Practica Demostracion de Refrigeracion

8/19/2019 Practica Demostracion de Refrigeracion

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LABORATORIO DE MAQUINAS TÉRMICAS

UNIDAD DE DEMOSTRACIÓN DE REFRIGERACIÓN

OBJETIVO.- Conocer la aplicación de la Segunda Ley de la Termodinámica en el estudio deuna maquina térmica inversa y obtener sus Coeficientes de Realización. Además, el alumnopodrá visualizar el funcionamiento de los componentes del ciclo de refrigeración por

compresión de vapor.ACTIVIDADES.- El alumno determinará los Coeficientes de Realización Ideal y Real de laUnidad de Demostración de Refrigeración del Laboratorio.

EQUIPO Y MATERIAL1 Unidad de Demostración de Refrigeración6 Termómetros de 0 a 100 °C

INTRODUCCIÓN.- Las primeras máquinas térmicas construidas, fueron dispositivos muyineficientes. Solo una pequeña fracción del calor absorbido de la fuente de la alta temperaturase podía convertir en trabajo útil. Aun al progresar los diseños de la ingeniería, una fracción

apreciable del calor absorbido sigue descargándose en un depósito a baja temperatura, sin quepueda convertirse en energía mecánica. Sigue siendo una esperanza diseñar una máquina quepueda tomar calor de un depósito abundante, como el océano y convertirlo íntegramente entrabajo útil. Entonces no sería necesario contar con una fuente de calor que nos proporcioneuna temperatura más alta que el medio ambiente, por ejemplo, quemando combustibles. De lamisma manera, podría esperarse, que se diseñara un refrigerador que simplemente transportecalor, desde un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que necesite trabajo exterior. Ninguna deestas aspiraciones ambiciosas transgrede la primera ley de la termodinámica. La máquinatérmica podría convertir energía calorífica completamente en energía mecánica,conservándose la energía total del proceso. En el refrigerador simplemente se transmitiría laenergía calorífica de un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que se perdiera la energía en elproceso. Nunca se ha logrado ninguna de estas aspiraciones y hay razones para creer que

nunca se alcanzarán.

La segunda ley de la termodinámica, que es una generalización de la experiencia, es unaexposición cuyos artificios de aplicación no existen. Se tienen muchos enunciados de lasegunda ley, cada uno de los cuales hacen destacar un aspecto de ella, pero se puededemostrar que son equivalentes entre sí. Claussius la enuncio como sigue: No es posiblepara una máquina cíclica llevar continuamente calor de un cuerpo a otro que esté atemperatura más alta, sin que al mismo tiempo se produzca otro efecto (decompensación). Este enunciado desecha la posibilidad de nuestro ambicioso refrigerador, yaque éste implica que para transmitir calor continuamente de un objeto frío a un objeto caliente,es necesario proporcionar trabajo de un agente exterior. Por nuestra experiencia sabemos quecuando dos cuerpos se encuentran en contacto fluye calor del cuerpo caliente al cuerpo frío. Eneste caso, la segunda ley elimina la posibilidad de que la energía fluya del cuerpo frío al cuerpocaliente y así determina la dirección de la transmisión del calor. La dirección se puede invertirsolamente por medio del suministro de un trabajo.

Kelvin con Planck enuncio la segunda ley con palabras equivalentes a las siguientes: escompletamente imposible realizar una transformación cuyo único resultado final sea elde cambiar en trabajo el calor extraído de una fuente que se encuentre a la mismatemperatura. Este enunciado elimina nuestras ambiciones de la máquina térmica, ya queimplica que no podemos producir trabajo mecánico sacando calor de un solo depósito, sindevolver ninguna cantidad de calor a un depósito que esté a una temperatura más baja.


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Facultad de Estudios Superiores “Aragón” UNAM Laboratorio de Maquinas Térmicas--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Unidad de Demostración de Refrigeración AST (2015) P á g i n a 2 | 20

Para demostrar que los dos enunciados son equivalentes, necesitamos demostrar que sicualquiera de los enunciados es falso, el otro también debe serlo. Supóngase que es falso elEnunciado de Claussius, de tal manera que se pudieran tener un refrigerador que opere sinque se consuma el trabajo. Podemos usar una máquina ordinaria para extraer calor de uncuerpo caliente, con el objeto de hacer trabajo y devolver parte del calor a un cuerpo frío.

Pero conectando nuestro refrigerador "perfecto" al sistema, este calor se regresaría al cuerpo

caliente, sin gasto de trabajo, quedando así utilizable de nuevo para su uso en una máquinatérmica. De aquí que la combinación de una maquina ordinaria y el refrigerador "perfecto"formará una máquina térmica que infringe el enunciado de Kelvin-Planck. O podemos invertir elargumento. Si el enunciado Kelvin-Planck fuera incorrecto, podríamos tener una máquinatérmica que sencillamente tome calor de una fuente y lo convierta por completo en trabajo.Conectando esta máquina térmica "perfecta" a un refrigerador ordinario, podemos extraer calorde un cuerpo caliente, convertirlo completamente en trabajo, usar este trabajo para mover unrefrigerador ordinario, extraer calor de un cuerpo frío, y entregarlo con el trabajo convertido encalor por el refrigerador, al cuerpo caliente. El resultado neto es una transmisión de calor desdeun cuerpo frío, a un cuerpo caliente, sin gastar trabajo, lo cual infringe el Enunciado deClaussius.

La segunda ley nos dice que muchos procesos son irreversibles. Por ejemplo, el Enunciado deClaussius específicamente elimina una inversión simple del proceso de transmisión de calor deun cuerpo caliente, a un cuerpo frío. Algunos procesos, no sólo no pueden regresarse por símismos, sino que tampoco ninguna combinación de procesos puede anular el efecto de unproceso irreversible, sin provocar otro cambio correspondiente en otra parte.

Motores y bombas térmicas Se definen los motores térmicos como los dispositivos queproducen trabajo mediante un proceso de intercambio de calor entre dos recipientes, noobstante el cual permanece sin cambios (Figura 1).

Figura. 1.- Motor y bomba térmicos


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Considérese el motor térmico de la figura.1. La variación de entropía para el sistema total es

S T = S C + S F + S M

Dado que la entropía del motor no varía al ser éste cíclico, SM = 0, entonces

(1)

Para el motor, la primera ley da U M = Q C - Q F - W

y puesto que U M , + W = Q C - Q F (2)

Combinando (1) y (2) para eliminar Q C tenemos

W + Q F = -T C (S T - Q F / Q F )Y reagrupando, queda en

W = -T C S T + Q F (T C / T F - 1) (3)

Si suponemos el caso límite en que los procesos son reversibles, es decir, S T = 0, entonces(3) se reduce a

W = Q F (T C / T F - 1) (4)

Entonces, para que el mecanismo realice trabajo, W > 0, es necesario que

Q F > 0T C > T F

Es decir, es necesario que se disipe una cierta cantidad de calor al depósito externo (entorno) yque la temperatura del depósito interno (fuente de calor) sea superior a la temperatura deldepósito externo, incluso en la condición límite de reversibilidad. Es imposible convertircompletamente el calor en trabajo, ya que una parte del calor utilizado debe ser disipado(perdido) al exterior, sin posibilidad de realizar trabajo con él.

Esta observación con respecto a los motores térmicos es tan básica que su enunciado formal,a menudo, se considera como una expresión alterna de la segunda ley de la termodinámica: Esimposible construir un motor que, al funcionar en ciclos, no produzca un efecto que nosea la extracción de calor de un depósito y la realización de una cantidad equivalente detrabajo . Este es el enunciado Kelvin/Planck de la segunda ley. Todos los motores térmicos

deben disipar parte del calor que absorben y los recipientes naturales de calor disponibles paraabsorber este calor disipado son la atmósfera, los lagos, ríos y océanos. Los recipientes decalor (T C) son, por ejemplo: generadores de vapor, hornos y los reactores nuclearesmantenidos a altas temperaturas mediante la combustión de energéticos fósiles y la fusión deelementos radiactivos, respectivamente. Los componentes básicos de todas las plantasenergéticas estacionarias que generan electricidad son: una fuente de calor, a altatemperatura, un motor térmico, los cuales pueden ser altamente complejos y un sumidero parala descarga del calor residual, o sea el medio ambiente. Esta descarga de calor residual haciael medio ambiente o contaminación térmica , es una consecuencia inevitable de la segunda leyde la termodinámica.


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Eficiencia térmica La eficiencia térmica de cualquier motor calórico se define como:

=

Es decir, la fracción de calor absorbido que se obtiene como trabajo producido...La eficiencia térmica de un motor de Carnot está dada por:

= − ⁄

CONCEPTOS FUNDAMENTALES.

Presión.- La presión se define como la relación entre la fuerza ejercida y el tamaño del área.Esto se mide en diferentes unidades dependiendo del propósito de la medida. De estasunidades el Kg/cm2 es en el sistema métrico la más común. Esta unidad es a menudoabreviada en "at" que define una atmósfera técnica. Normalmente la presión de aire es de1,033 Kg/cm2 y se le llama atmósfera física, el término abreviado es "atm". Diferentesdenominaciones de presión se obtendrán dependiendo del punto cero que se escoja. Si se usael cero absoluto entonces la denominación será "ata" de donde la "a" indica absoluta. Esta

unidad es la que más frecuentemente se utiliza en refrigeración, sin embargo a menudo puedeverse "ato" en los manómetros. "Ato" es válido para sobrepresiones referidas a la atmósferafísica. Entonces el punto cero corresponde a 1 atm. y 1,033 ata. Otra unidad de medida depresión que frecuentemente podemos encontrar es la de mm. columna de mercurio. La presiónde aire corresponde a 760 mm. Hg. a lo que corresponde también 1 atmósfera y 1,033 ata.Finalmente en relación con las bombas de circulación de agua se encuentra la denominación"metro de agua". La abreviación es m.c.a y 10 m.c.a corresponden a 1 ata, 10,33 m.c.a. a 1atm. La unidad de presión en el sistema Si es el Newton/m2, también llamado Pascal (Pa). Deaquí que ésta unidad representa un valor muy pequeño referido a presión, por ejemplo, enrefrigeración, la unidad bar (1 bar = 100,000 Pa = 100 kPa) se usa en vez del Pascal.Afortunadamente, 1 at = 1.01 bar, esto hace que en la práctica es a menudo posible utilizar lasmismas unidades de presión tanto en el sistema Si ó en el sistema métrico.

Calor.- La unidad de calor en el sistema métrico es la caloría (Cal) la cual se define como elaumento de calor necesario para aumentar la temperatura de 1 gramo de aqua de 15°C a16°C. En refrigeración es muy normal el uso de la kilocaloría (KCal) lo que es igual a 1000calorías. En el sistema Si la unidad para todas las formas de trabajo, incluyendo el calor es el julio (J). La conversión del sistema métrico al sistema Si:1 cal = 4.187 J1 kcal = 4.187 Kj

Hay una gran diferencia en la cantidad de calor que se necesita para aumentar la temperaturade distintas sustancias en 1°C.; 1 Kg. de hierro necesita 0,114 KCal, por otra parte 1 Kg. deaire necesita 0,24 KCal. El calor especifico de una sustancia es el aumento de calor querequiere 1 Kg. de este cuerpo para incrementar en 1° C su temperatura. El calor especifico dediferentes cuerpos se pueden encontrar en tablas y viene dado en KCal/Kg°C (KJ/KG°C).


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Cambios de estado.- Cada sustancia puede existir en tres formas diferentes: Sólida, líquida ygaseosa. El agua es el ejemplo más natural. El estado líquido es el agua que nos rodea portodas partes y en forma de gas es el vapor de agua. Y en estado sólido es el hielo. Lo común aestas tres condiciones es que las moléculas permanecen sin cambios. Por esto el hielo, el aguay el vapor tienen la misma fórmula química H20.

La temperatura y la presión a que está expuesta una sustancia, determina si está en formasólida, liquida o gaseosa. La temperatura a la cual una sustancia sólida se convierte en líquidose llama punto de fusión. Durante la fusión la temperatura de la sustancia no cambia, todo elcalor aplicado se emplea en cambiar la sustancia de sólida a líquida. Solo cuando la sustanciase ha fusionado si se aplica un calor adicional su temperatura ulteriormente se elevará.Sustancias diferentes tienen distintos puntos de fusión, el chocolate se funde a 26°C.

La cantidad de calor que necesariamente se aplica mientras que el proceso de fusión se lleva acabo, es conocido come calor de fusión. El conocimiento del proceso que se lleva a cabodurante el cambio de estado de una sustancia es importante en la refrigeración a causa de que:El cambio de estado se realiza a temperatura constante. El cambio de estado implica un aumento grande de calor por Kg. de sustancia.

Calor de evaporación

Dado que las características del agua son fáciles de observar y dado que el agua es el mejorrefrigerante, esto ha determinado utilizarlo como ejemplo, en esta sección.


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Cuando el agua se calienta, su temperatura se eleva proporcionalmente hasta que empieza ahervir, su punto de ebullición depende de la presión que se ejerza sobre el agua. En unrecipiente abierto y la presión atmosférica normal y al nivel del mar 760 mm. columna demercurio el agua hierve a 100°C. Si la presión desciende por debajo de la presión atmosférica,el punto de ebullición será más bajo que 100°C. Por ejemplo a una presión de 531 mm. HG(equivalente a 3000 m. por encima del nivel del mar) el punto de ebullición del agua es de89°C. En un recipiente cerrado, el punto de ebullición es determinado por la presión del vapor.

Si la presión es superior a 760 mm. Hg el punto de ebullición será mayor de 100°C. Porejemplo, el punto de ebullición del agua es de 120°C, cuando la presión es 1.atm y 183°cuando la presión es de 10 atmósferas. Este principio se usa en las ollas a presión. El agua ensu punto de ebullición se le llama también líquido saturado y consecuentemente, el punto deebullición es también conocido como temperatura de saturación.

La cantidad de energía suministrada para llevar a un líquido a su punto de ebullición y que seevapore, se llama calor de evaporación, a la presión atmosférica (760 mm. de Hg), lacantidad de energía requerida para evaporar 1 Kg. de agua a 100°C y convertirlo en vapor a100°C de temperatura es de 539 KCal. (2.260 KJ). En el caso del agua, se forma un Kg. devapor saturado seco. Si solo se aplica una pequeña cantidad de calor solo parte del líquido seevapora y el resultado será una mezcla consistente en líquido saturado y vapor saturado. El

calor de evaporación se llama también calor latente, puesto que es el calor que hay que aplicara un cuerpo para que cambie de estado sin que cambie su temperatura. Por otra parte, el calorsensible es el aplicado o tomado de un cuerpo, el cual está a una temperatura situada porencima o por debajo del punto de ebullición o del punto de fusión.

Recalentamiento.- Si se aplica calor a un vapor saturado, el resultado será vapor recalentado,el calor aplicado se llama calor de recalentamiento. De aquí cuando se realiza un cambio deestado, el calor sensible entra en juego y él es la causa que el vapor incremente detemperatura.

Condensación.- El contrario de un cambio de estado de líquido a vapor es un proceso llamadode condensación. En vez de aplicar una cierta cantidad de calor es necesario sacar del cuerpola misma cantidad para convertir el vapor en líquido. De nuevo la presión determina latemperatura a la cual la condensación se realiza.

REFRIGERACIÓN.- La refrigeración se puede definir como un proceso que retira y transportael calor. El trabajo de un refrigerador es enfriar artículos o productos y mantenerlos a unatemperatura más baja que la temperatura ambiente. Los más viejos y mejores refrigerantesconocidos son el hielo, el agua y el aire. Al principio, el único propósito de la refrigeración fueconservar alimentos. Los chinos fueron los primeros en descubrir que el hielo aumentaba lavida y mejoraba el gusto de las bebidas y durante siglos los esquimales han conservadoalimentos congelándolos. A principios de este siglo fueron conocidos los términos tales como

bacterias, fermentación, enmohecimiento, enzimas... También se descubrió que el aumento demicroorganismos es dependiente de la temperatura y que este crecimiento disminuye cuandola temperatura desciende por debajo de +l0 ºC. Como consecuencia, fue posible el uso de larefrigeración para conservar productos alimenticios y el hielo se empezó a usar para estepropósito.

Termodinámicamente, cualquier sistema de refrigeración o enfriamiento es conocido como unamáquina térmica invertida. Esta se define como un dispositivo que toma calor de una región ofuente a temperatura baja (QE) para cederlo a una región o sumidero a temperatura alta (QC),siempre y cuando se realice un trabajo sobre dicha máquina (W).


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En este tipo de máquinas, nos interesa que el calor retirado de la región de temperatura baja seael máximo y que la cantidad de trabajo suministrado para que lo anterior suceda sea el mínimo.La relación ideal entre estos dos términos nos la da el ciclo de Carnot invertido y se representamediante lo que se conoce como el coeficiente de realización (ß) que en forma general se define

como la relación entre la energía solicitada y la energía que nos cuesta, de manera que:

pero si hacemos un balance energético sencillo de la máquina térmica tenemos:

y entonces,

y poniendo la ecuación anterior en función de las temperaturas,

Note que conociendo las temperaturas de la fuente y el sumidero, que se miden mucho más fácilque los calores, podemos determinar el coeficiente de realización máximo (ideal) según Carnot.

Como ya se mencionó, la mayoría de los sistemas de enfriamiento que se utilizan en laactualidad se basan en la evaporación de un líquido a baja presión. Un diagrama del refrigeradormás simple de este tipo se presenta en la figura anterior. Al dejar escapar el líquido refrigerantedel recipiente que lo contiene, pasa de una presión alta a la presión atmosférica. A la presión ytemperatura ambientes, por características propias del fluido refrigerante, éste no puede existiren estado líquido y forzosamente tiene que pasar al estado gaseoso. El calor requerido para quese dé este cambio de fase (calor de vaporización) se toma de los alrededores con que está encontacto el fluido refrigerante (recipiente y medio ambiente) de manera que estos seránenfriados.

COMPR

E

W

Q =

cuestaqueEnergÍa

asolicitad EnergÍa = β

Q-Q=W E C COMPR

1-QQ

1 =

Q-Q

Q =

E

C E C

E β

1-T

T

1 =

E

C

β

VAPOR DEL

REFRIGERANTE

ALMACÉN DEREFRIGERANTE LÍQUIDO

A ALTA PRESION

QE

QC


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Desde luego, trabajar con un sistema abierto donde el refrigerante, que puede ser costoso ytóxico, se pierda al pasar directamente a la atmósfera, no es lo más conveniente; y lo normal estrabajar con ciclos de refrigeración. Cualquier ciclo de refrigeración necesita energía para sufuncionamiento. Esta energía puede ser suministrada de diversas maneras según el sistema derefrigeración de que se trate. Si es un ciclo de refrigeración por compresión lo normal essuministrar esta energía en forma de trabajo mecánico a través de un compresor.

Un diagrama general de un sistema que opera con un ciclo de refrigeración continuo se presentaa continuación. Este consta de una parte donde se suministra el trabajo mecánico o el calorsegún lo visto anteriormente, además del condensador, evaporador y válvula de expansión. Elciclo de refrigeración consta de cuatro procesos:

Proceso de 1 – 2.- En el punto 1, el refrigerante se encuentra en estado líquido, a unapresión y temperatura relativamente altas. Pasa a 2 a través de una restricción, que se llamadispositivo de control de flujo o válvula de estrangulamiento o válvula de expansión . Elrefrigerante pierde presión al pasar por la restricción. La presión en el estado 2 es tan baja quese evapora una pequeña parte del refrigerante, pasando al estado gaseoso. Pero paraevaporarse debe ganar calor, que toma de la parte del refrigerante que no se evaporó, y así seenfría la mezcla, produciendo la baja temperatura en el estado 2.

Proceso de 2 – 3.- El refrigerante pasa a través de un intercambiador de calor llamadoevaporador cuyo trabajo es retirar calor de sus alrededores, produciendo el efecto deenfriamiento que se desea. El refrigerante hierve debido al calor que recibe del evaporador.Para cuando sale del evaporador, está vaporizado por completo.

Proceso de 3 – 4.- Al salir del evaporador, el refrigerante es un gas a baja temperatura y abaja presión. Para poder volver a usarlo y obtener continuamente el efecto de evaporación, sedebe regresar a las condiciones del estado 1, líquido a alta presión. El primer paso en esteproceso es aumentar la presión del refrigerante gaseoso mediante el empleo de uncompresor . Al comprimir el gas también se tiene un aumento de temperatura.

Proceso de 4 – 1.- El refrigerante sale del compresor en estado gaseoso a alta temperatura ypresión. Para cambiar al estado líquido, se le debe eliminar calor. Esto se logra con uncambiador de calor que se llama condensador . El refrigerante fluye a través de uno de los


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circuitos del condensador; en el otro pasa un fluido de enfriamiento (aire ó agua a menortemperatura que el refrigerante). Por lo tanto, el calor se transfiere del refrigerante al fluido deenfriamiento y, como resultado de ello, el refrigerante se condensa y pasa a la forma líquida.

El refrigerante ha vuelto a su estado inicial, y está listo para repetir el ciclo. Desde luego, estosprocesos en realidad son continuos al circular el refrigerante a través del sistema.

Componentes principales de un refrigerador

Refrigerante.- Los fluidos refrigerantes deben de cumplir ciertas características para que puedanser utilizados como tales. A continuación se da una lista de las más importantes:1. Bajo punto de ebullición. Con esto se evita que el sistema tenga que operar al vacío con la

posibilidad de que le entre aire.2. Presión de condensación no excesiva. Para no tener que utilizar instalaciones extra-

fuertes.3. Calor latente de vaporización alto. Entre más alto sea este valor, menos flujo de

refrigerante se necesita circular por unidad de tiempo para tener la misma capacidad.5. Calor específico del líquido bajo. De alguna manera el líquido tiene que ser enfriado antes

de evaporarse. Esto es a expensas de la vaporización del mismo.6. No corrosivo.7. Estable químicamente.8. No inflamable y no explosivo.9. No tóxico. Tanto para pulmones, ojos y en general a la salud.10. Indicador de fugas. Que el refrigerante sea tal que una fuga se pueda detectar fácilmente.11. No afecte a los lubricantes utilizados.12. Transferencia de calor satisfactoria.13. Punto de congelación bajo. Abajo de la temperatura a la cual va a trabajar el evaporador.14. Disponibilidad, bajo costo y fácil de manejar.No todos los refrigerantes tienen todas las características mencionadas, pero deberá tener lasmáximas posibles.

Compresor. El trabajo del compresor es aspirar el vapor del evaporador y forzarlo a entrar enel condensador. El tipo más común es el compresor de pistón, pero otros tipos también seemplean por ejemplo compresores centrífugos y compresores de tornillo.

El compresor de pistón cubre una gran gama de capacidades desde los compresoresmonocilíndricos de los refrigeradores domésticos hasta modelos de 8 y 10 cilindros con un granvolumen de aspiración para aplicaciones industriales.

Para pequeñas aplicaciones se usa el compresor hermético. En estosaparatos, el compresor y motor son montados juntos en una completaunidad hermética.


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Para grandes plantas, es el compresor semi-hermético. Su ventaja es quese elimina el prensaestoperos que provocaba dificultad en eliminar lasfugas. Sin embargo, este modelo semi-hermético no se puede utilizar enplantas de amoniaco a causa de que este refrigerante ataca el devanado delos motores.

Los compresores para muy grandes plantas de freon y amoníaco se lesdenominan compresores abiertos, es decir con el motor fuera delcompresor. La transmisión del motor al compresor puede hacersedirectamente a través del eje del cigüeñal o por correas trapezoidales.

Condensador. El propósito del condensador es retirar del gas el calor, que es igual a la sumadel calor absorbido en el evaporador más el calor producido por la compresión. Hay muchasclases diferentes de condensadores. Condensador multitubular; que se utiliza en plantas dondese dispone de suficiente agua. Consiste en un cilindro horizontal con dos placas de tubo

soldadas en sus extremos, las cuales soportan los tubos de enfriamiento.

El refrigerante a condensar circula a través del cilindro y el agua de enfriamiento por dentro delos tubos. Las tapas de los extremos están divididas en secciones por medio de unosdiafragmas. Estas secciones forman cámaras de tal manera que el agua circula varias veces através del condensador. Si es necesario reducir el consumo de agua hay que utilizar comosustitución al anterior un condensador evaporativo. Este tipo de condensador consiste en unenvolvente en el que hay una batería de condensación, tubos de distribución de agua, placas

deflectoras y ventiladores. El vapor refrigerante caliente llega a la parte alta de la batería decondensación. Poco a poco se va condensando a medida que circula por la batería y en elfondo de ésta está en forma de líquido. Los tubos de distribución de agua con sus toberas semontan sobre la batería de condensación de tal manera que el agua pulverizada caiga dearriba a abajo de la batería. Los ventiladores dan una fuerte circulación de aire a través de labatería de condensación. Cuando las gotas de agua que caen encuentran el aire que circula encontra, parte de esta agua se evaporará. Esta operación absorbe el calor de vaporización delvapor refrigerante y causa que este se condense:

1 Ventilador2 Placa deflectora3 Envolvente exterior4 Eliminador del recalentamiento5 Tubo del condensador6 Entrada de aire7 Bandeja colectora8 Tubo de sobradero9 Tubería de distribución de agua10 Bomba de circulación de agua11 Entrada de aire

Si por una u otra razón no se puede usar agua en el proceso de condensación se utiliza enestos casos un condensador enfriado por aire. Debido a que el aire tiene unas malascaracterísticas de transmisión de calor comparadas con el agua son necesarias grandes


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superficies externas de los tubos de condensación. Esto se consigue colocando en los tubossalientes o aletas y asegurando mecánicamente una gran circulación de aire.

Válvula de expansión.- El propósito principal de una válvula de expansión, es asegurar unapresión diferencial suficiente entre los lados de alta y baja de la planta de refrigeración. Elcamino más sencillo de hacer esto es colocar un tubo capilar entre el condensador y elevaporador. El tubo capilar sin embargo, solo se usa en pequeñas plantas y en simples

aplicaciones tales como refrigeradores por causa de que no es capaz de regular la cantidadque se inyecta al evaporador. Para este proceso necesariamente hay que utilizar una válvulade regulación la más corriente es una válvula de expansión termostática que consta de uncuerpo de válvula con tubo capilar y un bulbo, el cuerpo de la válvula se monta en la línea delíquido y el bulbo se coloca en la salida del evaporador.

1 Entrada con filtro2 Cono3 Salida4 Orificio5 Connexión para igualizador de presión6 Envolvente del muelle7 Diafragma

8 Tubo capilar9 Eje para ajuste de tensión del muelle(recalentamiento de apertura)10 Bulbo

La figura siguiente muestra a un evaporador alimentado por una válvula termostática deexpansión. Una pequeña cantidad de líquido permanece en el bulbo. El resto del bulbo, el tubocapilar y el espacio por encima de la membrana en el cuerpo de válvula está lleno de vaporsaturado a la presión correspondiente a la temperatura del bulbo. El espacio por debajo de lamembrana está en conexión con el evaporador, y la presión es por consiguiente igual a lapresión de evaporación.

El grado de apertura de la válvula es determinado por:La presión producida por la temperatura del bulbo que actúa por la cara superior del diafragma.La presión por debajo del diafragma que es igual a la presión de evaporación.La presión del muelle que actúa por la parte baja del diafragma.En trabajo normal, la evaporación cesará a cierta distancia en la parte alta del evaporador,entonces aparece el gas saturado, el cual empieza a recalentarse en su camino de su salida,

en el último tramo del evaporador. Entonces el bulbo tendrá la temperatura de evaporaciónmás el recalentamiento. . Por ejemplo a una temperatura de evaporación de -10°C, latemperatura del bulbo podría ser de 0°C. Si el evaporador recibe poco refrigerante, el vapor serecalentará más y la temperatura a la salida del evaporador será más alta. La temperatura delbulbo también se elevará y también la presión de vapor en el bulbo, como consecuencia de quela carga se evaporará. Como consecuencia del aumento de presión por la parte superior deldiafragma éste se cambiará hacia abajo, la válvula se abrirá y se suministrará más líquido alevaporador. Por el contrario la válvula cerrará más si la temperatura del bulbo empieza a sermás baja.


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Evaporador.- Dependiendo de la aplicación, varios requisitos se imponen en el evaporador Losevaporadores, sin embargo se fabrican en serie en distintas versiones. Los evaporadores paracirculación natural de aire cada vez se utilizan menos debido a la pobre transferencia de calordel aire a los tubos de enfriamiento. En los primeros modelos se montaron con tubo liso peroahora es muy común el uso de tubos con aletas, planas o helicoidales. La capacidad delevaporador se aumenta significativamente si se usa evaporadores para circulación forzada deaire. Con un aumento de la velocidad del aire, el calor transferido del aire al tubo se aumenta

de tal manera que para una capacidad dada se puede utilizar una superficie de evaporadormucho más pequeña que la que se necesitaría para la circulación natural. El nombre lo dice,enfriador de líquido el método más sencillo es sumergir un serpentín de tubo en un tanqueabierto. Los sistemas cerrados también se empiezan a utilizar cada vez más. En estossistemas los tubos enfriadores se disponen de una manera muy parecida a los condensadoresmultitubulares.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO.- La unidad se ha proyectado y desarrollado como ayuda a laenseñanza para estudiantes de termodinámica y refrigeración, en todas las fases de suformación. Inicialmente, demuestra la relación entre la presión y la temperatura de saturación,ebullición y condensación, y esta lleva naturalmente a un estudio del ciclo de refrigeración,carga, medida de transferencias de calor, y por último, a determinar las características delrendimiento de un refrigerador por compresión de vapor. En todos los casos puede observarseel caudal de refrigerante así como los procesos de ebullición y condensación.

Refrigerante.- El equipo cuenta con una carga de refrigerante R-141b. Este refrigerante tiene

un punto de ebullición de 32°C a condiciones atmosféricas, es inerte a los materiales deconstrucción de casi todos los sistemas de refrigeración, es un excelente solvente, tiene altadensidad y baja tensión superficial. Es amigable con el medio ambiente, ya que daña del 90 al95% menos la capa de ozono en comparación con el R-11. No deja residuos en el equipodespués de una limpieza y no es toxico.

Características: R-141b CH3CCl2FCantidad = 400-500 ml.

Compresor. Se trata de un compresor de diafragma del tipo exento de aceite que hademostrado ser adecuado para esta aplicación por diversas razones, entre ellas:(a) Es poco probable que resulte averiado por funcionamiento incorrecto del conjunto (por

ejemplo, arrastre del líquido del evaporador).(b) El rendimiento volumétrico cae bastante rápidamente al aumentar la relación de presión,

lo que demuestra claramente la reducción del rendimiento del refrigerador bajo estascondiciones.

(c) El sistema no queda contaminado con aceite de lubricación.

Características:Compresor tipo diafragma Compton D/4160-6 motor de ¼ hpVelocidad de giro 1425 r.p.m.


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Evaporador.- Es un cilindro con paredes de cristal de gran espesor, con placas de latónmecanizado en sus extremos. Puede visualizarse como el refrigerante entra en ebullición altransferírsele calor desde el agua que circula por el interior de un serpentín de tubo de cobre.Un manovacuómetro muestra la presión del refrigerante y termómetros que indican latemperatura de saturación del refrigerante así como las temperaturas del agua a la entrada y ala salida del serpentín.

Características:Cilindro de cristal de 66.6 mm de diámetro interior, 200 mm de largo, espesor de pared 4.2 mm.Tubo de cobre de 6.35 mm. de diámetro.Superficie de transferencia de calor (media) Ac = 0.032 mts2.Transferencia de calor a o desde el ambiente = 0.8 (te-ta) watios.*

Condensador.- Es un cilindro de cristal similar al del evaporador, en el cual puede observarsecomo se condensa el vapor al transferir calor al agua que circula por el interior de un serpentínde tubo de cobre. Cuenta con termómetros y un manovacuómetro, similares al evaporador.

Características:Cilindro de cristal de 66.6 mm de diámetro interior, 200 mm de largo, espesor de pared 4.2 mm.Tubo de cobre de 6.35 mm. de diámetro.Superficie de transferencia de calor (media) Ac = 0.032 mts2.Transferencia de calor a o desde el ambiente = 0.8 (tc-ta) watios.*

* Se ha observado experimentalmente que el índice de transferencia de calor entre elevaporador o el condensador y el medio ambiente atmosférico es de aproximadamente 0.8 Wpor cada °C de diferencia entre las temperaturas de saturación y la temperatura ambiente.

Válvula de Expansión.- En la parte inferior del condensador está ubicada una válvula de agujaaccionada por el flotador. La válvula controla el caudal del refrigerante de acuerdo con lavelocidad de condensación en todas las condiciones operativas. Debido a la masa

relativamente pequeña de la unidad y la forma en que se controla el caudal del refrigerante, laplanta se estabiliza muy rápidamente, pudiendo evaluarse varias condiciones defuncionamiento distintas en un periodo de clase normal.

Elementos de SeguridadInterruptor de presión para desconectar el compresor por encima de 0.8 bar en el condensador.Válvula de seguridad regulada para abrir a 1.0 bar.Pantallas de plástico alrededor del condensador y del evaporador.

Instrucciones Generales de Funcionamiento1. Compruebe que el refrigerador contiene suficiente refrigerante líquido para cubrir el

serpentín de enfriamiento del evaporador.2. Ábranse las válvulas de control de agua del evaporador y del condensador para un

caudal elevado entre 10-20°C.3. Conéctese el compresor y déjese andar durante 10 minutos.4. Ajústense los caudales de agua y, si es necesario, las temperaturas de agua fría para

obtener las presiones deseadas, en el evaporador y el condensador.


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Demostración del ciclo de refrigeración por compresión de vaporSe circula agua fría a través de los serpentines del evaporador y el condensador y se conecta ala unidad. En cuanto se hayan estabilizado las presiones en el evaporador y el condensador,pueden observase la condensación y la ebullición .Pocos minutos más tarde se notarandiferencias de temperatura en las salidas del agua. Puede ahora examinarse la unidad condetalle.(a) El proceso de ebullición que, según la experiencia común, exige una transferencia de

calor positiva, se observa tiene lugar a temperatura y presión bajas, absorbiendo energíadel agua que pasa a través del serpentín y produciendo una caída en la temperatura deagua.

(b) Se ve que el proceso de condensación exige una transferencia de calor negativa,haciendo que la temperatura del agua se incremente, se produce a una presión ytemperatura mayores.

(c) El proceso de expansión en el cual el líquido a alta presión procedente del condensadorse reduce a la presión del evaporador, tiene lugar en la válvula de aguja controlada por elnivel del líquido del condensador. Se ve que sale líquido del condensador, pero tambiénse ve que entra una mezcla de líquido y vapor en el evaporador. Además, se ve que latemperatura después de la válvula de aguja es muy inferior a la del líquido en elcondensador, con lo que queda demostrado el proceso de refrigeración por evaporaciónrepentina.

Figura 2.- Diagrama Esquemático de la Unidad de Demostración de Refrigeración de Laboratorio Hilton


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Trazado de las curvas de funcionamiento

En la Unidad de Demostración de Refrigeración se pueden obtener las curvas defuncionamiento de un compresor en particular (ver figura 3), en las cuales se puede apreciarque el efecto refrigerante varía al cambiar las temperaturas del evaporador y el condensador.Para el trazo de las curvas es conveniente mantener constante en el evaporador, latemperatura de entrada de agua y la temperatura de saturación, ajustando el caudal de agua yrealizando una serie de pruebas a diversas presiones del condensador (controladas variando elcaudal de agua en el condensador).

Las características de cualquier refrigerador por compresión de vapor son las siguientes:

a) Para cualquier temperatura dada del evaporador, el efecto refrigerante (Qe) disminuye alaumentar la temperatura del condensador y eventualmente llegaría a ser cero. Esto se debeal aumento de relación de compresión en el compresor, que reduce su rendimientovolumétrico y por tanto el caudal de refrigerante.

b) Para cualquier presión del condensador dada, el efecto refrigerante (Qe) disminuye amedida que se reduce la temperatura del evaporador. Esto se debe a que la densidad del

refrigerante disminuye, lo que reduce el caudal del refrigerante.

Figura 3.- Curvas de funcionamiento del compresor de la Unidad de Demostración de Refrigeración


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DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

1.- Coeficiente ideal de realización.-

= ⁄ − ⁄ = !"#$ "%& $ '( %#"# )* + = !"#$ "%& $ '( ,## )*

2.- Coeficiente real de realización.

- = . / .⁄ 0 .+1 = 2% "'% %$# $ $ ,## 3 4 . = !5# ""# $ '(# 3

a).-Índice de transferencia de calor real (agua + atmósfera) en el evaporador.

. / = 6 . 789:; − ? − 3 @ABCD = @$# "%'%# $ ( = EFGH I J( )@⁄ . + = @$ ( $ ,## J( "⁄ K = "$ $ ( $ ,## L M = $ ( $ ,## L + = "%& $ '( $ ,## L N = #"'O% L P = "'% %$# # " $ ! = QRG 3 L⁄

b).-Índice de transferencia de calor real (agua + atmósfera) en el condensador. . / = 6 . 789:S − T > − ? 3

@ABCD = @$# "%'%# $ ( = EFGH I J( )@⁄ . = @$ ( $ %#"# J( "⁄ U = "$ $ ( $ %#"# L V = $ ( $ %#"# L = "%& $ '( $ %#"# L N = #"'O% L P = "'% %$# # " $ ! = QRG 3 L⁄

c).- El trabajo suministrado al refrigerador . = . / − . / 3 0 .1 = 2% "'% %$# $ $ %#"# 3

0 .+1 = 2% "'% %$# $ $ ,## 3

3.- Comparación de los Coeficientes de Realización Ideal y Real

W - XY = @#'% $ $Z%# X[ = @#'% $ $Z%#


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4.- Efecto Refrigerante

. = 6 . 789:; −


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GRÁFICAS

1. Graficar en el Diagrama de Mollier del refrigerante R-141b, el ciclo de refrigeración que selleva a cabo en el equipo.

2. Graficar en papel milimétrico la curva de funcionamiento

RESULTADOS

El alumno presentara una secuencia detallada de los cálculos efectuados y hará una tabla conlos resultados obtenidos.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El alumno dará sus conclusiones y las recomendaciones que crea convenientes para elmejoramiento de esta práctica.

TABLA DE RESULTADOS

C o n c e p t o Símbolo Unidades V a l o r

Coeficiente ideal de realización

Coeficiente real de realización - Comparación de los Coeficientes de RealizaciónIdeal y Real W -

Efecto Refrigerante 3 Diferencia Media Geométrica de Temperaturas enel Evaporador \ L Coeficiente de Transferencia de Calor en elEvaporador _ 4

C⁄ L Diferencia Media Geométrica de Temperaturas enel Condensador \ L Coeficiente de Transferencia de Calor en elCondensador _ 4

C⁄ L


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TABLA DE DATOS PARA GRAFICAR LA CURVA DE FUNCIONAMIENTO

C o n c e p t o Símbolo Unidades 1 2 3 4

Temperatura de saturación del refrigerante

en el evaporador L

Temperatura de entrada del agua alevaporador ; )@ Temperatura de salida del agua delevaporador


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Documents

Practica Demostracion de Refrigeracion