30 00:00:00 1 timme 2timmar tid 3timmar 4 timmar sensor 1 sensor 2 sensor 3 sensor 4
drift med fläkt och 4 liter vatten 50 40 30 grader C 20 10 0-10 -20-30 00:00:00 1 timme 2timmar tid 3timmar 4 timmar sensor1 sensor2 sensor3 sensor4 Obs ej grafen till värdena i uträkningarna utan lånad från grupp6 Mia då våran textfil krascha. Normal drift och 4 liter vatten 50 40 30 grader Cº 20 10 0-10 -20-30 00:00:00 1timme 2timmar 3timmar sensor1 sensor2 sensor3 Column5 tid 4timmar
Analys För att uppnå ett bättre resultat borde massflödet samt massflödet innan och efter strypventilen då detta minskar mängden antaganden som måste tas. Alla mätningar gav de resultat som var förväntade, testerna med vatten ser man tydligt hur värmepumpen var aktiv under en längre tid tills kylskåpet uppnått önskad temperatur därefter började kylskåpet arbeta efter samma cykel som kylskåpet arbetade med medans kylen var tom. Att verkningsgraden höjdes då en fläkt blåste på aggregatet är också försåtligt då luften runt kondensatorn ersätts konstant och den då kan ge ifrån sig värme genom konvektion Felkällor Eftersom frysfacket där förångaren satt var öppet blev temperaturen i kylskåpet väldigt låg jämförelsevis med ett kylskåp i hemmet som bör ligga på runt 4-6 grader. Kylskåpet och isoleringen längs dörren var väldigt utslitet vilket kan ha spelat stor roll i hur bra kylan hölls inne samt hur kompressorn var tvungen att jobba. Tejp sattes runt sensorerna för att de inte skulle komma i kontakt med någon metall eller någon annan ledare. Detta kan påverkat hur de mätt temperaturen. Dessutom mättes bara omgivningstemperatur vid start och vid slutet av varje experiment. Av det faktumet kan vi inte veta hur temperaturen var under själva testet och hur det kan ha påverkat vår temperatur inne i kylskåpet samt på kondensorn. Två resultat har tagits från en annan labberationsgrupp vilket inte kan empiriskt kontrolleras eftersom ingen av labberationsmedarbetarna i denna grupp var närvarande vid experimentet. Anledningen till att vårt första resultat i mätning 4 inte kunde användas kan diskuteras att en av sensorerna på kondensorn låg emot en metall vilket kan ha skapat någon form av kortslutningen eller störning som gav flera felmätningar. Det andra resultatet till mätning 4 försvann när vi försökte spara textfilen, då kraschade programmet och allt gick upp i rök.
Slutsats Med hjälp av de resultat som kom fram i dessa tester kan ett antal saker konstateras. För det första så kan det konstateras att en fläkt mot kondensatorn ökar kyleffekten och COP R markant, samtidigt som det även sänker temperaturen överlag i samtliga systempunkter. Det leder även till en kortare kompressortid vilket betyder längre uppehåll mellan cyklerna och därigenom en mindre regelbunden temperatur vid de olika mätpunkterna. Förövrigt syns det tydligt i graferna hur 4 liter vatten gör att kompressorn får arbeta konstant under en längre tid innan den kommer in i cykler samt att en fläkt gör det motsatta. Då COP R nära tredubblades mellan de två driftsfallen kan det konstateras att en fläkt troligen skulle göra kylskåpet mycket mer effektivt även om arbetet som tillförs den räknas in i ekvationen. Det enda som talar emot detta är det faktum att kyleffekten på vattnet sjönk när man tillförde en fläkt, detta kan möjligen bortförklaras med en lägre starttemperatur då värmeledning och konvektion enligt Newtons lag är proportionell mot temperatur differensen. Som slutsats kan man därför säga att en fläkt mot kondensorn definitivt höjer effektiviteten hos själva kylskåpet(cop R ) men inte nödvändigtvis den kyleffekt den projicerar på innehållet i kylen. Källor: Metod: Bilder tagna med mobil under experiment. Figur 2 är tagen från föreläsning 7.
bilaga Efter mätningen av test 4(drift med en fläkt riktad emot kondensorn och 4 liter vatten i kylen) så blev det något fel på text-filen med värdena från grafen, varför en graf ej kunde skapas till dessa värden. Dä värdena såg bra ut i övrigt så valde vi att efter konsultation med Joakim Wren att låna grafen från samma test av en grupp som kört med samma inställningar och fortsätta använda de värden vi tagit från vårt egna test. Detta gjordes enbart för visuella skäl då principskillnaden mellan de olika testen klargjordes lika bra i grupp 7 mias test4 som i vårat.