Pinnoitteen vaikutus jäähdytystehoon

Transkriptio

1 Pinnoitteen vaikutus jäähdytystehoon Jesse Viitanen Esko Lätti 11I100A

2 2 SISÄLLYS 1TEHTÄVÄN MÄÄRITTELY TEORIA Jäähdytysteho Pinnoite Jäähdytin MITTAUSMENETELMÄT Mittausmenetelmät TULOSTEN KÄSITTELY Mittaustulokset Jäähdytystehon laskeminen VIRHETARKASTELU Suhteellinen virhe Absoluuttinen virhe TULOSTEN TARKASTELU Lopputulokset Omat päätelmät LÄHTEET LIITTEET... 12

3 3 1 TEHTÄVÄN MÄÄRITTELY Laboratoriotyössä tutkimme keraamisen lämmönhaihtumista tehostavan pinnoitteen vaikutusta jäähdytystehoon. Tutkimuksen tuloksia käytetään apuna Formula Student projektin design-osiossa, sillä Formula Student -sarjassa tuomariston arvioidessa opiskelijoiden tekemiä teknisiä ratkaisuja, on tärkeää että voidaan todistaa onko ratkaisusta hyötyä. Tutkimme jäähdytystehoa kahdella samanlaisella jäähdyttimellä, joista toinen oli pinnoitettu yhteistyökumppanimme Martelius-Exhaust Oy:n toimesta, Tech Linen TLTD lämpöä haihduttavalla keraamipinnoitteella. 2 TEORIA 2.1 Jäähdytysteho Jäähdytysteholla kuvataan jäähdytysjärjestelmän kykyä haihduttaa lämpöä. Jäähdytysteho riippuu jäähdyttimen kyvystä säteillä lämpöä, pinta-alasta, ulkolämpötilasta, ulkolämpötilan virtausnopeudesta ja jäähdytysnesteen ominaislämpökapasiteetista. Ominaislämpökapasiteetti (c) kuvaa, kuinka paljon lämpöenergiaa materiaaliin sitoutuu lämpötilaeroa ja massaa kohti. Mitä suurempi ominaislämpökapasiteetti on, sitä tehokkaammin neste voi kuljettaa lämpöenergiaa. Jäähdytystehon yksikkö on watti (W). Kaavassa 1 on esitetty lauseke jäähdytys tehon laskemiseen.

4 4 ф= qm c T (1) ф= Jäähdytysteho qm= Massavirta c= aineen ominaislämpökapasiteetti T= Lämpötilan muutos 2.2 Pinnoite Yleisesti pinnoitteiden tarkoitus on muuttaa aineen pinnan ominaisuuksia. Yleisimmin halutaan parantaa pinnan; ulkonäköä, kulumiskestävyyttä, liukuominaisuuksia tai korroosionkestävyyttä (Wikipedia ). Jäähdyttimen pinnoitukseen käytetty TLTD lämpöä haihduttava pinnoite muodostaa kemiallisesti kestävän kalvon, joka parantaa kappaleen kykyä säteillä lämpöenergiaa ulospäin (Martelius-Exhaust ). TLTD pinnoite jakaa lämmön tasaisesti ja soveltuu erilaisiin kohteisiin joissa vaaditaan kappaleelta tehokasta lämmönsiirtokykyä, kuten imusarjat, jarruosat, öljypohja jne. (Tech Line ).

5 5 2.3 Jäähdytin Jäähdytin on lämmönsiirrin, jossa virtaava neste luovuttaa lämpöenergiaansa jäähdyttimen läpi kulkevalle kaasulle (ilma), jolloin virtaavan nesteen lämpötila laskee. Nestejäähdytteisissä polttomoottoreissa jäähdyttimenä toimii yleensä alumiiniputkikehikko, johon on kiinnitetty tiheä ohuiden alumiiniripojen muodostama kennosto, jonka läpi puhalletaan ilmaa. Tavallisesti jäähdytysnesteenä käytetään glykolin ja veden seosta (Wikipedia. %C3%A4%C3%A4hdytin ). Jäähdyttimet joiden jäähdytystehoa tutkimme ovat suunniteltu koulun Formula student -autoon. Tarkoituksena oli tutkia kuinka paljon pinnoitteella on vaikutusta jäähdytystehoon. Työssämme käytimme jäähdytysnesteenä pelkkää vettä, koska FSAE:n säännöt määräävät että Formula Student autoissa ei saa käyttää glykolia tai muita lisäaineita jäähdytysaineena.

6 6 3 MITTAUSMENETELMÄT 3.1 Mittausmenetelmät Ennen varsinaisten mittausten aloittamista mittasimme Lauda -lämmittimen/pumpun tuottaman virtausnopeuden 800 ml mittalasin ja sekuntikellon avulla (Kuva 1). Mitattujen tietojen perusteella laskimme virtausnopeuden. Virtausnopeudeksi laskimme 0,0713 l/s, mikä vastaa massavirtaa 0,0713 kg/s, sillä veden tiheys on n kg/m 3. Seuraavaksi mittasimme lämpötilanmuutosta ajansuhteen LabQuest -tiedonkeräimen avulla. Kytkimme LabQuestiin kaksi pintalämpötila anturia jotka kiinnitettiin teipillä jäähdyttimen sisään -ja ulosmenevään virtauskanavaan. Lauda -lämmitin/pumpun avulla täytimme jäähdyttimen ja aloimme lämmittää vettä kunnes lämpötila nousi noin 70 celsiusasteeseen. Seuraavaksi sammutimme lämmittimen, kytkimme puhaltimen päälle ja aloimme mittamaan lämpötilan muutosta ajansuhteen LabQuestilla. Mittausaika oli 1000 s ja mittausväli 10 s. Ensimmäisen mittauksen suoritimme pinnoittamattomalla jäähdyttimellä jota varten teimme telineen johon pystyimme kiinnittämään jäähdyttimen (Kuva 2). Ensimmäisen mittauksen valmistuttua toistimme mittauksen pinnoitetulla jäähdyttimellä (Kuva 3).

7 7 Kuva 1. Virtausnopeuden mittaaminen. Kuva 2. Mittaus 1. Kuva 3. Mittaus 2.

8 8 4 TULOSTEN KÄSITTELY 4.1 Mittaustulokset LabQuest tiedonkeräimellä mitattujen arvojen perusteella teimme kuvaajan jossa lämpötilat on esitetty ajan suhteen (Kuvaaja 1). Lämpötilat celsiusasteina y-akselilla, aika x-akselilla sekunteina. Kuvaaja 1. Mitatut lämpötilat ajan suhteen. Kuvaajassa on esitetty molempien mittausten jäähdytysnesteen sisään- ja ulosmenevä lämpötila. Jo kuvaajan perusteella voimme päätellä että pinnoitettu jäähdytin on jäähdytysteholtaan tehokkaampi, sillä virtaavan nesteen sisään- ja ulosmeno lämpötila on vastaavassa kohdassa aika-akselilla matalampi kuin pinnoittamattomalla jäähdyttimellä. 4.2 Jäähdytystehon laskeminen Jäähdytystehon laskimme molemmille jäähdyttimille jokaisessa mittauspisteessä aikaisemmin mainitulla kaavalla (Kaava 1). Lasketut arvot on esitetty liitteessä 1. Lähellä 70 celsiusastetta lasketut arvot eivät ole vertailukelpoisia, koska puhallin käynnistettiin juuri samaan aikaan kuin mittaus aloitettiin. Tästä johtuen jäähdytyteho reagoi viiveellä. Esimerkki laskut jäähdytysnesteen lämpötilan ollessa 59,8 celsiusastetta: Pinnoittamaton jäähdytin: фpinnoittamaton= 0, 0173 kgs 4, 182 kjkg 59 8, 5-4, 7 фpinnoittamaton= 1, 521 kw Pinnoitettu jäähdytin: фpinnoitettu= 0, 0173 kgs 4, 182 kjkg 8 59, 5-3 фpinnoitettu= 2, 028 kw

9 9 Kuvaajassa 2 on esitetty jäähdytysteho sisäänmeno lämpötilan funktiona, johon on sijoitettu lineaarinen viiva minkä avulla voidaan arvioida jäähdytysteho korkeammissa lämpötiloissa. Kuvaajaan ei ole otettu ensimmäisiä 50 sekunnin aikana mitattuja arvoja, koska ne eivät olleet edellä mainitun viiveen takia vertailukelpoisia. Kuvaaja 2. Jäähdytysteho lämpötilan funktiona. Kuvaajasta käy ilmi että jäähdytys teho on suurempi pinnoitetulla jäähdyttimellä ja jäähdytysteho suurenee jäähdytysnesteen ja ulkoilman lämpötilaeron mukaan. 5 VIRHETARKASTELU 5.1 Suhteellinen virhe Suhteellinen virhe kuvaa tulosten epätarkkuutta prosentteina. Suhteellisen virhe laskettiin seuraavalla kaavalla: Δ qm= Massavirran mittaustarkkuus фф= Δ qmqm+ 2 TTs-Tu T= Lämpötila- anturin mittaustarkkuus Ts- Tu= Sisäänmeno ja ulosmeno lämpötilan erotus Suhteellisen virheen laskeminen aikaisemmin esitetyille esimerkkilaskuille jäähdytysnesteen lämpötilan ollessa 59,8 celsiusastetta. Pinnoittamaton jäähdytin: - 54, 7= 0, , 3% ффpinnoittamaton= 0, 0010, , 259, 8 Pinnoitettu jäähdytin:

10 10 53= 0, , 3% ффpinnoitettu= 0, 0010, , 259, Absoluuttinen virhe Absoluuttinen virhe ф lasketaan suhteellisen virheen avulla, kertomalla laskettu tulos suhteellisella virheellä: ф= ф фф Pinnoittamaton jäähdytin: фpinnoittamaton = 1, 521 kw 0, = 0, kw 0, 08 kw Pinnoitettu jäähdytin: фpinnoitettu = 2, 028 kw 0, = 0, kw 0, 09kW

11 11 6 TULOSTEN TARKASTELU 6.1 Lopputulokset Pinnoittamattoman jäähdyttimen jäähdytysteho tarkasteltuna 59,8 celsiusasteen lämpötilassa: ф = (1,52±0,08)kW Pinnoitetun jäähdyttimen jäähdytysteho tarkasteltuna 59,8 celsiusasteen lämpötilassa: ф = (2,03±0,09)kW Liitteessä 1 on esitetty kaikkien mittauspisteiden kohdalla prosentuaalinen ero jäähdytystehoissa. 6.2 Omat päätelmät Saaduista tuloksista näkee että pinnoitteella on huomattava vaikutus jäähdytystehoon. Suuremman jäähdytystehon avulla pystytään valmistamaan pienempi ja kevyempi jäähdytin, jäähdytystehon säilyessä tarvittavalla tasolla. Pinnoite ei tuo jäähdyttimeen juurikaan lisäpainoa, jolloin jäähdytys tehoa pystytään kasvattamaan tarvittaessa painoa lisäämättä, kun käytössä oleva jäähdytin säilyy samana. Mittaustulokset tukevat Formula Student -auton kehittämistä ja suunnittelua tulevia kilpailuja ajatellen. Toivomme että tuloksista olisi myös hyötyä yhteistyökumppanillemme Martelius-Exhaust Oy:lle.

12 12 7 LÄHTEET Wikipedia. Coating. Luettu Martelius-Exhaust. Pro-pinnoitteet. Luettu Tech Line. Coatings. Luettu Wikipedia. Jäähdytin. Luettu %C3%A4%C3%A4hdytin

13 13 8 LIITTEET Tulokset Mittauspöytäkirja