universidad central práctica de laboratorio el ciclo de refrigeración

UNIVERSIDAD CENTRAL
PRÁCTICA DE LABORATORIO
EL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
BOGOTÁ DC
TABLA DE CONTENIDO
OBJETIVOS
1. INVESTIGACIÓN TEÓRICA
1.1 REFRIGERADORES
1.2 CICLO INVERTIDO DE CARNOT
1.3 EL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
1.4 FUNCIONAMIENTO DE LOS PRINCIPALES DISPOSITIVOS DEL SISTEMA
DE REFRIGERACIÓN
1.5 PRODUCTOS REFRIGERANTES DE HIDROCARBURO HC
2. METODOLOGÍA
3. RESULTADOS DE LABORATORIO
4. CÁLCULOS
5. ANALISIS DE RESULTADOS
6. CONCLUSIONES
7. BIBLIOGRAFÍA
8. ANEXOS
OBJETIVOS
1. Comprender el funcionamiento del refrigerador mediante la interpretación del ciclo
invertido de Carnot.
2. Realizar el balance energético total del sistema, para estimar la cantidad de calor
extraído por la maquina térmica estudiada.
3. Reconocer todos los componentes teóricos del ciclo invertido de Carnot en el
equipo de refrigeración estudiado, comprendiendo su función y características.
1. INVESTIGACIÓN TEÓRICA
1.1 REFRIGERADORES
La transferencia de calor de una región de temperatura baja a otra de alta temperatura
requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores. Estos son dispositivos cíclicos y
los fluidos de trabajo utilizados en los ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes
(Yunus A Cengel, 2009)
El desempeño de refrigeradores y de bombas de calor se expresa en términos del
coeficiente de desempeño (COP), por sus siglas en inglés (coefficient of peformance)
(Yunus A Cengel, 2009)
La capacidad de enfriamiento (la carga de refrigeración) de un sistema de refrigeración
(es decir, la tasa de calor extraído del espacio refrigerado) a menudo se expresa en
términos de toneladas de refrigeración.
1.2 CICLO INVERTIDO DE CARNOT
Un refrigerador o bomba de calor que opera en el ciclo invertido de Carnot es definido
como un refrigerador de Carnot o una bomba de calor de Carnot.
La figura 1 muestra el ciclo de Carnot invertido ejecutado dentro de la campana de
saturación de un refrigerante. De 1-2 se transfiere (absorción) calor reversiblemente
desde la región fría TL, de forma isoterma donde el refrigerante experimenta cambios de
case. De 2-3 Se comprime el refrigerante isoentrópicamente, hasta que alcanza la
temperatura máxima TH. De 3-4 Se transfiere calor a la región caliente a TH de forma
isoterma, aquí el refrigerante experimenta cambios de fase (vapor a líquido) de 4-1 se
expande el refrigerante isoentrópicamente hasta alcanzar la temperatura mínima TL.
(García, Guanipa, et al, 2009)
Figura 1. Esquema refrigerador de Carnot y diagrama T-S del ciclo invertido. Fuente Junus Cengel y Michael Boles
“Termodinámica” 6 edición.
1.3 EL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
Es el que más se utiliza en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y
bombas de calor. Se compone de cuatro procesos:
1-2 Compresión isentrópica en un compresor
2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador
3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión
4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador
Figura 1 Diagrama Temperatura VS Entropía para un sistema de refrigeración y principales componentes: El compresor (12s), Intercambiador de calor o condensador (2s-3), válvula de estrangulamiento (34) y el evaporador (4-1) Fuente:
http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2017279/pdf/und_8/cap8refrigeracion_termomagistral_II2011_agomez.pdf
Figura 2. Esquema T-S para el ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Fuente: Termodinámica Yunus Cengel 6
Edición.
El refrigerante entra al compresor en (1) como vapor saturado y se comprime
isentrópicamente hasta la presión del condensador. La temperatura del refrigerante
aumenta durante el proceso de compresión, hasta un valor mayor al de la temperatura del
medio. Luego el refrigerante entra en el condensador como vapor sobrecalentado en (2) y
sale como líquido saturado en (3), como resultado del rechazo de calor hacia los
alrededores. El refrigerante líquido en (3) se estrangula hasta la presión del evaporador al
pasar por la válvula. La temperatura del refrigerante desciende. Este entra al evaporador
en (4) como vapor húmedo y se evapora por completo absorbiendo calor del espacio. El
refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al compresor, así
completando el ciclo. Ver figura 2. (Yunus A Cengel, 2009)
1. En el proceso de compresión de vapor se realizan modificaciones al ciclo de
Carnot
basados
en
las
siguientes
consideraciones:
En el proceso de compresión, el fluido de trabajo solo debe estar en la fase de vapor.
2. Para expansionar el refrigerante es recomendable utilizar un dispositivo más económico
y con cero mantenimientos (válvula de estrangulamiento o tubo capilar).
3. La temperatura de condensación no debe limitarse a la zona desaturación.
Muchos aspectos imprácticos asociados con el ciclo invertido de Carnot, se eliminan al
evaporar el refrigerante completamente antes de que se comprima y al sustituir la turbina
con un dispositivo de estrangulamiento.
1.4 FUNCIONAMIENTO DE LOS PRINCIPALES DISPOSITIVOS DEL SISTEMA DE
REFRIGERACIÓN
Tabla 1. Dispositivos del sistema de refrigeración. Fuente http://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-2ciclos-de-refrigeracion1.pdf
Evaporador
Se transfiere calor (absorbe) de la región fría al refrigerante, que
experimenta un cambio de fase a temperatura constante. La
temperatura de saturación del refrigerante debe ser menor que la
temperatura de la región fría.
Condensador
El refrigerante se condensa al ceder calor a una corriente externa al
ciclo El agua y el aire atmosférico son las sustanciales habituales
utilizadas para extraer calor del condensador.
Compresor
Para alcanzar las condiciones requeridas en el condensador logrando
la liberación del calor desde el sistema al ambiente, es necesario
comprimir el refrigerante de manera de aumentar su presión y en
consecuencia su temperatura (generalmente temperaturas de
sobrecalentamiento)
Válvula
de Liberado el calor en el condensador es necesario revertir el proceso
estrangulamient del compresor de manera de obtener bajas temperatura al disminuir la
o
presión (estrangular), logrando las
Condiciones requeridas en el evaporador.
1.5 PRODUCTOS REFRIGERANTES DE HIDROCARBURO HC
Las sustancias refrigerantes son fluidos que sirven como transportadores de energía en
los equipos de refrigeración y bombas de calor. Las propiedades termodinámicas de las
sustancias refrigerantes influyen en la construcción, función y consumo de energía.
(Goméz)
El coeficiente de desempeño de un refrigerador de Carnot es independiente del
refrigerante. No obstante, las irreversibilidades inherentes al ciclo de compresión de vapor
causan que el coeficiente de desempeño de los refrigeradores prácticos dependa en
algún grado del refrigerante. Para que el aire no pueda entrar al sistema de refrigeración,
la presión de vapor del refrigerante, a la temperatura del evaporador, debe ser mayor que
la presión atmosférica. Por otro lado, la presión de vapor en la temperatura del
condensador no debe ser excesivamente elevada debido al costo inicial y a los gastos de
operación del equipo a presión elevada. Estos dos requerimientos limitan la elección del
refrigerante a relativamente pocos fluidos. (Smith, 1997)
Los Productos Refrigerantes de HC, diseñados para reemplazar a los refrigerantes que
reducen la capa de ozono y contribuyen al calentamiento global, están fabricados con
compuestos orgánicos naturales y no con una mezcla de refrigerantes compuestos de
productos químicos preexistentes. Pueden prolongar la vida útil y el rendimiento de los
equipos de aire acondicionado y refrigeración, gracias a un aditivo antifricción y a su
excelente estabilidad térmica y química, los Productos Refrigerantes HC pueden ayudar a
mejorar el funcionamiento y prolongar la vida útil de los sistemas y componentes de aire
acondicionado y refrigeración. (HC Refrigerant)
HC-12a® está diseñado como un práctico sustituto de los refrigerantes con CFC R12 que
reducen la capa de ozono y los refrigerantes HFC 134a que contribuyen al calentamiento
global.
Selección del refrigerante
Criterios estándares de selección:
1. Haga coincidir la presión de vapor del refrigerante con las condiciones de
funcionamiento.
2. Genere un buen rendimiento del sistema.
Refrigerantes combinados:
1. Se utilizan cuando el efecto del cambio de temperatura y de composición no
constituyen un problema.
Tabla 2. Refrigerantes de HC y sus campos de aplicación. Fuente Manual de capacitación sobre productos refrigerantes de
Hidrocarburos HC
2. METODOLOGÍA
1. Arrancar el equipo de refrigeración, verificando que hay carga de refrigerante por
medio de la presión del manómetro.
2. Realizar la toma de datos de la temperatura ambiente, humedad relativa y
temperatura dentro del refrigerador,
3. Toma de datos cada cinco minutos de las temperaturas T1(a la entrada del
compresor), T2(a la entrada del condensador), T3( a la entrada de la válvula de
expansión), T4 (a la entrada del evaporador), P superior (manómetro color rojo), P
inferior (manómetro color azul)
4. Medir la potencia, corriente y voltaje del compresor, mediante un multímetro
5. Luego de los 45 minutos, con intervalos cada cinco, tomar la temperatura del
agua, del recipiente en aluminio y del ambiente dentro del refrigerador
3. RESULTADOS DE LABORATORIO
Figura
3.
Ciclo
inverso
de
Carnot
para
sustancias
con
cambio
de
fase.
Fuente:
http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2017279/pdf/und_8/cap8refrigeracion_termomagistral_II2011_agomez.pdf
Figura
4.
Ciclo
de
refrigeración
por
compresión
https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2011/455/42611/1/Documento16.pdf
de
Vapor.
Fuente:
Dónde:
CICLO
T1 Entrada al compresor
EQUIPO
T1 interior de la cámara; medida con
T2 Entrada al condensador
T3 Entrada a la válvula de expansión
T4 Entrada al evaporador
termocuplas tipo K
T2 Entrada al compresor Ec; medida con
sensor digital de temperatura.
Entrada al condensador
Entrada a la válvula de expansión
Tabla 3. Especificaciones Técnicas. Fuente Propia Datos Laboratorio
Masa Calorímetro
386.2 g
Humedad Relativa
51.2
Temperatura Ambiente
18.8 °C
Masa del Refrigerante HC 0.4 Kg/ 1kg alimentado de
12a
R12
Masa Inicial de Agua
1L
Dimensiones del Equipo
Volumen de la cámara
Área de la lamina
Área Serpentín
0.7 m3
Espesor 1mm
Dimensiones 0.47x0.35 m
2𝞹RL
A= 0.24 m
Datos de Trabajo
Potencia
Voltaje
Corriente
0.17 KW
120.2 V
1.28 A
Tabla 4. Resultados Temperaturas (°C) y presiones superior (psi) e inferior (psi) con intervalos de tiempo de 5 minutos.
Fuente Propia
T (min)
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Psup
(psi)
105
103
105
105
105
105
105
105
105
Pinf (psi)
Tc
T1
T2
T3
T4
11.0
10.2
11.5
12.0
13.0
13.0
13.0
13.0
13.0
10.8
6.1
4.3
3.1
2.3
1.7
1.0
0.2
-0.1
17.2
16.7
8.1
3.4
-4.0
-4.1
-4.1
-4.4
-4.8
31.4
32.6
33.4
33.5
34.1
34.2
35.6
36.1
35.7
24.1
26.5
27.0
27.2
28.2
28.7
28.9
28.7
29.4
-15.7
-18.1
-19.0
-18.9
-18.3
-18.3
-18.3
-18.4
-18.3
4. CÁLCULOS REALIZADOS
Para encontrar la entalpía. Se usa la tabla de ANEXOS 1 y 2, para el refrigerante HC 12-a
y se interpola.
Prom T (°C)
T1
T2
T3
T4
2.66666667
34.0666667
27.6333333
-18.1444444
ESTADO
Vapor saturado
Vapor sobrecalentado
Liquido Saturado
Mezcla
h(kJ/kg)
540.671
581.1282
282.938
282.938
Procedimiento de interpolación para cálculo de h
T(°C)
0
5
2.667
T(°C)
25
30
27.633
h(kJ/kg)
567.5
573.8
570.86042
T(°C)
h(kJ/kg)
262.3
275.3
269.1458
T(°C)
30
35
34.067
-20
-15
-18.144
h(kJ/kg)
604.7
610.7
609.5804
h(kJ/kg)
510.9
517.5
513.34992
4.1 POTENCIA DEL COMPRESOR
NOTA: Base de cálculo: Minutos
BALANCE DE MASA EN EL COMPRESOR (ver figura 4)
[
]
Como
Entonces:
609.5804 kJ/kg -570.86042kJ/kg)
/min =258.13 J/S=0.258 KW=0.35hp
4.2 CAPACIDAD DE REFRIGERACIÓN
BALANCE DE MASA
)
23.004 KJ/min
4.3 TONELADA DE REFRIGERANTE
= 0.11 ton refrigerante
4.4 COEFICIENTE DE FUNCIONAMIENTO (COP)
4.5 COEFICIENTE DE FUNCIONAMIENTO DE UN CICLO DE CARNOT DE
REFRIGERACIÓN
4.6 BALANCE DE ENERGÍA
DENTRO DEL REFRIGERADOR
QH= W C+QL
Donde QH es el calor de la reserva caliente
QL=mH20CpH20(∆T1) + maireCpaire(∆h) + mAluminioCpAluminio(∆T2)
Minicial de agua=1kg
Tfinal del agua= 8.3°C
Tfinal del aire=15.5°C
Tfinal lámina aluminio=-2.3°C
Datos a 300K
mH20=18.015 kg/kmol
CpH20=4.18 kJ/kgK
maire=28.97 kg/kmol
Cpaire=1.005 kJ/kgK
haire=300.19 kJ/kg
maluminio= 26.982 kg/kmol
Cpaluminio= 0.902 kJ/kgK
5. ANALISIS DE RESULTADOS
En el ciclo invertido de Carnot se observa que en para cada proceso que se lleva a cabo
influye la irreversibilidad como se explica a continuación:
-
Para el caso de la compresión (en el ciclo ideal es internamente reversible y
adiabático) en el ciclo real existen efectos friccionantes los cuales incrementan la
entropía y la transferencia de calor que puede aumentar o disminuir la entropía,
dependiendo de la dirección.
-
para el caso del evaporador (en el ciclo ideal el fluido de trabajo sale del
evaporador y entra al compresor como vapor saturado) en el ciclo real es
imposible de mantener el estado del refrigerante con tanta precisión por lo tanto se
emplea el sistema sobrecalentando ligeramente al refrigerante a la entrada del
compresor para así garantizar evaporación completa al momento de ingresar al
compresor, por esto en la línea que conecta al evaporador con el compresor se
producen caídas de presión del refrigerante y cierta ganancia de calor no deseable
aumentando el volumen específico del refrigerante así como los requerimientos de
potencia de entrada al compresor.
-
para el caso del condensador (en el ciclo ideal el fluido de trabajo sale del
condensador como liquido saturado a la presión de salida del compresor) sin
embargo en el ciclo real es inevitable que se produzcan caídas de presión en el
condensador así como en las líneas que conectan al compresor y a la válvula de
estrangulamiento, además de la imposibilidad de mantener con precisión la
regulación del condensador para tener a la salida líquido saturado, pues no es
deseable enviar refrigerante a la válvula de estrangulamiento sin condensar en su
totalidad, ya que reduciría la capacidad de absorción de calor, por lo que se
considera el subenfriamiento como alternativa para disminuir la entalpía de
entrada a la válvula de estrangulamiento y en consecuencia aumentar la
capacidad de absorción de calor (efecto refrigerante).
6. CONCLUSIONES

Se comprendió el funcionamiento del refrigerador mediante la interpretación del
ciclo invertido de Carnot, y de cada uno de los procesos que se llevan a cabo en
este, teniendo en cuenta las irreversibilidades que se producen en cada uno.

Se observó que para cada proceso, la ecuación general de energía en régimen
estacionario por unidad de masa, se desprecia la variación de la energía cinética y
potencial, en el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere
calor, mientras que sólo existe trabajo en el proceso de compresión.

Se observó que un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor, difiere de
uno ideal por varias razones, pero la principal radica en las irreversibilidades que
suceden en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidades son la
fricción del fluido (que provoca caídas de presión) y la transferencia de calor hacia
o desde los alrededores.

Para poder obtener datos más exactos de la Tabla Termodinámica se tuvieron que
interpolar ciertos valores y aproximar las presiones.

En ciclo real de refrigeración por compresión de vapor real, se observo que hay
una caída de temperatura de la sustancia al pasar del estado 4 al 1 (culminación
del ciclo), y por lo tanto, una caída en la presión también; con lo que se puede
demostrar que el recorrido por el evaporador no se desarrolla a temperatura ni
presión constante, como ocurre en los Ciclos Ideales de Refrigeración.

A medida que se acelera el flujo del Refrigerante, se incrementa el Trabajo de
Compresión, el calor liberado por el Condensador y el Efecto Refrigerante (calor
absorbido por el Evaporador), consumiendo mayor cantidad de energía eléctrica
que alimenta el Compresor Alternativo.

Mientras más aumenta la velocidad de flujo de la sustancia, el COP de
Refrigeración disminuye gradualmente.
7.
BIBLIOGRAFÍA
FísicaNet. (s.f.). Física Termodinámica: Ciclo Otto. Ciclo diesel. Ciclo de Carnot. Ciclo de
refrigeración. Sistemas de absorción. Recuperado el 06 de Septiembre de 2014, de
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap07_ciclos_termicos.php
García, Guanipa, et al. (2009). Termoaplicadaunefm’s Blog. Recuperado el 07 de Septiembre de
2014, de http://termoaplicadaunefm.wordpress.com/
Goméz, A. (s.f.). Termodinámica Téctina Fundamentos Cápitulo 8 Ciclos de Refrigeración y Bomba
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Smith, V. N. (1997). INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA EN INGENIERÍA QUÍMICA (Quinta ed.).
Mc Graw Hill.
Smith, V. N. (s.f.). INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA EN INGENIERÍA QUÍMICA (Quinta ed.).
Mc Graw Hill.
Yunus A Cengel, M. A. (2009). TERMODINÁMICA (Sexta ed.). Mc Graw Hill.
8. ANEXOS
Tabla. Propiedades refrigerante HC 12ª en el punto de burbuja, en sistema metríco
Fuente: Manual de capacitación sobre productos refrigerantes de hidrocarburo (HC)
Tabla . Propiedades refrigerante HC 12ª en el punto de condensación, en sistema metríco
Fuente: Manual de capacitación sobre productos refrigerantes de hidrocarburo (HC)