KYLSKÅPSPROJEKTET Robert Mustonen, David Larsson, Christian Johansson, Andreas Svensson OCTOBER 12, 2014 LINKÖPINGS UNIVERSITET Tekniska högskolan vid Linköpings universitet
Rapport för Projekt Kylskåp Klass: MI1b Gruppnummer: 3 Datum för rapportinlämning: 12-10-14 Labbhandledare: Joakim Wren Namn (gruppens kontaktperson Personummer E-postadress skrivs först!) Christian Johansson 920412-1595 Chrjo612@student.liu.se David Larsson 950518-5174 Davla119@student.liu.se Robert Mustonen 951011-4359 Robmu374@student.liu.se Andreas Svensson 940410-0779 Andsv180@student.liu.se För handledaren: Datum för bedömning Betyg (Godkänd G, kompletteras K eller underkänd UK ) Signatur 1
Sammanfattning I detta projekt så var målet att ta reda på ett kylskåps köldfaktor under normal och onormal drift. Vi har utfört flera olika mätningar på ett kylskåp och sedan använt dessa mätvärden för att räkna ut köldfaktorn i de olika driftfallen. Mätningarna vi gjorde var på ett kylskåps under olika driftförhållanden, samt med och utan en viss mängd vatten inuti kylskåpet för varje driftfall. Mätningarna bestod av temperaturer på olika komponenter i kylskåpets kompressorcykel, temperatur i kylskåp och temperatur på starttillstånd och sluttillstånd på vattnet som användes. Varje mätning utfördes under ca fyra timmar och där våra mätvärden sparades via en dator som spelade in temperaturerna. Efter uträkningar kom vi fram till ett resultat vi inte väntat oss och som påverkats av felmätningar, för låg noggrannhet och underskattning av vissa faktorer. Detta har visat oss hur viktigt det är med noggrannhet, kommunikation, förberedelser för att nå ett rimligt och bra resultat. 2
Innehållsförteckning Sammanfattning... 2 Inledning... 4 Syfte och frågeställning... 4 Metod... 4 Teori... 7 Resultat... 9 Normal drift utan vatten... 9 Normal drift med vatten... 10 Normal drift... 11 Onormal drift utan vatten... 12 Onormal drift med vatten... 13 Onormal drift... 14 Diskussion... 15 3
Inledning I detta projekt kan man läsa om hur man, med hjälp av mätningar och beräkningar, analyserar driften av ett vanligt kylskåp och hur dess driftcykel påverkas under termiska samt termodynamiska omständigheter. Genom att mäta temperaturer i fyratimmars perioder på olika punkter runt kylskåpets driftscykel samt elförbrukningen på kylskåpet, kan värmefaktorn(cop) tas fram. Detta genomförs då under fyra olika driftförhållanden där två är under normal drift och två är under onormal drift. Syfte och frågeställning Syftet med detta projekt är att man ska få mer förståelse för: Hur kylskåpets kompressorcykel samt processer fungerar Hur man mäter temperaturer med ett avancerat mätsystem och hur man kartlägger dessa. Hur värmeöverföringen av olika material och medier(vatten, syre m.m.) påverkar driftcykeln på kylskåpet. Hur man på ett vetenskapligt sett Analyserar, Dokumenterar samt presenterar sina mätresultat. Metod Det första som utfördes var att koppla in en elmätare till kylskåpet för att kunna mäta den effekt som tillfördes kylskåpet. Elmätaren placeras mellan kopplingen som förekommer mellan kylskåpet och eluttaget. Sedan behandlades temperaturmätutrustningen, det innefattar en temperaturlogger och fyra temperaturkänsliga sensorer, men också en programmjukvara som finns installerad på en dator. Kopplingen mellan kylskåp, elmätare och eluttag 4
Sensorernas ena ändar placerades på olika platser i kylskåpet för att temperaturer enkelt ska kunna läsas av. Den andra änden av sensorn kopplas till temperaturloggern för att mätvärdena skall kunna registreras. Kopplingen till loggern sker via en plus och en minus sida, den gröna ansluts till minus och den vita till plus. För säkerthetens skull testades även temperaturanordningen innan nästa steg utfördes. Loggern i sin tur är kopplad till en dator som innehåller programvaran Temperaturlogger. Kopplingen sker via usb porten på datorn med en kabel som hör till loggern. Datorn används som hjälpmedel för att mätvärden enkelt skall kunna registreras. Sensorernas positioner bestämdes utifrån vilka mätvärden som behövdes. I detta fall sattes den första sensorn på förångaren, det vill säga längst in i kylskåpet. Sensor två och tre placerades för och efter kondensorn. Före kondensorn sitter högre upp och efter kondensorn sitter längre ner på baksidan av kylskåpet. Mätningen vid dessa positioner kan enkelt bli fel om man inte sätter ett material mellan sensorn och rörets metalliska utsida. Detta på grund av jordningsfel som uppstår vid galvanisk kontakt mellan sensorn och olika metallytor. Tejp sattes därför mellan ytornas kontaktpunkt för att förhindra detta. Efter kondensor kan det också bli felaktiga värden om sensorn sitter för långt ner. Detta för att den även kan påverkas från andra rör som också avger en viss temperatur. Detta syns på bild nummer tre nedan, sensorn placerades en ca 20cm ovanför kopparrören för att inte mätvärdena skall påverkas av dem. Sensor nummer fyra fästes mitt inne i kylskåpet för att mäta den faktiska kylskåpstemperaturen. Sensorn hängde alltså ner från taket för att hamna i kylskåpets centrum. Sensor 1 och 4 Sensor 2(Före kondensor) Sensor 3(Efter kondensor) När alla instrument var inkopplade startades den första mätningen, just denna mätning utförs med tom kyl. Mätningen startades på datorn i programvaran Temperaturlogger för 5
registrering av temperaturvärden. Avläsningen av den tillförda effekten sker i elmätaren, på den står ett medelvärde på en display. Mätningen skall startas på två ställen, på datorn och på elmätare, samtidigt. Tidsintervallet mellan registreringen av temperaturerna sattes till 20 sekunder. Mätningarna togs under fyra timmar för att sedan stoppas och sparas. Värdena som togs med hjälp av Temperaturlogger sparades som textfil medan medelvärdet från elmätaren skrevs upp för hand. Mätning två skall utföras med en hink vatten ståendes i kylskåpet. Fyra liter vatten fylldes noga upp med hjälp av litermått. Sedan fick vattnet stå i rummet i ca en timma för att sjunka till rumstemperatur. När rätt temperatur var uppnådd lades hinken med vatten in i kylen på bottenvåningen. Sedan startades mätningarna på nytt. Fyra timmar senare stoppades de och sparades. Hink med vatten i kylskåpet Mätning tre var med en separat fläkt riktad mot kylens kondensor för att kunna göra mätningar under onormal drift. Denna mätning var utan vatten. Fläkten kopplades in i ett eluttag och placerades ca 50 cm från kondensor för att få en lagom fläkteffekt. Sedan startades mätningarna. Fyra timmar senare stoppades mätinstrumenten och informationen sparades på samma sätt som tidigare. Mätning fyra skedde också under onormal drift, det vill säga med en fläkt riktad mot kondensorn. Fyra liter vatten mättes upp igen och ställdes i rumstemperatur för att temperaturdifferensen måste vara noll. När detta var uppnått fördes hinken med vatten in i kylskåpet. Mätningarna startades en sista gång för att sedan stoppas och sparas fyra efter fyra timmar. 6
Teori Figur 1 Visar en Idealiserad kompressorcykel Ett kylskåp drivs av en kompressorcykel likt bilden ovan. Kompressorn är placerad nedtill på kylskåpets baksida och är den drivande processen i själva kompressorcykeln. Kompressorns uppgift är att höja trycket samt transportera värme från en låg temperatursreservoar till en hög. Detta medför att ett kylskåp samt en värmepump använder sig av samma kompressorcykel bara att de har olika avsikt med processen. I ett kylskåp sitter förångaren i kylskåpet som är den enhet som tar upp värme och därmed kyler luften i kylskåpet. Kondensorn som sitter bakpå kyskåpet gör ett värmeutbyte med omgivningen, alltså ger ifrån sig värme. I en värmepump används processen omvänt där förångaren tar upp värme ifrån luften utomhus och kompressorn gör ett värmutbyte med omgivningen inomhus och ger ifrån sig värme till rummet. Det som avgör hur effektivt ett kylskåp är köldfaktorn eller även kallat COPvärde(Coefficient Of Performance), som beräknas genom att dividera köldeffekten med effektförbrukningen på kylskåpet. I detta projekt har kyskåpets köldfaktor beräknas under 2 olika fall: normal drift och onormaldrift. Under både normal drift och onormal drift har köldeffekten testats med dels tom kyl, men också med en hink med rumstempererat vatten i kylen. Totalt utfördes 4 tester. 7
Med normal drift menas att kylskåpet står i normal rumstemperatur och går utan att några yttre faktorer påverkar själva driftcykeln. Skillnaden på normal drift och onormal drift är att under onormal drift påverkar driftcykeln genom yttre faktorer. I detta projekt placerades en golfläkt ut mot kylskåpets kondensor på baksidan av kylskåpet. Detta resulterar då i en högre konvektiv värmöverföring mellan kondensorn och luften på baksidan vilket i sin tur gör att kondensorn kyls fortare och det gör kylskåpet effektivare. När det sedan placeras en hink med rumstempererat vatten i en nedkyld kyl sker en direkt värmeöverföring i form av strålning och konvektion från vattnet till luften i kylskåpet, vilket höjer temperaturen på luften i kylskåpet och gör att förångaren bör hållas kall längre vilket medför att kompressorcykeln blir längre. 8
Temperatur Resultat Normal drift utan vatten t Kompressor, normal t Total T Medel,kylskåp 3242 s 14560 s 10.06 o C 52 W 50 Normal drift utan vatten 40 30 20 Efter kondensor I kylskåpet 10 0 Före kondensor Förångare -10-20 -30 Diagram 1 visar temperaturerna vid de olika mätpunkterna i cykeln i testet med ett tomt kylskåp utan störning under tiden fyra timmar 9
Normal drift med vatten m 4 kg t Kompressor, normal, vatten 4428 s C p 4187 J/kgK t Total, vatten 15320 s T 2 13.7 o C T Medel, kylskåp, vatten 13.74 o C T 1 23.1 o C 52 W Diagram 2 visar temperaturen på de olika mätpunkterna i testet med kylskåp i normal drift med vatten under tiden fyra timmar 10
Normal drift 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 11
Temperatur Onormal drift utan vatten t Kompressor, onormal t Total 4290 s 14560 s T Medel, kylskåp 7.94 o C 52 W Onormal drift utan vatten 40 30 20 10 Efter kondensor I kylskåpet Före kondensor 0 Förångare -10-20 -30 Diagram 3 visar temperaturen på de olika mätpunkterna i cykeln i testet där kylskåpet har en hink med vatten och en fläkt som blåser på kondensorn under fyra timmar 12
Temperatur Onormal drift med vatten m 4 kg t Kompressor, onormal, vatten 6225 s C p 4187 J/kgK t Total, vatten 14560 s T 2 12.8 o C T Medel, kylskåp, vatten 11.36 o C T 1 21.2 o C 52 W 40 Onormal drift med vatten 30 20 10 0 Efter kondensor I kylskåpet Före kondensor Förångare -10-20 -30 Diagram 4 visar temperaturen på de olika mätpunkterna i cykeln i testet där kylskåpet har en hink med vatten och en fläkt som blåser på kondensorn under fyra timmar 13
Onormal drift 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 14
Diskussion Det första experimentet där vi jämförde två normala driftfall plockade vi ut effektflödet som kompressorn i kylskåpet krävde för att hålla temperaturerna nere. Tydligt och inte alls förvånande hade det gått åt mer energi att hålla temperaturen nere i kylskåpet då det ställdes in en hink med rumstempererat vatten. Efter att vi tillämpat vår temperaturkompensering för att kunna jämföra de två driftfallen på ett rättvist sätt kom vi fram till ett COP-värde som vi tyckte låg på en rimlig nivå. Men vi kände att vi inte kunde dra några större slutsatser i detta läge eftersom vi inte kommit fram till något resultat för de två onormala driftfallen. Då vi började räkna och få fram resultat av de två onormala driftfallen hade det gått åt mer energi än innan, och det gällde de båda onormala driftfallen. Här dök det upp ett resultat vi inte väntat oss. Då vi hade en fläkt riktad mot kondensorn var förväntningarna att denna fläkt skulle göra kylskåpets kompressorcykel effektivare, eftersom fläkten skulle hjälpa kondensorn att sänka temperaturen på köldmediet genom den ökade konvektionen från kondensorn. Alltså, kylskåpet skulle kunna hålla temperaturerna nere med mindre effekt, eller hålla lägre temperatur i kylskåpet med samma effekt som innan. Men när vi sedan tittade på vad som hänt med medeltemperaturerna i kylskåpet och jämförde dem med de två tidigare testerna med normal drift, var dem båda kallare. Här ser vi att fläkten faktiskt har påverkat kompressorcykeln. Genom att ha orsakat en lägre temperatur på köldmediet ut ur kondensorn bidrar det till att köldmediet når en lägre temperatur efter strypventilen än vad den hade gjort vid normal drift. 15 Förångaren får då en lägre medeltemperatur i detta fall och kyler mer. Detta stämmer bra med våra resultat då vi har haft lite högre medeltemperaturer på kondensor och i kylskåp vid normal drift och kallare medeltemperatur på kondensor och i kylskåp vid onormal drift. Vid ett jämförande av hur mycket vattentemperaturerna har ändrats från starttillstånd till sluttillstånd för de olika driftfallen var skillnaden inte speciellt stor. Vattentemperaturen hade sjunkit mindre vid onormal drift där vi förväntade oss att den kallare temperaturen i kylskåpet borde kylt ner vattnet mer. Det resultatet känns helt orimligt då vi inte vet hur detta har gått till. Här ställer vi oss frågorna, mätte vi start och slut-temperaturerna tillräckligt noga? mätte
vi verkligen upp fyra liter vatten? kan det ha varit för mycket vatten i kylskåpet alternativt för lite vatten i det föregående test? Om vi hade ställt in t.ex. fem liter vatten i testet för onormal drift och fyra liter för testet med normal drift skulle resultatet antagligen kunna se ut på det här viset. Fem liter vatten skulle ta längre tid att få ner temperaturen på än fyra liter. Vi vet inte vad som är felet bakom det här, men det vi vet att ett fel har helt klart letat sig in. Antagligen ligger den mänskliga faktorn bakom detta, och med andra ord har vi slarvat och misslyckats med mätningarna. Efter vi tagit fram vårt COP-värde för den onormala driftfallen var den första reaktionen att det var lågt. Vi hade som innan förväntat oss att fläkten skulle hjälpt till kyleffekten mer än vad våra resultat visar. Men samtidigt vet vi att fel i mätningarna har förekommit, och med dessa felmätningar vet vi att det har gjort en rätt stor påverkan på vårt slutresultat. Förväntningarna på våra resultat av COP-värden i de två olika driftfallen var att det skulle vara en bättre köldfaktor i det driftfall där vi hade en fläkt riktad mot kondensorn. Dock var våra resultat tvärt om. Då vi har tittat på vilka delar som skulle ställa till det för våra resultat var det självklar att våra uppenbara felmätningar har resulterat i konstiga resultat. Ytterligare en faktor som vi kan tänka oss har ställt till det är vårt antagande om att det varit konstant temperatur i rummet där vi utfört våra mätningar. Om det nu inte varit samma temperatur i t.ex. mätningarna för normal drift skulle det kunna resultera i att vår temperaturkompensering borde varit större. Och då vi tänkte tillbaka på våra mätningar vet vi med oss att en av mätningarna gjordes på natten och den andra på dagen. Mycket rimligt skulle det faktiskt kunna vara en skillnad i rumstemperatur mellan dag och natt, och det skulle då ge en större skillnad mellan temperaturerna i kylskåpet och rummet. Vi hade då behövd gjort en större temperaturkompensering och det hade resulterat i ett lägre COP-värde för de normala driftfallen. Då det någonstans har blivit fel med mätningen av temperaturerna i vattnet eller mängden vatten i något av driftfallen har även detta påverkat resultatet på det sättet att våra COPvärden inte stämmer med varandra. Då våra resultat pekar på att mängden vatten i det normala driftfallet kan ha varit för liten, alternativt att det var en för stor mängd vatten i det onormala driftfallet. Om fallet skulle vara att mängden vatten varit felaktig ger det också en förklaring till varför våra COP-värden inte uppfyllde våra förväntningar. För med lika mängd vatten i de två olika driftfallen borde get oss en annan sluttemperatur i något driftfall. T.ex. om vi har haft en mindre mängd vatten än vad vi räknat med i vårt normala driftfall hade det 16
get oss en för stor skillnad i temperatur mellan starttillstånd och sluttillstånd. Det ger även ett problem då vi räknat på den massa vi trodde befann sig i kylskåpet men att den massan i själva verkat varit mindre. Totalt sett medför allt detta att COP-värdet vi har räknat fram är högre än vad det borde. Om det istället varit för mycket vatten i det onormala driftfallet skulle det ge ett motsatt resultat. Alltså skulle COP-värdet som räknats fram blivit för lågt. När vi tittade överskådligt på detta insåg vi att våra två största felkällor tillsammans har orsakat att resultatet blivit konstigt. Men då vi ser åt vilket håll våra felkällor har påverkat de två olika COP-värden skulle det kunna vara rimligt att faktiskt få ett mer troligt resultat. Och med det menar vi att den skulle vara en bättre köldfaktor i det onormala driftfallet jämfört med det normala driftfallet. 17
Slutsats Det vi kommit fram till under detta projekt är bland annat hur ovärderlig kommunikation mellan gruppmedlemmar är. Testerna som utförts blev startad och stoppad av olika personer och informationen lyckades försvinna och misstolkas. Detta har resulterat i missberäkningar och felaktiga resultat. Vi borde alltså ha varit mer samspelta och noggranna vid våra mätningar av testvärden. Det hade varit bättre om vi tänkte efter mer och ställde oss frågan i förväg, vad behövs för att genomföra våra beräkningar. Några av värdena vi tog användes inte, men andra mätningar vi hade behövt för att få korrekt resultat på projektet togs aldrig. Resultatet vi kom fram till var att COP värdet under normal drift var högre än det COP värde vi tog fram under onormal drift. Det visar att våra felkällor har haft tillräckligt stor inverkan på resultaten och medfört att det vi kom fram till inte stämmer överens med det teoretiskt korrekta. 18
Referenser Robert Turner, Yunus Cengel and John Cimbala Fundamentals of Thermal-Fulid Sciences, 4th edition (2012) Wren, Joakim (2014), TMMI44, föreläsning Linköpings Tekniska Högskola, HT14 19