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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 de una maquina térmica inversa y obtener sus Coeficientes de Realización. Además, el alumno podrá 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 la Unidad de Demostración de Refrigeración del Laboratorio. EQUIPO Y MATERIAL 1 Unidad de Demostración de Refrigeración 6 Termómetros de 0 a 100 °C INTRODUCCIÓN.- Las primeras máquinas térmicas construidas, fueron dispositivos muy ineficientes. Solo una pequeña fracción del calor absorbido de la fuente de la alta temperatura se 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 que pueda convertirse en energía mecánica. Sigue siendo una esperanza diseñar una máquina que pueda tomar calor de un depósito abundante, como el océano y convertirlo íntegramente en trabajo útil. Entonces no sería necesario contar con una fuente de calor que nos proporcione una temperatura más alta que el medio ambiente, por ejemplo, quemando combustibles. De la misma manera, podría esperarse, que se diseñara un refrigerador que simplemente transporte calor, desde un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que necesite trabajo exterior. Ninguna de estas aspiraciones ambiciosas transgrede la primera ley de la termodinámica. La máquina térmica podría convertir energía calorífica completamente en energía mecánica, conservándose la energía total del proceso. En el refrigerador simplemente se transmitiría la energía calorífica de un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que se perdiera la energía en el proceso. 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 una exposición cuyos artificios de aplicación no existen. Se tienen muchos enunciados de la segunda ley, cada uno de los cuales hacen destacar un aspecto de ella, pero se puede demostrar que son equivalentes entre sí. Claussius la enuncio como sigue: No es posible para una máquina cíclica llevar continuamente calor de un cuerpo a otro que esté a temperatura más alta, sin que al mismo tiempo se produzca otro efecto (de compensación). Este enunciado desecha la posibilidad de nuestro ambicioso refrigerador, ya que 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 que cuando dos cuerpos se encuentran en contacto fluye calor del cuerpo caliente al cuerpo frío. En este caso, la segunda ley elimina la posibilidad de que la energía fluya del cuerpo frío al cuerpo caliente y así determina la dirección de la transmisión del calor. La dirección se puede invertir solamente por medio del suministro de un trabajo. Kelvin con Planck enuncio la segunda ley con palabras equivalentes a las siguientes: es completamente imposible realizar una transformación cuyo único resultado final sea el de cambiar en trabajo el calor extraído de una fuente que se encuentre a la misma temperatura. Este enunciado elimina nuestras ambiciones de la máquina térmica, ya que implica que no podemos producir trabajo mecánico sacando calor de un solo depósito, sin devolver ninguna cantidad de calor a un depósito que esté a una temperatura más baja.

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 si cualquiera de los enunciados es falso, el otro también debe serlo. Supóngase que es falso el Enunciado de Claussius, de tal manera que se pudieran tener un refrigerador que opere sin que se consuma el trabajo. Podemos usar una máquina ordinaria para extraer calor de un cuerpo 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 máquina térmica. 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 el argumento. Si el enunciado Kelvin-Planck fuera incorrecto, podríamos tener una máquina térmica 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 calor de un cuerpo caliente, convertirlo completamente en trabajo, usar este trabajo para mover un refrigerador ordinario, extraer calor de un cuerpo frío, y entregarlo con el trabajo convertido en calor por el refrigerador, al cuerpo caliente. El resultado neto es una transmisión de calor desde un cuerpo frío, a un cuerpo caliente, sin gastar trabajo, lo cual infringe el Enunciado de Claussius.

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

Motores y bombas térmicas Se definen los motores térmicos como los dispositivos que producen trabajo mediante un proceso de intercambio de calor entre dos recipientes, no obstante el cual permanece sin cambios (Figura 1).

Figura. 1.- Motor y bomba térmicos



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

ST = SC + SF + SM

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

(1)

Para el motor, la primera ley da UM = QC - QF - W

y puesto que UM, + W = QC - QF (2)

Combinando (1) y (2) para eliminar QC tenemos

W + QF = -TC (ST - QF / QF) Y reagrupando, queda en

W = -TC ST + QF (TC / TF - 1) (3) Si suponemos el caso límite en que los procesos son reversibles, es decir, �ST = 0, entonces (3) se reduce a

W = QF (TC / TF - 1) (4)

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

QF > 0 TC > TF

Es decir, es necesario que se disipe una cierta cantidad de calor al depósito externo (entorno) y que la temperatura del depósito interno (fuente de calor) sea superior a la temperatura del depósito externo, incluso en la condición límite de reversibilidad. Es imposible convertir completamente 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: Es imposible construir un motor que, al funcionar en ciclos, no produzca un efecto que no sea la extracción de calor de un depósito y la realización de una cantidad equivalente de trabajo. 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 para absorber este calor disipado son la atmósfera, los lagos, ríos y océanos. Los recipientes de calor (TC) son, por ejemplo: generadores de vapor, hornos y los reactores nucleares mantenidos a altas temperaturas mediante la combustión de energéticos fósiles y la fusión de elementos radiactivos, respectivamente. Los componentes básicos de todas las plantas energéticas estacionarias que generan electricidad son: una fuente de calor, a alta temperatura, un motor térmico, los cuales pueden ser altamente complejos y un sumidero para la descarga del calor residual, o sea el medio ambiente. Esta descarga de calor residual hacia el medio ambiente o contaminación térmica, es una consecuencia inevitable de la segunda ley de la termodinámica.



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 estas unidades el Kg/cm2 es en el sistema métrico la más común. Esta unidad es a menudo abreviada en "at" que define una atmósfera técnica. Normalmente la presión de aire es de 1,033 Kg/cm2 y se le llama atmósfera física, el término abreviado es "atm". Diferentes denominaciones de presión se obtendrán dependiendo del punto cero que se escoja. Si se usa el 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 puede verse "ato" en los manómetros. "Ato" es válido para sobrepresiones referidas a la atmósfera física. Entonces el punto cero corresponde a 1 atm. y 1,033 ata. Otra unidad de medida de presión que frecuentemente podemos encontrar es la de mm. columna de mercurio. La presión de 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 1 atm. La unidad de presión en el sistema Si es el Newton/m2, también llamado Pascal (Pa). De aquí que ésta unidad representa un valor muy pequeño referido a presión, por ejemplo, en refrigeración, 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 las mismas 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 el aumento de calor necesario para aumentar la temperatura de 1 gramo de aqua de 15°C a 16°C. En refrigeración es muy normal el uso de la kilocaloría (KCal) lo que es igual a 1000 calorías. 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 J 1 kcal = 4.187 Kj

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



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

La temperatura y la presión a que está expuesta una sustancia, determina si está en forma sólida, liquida o gaseosa. La temperatura a la cual una sustancia sólida se convierte en líquido se llama punto de fusión. Durante la fusión la temperatura de la sustancia no cambia, todo el calor aplicado se emplea en cambiar la sustancia de sólida a líquida. Solo cuando la sustancia se 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 a cabo, es conocido come calor de fusión. El conocimiento del proceso que se lleva a cabo durante 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 mejor refrigerante, esto ha determinado utilizarlo como ejemplo, en esta sección.



Cuando el agua se calienta, su temperatura se eleva proporcionalmente hasta que empieza a hervir, su punto de ebullición depende de la presión que se ejerza sobre el agua. En un recipiente abierto y la presión atmosférica normal y al nivel del mar 760 mm. columna de mercurio 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 de 89°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. Por ejemplo, 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 en su punto de ebullición se le llama también líquido saturado y consecuentemente, el punto de ebullición es también conocido como temperatura de saturación. La cantidad de energía suministrada para llevar a un líquido a su punto de ebullición y que se evapore, se llama calor de evaporación, a la presión atmosférica (760 mm. de Hg), la cantidad de energía requerida para evaporar 1 Kg. de agua a 100°C y convertirlo en vapor a 100°C de temperatura es de 539 KCal. (2.260 KJ). En el caso del agua, se forma un Kg. de vapor saturado seco. Si solo se aplica una pequeña cantidad de calor solo parte del líquido se evapora 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 aplicar a un cuerpo para que cambie de estado sin que cambie su temperatura. Por otra parte, el calor sensible es el aplicado o tomado de un cuerpo, el cual está a una temperatura situada por encima 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 de estado, el calor sensible entra en juego y él es la causa que el vapor incremente de temperatura. Condensación.- El contrario de un cambio de estado de líquido a vapor es un proceso llamado de condensación. En vez de aplicar una cierta cantidad de calor es necesario sacar del cuerpo la misma cantidad para convertir el vapor en líquido. De nuevo la presión determina la temperatura a la cual la condensación se realiza. REFRIGERACIÓN.- La refrigeración se puede definir como un proceso que retira y transporta el calor. El trabajo de un refrigerador es enfriar artículos o productos y mantenerlos a una temperatura más baja que la temperatura ambiente. Los más viejos y mejores refrigerantes conocidos son el hielo, el agua y el aire. Al principio, el único propósito de la refrigeración fue conservar alimentos. Los chinos fueron los primeros en descubrir que el hielo aumentaba la vida y mejoraba el gusto de las bebidas y durante siglos los esquimales han conservado alimentos congelándolos. A principios de este siglo fueron conocidos los términos tales como bacterias, fermentación, enmohecimiento, enzimas... También se descubrió que el aumento de microorganismos es dependiente de la temperatura y que este crecimiento disminuye cuando la temperatura desciende por debajo de +l0 ºC. Como consecuencia, fue posible el uso de la refrigeración para conservar productos alimenticios y el hielo se empezó a usar para este propósito.

Termodinámicamente, cualquier sistema de refrigeración o enfriamiento es conocido como una máquina térmica invertida. Esta se define como un dispositivo que toma calor de una región o fuente 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).



En este tipo de máquinas, nos interesa que el calor retirado de la región de temperatura baja sea el 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 representa mediante 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 fácil que 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 la actualidad se basan en la evaporación de un líquido a baja presión. Un diagrama del refrigerador más simple de este tipo se presenta en la figura anterior. Al dejar escapar el líquido refrigerante del recipiente que lo contiene, pasa de una presión alta a la presión atmosférica. A la presión y temperatura ambientes, por características propias del fluido refrigerante, éste no puede existir en estado líquido y forzosamente tiene que pasar al estado gaseoso. El calor requerido para que se dé este cambio de fase (calor de vaporización) se toma de los alrededores con que está en contacto el fluido refrigerante (recipiente y medio ambiente) de manera que estos serán enfriados.

COMPR

E

W

Q =

cuesta que EnergÍa

a solicitadEnergÍa = β

Q - Q = W ECCOMPR

1 -

Q

Q1

= Q - Q

Q =

E

CEC

Eβ

1 - T

T

1 =

E

C

β

VAPOR DEL

REFRIGERANTE

ALMACÉN DE REFRIGERANTE LÍQUIDO

A ALTA PRESION

W

QE

QC



Desde luego, trabajar con un sistema abierto donde el refrigerante, que puede ser costoso y tóxico, se pierda al pasar directamente a la atmósfera, no es lo más conveniente; y lo normal es trabajar con ciclos de refrigeración. Cualquier ciclo de refrigeración necesita energía para su funcionamiento. Esta energía puede ser suministrada de diversas maneras según el sistema de refrigeración de que se trate. Si es un ciclo de refrigeración por compresión lo normal es suministrar 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 presenta a continuación. Este consta de una parte donde se suministra el trabajo mecánico o el calor según lo visto anteriormente, además del condensador, evaporador y válvula de expansión. El ciclo de refrigeración consta de cuatro procesos:

Proceso de 1 – 2.- En el punto 1, el refrigerante se encuentra en estado líquido, a una presión y temperatura relativamente altas. Pasa a 2 a través de una restricción, que se llama dispositivo de control de flujo o válvula de estrangulamiento o válvula de expansión. El refrigerante pierde presión al pasar por la restricción. La presión en el estado 2 es tan baja que se evapora una pequeña parte del refrigerante, pasando al estado gaseoso. Pero para evaporarse debe ganar calor, que toma de la parte del refrigerante que no se evaporó, y así se enfría la mezcla, produciendo la baja temperatura en el estado 2. Proceso de 2 – 3.- El refrigerante pasa a través de un intercambiador de calor llamado evaporador cuyo trabajo es retirar calor de sus alrededores, produciendo el efecto de enfriamiento 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 a baja presión. Para poder volver a usarlo y obtener continuamente el efecto de evaporación, se debe regresar a las condiciones del estado 1, líquido a alta presión. El primer paso en este proceso es aumentar la presión del refrigerante gaseoso mediante el empleo de un compresor. 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 y presión. Para cambiar al estado líquido, se le debe eliminar calor. Esto se logra con un cambiador de calor que se llama condensador. El refrigerante fluye a través de uno de los



circuitos del condensador; en el otro pasa un fluido de enfriamiento (aire ó agua a menor temperatura que el refrigerante). Por lo tanto, el calor se transfiere del refrigerante al fluido de enfriamiento 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, estos procesos 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 puedan ser 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 las máximas posibles. Compresor. El trabajo del compresor es aspirar el vapor del evaporador y forzarlo a entrar en el condensador. El tipo más común es el compresor de pistón, pero otros tipos también se emplean por ejemplo compresores centrífugos y compresores de tornillo.

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

Para pequeñas aplicaciones se usa el compresor hermético. En estos aparatos, el compresor y motor son montados juntos en una completa unidad hermética.



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

Los compresores para muy grandes plantas de freon y amoníaco se les denominan compresores abiertos, es decir con el motor fuera del compresor. La transmisión del motor al compresor puede hacerse directamente 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 suma del calor absorbido en el evaporador más el calor producido por la compresión. Hay muchas clases diferentes de condensadores. Condensador multitubular; que se utiliza en plantas donde se 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 de los tubos. Las tapas de los extremos están divididas en secciones por medio de unos diafragmas. Estas secciones forman cámaras de tal manera que el agua circula varias veces a través del condensador. Si es necesario reducir el consumo de agua hay que utilizar como sustitución al anterior un condensador evaporativo. Este tipo de condensador consiste en un envolvente 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 de condensación. Poco a poco se va condensando a medida que circula por la batería y en el fondo de ésta está en forma de líquido. Los tubos de distribución de agua con sus toberas se montan sobre la batería de condensación de tal manera que el agua pulverizada caiga de arriba a abajo de la batería. Los ventiladores dan una fuerte circulación de aire a través de la batería de condensación. Cuando las gotas de agua que caen encuentran el aire que circula en contra, parte de esta agua se evaporará. Esta operación absorbe el calor de vaporización del vapor refrigerante y causa que este se condense:

1 Ventilador 2 Placa deflectora 3 Envolvente exterior 4 Eliminador del recalentamiento 5 Tubo del condensador 6 Entrada de aire 7 Bandeja colectora 8 Tubo de sobradero 9 Tubería de distribución de agua 10 Bomba de circulación de agua 11 Entrada de aire

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



superficies externas de los tubos de condensación. Esto se consigue colocando en los tubos salientes o aletas y asegurando mecánicamente una gran circulación de aire. Válvula de expansión.- El propósito principal de una válvula de expansión, es asegurar una presión diferencial suficiente entre los lados de alta y baja de la planta de refrigeración. El camino más sencillo de hacer esto es colocar un tubo capilar entre el condensador y el evaporador. 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 cantidad que se inyecta al evaporador. Para este proceso necesariamente hay que utilizar una válvula de regulación la más corriente es una válvula de expansión termostática que consta de un cuerpo de válvula con tubo capilar y un bulbo, el cuerpo de la válvula se monta en la línea de líquido y el bulbo se coloca en la salida del evaporador.

1 Entrada con filtro 2 Cono 3 Salida 4 Orificio 5 Connexión para igualizador de presión 6 Envolvente del muelle 7 Diafragma 8 Tubo capilar 9 Eje para ajuste de tensión del muelle (recalentamiento de apertura) 10 Bulbo

La figura siguiente muestra a un evaporador alimentado por una válvula termostática de expansión. Una pequeña cantidad de líquido permanece en el bulbo. El resto del bulbo, el tubo capilar y el espacio por encima de la membrana en el cuerpo de válvula está lleno de vapor saturado a la presión correspondiente a la temperatura del bulbo. El espacio por debajo de la membrana está en conexión con el evaporador, y la presión es por consiguiente igual a la presión 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 evaporación más el recalentamiento. . Por ejemplo a una temperatura de evaporación de -10°C, la temperatura del bulbo podría ser de 0°C. Si el evaporador recibe poco refrigerante, el vapor se recalentará más y la temperatura a la salida del evaporador será más alta. La temperatura del bulbo también se elevará y también la presión de vapor en el bulbo, como consecuencia de que la carga se evaporará. Como consecuencia del aumento de presión por la parte superior del diafragma éste se cambiará hacia abajo, la válvula se abrirá y se suministrará más líquido al evaporador. Por el contrario la válvula cerrará más si la temperatura del bulbo empieza a ser más baja.



Evaporador.- Dependiendo de la aplicación, varios requisitos se imponen en el evaporador Los evaporadores, sin embargo se fabrican en serie en distintas versiones. Los evaporadores para circulación natural de aire cada vez se utilizan menos debido a la pobre transferencia de calor del aire a los tubos de enfriamiento. En los primeros modelos se montaron con tubo liso pero ahora es muy común el uso de tubos con aletas, planas o helicoidales. La capacidad del evaporador se aumenta significativamente si se usa evaporadores para circulación forzada de aire. 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 evaporador mucho 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 tanque abierto. Los sistemas cerrados también se empiezan a utilizar cada vez más. En estos sistemas los tubos enfriadores se disponen de una manera muy parecida a los condensadores multitubulares.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO.- La unidad se ha proyectado y desarrollado como ayuda a la enseñanza para estudiantes de termodinámica y refrigeración, en todas las fases de su formación. 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 del rendimiento de un refrigerador por compresión de vapor. En todos los casos puede observarse el 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 de construcción de casi todos los sistemas de refrigeración, es un excelente solvente, tiene alta densidad y baja tensión superficial. Es amigable con el medio ambiente, ya que daña del 90 al 95% menos la capa de ozono en comparación con el R-11. No deja residuos en el equipo después de una limpieza y no es toxico. Características: R-141b CH3CCl2F Cantidad = 400-500 ml. Compresor. Se trata de un compresor de diafragma del tipo exento de aceite que ha demostrado 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 estas condiciones.

(c) El sistema no queda contaminado con aceite de lubricación. Características: Compresor tipo diafragma Compton D/4160-6 motor de ¼ hp Velocidad de giro 1425 r.p.m.



Evaporador.- Es un cilindro con paredes de cristal de gran espesor, con placas de latón mecanizado en sus extremos. Puede visualizarse como el refrigerante entra en ebullición al transferírsele 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 la temperatura de saturación del refrigerante así como las temperaturas del agua a la entrada y a la 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 observarse como se condensa el vapor al transferir calor al agua que circula por el interior de un serpentín de 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 el evaporador o el condensador y el medio ambiente atmosférico es de aproximadamente 0.8 W por 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 aguja accionada por el flotador. La válvula controla el caudal del refrigerante de acuerdo con la velocidad 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, la planta se estabiliza muy rápidamente, pudiendo evaluarse varias condiciones de funcionamiento distintas en un periodo de clase normal.

Elementos de Seguridad Interruptor 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 Funcionamiento 1. 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.



Demostración del ciclo de refrigeración por compresión de vapor Se circula agua fría a través de los serpentines del evaporador y el condensador y se conecta a la 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 notaran diferencias de temperatura en las salidas del agua. Puede ahora examinarse la unidad con detalle. (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 energía del agua que pasa a través del serpentín y produciendo una caída en la temperatura de agua.

(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 y temperatura mayores.

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

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



Trazado de las curvas de funcionamiento

En la Unidad de Demostración de Refrigeración se pueden obtener las curvas de funcionamiento de un compresor en particular (ver figura 3), en las cuales se puede apreciar que 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, la temperatura de entrada de agua y la temperatura de saturación, ajustando el caudal de agua y realizando una serie de pruebas a diversas presiones del condensador (controladas variando el caudal 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 al

aumentar la temperatura del condensador y eventualmente llegaría a ser cero. Esto se debe al aumento de relación de compresión en el compresor, que reduce su rendimiento volumétrico y por tanto el caudal de refrigerante.

b) Para cualquier presión del condensador dada, el efecto refrigerante (Qe) disminuye a medida 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



DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

1.- Coeficiente ideal de realización.- �� = � �� ⁄ �− ��⁄ �� = �� !"#$ ��"�� %�ó��$��'��(��%#��"��#�°*� �+ = �� !"#$ ��"�� %�ó��$��'��(��,��#��#�°*�

2.- Coeficiente real de realización. �- = �. �/ �.⁄ �� 0.+1 = 2��%��"'��%��%�$#��$��$�,��#��#�W� 4. = ��!�5#" ��"��#�$��'��(��#�W�

a).-Índice de transferencia de calor real (agua + atmósfera) en el evaporador. �. �/ = 6. ��789:�; − �<� = >�? − ��W� @ABCD = @�$#��"��%�'�%#��$�( � = 4186I J(°@⁄ � �. + = @� ��$��( ��$�,��#��#�J( "⁄ � �K = �� "�$��$�( ��$�,��#��#�L� �M = �� $�( ��$�,��#��#�L� �+ = �� "�� %�ó��$��'��(��$�,��#��#�L� �N = �� #"'é��%�L� P = ��"'��%��%�$#��#��"��$��!�� = 0.8W L⁄ �

b).-Índice de transferencia de calor real (agua + atmósfera) en el condensador.

�. �/ = 6. ��789:�S − �T� = >�� − �?�W� @ABCD = @�$#��"��%�'�%#��$�( � = 4186I J(°@⁄ � �. � = @� ��$��( ��$%#��"��#�J( "⁄ � �U = �� "�$��$�( ��$%#��"��#�L� �V = �� $�( ��$%#��"��#�L� �� = �� "�� %�ó��$��'��(��$%#��"��#�L� �N = �� #"'é��%�L� P = ��"'��%��%�$#��#��"��$��!�� = 0.8W L⁄ �

c).- El trabajo suministrado al refrigerador

�. = �. �/ −�. �/W� 0.�1 = 2��%��"'��%��%�$#��$��$%#��"��#�W� 0.+1 = 2��%��"'��%��%�$#��$��$�,��#��#�W�

3.- Comparación de los Coeficientes de Realización Ideal y Real �� W �-�� XY = @#�'�%��$��$�Z�%�#�� X[ = @#�'�%��$��$�Z�%�#��



4.- Efecto Refrigerante �. � = 6. ��789:�; − �<�W� @ABCD = @�$#��"��%�'�%#��$�( � = 4186I J(°@⁄ � �. + = @� ��$��( ��$�,��#��#�J( "⁄ � �K = �� "�$��$�( ��$�,��#��#�L� �M = �� $�( ��$�,��#��#�L� 5.- Diferencia Media Geométrica de Temperaturas en el Evaporador ∆�� = ��; − �� − �< − �� ]^��; − �� < − ��⁄ �L�⁄ �K = �� "�$��$�( ��$�,��#��#�L� �M = �� $�( ��$�,��#��#�L� �+ = �� "�� %�ó��$��'��(��$�,��#��#�L� 6.- Coeficiente de Transferencia de Calor en el Evaporador _� = `6. ��789:�; − �<�a �b�∆��⁄ 4 �C⁄ L� @ABCD = @�$#��"��%�'�%#��$�( � = 4186I J(°@⁄ � �. + = @� ��$��( ��$�,��#��#�J( "⁄ � �K = �� "�$��$�( ��$�,��#��#�L� �M = �� $�( ��$�,��#��#�L� �+ = �� "�� %�ó��$��'��(��$�,��#��#�L� c+ = d ��'�%��"'��%��%�$#��$�,��#��#� = 0.032�C ∆�+ = g�'��%��(�#�é��%�� "��$�,��#��#�L� 7.- Diferencia Media Geométrica de Temperaturas en el Condensador ∆�� = �� − �T� − �� − �S�� ]^�� − �T� �� − �S�⁄ �⁄ L� �U = �� "�$��$�( ��$%#��"��#�L� �V = �� $�( ��$%#��"��#�L� �� = �� "�� %�ó��$��'��(��$%#��"��#�L� 8.- Coeficiente de Transferencia de Calor en el Condensador _� = `6. ��789:�S − �T�a �b�∆��⁄ 4 �C⁄ L� @ABCD = @�$#��"��%�'�%#��$�( � = 4186I J(°@⁄ � �. � = @� ��$��( ��$%#��"��#�J( "⁄ � �U = �� "�$��$�( ��$%#��"��#�L� �V = �� $�( ��$%#��"��#�L� �� = �� "�� %�ó��$��'��(��$%#��"��#�L� c� = d ��'�%��"'��%��%�$#��$%#��"��#� = 0.032�C ∆�� = g�'��%��(�#�é��%�� "��$%#��"��#�L�



GRÁFICAS 1. Graficar en el Diagrama de Mollier del refrigerante R-141b, el ciclo de refrigeración que se

lleva 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 con los resultados obtenidos. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El alumno dará sus conclusiones y las recomendaciones que crea convenientes para el mejoramiento 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 Realización Ideal y Real �� W �- ��

Efecto Refrigerante �. � W

Diferencia Media Geométrica de Temperaturas en el Evaporador ∆�� L

Coeficiente de Transferencia de Calor en el Evaporador _� 4 �C⁄ L

Diferencia Media Geométrica de Temperaturas en el Condensador ∆�� L

Coeficiente de Transferencia de Calor en el Condensador _� 4 �C⁄ L



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 al evaporador �; °@

Temperatura de salida del agua del evaporador �< °@

Caudal del agua en el evaporador 6. � J ( h�⁄

Caudal del agua en el condensador 6. � J ( h�⁄

Presión de saturación del refrigerante en el condensador i� !��

Temperatura de saturación del refrigerante en el condensador �� L

Efecto Refrigerante �. � W

TABLA DE LECTURAS

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

E

VA

PO

RA

DO

R Presión de saturación del refrigerante i� !��

Temperatura de saturación del refrigerante �� °@

Temperatura de entrada del agua �; °@

Temperatura de salida del agua �< °@

Caudal del agua 6. � J ( h�⁄

CO

ND

EN

SA

DO

R Presión de saturación del refrigerante i� !��

Temperatura de saturación del refrigerante �� °@

Temperatura de entrada del agua �T °@

Temperatura de salida del agua �S °@

Caudal del agua 6. � J ( h�⁄

Temperatura atmosférica �? °@

