For printvenlig version, klik her
Titelblad Dalgas Avenue 2, 8000 Aarhus C Maskinhallen Ingeniørhøjskolen Aarhus Universitet V/ Jens Brusgaard Vestergaard Kontor: DA2, 308 Mail: jbv@iha.dk Projektperiode: Februar 2013 – maj 2013 Projektgruppe: M4PRJ 4.2 Deltagere: Jeppe N.B. Nikolajsen (JN) 11664 ________________________________________ Jesper D. Ludvigsen (JDL) 11650 ________________________________________ Lars V. Lorentzen (LV) 11635 ________________________________________ Asta Lund Mathiesen (ALM) 10314 ________________________________________ Andreas Lind Pedersen (ALP) 11637 ________________________________________ Bjarne Jensen (BJ) ________________________________________ 11463 Side 1 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 Forord – JDL, JN Rapporten er udarbejdet af seks maskiningeniørstuderende på fjerde semester på Ingeniørhøjskolen Aarhus Universitet. Projektperioden strækker sig fra februar 2013 til maj 2013, hvor rapporten er afleveret d. 31. maj 2013. Projektet omhandler et termodynamisk system, hvor der vil indgå teori fra procesregulering. I forbindelse med projektet er der opstillet en prøvestand, hvorpå der er foretaget test ud fra et teoretisk standpunkt. Projektet er baseret på at nedkøle tre øl til vha. en cykel. Dette er en teknisk rapport, hvorved det er en forudsætning, at læseren har kendskab til grundteorien for de omhandlende fag. Der er stor tak til Jens Brugsgaard Vestergaard for inspirerende og konstruktiv vejledning. Endvidere skal der lyde en stor tak til Jesper Jensen for hjælp, vejledning og konstruktion af prøvestanden og Dan Nielsen for hjælp til Simulink og opstilling af simuleringsmodel. Læsevejledning – JDL, JN Rapporten er opdelt i fire dele: Hovedrapport, appendiks, bilag og forsøgsrapport. Når der henvises til de fire deles kapitler, vil det blive gjort således: hovedrapport ”kap x.x”, appendiks ”app x.x”, bilag ”bilag x.x” og forsøgsrapport ”FR x.x”. I rapporten er der anvendt kildehenvisninger, de er angivet på følgende måde: /nr./ og henviser til kildens nummer på litteraturlisten, efterfulgt af evt. formelnummer og side. Ved henvisning til formler, er der forkortet med ”f”. I overskrifterne er der skrevet initialer på forfatteren af afsnittet, samt kapitel-nr. Tabeller og figurer er nummereret i forhold til deres kapitel, med tilhørende figurtekst. Hovedrapporten indeholder de mest konkrete og vigtige informationer om projektet, såsom konklusioner, nøgletal og de tanker, der har været igennem projektet. Appendikset indeholder de mere dybdegående beregninger, som ligger til baggrund for hovedrapporten. Bilagsrapporten indeholder de dokumenter, der har relevans for projektet, som gruppen ikke selv har skrevet. Forsøgsrapporten er en selvstændig rapport, der beskriver forsøgsopstillingen og dens resultater. Kapitlerne er så vidt muligt opdelt i forudsætninger, hovedafsnit og konklusion. Dette er gjort for at øge læsevenligheden og skabe overskuelighed. Side 2 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 Symbolfortegnelse - JDL T, t P h S Pr Gr Nu Re r c m A R U P E n D Temperatur Tryk Entalpi Entropi Specifik varmekapacitet Gaskonstant Volumenudvidelseskoefficient Kinematisk viskositet Prandtls tal Grashofs tal Nusselts tal Reynolds tal konduktivitet Friktionstal Leveringsgrad Varmeovergangstal Massestrøm på kølemiddel Fordampningsentalpi Dynamisk viskositet kogetal Hastighed densitet Masse vægtykkelse Areal Varmemodstandstal Varmegennemgangstal Varmestrøm Indre specifik varme Trykforhold Volumenmetrisk virkningsgrad Isentropisk virkningsgrad Volumenstrøm Indre specifikt arbejde Kølegrad Effekt Energi COP (effektfaktor) slagvolumen Omdrejninger pr. min Diameter Temperaturforskel Logaritmisk middeltemperatur Ruhedstal Trykforskel Tryktab Bøjningsradius Modstandstal K eller Bar kJ/kg kJ/(kg K) kJ/(kg K) kJ/(kg K) /s W/(m K) W/( ) kg/s kJ/kg kg/(m s) m/s kg/ kg m K/W W/( W kJ/kg - ) kJ/kg W J rpm elller m K eller K eller m bar bar m - Side 3 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 Resumé - JDL Denne rapport beskriver dimensioneringen af et køleanlæg til brug på festivaller og steder, hvor der ikke forventes adgang til elektricitet. Kølesystemet er dimensioneret så det kan drives af en cykel, og det skal kunne nedkøle tre dåseøl. Da systemet skal drives af en cykel, er der anvendt en kompressor med en udgående aksel med tilhørende remskive. Systemet er dimensioneret efter størrelsen af fordamperen, da dens rør er viklet rundt om aluminiumscylindere, der passer til dåseøllene. Dette gøres for at få en direkte kontakt mellem fordamper og dåseøllene, og pga. øldåsernes størrelse, vil fordamperen have en begrænset længde. Der er udarbejdet forbedringsmuligheder til at øge varmeovergangen imellem fordamper og øl-fluidet, men de er ikke blevet anvendt, for at forenkle forsøget. Samtidig er forsøgene lavet med en elmotor i stedet for en cykel, for at få et fast omdrejningstal. Ud fra fordamperens kuldeydelse er kondensatorens størrelse beregnet. Kompressoren skal ifølge beregningerne frembringe en lille volumenstrøm. Det er ikke muligt at anskaffe den optimale størrelse kompressor, og der er derfor brugt en kompressor, som er for stor. Forsøgsresultaterne viser, at det er nødvendigt at køre med 6 gange større omdrejningstal end beregnet. Dette skyldes at kompressoren ikke er designet til at køre med de få omdrejninger. Der opstilles en Simulink-model af det komplette kølesystem, hvor både komponenter, omgivelser og øl har en starttemperatur på 20 °C. Denne model simulerer det forløb, som i praksis foregår på festivalpladsen, hvor dåseøllene placeres i køleboksen fra starten, hvor anlægget ikke er i drift. På den måde er det muligt at følge udviklingen i tilstandsstørrelserne; temperatur, tryk og entalpi, som de teoretisk vil forløbe. Dernæst er modellen ombygget, således at der kan simuleres med konstante fordampnings- og kondenseringstemperaturer. Dette gøres for at have et sammenligningsgrundlag til de praktiske forsøg i laboratoriet. Endeligt er der lavet en simulering af temperaturforløbene i de forskellige lag i fordamper og øl. Dette sker for at belyse de enkelte lags påvirkning og betydning for nedkølingsforløbet. Endeligt kan det siges at kølesystemet er funktionelt og opfylder de stillede krav. Til sidst i rapporten er der angivet forskellige optimeringsmuligheder. Side 4 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 Abstract - JN The purpose of this project is to design a thermodynamic cooling system for festivals and places with no access to electricity. The cooling system is designed to be driven by a bicycle and dimensioned to cool three cans of beer. Because of the system can be driven by a bicycle, the compressor is driven by an outgoing shaft with a flywheel. The cooling system is designed from the size of the evaporator, which is wrapped around tree cans of beer. This is done to get a direct contact. There has been made drawing suggestions to improve the heat transfer between the evaporator and the beer cans. These improvements have not been applied to the project because of their complexity. The test of the cooling system has been executed with an electrical motor to keep a steady speed for the compressor. The condenser is designed from the size of the evaporator - likewise the size and effect of the compressor. The compressor will create the mass flow of the refrigerant and it has not been possible to get hands on a compressor with the right size. The compressor is too large for the cooling system. It is showed from the test that the compressor speed has to be six times larger, than calculated. This is because of the compressors field of operation. The total system is simulated in Simulink to follow the theoretic temperature and change in enthalpy. Furthermore a simulation has been assembled of the cooling process between the evaporator and beer, to show the cooling process through the layers. Finally there has been designed and build a functional cooling system that fulfills the specifications. In the end of the report there has been created ways to optimize the cooling process and system. Side 5 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 Indledning Denne rapport er produktet af et 4. semesterprojekt, hvis primære fokus er termodynamik. Udgangspunktet for problemstillingen, er ideen om at lave en sjov, alternativ og enkel form for nedkøling af øl. Ofte er der ikke mulighed for at nedkøle medbragte øl til en festival, grundet manglende adgang til elektricitet. Idéen om at opstille et køleanlæg, der ikke bruger elektricitet, kan udføres hvis anlægget f.eks. drives af en cykel. Der er fundet inspiration til opbygningen af et sådant system, gennem Den Jydske Haandværkerskole, hvor uddannelsesleder, Ib Bæk Jensen, har opbygget et lignende anlæg, dog drevet af en romaskine. Med dette anlæg er det muligt at nedkøle en flaske vand, på 12 min. Derigennem er der opbygget en forventning om at nedkølingen af øl kunne ske på ca. 12-15 min. Systemet er opbygget i Ingeniørhøjskolens laboratorium/værksted ud fra termodynamiske beregninger. Udfordringen i projektet har været at dimensionere og beregne anlæggets hovedkomponenter, som fordamper og kondensator. Det har været nødvendigt at indkøbe nye dele til anlægget, bl.a. en nåleventil i stedet for en ekspansionsventil, og en passende stempelkompressor med udgående aksel. Køleanlægget kan i en læringssituation bruges til at vise, hvordan man kan bruge trykforskelle til at flytte varmeenergi fra øl til omgivelser. Derudover giver det en god forståelse for, hvor meget arbejde der skal til for at nedkøle øl. Herudover er nedkølingsforløbet simuleret for at danne et billede af systemets virkning og tilstandsstørrelser. Dette er sammenlignet med test af nedkøling af øl. Grundet størrelsen af kompressoren er der også udført test af kompressoren, for at finde kompressorens driftsområde. Opbygningen af systemet har været lærerigt, og giver en øget forståelse for køleanlæggets funktion. God fornøjelse! Side 6 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 Indhold Forord – JDL, JN ................................................................................................................................................. 2 Læsevejledning – JDL, JN ................................................................................................................................... 2 Symbolfortegnelse - JDL .................................................................................................................................... 3 Resumé - JDL...................................................................................................................................................... 4 Abstract - JN....................................................................................................................................................... 5 Indledning .......................................................................................................................................................... 6 1 Problemformulering ................................................................................................................................ 10 2 Kravspecifikation – JDL, JN ...................................................................................................................... 10 3 Festivalkølerens system – JDL ................................................................................................................. 11 4 Energibalancer for kølesystem – BJ, LV ................................................................................................... 12 5 4.1 Kompressor – KF1 ............................................................................................................................ 13 4.2 Kondensator – KF2........................................................................................................................... 13 4.3 Nåleventil – KF3 ............................................................................................................................... 14 4.4 Fordamper – KF4 ............................................................................................................................. 14 Dimensionering af kølesystemet – JDL, JN .............................................................................................. 15 5.1 Baggrund for dimensionering af kølesystem ................................................................................... 15 5.1.1 Kølesystemet ........................................................................................................................... 16 5.1.2 Tilstande .................................................................................................................................. 16 5.2 Kuldeydelse – JDL, JN....................................................................................................................... 17 5.2.1 Design og dimensionering af fordamper ................................................................................. 17 5.2.2 Forudsætninger ....................................................................................................................... 17 5.2.3 Designforslag ........................................................................................................................... 17 5.2.4 Metode .................................................................................................................................... 20 5.2.5 Varmeovergangstal.................................................................................................................. 21 5.2.6 Resultater ................................................................................................................................ 23 5.2.7 Delkonklusion .......................................................................................................................... 23 5.2.8 Beregninger for varmestrøm ................................................................................................... 24 5.2.9 Resultater ................................................................................................................................ 25 5.2.10 Delkonklusion .......................................................................................................................... 25 5.3 Kondensator – ALP .......................................................................................................................... 26 5.3.1 Antagelser ................................................................................................................................ 26 5.3.2 Metode .................................................................................................................................... 27 Side 7 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.3.3 Resultater ................................................................................................................................ 28 5.3.4 Udformning.............................................................................................................................. 28 5.3.5 Delkonklusion .......................................................................................................................... 28 5.3.6 Balanceligninger for kondensatoren - ALP .............................................................................. 29 5.3.7 Delkonklusion .......................................................................................................................... 30 5.4 Beregning af virkningsgrader på kompressor – BJ .......................................................................... 31 5.5 Gennemberegning af kølesystemet – JDL, JN ................................................................................. 32 5.5.1 Øl-kølerens COP virkningsgrad ................................................................................................ 33 5.6 Tryktabsberegninger – ALM ............................................................................................................ 34 5.7 Nøgletal for øl-køleren – JDL, JN ..................................................................................................... 35 5.8 Delkonklusion – JDL, JN ................................................................................................................... 35 6 Komponenter og opbygning – ALM ......................................................................................................... 36 7 Simulering ................................................................................................................................................ 37 7.1 7.1.1 Opbygning af system ............................................................................................................... 37 7.1.2 Resultat .................................................................................................................................... 38 7.1.3 Delkonklusion .......................................................................................................................... 39 7.2 Simulering i forhold til forsøg – BJ, LV ............................................................................................. 39 7.2.1 Opbygning................................................................................................................................ 39 7.2.2 Resultater ................................................................................................................................ 39 7.2.3 Delkonklusion .......................................................................................................................... 40 7.3 8 Simulering af kølesystemet – LV, BJ ................................................................................................ 37 Simulering af temperaturforhold i fordamper – JDL, JN ................................................................. 41 7.3.1 Opbygning af system ............................................................................................................... 41 7.3.2 Resultat .................................................................................................................................... 42 7.3.3 Delkonklusion .......................................................................................................................... 42 Test af øl-kølersystem – JDL, JN .............................................................................................................. 43 8.1 Forudsætning for test af øl-køler .................................................................................................... 43 8.2 Beskrivelse af forsøg ........................................................................................................................ 43 8.2.1 Forsøg 1 ................................................................................................................................... 43 8.2.2 Forsøg 2 ................................................................................................................................... 43 8.3 Forsøgsopstilling .............................................................................................................................. 43 8.3.1 Forsøg 1 ................................................................................................................................... 43 8.3.2 Forsøg 2 ................................................................................................................................... 43 Side 8 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 8.4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 Resultater ........................................................................................................................................ 44 8.4.1 Forsøg 1 ................................................................................................................................... 44 8.4.2 Forsøg 2 ................................................................................................................................... 44 8.5 Forsøg i forhold til simulering .......................................................................................................... 45 8.6 Delkonklusion .................................................................................................................................. 45 9 Optimering og videreudvikling – JDL, JN ................................................................................................. 46 9.1 Kølesystem med omrøring .............................................................................................................. 46 9.2 Kølespiral ......................................................................................................................................... 46 9.3 Kompressor...................................................................................................................................... 47 10 Konklusion ........................................................................................................................................... 48 11 Procesbeskrivelse – ALM ..................................................................................................................... 49 11.1 12 Læringssituationen: ......................................................................................................................... 49 Litteraturliste ....................................................................................................................................... 50 Side 9 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 1 Problemformulering Projektet har til formål at give gruppen mulighed for at afprøve og bruge teorien fra termodynamik og procesregulering. Teorien benyttes på en virkelig problemstilling, hvor der konstrueres et energiteknisk system, og der indkøbes dele til fremstilling af en prototype. Der vælges at konstruere et mekanisk øl-kølingssystem, som er uafhængig af en ekstern strømforsyning. Systemet tænkes anvendt til køling af tre øl f.eks. til festivaller. Øllene ønskes nedkølet fra 200C til 50C. Det er en forudsætning, at øllene skal kunne nedkøles hurtigst muligt. Det antages, at øllet er påfyldt aluminiumsdåser. Prototypen vil blive produceret som en prøvestand, hvorpå der kan foretages målinger, som kan sammenholdes med en teoretisk beregningsmodel. Der skal testes for at finde de optimale driftsforhold, da systemet skal drives af en cykel. Projektet skal resultere i et funktionelt kølesystem, som kan give et indblik i den bagvedliggende termodynamik, samt give et realistisk syn på hvilke faktorer, der har indflydelse på køling af øllene. 2 Kravspecifikation – JDL, JN Kølesystemet skal være anvendelig på en varm sommerdag, da det designes til festivaler m.m. Herved skal det være funktionsdygtig ved en omgivelsestemperatur på . Dvs. at kondenseringstemperaturen skal være højere og derfor er der valgt en kondenseringstemperatur på . Kølesystemet skal køle tre øl ned fra til en temperatur på . Derfor vælges en fordampningstemperatur på , da den skal være koldere end den ønskede øl temperatur. Kølesystemet skal designes således, at det kan drives af en cykel. Derfor beregnes og undersøges de optimale driftsforhold for at kunne drive kølesystemet med en cykel. Side 10 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 3 Festivalkølerens system – JDL Festivalkøleren skal bestå af en køleboks, fordamper, kondensator, ekspansionsventil og kompressor, se Figur 3.1. Køleboksen skal være isoleret og have plads til tre øl. Fordamperens opgave er at optage varmestrømmen fra det varme øl-fluid. Kompressoren skal drives vha. håndsving eller cykel, og der skal benyttes en kompressor med udgående aksel. Kondensatorens funktion er at afgive den optagne varme fra fordamper og kompressor. Det forgassede kølemiddel kondenserer til væske. Der benyttes en nåleventil til fordel for en ekspansionsventil, da denne ikke kan benyttes til et kølesystem af denne størrelse. Dette er nærmere beskrevet i app. 3.1. Figur 3.1. Designidé for festivalkøleren, hvor kølesystemet er drevet af en kompressor, med mulighed for montering af cykel eller håndsving. Side 11 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 4 Energibalancer for kølesystem – BJ, LV Det er nødvendigt, at opstille energibalancer for systemet, som gør det muligt at beregne energiforbrug, energiomsætning, temperaturer m.m. Festivalkøleren består af et traditionelt et-trins køleanlæg. Til anlægget bruges en remtrukket kompresser. Systemet opdeles i en række kontrolflader, KF, med henblik på mere dybdegående analyse af anlægget. På Figur 4.1 ses hele køleanlægget med en opstillet kontrolflade omkring hver komponent: Figur 4.1. Kølesystem med kontrolflader og tilstande illustreret til opstilling af energibalancer for kølesystemet Omgivelsestemperaturen, uden for køleboksen, antages at være . Det antages også, at varmestrømmen er endimensionel igennem køleboksen og optages fuldstændigt af fordamperen. Det antages yderligere, at kompressoren har et varmetab pga. dissipation. Kondensatoren afgiver den overskydende varme. Ventilen anses, som værende adiabatisk, og derfor vil der ikke være noget tab fra den. Energiligningen for det totale system: ̇ ̇ Side 12 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 4.1 Kompressor – KF1 Kompressoren indsuger kølemidlet og komprimerer det til et højere tryk. Kompressoren er drevet af en ekstern kilde, og der vil forekomme et varmetab pga. køling af kompressoren, se Figur 4.1.1. Φ𝑘 𝑃𝐾 𝑙 𝑞𝑚𝑅 𝑞𝑚𝑅 Figur 4.1.1 – KF1, kompressor med en massestrøm, som løber gennem den. Kompressoren påvirkes med en akseleffekt, og den afgiver en varmestrøm til omgivelserne. Energiligning: ( ) 4.2 Kondensator – KF2 I kondensatoren afkøles kølemidlet. Dermed afgives varmen fra kondensatoren til omgivelserne. Se Figur 4.2.1 𝑞𝑚𝑅 Φ𝑘 𝑞𝑚𝑅 Figur 4.2.1 - KF2 Kondensator, hvor der løber en massestrøm igennem. Kondensatoren frigiver den varmestrøm som fordamperen optager og som bliver tilført i kompressoren. Energiligning: ( ) ( ) Side 13 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 4.3 Nåleventil – KF3 Nåleventilen sænker trykket fra højtryksiden til fordampningssiden. Denne proces kræver ingen tilført eller afgivet energi, processen anses at være adiabatisk. Kontrolfladen ses på Figur 4.3.1. 𝑞𝑚𝑅 𝑞𝑚𝑅 Figur 4.3.1 – KF3 Nåleventil med en gennemløbende massestrøm Energiligning: 4.4 Fordamper – KF4 Fordamperen optager en varmestrøm fra øl-fluidet og en varmestrøm fra omgivelserne omkring køleboksen, se Figur 4.4.1. Disse varmestrømme betragtes som endimensionelle, og beregnes som gående direkte ind i fordamperen. Det antages, at luften i køleboksen ingen indflydelse har på beregningerne, da luftmassen er minimal og har en meget lav varmekapacitet. Varmestrømmene tilsammen er betegnet . køleboks 𝑞𝑚𝑅 Φ 𝑞𝑚𝑅 Figur 4.4.1. KF4, fordamper, hvor der er en gennemgående massestrøm. Den optager varmestrømmen fra øl-fluidet samt varmestrømmen der kommer igennem køleboksen fra omgivelserne. Energiligning: ( ) Side 14 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5 Dimensionering af kølesystemet – JDL, JN Som beskrevet i kap. 4 er øl-køleren et simpelt (ét-trins) kølesystem. 5.1 Baggrund for dimensionering af kølesystem Ud fra kravspecifikationen skal kølesystemet køle tre dåseøl ned fra 20 til 5 . Øl-køleren skal være funktionsdygtig på en solrig dag til en festival med temperaturer op til 30 . Dvs. at kondenseringstemperaturen er bestemt til at være 40 med en underkøling på 5 K. For køling af øl-fluidet til , designes fordamperen til en temperatur på hvor der vil være en temperaturdifferens mellem øl og fordamper på . med en overhedning på , Fordamperen designes, så den er indbygget i køleboksen, hvor fordamperen er i direkte kontakt med aluminiumskopperne og øldåserne for at opnå god varmetransmission. Aluminiumskopperne er en slags holdere til dåseøllene, mellem fordamper og øl. De ses på Figur 5.2.1. Der udføres en gennemberegning af kølesystemet for at dimensionere øl-køleren. Gennemberegningen af øl-køleren indeholder vigtige designtal samt dimensioner og tilstandsstørrelser. Der anvendes data hentet fra programmet ”Coolpack”. Udførte beregninger kan ses i app. 2.2. Herudover er der hentet tabeldata fra /1/. Systemet anvender kølemiddel R134a, hvor fordampningstrykket skal være 2,4 bar og kondenseringstrykket 10,2 bar. Det er en forudsætning at systemet er endimensionelt og det antages, at varmen kun går i en retning, hvor varmen i realiteten vil sprede sig i hele rummet. Side 15 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.1.1 Kølesystemet Med kondenserings- og fordampningstemperaturer bestemt, indsættes de i programmet ”Coolpack”. Der optegnes et log p,h-diagram for køleprocessen se Figur 5.1.1. For et mere detaljeret diagram, se app. 2.1.1. Log p,h-diagrammet sætter tal på den specifikke entalpi, som har betydning for hver arbejdsproces i kølesystemet. Entalpistørrelserne anvendes til dimensionering af kølesystemet. 5.1.2 Tilstande I Tabel 5.1.1 findes designdata for øl-køler systemet, som er hentet ud fra Coolpack. [p] Tilstand 3 Tilstand 2 Tilstand 4 Tilstand 1 [h] Figur 5.1.1. Log p, h-diagram over hver tilstand i køleprocessen Tabel 5.1.1 - Designdata for systemet Tilstandstørrelser Entalpistørrelser Tryk Specifik volumen Temperatur Temperatur Tilstand 1 398,8 2,43 0,08 273,15 0 Tilstand 2s 429,1 10,16 0,02 322,65 49,4 Tilstand 2 465,3 10,16 0,02 347,45 74,3 Tilstand 3 248,8 10,16 0,02 308,15 35 Tilstand 4 248,8 2,43 0,08 268,15 -5 Enhed kJ/kg bar m3/kg K Tilstand 1-2: Polytrop kompression, hvor der forekommer en kompression fra 2,43 bar til 10,16 bar, med et trykforhold på p2/p1 = 4,2. Tilstand 2-3: Isobar afkøling. Her er der konstant tryk med et temperaturfald fra til 35 Tilstand 3-4: Polytrop ekspansion. Her mindskes trykket fra 10,16 bar til 2,43 og trykket er her lig med p1. Tilstand 4-1: Isobar opvarmning. Her øges temperaturen i fordamperen fra til 0 Side 16 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.2 Kuldeydelse – JDL, JN Festivalkølerens kølesystem designes ud fra hvor megen varme der kan trækkes ud af øl-fluidet. Derved designes fordamperen ud fra den energi, som øl-fluidet afgiver samt den varmemængde, der strømmer igennem køleboksen. Dette betyder at kompressorens ydelse specificeres ud fra fordamperens størrelse. 5.2.1 Design og dimensionering af fordamper For at opnå den bedste nedkøling af øllene, undersøges forskellige designforslag. Der opstilles tre forslag, og der laves beregninger på deres varmeledningsevner. Det valgte design, se Figur 5.2.1. Figur 5.2.1. Snittegning af øl-køleren, se fordamperens placering i køleboksen 5.2.2 Forudsætninger Fordamperen placeres i en køleboks for at begrænse varmestrømmen fra andre uønskede kilder. Køleboksen består af en EPS kasse med fire sider, en bund og et låg. Alle godstykkelser er 50 mm. Designgrundlaget for fordamperen består af tre spiraler, der omkranser øldåserne med direkte kontakt. 5.2.3 Designforslag Da fordamperrøret er rundt kan det ikke være i kontakt med hele øldåsen, og der vil opstå tomrum mellem fordamperrøret og øldåsen. Derfor er der opstillet tre muligheder til at udfylde tomrummene. Side 17 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.2.3.1 Første design forslag Da vand har en større konduktivitet end atmosfærisk luft, Tabel 10.4 og 10.5 /1/ s. 289-290, vælges der at implementere en brine i boksen, se Figur 5.2.2. For at gøre dette design mere brugervenligt, placeres en aluminiumskop mellem fordamper og øllene, så øllene ikke bliver berørt af brinen. Figur 5.2.2. Designforslag, hvor fordamperen er placeret omkring en aluminiumskop m. brine Brinen består af vand blandet med salt eller ethanol, så det er frostsikret. Fordamperen er i kontakt med aluminiumskoppens overflade. 5.2.3.2 Design forslag nr. 2 En anden måde at konstruere fordamperen, er ved at fjerne brinevæsken, se Figur 5.2.3. Dette er konstruktionsmæssigt mest optimalt, da man undgår væsken i boksen. Aluminiumskoppen anvendes stadig, pga. brugervenlighed. Når brinevæsken fjernes i køleboksen, forventes det at skabe en langsommere køling. Nedenunder ses konstruktionen af fordamperen. Figur 5.2.3 – Designforslag med aluminiumskop og luft Side 18 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.2.3.3 Design forslag nr. 3 Det sidste forslag går ud på at hulrummene bliver fyldt med en brine, men uden aluminiumskoppen, for at slippe for det ekstra lag af aluminium, som varmestrømmen skal forcere, se Figur 5.2.4. Figur 5.2.4 – Designforslag med brine uden aluminiumskop Side 19 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.2.4 Metode Øllene i køleboksen afgiver en varmestrøm [W]. Denne varmestrøm beregnes vha. modstanden i øl-fluidet og de materialer, der er placeret imellem øl-fluid og fordamper. Før varmemodstanden og kuldeydelsen kan findes, skal varmeovergangen mellem materiale og fluid beregnes. Kuldeydelsen udtrykkes således, vha. den samlede modstand og temperaturforskellen: Modstanden gennem et materiale er givet ved vægtykkelsen og det reciprokke produkt af konduktiviteten og arealet. [ ] Varmegennemgang forekommer ved overførelse af varme. Varmeovergangen fra et fluid til en væg, beskrives som en konvektiv varmeovergang. Varmeovergangen beregnes ud fra det specifikke tilfælde. Der skal tages forbehold for flow-geometrien i den bestemte kontrolflade. Varmeovergangstallet er en proportionalfaktor, der afhænger af temperatur og strømningsforhold. For at beregne varmeovergangstallet benyttes modelligninger s. 253 /1/. Her beregnes ”Nusselts tal”, som beskriver varmeovergangsfænomenet dimensionsløst.: Varmeovergangstallet isoleres, når Nusselts tal er beregnet. Der anvendes hhv. fremgangsmetoden på s. 255 og 262 /1/. Side 20 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.2.5 Varmeovergangstal Der beregnes varmeovergangstal for indvendig strømning i fordamperen, fri konvektion i øl-fluidet og forceret luft omkring køleboksen. I øl-fluidet er der regnet med fri konvektion for laminar strømning. Konvektionen i fluidet forekommer ved nedkøling, og skaber en lille cirkulation. Denne konvektion styres hovedsageligt af to parametre, længden af øldåsen og nedkølingstemperaturen. Den indvendige strømning i fluidet er nedaddrivende i kanten af øldåsen, hvor den kolde strøm fra kanten trækker ned i bunden og ind i midten af øllen, hvor den varme øl-fluid søger op og cirkuleres ud til kanten for at blive kølet ned, se Figur 5.2.5. For øl-fluiden regnes det indvendige varmeovergangstal. Varmeovergangstallet beregnes ud fra opdriftsforholdet i øl-fluidet, som er beskrevet ved Grashofs tal, hvor der tages forbehold for stofkonstanter for fluidet. Grashofs tal er beregnet ved: ( Øldåse Fri konvektion Fordamper Øl - fluid Figur 5.2.5. Fri konvektion i øl-fluidet, under nedkøling ) Med opdriftsforholdet kan Nusselts tal beregnes for fri indvendig konvektion: ( ) ( ( ) Varmeovergangstallet kan nu beregnes ved at isolere Det lave varmeovergangstal på ) ud fra formlen , skyldes den dårlige cirkulation i øl-fluidet. For beregning af varmeovergangstal af indvendig strømning i fordamperen er ”Bo Pierres metode” /2/ anvendt. For at undersøge strømningsforhold beregnes Reynolds tal, ud fra massestrømmen af kølevæsken, diameter, indre areal og kølemidlets viskositet. Kogetallet for kølemidlet regnes: Side 21 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 Strømningsforholdet i fordamperen beregnes: Et Reynolds tal på 4099 viser at kølevæsken i fordamperen er turbulent, da det overstiger grænsen på s.109 /1/. Nusselts tal beregnes: ( ) Med et varmeovergangsfænomen på 212, betyder det at kølevæsken i fordamperen har stor evne til at optage en varmestrøm. Varmeovergangstal bestemmes for indvendig turbulent strømning: Med et varmeovergangstal på har kølevæsken en stor evne til at transportere varmen væk. Udvendigt på køleboksen antages det, at der er udvendig tvungen strømning over en plan flade. Det udvendige strømningsforhold på køleboksen beregnes. Reynolds tal: Da strømningsforholdet er mindre end leboksen. s. 255 /1/, forekommer der laminar strømning over kø- Nusselts tal beregnes: Varmeovergangstal for udvendig laminar strømning beregnes: Det udvendige varmeovergangstal for luft på køleboksen er ( ). Side 22 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.2.6 Resultater De beregnede konstanter kan aflæses i Tabel 5.2.1. Disse værdier anvendes til beregning af varmeovergangstallet, som skal bruges til beregning af varmemodstanden i fordamperen og kondensatoren. Tabel 5.2.1 - Konstanter til brug ved beregning af varmeovergangstal Prandtls tal [Pr] 6,94 Grashofs tal [Gr] 1741 Kogetal [Kf] - Fri konvektion [øl] Tvungen indvendig strømning 8019 [fordamper] Tvungen strømning 0,7 [luft] Ud fra følgende værdier er varmeovergangstallene beregnet. Reynoldstal [Re] - Nusselts tal [Nu] 6,4 4099 212,2 136.087 217,5 Tabel 5.2.2 – Varmeovergangstal, hvor stor indflydelse de har på varmestrømmen. Fri konvektion [øl] Tvungen indvendigstrømning [fordamper] Tvungen strømning [luft] Varmeovergangstal [ 33,7 4196 15,9 Indflydelse Stor Lille Stor Resultaterne i Tabel 5.2.1 og Tabel 5.2.2 giver et godt billede af hvilke varmeovergangstal, der vil have stor indflydelse på kølingen. Stor cirkulation forbedrer evnen til at afgive varmen. Konvektionen i øl-fluidet har en meget lav cirkulation og har herved meget svært ved at afgive varmen. 5.2.7 Delkonklusion Det store varmeovergangstal for kølemidlet på 4196 W/(m2 K) giver gode egenskaber til at transportere varmen væk. Hvis der ses på den indvendige konvektion for øl-fluidet, har det et lavt varmeovergangstal på 33,7 W/(m2 K). Dvs. at øl-fluidets egenskaber til at transportere varmen væk er dårlige. Dette kan grunde i den meget lille cirkulation, der er i øl-fluidet. For at forbedre varmeovergangstallet for øl-fluidet kan man, som beskrevet ovenfor øge størrelsen eller længden af dåsen. F.eks. kan man anvende en flaskeøl, som er højere. Temperaturen af kølemidlet kan mindskes og man kan skabe en tvungen konvektion i øl-fluidet ved at skabe en cirkulation, se kap 9.1. Den samme tendens ses af det udvendige varmeovergangstal for luften, som vil have effekt på varmestrømmen igennem køleboksen. Her er det hastigheden af vinden der styrer, hvor stor en varmeovergang der er. Dvs. jo højere vindhastigheder, desto højere vil varmeovergangstallet være. Side 23 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.2.8 Beregninger for varmestrøm For at finde varmestrømmen i de tre tilfælde, skal den samlede modstand findes. Da designet har 2 varmestrømningsveje, vil modstandene blive beregnet som parallelle. Arealerne, som henholdsvis den ene og den anden varmestrøm løber igennem, er fundet ved at antage, at fordamperrøret ikke tangerer aluminiumskoppen, men rører ved 2 mm, hvorved de 2 mm kan multipliceres med længden af fordamperen, se Figur 5.2.6. Da fordamperrøret har en diameter på 6,35 mm vil de sidste 4,3mm, være den del som tomrummet ’’berører’’. De 4,35 mm multipliceres også med fordamperens længde, for at få det andet areal. Figur 5.2.6 - Detaljebillede af fordamper og størrelser til beregning af areal samt deres varmestrømme For at finde varmeovergangene skal varmemodstandene mellem kølemidlet og øl-fluidet bestemmes. Dette gøres ved at finde konduktiviteten for de forskellige materialer og deres godstykkelser, samt varmeovergangstallene. Varmeovergangstallene for forceret luft, kølemidlet R134a og fri konvektion for laminar strømning inden i øllene, er fundet i app. 2.2. Konduktiviteten for aluminium, kobber, vand og øl er fundet i tabel 10.11 /1/ s. 296. Det antages at konduktiviteten for øl er lig vands. 5.2.8.1 Varmeledningsmodstand Varmeledningsmodstanden for hvert lag (rør, vand, alukop, aludåse og øl) findes for at undersøge, hvor den største varmeledningsmodstand befinder sig. Da der er fri konvektion i øl-fluidet, medfører det en meget langsom omrøring og dårlig varmeovergang. Det er her at den største varmeledningsmodstand befinder sig. På grund af den store modstand er det ikke meget varme, der kan overføres ad gangen og alle tre design får derfor en dårlig kuldeydelse. Varmledningsmodstandene er fundet ud fra følgende to formler: ) ( ( ) Da det er parallelle forbindelser vil den samlede modstand findes ud fra følgende formel: [ ] Til sidst er kuldeydelsen fundet ud fra denne formel: Side 24 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 Varmeledningsmodstanden beregnes for hvert lag i fordamperen for at undersøge, hvilket materiale/lag/fluid, der har størst påvirkning på nedkølingsforløbet. I Tabel 5.2.3 ses varmeledningsmodstanden for hvert lag. Tabel 5.2.3 - Varmledningsmodstand for hvert lag af materiale/fluid. Enheden er i K/W 1. Varmestrøm 2. Varmestrøm Samlet Kølemiddel 0,0466 0,0214 0,0150 Fordamperrør 0,0004 0,0020 0,0001 Luftrum 3,44 3,44 Aluminiumskop 0,0040 0,0018 0,0012 Øldåse 0,0002 0,0018 0,0001 Øl-fluid 5,80 2,70 1,84 Det kan tydeligt ses, at det er øl-fluidet, som spiller ind med en modstand på 1,84 K/W, hvor kobberrøret har en lavere modstand på 0,001 K/W, og det har derfor ikke en stor indflydelse på nedkølingsforløbet. Det samme gælder aluminiumskoppen og aluminiumsdåsen. Tages der et hurtigt kig på luften i fordamperen har den også en relativ høj modstand, som også gør sig gældende under nedkøling. 5.2.9 Resultater Ud fra den samlede modstand, som er fundet vha. de parallelforbundne modstande, kan varmestrømmene findes for de forskellige design. Ved opstilling 1, aluminiumskop og brine, kan fordamperen optage en varmestrøm for én øl på: 13 W og for tre øl: 39W. I opstilling 2, med aluminiumskop og luft i boksen, er den samlede varmestrøm beregnet på samme måde som i første opstilling, men her er modstanden gennem luft, i stedet for væske. Den samlede varmestrøm som kan optages i denne opstilling for én øl er: 8,4 W og for tre: 25 W. Sidste mulighed er opstilling 3, hvor væsken flyder frit mellem øldåser og fordamper. Varmestrømmen er beregnet til 13 W for én øl og 39 W for tre. 5.2.10 Delkonklusion Det kan ud fra beregningerne på de tre forskellige opstillinger konkluderes at opstilling 1 og 3 er lige gode mht. optagelse af varmestrøm. Forskellen for køling af en øl er på 0,008 W imellem de to opstillinger. Dette betragtes som negligeabelt. Det ønskes, at vælge det designforslag, hvor aluminiumskopperne indgår, således at øldåserne ikke bliver våde. Dog kan prototypen af systemet ikke holde på brinen, og derfor bruges designforslaget, med luft og aluminiumskop, til de videre beregninger. Designet af fordamperen er dermed bestemt og vha. den fundne kuldeydelse, kan resten af kølesystemet beregnes. Se Figur 5.2.1 for fuldendt design af fordamper og køleboks. Side 25 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.3 Kondensator – ALP Kølemidlet på gasform fra kompressoren fortættes i kondensatoren, hvor det går på væskeform. Det skyldes at kølemidlet afsætter varme i kondensatoren, hvorved dets temperatur falder, og den optagne varme fra øl-fluidet frigives til omgivelserne. Kølemidlet kondenserer ved 40 °C ved et tryk på 10,2 bar. Der regnes med en underkøling på 5 K. Kondensatoren, som er illustreret på Figur 5.3.1 består af viklet kobberrør, hvor overfladearealets størrelse bestemmer, hvor meget varme der kan afgives til omgivelserne. Kondensatorens rørdimensioner er beregnet og dimensioneret i app. 2.4. Længden og overfladearealet bestemmes i det følgende. Figur 5.3.1 – Endelig design af kondensator 5.3.1 Antagelser Det antages at temperaturen er konstant i kondensatoren ved faseskift fra gas til væske. Temperaturen af luften over til kondensatoren er 30 °C og efter kondensatoren . Luftstrømmen er antaget ud fra den danske middelvindshastighed på 5,8 m/s. Endelig regnes der ikke med varmetab til omgivelserne i form af varmestråling, da det antages at være ubetydeligt. På Figur 5.3.2 ses luftens strømning henover et kondensatorrør. I beregningerne regnes der ud fra at luften strømmer på tværs af rørene. Her vil der være et laminart grænselag på indstrømningssiden og et turbulent på bagsiden. Figur 5.3.2. Skematisk billede af luftstrøm over kondensatorrør Side 26 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.3.2 Metode Der foretages en iterativ proces med udgangspunkt i tidligere antagelser. Der antages et indre areal af rørene og et indre varmeovergangstal , for at kunne bestemme den indre vægtemperatur i systemet. Denne temperatur benyttes til at bestemme det aktuelle varmeovergangstal . Det er nødvendigt, at gennemregne systemet af et par omgange for at finde de endelige værdier. Fordamperens ydelse er bestemmende for resten af systemet. Den energi der optages i kølemidlet fra øllene, skal afsættes i kondensatoren. Kondensatorens ydelse er bestemt til se app. 2.2. Temperaturudviklingen igennem kondensatoren vurderes og der udregnes en logaritmisk middelværdi, se Figur 5.3.3, da temperaturdifferensen mellem luft og kølemiddel ikke er konstant. Denne værdi beregnes til: , se app. 2.3. Figur 5.3.3 Skitse af temperaturudviklingen i kondensatoren Varmeovergangstallet ønskes bestemt, for luftens strømning over rørene. Om strømningen er overvejende turbulent eller laminar er afgørende for, hvor godt varmen fra rørene bliver transporteret væk og dermed, hvor stor er. Hvis luftens hastighed stiger, stiger den varmemængde, der kan fjernes fra rørene, og vil også stige. bestemmes til: Hvor er Nusselts tal [f 9.31]/1/, er konduktiviteten for luft ved 30 °C, kondensatorrørene . Beregningerne findes i app. 2.4.3. er den ydre diameter af Der undersøges, hvor stor varmemodstanden er igennem rørmaterialet. Det er typisk et lille tal, som har en minimal betydning for varmestrømmen. Denne værdi medregnes i varmegennemgangstallet ( ) Hvor er varmekonduktiviteten for kobber TB 10.11 /1/, længden af kondensatorrør. og er den ydre og indre rørradius og L er Varmeovergangstallet findes for indvendig strømning af fluid ved faseskift, f. 6.85 /2/ s. 144. Formlen tager hensyn til faseskiftet. Derfor skal bl.a. densiteten af kølemidlet på hhv. væskeform og på gasform medregnes ligesom kølemidlets viskositet . Beregningen findes i app. 2.4.5. [ ( ) ( ) ] Side 27 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 Hvor: er fordampningsentalpien for R134a ved 40 °C (TB 10.18a /1/), er varmekonduktiviteten ved væskeform, og er temperaturen ved hhv. væg og kondensering. Varmeovergangen fra det varme kølemiddel i kondensatoren, igennem kobberrøret og ud til luftens strømning omkring rørene, kan udtrykkes ved U-værdien - varmegennemgangstallet. I tallet er desuden medregnet fouling eller smudsmodstanden for kølemidlet. Denne modstand tager hensyn til urenheder i kølemidlet, der forringer varmegennemstrømningen. Varmegennemgangstallet er, ud fra formel 9.62 /1/, bestemt til: ( ) Længden af kondensatorrørene findes ved at benytte formel 9.73 /1/ ver overført varmestrøm ved transmission. Det samlede varmegennemgangstal delværdi og arealet anvendes: 5.3.3 . Formlen beskri, den logaritmiske mid- Resultater Tabel 5.3.1. Udregnede nøgletal for kondensatoren Materiale Rørdimension [mm] Kobber Ø6,4 (ø5) Længde [mm] 2200 αindvendig [W/(m2K)] 4116 αudvendig [W/(m2K)] 98,1 Rkobberrør [K/W] 0,00005 U-værdi [W/(m2K)] 92,8 5.3.4 Udformning Udformningen af kondensatoren er bestemt ud fra at luftens bevægelse hen over rørene skal ligne den beregnede model, dvs. strømning på tværs af en cylinder, se Figur 5.3.4. Ved at rørene er placeret i samme plan, strømmer luften ensartet hen over kondensatoren, hvis luften tænkes at strømme på tværs af kondensatorens plan. 5.3.5 Delkonklusion Det ses ud fra resultattabellen, Tabel 5.3.1, at den mindste varmeledningskoefficient er udvendig på rørene, dvs. at der her er størst modstand for varmestrømmen. Denne overgang kan forbedres ved større luftstrøm over rørene. Kondensatoren måler 280 x 250 mm og længden af rørene er 2,2m. Figur 5.3.4 Hovedmål på kondensatoren Side 28 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.3.6 Balanceligninger for kondensatoren - ALP Der kan tilsvarende opstilles balanceligninger for kondensatoren. Følgende tre ligninger skal stemme overens. Se formlerne 9.71, 972 og 9.73 /1/ s. 279. ( ) ( ) er luftens temperatur før den rammer kondensatoren er luftens temperatur efter kondensatoren Figur 5.3.5 - Viser den optagne og afgivne varmestrøm, samt varmetransmission igennem kondensatoren Den afgivne varmestrøm fra det varme kølemiddel skal optages af den køligere luft omkring kondensatorrørene. Dette skal stemme overens med den varmestrøm der ledes igennem rørene fra kølemiddel til luft, se Figur 5.3.5. Varmestrømmen findes ud fra massestrømmen og entalpiændringen over kondensatoren. Værdier hentet fra app. 2.2. ( ) Når luften strømmer hen over rørene på kondensatoren, optages varmestrømmen fra det varme kølemiddel. Balancen findes vha. luftens massestrøm. Denne bestemmes ud fra kontinuitetsligningen formel 4.10 /1/ s. 100. er densiteten for luft ved 30 , c er luftens hastighed ud fra middelvind i DK. Det projicerede areal Aprj er skyggearealet af kondensatorens rør. Side 29 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 Den specifikke varmekapacitet benyttes for tør luft ved 30 gennemstrømning over rørene. ( og temperaturerne 31.05.2013 og er før og efter ) I energiligningen for transmission benyttes varmegennemgangstallet, U, for kondensatoren, overfladearealet af kondensatorens rør og den logaritmiske middeltemperatur. Se app. 2.5.2. 5.3.6.1 Resultater Balance for kondensator v/system temp.: -5° C-40° C 5.3.7 Delkonklusion Den afgivne varme, den optagne varme og den varme der bliver overført ved transmission, er udregnet til at have tilnærmelsesvis den samme værdi. Dvs. at de tre balanceligninger viser at systemet er godt afstemt. Side 30 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.4 Beregning af virkningsgrader på kompressor – BJ Virkningsgrader for kompressoren findes på baggrund af databladet – se bilag 1 for kompressoren: Bitzer 0 Y. Virkningsgraderne ønskes beregnet til brug i afsnit 5.6, hvor køleanlægget dimensioneres. Der henvises til app. 2.6 for detaljer om beregningerne. Der opstilles en graf over virkningsgrader for kompressoren: Virkningsgrader for Bitzer 0Y R134a 1,00 0,90 Virkningsgrad 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Trykforhold Leveringsgrad, lambda Isentrop virkningsgrad, eta_s Figur 5.4.1 - Skema over isentropisk og volumetrisk virkningsgrad Ved en kondenseringstemperatur på 40 °C og en fordampningstemperatur på -5 °C kan trykforholdet bestemmes. Ved opslag i damptabel (TB 10.18a i /1/) for kølemidlet R134a kan trykkene aflæses til hhv. 10,2 og 2,4 bar. Hermed kan trykforholdet p beregnes: p pk p0 10, 2 2, 4 4, 2 Leveringsgraden for de aktuelle forhold aflæses: 0,78. Kompressorens isentropiske virkningsgrad aflæses til 0,43. Side 31 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.5 Gennemberegning af kølesystemet – JDL, JN Der opstilles en ligevægtsligning for hver kontrolflade i systemet for at undersøge ind- og udgående parametre med udgangspunkt i kap 4. Ud fra energibalanceligningen for fordamperen kan den nødvendige massestrøm af kølemidlet beregnes. Gennemberegning af øl-kølesystemet ses i app. 2.2. Der arbejdes ud fra det optegnede system i Figur 4.1. Der er beregnet en varmestrøm gennem køleboksen, på se app. 2.2. Systemet dimensioneres ud fra størrelsen af fordamperen, se kap 5.2.1, og den er designet så den har en kuldeydelse fra fordamper samt varmestrømmen fra køleboksen. Den samlede varmestrøm giver . Ligningen opstilles ud fra energibalancen der er opstillet i kap. 4.4, for tilstand 4-1. Dette gøres for at beregne kølekredsens massestrøm. Der er ikke noget indre arbejde i fordamperen. Kuldeydelsen er og den indre specifikke varme er givet ud fra entalpiændringen mellem tilstand 4 og 1. Massestrømmen af kølemidlet isoleres, som er givet ud fra den nedenstående formel. ( ) Med massestrømmen beregnet, kan kompressorens nødvendige volumenstrøm beregnes og er tallet på den mængde kølemiddel, som er nødvendig at komprimere i timen. Den volumetriske- og isentropiske virkningsgrad er aflæst ud fra trykforholdet i kompressoren i kap 5.4. Virkningsgraderne er aflæst til: Volumenstrømmen er givet ved: Kølegraden for systemet er beregnet ud fra luftstrømmen der strømmer over kompressoren samt temperaturforskellen. Kølegrad på kompressoren er beregnet til 6 %. Se app.2.2. Nu beregnes kompressorens akseleffekt ud fra den opstillede energibalance, kap. 4.1. ( ) Den indre tilførte akseleffekt med den isentropiske virkningsgrad medregnet, er: ( ) Side 32 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 er entalpien i en isentropisk proces efter kompression, forudsat at den har samme entropi som i tilstand 1. Akseleffekten er beregnet til . Køleeffekten er beregnet ud fra formlen: Køleeffekten er beregnet til . Det er nu muligt at beregne den specifikke entalpi, h2, efter kompressionen, som isoleres ud fra den opstillede energibalance for kompressoren, kap. 4.1. Den specifikke entalpi efter kompressionen er . Efterfølgende opstilles der en balanceligning for kondensatoren. Kondensatorens funktion er at frigive varme og dette vil resultere i en negativ ydelse for systemet. Kondensatorens størrelse og dimensioner, gives ud fra den mængde watt den skal frigive. Energibalance for kondensatoren kommer ud fra kap. 4.2: ( ) Der regnes kun med den indre specifikke varme, idet der ikke sker et arbejde i kondensatoren. Kondensatoren yder og frigiver . Nåleventilen sænker trykket fra højtryk til lavtryk. Processen anses for at være adiabatisk, hvilket betyder at og at der ikke tilføres noget arbejde til processen. Herved gælder, ud fra kap. 4.3: Dette er illustreret på Log p, h-diagrammet app. 1.1, som en lodret streg, og der vil forekomme en temperaturændring, idet trykket mindskes. Ved opstilling af energibalance af det totale system bekræftes det at der er udarbejdet et system, hvor der går ligeså meget energi ind i kølesystemet, som frigives i kondensatoren. Herved er . 5.5.1 Øl-kølerens COP virkningsgrad Anlæggets effektfaktor er beregnet ud fra formlen: Øl-køleren ender ud med en effektfaktor, . For at øge effektfaktoren, skal det mindsker akseleffekten. På den måde øges COP. gøres mindre og I kap 7.1 er nedkølingstiden beregnet og simuleret og det vil tage omkring 63 minutter at nedkøle 3 øl. Side 33 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.6 Tryktabsberegninger – ALM I app. 2.7 ses tryktabsberegningerne. Beregningerne er lavet ud fra mål og dimensioner på det opstillede kølesystem, som testene bliver udført på. Der udregnes tryktab over fordamper, kondensator, alle rør og bøjninger. Opstillingen af systemet ses på Figur 5.6.1Figur 5.6.1 Dette billede viser hele opstillingen med de fire tilstande angivet. Læg mærke til rørbøjninger og knæk. Der udregnes ikke tryktab over komponenter som ventil, filter og skueglas. Beregningerne er delt op i de tilstande, som systemet er opbygget efter, se Figur 4.1. Figur 5.6.1 Dette billede viser hele opstillingen med de fire tilstande angivet. Læg mærke til rørbøjninger og knæk. Ud fra resultatet af tryktabsberegningerne ses det, at tryktabet er 0,005 bar, og det betragtes som negligeabelt. Side 34 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 5.7 Nøgletal for øl-køleren – JDL, JN I Tabel 5.7.1 - Nøgletal for øl-køler, se designtal for øl-køleren i app. 2.9 og forklaret ovenfor i kap. 5.5. Tabel 5.7.1 - Nøgletal for øl-køler Tilstande Tilstand 4-1 Tilstand 1-2 Tilstand 2-3 Tilstand 3-4 Indgående energi Udgående energi COP - Effektfaktor Total tryktab Volumenstrøm Slagvolumen Nødvendig Volumenstrøm Trykforhold Δp Volumetrisk virkningsgrad Isentropisk virkningsgrad Kølegrad kompressor Nødvendige antal omdr. kompr. Specifik Specifikt varme arbejde Aksel effekt 150 kJ/kg 30,4 kJ/kg 12,9W 216,5 kJ/kg 0 Energibalance for det totale system 40,3W 40,3W Anlæggets virkningsgrad 2,1 Samlet tryktab i systemet 0,005 bar Kompressor - Bitzer 0Y 0,96 28,3 0,07 4,2 0,78 0,43 0,06 42 Køleeffekt 0,8W - Varmestrøm 27,4W 39,6W - m3/hr cm3 m3/hr min-1 5.8 Delkonklusion – JDL, JN Ifølge beregningerne skal kølesystemet drives med en massestrøm på 0,0002kg/s. Dette skyldes kuldeydelsen på 27,4 W, som øl-fluidet kan levere til fordamperen. Kompressorens arbejde og kondensatorens ydelse er beregnet ud fra de 27,4W. Kompressoren har under drift en akseleffekt på 12,9W og en køleeffekt på 0,8W, og for at systemet kan afgive den optagede varme, skal kondensatoren yde 39,6W. Over kompressoren er der et trykforhold på 4,2, som har betydning for den volumetriske- og isentropiske virkningsgrad, som er medregnet. Der er opnået ligevægt i systemet. Der optages 40,3W i systemet og systemet afgiver 40,3W. Kølesystem er derfor statisk. Kølesystemet har en COP på 2,1. Hvis der ses på størrelsen af kompressoren er den stor i forhold til det beregnede kølesystem. Kompressoren Bitzer 0Y har ved 565 min-1 en volumenstrøm på m3/hr, hvilket ligger højt over den nødvendige volumenstrøm på m3/hr. Det er en 2 cylinder kompressor med en slagvolumen på , derfor skal kompressoren under drift køre med . Dette vil give en nedkølingstid på 63 minutter ud fra simulering af nedkøling af øl se kap 7.1. Denne lange nedkølingstid er, ud fra beregningerne, grundet den store varmemodstand og lave konvektion i øl-fluidet. Dette er en begrænsning for systemet og gør det svært for fordamperen at hive varme ud af øl-fluidet. Side 35 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 6 Komponenter og opbygning – ALM Komponenterne som anvendes, er beskrevet i app. 3. Fordamperen er placeret i køleboksen, og gennem køleboksens væg, kommer fordamperrørene ud, hhv. til ventilen og til kompressorens lavtryksside. Mellem tilstand 3 og 4, se Figur 5.8.1, er der en er nåleventil, som er indkøbt ved Swagelok. Nåleventilen har samme funktion som en ekspansionsventil, men den reguleres manuelt. Der anvendes en Bitzer 0Y kompressor, som er placeret imellem fordamper og kondensator. Efter kompressorens højtryksside, kommer kondensatoren, efter et 90° knæk på røret. Der er en afstand, mellem kondensator og kompressor, på ca. 30 cm. Efter kondensatoren er der et filter, et skueglas og ventilen. Ventilen sidder lige før køleboksen. Til at måle tryk og temperaturer er der benyttet hhv.to manometre og 5 termofølere som er koblet til en datalogger. Termofølerne og manometrenes position kan ses på opstillingen i forsøgsrapporten, se også Figur 5.8.1. Figur 5.8.1 - Teknisk illustration af opbygning af kølesystemet. Komponenter opstillet i deres korrekte tilstand og med målepunkter placeret Side 36 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 7 Simulering 7.1 Simulering af kølesystemet – LV, BJ Køleanlægget inklusiv tre øl bliver simuleret i Matlab/simulink, hvor hele systemet skal starte fra hvile ved 20˚C til at øllene bliver kolde ved 5˚C. Dette svarer til køleforløbet, som man vil se i praksis på festivalpladsen. Det ønskes at visualisere temperaturer, entalpier og tiderne for nedkøling af øllene, fordamperen, kompressoren og kondensatoren. 7.1.1 Opbygning af system For at simulere køleanlægget opstilles dynamiske energiligninger for komponenternes kontrolflade, som indgår i anlægget, se app. 4.1. Nedenfor opstilles energiligningen for øllene som et eksempel. På højre side af lighedstegnet er det differentielle led: Temperaturen af øl-fluidet i forhold til tiden. Simuleringen er opbygget, så alle komponenter i anlægget har en starttemperatur på 20˚C. Dette betyder, at der først skal opbygges en temperaturforskel mellem fordamper og øl, før der sker en egentlig nedkøling af øl-fluidet. I startfasen vil nedkølingen af øl-fluidet gå langsomt, da anlægget først skal opbygge trykforskel, så der kan transporteres varme fra fordamper til kondensator. Systemet opstilles så komponenterne afhænger af hinanden, f.eks. vil køleprocessen for øl-fluidet afhænge af, hvor kold fordamperen er. Fordamperens ydelse er afhængig af, hvor meget varmeenergi kondensatoren afgiver. Ud over varmestrømmen fra øl-fluidet, består kuldeydelsen af en mindre varmestrøm gennem køleboksen. Varmestrømmene som går til fordamperen, samt de termiske modstande vises på nedenstående figur: Figur 7.1.1 – Et overblik over varmestrømmene til kølemidlet, samt indtegning af de termiske modstande De resterende balanceligninger og detaljeret beskrivelse af simulink-modellen findes i app. 4.1. Side 37 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 Da tryk og temperaturer er variable i modellen er det nødvendigt, at finde en matematisk sammenhæng mellem dette og de specifikke energiniveauer i de forskellige tilstande i anlægget. Der opstilles polynomier over entalpi, som funktion af tryk ud fra data fra Coolpack. Se app. 4.1.8. Det har vist sig, at være vanskeligt at lave en model for kompressorens arbejde på systemet. Derfor er simuleringen forenklet ved at antage, at massestrømmen er konstant. I praksis vil massestrømmen falde når trykforskellen bliver større, pga. kompressorens skadelige rum. 7.1.2 Resultat Resultatet af simuleringen visualiseres ved hjælp af de nedenstående diagrammer, Figur 7.1.2, hvor temperaturforløbene i de forskellige tilstande og udviklingen i entalpi kan ses. I de første fem minutter falder fordamperens temperatur, og kondensatorens stiger. Efter fem minutter begynder øl-fluidets temperatur at falde mærkbart. Figur 7.1.2 Diagrammerne viser udviklingen af de forskellige tilstande over en time. I takt med at fordampningstemperaturen falder, nedkøles øl-fluidet. Jo større temperaturforskel, des hurtigere nedkøles øl-fluidet. Kondenseringstemperaturen stabiliserer sig efter 10 minutter ved 52˚C. Det ses at entalpierne i tilstand 2 og 3 har samme udvikling som kondenseringstemperaturen. Udviklingen af entalpi i tilstand 1 følger fordampningstemperaturen. Kuldeydelsen er stigende og har toppunkt ved 21 W. Herefter er kuldeydelsen svagt aftagende, på grund af at temperaturdifferensen mellem øl-fluid og fordamperen bliver mindre. Side 38 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 7.1.3 Delkonklusion Simuleringen viser, hvordan de enkelte tilstande i køleanlægget udvikler sig over tid. Det tager ca. én time at køle øl-fluidet fra 20˚C til 5˚C. Der opnås en kuldeydelse på maksimalt 21W. Ved start falder fordampningstemperaturen langsommere end forventet, men fortsætter med at falde gennem hele simuleringen. På et tidspunkt vil fordampningstrykket i praksis være så lavt, at kompressoren ikke længere kan suge trykket længere ned. Modellen tager ikke højde for kompressorens virkningsgrader, og dette giver fejl i resultaterne. Dette skyldes, at det har været vanskeligt, at modellere kompressorens funktion og virkning i anlægget. 7.2 Simulering i forhold til forsøg – BJ, LV I de praktiske forsøg bliver køleanlægget startet, og først når anlægget er stabiliseret, igangsættes nedkølingen af øllene. Derfor laves der en model for nedkøling af øllene, hvor fordampningen under hele simuleringen sker ved den ønskede temperatur på -5 °C og en kondenseringstemperatur på 40 °C. Denne model skal danne grundlag for sammenligning af beregningerne på anlægget og de praktiske forhold med forsøgsopstillingen. I denne model er der tilmed lavet en effektkurve, som skal visualisere kompressorens akseleffekt over tid. 7.2.1 Opbygning Denne model tager udgangspunkt i simuleringen af hele anlægget i kap. 7.1. Modellen for øl og EPS-boks genbruges, og fordampnings- og kondenseringstemperaturen sættes konstant. Derudover er akseleffekten på kompressoren bestemt ud fra energibalancen for hele køleanlægget. Se kap. 4. 7.2.2 Resultater I Figur 7.2.1 er temperaturforløbet for øl-fluidet vist. Det ses, at øl-fluidet omgående falder i temperatur, da fordampningstemperaturen er -5 °C under hele simuleringen. Dermed bliver nedkølingen af øllet ikke forsinket af, at fordamperen først skal nedkøles, som det sker i modellen for hele køleanlægget. Figur 7.2.1 Temperaturforløbet for øl-fluid Side 39 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 På diagrammerne, i Figur 7.2.2, er kuldeydelsen og kompressoreffekten vist. Efterhånden som kuldeydelsen falder, stiger kompressoreffekten. Kuldeydelsen falder gennem hele simuleringen, fordi øl-fluidet falder i temperatur og derfor bliver temperaturdifferensen mindre under forløbet. Figur 7.2.2 – Kuldeydelsen, som funktion af tiden og kompressoreffekt, som funktion af tiden. 7.2.3 Delkonklusion Simuleringen viser, at det tager 63 minutter at nedkøle øl-fluidet fra starttemperaturen på 20 °C til 5 °C. Nedkølingen af øl-fluidet tager omkring samme tid, som simuleringen af hele kølesystemet i kap. 7.1. Kompressoreffekten stiger efterhånden, som kuldeydelsen falder. Dette sker på grund af energibalancen for køleanlægget, hvor kondenseringsydelsen er konstant og kuldeydelsen er faldende. Side 40 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 7.3 Simulering af temperaturforhold i fordamper – JDL, JN Der opstilles en simulering af temperaturforløbet i hvert af materialerne fra kølemidlet i fordamperen og ind til fluidet i øllen. Dette simuleres i Simulink for at eftervise hvilket materiale/fluid, der har størst modstand og virkning på nedkølingsforløbet. 7.3.1 Opbygning af system Fordamperen er simuleret i programmet ”Simulink” ud fra de opstillede ligninger i app. 4.3. Simuleringen er opbygget sådan, at den indre temperatur, for hvert af materialerne/fluider, undersøges. Temperaturen beregnes ved at sætte referencepunktet midt i materialet. Der undersøges hvor stor en varmestrøm, der går ind i materialet/fluid, og hvor stor en varmestrøm der forlader materialet/fluidet. Se Figur 7.3.1. Figur 7.3.1 - Varmestrøm igennem fordamperen fra øl-fluid samt visning af temperaturforløb. Brugt til at illustrere dynamisk temperaturovergang gennem fordamperen i et øjebliksbillede. Simuleringen opbygges således, at hvert lag arbejder sammen og videregiver data til simulering af temperaturforløb. Der er opstillet en dynamisk ligning for hvert lag: Dette opskrives for hvert lag igennem fordamperen for den ind- og udgående varmestrøm, som beskrevet ovenfor, hvor temperaturforløbet er et resultat og beskrives over en tidsperiode. Se app. 4.3 for opskrivning af dynamiske ligninger for temperaturforløbet igennem fordamperen. Side 41 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 7.3.2 Resultat På Figur 7.3.2 kan nedkølingskurverne i hvert lag fra kølemiddel til øl-fluidet i fordamperen ses. I Tabel 7.3.1 ses nedkølingstiden. Tabel 7.3.1. Modestanden i materialet og tid for nedkølingsforløb Lag / Materiale / Fluid Kølemiddel Kobberrør Aluminiumskop Aluminiumsdåse Øl-fluid Modstande [K/W] 0,0150 0,0001 0,0040 0,0001 1,8424 Nedkølingstid [sek] 0 70 70 70 2400 For at opnå kurver for hvert lag er de tre metaller simuleret over 70 sekunder og øl-fluidet er simuleret over en time. Figur 7.3.2 - Nedkølingskurver for fordamperrør, alukop og øldåse over 70 sek. ses på den venstre figur, og øl-fluid over 3600 sek. ses på den højre figur. 7.3.3 Delkonklusion Som det ses på Figur 7.3.2, er der størst varmemodstand i øl-fluidet, idet det bliver nedkølet langsommere end de andre lag. De mellemliggende lag imellem kølemidlet og øl-fluidet har en lav varmeledningsmodstand og bliver derfor nedkølet hurtigere. Som forventet, bliver fordamperrøret nedkølet hurtigst, efterfulgt af aluminiumskoppen og øldåsen. Dette bekræfter at varmeledningsmodstanden i øl-fluidet er bestemmende for nedkølingsforløbet og en videreudvikling af systemet skal beskæftige sig med forbedring af varmeovergangen i øl-fluidet. Nedkøling af øl-fluidet tager 40 minutter, hvilket ikke stemmer overens med simuleringen i 7.2. Side 42 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 8 Test af øl-kølersystem – JDL, JN 8.1 Forudsætning for test af øl-køler Forsøgsopstillingen af øl-køleren testes for at se forskellen mellem det teoretisk beregnede system og det praktiske system. Der er forskel mellem det teoretiske og praktiske system, hvilket undersøges i dette afsnit. Forudsætningen for test af øl-kølersystemet er, at der skal nedkøles tre øl fra en temperatur på til en temperatur på . Systemet er drevet af en elmotor, der giver kompressoren det ønskede konstante omdrejningstal. Dette gør testresultaterne mere stabile, så de kan sammenlignes med de teoretiske udregninger og simuleringer. 8.2 Beskrivelse af forsøg Der laves to forskellige forsøg. Det første laves for at finde det nødvendige omdrejningstal for kompressoren, da det teoretisk udregnede omdrejningstal ligger under kompressorens oplyste virkeområde, se bilag 1. Det andet forsøg laves for at finde nedkølingstiden ud fra de fundne omdrejninger fra forsøg et. 8.2.1 Forsøg 1 Der testes om kompressoren fungerer ved 42 min-1, for at se om det nødvendige trykforhold kan opbygges. Dette er dog ikke tilfældet. Der forsøges derfor ved højere omdrejninger, hvor omdrejningstallet er forøget med 40 min-1 pr. test. Dette er gjort indtil det laveste omdrejningstal, der kan opbygge det nødvendige tryk, er fundet. 8.2.2 Forsøg 2 Efter at have fundet det optimale omdrejningstal, der sikrer de rigtige driftsforhold, testes systemet for at måle nedkølingsforløbet af øl-fluidet. Dette gøres for fire forskellige omdrejningstal. Der laves fire test for at måle nedkølingstiden, hvor testene udføres ved fire forskellige omdrejningstal på henholdsvis; 240, 280, 320 og 360 min-1. Omdrejningstallene er konstante under forsøgene. 8.3 Forsøgsopstilling 8.3.1 Forsøg 1 Forsøgsopsætningen laves, som tidligere beskrevet med en elmotor, der driver kompressoren. Metoden, der bruges til at finde de nødvendige omdrejningstal, er at køre systemet i 16-17 minutter ved det bestemte antal omdrejninger, for at fastslå om følgende tryk opnås: lavtrykside på 2,4 bar og højtryksside på 10,2 bar. 8.3.2 Forsøg 2 Før dåseøllene placeres i køleboksen, er kølesystemet startet, så trykforholdet er som ønsket. Derefter placeres dåseøllene i køleboksen, hvor den midterste øl åbnes, for at placere en temperaturføler i centrum af øl-fluidet. Under test logges temperaturene i alle fire tilstande, samt temperaturen halvvejs på fordamperen og temperaturen i centrum af øl-fluidet. Under test bliver varmestrømmen mindre fra øl-fluidet til fordamperen, og det er derfor nødvendigt at indstille på nåleventilen, når overhedningen bliver for lille. Forsøget stoppes når øl-fluidet når en temperatur på . Side 43 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 8.4 Resultater 8.4.1 Forsøg 1 I det første forsøg, er det opnåelige høj- og lavtryk for de forskellige omdrejningstal fundet. I Tabel 8.4.1, er de vigtigste omdrejningstal og deres høj- og lavtryk opstillet. Tabel 8.4.1 – Tabellen viser de forskellige omdrejninger og deres tilhørende tryk. Omdrejninger [min-1] Fordampningstryk, abs. [bar] Kondenseringstryk, abs. [bar] Test 1 42 4,8 6,5 Test 5 200 1,7 7,5 Test 6 240 2,9 10,4 Test 7 280 2,5 11,8 Test 8 320 2,4 12 Test 9 360 2,4 13 Forsøg 1 Ud fra tabellen ses det, at 42 min-1 ikke fungerer, og at systemet først opbygger det nødvendige tryk ved 240 min-1. 8.4.2 Forsøg 2 Ud fra de omdrejningstal, der kan levere det nødvendige trykforhold, er nedkølingstiden fundet for omdrejningstal over 240 min-1. Resultaterne kan ses i Tabel 8.4.2 Tabel 8.4.2 – tabellen viser nedkølingstiden for de brugbare omdrejningstal. Omdrejninger [min-1] Tid [min] Start temp. på dåseøl [°C] Slut temp. på dåseøl [°C] Test 6 240 17 21,3 8,5 Test 7 280 15 18,6 5,0 Test 8 320 16 19,6 5,0 Test 9 360 17 19,0 5,0 Test/forsøg Tabel 8.4.2 giver et overblik over nedkøling af 3 øl ved forskellige driftsforhold. Ved 240 min-1 viser test 6 at øl-fluidet ikke nedkøles til efter 17 min. Fra test 7 til 9 formår kølesystemet at nedkøle de tre øl til de ønskede . Da systemet skal drives af en cykel, ønskes et lavt omdrejningstal og det vil derfor være optimalt at køre kompressoren ved 280 min-1. Side 44 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 8.5 Forsøg i forhold til simulering Simuleringen for hele kølesystemet viser ud fra de beregnede modstande og massestrømmen, at nedkølingsforløbet for øl-fluidet vil tage 63 minutter. Forsøgene viser derimod, at nedkølingsforløbet ikke vil tage mere end 15 minutter. 8.6 Delkonklusion Ud fra forsøgene og kravspecifikationen kan det konkluderes, at det optimale omdrejningstal ligger imellem 240 min-1 og 280 min-1. Der bør laves flere forsøg for at understøtte resultaterne. Forsøgene viser, at nedkølingstiden er bedre end forventet, da øl-fluidet nedkøles fire gange hurtigere end simuleret. Det kan derfor siges, at forsøgsopstillingen er brugbar og har en større varmestrøm end beregnet, og forsøgene derfor beviser, at det er muligt at køle tre øl ned. Under test er der fejlkilder og usikkerheder, der har påvirket forsøgene. Disse, samt en grundigere gennemgang af forsøgene, er beskrevet i Forsøgsrapporten. Side 45 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 9 Optimering og videreudvikling – JDL, JN 9.1 Kølesystem med omrøring Eftersom modstanden i øl-fluidet er så stor pga. den lave konvektion, vil nedkølingen være betydeligt hurtigere ved omrøring, fordi modstanden bliver mindsket og varmeovergangen bliver større. Der laves beregninger for øl-fluidet for at vise, hvor effektiv omrøringen vil være. Det antages, at der vil kunne laves en omrøringshastighed på 2 m/s. Se app. 6.2 for beregninger. Øldåse Tvungen konvektion I øl-fluid Fordamper Figur 9.1.1 – Øl-fluid med tvungen indvendig strømning forårsaget af omrøring af køleboks Varmeovergangstallet i øllet stiger fra til . Ved at anvende det nye varmeovergangstal i de tidligere beregninger, er den nye varmestrøm fundet. Den forhenværende varmestrøm er og den nye er . Problemstillingen ved optimeringen, vil være at skabe omrøringen i øllet, da øllene, eller hele kassen skal sættes i bevægelse. 9.2 Kølespiral Varmemodstanden i øl-fluidet, samt luften imellem fordamper og aluminiumskoppen er de største. Det vil være muligt at lave en hurtigere nedkøling, ved at ændre designet, hvor tomrummet fjernes og øl-fluidet kommer i bevægelse. For at få øl-fluidet i bevægelse er der udtænkt et design, hvor øldåsen åbnes og ølfluid hældes igennem et rør, der er kølet af en fordamper. På den måde er ølfluidet i direkte kontakt med fordamperen, samt at der er en strømning af ølfluidet. Det vil give en bedre varmeovergang. Samtidig forventes det også at overfladearealet vil være større. Designidéen er at implementere fordamperen i et spiralformet plastrør. Flowet af øl-fluidet skal drives af tyngdekraften, så øl-fluidet løber fra toppen af røret og ned i bunden, hvor det vil være nødvendigt at have en kop til at modtage øllet. Figur 9.2.1 - Kølespiral, hvor fordamperen er implementeret ind i røret, hvor øl-fluidet strømmer Side 46 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 9.3 Kompressor Den anvendte kompressor fungerer ikke optimalt ved få omdrejninger. Derfor vil systemet kunne udnyttes mere effektivt ved enten at køle flere øl af gangen, eller at anskaffe en mindre kompressor. Den valgte kompressor skal, ifølge databladet, have minimum 545 min-1 bilag 1, hvor systemet teoretisk kun skal bruge 42 min-1. Dermed vil en mindre kompressor have et virkeområde tættere på det ønskede. Hvis der vælges at køle flere øl af gangen, vil det nødvendige omdrejningstal stige, og kompressorens virkeområde vil dermed kunne opnås. Dette vil kræve en større akseleffekt, hvilket vil gøre det hårdere for brugeren at træde rundt i pedalerne. Side 47 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 10 Konklusion Der er blevet konstrueret en funktionel festivalkøler, som kan nedkøle tre øl fra til på 15 min. Der er opstillet energibalancer for de enkelte komponenter i systemet, hvorpå der er udført energitekniske beregninger. Festivalkøleren er ud fra beregningerne funktionsdygtig ved , hvor omgivelsestemperaturen ved forsøgene har været , hvilket kun beviser, at den i praksis fungerer ved denne temperatur. Der er valgt et design af fordamper, som passer til tre øldåser og det er brugervenligt. Fordamperen opererer under drift ved . Ifølge simuleringen nedkøles lagene frem til øl-fluidet til samme temperatur, på 70 sekunder. Fordamperen er designet til at yde 27,4W. Der er udarbejdet forbedringsforslag af fordamperen, der kan forbedre varmestrømmen. Kondensatoren er lavet af ¼” kobberrør og dimensioneret til en kondenseringstemperatur på . Længden er bestemt til 2,2 m ud fra, at den afgiver en varmstrøm på 39,6W. Kondensatoren er afstemt ud fra de tre balanceligninger. Det har ikke været muligt at anskaffe en kompressor, som passer til systemets størrelse. Der er beregnet en nødvendig akseleffekt på 12,9W. Der er indkøbt en remtrukket kompressor, Bitzer 0Y, som yder mere end ønsket. For at opnå det ønskede trykforhold, er kompressoren testet for at finde dens virkeområde. Omdrejningstallet for kompressoren er beregnet til 42 min-1, men pga. dens virkeområde er den testet til at skulle køre mindst 240 min-1 for at opnå den ønskede trykforskel. Til forsøgene er kompressoren drevet med elmotor, for at have stabile omdrejninger, og der er derfor ikke blevet testet med en cykel. Da kompressoren er remtrukket, kan der nemt monteres en cykel. Forsøgene bekræfter at systemet er funktionelt og det køler bedre end beregnet. Ifølge simuleringen vil nedkølingstiden tage 63 min, hvor forsøget viste 15 min. Simuleringen opnår kun en maksimal kuldeydelse på 21W. Simuleringen passer tilnærmelsesvis overens med de statiske beregninger. Den simulerede nedkølingstid passer ikke overens med testene, hvilket kan skyldes den beregnede modstand i fordamperen, samt at systemet kun er regnet endimensionelt. I simuleringerne i afsnit 7.1 og 7.2 regnes med de termiske modstande, som er beregnet i den statiske dimensionering. Den resulterende nedkølingstid for øl-fluidet afviger i disse simuleringer væsentligt fra simuleringen med de forskellige materialelag, nedkølingstiden for øl-fluidet giver her ca. 40 minutter. I denne simulering er de termiske modstande beregnet efter en anden metode, men det burde give samme resultat. Dette er derfor et område som bør undersøges nærmere. Der er udarbejdet to forbedringsmuligheder. Den ene er at skabe omrøring i øl-fluidet, hvorved varmeovergangen vil øges. Den anden er at skabe direkte kontakt mellem øl-fluidet og fordamperen. Der er udarbejdet et godt og funktionelt produkt, som opfylder de stillede krav. Side 48 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 11 Procesbeskrivelse – ALM Dette er udarbejdet ud fra en fælles dialog, i gruppen, vedrørende projektforløbet: Idéen til projektet startede som en cykelpumpe eller en kompressor med håndsving, som driver et køleanlæg der er flytbart og kan medbringes til en festival til at nedkøle de medbragte øl. Der var også andre ideer oppe at vende, og de ses i app. 1. Ud fra en samtale med kølemontør, Jesper Jensen, fik vi en henvisning til Den jydske Haandværkerskole. Her uddannes kølemontører og gennem et besøg, fandt vi ud af hvordan et system kunne opbygges ud fra et mekanisk princip. På Den jydske Haandværkerskole var et lille kølesystem opbygget, til nedkøling af en flaske vand, hvor en romaskine driver kompressoren. Gruppen modtog en wankelkompressor fra Den jydske Haandværkerskole, til at opbygge køleanlægget ud fra. Fordi vi ikke kendte til kompressorens slagvolumen, testede vi kompressoren, men fandt under opbygningen af systemet (ved påfyldning af kølemiddel) ud af kompressoren var læk. På daværende tidspunkt havde gruppen også fremskaffet en anden kompressor, fra airkonditionanlægget i en bil. Efter en kort undersøgelse af andre mulige kompressorer, blev der indkøbt en ny kompressor med to stempler i stedet for. Derfor har der været en væsentlig mængde praktisk arbejde med at finde oplysninger og komponenter, og dette fremstår ikke i det endelige produkt. Dimensionering og beregning af kølesystemet begyndte, i takt med indlæring af faget. Mange tal ændrede sig løbende. Nu kunne systemet opbygges, og testene kunne begynde. På det punkt har gruppen været for uklare om, hvad forsøgene gerne skulle vise. Et tydeligt mål var dog at bevise, at nedkølingen af tre øl var mulig. 11.1 Læringssituationen: En god ting for projektet, ville være at arbejde med skarpere deadlines og skabe en bedre kommunikation mellem medlemmernes arbejdsgrupper. Arbejdets udførelse er generelt foregået i en god atmosfære og der er stræbt efter at nå frem til de mest mulige resultater. Der er visse steder, hvor der regnes med forskellige tal, og tallene har ændret sig meget gennem arbejdet. Det har bl.a. været på grund af de udfordringer der har været med kompressorerne. Gruppen vurderer at beregningsbyrden ved køleanlægget i sig selv er i underkanten til at beskæftige seks personer. Det har derfor indimellem været en udfordring at finde regnearbejde til alle. Det opstillede system og arbejdet med at indstille ventilen ift. trykket under testene, givet god forståelse for køleanlæg og termiske processer. Side 49 af 50 Hovedrapport M4PRJ4 Ingeniørhøjskolen Aarhus Univeristet Gruppe 4.2 31.05.2013 12 Litteraturliste 1. Termodynamik – Teoretisk grundlag – Praktisk anvendelse 3. Udgave – Nyt teknisk forlag Aage Birkkjær Lauritsen og Aage Bredahl Eriksen 2. Køleteknik - Termodynamisk grundlag - Beregninger – Dimensionering 2. Udgave – Ingeniøren bøger Søren Grundtoft og Aage Birkkjær Lauritsen 3. Noget om køleteknik 3. Udgave – Forlaget Teknidata 2006 Eigil Nielsen 4. Heat and mass transfer 6. Udgave Frank P. Incropera Side 50 af 50
© Copyright 2024