Laboratorio de Mecánica de fluidos I 2019 II termino Introducción al ciclo de refrigeración Vapor-Compresión Aleman Tocto Hamilton Javier Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción [email protected] Resumen La práctica consiste en aprender sobre el ciclo de refrigeración y como es el comportamiento de cada uno de sus componentes, además, conocer como es la evolución de fluido o refrigerante, en este caso estamos usando el R-134a. Con los datos proporcionados por el software, obtenidos de los sensores que componen el sistema, se calculo la entropía en cada uno los puntos importantes del ciclo. Obteniendo, antes del compresor 0.9720[kJ/kg ∗ K], después del compresor 0.9660[kJ/kg ∗ K], antes de la válvula de expansión 0.3925 [kJ/kg ∗ K], y finalmente a la salida de esta 0.3979[kJ/kg ∗ K]. Palabras claves: Ciclo de refrigeración, compresión, entropía. Abstract The practice is to learn about the refrigeration cycle and how is the behavior of each of its components, in addition, to know how the evolution of the fluid or coolant is, in this case we are using R-134a. With the data provided by the software, we provide the sensors that make up the system, calculate the entropy at each of the important points of the cycle. Obtaining, before the compressor 0.9720 [kJ / kg * K], after the compressor 0.9660 [kJ / kg * K], before the expansion valve 0.3925 [kJ / kg * K], and finally at the output of this 0.3979 [ kJ / kg * K]. Keywords: Refrigeration cycle, compression, entropy. Introducción La transferencia de calor se da de una región de mayor temperatura a uno de menor, pero no a la inversa al menos que se agregue trabajo adicional. A estos dispositivos que generar dicho efecto se los conoce como refrigeradores. Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y el fluido que cruza por su sistema se denomina refrigerante (Cengel & Boles, 2008). Estos dispositivos son ampliamente utilizados en la industria para conservar alimento. La función de un refrigerador es extraer el calor de un medio. La capacidad de enfriamiento (la carga de refrigeración) es la tasa de calor extraído del espacio donde se esta refrigerando.(Cengel & Boles, 2008) Y se expresa en términos de toneladas de refrigeración. En esta práctica se usa un sistema de refrigeración vapor-compresión, el cual esta comprendido por: Compresor, Condensador, una válvula de expansión y un evaporador. El refrigerante a utilizar es el 134a. Evaporador: provoca que el líquido refrigerante absorba calor, por lo que cambia de estado, como su nombre lo indica se evapora. El compresor: Aumenta la presión del refrigerante a través de la compresión, generada por un motor interno. Por lo tanto, es el encargado de ingresar el trabajo al sistema. El condensador: Aquí se produce un rechazo de calor hacia el alrededor (Q H) el cual puede ser el ambiente o un líquido que se encuentre menor temperatura. Produciendo un cambio de estado. Válvula: Estrangula al refrigerante, provoca una disminución en la temperatura y una baja en su presión, volviéndolo vapor húmedo. Imagen 2: Grafica T vs S de un ciclo de refrigeración Ideal por compresión. En el caso de un ciclo de refrigeración ideal, no existe perdidas de calor por fricción ni transferencia hacia el exterior. En cambio, se puede considerar esto, dado que, la distancia entre los componentes puede ser considerables. Imagen 1: Diagrama del ciclo de refrigeración por compresión de vapor. En la imagen 1 podemos ver como el refrigerante va cambiando de estado a través del ciclo, Primeramente, entra al compresor donde se aumenta la presión hasta convertirlo en vapor sobrecalentado, luego, se condensa hasta alcanzar un estado de liquido saturado, después, por medio de una válvula de estrangulamiento se disminuye la presión, este proceso es isoentálpico, convirtiendo el refrigerante el vapor húmedo con una temperatura baja. Cuando ingresa al evaporador se produce el intercambio de calor con el medio, pero este ingresa debido a que se encuentra a menor temperatura. Y este ciclo se repite una y otra vez. Imagen 3: Grafica T vs s de un ciclo de refrigeración Real. En la imagen 3 podemos observar una caída de presión producida por el Evaporador, en el caso ideal el proceso es isobárico. La compresión es isentrópica idealmente, pero la entropía cae en el refrigerante debido a la pérdida de calor, pero aumenta la entropía de los alrededores en mayor proporción a lo que cae en el refrigerante. De igual manera en el condensador, idealmente es un proceso isobárico, pero la presión cae en el proceso real. Y en la válvula de expansión el proceso es isoentálpico. Equipo, instrumentación y proceso Después del compresor. 𝑆4 @0.96 [𝑀𝑃𝑎] = 0.9660[kJ/kg ∗ K] Instrumentación y materiales Marca Modelo Incertidumbre Armfie ld RA1MKII -------- Descripció n Sistema de refrigeració n por compresión de vapor. Antes de entrar en la válvula de expansión. 𝑠5 = 0.3925 [kJ/kg ∗ K] Después de salir de la válvula de expansión. 𝑠7 = 0.3979[kJ/kg ∗ K] Procedimiento Se conecta el equipo a la red eléctrico asegurándonos que sea de 220 V, luego encendemos el equipo con el interruptor que se encuentra en el costado izquierdo del equipo. Esperamos a que se estabilice. Ahora con ayuda del computador y el software de control del RA1-MKII procedemos a ajustar la bomba de agua de condensador ((Pump 1 speed) al 40% y la bomba del evaporador a 60 % (Pump 2 speed). Se verifica que haya flujo a través del condensador y el evaporador, F1 y F2 (típicamente 1.5l/min y 5.5l/min respectivamente). Ahora ajustamos la velocidad del compresor al 50% (3200 RPM) y luego haga clic en Compresor encendido. Al principio el Compresor funciona con una cierta velocidad y luego se estabiliza, el tiempo de estabilización son de alrededor 30 segundos. Luego procederemos a tomar lectura de los sensores colocando la configuración en automático y con intervalo de 10 segundos. Los datos obtenidos lo guardaremos. Resultados Entropías en las cuatro fases del ciclo. Antes del compresor. 𝑆3 @0.43 [𝑀𝑃𝑎] = 0.9720[kJ/kg ∗ K] El diagrama T vs s se encuentra en anexos como imagen 4. Análisis de Resultados Al comenzar el refrigerante se encuentra como vapor sobrecalentado, dada las condiciones mostradas en los datos obtenido en la práctica. Luego al agregar trabajo por medio del compresor la presión aumenta, pero consigue mantenerse en el mismo estado, disminuyendo su entropía debido a que el compresor no esta aislado completamente. A pasar por el condensador se observa que llega a un punto donde solo tenemos liquido saturado, pero al momento de salir pasa por componentes del equipo que agregan calor al refrigerante haciendo que este aumente su temperatura y entropía. Por eso en la imagen 4 podemos observar un pico en la grafica antes de la válvula de expansión. A medida que el refrigerante cruza la válvula de expansión, este pierde calor y presión, dejando de ser un liquido saturado, para ser una mezcla liquido-vapor. Su entropía disminuye ligeramente, como lo podemos ver en la gráfica. Al ingresar en el evaporador, intercambia calor con el agua en el reservorio que el transportada por una bomba dentro de sistema. Entonces la mezcla liquido-vapor gana calor de su exterior, transformándose en vapor sobresaturado una vez más, y de esta manera se completa el ciclo. Conclusiones y recomendaciones Un ciclo de refrigeración por compresión de vapor consta de 4 partes: El compresor, el condensador, la válvula de expansión y el condensador. En este ultimo es donde el sistema gana calor y se produce una baja en la temperatura con el ambiente. Podemos observa que en un ciclo real existe procesos irreversibles, como son la fricción y la perdida de calor con el medio. Por ejemplo, cuando el refrigerante ingresa al compresor como resultado se obtuvo una disminución en la entropía, en cambio, idealmente, dicho proceso es isoentrópico. El refrigerante antes de ingresar a la válvula de expansión experimenta un incremento en su temperatura y entropía (podemos ver en la imagen 4). Esto es producido por un filtro y un recibidor que se ubican antes de la válvula de expansión. En el condensador, la entropía disminuye, y la temperatura aumenta. Recomendaciones • • Los datos recogidos por el software deben tener una mejor organización para ser más fáciles de entender. Las presiones deben indicarse si son absolutas o manométricas, para evitar confusiones. Bibliografía Termodinámica Fácil para Ingenieros. (2012). Ciclo real de refrigeración. Pág. 9. Obtenido de: https://miguelhadzich.com/wp-content/uploads/2012/10/Libro-Termodinamica-Cap-15Refrigeraci%C3%B3n-Hadzich.pdf Cengel, Y., & Boles, M. (2008). TERMODINÁMICA DE CENGEL 8va EDICION. 8 edition, 1009. Anexos Cálculo de las entropías Entropía S3 T = 25.3 [°C] P = 0.40 [MPa] Temperatura [°C] 20 25.3 30 Entropía [kJ/kg*K] 0.9628 S3 0.9937 𝑆3 = 0.9628 + 0.9628 − 0.9628 ∗ (25,3 − 20) 30 − 20 𝑆3 @0.40 [𝑀𝑃𝑎] = 0.9792 T = 25.3 [°C] P = 0.50 [MPa] Temperatura [°C] 20 25.3 30 Entropía [kJ/kg*K] 0.9383 S3 0.9703 𝑆3 = 0.9383 + 0.9383 − 0.9703 ∗ (25,3 − 20) 30 − 20 𝑆3 @0.50 [𝑀𝑃𝑎] = 0.95526 Presión [MPa] 0.40 0.43 0.50 Entropía [kJ/kg*K] 0.9792 S3 0.95526 𝑆3 = 0.9792 + 0.9792 − 0.95526 ∗ (0.43 − 0.40) 0.50 − 0.40 𝑆3 @0.43 [𝑀𝑃𝑎] = 0.9720[kJ/kg ∗ K] Entropía S4 T = 52.4 [°C] P = 0.96 [MPa] Interpolación con 0.90 [MPa] Temperatura [°C] 50 52.4 60 Entropía [kJ/kg*K] 0.9660 S4 0.9976 𝑆4 = 0.9660 + 0.9976 − 0.9660 ∗ (52.4 − 50) 60 − 50 𝑆3 @0.90 [𝑀𝑃𝑎] = 0.9734 T = 52.4 [°C] P = 1 [MPa] Temperatura [°C] 50 52.4 60 Entropía [kJ/kg*K] 0.9525 S4 0.9850 𝑆4 = 0.9525 + 0.9850 − 0.9525 ∗ (52.4 − 50) 60 − 50 𝑆4 @ 1[𝑀𝑃𝑎] = 0.96114 Presión [MPa] 0.90 0.96 1 Entropía [kJ/kg*K] 0.9734 S4 0.96114 𝑆4 = 0.9734 + 0.96114 − 0.9734 ∗ (0.96 − 0.90) 1 − 0.90 𝑆4 @0.96 [𝑀𝑃𝑎] = 0.9660[kJ/kg ∗ K] Entropía S5 Temperatura [°C] 38 39.5 40 Entropía Liq. Sat. [kJ/kg*K] 0.38548 sf 0.39486 𝑠𝑓 = 0.38548 + Entropía Evap. [kJ/kg*K] 105.29 hf 108.26 0.39486 − 0.38548 ∗ (39.5 − 38) 40 − 38 𝑠5 = 0.3925 [kJ/kg ∗ K] ℎ𝑓 = 105.29 + 108.26 − 105.29 ∗ (39.5 − 38) 40 − 38 ℎ𝑓 = 107.5175 [kJ/kg] Entropía S7 T7 = 16.2 Temperatura [°C] 16 16.2 18 Entalpia Liq. Sat. [kJ/kg] 73.73 hf 76.52 Entalpia Evap. Entropía Liq. [kJ/kg] Sat. [kJ/kg*K] 185.73 0.28159 hfg sf 184.01 0.29112 ℎ𝑓 = 73.73 + 76.52 − 73.73 ∗ (16.2 − 16) 18 − 16 ℎ𝑓 = 74.01 [kJ/kg] Entropía Evap. [kJ/kg*K] 0.64230 sfg 0.68198 ℎ𝑓𝑔 = 185.73 + 184.01 − 185.73 ∗ (16.2 − 16) 18 − 16 ℎ𝑓𝑔 = 185.26 [kJ/kg] 𝑠𝑓 = 0.28159 + 0.29112 − 0.28159 ∗ (16.2 − 16) 18 − 16 kJ 𝑠𝑓 = 0.2825[ ∗ K] kg 𝑠𝑓𝑔 = 0.64230 + 0.68198 − 0.64230 ∗ (16.2 − 16) 18 − 16 kJ 𝑠𝑓 = 0.6413[ ∗ K] kg Dado que el proceso es isoentálpico en la válvula de expansión se puede asumir lo siguiente: ℎ𝑓 @𝑇5 = ℎ𝑓 @𝑇7 + 𝑥 ∗ ℎ𝑓𝑔 @𝑇7 Despejando la calidad. 𝑋= ℎ𝑓 @𝑇5 − ℎ𝑓 @𝑇7 107.5175 − 74.01 = = 0.18 ℎ𝑓𝑔 @𝑇7 185.26 Ahora con la calidad se calcula la entropía en T7. 𝑠 = 𝑠𝑓 + 𝑋 ∗ 𝑠𝑓𝑔 𝑠7 = 0.2825 + (0.18)(0.6413) 𝑠7 = 0.3979 Imagen 4: Grafica del ciclo de refrigeración real de la práctica.
