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Universidad de Santiago de ChileDepartamento de Ingeniera
MecnicaLABORATORIO DE TERMODINAMICASANTIAGO TITULO DE LA
EXPERIENCIASISTEMA DE REFRIGERACIN
EXPERIENCIA N: Fecha de la exp : Fecha de entrega:
E- 95 26/04/2011 02/05/2011
Nombre del alumno: Nivel: Grupo N: 05 01
Alejandro Javier Quijada Muoz Cod. Hor :
FIRMA DEL ALUMNO Nota de interrogacin Nota de participacin Nota
de informe Nota media SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU
INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X Presentacin Clculos,
resultados, grficos Caractersticas Tcnicas Descripcin del mtodo
seguidoOBSERVACIONES
Nombre del profesor:
Sr. Ivn Jerez
Discusin, conclusiones Apndice
FIRMA DEL PROFESOR
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1.-Ttulo del trabajo: Sistema de refrigeracin 2.- ndice
3.-Resumen del contenido del informe 4.- Objetivo de la experiencia
4.2.-Objetivos especfico 4.1.-Objetivo general 5.-Caractersticas
tcnicas de los equipos e instrumentos empleados 5.1.- Sistema de
refrigeracin domstico 5.1.1.-Compresor Electrolux.
5.1.2.-Evaporador 5.1.3.-Condensador 5.1.4.-Dispositivo de
expansin. 5.1.5.- manmetro y vacumetro. 5.1.6.- filtro
5.2.-Barmetro Eschiltknech.ing.SIA 5.3.-Termometro digital Fluke
51/52 II 5.4.-Termocupla 6.- Descripcin del mtodo seguido
7.-Presentacion de resultados 8.- Discusin de los resultados,
conclusiones y observaciones 9.-Apndice 9.1 Teora del experimento
9.1.1.-Refrigeracion 9.1.2.-Refrigerante 9.2.- desarrollo de los
clculos 3 3 3 3 4 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 7 8 9 99
11 11
9.2.1.- Clculo del flujo msico real e ideal 9.2.2.- Clculo de
las potencias trmicas del ciclo ideal. 9.2.3.- Clculo de las
potencias trmicas del ciclo real
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9.3.- Tabla de valores de resultados obtenidos
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9.4.- Bibliografa y pginas web
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3.-Resumen del contenido del informe. En el siguiente trabajo se
demostrar la experiencia de laboratorio sistema de refrigeracin. La
cual, es una demostracin bsica de los sistemas de refrigeracin, es
decir, se trabajar un ciclo fcil y sencillo, como los es el
refrigerador de uso domstico, para entender y explicar el mecanismo
de accin de dichos sistemas. Para llevar a cabo este objetivo, el
informe, constar de grficas y esquemas representativos de los
sistemas de refrigeracin bsicos, en especifico el ms comn y ms
utilizado; el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor. Se
analizar el aspecto terico y se profundizara la experiencia en la
parte real de dicho ciclo termodinmico. Para esto, el informe tendr
la informacin necesaria y adecuada, como una ficha tcnica de los
elementos y maquinas utilizadas, un desarrollo con explicacin del
mtodo seguido y un completo desarrollo de clculos y demostraciones
matemticas que nos ayudaran a comprobar la teora y a calcular ,por
ejemplo, la potencia trmica en cada proceso.
4.- Objetivo de la experiencia. 4.1.Objetivo general
Capacitar al alumno para que reconozca, identifique y utilice
los principios termodinmicos asociados a un ciclo de refrigeracin
por compresin de vapor, as como los aspectos prcticos de un sistema
de refrigeracin domestico. 4.2.
Objetivos especficos El alumno ser capaz de identificar y
correlacionar los diferentes componentes del sistema de
refrigeracin con los principios termodinmicos del ciclo. Podr
representar en el diagrama p-h el ciclo de refrigeracin estndar y
real de funcionamiento.
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5.-Caractersticas tcnicas de los equipos e instrumentos
empleados 5.1.- Sistema de refrigeracin domstico
5.1.1.-Compresor Electrolux. Funcin: comprimir el refrigerante,
elevando su temperatura y presin a niveles altos, de modo que le
permita a este poder ceder calor. Rango de operacin: 220v 50 hz,
230 v 60 hz Refrigerante: R-12, (Diclorodifluormetano).
5.1.2.-Evaporador Funcin: extraer calor de una fuente de baja
temperatura, para esto realiza un sobrecalentamiento del vapor de
refrigerante
5.1.3.-Condensador Funcin: Se encarga de transferir al ambiente
el calor absorbido en evaporador y en el compresor. Reciben el
vapor recalentado el
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proveniente del compresor y deben ser aptos para eliminar el
recalentamiento y efectuar la condensacin. En este caso en
particular se debe llegar al sub-enfriamiento del refrigerante.
5.1.4.- Dispositivo de expansin. Funcin: tubo de cobre enrollado en
forma de resorte, que permite el estrangulamiento del refrigerante
extrado del condensador, en un proceso isoentlpico, disminuyendo su
temperatura y presin.
5.1.5 manmetro y vacumetro. Rango de operacin: 0 kgf 30kgf Rango
de operacin: - 30 psi60 psi
5.1.6 filtro
5.2.-Barmetro Eschiltknech.ing.SIA
Barmetro de cubeta con escala en milmetros de mercurio. Tiene el
nonius correspondiente y correccin termomtrica (Termmetro en
centgrados).
Su procedencia es Zrich, Suiza. Error asociado 0,06 mm
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5.3.-Termometro digital Fluke 51/52 II:
Medidas de termopares tipo J, K, T y E. Lectura en C, F o Kelvin
(K)
5.6.-Termocupla: Marca: Fluke Tipo: K
6.- Descripcin del mtodo seguido: Esta experiencia se realizo en
el laboratorio de termodinmica del departamento de mecnica de la
universidad de Santiago de chile, alrededor de las 17:00 hrs, con
una temperatura ambiente de 20c y una presin atmosfrica de 719
mmHg. El trabajo consiste en analizar un ciclo de refrigeracin por
compresin de vapor, como el refrigerador de una casa cualquiera,
donde se extrae calor de una fuente de baja temperatura y se
rechaza a una fuente de alta temperatura, que para el caso del
refrigerador de casa, esta fuente seria la cocina. Para comenzar la
sesin de laboratorio, nos dirigimos al sistema de refrigeracin
domstico, el cual est formado por el evaporador (parte superior de
un refrigerador comn, congelador) un compresor (cilindro de tamao
mediano, ubicado en la parte inferior trasera del refrigerador), un
condensador (serpentn ubicado en la parte exterior trasera) y una
vlvula de expansin (tubo de cobre enrollado en forma de resorte,
ubicado en la parte inferior trasera del refrigerador comn). Este
sistema es un ciclo, el cual para llevarse a cabo necesita de un
elemento que absorba calor; este es el refrigrate R-12,
(Diclorodifluormetano). La experiencia consiste en hacer funcionar
el ciclo, dejarlo andar un tiempo determinado hasta que se
estabilice, y luego, medir las presiones y temperaturas en cada
etapa del ciclo. Con el manmetro, se mide la presin de condensacin
en la entrada del condensador y con el mano-vacumetro, se mide la
presin de evaporacin, a la salida del evaporador. Por otra parte,
con las termocuplas, se mide la temperatura del refrigerante en los
procesos de evaporacin, compresin y condensacin. Con la informacin
de las presiones se pretende analizar el ciclo de forma ideal y con
los datos de las termocuplas; de forma real.
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7.-presentacion de resultados:
Figura1: ciclo real e ideal del sistema de refrigeracin de la
experiencia. (Grafico presin en funcin de la entalpia)
& Wcp = 1380, 63 kJ hrs & Wcd = 4647 kJ hrs & Wev =
3266,37kJ hrs
& Wcp , = 1002,14 kJ hrs & Wcd , = 4364,15 kJ hrs &
W , = 3200,37 kJ hrsev
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8.- Discusin de los resultados, conclusiones y observaciones: Se
concluye claramente que el ciclo ideal de refrigeracin por
compresin de vapor, es de un carcter utpico, es decir, por ningn
motivo se puede llevar a cabo en un 100%. Esto quedo demostrado en
la variacin de las potencias y en las variaciones de flujo msico
entre el ciclo ideal y el real. Especficamente la disminucin de
este ltimo parmetro, en el ciclo real, se debe a las perdidas y
cadas de presin originadas por el rozamiento, ya sea en el
evaporador como en el condensador. Otra seal clara de la existencia
de estas prdidas es la comprobacin de la conservacin de masa y de
energa. Con la suma algebraica del trabajo por unidad de masa del
proceso de compresin, mas el hecho por la evaporacin, se debe
obtener el trabajo por unidad de masa en el condensador. Esta
expresin se cumple perfectamente en el ciclo ideal, pero en el caso
del ciclo real existe una variacin notoria en este aspecto. Otros
fenmenos que hacen que el ciclo ideal no sea posible, es que el
sistema de refrigeracin, por un tema de cumplimiento de objetivo,
el cual es entregar el calor absorbido al medio ambiente, se ve en
la obligacin de provocar un sub-enfriamiento del liquido en el
condensador, (se puede apreciar levemente en el punto 3) y un
sobrecalentamiento de vapor en el evaporador. A estos fenmenos, se
le suma que la compresin en el compresor no mantiene la entropa
constante. Por otra parte el ciclo real, mejora considerablemente
el sistema de refrigeracin (punto 4 y 4), pero por otro lado
provoca un sobrecalentamiento, lo que genera dos fenmenos; uno
bueno y uno malo. Lo bueno de este fenmeno, es que con el
sobrecalentamiento asegura en el sistema que slo entre vapor al
compresor, pero lo malo es que puede ser mucho el aumento del
calor, lo que puede llegar a daar el equipo. El sistema de
refrigeracin por compresin de vapor es el ms utilizado y ms comn en
la actualidad. Esto quedo demostrado con la relativa simpleza de
sus componentes y con la efectividad que provoc, ya que en el
tiempo que dur la experiencia (breve) en la cmara donde se ubica el
evaporador, la temperatura alcanzo los 14,5C, lo que nos da un
indicio de lo bueno que es como sistema de refrigeracin. Por ltimo,
cabe decir que la experiencia estuvo sometida a mltiples errores,
como por ejemplo que el sistema al momento de ser utilizado se
encontraba en un proceso de estabilizacin, ms el error asociado a
los instrumentos de medicin. Todo esto se combina con el mayor
error, segn mi punto de vista, el cual pertenece a la ubicacin de
los puntos en la grafica presin en funcin entalpia, ya que la
mayora de ellos, al no encontrarse el punto exacto buscado, se
localizaba con una estimacin a criterio del observador.
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9.-Apndice. 9.1 Teora del experimento. 9.1.1.-Refrigeracin: La
refrigeracin puede definirse como la ciencia o arte de enfriar
cuerpos o fluidos a temperaturas menores que aquellas disponibles
en el ambiente, el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor,
que incluye 4 componentes principales: un compresor, un
condensador, una vlvula de expansin y un evaporador (como muestra
la figura 2).consiste en extraer calor de una fuente de baja
temperatura y rechazarlo a una fuente de alta temperatura. Tal
extraccin y rechazo de calor se realiza mediante la realizacin de
un trabajo que para el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor
el elemento se denomina compresor. Considerando el ciclo
esquemticamente como:
Figura 2: Componentes bsicos de un sistema de refrigeracin.
La representacin de los estados termodinmicos en los cuales se
encuentra el ciclo de refrigeracin, Puede realizarse tanto para un
ciclo ideal estndar y real en el diagrama presin v/s entalpia.
(Figura 2) En particular, se define un ciclo estndar como aquel
donde la aspiracin del compresor y descarga del condensador se
realiza para condiciones de vapor y lquido saturado
respectivamente. De esta forma puede visualizar que:
11 Figura 3: Diagrama presin-entalpa de los ciclos ideal y real
de refrigeracin por compresin mecnica de vapores.
Donde se puede identificar los procesos siguientes: Proceso 1-2:
compresin Proceso 2-3: condensacin Proceso 3-4: expansin Proceso
4-1: evaporacin.
Aunque se debe mencionar que en la prctica deben realizarse
ciertos cambios, en forma inevitable o intencionada respecto al
ciclo estndar, entre los cuales se encuentran: Sub-enfriamiento del
lquido en el condensador. Sobre calentamiento del vapor en el
evaporador. Compresin no isoentrpica. Cada de presin por friccin en
evaporador y condensador.
Donde el trabajo total, por unidad de masa en cada proceso
es:
Wcp = ( h2 h1 ) kJ kg Wcd = ( h2 h3 ) kJ kg Wev = ( h1 h4 ) kJ
kg
Por lo tanto la potencia trmica:
& & Wcp = m( h2 h1 ) kJ hrs & & Wcd = m( h2 h3 )
kJ hrs & & Wev = m( h1 h4 ) kJ hrs (*)
9.1.2.-Refrigerante
Un refrigerante es un producto qumico lquido o gas, fcilmente
licuable, que se utiliza para servir de medio transmisor de calor
entre otros dos en una mquina trmica, y concretamente en aparatos
de refrigeracin. Los principales usos son los refrigeradores y los
acondicionadores de aire. Un ejemplo de estos y justamente el
utilizado en la experiencia es el R- 12 (Difluordiclorometano), el
cual es un representante del grupo CFC y un gas claro con un olor
especfico, 4,18 veces ms pesado
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que el aire. Este se dejo de producir ya que sus dos molculas de
cloro son altamente peligrosas para la capa de ozono.
9.2.- desarrollo de los clculos: *nota: las conversiones
www.convertworld.com. de unidades sern realizadas con ayuda de la
pagina web
Datos experimentales:
Pat.: 719 mmHg 0,96 Bar Pcd: 10, 5 kgf / cm 2 11, 26 Bar Pev: 7
lbf / pulg 2 (psi) 1, 44 Bar T1: -18, 9C T2: 57, 7 C T3: 44, 3
C
Datos del compresor:
Dimetro D: 35mm Carrera del pistn L: 25mm Revoluciones por
minuto N: 2800 RPM Nmero de pistn Z = 1
9.2.1.- Clculo del flujo msico real e ideal.
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Antes de realizar todo clculo se debe trabajar, en el grfico de
presin entalpia (7.-presentacion de resultados). En el cual se
trazan las lneas de presin y segn los datos de las temperaturas se
hacen coincidirlos puntos reales del ciclo, lo cual permite obtener
el volumen especfico observando la lnea isovolumetrica
respectiva.
Datos de tabla:
h1 :1140 kJ kg h2 :1181 kJ kg h3 :1043 kJ kg h4 :1043 kJ kg v1 :
0,120 m3 kg
h1, :1145 kJ kg h2 , :1176 kJ kg h3, :1041 kJ kg h4 , :1141 kJ
kg v1, : 0,125 m3 kg
Para determinar el flujo msico, recurrimos a la siguiente
igualdad:
& m=
& caudal volumtrico = volumen especfico v
Donde:
& = A L N Z = D 2 L N Z 60 43 &= 0, 035m 2 0, 025m 2800
RPM 1 60 = 4, 04087 m 4 hrs
Para el flujo msico del ciclo ideal:
& mideal
4, 04087 m3 hrs = =33, 6739 kg hrs 0,120 m3 kg
Luego, para el flujo msico real:
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& mRe al =
4, 04087 m3 hrs = 32,327 kg hrs 0,125 m3 kg
9.2.2.- Clculo de las potencias trmicas del ciclo ideal.
Para determinar este valor en cada ciclo, acudimos a la expresin
(*) citada en la seccin 9.1.1.Refrigeracion, la cual ayudada con la
informacin del grafico, calculamos fcilmente las potencias trmicas
para en proceso de compresin, condensacin y finalmente de
evaporacin.
& & Wcp = m( h2 h1 ) kJ hrs 33, 6739 kgm hrs (1181 1140)
kJ kgm = 1380, 63 kJ hrs & & Wcd = m( h2 h3 ) kJ hrs 33,
6739 kgm hrs (1181 1043) kJ kgm =4647 kJ hrs & & Wev = m(
h1 h4 ) kJ hrs 33, 6739 kgm hrs (1140 1043) kJ kgm =3266, 37 kJ
hrs
9.2.3.- Clculo de las potencias trmicas del ciclo real.
Igual que en el caso anterior, para determinar este valor en
cada ciclo, acudimos a la expresin (*) citada en la seccin
9.1.1.-Refrigeracion, la cual ayudada con la informacin del
grafico, calculamos fcilmente las potencias trmicas para en proceso
de compresin, condensacin y finalmente de evaporacin, pero esta vez
para el ciclo real.
& & Wcp , = m , ( h2 , h1 , ) kJ hrs 32,327 kgm hrs
(1176 1145) kJ kgm = 1002,14 kJ hrs & & Wcd , = m, ( h2 ,
h3 , ) kJ hrs 32,327 kgm hrs (1176 1041) kJ kgm =4364,15 kJ hrs
& & Wev , = m, ( h1, h4 , ) kJ hrs 32,327 kgm hrs (1140
1041) kJ kgm =3200,37 kJ hrs
9.3.- Tabla de valores de resultados obtenidos:
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& & mideal
4, 04087 m3 hrs
33, 6739 kg hrs 32,327 kg hrs 1380,63 kJ hrs4647 kJ hrs
& mRe al& Wcp
& Wcd
& Wev& Wcp , & Wcd ,
3266,37kJ hrs1002,14 kJ hrs
4364,15 kJ hrs
& Wev ,
3200,37kJ hrs
9.4.- bibliografa y pginas web
Termodinmica Cengel- 6 Ed Gua de laboratorio DIMEC
http://www2.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S000155042002000200008&lng=es&nrm=iso
http://www.convertworld.com/es/
