UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Merjenje energetskih karakteristik sušilnika perila z ločenim pogonom ventilatorja
Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa I. stopnje Strojništvo
Tomo Joković
Ljubljana, februar 2022
UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Merjenje energetskih karakteristik sušilnika perila z ločenim pogonom ventilatorja
Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa I. stopnje Strojništvo
Tomo Joković
Mentor: prof. dr. Marko Hočevar
Ljubljana, februar 2022
v
Zahvala
Iskreno se zahvaljujem mentorju dr. prof. Marku Hočevarju ter asistentu Mateju Sečniku za pomoč pri izdelavi diplomskega dela. Poleg tega bi se rad zahvalil še družini in prijateljem za podporo med študijem.
vi
vii
viii
ix
Izvleček
UDK 648.336:621.577:536.2(043.2) Tek. štev.: VS I/970
Merjenje energetskih karakteristik sušilnika perila z ločenim pogonom ventilatorja
Tomo Joković
Ključne besede: sušilni stroj toplotna črpalka kinematika perila prenos toplote
optimizacija sušilnega cikla
Zaradi visoke porabe električne energije električnih naprav in s tem povezanih stroškov se izdelovalci gospodinjskih aparatov, med drugim tudi sušilnih strojev, vedno bolj trudijo izboljšati njihovo učinkovitost s hkratnim zmanjšanjem porabe energije. Cilj diplomskega dela je bil izvesti in analizirati meritve sušenja perila na prototipu sušilnega stroja. Na podlagi rezultatov meritev smo želeli proces sušenja optimizirati. Iz desetih meritev smo pridobili najboljše rezultate pri meritvi z nastavljeno vrtilno frekvenco elektromotorja bobna 3000 obr/min ter vrtilno frekvenco elektromotorja ventilatorja 2700 obr/min (korigiran čas sušenja je bil v tem primeru 124,2 min in korigirana poraba električne energije 1,38 kWh) ter pri meritvi z nastavljeno vrtilno frekvenco elektromotorja bobna 3000 obr/min ter vrtilno frekvenco elektromotorja ventilatorja 2900 obr/min (korigiran čas sušenja je bil v tem primeru 122,6 min in korigirana poraba električne energije 1,36 kWh) in tako ugotovili, kateri so najboljši parametri delovanja elektromotorjev. Na podlagi teh dveh meritev smo nato poskusili opraviti optimizacijo sušilnega cikla. To smo izvedli tako, da smo vrtljaje elektromotorjev spreminjali glede na faze v sušilnem ciklu in tako poskusili izboljšati rezultate. Optimizacija se je izkazala za neuspešno, kar pripisujemo predvsem spremenjeni kinematiki perila v bobnu.
x
xi
Abstract
UDC 648.336:621.577:536.2(043.2) No : VS I/970
Measuring the energy performance of a tumble dryer with a separate fan drive
Tomo Joković
Key words: tumble dryer heat pump
clothes kinematics heat transfer
drying cycle optimisation
Due to high electricity consumption and the associated costs of household appliances, including tumble dryers, manufacturers are striving to increasingly improve efficiency by reducing energy consumption. The aim of the thesis was to execute and analyse measurements made on a prototype tumble dryer. Based on managed measurements we tried to optimize the drying process. From the ten made measurements, we obtained the best results in the measurement where the revolutions of the electric motor of the drum were set on 3000 rpm and the revolutions of the electric motor of the fan set at 2700 rpm (in this case the corrected time of drying was 124,2 min and the corrected electric consumption was 1,38 kWh) and the measurement where the revolutions of the electric motor of the drum were set on 3000 rpm and the revolutions of the electric motor of the fan set at 2900 rpm (in this case the corrected time of drying was 122,6 min and the corrected electric consumption was 1,36 kWh) thus obtained the best parameters for the operation of electric motors. Based on these two measurements, we then tried to perform the drying cycle optimization. We did this by changing the revolutions of electric motors according to phases in the drying cycle and thus trying to obtain better results. The optimisation was unsuccessful mainly due to the different laundry kinematics in the drum.
xii
xiii
Kazalo
Kazalo slik ... xv
Kazalo preglednic ... xvii
Seznam uporabljenih simbolov ...xix
Seznam uporabljenih okrajšav ...xxi
1 Uvod ... 1
1.1 Ozadje problema ...1
1.2 Cilji ...2
2 Teoretične osnove ... 5
2.1 Zgradba sušilnika perila...5
2.1.1 Toplotna črpalka ...6
2.1.1.1 Hladilno sredstvo ...6
2.1.1.2 Kondenzator in uparjalnik ...7
2.1.1.3 Dušilni element ...7
2.1.1.4 Kompresor ...8
2.1.2 Centrifugalni ventilator ...8
2.2 Parno-kompresijski cikel ...9
2.3 Prenos toplote ... 11
2.4 Kinematika perila v bobnu ... 12
2.5 Postopek sušenja perila ... 13
3 Metodologija raziskave ... 15
3.1 Opis eksperimentalne postaje ... 15
3.1.1 Toplotna črpalka ... 16
3.1.1.1 Hladilno sredstvo ... 16
3.1.1.2 Kompresor ... 16
3.1.2 Boben ... 17
3.1.3 Centrifugalni ventilator ... 18
3.1.4 Mikrokrmilnik Arduino ... 20
3.1.4.1 Reguliranje hitrosti vrtenja elektromotorja ventilatorja in bobna ... 22
xiv
3.2 Zajem podatkov in merilna oprema ... 22
3.2.1 Shema merilne postaje ... 22
3.2.2 Merilna oprema ... 24
3.2.2.1 Meritev temperatur in relativne vlažnosti ... 24
3.2.2.2 Meritve mas ... 25
3.3 Zajem in obdelava podatkov... 26
3.3.1 Preračuni ... 27
3.3.1.1 Električna energija ... 27
3.3.1.2 Čas sušilnega cikla... 28
3.3.1.3 Kondenzacijska učinkovitost... 29
3.4 Potek meritev... 29
3.4.1 Testno perilo ... 30
3.4.2 Postopek izvedbe eksperimenta ... 31
4 Rezultati in diskusija ...33
4.1 Rezultati vseh osnovnih meritev ... 33
4.1.1 Temperature ... 36
4.1.2 Relativna vlažnost ... 39
4.1.3 Električne moči ... 41
4.1.3.1 Električna moč ventilatorja ... 41
4.1.3.2 Električna moč elektromotorja bobna ... 43
4.1.3.3 Električna moč kompresorja... 44
5 Optimizacija...47
5.1 Meritve optimizacije ... 48
5.2 Rezultati optimizacije ... 49
5.2.1 Temperature ... 50
5.2.2 Relativna vlažnost ... 51
5.2.3 Električne moči ... 52
5.2.3.1 Električna moč ventilatorja ... 52
5.2.3.2 Električna moč elektromotorja bobna ... 52
5.2.3.3 Električna moč kompresorja... 53
5.2.3.4 Skupna električna moč ... 54
6 Zaključki ...55
Literatura...57
xv
Kazalo slik
Slika 1.1: Opremljenost gospodinjstev s sušilnimi stroji v Sloveniji [2] ...1
Slika 1.2: Struktura porabe energije v Sloveniji [3] ...2
Slika 2.1: Zgradba sušilnika perila [4] ...5
Slika 2.2: Lamelni prenosnik toplote [7] ...7
Slika 2.3: Idealni parno-kompresijski cikel [9] ...9
Slika 2.4: Parno-kompresijski cikel z osnovnimi točkami v log p-h diagramu [10] ... 10
Slika 2.5: Realni parno-kompresijski cikel v log p-h diagramu [10] ... 10
Slika 2.6: Prevod toplote skozi steno [4] ... 11
Slika 2.7: Konvektivni prenos toplote [4] ... 12
Slika 2.8: Kinematika perila v bobnu [4] ... 13
Slika 2.9: Krivulja konvenktivnega sušenja perila [4] ... 13
Slika 2.10: Shema sušilnega stroja [11] ... 14
Slika 3.1: Slika prototipa sušilnega stroja ... 15
Slika 3.2: Podnožje sušilnega stroja s toplotno črpalko ... 16
Slika 3.3: Rotacijski kompresor ... 17
Slika 3.4: Boben in elektromotor v sušilnem stroju ... 18
Slika 3.5: Ventilator z ohišjem ... 19
Slika 3.6: Karakteristika ventilatorja z naprej zavitimi lopaticami [14]... 19
Slika 3.7: Arduino mikrokrmilnik ... 21
Slika 3.9: Shema merilne postaje [10] ... 23
Slika 3.10: Postavitev zaznavala ... 25
Slika 3.11: Merjenje mase kondenzata ... 25
Slika 3.12: Računalniški prikaz zajema podatkov ... 26
Slika 3.13: Celotna merilna proga ... 26
Slika 3.14: Zloženo testno perilo v bobnu ... 30
Slika 4.1: Krivulje vstopnih in izstopnih temperatur pri meritvah 1, 2 in 3 pri nastavljeni vrtilni frekvenci elektromotorja bobna 2700 obr/min ... 37
Slika 4.3: Krivulje vstopnih in izstopnih temperatur pri meritvah 7, 8 in 9 ... 37
Slika 4.2: Krivulje vstopnih in izstopnih temperatur pri meritvah 4, 5, 6 in 10 pri nastavljeni vrtilni frekvenci elektromotorja bobna 3000 obr/min ... 37
Slika 4.4: Krivulje vstopnih in izstopnih relativnih vlažnosti pri meritvah 1, 2 in 3 z nastavljeno vrtilno frekvenco elektromotorja bobna 2700 obr/min ... 39
Slika 4.5: Krivulje vstopnih in izstopnih relativnih vlažnosti pri meritvah 4, 5, 6 in 10 z nastavljeno vrtilno frekvenco elektromotorja bobna 3000 obr/min ... 40
Slika 4.6: Krivulje vstopnih in izstopnih relativnih vlažnosti pri meritvah 7, 8 in 9 z nastavljeno vrtilno frekvenco elektromotorja bobna 3300 obr/min ... 40
Slika 4.7: Krivulje moči elektromotorja ventilatorja pri meritvah 1, 2 in 3 ... 42
Slika 4.8: Krivulje moči elektromotorja ventilatorja pri meritvah 4, 5, 6 in 10 ... 42
Slika 4.9: Krivulje moči elektromotorja ventilatorja pri meritvah 7, 8 in 9 ... 43
xvi
Slika 4.10: Krivulje moči elektromotorja bobna pri meritvah 1, 2 in 3 ... 43
Slika 4.11: Krivulje moči elektromotorja bobna pri meritvah 4, 5, 6 in 10 ... 44
Slika 4.12: Krivulje moči elektromotorja bobna pri meritvah 7, 8 in 9 ... 44
Slika 4.13: Krivulje moči kompresorja toplotne črpalke pri meritvah 1, 2 in 3 ... 45
Slika 4.14: Krivulje moči kompresorja toplotne črpalke pri meritvah 4, 5, 6 in 10... 45
Slika 4.15: Krivulje moči kompresorja toplotne črpalke pri meritvah 7, 8 in 9 ... 46
Slika 5.1: Krivulja vstopne in izstopne relativne vlažnosti pri meritvama 5 in 6 ... 47
Slika 5.2: Krivulje vstopnih in izstopnih temperatur pri meritvah 6, 11 in 12 ... 51
Slika 5.3: Krivulje vstopnih in izstopnih relativnih vlažnosti pri meritvah 6, 11 in 12 ... 51
Slika 5.4: Krivulje moči ventilatorja pri meritvama 11 in 12 ... 52
Slika 5.5: Krivulje moči elektromotorja bobna pri meritvah 6, 11 in 12 ... 53
Slika 5.6: Krivulje moči kompresorja toplotne črpalke pri meritvah 6, 11 in 12 ... 53
Slika 5.7: Skupna električna moč v odvisnosti od časa pri meritvah 6, 11 in 12... 54
xvii
Kazalo preglednic
Preglednica 3.1: Podatki elekromotorja bobna ... 17
Preglednica 3.2: Podatki elektromotorja ventilatorja [15]... 20
Preglednica 3.3: Podatki merilne opreme [17], [18], [19]. ... 24
Preglednica 3.4: Dovoljene vsebnosti vlage pred sušenjem [20]. ... 28
Preglednica 3.5: Dovoljene vsebnosti vlage po sušenju [20]. ... 28
Preglednica 3.6: Nastavljena vrtilna frekvenca elektromotorjev ... 29
Preglednica 4.1: Rezultati meritev 1, 2 in 3 ... 34
Preglednica 4.2: Rezultati meritev 4, 5, 6 in 10 ... 35
Preglednica 4.3: Rezultati meritev 7, 8 in 9 ... 36
Preglednica 5.1: Parametri prve optimizacije ... 48
Preglednica 5.2: Parametri druge optimizacije ... 49
Preglednica 5.3: Rezultati optimizacije in primerjava meritvijo 6 ... 49
xviii
xix
Seznam uporabljenih simbolov
Oznaka Enota Pomen
A E h K k L P Q T v m ΔT µ
m2 Wh W/(m2k)
% W/(mK) m W J
°C m s-1 kg
°C
%
površina energija
povprečna toplotna prestopnost kondenzacijska učinkovitost faktor toplotne prevodnosti dolžina
moč toplota temperatura hitrost masa
temperaturna razlika vsebnost vlage Indeksi
0 f f0 i i0 k m p zr
zahtevana navlažena dejanska končna končna nominalna dejanska začetna začetna nominalna kondenzat
merjen perilo zrak
xx
xxi
Seznam uporabljenih okrajšav in kratic
Okrajšava Pomen
AC izmenični električni tok (angl. Alternating Current)
ASHRAE Ameriško združenje inženirjev za ogrevanje, hlajenje in klimatizacijo (angl. American Society of Heating, Refrigerating and A-C
Engineeers) DC
obr
enosmerni električni tok (angl. Direct current) obrati
EEPROM električni izbrisljiv programirljiv bralni pomnilnik (angl. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)
GWP potencial za globalno segrevanje (angl. global warming potential) ICSP serijsko programiranje vezja (angl. In Circuit Serial Programming) PID proporcionalno integralno diferencialno
PWM pulzna širinska modulacija (angl. Pulse width modulation) RAM bralno pisalni pomnilnik (angl. Random Access Memory)
SRAM statični bralno pisalni pomnilnik (angl. Static random access memory) USB univerzalno serijsko vodilo (angl. Universal serial bus)
xxii
1
1 Uvod
1.1 Ozadje problema
Z vedno hitrejšim načinom življenja se vedno bolj poslužujemo naprav, ki nam lajšajo vsakodnevna opravila. Ena izmed teh naprav je sušilni stroj. Vedno bolj se odmikamo od tradicionalnega sušenja, bodisi zaradi pomanjkanja prostora, časa ali zaradi praktičnosti ter tudi njegovih slabosti (npr. nezmožnost sušenja zaradi neugodnega vremena). Tradicionalno sušenje tako vedno bolj nadomeščajo sodobne sušilne naprave.
V EU je bilo v letu 2020 prodanih 5.32 milijonov sušilnih strojev, trendi pa kažejo na nadaljnjo rast prodaje [1]. Slika 1.1: Opremljenost gospodinjstev s sušilnimi stroji v Sloveniji predstavlja odstotek opremljenosti gospodinjstev s sušilnimi stroji v Sloveniji [2].
Slika 1.1: Opremljenost gospodinjstev s sušilnimi stroji v Sloveniji [2]
Uvod
2
Kot je razvidno iz Slika 1.1: Opremljenost gospodinjstev s sušilnimi stroji v Sloveniji , je krivulja opremljenosti gospodinjstev z gospodinjskimi aparati naglo rastoča. Zaradi njihovega rastočega števila pa posledično vsi ti aparati porabijo vedno več energije.
Slovenska gospodinjstva na leto porabijo okoli 3200 GWh, sušilni stroji pa kar 2 % celotne letne porabe, torej 64 GWh, kot je prikazano na Slika 1.2: Struktura porabe energije v Sloveniji .
Slika 1.2: Struktura porabe energije v Sloveniji [3]
Prvi in najosnovnejši sušilni stroji so odzračevalni. Ti imajo odprt sistem, kar pomeni, da za sušenje perila zajemajo zrak iz okolice. Ta zrak se s pomočjo električnega grelca segreje in vpihne v boben. Vlažen zrak je nato spuščen nazaj v okolico. Malo bolj napredni so kondenzacijski sušilni stroji. Pri teh zrak kroži v zaprtem prostoru in za sušenje uporablja prenosnik toplote. Tako odzračevalni kot kondenzacijski sušilni stroj spadata v kategorijo konvencionalnih sušilnih strojev, za katere velja, da imajo slabo energetsko učinkovitost. V zadnjem obdobju se povečuje prodaja sušilnih strojev z vgrajeno toplotno črpalko. Prednost takega stroja je, da ni potrebe po električnem grelcu, ki je energetsko zelo potraten in zrak v stroju z vgrajeno toplotno črpalko lahko kroži v zaprtem sistemu. Slabost pa je uporaba hladiv v toplotnih črpalkah, ki so lahko okoljsko škodljiva [4].
1.2 Cilji
Da bi razumeli, kako se lotiti energetske optimizacije sušilnega stroja s toplotno črpalko in kaj sploh vpliva na njegovo delovanje, smo se najprej sprehodili skozi teoretične osnove in zakonitosti, na katerih deluje. V nadaljevanju naloge bomo opisali merilno progo in prototip sušilnega stroja s toplotno črpalko, ki ima za razliko od navadnih sušilnih strojev ločen pogon ventilatorja. To nam omogoča več raziskav in posledično nastavitev, s katerimi lahko izboljšamo čas sušenja in zmanjšamo porabo električne energije.
Glavni cilj diplomske naloge je zasnova merilne postaje, ki omogoča merjenje električne moči vseh porabnikov električne energije sušilnega stroja ter vstopne in izstopne vrednosti vlažnosti in temperature. Merilno postajo smo postavili na prototip sušilnega stroja in
Uvod
3 opravili meritve z nastavljeno konstantno vrtilno frekvenco elektromotorja bobna in ventilatorja, da smo dobili osnovno bazo podatkov. Na podlagi dobljenih meritev smo se odločali, v katero smer bo potekala optimizacija in jo nato tudi izvedli.
Uvod
4
5
2 Teoretične osnove
Za razumevanje delovanja sušilnega stroja moramo najprej predstaviti zgradbo sušilnika perila s toplotno črpalko in razložiti osnovne zakonitosti procesov, ki se med sušenjem odvijajo. V teoretičnem delu bodo pojasnjene osnove parno-kompresijskega cikla, na osnovi katerega delujejo toplotna črpalka, prenos toplote, ki se odvija v bobnu in prenosniku toplote ter kinematika perila.
2.1 Zgradba sušilnika perila
Slika 2.1: Zgradba sušilnika perila [4]
Teoretične osnove
6
Sušilni stroji s toplotno črpalko, ki so danes na voljo na trgu so sestavljeni iz komponent, ki so predstavljene na Slika 2.1: Zgradba sušilnika perila.
Oznaka (a) označuje centrifugalni ventilator s svojim ohišjem, ki služi za zagotavljanje pretoka zraka skozi zaprti sistem v sušilnem stroju. Oznaka (b) označuje boben, v katerem se perilo vrti in suši. Boben ima tudi filter za vlakna, ki se nahaja v notranjem delu bobna in služi za zaustavljanje kosov vlaken iz perila, da se ne pomešajo v zračni tokokrog. Boben in ventilator sta v klasičnih sušilnih strojih gnana z enim elektromotorjem, na sliki predstavljenim z oznako (c), preko gredi in jermenskega prenosa moči. To predstavlja tudi edino razliko med prototipom, na katerem je osnovano diplomsko delo, saj je v našem primeru pogon bobna in ventilatorja zagotovljen z dvema elektromotorjema. Glavna komponenta sušilnega stroja je toplotna črpalka, ki je poleg elektromotorja nameščena v podnožje sušilnega stroja. Sestavljajo jo rotacijski kompresor, na sliki označen z oznako (d), lamelni prenosnik toplote (en del prenosnika je kondenzator, drugi pa uparjalnik), na sliki označen z oznako (e) in kapilarna cev, ki je uporabljena kot dušilni element. Oznaka (f) predstavlja ventilator, ki zagotavlja hlajenje toplotne črpalke, pred njim pa se nahaja evaporacijski filter, ki je sestavljen iz mrežice in penastega filtra. Ta filter preprečuje vdor prašnih delcev v sušilni stroj [4].
2.1.1 Toplotna črpalka
Toplotna črpalka je naprava, ki preko vnesenega dela črpa toploto iz območja z nižjo temperaturo v območje z višjo temperaturo. Njen glavni namen je ogrevanje in deluje na principu parno kompresijskega cikla. Toploto prenaša s pomočjo vnesenega mehanskega dela, ki ga zagotavlja kompresor [5]. Sestavljena je iz lamelnega prenosnika toplote, ki zajema uparjalnik in kondenzator, kompresorja in kapilarne cevi.
2.1.1.1 Hladilno sredstvo
Izkoristki parno-kompresijskih sistemov so močno odvisni od uporabljenega hladilnega sredstva in njihovih termodinamskih lastnosti. Pomembna je izbira hladilnega sredstva glede na zahteve, pri tem pa moramo biti pozorni na naslednje lastnosti:
1. tlak v uparjalniku mora biti nad atmosferskim tlakom (tako preprečimo vdor vlage v obtok),
2. tlak v kondenzatorju mora biti zmeren,
3. kritična temperatura ne sme biti preblizu temperaturi kondenzacije, 4. velika uparjalna toplota (s tem povečamo hladilni učinek),
5. velika specifična masa pare,
6. snov ne sme biti gorljiva ali strupena [6].
Teoretične osnove
7 2.1.1.2 Kondenzator in uparjalnik
Glavna naloga lamelnega prenosnika toplote je sušenje in razvlaževanje delovnega medija, torej prenos toplote med hladivom toplotne črpalke in zrakom, ki ga uporabljamo za sušenje.
Kondenzator in uparjalnik sta elementa v lamelnem prenosniku toplote, ki je največji del toplotne črpalke. Lamelni prenosnik toplote je sestavljen tako (Slika 2.2), da bakrene cevi, po katerih teče hladivo, prebadajo lamele, med katerimi potuje delovni medij sušilnega stroja. Tokovi delovnih medijev, torej zraka in hladiva, tečejo pravokotno eden na drugega, kar imenujemo tudi prenosnik toplote s križnim tokom. Glavna razlika med uparjalnikom in kondenzatorjem je razdalja med lamelami, kjer ima uparjalnik med lamelami večje razdalje, zato da kapljevina, ki se skondenzira na lamelah, lažje odteka, razdalje med lamelami v kondenzatorju pa so manjše.
Slika 2.2: Lamelni prenosnik toplote [7]
Pregreta para iz kompresorja pri tlaku kondenzacije vstopa v kondenzator in se nato ohladi do temperature rosišča in takrat nastopi kondenzacija. Ko se hladivo spremeni iz plinastega v kapljevito agregatno stanje, odda toploto in tako se zrak, ki gre med lamelami, segreva.
Prenos toplote se zgodi zaradi spremembe faznega stanja in ne zaradi temperaturne razlike.
Ko se porabi kondenzacijska toplota, pride do podhladitve, s katero dosežemo, da je hladivo na vstopu v dušilni element (kapilarno cev) v kapljevitem stanju. Priporočeno območje podhladitve je 3–5 °C. Iz dušilnega elementa nato hladivo izstopa kot zmes kapljevine in pare, kjer se delež pare postopoma povečuje, dokler se ne porabi celotna uparjalna toplota in hladivo v celoti preide v plinasto agregatno stanje. Temu sledi pregretje (velikosti nekje 5 °C) in tako zagotovimo, da hladivo v kompresor vstopi v plinastem stanju (para) ter tako preprečimo poškodbe kompresorja. Zrak, ki potuje med lamelami uparjalnika, se ohlaja, saj je njegova vstopna temperatura višja od temperature lamele [7].
2.1.1.3 Dušilni element
Dušilni element, kot že njegovo ime pove, je zadolžen za dušenje hladiva, kar pomeni, da se v njem hladivu sunkovito znižata tlak in temperatura. Hladivo pride iz kondenzatorja v dušilni element z visoko temperaturo in tlakom. Ko pa gre v uparjalnik, je v nasičenem stanju (mešanica kapljevine in pare).
Teoretične osnove
8
V glavnem se uporabljajo trije dušilni elementi, in sicer: kapilare, termostatski ventili in elektronski ekspanzijski ventili. Kapilare so navadno uporabljene v manjših enotah hladilnikov in klimatskih naprav. V bistvu so kapilare bakrene cevi in so najcenejša oblika dušilnega elementa, kjer dušenje zagotavlja njihova geometrija. Kapilara mora biti izvedena v kombinaciji s termostatom. Oblika in premer cevi je določena na podlagi lastnosti uparjalnika in kondenzatorja (v našem primeru lamelnega prenosnika) in kompresorja [7].
2.1.1.4 Kompresor
Kompresor je glavni sestavni element toplotne črpalke. Zagotavlja prečrpavanje hladiva na višji tlačni nivo in zato porablja električno energijo. Je največji porabnik električne energije v sušilnem stroju.
V toplotnih črpalkah se najpogosteje uporabljajo hermetično zaprti izrivni kompresorji. To so rotacijski, batni, spiralni in vijačni kompresorji. Da so hermetično zaprti pomeni, da je njihovo ohišje zavarjeno in tako je servisiranje onemogočeno, vendar je s tem onemogočeno tudi uhajanje hladiva. Ko se tak tip kompresorja okvari, je potrebna zamenjava z novo enoto.
Glavne karakteristike kompresorja so: kompresijsko razmerje, hladilna moč in volumska moč. Zaželeno je, da kompresor ni glasen in da ga je enostavno regulirati. Še posebej pomembna kriterija pri hermetično zaprtih kompresorjih pa sta zanesljivost in življenjska doba ter posledično cenovna dostopnost, saj ga je ob okvari potrebno zamenjati.
Batni kompresorji so sestavljeni iz cilindra in bata, s katerima tlačijo delovno snov.
Hermetični batni kompresorji so popolnoma ločeni od okolice in v ohišje dostopa le prenos električne energije za pogon elektromotorja, ki poganja bat. Toplota, ki jo proizvaja elektromotor, ogreva hladivo, kar je pri toplotni črpalki zaželeno.
Rotacijski kompresorji pa imajo, za razliko od batnih, spreminjajoč delovni prostor. Gred kompresorja je postavljena ekscentrično glede na bat, ki se vrti v valju. Vrtenje bata povzroči kompresijo in sesanje hladiva, bat pa tudi ločuje sesalno in kompresijsko komoro v valju.
Rotacijski kompresorji imajo visoko učinkovitost, saj potekata sesanje in kompresija istočasno. Omejeni so z manjšim volumnom hladiva in posledično dosegajo manjše tlačne razlike. So pa cenovno zelo ugodni in imajo malo premikajočih se delov, kar rezultira v večji življenjski dobi in zanesljivosti [5], [7], [8].
2.1.2 Centrifugalni ventilator
Za pretok zraka je zadolžen centrifugalni ventilator, ki predstavlja turbinski stroj, le-ta pa pretvarja mehansko delo v kinetično in potencialno energijo zraka. Zrak v ventilator vstopa v aksialni smeri, izstopa pa v radialni. Elektromotor, ki ga poganja, mora omogočati pravilno delovanje ventilatorja v zahtevanih delovnih točkah. Kljub nizkemu aerodinamskem izkoristku, so taki ventilatorji pogosto uporabljeni v sistemih kot so sušilni stroji in so zaradi nizkega stroška izdelave relativno majhni in niso hrupni [4].
Centrifugalni ventilatorji proizvedejo energijo v obliki hitrosti zraka in malo tlaka, zato so ugodni za sušilne stroje, saj potrebujemo v procesu sušenja velike pretoke zraka.
Teoretične osnove
9
2.2 Parno-kompresijski cikel
Parno-kompresijski cikel je krožni proces, ki zajema štiri osnovne komponente kot je prikazano na Slika 2.3. Kompresor služi za kompresijo hladiva od nizkega tlaka in temperature do visokega tlaka, kar vodi do višje temperature. Pri visokem tlaku je toplota odvedena v kondenzator, kjer hladivo kondenzira in preide iz pare v nasičeno paro in nato v kapljevino. Ko hladivo pri visokem tlaku vstopi v ekspanzijski element, tam ekspandira, posledično se tlak in temperatura hitro znižata. Nato hladivo vstopi v uparjalnik, kjer mu je dovedena toplota iz okolice – posledica je uparjanje hladiva [9].
Slika 2.3: Idealni parno-kompresijski cikel [9]
Na Slika 2.4 je prikazan idealen parno-kompresijski cikel z osnovnimi točkami, ki si sledijo:
• 1–2 (Izentropna kompresija) Kompresija hladiva: iz uparjalnika kompresor sprejme uparjeno hladivo in mu z zmanjšanjem volumna poviša tlak in temperaturo.
• 2–3 (Izobaren odvod toplote) Kondenzacija hladiva: Uparjeno hladivo relativno z zvišanim tlakom in temperaturo vstopi v kondenzator, kjer odda toploto in kondenzira.
• 3–4 (Izentalpno dušenje) Ekspanzija hladiva: Kapljevito hladivo, ki ima visok tlak, vstopi v ekspanzijski element, kjer se pri konstantni entalpiji znižata temperatura in tlak. Iz ekspanzijskega elementa hladivo izstopi v obliki nasičene pare oziroma večinoma v kapljevinastem stanju.
• 4–1 (Izobaren dovod toplote) Uparjanje hladiva: Hladivo z relativno nizkim tlakom in temperaturo sprejme toploto iz okolja in se posledično upari. V kompresor nato ponovno vstopi v stanju nasičene pare [10].
Teoretične osnove
10
Slika 2.4: Parno-kompresijski cikel z osnovnimi točkami v log p-h diagramu [10]
Dejanski parno-kompresijski cikel se razlikuje od idealnega. Idealen parno-kompresijski cikel je pomemben za razumevanje teoretične osnove delovanja hladilnega cikla, vendar ga je nemogoče izvesti. Pri realnih procesih pride do izgub toplote v okolje ter tlačnih izgub v kondenzatorju in uparjalniku.
Razlike so prikazane na Slika 2.5.
Slika 2.5: Realni parno-kompresijski cikel v log p-h diagramu [10]
Področje A obstaja zato, ker v idealnem ciklu hladivo v kompresor vstopa in izstopa kot nasičena para, vendar ga moramo zaradi preprečitve hidravličnega udara pregrevati v kompresorju. To dosežemo z regulacijo ekspanzijskega elementa ali pravilno zasnovano kapilaro.
V dejanskem ciklu je adiabatna in povračljiva kompresija hladiva neizvedljiva, saj imamo izgube toplote v okolico. Pri izhodnem tlaku pa moramo s podhladitvijo (območje B)
Teoretične osnove
11 zagotoviti, da hladivo v dušilni element vstopi v kapljevitem stanju in tako pravilno reguliramo dušilni element ter dobimo optimalno delovanje cikla. Na izstopu iz dušilnega elementa je hladivo v nasičenem stanju. Glavne razlike so, da je idealen proces povračljiv in adiabaten, pri realnem procesu pa je prisoten tudi vpliv trenja, ki poviša entropijo in prenos toplote [10].
2.3 Prenos toplote
Pri sušenju perila s sušilnim strojem se odvija prenos toplote v obliki prevoda in konvekcije.
Prevod toplote je mehanizem prenosa toplote skozi snov, ki je posledica temperaturne razlike. Na Slika 2.6 je prikazan prevod toplote skozi steno. Temperaturna razlika v delcih snovi povzroči prenos energije (toplote) med nosilci energije (npr. atomi, prosti elektroni, molekule).
Slika 2.6: Prevod toplote skozi steno [4]
Prevod toplote je določen z enačbo (2.1)
𝑸 = 𝐤 ∗ 𝐀 ∗ (𝚫𝐓
𝐋 ) (2.1),
kjer je k faktor toplotne prevodnosti, ki popisuje lastnosti materiala, skozi katerega se toplota prevaja, A predstavlja površino in L širino stene, preko katere se toplota prevaja. V tankih tkaninah perila je temperaturna razlika majhna, zato se temperaturni gradient zanemari in prevod toplote pri sušenju perila z vročim zrakom ni posebej obravnavan.
Konvekcija je mehanizem prenosa toplote, kjer se toplota prenaša iz enega telesa na drugega oz. iz telesa na fluid zaradi gibanja fluida. V našem primeru je fluid vroč zrak. Zrak ima hitrost vzr in temperaturo Tzr, perilo pa ima površino Ap in temperaturo Tp. Prenos toplote se
Teoretične osnove
12
zgodi, ker se razlikujeta temperaturi Tzr in Tp. Pri konvektivnem prenosu toplote pri sušenju perila govorimo o povprečni toplotni prestopnosti. Ta je odvisna od geometrije površine tkanine (ki je v bobnu precej zapletena, še posebej, ko je prisoten še vpliv kinematike perila med vrtenjem) in tokovnih razmer. Konvektivni prenos toplote je definiran z enačbo 2.2, kjer h predstavlja povprečno toplotno prestopnost, in prikazan na Slika 2.7, kjer dAp predstavlja spremenljivo površino perila.
𝑸 = 𝐡 ∗ 𝐀𝐩∗ (𝐓𝐳𝐫− 𝐓𝐩) (2.2)
Tokovne razmere nam popiše Reynoldsovo število, ki je odvisno tudi od hitrosti zraka in predstavlja razmerje med viskoznostnimi in vztrajnostnimi silami.
Slika 2.7: Konvektivni prenos toplote [4]
Lahko bi rekli, da je perilo v bobnu kompleksna struktura, zato je določanje toplotne prestopnosti najbolj zanesljivo z eksperimenti [4].
2.4 Kinematika perila v bobnu
Poleg prenosa toplote je kinematika perila v bobnu ključna za proces sušenja. Je funkcija mase perila in hitrosti bobna, odvisna pa je od dimenzij bobna in njegove vrtilne frekvence, oblike lopatic v bobnu, števila teh lopatic, gravitacije ter vrste in velikosti perila. Cilj lopatic je zagotoviti čim bolj enakomerno razporejenost perila po bobnu. Tako preprečimo nabiranje perila na eni strani bobna in pomanjkanje perila na drugi in proces sušenja je tako bolj enakomeren. Temu pripomore tudi senzor proti vozlanju perila.
S hitrostnimi polji v bobnu lahko razumemo, kje se perilo zgoščuje med sušenjem. Slika 2.8 prikazuje porazdelitev perila med vrtenjem bobna.
Teoretične osnove
13 Slika 2.8: Kinematika perila v bobnu [4]
Iz Slika 2.8 je razvidno, da se vrtilna hitrost veča v smeri vrtenja perila zaradi tangencialne sile in gravitacije. V spodnjem levem kotu je kopičenje perila večje, na desnem delu pa ga je manj. Nivo sivine nam pove, kje je večja gostota perila – tam, kjer je bolj svetlo, je gostota perila večja, tam, kjer je bolj temno, pa je manjša. Pri večjih polnitvah sušilnega stroja je porazdeljenost perila bolj homogena in bolj enakomerno zapolni celotni volumen bobna. Ker se perilo med sušenjem razteza, je površina stika med perilom in zrakom še večja. Tako pride do boljše poti zračnega toka in to vodi do ugodnih razmer za sušenje [4].
2.5 Postopek sušenja perila
Pri sušenju perila s toplotno črpalko perilu vlago odvzemamo s konvektivnim sušenjem z vročim zrakom, katerega pretok zagotavlja radialni ventilator. Slika 2.9 predstavlja krivuljo konvektivnega sušenja perila s toplotno črpalko.
Slika 2.9: Krivulja konvenktivnega sušenja perila [4]
Teoretične osnove
14
V začetni fazi A se perilo segreva, kjer je hitrost sušenja relativno majhna. V fazi B je perilo že segreto in hitrost sušenja se poveča na maksimalno, kar se tudi ohrani do konca. Sprva se vlaga odvzema le s površine perila, nato pa se vsebnost vlage v perilu zniža do kritične točke, od te naprej pa se hitrost sušenja začne nižati. Tok vlage iz notranjosti na površino se počasi zmanjšuje in s tem je površina manj nasičena, kar pomeni padec hitrosti sušenja. Zadnji dve fazi sta fazi znižane hitrosti sušenja, kjer prevladujejo notranji vplivi, kot so prenos vlage in energije v perilu. Večina vlage je perilu odvzeta v fazi konstantne hitrosti sušenja (B), ampak na celoten čas sušenja lahko močno vpliva faza padajoče hitrosti sušenja, še posebej v primeru, ko je ciljna vsebnost vlage v perilu veliko nižja od kritične vrednosti [4].
Medij, ki opravlja sušenje, je zrak, njegov cilj pa je, da sprejme čim več vlage. Toplotna črpalka zagotavlja visoko temperaturo sušilnega zraka in ga tudi razvlažuje, ko opravi cikel skozi perilo oz. boben. Zrak se razvlaži tako, da gre skozi lamelni prenosnik toplote (uparjalnik), kjer se pojavi kondenzacija vode na lamelah.
Slika 2.10: Shema sušilnega stroja [11]
Od stanja 1 do stanja 2 na Slika 2.10 poteka sušenje perila v bobnu. Segreti zrak z visoko temperaturo, ki prihaja iz kondenzatorja toplotne črpalke ima nizko vlažnost in vstopa v boben, kjer se ob stiku s perilom ohladi in ima na izstopu iz bobna zelo visoko relativno vlažnost (skoraj 100 %). Nato zrak potuje skozi uparjalnik, kjer se ohladi in razvlaži (tukaj dobimo tudi kondenzat vodne pare). Od stanja 3 do stanja 1 poteka proces segrevanja preko kondenzatorja toplotne črpalke, kjer se absolutna vlažnost zraka ne spremeni [10].
15
3 Metodologija raziskave
3.1 Opis eksperimentalne postaje
Eksperimentalna postaja je bila zasnovana za namen opravljanja meritev porabe električne energije vseh električnih porabnikov ter vstopnih in izstopnih vrednosti vlažnosti in temperatur zraka. Osnova postaje je sušilni stroj Asko s toplotno črpalko in ločenim pogonom radialnega ventilatorja, ki je prikazan na Slika 3.1.
Slika 3.1: Slika prototipa sušilnega stroja
Metodologija raziskave
16
3.1.1 Toplotna črpalka
Toplotna črpalka, uporabljena v prototipu, je model TD 85PROF in je prikazana na Slika 3.2: Podnožje sušilnega stroja s toplotno črpalko ima rotacijski kompresor model GMCC RJSN118 SP/K-A-16 in prenosnik toplote TC SP-13-1. Polnjena je s hladilnim plinom R450a mase 0,51 kg [12].
Slika 3.2: Podnožje sušilnega stroja s toplotno črpalko
3.1.1.1 Hladilno sredstvo
Uporabljeno hladilno sredstvo je R450a in je zmes fluoroogljikovodika R134a in hidrofluoroolefina R1234ze. Po standardu ASHRAE spadata v varnostni razred A1 kar pomeni, da sta nestrupena in nevnetljiva. Hladivo R450a je nadomestilo za R134a, ki ponuja podobne zmogljivosti kot R134a, vendar ima manj negativnega vpliva na ozonsko plast ter ima GWP faktor (Global warming potential – faktor globalnega segrevanja) manjši za 60 % [12], [13].
3.1.1.2 Kompresor
V prototipu je bil uporabljen rotacijski kompresor, ki ima, kot že omenjeno v poglavju 2, visoko učinkovitost in je cenovno dostopnejši. Poleg tega ima malo premikajočih se delov, kar rezultira v večji življenjski dobi in zanesljivosti. Slika 3.3 prikazuje rotacijski kompresor, uporabljen v obravnavanem prototipu sušilnega stroja.
Metodologija raziskave
17 Slika 3.3: Rotacijski kompresor
3.1.2 Boben
Boben je največji element sušilnega stroja (Slika 3.4). Preko jermenskega gonila ga poganja elektromotor, ki je na osnovni plošči stroja pozicioniran poleg toplotne črpalke. V bobnu se odvija sušenje. Pomembne so njegove geometrijske lastnosti, saj vplivajo na kinematiko perila med sušenjem. Prav tako je pomembna vrtilna frekvenca bobna, ki jo zagotavlja elektromotor in število delitvenih lopatic, ki jih ima boben. V našem primeru ima boben dve delitveni lopatici. Vrtilna frekvenca elektromotorja bobna, ki smo jo nastavljali, je bila v razponu od 2700–3300 vrtljajev na minuto (vrtljaji samega bobna so v tem primeru od 52 do 63 obratov na minuto). Elektromotor, ki poganja boben, je model TA0200 proizvajalca Askoll. Le-ta je preprogramiran in krmilimo ga s kartico arduino, in sicer preko heksadecimalnih stringov, s katerimi mu sporočimo želeno vrtilno frekvenco. V Preglednica 3.1 so podani podatki elektromotorja bobna.
Preglednica 3.1: Podatki elekromotorja bobna Askoll TA 0200
Nominalna napetost 220-240 V
Frekvenca 50-60 Hz
Vrtilna frekvenca 3300 vrt/min
Moč 240 W
Tok 1.6 A
Metodologija raziskave
18
Slika 3.4: Boben in elektromotor v sušilnem stroju
3.1.3 Centrifugalni ventilator
Centrifugalni ventilator, uporabljen v prototipu, je na hrbtni strani sušilnega stroja nameščen na posebno ohišje, ki zagotavlja primeren pretok zraka. V našem primeru je vodilnik oranžno ohišje (Slika 3.5), ki mora s svojo geometrijsko obliko zagotavljati optimalen iztok zraka iz bobna in vtok v ventilator [10].
Metodologija raziskave
19 Slika 3.5: Ventilator z ohišjem
Uporabljen ventilator je sestavljen iz elektromotorja in kovinskega rotorja, ki ima naprej zavite lopatice. Ti imajo pri majhnih pretokih nestabilno področje delovanja, kjer se pojavi porast tlaka. Imajo nizek hidravlični izkoristek (predstavlja razmerje med hidravlično in mehansko močjo na gredi ventilatorja).
Slika 3.6: Karakteristika ventilatorja z naprej zavitimi lopaticami [14]
Slika 3.6 predstavlja tipično karakteristiko ventilatorjev z naprej zavitimi lopaticami. Na sliki je prikazan diagram statičnega tlaka v odvisnosti od pretoka. Značilnost takih ventilatorjev je, da imajo desno od lokalnega ekstrema na krivulji statičnega tlaka stabilno področje delovanja, levo pa nestabilno. Delovanju v nestabilnem področju se poskušamo izogniti, saj se tam pojavi kroženje zraka v ventilatorju samem in tako ne dobimo ustreznega pretoka [14].
Metodologija raziskave
20
Vrtilno frekvenco elektromotorja ventilatorja smo regulirali z uporabo strojne in programske opreme Arduino, v kateri smo razvili PID krmilnik, ki regulira vrtljaje preko krmiljenja napetosti. Vrednosti minimalne in maksimalne napetosti se gibljejo med 1,7 V in 10 V. Preko tega smo določili minimalno in maksimalno frekvenco delovanja ventilatorja. Elektromotor, ki poganja ventilator, je R3G160-AD52-01 proizvajalca EBM-papst Mulfingen GmbH & Co. V Preglednica 3.2 so podani podatki elektromotorja ventilatorja.
Preglednica 3.2: Podatki elektromotorja ventilatorja [15].
Ebm-papst R3G160-AD52-01
Nominalna napetost 230 V
Frekvenca 50/60 Hz
Vrtilna frekvenca 2870 vrt/min
Moč 170 W
Tok 1,2 A
3.1.4 Mikrokrmilnik Arduino
Cilj diplomske naloge je optimizacija delovanja sušilnega stroja z ločenim pogonom ventilatorja, torej je vrtilna frekvenca elektromotorja ventilatorja eden izmed glavnih faktorjev optimizacije. Vrtilno frekvenco elektromotorja ventilatorja na našem prototipu reguliramo preko mikrokrmilnika arduino in z uporabo arduino programske opreme. V programu smo zasnovali PID krmilnik, ki preko regulacije napetosti nastavlja vrtljaje elektromotorja.
Arduino je odprtokodno razvojno okolje italijanskega proizvajalca. Razvojna ploščica je sestavljena iz mikrokrmilnika družine Atmel ter nekaj nujnih elementov in je tako pripravljena za pričetek z delom.
Uporabljena kartica je model Ardouino mega 2560 (Slika 3.7), ki je mikroračunalnik v elektronskem vezju, zasnovanem na 8-bitnem mikrokrmilniku. Ima 54 digitalnih vhodno- izhodnih enot (od katerih se jih 15 lahko uporablja kot PWM izhode) in 16 analognih vhodno-izhodnih enot, 16 MHz kristalni oscilator, USB vhod, gumb za ponastavitev, vhod za napajanje in priključek ICSP (In circuit serial programing). Model mega 2560 je zasnovan za projekte, ki zahtevajo več I/O enot, veliko spomina in veliko RAM spomina, zato je primeren za projekte v robotiki in za delovanje s 3D printerji. Mikrokrmilnik ima 246 KB flash spomina za shranjevanje kode, od katere je 8 KB uporabljeno za zagonski nalagalnik.
Ima še 8 KB SRAM in 4 KB EEPROM spomina.
Metodologija raziskave
21 Slika 3.7: Arduino mikrokrmilnik
Prednost te strojne opreme je programska oprema istega proizvajalca, saj za programiranje ne potrebujemo dodatnega programa, temveč le klasičen USB kabel. Mikrokrmilnik ima tudi možnost napajanja preko USB kabla in možnost, da lahko med napajanjem hkrati z njim delamo oz. programiramo. Slabost tega je, da smo omejeni z izhodnim tokom iz USB priključka. Programiranje ardouina je možno z ardouinovim software programom Ardouino software (IDE), ki je primeren tudi za začetnike, ki se še niso srečali s programiranjem ali uporabo tovrstnih orodij. Arduino na spletni strani nudi tudi priročnik, ki uporabnika vodi skozi postopek uporabe.
Model At mega 2560 ima tovarniško naložen oz. preprogramiran zagonski nalagalnik (bootloader), ki dovoljuje naložitev nove kode brez uporabe zunanjega strojnega programatorja. Komunikacija je izvedena z uporabo STK 500 protokola. Ima tudi možnost obhoda zagonskega nalagalnika in programiranja mikrokrmilnika z uporabo ICSP (in circuit serial programming) z uporabo ardouinovega ISP (in system programer – programsko orodje).
Za zaščito računalnika je poskrbljeno z varovalko, ki preprečuje kratek stik ali prekoračitev maksimalnega toka. Čeprav ima večina računalnikov svojo zaščito, varovalka deluje kot dodaten nivo zaščite. Če tok presega 500 mA, bo varovalka avtomatsko prekinila povezavo, dokler kratki stik oz. prevelika napetost ni zmanjšana.
Možnost napajanja je preko USB kabla ali preko zunanjega napajanja. Zunanje napajanje je lahko AC DC adapter ali baterija. Mikrokrmilnik lahko deluje na zunanjem napajanju v rangu od 6 do 20 voltov. Sicer pa ni priporočljivo napajanje pod 7 V, saj v tem območju kartica postane nestabilna, nad 12 V pa se lahko pojavi pregrevanje regulatorja napetosti.
Priporočeno območje delovanja je torej od 7 do 12 V [16].
Metodologija raziskave
22
3.1.4.1 Reguliranje hitrosti vrtenja elektromotorja ventilatorja in bobna Za regulacijo hitrosti vrtenja elektromotorja ventilatorja potrebuje elektromotor vhodno napetost med 1.7 in 10 V. Arduino pa zagotavlja izhodno napetost med 0 in 5 V. Za povečanje izhodne napetosti iz Arduina smo uporabili P-kanalni tranzistor. Elektromotor bobna smo prav tako krmilili z Arduinom, in sicer preko heksadecimalnih stavkov, s katerimi mu sporočimo želene vrtljaje delovanja.
3.2 Zajem podatkov in merilna oprema
3.2.1 Shema merilne postaje
V tem poglavju smo za boljše razumevanje zajema podatkov prikazali celotno merilno postajo (Slika 3.8) s postavitvijo senzorjev za zajem. Popis sušilnega procesa izvajamo z meritvami temperature, ki jo merimo na vstopu v boben, izstopu iz bobna in med uparjalnikom in kondenzatorjem. Na vsakem porabniku merimo tok, napetost in električno moč (elektromotor ventilatorja in bobna ter kompresor toplotne črpalke). Relativne vlažnosti merimo na vstopu in izstopu iz bobna. Tlačno razliko merimo med vhodom in izhodom v prenosnik toplote. Maso kondenzata stehtamo po sušenju. Zaradi zagotavljanja enakega tlaka mora biti posoda, v katero odteka kondenzat, že prej malo napolnjena, da je cevka, po kateri odteka kondenzat, potopljena. Vodo, ki je v tej posodi, stehtamo pred in po sušenju.
Metodologija raziskave
23 Slika 3.8: Shema merilne postaje [10]
Metodologija raziskave
24
3.2.2 Merilna oprema
V Preglednica 3.3 so predstavljene specifikacije merilne opreme, ki je uporabljena za zajem podatkov iz sheme.
Preglednica 3.3: Podatki merilne opreme [17], [18], [19].
Zaznavalo Tehnični podatki
Temperature in vlažnosti
Proizvajalec: Delta Ohm Model: HD48T
Območje merjenja vlažnosti: 0– 100 % RH Merilno območje temperature: – 20 do 80 °C
Temperature Termoelement K
Merilno območje: – 40°C do 260 °C Natančnost: +/– 1,5 °C
Mase Proizvajalec: Kern & Sohn Model: FKB 15K0.5A+C Območje tehtanja: 0–15kg
Merilna kartica Proizvajalec: National Instruments Merilna šasija: cDaq, NI 9174
Merilna kartica za termoelement: NI 9212
Merilna kartica za temperaturo in vlažnosti: NI 9205 Merilna kartica za ventilator: NI USB-6001
Električne
spremenljivke Proizvajalec: Fluke Model: Norma4000
3.2.2.1 Meritev temperatur in relativne vlažnosti
Za meritev temperatur uporabljamo dva termoelementa tipa K, s katerima merimo temperature na vhodu in izhodu iz lamelnega prenosnika toplotne črpalke. Uporabljamo tudi dva merilnika proizvajalca Delta-Ohm, ki merita tudi relativno vlažnost. Eden je nameščen na vhodu v boben in s tem merimo vlažnost vročega zraka, drugi pa je nameščen na zračni tunel ventilatorja oz. na izhodu iz bobna. Ta nam pove, koliko se je zrak navlažil, ko je prešel skozi boben. Poleg merilnika relativne vlažnosti na vstopu v boben je tudi merilnik vlage v bobnu samem. Ta je del senzorja za vozlanje perila. Njegovo delovanje je osnovano na drsečih meritvah vlage v bobnu. Senzor zaznava spremembe vlage znotraj intervala, ki traja 1 minuto. Ko se perilo zavozla, je kontaktna površina med perilom in zrakom manjša, tako je prestop toplote in snovi manjši, zaradi česar vlaga pade. Vrednost vlage v merjenem intervalu mora biti stalna – v nasprotnem primeru vlaga naglo pade, kar senzor zazna in programska oprema nato razume, da se je perilo zavozlalo. Sušilni stroj nato spremeni vrtenje bobna tako, da se za 30 sekund vrti v nasprotno smer in s tem perilo odvozla. To je tudi eden izmed ključnih sistemov modernih sušilnih strojev, saj je sušenje pri takem stroju,
Metodologija raziskave
25 ki sam odvozla perilo, veliko bolj učinkovito. Na Slika 3.9 sta prikazana senzorja Delta- Ohm, ki se nahajata na vstopu in izstopu ter senzor za vozlanje perila.
Slika 3.9: Postavitev zaznavala
3.2.2.2 Meritve mas
Maso kondenzata smo merili po sušenju s tehtnico KERN FKB 15 KO.5A kot prikazuje Slika 3.10. V ohišju sušilnega stroja (na dnu) je bila narejena luknja, ki je omogočila odtekanje kondenzata, ki se je nabral iz lamelnega prenosnika toplote. Z isto tehtnico smo merili tudi maso mokrega perila pred sušenjem in maso perila po sušenju. Prav tako smo merili maso suhega perila preden smo ga navlažili.
Slika 3.10: Merjenje mase kondenzata
Metodologija raziskave
26
3.3 Zajem in obdelava podatkov
Za zajem podatkov smo uporabili merilnike, navedene v tabeli, in Arduino mikrokrmilnik.
Vse to smo povezali z računalnikom in podatke zajeli s programom Labview (Slika 3.11), ki je zajemal podatke o vhodnih in izhodnih temperaturah in relativnih vlažnostih ter s programom Norma View za zajem električnih spremenljivk (poraba elektrike in moči kompresorja ter elektromotorjev).
Podatke smo nato uvozili v Excel, kjer smo jih obdelali ter opravili vse izračune in korekcije.
Na Slika 3.12 je prikazana celotna merilna proga.
Slika 3.11: Računalniški prikaz zajema podatkov
Slika 3.12: Celotna merilna proga
Metodologija raziskave
27
3.3.1 Preračuni
Podatke, ki smo jih zajeli z opisano opremo, smo obdelali s programom Excel. Glavne veličine, ki smo jih obravnavali so: poraba električne energije, čas sušilnega cikla, vlažnost po sušenju in kondenzacijska učinkovitost.
3.3.1.1 Električna energija
Med sušenjem smo merili električne moči kompresorja toplotne črpalke, ki je daleč največji porabnik električne energije, porabo elektromotorja bobna in porabo elektromotorja ventilatorja. Vsako sekundo je program Norma View izmeril električne moči. S podatkom o celotnem času sušenja lahko izračunamo porabo električne energije po enačbi (3.1).
𝑬𝒎 = ∫ 𝑷 ∗
𝒕𝒎 𝟎
𝒅𝒕 (3.1)
Em predstavlja merjeno porabo električne energije, tm označuje skupen merjen čas, P pa moč porabnikov.
Izmerjeno porabo je treba korigirati, kot nam to narekuje standard za merjenje zmogljivosti sušilnih strojev za gospodinjsko uporabo BS EN 61121 [20], saj je poraba električne energije odvisna od vlažnosti perila. Enačba (3.2) za korekcijo električne energije vključuje začetno in končno vsebnost vlage perila.
𝑬 = 𝑬𝒎∗(𝒖𝒊𝟎−𝒖𝒇𝟎) ∗ 𝒎
(𝒖𝟎−𝒖𝒇) ∗ 𝒎𝟎 (3.2)
Začetno vlago smo računali po enačbi (3.3).
𝒖𝒊𝟎 = 𝟏𝟎𝟎 ∗𝒎𝟎− 𝒎𝒊
𝒎𝒊 (3.3)
Vlažnost po sušenju pa smo računali po enačbi (3.4).
𝒖𝒇𝟎 = 𝟏𝟎𝟎 ∗𝒎𝒇− 𝒎𝒊
𝒎𝒊 (3.4)
Metodologija raziskave
28
𝑚 − 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎ln𝑒 𝑝𝑜𝑙𝑛𝑖𝑡𝑣𝑒 𝐸 – 𝑘𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑟𝑎𝑛𝑎 𝑝𝑜𝑟𝑎𝑏𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖č𝑛𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑗𝑒 𝑚𝑖 − 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑢ℎ𝑒𝑔𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑙𝑎 𝐸𝑚 – 𝑚𝑒𝑟𝑗𝑒𝑛𝑎 𝑝𝑜𝑟𝑎𝑏𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖č𝑛𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑗𝑒 𝑚0 − 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑘𝑟𝑒𝑔𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑙𝑎 𝑢𝑖 – 𝑧𝑎č𝑒𝑡𝑛𝑎 𝑣𝑠𝑒𝑏𝑛𝑜𝑠𝑡 𝑣𝑙𝑎𝑔𝑒
𝑚𝑓 − 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑜𝑠𝑢š𝑒𝑛𝑒𝑔𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑙𝑎 𝑢𝑓 – 𝑘𝑜𝑛č𝑛𝑎 𝑣𝑠𝑒𝑏𝑛𝑜𝑠𝑡 𝑣𝑙𝑎𝑔𝑒
𝑢𝑖𝑜− 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑛𝑎 𝑧𝑎č𝑒𝑡𝑛𝑎 𝑣𝑠𝑒𝑏𝑛𝑜𝑠𝑡 𝑣𝑙𝑎𝑔𝑒 𝑢𝑓0– 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑛𝑎 𝑘𝑜𝑛č𝑛𝑎 𝑣𝑠𝑒𝑏𝑛𝑜𝑠𝑡 𝑣𝑙𝑎𝑔𝑒
Standard BS EN 61121 [20] predpisuje tudi dovoljena odstopanja dejanske končne in začetne vlage od nominalnih. Preglednica 3.4 predstavlja dovoljeno odstopanje vsebnosti vlage pred sušenjem, Preglednica 3.5 pa predstavlja dovoljeno odstopanje vsebnosti vlage po sušenju [20].
Preglednica 3.4: Dovoljene vsebnosti vlage pred sušenjem [20].
Preglednica 3.5: Dovoljene vsebnosti vlage po sušenju [20].
Končna nominalna vsebnost vlage
Dovoljen razpon dejanske končne vsebnosti vlage
Bombažni tekstil 0 % − 3 % do 3 %
3.3.1.2 Čas sušilnega cikla
Potrebne meritve so bile zajete vsako sekundo, pri čemer smo bili pozorni na začetek in konec zajemanja podatkov, saj je v standardu BS EN 61121 [20] predpisano odstopanje začetka in konca zajema +/− 5 sekund.
Ker so začetni in končni pogoji spreminjajoči in vlaga pri vseh eksperimentih ni bila enaka, smo morali korigirati porabo električne energije. Posledično smo morali korigirati tudi čas sušilnega cikla. To smo naredili po enačbi (3.5) [20].
𝒕 = 𝒕𝒎∗(𝒖𝒊𝟎− 𝒖𝒇𝟎) ∗ 𝑾
(𝒖𝒊− 𝒖𝒇) ∗ 𝑾𝟎 (3.5)
Začetna nominalna vsebnost vlage
Dovoljen razpon dejanske začetne vsebnosti vlage
Bombažni tekstil 60 % 59 % do 61 %
Metodologija raziskave
29 Simbol tm predstavlja izmerjen čas, t pa korigiran čas.
3.3.1.3 Kondenzacijska učinkovitost
Kondenzacijska učinkovitost nam pove, koliko vodne pare, ki je pridobljena iz perila, kondenzira v uparjalniku. Hkrati lahko predstavlja tudi merilo tesnosti, saj para, ki se ne skondenzira v uparjalniku, uide v okolico.
Večja kot je hitrost zraka, manjša bo kondenzacijska učinkovitost, in sicer zaradi večjega puščanja zraka v okolico. Polnitev prav tako vpliva na puščanje bobna, saj bolj kot je boben poln, manjši je pretok zraka skozi boben in posledično je tlačni padec večji.
Kondenzacijsko učinkovitost smo računali po enačbi (3.6), v kateri simbol mk označuje maso kondenzata [4].
𝑲 = 𝒎𝒌
𝑾𝟎− 𝑾𝒇∗ 𝟏𝟎𝟎 (3.6)
3.4 Potek meritev
Glavni cilj meritev je zagotavljanje enakih pogojev pri vseh meritvah in pridobitev merodajnih rezultatov. Vse meritve smo opravljali po standardu BS EN 61121-2005 [19].
Pred začetkom opravljanja meritev smo določili obratovalne točke, pri katerih smo eksperimentalne meritve opravili. Najprej smo opravili 10 meritev, s katerimi smo ustvarili osnovno bazo podatkov, na podlagi katerih smo se lahko odločali, kako bomo proces sušenja optimizirali. Med sledečimi meritvami so bile vrtilne frekvence skozi proces sušenja konstantne. Preglednica 3.6 predstavlja nastavljene parametre obratovanja elektromotorjev za posamezno meritev.
Preglednica 3.6: Nastavljena vrtilna frekvenca elektromotorjev Sklop Meritev Vrtilna frekvenca elektomotorja
bobna [obr/min] Vrtilna frekvenca ventilatorja [obr/min]
1 1
2700
2300
2 2700
3 2900
2 4
3000
2300
5 2700
6 2900
10 1600
3 7
3300
2300
8 2700
9 2900
Metodologija raziskave
30
3.4.1 Testno perilo
Pred vsako meritvijo smo stehtali suho perilo, po pranju v pralnem stroju pa tudi mokro. Po sušenju smo nato stehtali še posušeno perilo, kot je opisano v poglavju Meritve mas.
Uporabljeno perilo je standardno bombažno perilo, ki sestoji iz 27 brisač, 12 prevlek in 3 rjuh. Vse skupaj nanese na nominalno maso 8 kg. Pomembno je tudi zlaganje perila v pralni stroj, saj dobimo bolj primerljive meritve. Postopek poteka tako, da se najprej prepričamo, da sta lopatici v bobnu poravnani in da je njuna ravnina približno pravokotna na tla. Nato v stroj zložimo tri brisače prepognjene na polovico. Eno položimo na sredino, drugo na levo in tretjo na desno stran. Po prvem sloju brisač položimo eno prevleko na levo stran in to prekrijemo z dvema brisačama. Nato rjuho prepognemo na tri dele, pri čemer pazimo, da je ne zložimo preširoko in jo postavimo na desno stran (da ne prekrivamo prevleke pod brisačama). Rjuho nato prekrijemo s slojem brisač in prevlek. Vsako naslednjo rjuho vstavimo na nasprotno stran od prejšnje in pazimo, da rjuha ni povsem na dnu ali na vrhu zloženega perila. Slika 3.13 prikazuje zloženo testno perilo v bobnu, kjer puščice prikazujejo kako morajo biti rjuhe zložene v boben, da se prekrivajo, kot je opisano v postopku zlaganja perila.
Slika 3.13: Zloženo testno perilo v bobnu
Metodologija raziskave
31
3.4.2 Postopek izvedbe eksperimenta
V tem podpoglavju so opisani vsi koraki postopka izvedbe eksperimentalne meritve.
Koraki posamezne eksperimentalne meritve:
1. Prepričamo se o pravilnem delovanju merilne opreme.
2. Očistimo filter pred uparjalnikom in filter v vratih bobna.
3. Stehtamo maso suhega perila.
4. Suho perilo v pralnem stroju na hitrem programu brez detergenta operemo. S centrifugalnim ožemanjem se želimo čim bolj približati željeni vlažnosti perila. Če je treba, perilo s tlačnim pršilnikom dodatno ovlažimo ali posušimo, dokler ne dosežemo zahtevane vlažnosti perila. S tehtanjem preverjamo maso perila ter podatek o masi ovlaženega perila zapišemo.
5. Testno perilo po standardnem postopku zložimo v boben sušilnega stroja.
6. V programu Arduino nastavimo želene vrednosti frekvence ventilatorja ter določimo imena besedilnih datotek za zapisovanje podatkov.
7. Zagotovimo napajanje vseh električnih naprav v sušilnem stroju.
8. Stroj poženemo.
9. Proces sušenja samodejno zaustavi sušilni stroj. Pri zaustavitvi najprej onemogočimo napajanje električnih naprav, šele nato zaustavimo zapisovanje podatkov. Ob zaključku sušenja moramo ponovno stehtati maso posušenega perila. Predpisana zahtevana vrednost končne nominalne vsebnosti vlage znaša 0 %, dovoljeno odstopanje pa ±3 %. Informacija o vrednosti dejanske končne vsebnosti vlage določa, ali je meritev regularna.
10. Stehtamo maso izločenega kondenzata [12].
Metodologija raziskave
32
33
4 Rezultati in diskusija
V tem poglavju bomo primerjali in obravnavali rezultate opravljenih eksperimentalnih meritev. Začeli bomo z obravnavo osnovnih meritev, ki so bile izvedene pri konstantnih vrtilnih frekvencah in nato predstavili izvedeno optimizacijo, s katero smo poskusili rezultate izboljšati. Najprej so predstavljeni rezultati vseh meritev, nato še vstopne in izstopne krivulje temperatur in relativnih vlažnosti (v in iz bobna). V zadnjem poglavju pa je obravnavana optimizacija.
4.1 Rezultati vseh osnovnih meritev
Osnovne meritve so bile opravljene pri konstantnih vrtilnih frekvencah elektromotorjev bobna in ventilatorja skozi celoten cikel sušenja. Nominalna polnitev sušilnega stroja je bila vedno enaka in sicer 8 kg suhega perila oz. 12,8 kg mokrega perila. Povprečen čas sušenja vseh meritev je 132,1 min in povprečna poraba električne energije 1,446 kWh.
Prva serija meritev je bila opravljena pri vrtilni frekvenci elektromotorja bobna 2700 obr/min in treh različnih vrtilnih frekvencah elektromotorja ventilatorja, in sicer 2300, 2700 in 2900 obr/min. Meritve v prvi seriji so zadovoljive, saj so njihovi rezultati, ki so predstavljeni v Preglednica 4.1, boljši od povprečja in dosegajo zahtevane parametre vlažnosti perila po sušenju. Zahtevani parameter za vlažnost po sušenju je 4 %. Iz preglednice 4.1 je razvidno, da je bila pri vseh treh opravljenih meritvah vlažnost perila po sušenju nižja od 4 %.
Opazimo, da se je perilo najhitreje posušilo pri meritvi 2, in sicer v 121,3 min oz. korigirano glede na vlažnost po sušenju, kot narekuje standard BS EN 61121-2005, v 127,6 min. Prav tako je poraba električne energije najnižja, in sicer 1,32 kWh oz. korigirano po standardu BS EN 61121-2005 1,38 kWh. Sklepam, da sta čas sušenja in poraba električne energije pri meritvi 1 največja zaradi prenizke vrtilne frekvence elektromotorja ventilatorja, saj tako prenos toplote in snovi iz perila na sušilni zrak nista toliko intenzivna. Prav tako sta korigiran čas sušenja in korigirana poraba električne energije pri meritvi 1 najvišja, kljub temu da sta odvisna od vlažnosti po sušenju, ki je bila sicer glede na vrtilno frekvenco ventilatorja relativno nizka. Pri meritvi 1 opazimo tudi, da toplotna črpalka porabi več električne energije v primerjavi z ostalima dvema meritvama, saj je bolj obremenjena zaradi nižje vrtilne frekvence elektromotorja ventilatorja. Menim, da pride do večje obremenitve toplotne črpalke, saj je tudi v lamelnem prenosniku prenos toplote manj intenziven in je tako kompresor bolj obremenjen. Posledično je tudi skupna poraba električne energije pri prvi meritvi najvišja.
Rezultati in diskusija
34
Pri meritvi 3 opazimo, da je izmerjena poraba električne energije toplotne črpalke manjša kot pri meritvah 1 in 2. To pomeni, da je toplotna črpalka manj obremenjena, iz česar sklepam, da zaradi višje vrtilne frekvence elektromotorja ventilatorja, kar zagotavlja bolj intenziven prenos toplote v lamelnem prenosniku toplotne črpalke. Čas sušenja pa je kljub višji vrtilni frekvenci elektromotorja ventilatorja daljši kot pri meritvi 2. Menim, da je to posledica merilne negotovosti in specifične kinematike perila v bobnu, saj v prihodnjih meritvah opazimo, da višja vrtilna frekvenca elektromotorja ventilatorja vedno rezultira v krajšem času sušenja.
Preglednica 4.1: Rezultati meritev 1, 2 in 3
Meritev 1 Meritev 2 Meritev 3
Nominalna polnitev [kg] 8000 8000 8000
Vrtilna frekvenca elektromotorja bobna 2700 2700 2700
Vrtilna frekvenca elektromotorja ventilatorja 2300 2700 2900
Vlažnost po sušenju [%] 1,4 3,0 2,6
Vlažnost mokrega perila [%] 60,6 60,7 60,7
Masa suhega perila [g] 7969 7969 7969
Masa mokrega perila [g] 12800 12804 12803
Masa posušenega perila [g] 8083 8206 8174
Masa kondenzata [g] 3757 3657 3796
Izmerjen čas [h] 2:06:56 2:01:15 2:03:46
Izmerjen čas [s] 7616 7275 7426
Izmerjen čas [min] 127 121,3 124
Korigiran čas [min] 130,2 127,6 129,3
VENTILATOR – izmerjena poraba el. energije
[kWh] 0,13 0,20 0,26
BOBEN– izmerjena poraba el. energije [kWh] 0,18 0,17 0,18 TČ – izmerjena poraba el. energije [kWh] 1,10 0,95 0,94 SKUPNA – izmerjena poraba el. energije
[kWh] 1,41 1,32 1,37
Korigirana poraba el. energije [kWh] 1,43 1,38 1,42
Kondenzacijska učinkovitost [%] 79,63 79,52 81,99
Druga serija meritev je bila opravljena pri vrtilni frekvenci elektromotorja bobna 3000 obr/min in vrtilnih frekvencah elektromotorja ventilatorja 1600, 2300, 2700 in 2900 obr/min.
Tu smo dobili najboljše rezultate glede korigiranega časa sušenja in korigirane porabe električne energije (Preglednica 4.2), in sicer pri meritvi 5 in meritvi 6. Pri meritvi 6 je bil čas sušenja najkrajši in poraba električne energije najmanjša. To pripisujem dovolj visoki vrtilni frekvenci elektromotorja ventilatorja v kombinaciji z vrtilno frekvenco elektromotorja bobna 3000 obr/min, ki zagotavlja optimalno kinematiko perila v bobnu in
