Lab. Ing. Mecanica Lab 6

INFORME No 5

Laboratorio de Ingeniera Mecnica

Refrigeracin por compresin de vapor

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA | FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

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NDICE

1. NDICE ....................................................................................................... 1

2. INTRODUCCIN ........................................................................................ 2

3. FUNDAMENTO TERICO ......................................................................... 3

4. REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE GAS.

4.1. OBJETIVOS ........................................................................................ 16

4.2. EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR ............................................ 16

4.3. PROCEDIMIENTOS ............................................................................. 20

4.4. DATOS TOMADOS ............................................................................. 21

4.5. CLCULOS Y RESULTADOS ............................................................. 22

4.6. OBSERVACIONES .............................................................................. 23

4.7. CONCLUSIONES ................................................................................ 24

4.8. RECOMENDACIONES ........................................................................ 25

5. ANEXOS ................................................................................................... 26

6. BIBLIOGRAFA ........................................................................................ 28

INFORME No 5




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INTRODUCCIN

Es la necesidad generada por la utilidad industrial que poseen los fenmenos termodinmicos, que

obliga a casi todos los tipos de ingenieros a prepararse o al menos en volverse conocedores de los

fenmenos termodinmicos y de los fenmenos fsicos que enmarcan su uso.

Una de las principales reas de aplicacin de la termodinmica es la refrigeracin, que viene hacer la

transferencia de calor de una regin de temperatura inferior hacia una de temperatura mayor. Los

dispositivos que producen refrigeracin se llaman refrigeradores (o bombas de calor), y los ciclos en

cuales operan se denominan ciclos de refrigeracin.

La refrigeracin hoy en da es muy importante para la vida en general, debido a su versatilidad, pues-

to que se puede aplicar en distintos campos de la industria, siendo muy aplicable y difundido en el

almacenamiento y distribucin de alimentos perecibles (carne, frutas y vegetales). An as es comn

que los usuarios confundan la palabra refrigeracin con fro y con enfriamiento; sin embargo, la

prctica de ingeniera de refrigeracin, trata casi enteramente con la transmisin de calor, esta apa-

rente paradoja es uno de los conceptos fundamentales que deben ser comprendidos para entender la

operacin de un sistema de refrigeracin, que conforme desarrollemos la teora iremos aclareciendo.

Por lo que sabemos el ciclo de refrigeracin ms empleado con frecuencia es el de refrigeracin por

compresin de vapor, donde el refrigerante se evapora, se condensa alternamente, y se comprime en

la fase de vapor. Otro ciclo de refrigeracin bien conocido es el ciclo de refrigeracin de gas en el

cual el refrigerante permanece todo el tiempo en la fase gaseosa. Otros ciclos de refrigeracin son la

refrigeracin en cascada, que emplea ms de un ciclo de refrigeracin; la refrigeracin por absorcin,

en la cual el refrigerante se disuelve en lquido antes de comprimirse; y la refrigeracin termoelctri-

ca, que se produce mediante el paso de una corriente elctrica por dos materiales distintos.

En esta experiencia analizaremos el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor, en donde el flui-

do refrigerante utilizado viene de la familia de los clorofluorocarbonos (CFC). Para esta experiencia

se ha elegido el R-12, por ser el ms utilizado y que recibe el nombre comercial de Fren. El R-12 se usa generalmente en refrigeradores domsticos y congeladoras, as como en acondicionadores de

aire automotrices.

Los objetivos del informe a grandes rasgos son: Comprobar experimentalmente los principios bsi-

cos del funcionamiento de un ciclo de refrigeracin y bomba de calor por compresin de vapor; as

como tambin conocer el esquema de todo el equipo, sus parmetros e instrumentos de medicin,

utilizados en la experiencia. Una vez finalizada la experiencia deberemos determinar los parmetros

ms importantes tales como efecto refrigerante til, trabajo de compresin, coeficientes de perfor-

mance y eficiencia adiabtica del compresor, calor transferido, potencia de compresin, eficiencia

mecnica, eficiencia volumtrica y el respectivo balance trmico.

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FUNDAMENTO TERICO

DEFINICIONES PREVIAS

1. RESEA HISTRICA

La utilizacin del fro es un proceso conocido ya desde muy antiguo; en el siglo XII los chinos utili-

zaban mezclas de salitre con el fin de enfriar agua; los rabes en el siglo XIII utilizaban mtodos

qumicos de produccin de fro mediante mezclas; en los siglos XVI y XVII, investigadores y auto-

res como Boyle, Faraday (con sus experimentos sobre la vaporizacin del amonaco) etc, hacen los

primeros intentos prcticos de produccin de fro.

En 1834, Perkins desarrolla su patente de mquina frigorfica de compresin de ter y en 1835 Thilo-

rier fabrica nieve carbnica por expansin; Tellier construy la primera mquina de compresin con

fines comerciales, Pictet desarrolla una mquina de compresin de anhdrido sulfuroso, Linde otra de

amonaco, Linde y Windhausen la de anhdrido carbnico, Vincent la de cloruro de metilo, etc. Un

captulo aparte merece Carr, propulsor de la mquina frigorfica de absorcin y Le Blanc-Cullen-

Leslie la de eyeccin.

Desde el punto de vista de sus aplicaciones, la tcnica del fro reviste un gran inters dentro de la

evolucin industrial la que obliga la continua alza de la vida. La refrigeracin tiene un amplsimo

campo en lo que respecta a la conservacin de alimentos (Barcos congeladores de pescado en alta

mar, plantas refrigeradoras de carnes y verduras), productos farmacuticos y materias para la indus-

tria (Plantas productoras de hielo, unidades de transporte de productos congelados, barcos, aviones,

trenes, camiones, etc.), en sistemas de acondicionamiento de aire y calefaccin, etc.

Esto da una idea del grandsimo inters universal que reviste el frigorfico industrial desde el punto

de vista econmico, humano y social.

2. TCNICAS Y SISTEMAS DE PRODUCCIN DEL FRO

Hablar de produccin de fro es tanto como hablar de extraccin de calor; existen diversos procedi-

mientos que permiten su obtencin, basados en el hecho de que si entre dos cuerpos existe una dife-

rencia de temperaturas, la transmisin de calor de uno a otro se puede efectuar por conduccin y

radiacin.

PROCEDIMIENTOS QUMICOS Estn basados en el uso de determinadas mezclas y disoluciones que absorben calor del medio que

las rodea; se trata de procesos no continuos, de nulo inters y aplicacin prcticos, slo aptos para

determinados trabajos de laboratorio.

PROCEDIMIENTOS FSICOS Se puede conseguir un descenso de temperatura mediante procesos fsicos, como la expansin de un

fluido en expansores y en vlvulas de estrangulamiento, fundamento de las actuales mquinas indus-

triales de produccin de fro; este tipo de sistemas admite la siguiente clasificacin:

SISTEMAS BASADOS EN EL CAMBIO DE ESTADO DE UNA SUSTANCIA

En estos sistemas interviene el calor latente del cambio de estado y se puede hacer la siguiente sub-

divisin:

FUSIN, en que la produccin de fro, o lo que es lo mismo, la sustraccin de calor a la carga a re-

frigerar, se utiliza para pasar a una sustancia del estado slido al de lquido; est muy extendida la

fusin del hielo, o de mezclas eutcticas, que al cambiar de estado captan calor del entorno.

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SUBLIMACIN, en que el paso se efecta de slido a gas mediante la adicin de calor, siendo el

ejemplo ms representativo el anhdrido carbnico, para la produccin de nieve carbnica.

VAPORIZACIN, en donde se engloban todos los procesos en los que un lquido pasa a fase de va-

por al suministrrsele una cierta cantidad de calor, pudindose distinguir dos casos:

CIRCUITO ABIERTO (VAPORIZACIN DIRECTA) Donde el fluido capta el calor de la carga a en-

friar y una vez ha modificado su estado ya no se vuelve a utilizar; este es el caso de algunos

transportes que utilizan nitrgeno como medio de produccin de fro.

CIRCUITO CERRADO En que a diferencia del anterior, el fluido se recupera con vistas a ser uti-

lizado en un proceso cclico.

Como caracterstica general de estos mtodos, hay que hacer un aporte de energa al siste-

ma y utilizar fluidos que vaporicen a baja presin.

CLASIFICACIN

Las mquinas frigorficas se pueden clasificar, segn el sistema utilizado para la recogida de vapo-

res, en la siguiente forma:

MQUINAS DE ADSORCIN: En las que los vapores son captados mediante un absorbente slido.

MQUINAS DE ABSORCIN: En las que los vapores que se forman aadiendo calor al sistema, son ab-

sorbidos y recuperados mediante un absorbente lquido.

MQUINAS DE COMPRESIN: En las que los vapores son aspirados y comprimidos mediante un compre-

sor y licuados en un condensador; los compresores pueden ser de mbolo o rotativos, con o sin refri-

geracin intermedia. Los equipos frigorficos a base de compresores de mbolos y funcionamiento

automtico, son los que se utilizan casi exclusivamente en los frigorficos industriales.

MQUINAS DE EYECCIN: En las que los vapores son arrastrados por el efecto Venturi que genera el

paso de otro fluido a gran velocidad.

SISTEMAS BASADOS EN LA EXPANSIN ADIABTICA DE UN FLUIDO GASEOSO

En estos sistemas se consigue el enfriamiento del mismo, mediante dos tipos de mquinas:

a) Para la produccin de aire lquido, (efecto Joule-Thomson)

b) Las mquinas refrigeradoras de aire, en las que el aire comprimido al expansionarse en un expan-

sor (turbina o cilindro de trabajo), se enfra, realizando al mismo tiempo un trabajo, que puede ser

aprovechado para la compresin del aire.

SISTEMAS BASADOS EN LA ELEVACIN DE LA TEMPERATURA DE UN FLUIDO FRIGORGERO

En estos sistemas se utiliza un fluido frigorgeno (salmuera) que previamente se ha enfriado por al-

gn tipo de procedimiento; durante el enfriamiento de la salmuera no se produce cambio de estado

en la misma, ni tampoco cuando sta capta calor del producto a enfriar, por lo que el calor eliminado

de la carga lo toma la salmuera en forma de calor sensible.

MTODOS ESPECIALES: Existen otros mtodos en los que la produccin de fro se obtiene por tcnicas

distintas de las anteriormente descritas, pudindose enunciar, entre otras, las siguientes:

EFECTO PELTIER (TERMOELCTRICO): Este mtodo est basado en el fenmeno que tiene lugar al pasar

la corriente elctrica por un circuito compuesto por dos conductores distintos, unidos por un par de

soldaduras.

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Al pasar la corriente elctrica por el circuito, una de las uniones se enfra, pudindose utilizar como

fuente fra, mientras que la otra se calienta.

EFECTO HAAS-KEENSON: Es un mtodo que permite alcanzar temperaturas prximas a 0K, menores

de 0,001K, mediante la desimantacin de una sal paramagntica. El proceso de descenso de la tem-

peratura se inicia enfriando previamente la sal mediante helio lquido; una vez alcanzado el nivel

trmico deseado, se somete a la sal a la accin de un campo magntico muy potente que orienta sus

molculas, lo que origina un desprendimiento de calor que se elimina a travs del gas licuado; una

vez conseguida la eliminacin del calor se asla la sal y se desconecta el campo magntico, con lo

que las molculas de la sal vuelven a su estado inicial, para lo que se requiere un trabajo que, por

estar la sal completamente aislada, lo obtiene de su propia energa interna, ocasionando un descenso

en la temperatura hasta los lmites mencionados.

EFECTO ETTINGSHAUSEN (TERMO-MAGNETO-ELCTRICO): Segn este mtodo, cuando por un conductor

circula una corriente elctrica, en presencia de un campo magntico perpendicular al mismo, el mate-

rial del conductor se ve afectado por la presencia de un gradiente de temperaturas que se produce en

direccin perpendicular a la de los campos, de forma que uno de los extremos del conductor absorbe

calor, mientras que el otro lo desprende.

EFECTO DE RANKE-HILSH (TORBELLINO): Cuando una corriente de aire comprimido se inyecta tangen-

cialmente a velocidad snica en una cmara tubular, se crea un movimiento circular ciclnico, ob-

servndose un enfriamiento del aire en la zona cercana al eje del cilindro, fenmeno que es debido a

la expansin de este aire y al descenso de temperatura que provoca; el aire situado en la periferia

experimenta un calentamiento. Es un proceso apenas utilizado, restringido al acondicionamiento de

equipos y trajes de trabajo en ambientes txicos y clidos.

3. COEFICIENTE DE EFECTO FRIGORFICO

Los ciclos inversos de motores trmicos, o ciclos frigorgenos, permiten la transferencia de calor

desde una fuente fra, hasta otra fuente a mayor temperatura, fuente caliente; estos ciclos vienen ca-

racterizados por un coeficiente de efecto frigorfico, que es la relacin entre la cantidad de calor ex-

trada a la fuente fra y el trabajo aplicado al ciclo mediante un compresor.

Para un mismo salto de temperatura entre la fuente caliente y la fuente fra, se pueden considerar los

siguientes coeficientes de efecto frigorfico:

a) Coeficiente de efecto frigorfico terico del ciclo. [COPTEORICO]

b) Coeficiente de efecto frigorfico del ciclo de Carnot correspondiente. [COPC. ]

c) Coeficiente de efecto frigorfico real. [COPREAL o COP]

El coeficiente de efecto frigorfico terico del ciclo es:

Donde:

: Potencia frigorfica o cantidad de calor extrada del foco fro (vaporizador). : Trabajo aplicado al fluido (por el compresor) en condiciones ideales. El coeficiente de efecto frigorfico del ciclo de Carnot es:

Donde:

: Temperatura del foco fro (vaporizador). : Temperatura del foco caliente (condensador). El coeficiente de efecto frigorfico real es:

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Donde:

: trabajo especfico real aplicado al fluido por el compresor.

El valor del trabajo real [ o ] se puede deducir a partir del concepto de crecimiento de entropa a lo largo del ciclo, debido a la irreversibilidad del mismo, de la forma:

| |

Despejando :

De acuerdo con el Segundo Principio de la Termodinmica, el trabajo mnimo reversible a aplicar al

ciclo se corresponde con el trabajo del ciclo de Carnot, por lo que:

En la que es la misma que la del ciclo real, pero no,

En un proceso reversible se tiene que la variacin de entropa total es cero, es decir:

El trabajo del ciclo de Carnot es:

El trabajo real es:

Es decir, el trabajo real es igual al trabajo mnimo reversible aumentado en la cantidad ( ) que es una energa que hay que aplicar, que queda ligada al fluido frigorgeno y que no se puede aprove-

char, porque es consecuencia de la irreversibilidad del proceso.

Una buena mquina frigorfica ser aquella capaz de extraer una gran cantidad de calor de un foco

fro qv a expensas de una pequea cantidad de energa Tr aplicada a la misma mediante el compresor.

4. MAQUINAS FRIGORFICAS DE AIRE

Las mquinas frigorficas de aire funcionan segn un ciclo Joule; este tipo de mquinas tienen un

importante consumo de energa, pero a pesar de ello, la seguridad que supone el utilizar aire como

fluido frigorgeno y el poco peso de las instalaciones (compresores rotativos), hace que sean factores

decisivos a la hora de su utilizacin en sistemas de acondicionamiento de aire.

CICLO TERICO

Teniendo en cuenta el esquema que se presenta en la Fig.1, el aire se puede expansionar en una m-

quina de pistn o en una turbina, de 3 a 4; el calor q2 se extrae del medio a refrigerar segn (4 a 1) a

la presin p1 y despus el aire se comprime isotrpicamente hasta la presin P2 que reina en el cam-

biador de calor; finalmente el aire se refrigera segn (2 a 3) a presin constante.

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El balance energtico de este ciclo es:

El coeficiente de efecto frigorfico terico es:

Si se asimila el aire a un gas ideal, el calor especfico se puede considerar constante Cp = Cte y la

expresin del efecto frigorfico terico es:

Teniendo en cuenta que en las transformaciones adiabticas se cumple:

Resulta:

CICLO REAL

En un ciclo real existe un incremento de entropa y las entalpas finales, tanto en la compresin como

en la expansin, son ms elevadas que en el ciclo ideal; el trabajo necesario para la compresin es

mayor debido al rendimiento interno del compresor y el obtenido en la expansin, menor; los rendi-

mientos internos del compresor y del expansor permiten introducir en los clculos el concepto de

irreversibilidad.

Fig.1 Ciclo Terico de Refrigeracin con aire

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El rendimiento interno del compresor es:

Las entalpas especficas de los diversos puntos del diagrama son:

Y de ellas se deducen los calores, tanto el extrado del foco fro (q2r = qvr) como el eliminado al

foco caliente (q1r= qcr) de la forma:

El trabajo que el compresor aplica al fluido es:

El trabajo que el motor aplica al compresor es:

El trabajo terico a aplicar al compresor, (trabajo de circulacin), se calcula en la forma:

(

)

La eficiencia COP del ciclo real es:

Fig.2 Diagrama de un ciclo real de aire

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9

El ciclo real de la mquina de fluido no condensable muestra que a medida que nos aproximamos al

ciclo ideal, el coeficiente de efecto frigorfico tiende al del ciclo de Carnot; haciendo, he = hc = 1, se

obtiene:

Que es el coeficiente de efecto frigorfico del ciclo de Carnot entre las temperaturas T1 y T2; se ob-

serva que al disminuir el efecto de la irreversibilidad externa, al tiempo que aumenta la irreversibili-

dad interna, debera existir un valor ptimo para el coeficiente de efecto frigorfico real COP.

Para su determinacin partiremos de que el rendimiento interno del compresor hc y del expansor he,

son constantes. Derivando la expresin del COP respecto a T4, e igualando a cero, se obtiene la si-

guiente condicin:

Dividindola por T1 y ordenndola en T4, resulta:

(

)

Que para (nc = ne = 1) se obtiene (T4 = T1) que dice que la temperatura de salida del expansor en

estas circunstancias tendra que ser igual a la de entrada en el compresor, cuestin que es imposible

en el caso de que el fluido sea no condensable pero perfectamente vlida para los condensables por

cuando las presiones y temperaturas de salida de la expansin y de entrada en la compresin son

respectivamente iguales; de esto se deduce que los gases no son fluidos satisfactorios para ser utili-

zados en plantas de refrigeracin.

CICLO DE CARNOT DE UN FLUIDO CONDENSABLE

La ventaja del ciclo de una mquina frigorfica de fluidos condensables respecto a la mquina frigo-

rfica de gas, radica en la utilizacin del fluido en sus dos fases, lquida y gaseosa, que permite no

slo el que tcnicamente se pueda realizar el ciclo de Carnot inverso, sino porque las temperaturas al

final de la expansin y a la entrada en el compresor son iguales, por lo que se puede optimizar el

coeficiente de efecto frigorfico. El funcionamiento de una mquina frigorfica de fluidos condensa-

bles que utiliza un ciclo de Carnot, Fig.3, es como sigue:

Un compresor accionado por un motor aumentara la presin del fluido desde P2 a P1, segn la

transformacin (AB), alcanzndose la temperatura T1; esta compresin sera seguida de una conden-

sacin isoterma (BC) en la que el calor q1 es evacuado al foco trmico caliente; el agua fra del con-

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densador juega el papel de foco caliente de la mquina frigorfica, circulando en contracorriente con

el fluido que viene del compresor y absorbiendo el calor q1.

El fluido una vez licuado se expansiona isoentrpicamente en un expansor (CD), disminuyendo su

presin y temperatura, con lo que se vaporiza parcialmente, llegando en estas condiciones al evapo-

rador, estado D, inicindose la vaporizacin isoterma (DA), durante la cual el calor q2 puede ser

absorbido del recinto a enfriar, o de una disolucin de ClNa (salmuera), que circulara en contraco-

rriente con el vapor a una temperatura Tr mayor que T2.

Esta sustancia se puede enfriar hasta - 15C sin congelar, actuando como fuente fra; la salmuera as

refrigerada circulara por conducciones apropiadas para la refrigeracin de otro sistema.

La parte evaporada del fluido condensable vuelve al compresor, inicindose de nuevo el ciclo.

El rea por debajo de (DA) representara el calor q2 absorbido a la fuente fra de valor (iA - iD) y el

rea (ABCDA) sera el trabajo TC aplicado al fluido por el compresor.

El coeficiente de efecto frigorfico viene dado, como sabemos, por:

El fluido que recorre el ciclo debe licuar fcilmente, por lo que su temperatura crtica tiene que ser

superior a las temperaturas mximas de funcionamiento del fluido.

El trabajo mnimo reversible, necesario para extraer el calor q2 del foco fro es:

Fig.3 Ciclo de Carnot de un fluido condensable

INFORME No 5




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APLICACIN A LA EXPERIENCIA DE LABORATORIO

Para transferir calor de una regin de baja tempera-

tura a una de alta temperatura se aprovecha un ciclo

trmico inverso (instalaciones frigorficas), denomi-

nndose ciclo inverso aquel donde se entrega trabajo

a la mquina trmica para que este pueda realizar la

transferencia de calor de la fuente fra a la fuente

caliente, de este modo se puede refrigerar o calentar

un ambiente.

Por unidad de masa del fluido que se utiliza como

sustancia de trabajo, tenemos:

1q4 = 2q3 + WC

1q4 =calor que se cede a la fuente caliente, (BTU/lb o

KJ/kg)

2q3 =calor que se extrae de la fuente fria. (BTU/lb o

KJ/kg)

WC =trabajo aplicado al ciclo (BTU/lb o KJ/kg)

REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR Los refrigeradores son dispositivos cclicos utilizados para refrigerar un ambiente, extrayendo calor

QL del espacio a refrigerar y enviando este calor hacia el medio ambiente que se encuentra a una

mayor temperatura. La descarga de este calor a una temperatura mayor es parte necesaria de la ope-

racin, ms no el propsito (Fig. 5).

En cambio el objetivo de la bomba de calor es de calentar una ambiente a una temperatura mayor a la

del medio ambiente; esto es logra al absorber calor de una fuente de baja temperatura, como el agua

de un pozo o el aire frio del invierno, entregando este calor QL a un medio ms caliente, como una

casa (Fig. 6). Los refrigeradores y bombas de calor son, en esencia, los mismos dispositivos; solo

difieren en sus objetivos.

MT

FUENTE

CALIENTE

FUENTE

FRA

TRABAJO

1q4

2q3

Fig.4 Ciclo de Carnot de una

mquina invertida

Espacio refrigerado

Medio

R

QL= salida

WNETO= entrada

requerida

Medio

Casa

B

WNETO= entrada requerida

QL= salida

Fig.5 Descarga de calor de un medio de menor temperatura a uno de mayor temperatura.

Fig. Uso practico de la transferencia por mquina inversa.

INFORME No 5




12

El rendimiento de refrigeradores y de bombas de calor se expresa en trminos del coeficiente de ope-

racin (COP), el cual se define como:

NETO

L

RW

Q

trabajodeentrada

toenfriamiendeefecto

requeridaentrada

deseadasalidaCOP ===

NETO

L

BCW

Q

trabajodeentrada

deefecto

requeridaentrada

deseadasalidaCOP ===

ntocalentamie

1COPCOPRBC

+=

PARTES DE UNA INSTALACIN POR COMPRESIN DE VAPOR

Fig.7 Instalacin del refrigerador

por compresin de vapor

INFORME No 5




13

CICLO DE UNA INSTALACIN FRIGORFICA POR COMPRESIN

En el diagrama T-S; para conseguir el suministro y la extraccin de calor siguiendo isotermas se

logra y en calidad de agente refrigerante se emplea vapor hmedo de cualquier liquido cuyo punto de

ebullicin sea bajo; por lo que el punto de ebullicin a presin atmosfrica debe tener una temperatu-

ra ts < C. La comparacin con el ciclo rankine, es natural.

ESQUEMA DEL CICLO

a) Proceso de condensacin siguiendo la isobara-isoterma; 4-1. b) Para que realice trabajo un lquido saturado, es un detalle difcil de resolver, es por ello que

no se emplean expansores sino se aplica un proceso de estrangulacin.

c) Un proceso de estrangulacin siempre transcurre con descenso de la temperatura y si el pro-ceso a su vez es adiabtico aumenta tambin la entropa.

d) De (1) a (2) se estrangula el refrigerante hasta P2 obtenindose vapor hmedo. e) Despus de salir de la vlvula de reduccin, el vapor hmedo se dirige al evaporador que se

halla en el espacio que hay que enfriar; absorbe calor aumentando la calidad del vapor h-

medo.

f) En el proceso isobrico-isotrmico (2)- (3); donde la presin Pz se ha elegido de manera que la temperatura de saturacin respectiva a esta presin sea lago inferior a la temperatura del

espacio que se enfra.

g) Despus la vlvula de reduccin (a diferencia del expansor); nos permite realizar una regula-cin suave de la temperatura en el espacio que hay que enfriar, variando el grado de apertura

de dicha vlvula del cual depende la presin y temperatura del vapor hmedo en el evapora-

dor.

h) En el compresor se comprime adiabticamente desde p3 a p4, generalmente sale vapor seco saturado; puede darse el caso que resulte vapor en el regin de saturacin o de recalenta-

miento. Se puede aumentar el rendimiento interno relativo del comprensor si ingresa al com-

prensor vapor saturado seco.

Fig.8 Ciclo termodinmico de

una instalacin del refrigerador

INFORME No 5




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CICLO DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR

1

2 3

4 T

s

1

2 3

4

h

P

Fig.9 Ciclo termodinmico de una instalacin

del refrigerador por compresin de vapor

compresin de vapor

INFORME No 5




15

CICLO REAL DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR

Un ciclo real de refrigeracin por compresin difiere de uno ideal de varias maneras, debido princi-

palmente a las irreversibilidades que suceden en varios componentes. Principalmente estos se deben

por la friccin del fluido (provoca cadas de presin) y la transferencia de calor hacia o desde los

exteriores. En el ciclo ideal el refrigerante entra al compresor como vapor saturado. En la prctica

esto no es posible, pues difcil controlar el estado del refrigerante con tanta precisin. En lugar de

esto, se disea el sistema de modo que el refrigerante se sobrecaliente ligeramente en la entrada del

compresor, de esta manera se asegura que el refrigerante se evapore por completo antes de ingresar

al compresor. En la lnea que conecta al compresor con el evaporador, la cada de presin ocasionada

por la friccin del fluido y la transferencia a de calor de los alrededores al refrigerante puede ser muy

significativa, ocasionando esto un aumento del volumen especfico y, por tanto, un aumento en los

requerimientos en la entrada de potencia al compresor.

En el proceso de compresin real se incluyen los efectos de rozamiento, los cuales incrementan la

entropa, y la transferencia de calor, lo cual puede incrementar o disminuir la entropa, depende de la

direccin. Por consiguiente, la entropa del refrigerante puede aumentar o disminuir durante el proce-

so de compresin real, depende de los efectos que predominen.

En el caso ideal se supone que l refrigerante sale del condensador como lquido saturado a la presin

de salida del compresor; sin embargo, en realidad se tienen una cada de presin en ele condensador

as como en las lneas que lo conectan con el compresor y con la vlvula de estrangulamiento. Ade-

ms no es tan fcil ejecutar el proceso de condensacin con tal precisin para que el refrigerante sea

lquido saturado al final, y es indeseable enviar el refrigerante al la vlvula de estrangulamiento antes

de que la totalidad del mismo se condense por completo. Es por ello que el refrigerante se enfra un

poco antes de que entre a la vlvula de estrangulamiento. La vlvula de estrangulamiento y el evapo-

rador se localizan muy prximos uno del otro, de este modo la cada de presin en la lnea es peque-

a.

En los siguientes grficos de la figura 9 se puede apreciar el ciclo real de refrigeracin por compre-

sin de vapor saturado.

INFORME No 5




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REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR

1. OBJETIVOS

Los objetivos que nos llevaron a realizar el presente laboratorio fue:

1. Comprobar experimentalmente los principios bsicos del funcionamiento de un ciclo de re-frigeracin y bomba de calor por compresin de vapor.

2. Comprobar experimentalmente los ciclos termodinmicos en el proceso de refrigeracin por compresin de vapor (R-12).

3. Conocer el esquema de todo el equipo, sus parmetros e instrumentos de medicin, utiliza-dos en la experiencia.

4. Determinar los parmetros ms importantes tales como efecto refrigerante til, trabajo de compresin, coeficientes de performance y eficiencia adiabtica del compresor, calor trans-

ferido, potencia de compresin, eficiencia mecnica, eficiencia volumtrica y el respectivo

balance trmico.

5. Reforzar la coordinacin grupal e inteligencia interpersonal y verificar las ecuaciones de transferencia energtica enunciadas para el sistema experimentado.

2. ELEMENTOS Y MATERIALES A UTILIZAR:

El equipo utilizado en la experiencia es el TECHNOVATE, MOD.7086 y consta de:

1. COMPRESOR

Fabricante y modelo : Copeland, modelo JRL4-0050-1AA

Dimetro : 1.550 pulgadas

Carrera : 0.625 pulgadas

Desplazamiento : 1.178 pulg3

Capacidad de aceite : 20 onzas.

CARACTERSTICAS DEL MOTOR

Potencia : 1/2 HP = 373 W

Voltaje, ciclos, amperaje : 110 V, 60 Hz, 9.7 A

RPM : 3500

2. CONDENSADOR Y EVAPORADOR

TUBERA

Material : Cobre

Nmero (pasos) : 20

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Longitud de paso : 12 pulgada

Dimetro : 3/8 pulgadas OD (0.016 pulgadas pared)

VENTILADOR

Alabe (tipo hlice) Nmero : 3

Paso : 27o

Dimetro : 12 pulgadas nominal

MOTOR

Tipo : Monofsico (1/30 HP)

Voltaje : 115 V

Ciclos : 60 Hz

Amperaje : 10 A

Velocidad

Condicin Alta (H alta) : 1500 R.P.M. aprox.

Condicin Media (M media) : 1025 R.P.M. aprox.

Condicin Baja (B baja) : 800 R.P.M. aprox.

3. MEDIDOR DE FLUJO

Construccin : Base de Aluminio, accesorios de cobre y un tubo prex

Capacidad (Lb/min de R-12 y 100o F, -131.86PSIG): 0.5 - 3.0 Lb/min

4. FILTRO SECADOR

Material : Acero / Cobre

Capacidad : 5 pulg3

Deshidratador : Silica Gel.

5. TUBO CAPILAR Y FILTRO DE MALLA

Filtro de malla : 2

Capacidad : 1/2 Ton.

6. VLVULA DE EXPANSIN TERMOSTTICA

Tipo y Modelo : TCL 50 FW 55

Rango : 50o F a 40

o F

Capacidad : 1/2 Ton

Entrada : 3/8 pulg SAE

Salida : 1/2 pulg SAE

INFORME No 5




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7. TANQUE RECEPTOR DE LQUIDO REFRIGERANTE, TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE

ACEITE, TANQUE ACUMULADOR DE ACEITE Y REFRIGERANTE

Dimetro : 2 15/16 pulg

Tubo de Vidrio : Alta presin

MANMETRO

Tipo : Bourdon

Dimetro del dial : 3 1/2 pulg

Escala : 0 - 200 PSIG

Precisin : 2%

TERMMETRO

Tipo : Bimetlico

Dimetro del dial : 2 pulg

Escala : 0 200o F

Precisin : 2%

Adems se requiere de un anemmetro; para la medicin de los flujos de aire que salen de los

ventiladores.

Fig.10 Anemmetro

INFORME No 5




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INFORME No 5




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3. PROCEDIMIENTOS

Para el desarrollo de la experiencia de laboratorio con el equipo de refrigeracin y bomba de ca-

lor se desarroll el siguiente procedimiento:

BOMBA DE CALOR

1. Se verific la operatividad de los instrumentos y del equipo para el ensayo. El sistema se co-loc en sentido inverso para que operase como sistema de Bomba de Calor, es decir, quitan-

do calor de un ambiente para suministrarlo en otro.

2. Se puso en marcha el equipo; las lecturas se realizaron para cuatro casos de exigencia del equipo: funcionando en Media-Media, Media-Alta, Alta-Media y Alta-Alta; para cada caso

se regula la alimentacin de energa del compresor.

3. En cada caso se esper hasta que el sistema se estabilice para lograr lecturas que efectiva-mente nos describan el ciclo en proceso.

4. Para cada una de las exigencias del equipo se tomaron los siguientes datos: Potencia, voltaje, corriente, presiones P1, P2, P3 y P4 y las temperaturas T1, T2, T3 y T4, correspondientes a

los puntos que determinan el ciclo de bomba de calor; adems de la temperatura y velocidad

del viento a la salida del evaporador y del condensador as como tambin el flujo msico de

refrigerante.

SISTEMA DE REFRIGERACIN

5. El sistema se coloc para que operase como sistema refrigeracin, es decir, quitando calor de un ambiente a refrigerar para suministrarlo al exterior. En el sistema de refrigeracin el eva-

porador recibe calor del ambiente a refrigerar (a menor temperatura) y es el condensador el

que lo disipa en el medio exterior (a mayor temperatura).

6. Al igual que en el caso de la experiencia como Bomba de Calor, las mediciones se realizaron para cuatro casos de exigencia del equipo: funcionando en Media-Media, Media-Alta, Alta-

Media y Alta-Alta; para cada caso se regula la alimentacin de energa del compresor.

7. En cada caso se esper hasta que el sistema se estabilice para lograr lecturas que efectiva-mente nos describan el ciclo en proceso.

8. Para cada una de las exigencias del equipo se tomaron los siguientes datos: Potencia, voltaje, corriente, presiones P1, P2, P3 y P4 y las temperaturas T1, T2, T3 y T4, correspondientes a

los puntos que determinan el ciclo del sistema de refrigeracin; adems de la temperatura y

velocidad del viento a la salida del evaporador y del condensador as como tambin el flujo

msico de refrigerante.

INFORME No 5




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4. DATOS TOMADOS

PRUEBAS LOS VOLTAJES DE ENTRADA

h1(kJ/kg) h2(kJ/kg) h3(kJ/kg) h4(kJ/kg) Wr=qr(kJ/kg) qa (kJ/kg) Wc(kJ/kg)

M_M 228.74 77.985 33.8456 201.296 167.4504 150.755 27.444

M_A 234.025 74.587 35.798 207.325 171.527 159.438 26.7

A_A 232.56 66.684 33.865 206.856 172.991 165.876 25.704

A_M 233.586 66.752 32.875 202.283 169.408 166.834 31.303

m(kg/min) m(kg/s) Pc(kJ/s) COPciclo COPo nm

M_M 0.79 0.01316667 0.361346 6.10153039 0.00592678 0.01640196

M_A 0.75 0.0125 0.33375 6.42423221 0.00576368 0.01726944

A_A 0.85 0.01416667 0.36414 6.73011983 0.00658792 0.01809172

A_M 0.7 0.01166667 0.36520167 5.41187746 0.00531297 0.01454806

PRUEBA EN VACIN

W compresor

(kJ/kg)

W ventiladores

(kJ/kg)

W compresor

(kJ/kg)

M_M 880 150 361.643

M_A 900 140 333.75

A_A 900 120 364.14

A_M 760 130 365.20137

INFORME No 5




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5. CLCULOS Y RESULTADOS

P1 (PSI) P1 (MPa) T1 (OC) h1(kJ/kg)

M_M 125 0.86206897 78.0 228.74

M_A 128 0.88275862 80.2 234.025

A_A 106 0.73103448 74.5 232.56

A_M 104 0.71724138 76.1 233.586

P4 (PSI) P4 (MPa) T4 (OC) h4(kJ/kg)

M_M 32 0.22068966 19 201.296

M_A 36 0.24827586 20.5 207.325

A_A 34 0.23448276 21.2 206.856

A_M 30 0.20689655 20.6 202.283

P2 (PSI) P2 (MPa) T2 (OC) h2T(kJ/kg) h2P(kJ/kg)

M_M 124 0.85517241 39.1 72.985 69.725

M_A 128 0.88275862 40.1 74.587 72.654

A_A 115 0.79310345 31.2 66.684 66.582

A_M 103 0.71034483 31.6 66.752 65.687


M_M 35 0.24137931 3.1 38.597 29.672

M_A 38 0.26206897 5 40.694 31.462

A_A 36 0.24827586 3.3 38.678 29.782

A_M 34 0.23448276 1.6 37.123 28.752


M_M 32 0.22068966 19 54.225 27.635

M_A 36 0.24827586 20.5 54.972 28.572

A_A 34 0.23448276 21.2 55.865 28.292

A_M 30 0.20689655 20.6 55.426 25.974

INFORME No 5




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OBSERVACIONES

A la final del proceso de estrangulacin la sustancia de trabajo se encuentra como mezcla, en consecuencia para una presin dada le debe de corresponder una nica

temperatura y viceversa; pero los datos del laboratorio no corroboran lo anterior. Es-

to se debe a errores de lectura en los instrumentos, debido a que los equipos no son

instrumentos de precisin en especial los manmetros. Para evitar estos errores es

conveniente implementar el laboratorio con equipos digitales.

El refrigerante al abandonar el condensador se encuentra como lquido comprimido, esto se confirma con la lectura de las propiedades en el equipo (presin y temperatu-

ra); pero en vista de que en tablas no se puede encontrar propiedades para el fren 12

como LSE o LC, entonces se asumen las propiedades de saturacin del lquido, esto

no implica un demasiado error en nuestros clculos.

Las propiedades a la salida del evaporador no son compatibles, esto se justifica de la siguiente manera, probablemente el refrigerante se encuentre como mezcla por tanto

solo se requiere de una propiedad (presin o temperatura) porque se encuentra en la

zona de saturacin, pero en nuestro caso se conocen dos propiedades (presin y tem-

peratura); errores de lectura, errores de los instrumentos y otras razones que implican

un inadecuado valor para el clculo justifican que estos valores no se correspondan

mutuamente como debe ser, es decir que para una presin de saturacin existe solo

una temperatura de saturacin y viceversa, a pesar de que estos sean mas o menos

iguales.

Lo anterior evidencia la presencia de liquido en el ingreso del compresor lo cual, re-sulta perjudicial, pues este equipo trabaja ptimamente con una sustancia en estado

gaseoso (compresin seca). Un inconveniente directo en el trabajo del compresor an-

te la presencia de las gotitas de liquido es que pueden arrastrar el aceite de lubrica-

cin de las paredes del cilindro acelerndose el desgaste de este.

INFORME No 5




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CONCLUSIONES

Se comprueba que es factible el trabajo de un equipo de refrigeracin como una bomba de calor, invirtiendo el sentido de flujo de la masa refrigerante, mediante una

vlvula solenoide.

Es evidente la cada de presin en los intercambiadores de calor producto de la fric-cin del fluido con las tuberas.

El COP terico disminuye a medida que crece la carga trmica para la bomba de ca-lor.

El COP terico aumenta a medida que aumenta la carga para el equipo trabajando como sistema de refrigeracin.

Las tendencias son las mismas para los valores evaluados a partir de los beneficios netos como son el enfriamiento o calentamiento del aire atmosfrico.

INFORME No 5




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RECOMENDACIONES

Seguir las indicaciones del ingeniero o tcnico a cargo, debido a que el equipo requiere ms cuidados que en otros casos.

Estar atentos a los controles usados, as como al funcionamiento correcto del sistema.

No cambiar bruscamente el valor de los voltajes de alimentacin; ya que puede producir efectos indeseados o hasta podra malograr el equipo.

Siempre espera a que se estabilice el flujo en el equipo para empezar las mediciones, de lo contrario podemos obtener datos que se alejen mucho de la realidad.

INFORME No 5




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ANEXOS

TERMOCAUDALIMETRO DE AIRE

El termocaudalmetro de rueda alada puede medir la velocidad del aire, la temperatura

del aire as como el caudal. El termocaudalimetro de rueda alada PCE-TA 30 se usa al

instante y le indica los valores de medicin bien en la gran pantalla que integra ilumina-

cin de fondo. El equipo permite mantener en pantalla el valor actual, e indicar los valo-

res mximo y mnimo. La sonda flexible del termocaudalmetro de rueda alada, con una

longitud de 40 cm, le permite medir en lugares de difcil acceso o canales de ventilacin

un poco retirados. Este termocaudalimetro de rueda alada es ideal para el instalador, o

para efectuar mediciones instantneas. Gracias a la desconexin automtica del termo-

caudalmetro de rueda alada PCE-TA 30 se impide una descarga rpida de las bateras.

Este termocaudalimetro de rueda alada es de fcil manejo funciona mediante 4 teclas y

es apto para el uso en diferentes sectores gracias a su construccin robusta.

CAUDALMETRO DE RUEDA ALADA PCE 007 Con este caudalmetro puede medir la velocidad y la temperatura del aire. Una vez que

indicada el rea de la seccin transversal, este caudalmetro muestra adems directa-

mente el caudal volumtrico del aire. Los valores medidos pueden ser directamente

guardados en el aparato y ms tarde transmitidos a un ordenador y evaluados all (el en-

vo contiene software en lengua inglesa y un cable de datos). As podr realizar series de

mediciones con el caudalmetro directamente en el lugar y ms tranquilamente en su

oficina finalizar los anlisis de los valores medidos de aire. De esta forma ahorra tiempo

al evitar tener que tomar fastidiosas notas de los valores as como posibles fallos al

INFORME No 5




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transmitir los datos. La rueda alada externa (conectada a un cable de 1,5 m) hace au-

mentar la movilidad y flexibilidad en una medicin exacta de la velocidad del aire.

INFORME No 5




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BIBLIOGRAFIA

.Paginas Web consultadas

http://www.uhu.es/gabriel.lopez/mecanicos/termotecnia/tema5_refrig.pdf

http:// www.wanadoo.com. visitado el 12/16/2012.

http://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-2-ciclos-de-

refrigeracion1.pdf

Libros Consultados

W.F, Stoecker. "Refrigeracin y Acondicionamiento de Aire". Cuarta Edicin. Prentice Hall.

Mxico, 1996.

R. Dossat. "Principios de Refrigeracin". Intermedios Editores. Mxico, 1999.

Profesores del Dpto. de Energa UNI_FIM Manual de Laboratorio de Ingeniera

Mecnica; Tomo III.

Documents

Lab. Ing. Mecanica Lab 6