Los ejercicios siguientes pueden desarrollarse utilizando el

Los ejercicios siguientes pueden desarrollarse utilizando el diagrama
P-H en kg/cm 2 y Kcal/kg o el diagrama P-H en bares y kJ/kg.
La representación del ciclo indicado en el diagrama log P-entalpía del
refrigerante HFC-R134a, correspondiente al Entrenador ACT-2/EV, se
realiza después de haber medido en la instalación los valores de
presión dentro de los cuales el ciclo se cumple, las temperaturas del
gas en admisión y envío y la temperatura del refrigerante antes de
circular por la válvula termostática. La posición de las sondas se
muestra en la figura 18.
La recogida de los datos se ha realizado con una temperatura
ambiente de 17°C y una velocidad de rotación del compresor de
747 r.p.m.; si la temperatura ambiente y la velocidad del
compresor son diferentes de dichos valores, los datos del ejercicio
variarán.
En los instrumentos en dotación de la instalación se leyeron los
siguientes valores:
Pa = 10 bares
Manómetro de alta presión
- 11 bares absolutos
Manómetro de baja presión
Pb=
-
1,4 bares
2,4 bares absolutos
Temperatura de admisión
Tl=
22
, oC
Temperatura del líquido
T3=
38,4 oC.
Con estos datos se traza el ciclo frigorífico (fig. 19) procediendo de la
manera siguiente:
Se trazan las rectas:
Pa = constante = 11 bares absolutos
Pb = constante = 2,4 bares absolutos
A partir del punto 3 de la recta Pa = 11 bares y con temperatura T3 =
38,4 oC se traza la vertical hasta cruzar la recta Pb = 2,4 en el punto 4.
El segmento 3-4 representa el trabajo, con entalpía constante,
realizado por la válvula termostática para reducir la presión así como
la temperatura del líquido de 38,4 a -5°C.
A partir del punto 1 que corresponde a la intersección de la recta P =
constante 3,5 bares absolutos y con temperatura TI = 2,2°C, se traza la
paralela a las líneas adiabáticas hasta cruzar la recta P = constante = 11
bares absolutos en el punto 2.
- 21 -
El segmento 1-2, leído en la escala de la entalpía, representa el trabajo
teórico de compresión realizado por el compresor para llevar el
refrigerante vaporizado de la presión Pb a la presión Pa.
El segmento 2-3 , leído en la escala de la entalpía, representa la
cantidad de calor (por kg de refrigerante) que el gas recalentado tiene
que perder para volver al estado líquido.
Obsérvese que la temperatura del punto 2 es superior a la temperatura
T2 medida por el termómetro (fig. 18). Esto se debe al intercambio
térmico que se verifica en el interior del compresor entre el gas de
envío y el de admisión, intercambio que suelen privilegiar los
fabricantes de los compresores.
El segmento 4-5, leído en la escala de la entalpía, representa las
frigorías que absorbe el líquido del ambiente exterior para volver al
estado de vapor.
El segmento 5-1 representa el recalentamiento del vapor en el trecho
entre la salida del evaporador hasta el compresor.
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El rendimiento del ciclo frigorífico (Energy Efficiency Ratio) se
obtiene a través del cociente entre los segmentos 4 -5 Y 1-2.
E.E.R. = hs - h4
h 2 -h)
- 24-
= 396- 254 = 142 = 4 7
434-404
30
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El E.E.R. obtenido es el rendimiento específico correspondiente a 1 kg
de refrigerante que circula a través del compresor. Para el cálculo es
necesario conocer los kg/h de líquido que circulan en el circuito.
Este dato se mide con un caudalímetro; en nuestro caso: Q = 0,32
l/mino
Por lo que: 0,32 litros/minuto' 60 = 19,2 litros/h . 1,166 kg/litro =
22,27 kglh.
Ya que hay 142 kJ/kg de líquido (segmento 5-4, véase fig. 19), la
instalación suministra:
22,27 kglh . 142 kJlkg = 3.162 kJIh (872,5 W).
Al mismo tiempo se deberá suministrar al compresor una energía
equivalente a:
22,27 kglh . 30 kJ/kg = 668 kJ/h (185,6 W)
Y el E.E.R. del ciclo vale:
E.E.R. = 3.162
668
= 4,7
valor obtenido anteriormente.
Para la determinación de la densidad del refrigerante HFC-RI34a
(líquido a 40,5 oC), consultar las tablas de las propiedades
termodinámicas del mismo incluidas en el apéndice.
- 25 -
Cálculo del rendimiento real total
Utilizando los vatímetros incorporados en el Entrenador, se verifica
que el consumo total de la instalación es de 1.300 W; de éstos, tal
como se pone de manifiesto en el ejercicio N. 6, 185,6 W se necesitan
para comprimir el gas de Pb a Pa y los restantes 1.114 W sirven para
vencer las resistencias mecánicas y eléctricas del compresor, las
resistencias de fricción del fluido a lo largo del circuito, así como el
consumo de la instalación eléctrica y del ventilador del condensador.
El rendimiento real total del ciclo frigorífico resulta entonces:
E.E.R. = 872,5
1.300
= O 67
'
Nótese la fuerte reducción entre el rendimiento del ciclo indicado y el
rendimiento total.
Variando ahora las presiones de servicio, se pueden trazar otros ciclos
frigoríficos y comparar entre sí los diagramas y los rendimientos,
eligiendo el mejor ciclo para cada aplicación práctica.
Dichas presiones de servicio se modifican cambiando el orificio de las
válvulas termostáticas, variando el caudal de aire del ventilador,
introduciendo el gas en la instalación o bien extrayéndolo de la misma.
- 26-
Cálculo de las frigorías/hora producidas por el evaporador, hecho a través del
balance térmico del aire
Se procede de la manera siguiente:
medir las temperaturas del aire (bulbo seco y bulbo húmedo) en la
entrada y en la salida del evaporador (véase fig. n. 14); luego, anotar
los valores hallados en el diagrama psicrométrico del aire.
De esta forma se pueden determinar la humedad relativa del aire
durante la circulación a través del evaporador y, en el caso de que haya
condensación, los gramos de agua condensada por cada kilogramo de
aire tratado y el volumen específico del aire en la salida del
evaporador (véase fig. n. 20).
Los datos medidos son:
- 18,0 oC
Te bs (bulbo seco)
Te bh (bulbo húmedo) - 11,7 oC
Tu bs (bulbo seco)
- 4,4 oC
Tu bh (bulbo húmedo) = 3,7 oC
a la cual corresponde una
humedad relativa del 35%
a la cual corresponde una
humedad relativa del 60%
Con un anemómetro, medir la velocidad del aire en la salida del
evaporador; después de haber calculado el promedio de los valores
hallados en las diferentes partes de la salida del evaporador y haber
medido la sección de las boquillas, calcular los metros cúbicos de aire
por hora que salen del evaporador.
Los valores hallados son:
Vm (velocidad media)
=
3,1 mIs
S (sección)
El caudal volumétrico es:
Qv = 3,1 mIs' 3.600 s . 0,009 m1 = 101,5 m3 /h
- 27 -
El caudal másico es:
3
Q m = 101,5m3 /h = 122 3k /h
O,830m /kg
, g
El valor del volumen específico se extrae del diagrama psicrométrico
en los puntos Tu bs y Tu bh.
Las kcal/h extraídas del aire son:
P
=
122,3 kg/h . (33 - 15,8) kcal/kg
=
2.103 kJ/h
=
584,3 W
El valor obtenido es muy próximo al calculado a través del análisis del
ciclo frigorífico.
Obsérvese que la detenninación de la velocidad del aire y, por
consiguiente, del caudal, es difícil de establecer y a menudo conduce a
resultados inexactos.
- 28-
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- 29-
Cálculo y verificación de la cantidad de agua condensada
A través de la figura 20, leyendo a la derecha de la escala, se extraen
los gramos de agua condensados por el evaporador por cada kilogramo
de aire que circula a su través.
Multiplicando este valor por el caudal másico del aire se extraen los
gramos condensados en una hora por el evaporador.
ax = 5,8 - 4,6 =
1,2 g/kg
El caudal másico, calculado en el ejercicio N° 8, que circula a través
del evaporador es:
188 kglh
Por lo tanto, la cantidad de agua condensada es:
1,2 g/kg' 188 kglh
=
225,6 gIh de agua.
La verificación del valor determinado por vía analítica puede
realizarse pesando el agua condensada por el evaporador y descargada
en el depósito puesto en el mueble de servicio o bien extrayendo el
condensado de la llave puesta debajo del evaporador (véase fig. n. 14).
Si los dos resultados encajan, las medidas realizadas para determinar
el caudal de aire y las realizadas para determinar las temperaturas y las
humedades de entrada y de salida del evaporador son exactas.
Si ello no verifica, las medidas son inexactas y por consiguiente
deberán repetirse.
- 30-
Cálculo del rendimiento volumétrico del compresor
El rendimiento volumétriGo del compresor está dado por el cociente
entre el volumen útil (VtJ y el volumen V g generado por el pistón a lo
largo de su embolada:
Vu
11=Vg
Sobre el volumen útil influyen la magnitud del espacio nocivo
relación de compresión (figuras 21 y 22).
fig. 22
fig. 21
- 31 -
Vo y la
Por lo tanto, la marcha del rendimiento en función del espacio nocivo
y de la relación de compresión varía según se muestra en la figura 23ab-c.
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(b)
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2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
RAZON DE COMPRESION
Fig. 23
En realidad, sobre el rendimiento volumétrico total influyen
negativamente también la dilatación que el gas aspirado sufre al entrar
en contacto con las paredes calientes, el porcentaje de gas que escapa
de las juntas estancas de los pistones y las dificultades que encuentra
al atravesar las válvulas de admisión y envío.
El volumen horario generado se calcula a partir de la cilindrada del
compresor, según la fórmula siguiente:
v g = e . n . 60 . 10-6
m 3 /h
En nuestro caso:
V g = 99· (747 x ,86)· 60· 10- 6 = 381
, m 3 /h
°
Nota:
0,86 es la razón entre las poleas del motor del compresor.
El número de revoluciones del compresor se calcula a través del
número de revoluciones del motor eléctrico medido con el tacómetro
instalado y obtenido a través de la razón entre las poleas de
transmisión.
Con una presión de admisión de 2,4 bares y a una temperatura de
22°C, el volumen específico del gas resulta 0,095 m 3 /h.
Por lo tanto, V g expresado en kg/h equivale a:
3,81 = 40 lk /h
0,095
' g
- 32-
Por medio del caudalímetro se ha podido determinar una circulación
de 22,27 kglh; por lo tanto, el rendimiento volumétrico del compresor
será:
11
= 22,27 = O55
401
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'
Para la verificación de los intercambios térmicos y para la selección
del aislamiento del compresor, el condensador" el evaporador, las
tuberías, etc., proceder tal como se explica en el Manual de
Refrigeración General.
Para el estudio del diagrama psicrométrico, de los ciclos higrométricos
correspondientes a los diferentes tipos de instalaciones de
acondicionamiento, para su dimensionamiento y para la depuración
del aire, consultar el Manual de Acondicionamiento de aire general.
- 33 -
Cálculo del coeficiente global de transmisión K entre el gas refrigerante y el aire
en el condensador
Se miden las temperaturas del refrigerante en la entrada y en la salida,
se mide la temperatura del aire antes y después de circular a través del
condensador y se calcula la temperatura promedio logarítmica Tm. Se
calcula la superficie del evaporador, incluyendo en la misma las aletas,
los tubos horizontales y los codos de unión.
La cantidad de caloríaslhora cedida por el evaporador ya se conoce;
por consiguiente, mediante la fórmula:
K=
Q
S~Tm
se obtiene el coeficiente global.
Se traza el ciclo frigorífico del entrenador en el diagrama presiónentalpía, tal como se hizo en la fig. 19.
Para establecer exactamente los kJIh que hay que extraer del
condensador, medir también la temperatura del gas caliente y llevarla
a la línea de alta presión en el diagrama P-H. Este punto se identifica
con el n° 2'.
El segmento 2'-3 leído en la escala de la entalpía representa el calor
específico que tiene que ser absorbido por el aire para obtener la
completa condensación del refrigerante.
Multiplicando este valor por el caudal ponderal, obtenido mediante la
lectura del caudalímetro y multiplicado por el peso específico del
refrigerante HFC-R134a, se halla el valor de la cantidad de calor a
extraer del gas para su liquefacción.
El valor de la superficie de intercambio S se obtiene a través de los
datos técnicos del condensador que se muestran en la figura 12;
además, es posible determinar la superficie del condensador midiendo
la superficie de las aletas, de los tubos horizontales y de las curvas de
unión, según lo indicado en el Manual de Refrigeración general.
Queda por establecer sólo la diferencia promedio logarítmica entre el
aire de refrigeración y el fluido de condensación.
El esquema de intercambio, con referencia a las temperaturas, es el
siguiente:
Tc
Tae
- 34-
Tc
Tau
donde Tc es la temperatura de condensación del refrigerante; Tae y
Tau son las temperaturas del aire de entrada y de salida del
condensador.
Por lo tanto, se obtiene:
~Tm
= (Tc -
Tae) - (Tc - Tau)
In Tc-Tae
Tc-Tau
con estos datos y aplicando la fónnula:
Q
K=
S~Tm
se obtiene el coeficiente global K de transmisión del calor.
Por ejemplo:
Cálculo del coeficiente de intercambio ténnico K entre el gas
refrigerante y el aire que circula a través del condensador.
Con los instrumentos incluidos en el Entrenador se extraen los
siguientes datos:
Temperatura del fluido
en la entrada en el condensador
- 51,8 oC
Temperatura del fluido
en la salida del condensador
= 438°C
,
Temperatura del aire en la entrada
= 24 ,O oC
Temperatura del aire en la salida
=
413°C
,
Caudal volumétrico del refrigerante
=
012Vl'
,
A través del ciclo trazado en el diagrama P-H se obtiene que la
variación de entalpía durante la condensación equivale a 165 kJ/kg (46
kJlkg para el enfriamiento del líquido y la condensación propiamente
dicha del mismo).
Para una mejor comprensión, se supondrá que el intercambio térmico
se verifique totalmente durante la fase de condensación propiamente
dicha.
Con los datos que disponemos se puede trazar el siguiente gráfico:
- 35 -
51.8 "C
43.7"C
El valor de Ó Tm se calcula mediante la fórmula expresada en la pág.
42 o mediante el ábaco de Mehner indicado a continuación, en el cual:
ó TI = Tc - Tae = 31 ,5 - 23 = 85°C
,
óT2 = Tc - Tau = 31 ,5 - 29 ,6 = 19°C
,
La superficie del cambiador de calor se indica en la figura n. 12 y es
igual a 3,15 m2 •
El coeficiente K se calcula mediante la fórmula siguiente:
K=
Q
SÓTm
que a través de los datos conocidos vale:
165 . 22,27
K =
3,6 = 74,7W 1m 2 .oC
3,15·4,4
- 36-
ÓT
1
ÓT
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
.9
9
8
8
7
7
6
6
•
5
4
4
3
3
2
2
1
1
Fig. 24 - Ábaco de Mehner
- 37 -
1
Cálculo de las calorías/hora producidas por el intercambiador de calor, hecho a
través del balance térmico del aire
Los mandos del acondicionador de aire deben hallarse en la siguiente
posición (fig. 15):
Selector 1: posición roja - compresor parado
Selector 2: posición n. 4
Selector 3: posición izquierda, abajo
Selector 4: posición derecha
Se procede de la siguiente manera:
Medir las temperaturas del aire (bulbo seco y bulbo húmedo) de
entrada y de salida del intercambiador de calor (véase fig. n. 14);
luego, anotar los valores obtenidos en el diagrama psicrométrico del
aIre.
Puede determinarse así la humedad relativa del aire durante la
circulación a través del intercambiador de calor.
Los datos medidos son:
Te bs (bulbo seco)
= 18,6 oC
Te bh (bulbo húmedo) = 10,8 oC
Tu bs (bulbo seco)
a la cual corresponde una
humedad relativa del 38%
=33°C
Te bh (bulbo húmedo) = 16,6 oC
a la cual corresponde una
humedad relativa del 17%
La medida de la temperatura con bulbo húmedo del aire de salida no
es necessaria, ya que la transformación se lleva a cabo con humedad
absoluta constante.
Con un anemómetro, medir la velocidad del aire de salida del
intercambiador de calor, con la perilla de distribución del aire puesta
en la parte alta, a la izquierda (véase fig. 15) Y la velocidad del
ventilador en la posición n° 3; después de haber hecho un promedio de
los valores hallados en las diferentes partes de la salida del
intercambiador de calor y haber medido la sección de las boquillas,
calcular los metros cúbicos por hora de aire que salen del
intercambiador de calor.
- 38 -
Los valores hallados son:
Vm (velocidad media)
= 3,1 mIs
S (sección)
= 0,009 m 2
El caudal volumétrico es:
Qv = 3,1 mIs' 3.600 s . 0,009 m 2 = 101,5 m 3/b
El caudal másico es:
Qm
=
3
101,5m /h
O,830m3 I kg
=122 3k
,
Ih
g
El valor del volumen específico se extrae del diagrama psicrométrico
en los puntos Te.
Las kcallh cedidas al aire son:
P
=
122,3 kg/h . (46,6 - 31) kcallkg = 1.907,8 kJ/h
= 530 kcallh
Obsérvese que la detemúnación de la velocidad del aire y, por
consiguiente, del caudal, es dificil de establecer y a menudo conduce a
resultados inexactos.
- 39-
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