Profielwerkstuk:De koelkast

Gemaakt door: Stefan Bredius & Martijn van de Berg

Profielwerkstuk begeleider: Mevr. V. Suiters

Klas: H5a, Olympus College

Inlever datum verslag: 14-02-2012

1

InhoudsopgavePagina 1...................................................................................................................................VoorpaginaPagina 2.....................................................................Inhoudsopgave + Voorwoord + OnderzoeksvragenPagina 3.....................................................................Hoe werkt een koelkast? (een commerciële uitleg)Pagina 7...............................................................Hoe werkt een koelkast? (een meer technische uitleg)Pagina 8.....................................................................................................................OnderzoeksplannenPagina 9..................................................................................................Meetgegevens en OnderzoekenPagina 16..............................................................................................................................UitwerkingenPagina 17..................................................................................................................................ConclusiesPagina 18......................................................................................................................................BronlijstPagina 19 en verder..................................................................................................Bijlages&Logboeken

VoorwoordWij zijn samen gaan werken omdat we allebei precies hetzelfde profiel hebben met dezelfde keuze vakken, daarom konden we vaak samen in tussenuren aan ons profielwerkstuk werken.

Omdat we allebei van de bèta vakken houden en Stefan vooral van natuurkunde, zijn we op zoek gegaan naar een leuk onderwerp wat hierbij past. We hadden ook nog het idee om het over een boiler te doen. Maar omdat we hierbij te weinig konden verzinnen om te onderzoeken en het toch wel best saai was zijn we hier toch niet voor gegaan.

Toen kwam Stefan op het idee het over een warmtepomp te doen. Want hij wou graag hier meer over weten hoe dat werkt. Omdat zijn vader er ook al veel van af weet, kon hij ons dan ook goed helpen. Martijn kwam toen op het idee om het dan over de koelkast te doen. Want daar zit tevens een warmtepomp in! En daar hielden we het bij.

Hoofdvraag:- Kun je het rendement van een koelkast verbeteren?

Deelvragen:- hoe werkt de koelkast?

- Waaruit bestaat een koelkast?- Wat doet de condensor?- Wat doet de verdamper?- Wat doet de compressor?- Wat doet het expansieventiel?- Wat is een koelkast?

- helpt het als je de hete lucht aan de achterkant sneller weg voert?- Maakt het uit in welke richting je die lucht afvoert?- Wat is het verschil tussen meestroom en tegenstroom?- Wat zijn de temp. Verschillen bij meestroom?- Wat zijn de temp. Verschillen bij tegenstroom?

2

3

Hoe werkt een koelkast? (een commerciële uitleg)Warmte wordt van binnen naar buiten verplaatst. En in de binnen ruimte wordt het koud. Waarom?

Wist u dat, een koelkast niet koelt maar warmte afvoert. Het koelproces bestaat in wezen uit niets anders dan het opnemen van warmte in de koelkast en het afstaan van deze warmte aan de buitenlucht. Om dit te realiseren beschikt iedere koelkast over de volgende basiscomponenten:

Een goed geïsoleerde koelruimte Een verdamper  Een compressor Een condensor. Dit is het

radiatorachtige onderdeel aan de achterzijde van de koelkast het met koelmiddel gevulde leidingstelsel waarmee de warmte wordt getransporteerd

Het draait allemaal om verdamping en condensatie. De warmte in de koelkast wordt opgenomen door de verdamper en afgestaan door de condensor aan de achterzijde van de koelkast.

Het principe van het koelen: Hoe koelte ontstaat.Het principe van het koelen is verdamping van vloeistof. Verdamping ontrekt warmte van de omgeving en koelt af.

Voorbeeld: contact met water, water verdampt op de huid. Het voelt koel aan.

Het is met de koelkast het zelfde principe. Er zit een plaatverdamper tegen de achterkant van de koelkast binnen in. Het koelmiddel stroomt door de kanalen van deze verdamper. Het koelmiddel verdampt bij lage druk. Het verdampende koelmiddel in de plaatverdamper ontrekt warmte aan de binnenruimte die hierdoor afkoelt. Dus de warmte van de binnenruimte van de koelkast gaat in het koelvloeistof zitten.

4

De koude kringloopDe koude kringloop is een gesloten systeem, het gasvormige koelmiddel uit de verdamper wordt weer in vloeibare toestand gebracht. De koude kringloop heeft de volgende 4 onderdelen:

Compressor

Condensator

Droogpatroon

Verdamper

5

De compressor zuigt het gasvormige koelmiddel uit de verdamper en pompt het met hoge druk weer in de condensor. Door de hoge druk, waardoor het koelmiddel warmer wordt, en de warmte afgifte veranderd de aggregatie toestand van het koelmiddel van gasvormig naar vloeibaar.

Het droogpatroon(zie de afbeelding hiernaast) absorbeert vocht uit de koude kringloop en filtert het koelmiddel.Het capillair (aangegeven met de groene pijltjes) is een dunne leiding die de condensor met de verdamper verbindt. Hierin wordt de druk gereduceerd.

Het vloeibare koelmiddel stroomt in de verdamper/expander (de verdamper zet de koelvloeistof om in lagere druk) en begint bij lage druk direct te verdampen/expanderen.

Het verdampende koelmiddel ontrekt warmte aan de binnenruimte. Het gasvormige koelmiddel en de opgenomen warmte worden naar de condensor naar de achterzijde van de koelkast gevoerd. De warmte wordt aan de omgeving afgegeven en daarmee sluit het de koudekringloop! En herhaalt het zich weer.

6

Samenvatting:1. Koeling ontstaat door verdamping2. Het koelmiddel verdampt onder lage druk3. In het koelsysteem wordt het koelmiddel onder hoge druk weer terug in vloeibare toestand gebracht, om daarna weer te kunnen verdampen.

7

Hoe werkt een koelkast? (een meer technische uitleg)Als je wilt weten wat er gebeurt moet je eerst op een paar punten in het circuit de temperatuur T en de druk D weten om het te snappen.

De druk, energie en temp. Grafiek waar een warmte pomp gebruik van maakt:

hier is druk uitgedrukt in energie. De boog geeft de grens aan van vloeibaar of gas naar een mengsel van gas en vloeibaar, links van de boog vloeibaar, rechts van de boog gas, erin is half vloeibaar half gas (dus dan is de vloei stof over aan het gaan in gas of is het gas over aan het gaan in vloeistof.)De punten gaan van 1 naar 2 naar 3 naar 4 en weer terug naar 1.De lijn van 1 naar 2 is eigenlijk de binnen kant van de koelkast, waar de warmte van de koelkast in de koelvloeistof gaat zitten.De lijn van 2 naar 3 is de compressor, dan gaat de druk omhoog en dus ook de temperatuur.De lijn van 3 naar 4 is de achterkant van de koelkast, waar de warmte uit de koelingsvloeistof gaat.De lijn van 4 naar 1 is het expansieventiel, waar de druk er van af gaat en de koelingsvloeistof weer heel koud wordt. als de punten 1, 2, 3 en 4 zijn vastgesteld kan de cyclus worden getekend. Op zo een P-h grafiek. Zo P-h grafiek is voor elk gangbaar werkend vloeistof (koelmiddelen) beschikbaar. In zo een grafiek zijn de druk en energie waardes te zien in schaal. Deze drukniveaus definiëren

8

de verbrandings- en condensatietemperatuur en dit kan worden afgelezen door te kijken welke temperatuurlij de saturatie curve snijdt. De gemeten temperaturen bepalen de eindpunten van de lijnen. Met behulp van contourlijnen van de temperatuur op de grafiek.

COPDe conventionele manier om de effectiviteit van de koelingvloeistof uit te drukken is Coëfficiënt of Performance (COP). Dit is de verhouding van warmte winning tot energie-input. Deze zijn normaal allebei uitgedrukt in dezelfde eenheid: kilowatt (kW). Bij een systeem waar de massastroom constant is, wordt de COP gelijk aan de verhouding van de verhouding van de energie verandering en de energie vergroot zichzelf tijdens de compressie. Namelijk dh1/dh2. dus als je het gas comprimeert wordt niet alleen de druk hoger maar ook de energie, omdat de temperatuur omhoog gaat. Dit is niet te vermijden. Op de pH grafiek, is de energie te zien in kJ/kg. De verhouding dh1/dh2 is de snelheid van overdracht van energie in de verdamper.

In het werkelijke systeem druk zijn druppels gebonden aan het optreden in de warmtewisselaars en aansluitende pijpen. Met afbuigende lijnen worden dit weergegeven. Een neerwaartse helling geeft aan dat de druk vermindert. Mits de druk worden gemeten bij de in en uitgang van de compressor en de temperaturen worden gemeten in de aangewezen plaatsen, kan de COP(coeficience of performance) van het systeem worden gevonden.

Zuig verliezenDe oplettende lezer zal zijn opgevallen dat in het geval van een lang aansluitende lijn tussen de verdamper en de compressor de voorwaarde van het koelmiddel aan de ingang van de compressor en die bij de uitgang van de verdamper kunnen verschillen. Tussen deze twee

9

punten kan er een daling van de druk en een toename van de energie. De drukval zou je terug kunnen zien uit de stroom verliezen in de lijn. Het energie verhoging zou te wijten zijn aan de warmte winst door het koelmiddel op zijn reis van de verdamper naar de compressor. In het diagram is deze extra drukval aangetoond door dP en de toename van energie wordt aangeduid door de kloof tussen dh1 en dh2.

In de meeste systemen zijn beide van deze effecten zeer klein. In het diagram zijn ze voor de duidelijkheid vergroot. Voor praktische doeleinden doet dit zich alleen voor in systemen waar de verdamper of koeler is een ver af van de compressor. In dit geval kan de nauwkeurigheid van COP worden verbeterd door het meten van de temperatuur aan de uitgang van de verdamper, en gebruik deze waarde om dh1 te bepalen, terwijl op hetzelfde moment met behulp van de compressor ingangstemperatuur dh2 te bepalen. Merk op dat voor perfectie, de druk bij de uitlaat van de verdamper moet ook worden gemeten, maar dit is niet nodig in de praktijk omdat het energie effect van de druk wijzigt in druk, dP, is doorgaans zeer kleine in deze situatie. Deenergie, h, van de damp is voornamelijk temperatuur afhankelijk.

Rendement v.d. CompressorNauwkeurige meting van de druk en temperaturen op de posities die hierboven staan kan de efficiëntie van de compressor vinden. Hoe? Lees uit de energie op punt 2 waar de damp de compressor betreedt, en op punt wijzigt waar de damp de compressor verlaat en daar vind je de energie3 dh2. De toename van energie ontstaat doordat er wordt gewerkt aan de damp en aan het einde wordt de druk verhoogt. De ideale (minimaal) hoeveelheid werk is bekend. Het is het werk die zou moeten worden gedaan in het geval van een ideale of omkeerbare compressie proces. De energieverhoging voor zo een dergelijk proces kan worden afgelezen op de grafiek (of berekend door de computer). Dit wordt gedaan door het vinden van het punt op de grafiek op de hoge druk die hetzelfde energiewaarde als punt 2 heeft. Deze "ideaal" of "minimum" energie verschil wordt weergegeven als ideaal dh2 in het diagram. Entropie is de eigenschap die constant voor omkeerbare processen blijft. Contouren van constant entropie worden weergegeven in de grafiek.

Compressorefficiëntie kan worden gedefinieerd als de verhouding tussen deze verhoging enthalpie en van de werkelijke gemeten enthalpie, d.w.z. (ideale dh2/dh2). Het heet de Isentropische efficiëntie van de compressor.

10

Compressor Warmte VerliesIn de bovenstaande methode om COP de energie verhoging dh2 wordt bepaald door meting van de temperatuur en druk aan het einde van het compressieproces. Meting onmiddellijk vóór en na compressor kan de punten 2 en 3 worden uitgezet in de grafiek, zodat de dh2 kan worden afgelezen. Echter geeft de compressor hitte af aan de atmosfeer. Hij wordt warm. Warmte uit de compressor en afvoeren in de lucht levert dienovereenkomstig minder warmte uit de koelmiddel dampstroom. Het gevolg hiervan is dat de energie in punt 3, gemeten uit de hoogdrukleiding temperatuur meeting, zal zeggen dat het te laag is en de dh2 smaller is dan dat hij eigenlijk zou moeten zijn. De COP zal te hoog worden. Voor een nauwkeurige beoordeling van de COP van deze warmteverlies H dient dit te worden verantwoord.

Het warmteverlies van de compressor wordt meestal uitgedrukt in percentages van de elektriciteit die er in komt. De netto energietoevoer wordt de energie-ingang Energieverlies het warmteverlies H, en deze hoeveelheid (E-H) gelijk is aan energiewinst vertegenwoordigd door dh2. als bijvoorbeeld bekent is dat 5% van het elektriciteit vermogen warmteverlies is, dan zou 5% worden toegevoegd aan de waarde dh2, gevonden bij de gemeten temperatuur waarden. De juiste DH2 en daarmee de juiste efficiëntie kan dan worden gevonden. Voor de meeste compressoren is het warmteverlies tussen 5 en 7% en een fout in deze waarde heeft maar een kleine invloed op de uiteindelijke resultaat in de meeste gevallen.

11

OnderzoeksplannenOnderzoeken of tegenstroom of meestroom verschil maakt.want onze Theorie is dat als je de koele lucht die je langs de warmtewissellaar blaast in de goede richting dat de warmte wissellaar kouder wordt als je het met tegenstroom laat gaan omdat er dan nog meer temperatuur overdracht is. Want als je dit plaatje ziet: (over onze theorie)

dan zie je nu pijltjes staan met meestroom aan de rechter kant (de kant van de achterkant van doe koelkast)

hier in dit plaatje zal de koude temp (van 17*c tegen de warme temp. van 60*C botsen en in elkaar een gemiddelde van ong. 20 tot 24 *c overnemen. maar als je nou tegenstroom doet krijg je waarschijnlijk een eind temp van 19 of misschien wel 18 (of als het optimaal is 17 *c)! als hij de expanser in gaat. omdat de temperatuur die uit de compensator/compressor na dat hij bijna de warmtewisselaar uit is toch nog eens in aanraking komt met 17*c.

12

Meetgegevens en onderzoekenZonder een plaat, gemeten aan de binnenkantDelta Tijd: 60,00 minTemp. Vooraf aan de binnenkant van de koelkast: 19,8Temp. Na de proef aan de binnenkant: -8,8

Dit is allemaal met een plaat aan de achterkantTemperatuur achterkant voor de proef:              19,6 *CTemperatuur binnenkant koelkast:                       19,6Temperatuur na 5 minuten binnenkant:              19,3Temp in vriesvak na 5 min.:                                      1,1 CTemp achterkant na 5 min.:                                      30,8

Dit is een schets, de condensor loopt van boven naar beneden, en weer terug. En de ventilator staat naast de koelkast.

Met plaat+ventilator aan rechterkant van de plaat. (als je voor de koelkast staat) (meestroom)Energie die we er in stopte: 168W(dit is de ventilator+de koelkast), 35,0 min lang.Begin temp achterkant:                                           24,2Eind temp na de 35 min. In het vriesvak -5,8*C Eind temp na de 35 min. In de koelkast 3,8*CEind temp na de 35 min. Aan de achterkant linker kant: 26,1 C Eind temp na de 35 min. Aan de achterkant rechter kant: 24,2De lucht die er langs stroomt gaat gemiddeld met 1,35 m/s door een opp. Van 100 cm en 2,2 cm.

Met plaat+ventilator aan de linker kant van de plaat(als je voor de koelkast staat) (tegenstroom)Na de proef in de koelkast: -4,3 Na de proef in het vriesvak: -16,9 De lucht die er langs stroomt gaat gemiddeld met 1,35 m/s dooreen opp. Van 100 cm en 2,2 cm. en dus stroomt de koelvloeistof van rechts naar links.

Dit hadden we niet verwacht, zie conclusies.

13

Voorkant/binnenkant +ventilator aan de rechterkant. (dus bij de verdamper)Temp. Voor: 22,4Temp na: 21,6De lucht die er langs stroomt is gemiddeld met 2,0m/s over de oppervlakte van de spleet: 0,86m x 0,02m.

Meetgegevens condensor (tegenstroom)Hier hebben de te proef tegenstroom nog eens gedaan omdat nu de deur eruit was gesloopt.We hebben ook een temperatuur meter aan de ene kant van de condensor gehouden en aan het uiteinde: Temperatuur voor de condensor met t=0:                      22,4Temp na de condensor met t=0:                                           22,3Temp voor de condensor na 5min                                        30,5Temp na de condensor na 5min                                            22,5We hebben de proef nog eens gedaan (dus we hebben de koelkast uit gezet en de ventilator harder gezet, zodat de condensor weer neutraal was. Toen hebben we de koelkast en weer aan gezet en de ventilator weer normaal en zo nog een meeting gedaan) en toen kwamen er deze temperaturen uit:als je het systeem aan laat staan blijven de temperaturen uit eindelijk constant. namelijk: de temperatuur net voor de condensor is 35,3de temperatuur net na de condensor is 22, 7en de temp links van de condensor (dus van de lucht) is 22,8en de temp waar de lucht er weer uit gaat is 25,0 graden.Deze waarden krijg je na ongeveer 15 min.

14

Metingen energie uit stopcontactWe hebben een wattmeter in een stopcontact gedaan en daarin eerst de stekker van de koelkast, toen de stekker van de ventilator, en toen een stekker van een stekkerblok en daarin de stekkers van de ventilator en de koelkast in gedaan. En dit zijn de metingen:Koelkast: 138WVentilator: 48WKoelkast + Ventilator: 193WDit kan helemaal niet want op de stikker in de koelkast staat dat de koelkast maximaal 85W verbruikt. En dan is dit zelfs nog inclusief lampje. Dus er zal wel wat verkeerd zijn aan de meetopstelling. Het lampje verbruikt 25Watt,Dus in de berekening ga ik dan ook uit van 85-25=60Watt compressor vermogen.

De energie die de ventilator verbruikt, is niet allemaal gebruikt voor de luchtstroom langs de condensor of verdamper omdat er een keerstroom optreed ( dus lucht die niet door de spleet gaat maar terug langs de ventilator:

De luchtsnelheidsmeter geeft keerstroom aan.

De compressor.

15

Onderzoek optekenen Carnot-diagram (druk tegen de enthalpy uitgezet)We hebben de volgende temperaturen gemeten:Vlak voor de compressor: -10 (dit is punt 2 van de cyclus)Na de compressor: 58 (dit is punt 3 van de cyclus)De condensor temp (de temperatuur waarop hij lang blijft): 40 (de horizontale lijn tussen 3 en 4)Temp aan het einde van de condensor: 20,3 (punt 4)De verdamper temperatuur is niet te meten zonder de koelkast te slopen, omdat de koelkast een minimum van -16,9 bereikt gaan we er van uit dat de verdampert temperatuur -20 is. (punt 1)

Uit de diagram kun je opmaken dat de druk in de verdamper 1,3 bar is. En de druk in de condensor 10 bar is.

16

UitwerkingenȠ = E(buitenkant) / E(compressor) x100%E(buitenkant) = E(binnenkant) + E(compressor) (in theorie)

E = c x (m/t) x ∆TE in wattm/t = massa stroming (in kg/s)T in tempratuur (in graden celsius)c = soortelijk warmte (in 103 joule / (kg * K))

Hoeveelheid kg per seconde lucht gaat er door de spleet?

Volume per seconde= lengte(spleet) x breedte(spleet) x m/sgem

m/t = Kg/s = V/s x ρ

Vermogen buitenzijde (condensor) (meestroom)Vol./s = 1,00m x 0,022m x 1,35 = 0,0297 m³/sKg/s = V/s x ρ(lucht) = 0.0297m³/s x 1,293kg/m³ = 0,0384021 kg/s = 38g/s = mDus er gaat ongeveer 0,0384 kg lucht per seconde langs de condensor!

E = c x m x ∆T E = 1,00 x10³ x 0,0384021 x (26,1-24,2) = 72,99639Dus E(buitenkant) = 73Watt

Vermogen buitenzijde (condensor) (tegenstroom)Vol./s = 1,00m x 0,022m x 1,35 = 0,0297 m³/sKg/s = V/s x ρ(lucht) = 0.0297m³/s x 1,293kg/m³ = 0,0384021 kg/s = 38g/s = mDus er gaat ongeveer 0,0384 kg lucht per seconde langs de condensor!

E = c x m x ∆T E = 1,00 x10³ x 0,0384021 x (25,0-22,8) = 122,886...Dus E(buitenkant) = 123Watt

Vermogen binnenzijde (verdamper)Vol./s = 0,86m x 0,02m x 2,00 = 0.0344m³/s Kg/s = V/s x ρ(lucht) = 0.0344m³/s x 1,293kg/m³ = 0,0444792 kg/s = 44g/s = m/s

E binnenkant = 1,00x10³ x 0.0444792m/s x (22,4 – 21,6) = 35,58336 WattDus E(binnenkant) = 36 Watt

Deze waardes van de vermogens (zie uitwerkingen) kun je niet met elkaar vergelijken. want het werd uiteindelijk zo heet aan de achterkant (omdat er geen ventilator op stond, maar wel een plaat die alle warmte tegen houd) dat de koelkast zijn warmte niet meer kwijt kon en dus het koelingvloeistof niet kon afkoelen.

Rendement meestroom:Ƞ(meestroom) = E(buitenkant) / E(compressor) x100% = 72/60 x100% = 120% (COP =1,2)

Rendement tegenstroom:Ƞ(tegenstroom) = E(buitenkant) / E(compressor) x100% = 123/60 x100% = 205% (COP = 2,05)

17

Conclusies:Na de uitwerkingen van het vermogen van de koelkast, gebaseerd op de metingen van de eerste proef die we hebben gedaan is de uitkomst dermate teleurstellend en dit erg laag(dit komt waarschijnlijk omdat de koelkast dicht was toen we de temperatuur om meten waren) is, gaan we nog en proef doen met de koelkast deur open. Waarom we dit doen is omdat de koelkast naar mate hij kouder wordt steeds minder warmte uit de koelkast kan halen en daarom minder effectief kan werken. En dus het vermogen niet optimaal is.

We hadden echt niet verwacht dat het zó veel verschil maakt welke kant je die lucht erin blaast (aan de achterkant), dus mee stroom of tegenstroom. We kunnen dus ook bevestigen dat de koelingvloeistof van rechts naar links wordt gepompt met onze “tegenstroom-theorie”.

Tegenstroom werkt dus veel beter dan meestroom.Wij hebben metingen gedaan met meestroom en tegenstroom. Maar in de praktijk stroomt de lucht van beneden naar boven langs de condensor en is het dus kruisstroom. Dus zal het rendement tussen de 120 en 205% liggen. Dit is dus niet optimaal.

Het antwoord op de hoofdvraag is: JA! Je kunt het rendement verbeteren door middel van tegenstroom. We vinden het gek dat de buizen van de condensor van rechts naar links lopen. Als je weet dat warmte opstijgt. Dus dat wilt zeggen dat de lucht van onder naar boven gaat achter de koelkast. En we hebben onderzocht dat tegenstroom véél effectiever is, dus waarom verbeteren ze het rendement dan niet door de radiator van boven naar onder te laten lopen? Dit zou nog een verbeter punt kunnen zijn. Maar dit kunnen wij zelf niet waarmaken. Waarschijnlijk is dit vanwege de kostprijs.

In theorie zou de koelkast/de warmtepomp optimaal worden gebruikt als je de lucht die in de koelkast zit steeds wegblaast. Omdat er dan warmere lucht in aanraking komt met de koude koelingvloeistof. En is er meer temperatuur overdracht. Waardoor de koelkast meer koelte kan afstaan aan die lucht. Dit kunnen wij ook deels bewijzen omdat we een meeting hebben gedaan met de deur dicht en met de deur eraf gesloopt.

We vonden het een heel leuk onderzoek en we hebben er veel van geleerd. We zijn blij dat we dit onderwerp hebben gekozen want het wat ongelofelijk interessant!!! Echte TU stof!

18

Bronnenlijst

1. http://alephzero.co.uk/ref/circeff.htm 2. http://www.koelen.nl/index.php?pageID=2876 3. Stefan's vader.4. http://nl.wikipedia.org/wiki/Warmtepomp5. http://nl.wikipedia.org/wiki/Warmtewisselaar6. http://nl.wikipedia.org/wiki/Koelkast 7. http://fluid.itcmp.pwr.wroc.pl/~zajaczkowski/files/RC_04.pdf 8. onze eigen meetingen

19

20