FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGÓN

INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO DE MÁQUINAS TÉRMICAS

Práctica no. 2: “Refrigeración”

Alumno: David Ricardo Fernández Cano Veronico

Fecha de realización:

Fecha de entrega:

Tabla de lecturas

Concepto Símbolo

Unidad 1 2 3 4 5 6

Temperatura entrada compresor T 1 °C -5 9.4 1.6 16.1 6.9 16Temperatura salida compresor T 2 °C 51.5 56.7 62 66 52.6 58.8

Temperatura salida condensador T 3 °C 33.1 33.9 36.3 34 35.6 34.2Temperatura entrada válvula de

expansiónT 4 °C 26.6 17.5 28.3 20.9 31.1 23.5

Temperatura entrada evaporador T 5 °C -23 -26.5 -12.8 -15.3 -2.6 -5.5Temperatura salida evaporador T 6 °C -10 -11.5 -7 -6.2 2.5 -3.5

Temperatura de entrada del agua al condensador

T 7 °C 24.3 24.5 21.6 20.2 24.5 19.1

Temperatura salida del agua del condensador

T 8 °C 36.2 33.8 33.6 32.4 28.4 27.7

Presión del condensador Pc bar 9 9 9 9 9 9Presión del evaporador Pe bar .8 .7 1.7 1.5 2.5 2.3Flujo de refrigerante mr g/s 3.5 3 5 4.5 7 6.75

Flujo de agua en el condensador mw L/min .7 .6 1.2 1 3.2 1.9Voltaje en el evaporador V e V 50 50 70 70 85 85

Corriente en el evaporador I e A 6.25 6.25 8.5 8.5 10.6 10.6Voltaje en el motor eléctrico V m V 127 127 127 127 127 127

Corriente en el motor eléctrico Im A 6.5 6.5 6.9 6.7 7 7Fuerza en el dinamómetro F N 8.2 8.1 9.8 9.3 10.5 10.7Velocidad en el compresor vc rpm 490 492 456 470 470 492

Velocidad en el motor eléctrico vm rpm 1715 1715 1715 1715 1645 1722Intercambiador de calor no si no si no si

Desarrollo de la práctica

1).-Análisis termodinámico del compresor

a).-Potencia al freno

W fc1=.15 (8.2N ) (2 π×1715 rpm /60 )=220.9010874W

W fc2=.15 (8.1N ) (2 π×1715 rpm/60 )=218.2071717W

W fc3=.15 (9.8N ) (2π ×1715 rpm /60 )=264.0037386W

W fc4=.15 (9.3N ) (2π ×1715rpm /60 )=250.5341601W

W fc5=.15 (10.5 N ) (2 π×1645 rpm /60 )=271.3157955W

W fc6=.15 (10.7N ) (2π ×1722 rpm /60 )=289.4255064W

2

b).- Calor perdido

Q pc1=(.0035 kg/ s (210−185 ) kJ /kg )( 1000 J1kJ )+220.901W=308.4010874W

Q pc2=(.003 kg/ s (212−194 ) kJ /kg )( 1000 J1kJ )+218.2071717W=272.2071717W

Qpc3=(.005 kg /s (221−187 ) kJ /kg )( 1000 J1kJ )+264.0037386W=434.0037386W

Qpc 4=(.0045 kg /s (223−197 ) kJ /kg )(1000 J1kJ )+250.5341601W=367.5341601W

Qpc5=(.007 kg /s (223−190 ) kJ /kg )( 1000 J1kJ )+271.3157955W=502.3157955W

Q pc6=(.00675 kg /s (223−196 ) kJ /kg )( 1000J1kJ )+289.4255064W=471.6755064W

2.- Análisis termodinámico en el condensador

a).- Calor absorbido por el refrigerante

Qarc 1=(.0035 kg /s (68−210 ) kJ /kg ) (1000 J1kJ )=−497W

Qarc 2=(.003kg /s (59−212 ) kJ /kg )( 1000 J1kJ )=−459W

Qarc 3=(.005kg /s (69−221 ) kJ /kg )( 1000 J1kJ )=−760W

Qarc 4=(.0045 kg /s (70−223 ) kJ /kg)( 1000J1kJ )=−688.5W

Qarc 5=(.007 kg/ s (72−223 ) kJ /kg ) (1000 J1kJ )=−1057W

Qarc 6=( .00675 kg/s (69−223 )kJ /kg )(1000 J1kJ )=−1039.5W

b).- Calor absorbido por el agua

Conversión de unidades del flujo de agua

3

mw 1=( .7 L/min )( 1min60 s )( m3

103L )( 997 kgm3 )=0.011631667 kg/ s

mw 2=( .6 L/min )( 1min60 s )( m3

103L )( 997 kgm3 )=0.00997 kg /s

mw 3=(1.2 L/min )( 1min60 s )( m3

103L )( 997 kgm3 )=0.01994 kg /s

mw 4=(1L/min )( 1min60 s )( m3

103 L )( 997 kgm3 )=0.016616667 kg /s

mw 5=(3.2 L/min )( 1min60 s )( m3

103L )( 997 kgm3 )=0.053173333 kg/ s

mw 6=(1.9 L/min )( 1min60 s )( m3

103L )(997 kgm3 )=0.031571667 kg /s

Calculo del calor absorbido por el agua

Qawc 1=(0.011631667 kg/ s ) ( 4.186 kJ / ( kg°C ) ) (36.2−24.3 ) °C (1000 )=579.4128643W

Qawc 2=(0.00997 kg/s ) (4.186 kJ / (kg°C )) (33.8−24.5 )°C (1000 )=388.130106W

Qawc 3=(0.01994 kg/ s ) ( 4.186 kJ /( kg °C ) ) (33.6−21.6 )° C (1000 )=1001.62608W

Qawc 4=(0.016616667 kg /s ) ( 4.186 kJ / (kg°C ) ) (32.4−20.2 )°C (1000 )=848.5998733W

Qawc 5=(0.053173333 kg /s ) ( 4.186 kJ / (kg°C ) ) (28.4−24.5 ) °C (1000 )=868.075936W

Qawc 6= (0.031571667 kg/ s) (4.186 kJ / (kg° C ) ) (19.1−27.7 ) °C (1000 )=1136.567371W

c).- Calor perdido

Qpcd1= (579.4128643−497 )W=82.41286433W

Q pcd2=(388.130106−459 )W=−70.869894W

Q pcd3=(1001.62608−760 )W=241.62608W

Q pcd 4=(848.5998733−688.5 )W=160.0998733W

Q pcd5=(868.075936−1057 )W=−188.924064W

4

Qpcd6=(1136.567371−1039.5 )W=97.06737133W

3.- Análisis termodinámico en el evaporador

a).- Calor consumido

Qse 1=(50V ) (6.25 A )=312.5W

Qse 2=(50V ) (6.25 A )=312.5W

Qse 3=(70V ) ( 8.5 A )=595W

Qse 4= (70V ) (8.5A )=595W

Qse 5=(85V ) (10.6 A )=901W

Qse 6=(85V ) (10.6 A )=901W

b).- Calor absorbido por el refrigerante

Qare 1=( .0035 kg /s ) (181−63 ) kJ /kg (1000 )=413W

Qare 2=( .003 kg /s ) (180−53 ) kJ /kg (1000 )=381W

Qare 3=( .005 kg /s ) (182−66 ) kJ /kg (1000 )=580W

Qare 4=(0.0045 kg/ s) (184−52 ) kJ /kg (1000 )=594W

Qare 5=(0.007 kg/s ) (189−65 )kJ /kg (1000 )=868W

Qare 6=(0.00675 kg /s ) (189−58 ) kJ /kg (1000 )=884.25W

c).- Calor perdido

Q pe1= (413−312.5 )W=100.5W

Qpe2= (381−312.5 )W=68.5W

Q pe3=(580−595 )W=−15W

Q pe 4=(594−595 )W=−1W

Q pe5=(868−901 )W=−33W

Q pe6=(884.25−901 )W=−16.75W

4.- Análisis termodinámico en el intercambiador de calor

5

a).- Calor absorbido por el refrigerante (lado del vapor)

Qarv2=( .003 kg/ s ) (194−180 ) kJ /kg (1000 )=42W

Qarv 4=(0.0045 kg /s ) (19 7−18 4 ) kJ /kg (1000 )=58.5W

Qarv6=( .00675 kg/ s) (19 6−18 9 ) kJ /kg (1000 )=47.25W

b).- Calor absorbido por el refrigerante (lado líquido)

Qarv 2=(.003 kg/ s) (53−59 )kJ /kg (1000 )=−18W

Qarv 4=( .0045 kg /s ) (52−70 ) kJ /kg (1000 )=−81W

Qarv6=( .0066 kg /s ) (58−69 ) kJ /kg (1000 )=−74.25W

c).- Calor perdido

Qpi 2=(42−18 )W=24W

Qpi 4= (58.5−81 )W=22.5W

Q pi 6=( 47.25−74.25 )W=−27W

5.- Cálculo de los coeficientes de operación

a).- En base a la potencia absorbida por el motor eléctrico

COP1,1=312.5/470.535=0.664137631

COP1,2=312.5/470.535=0.664137631

COP1,3=595/499.491=1.191212654

COP1,4=595/ 485.013=1.226771241

COP1,5=901/506.73=1.778067215

COP1,6=901/506.73=1.778067215

Wm1=Wm2=.57 (6.5 A ) 127V=470.535W

Wm3=.57 (6.9 A )127V=499.491W

Wm 4=.57 (6.7 A )127V=485.013W

Wm5=Wm6=.57 (7 A )127V=506.73W

6

b).- En base a la potencia al freno

COP2,1=312.5/220.9010874=1.414660306

COP2,2=312.5/218.2071717=1.432125248

COP2,3=595/264.0037386=2.253755962

COP2,4=595/250.5341601=2.374925638

COP2,5=901/271.3157955=3.320853466

COP2,6=901/289.4255064=3.113063569

c).- En base al ciclo ideal

COP3,1=(181−63 ) / (220−185 )=¿3.371428571 ¿

COP3,2=(180−53 )/(230−194 )=¿3.527777778¿

COP3,3=(182−66 )/ (211−187 )=4.833333333

COP3,4=(184−52 )/ (225−197 )=4.714285714

COP3,5=(189−65 )/ (210−190 )=6.2

COP3,6=(189−58 )/ (218−196 )=¿5.954545455¿

d).- En base a las temperaturas absolutas del ciclo de Carnot

T A1=T A2=(38+273.15 )° C=311.15° K

T A3=T A 4=T A5=T A6=(39+273.15 ) °C=312.15 °K

T B1=(−20+273.15 )° C=253.15 ° K

T B2=(−22+273.15 )° C=251.15° K

T B3= (−7+273.15 ) °C=266.15 ° K

T B4=(−8+273.15 )° C=265.15° K

T B5= (2+273.15 )° C=275.15° K

T B6= (−1+273.15 )° C=272.15 ° K

COP4,1=253.15 / (311.15−253.15 )=¿4.364655172¿

7

COP4,2=251.15/ (311.15−25 1.15 )=¿4.185833333 ¿

COP4,3=266.15 / (312.15−266 .15 )=¿5.785869565¿

COP4,4=265.15 /(312.15−2 65.15 )=¿5.641489362¿

COP4,5=275.15/ (312.15−275 .15 )=¿7.436486486 ¿

COP4,6=272.15/ (312.15−272 .15 )=¿6.80375 ¿

Cálculo de las presiones absolutas

Pc 1=Pc 2=Pc 3=Pc 4=Pc5=Pc6=(9+.78 ) ¿̄9.78 ¿̄

Pe 1=( .8+.78 ) ¿̄1.58 ¿̄

Pe 2=( .7+.78 ) ¿̄ 1.48 ¿̄

Pe 3=(1.7+.78 ) ¿̄2.48 ¿̄

Pe 4= (1.5+ .78 ) ¿̄2.28 ¿̄

Pe 5=(2.5+.78 ) ¿̄ 3.28 ¿̄

Pe 6=(2.3+.78 ) ¿̄3.08 ¿̄

6.- Representación gráfica de los coeficientes de operación COP1 y COP2

Sin intercambiador de calor:

Con intercambiador de calor:

8

7.- Representación grafica del comportamiento del flujo de refrigerante

Tabla de resultados

Concepto Símbolo Unidad 1 2 3 4 5 6

1 Análisis termodinámico en el compresor

a Potencia al freno

W fc W 220.901 218.207 264.00 4 250.534 271.31 6 289.42 6

b Calor perdido

Qpc W 308.401 272.207 434.00 4 367.534 502.31 6 471.67 6

2 Análisis termodinámico en el condensador

9

a Calor absorbido

por el refrigerante

Qarc W −497 −459 −760 −688.5 −1057 −1039.5

b Calor absorbido

por el agua

Qawc W 579.4 388.1 1001.6 848.6 868.1 1136.6

c Calor perdido

Q pcd W 82.4 -70.9 241.6 160.1 -188.9 97.1

3 Análisis termodinámico en el evaporador

a Calor suministrad

o

Qse W 312.5 312.5 595 595 901 901

b Calor absorbido

por el refrigerante

Qare W 413 381 580 594 868 884.3

c Calor perdido

Q pe W 100.5 68.5 -15 -1 -33 -16.8

4 Análisis termodinámico en el intercambiador de calor

a Calor absorbido

por el refrigerante (lado vapor)

Qarv W 42 58.5 47.25

b Calor absorbido

por el refrigerante

(lado liquido)

Qarv W -18 -81 -74.25

10

c Calor perdido

Q pi W 24 -22.5 -27

5 Calculo de los coeficientes de operación

a En base a la potencia

absorbida por el motor

COP1 .664 .664 1.191 1.227 1.78 1.78

b En base a la potencia al

freno

COP2 1.415 1.432 2.254 2.375 3.185 3.126

c En base al ciclo ideal

COP3 3.371 3.528 4.833 4.714 6.2 5.955

d En base a las

temperaturas absolutas del ciclo

inverso de Carnot

COP4 4.365 4.186 5.786 5.642 7.437 6.804

Tabla de entalpías específicas del diagrama P-H

Concepto SímboloUnidades 1 2 3 4 5 6

Entrada del compresor H 1 kJ/kg 185 194 187 197 190 196

Salida del compresor H 2 kJ/kg 210 212 221 223 223 223

11

Compresión isoentrópica H 2 s kJ/kg 220 230 211 225 210 218

Salida del condensador H 3 kJ/kg 68 59 69 70 72 69

Entrada a la válvula de expansión

H 4 kJ/kg 63 53 66 52 65 58

Salida de la válvula de expansión

H 5 kJ/kg 63 53 66 52 65 58

Salida del evaporador H 6 kJ/kg 181 180 182 184 189 189

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14

15

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17

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Conclusiones y recomendaciones

De acuerdo a las gráficas obtenidas se muestra que la temperatura disminuye en el punto 4 y de igual manera en la parte de la compresión del refrigerante se observa un mayor calentamiento con el uso del intercambiador de calor; además se puede ver que en este proceso de compresión no se desarrolla a entropía constante, sino que la entropía disminuye y se tiene por entendido que esta disminución se debe a que la compresión disminuye el espacio libre en el cual se pueden distribuir las moléculas del refrigerante gaseoso.Para la realización de las graficas de presión-entalpía y temperatura-entropía no se tomaron en cuenta las lecturas de las temperaturas en el punto 5, que representa la salida de la válvula de expansión; pero si este punto se grafica se puede observar como consecuencia que la presión en el evaporador no es constante, en lugar de esto aumenta en todos los casos.Con respecto al comportamiento de la entropía en el compresor, se menciono que esta disminuye, sin embargo se presentan dos excepciones sobre esta disminución, en las lecturas 3 y 5 en las cuales aumento debido a la subida de temperatura en el punto 2 con lo cual se tiene un incremento en la agitación de las moléculas.En los cálculos de los coeficientes de operación no se observa gran diferencia entre las lectura tomadas con intercambiador de calor y las que no tienen este dispositivo, pero en la mayoría de los casos se ve que el coeficiente de operación es mayor en los casos en que se ocupa el intercambiador, aunque por poca diferencia. Los coeficientes de operación más altos se obtuvieron con base en las temperaturas del ciclo inverso de Carnot, lo cual demuestra que este es el ciclo más eficiente. Las mayores pérdidas de calor se presentaron en el compresor y también en el condensador, aunque en considerable menor medida y teniendo en cuenta los signos obtenidos en este último cálculo se deduce que en ocasiones se tuvo una gran ganancia de calor al igual que en el evaporador.La refrigeración tiene muchas aplicaciones para la civilización en la vida cotidiana de las ciudades y en las aplicaciones industriales, no solo como método para la conservación de alimentos sino como herramienta útil para mantener a cierta temperatura sustancias explosivas, para el adecuado funcionamiento de los sistemas de control computarizado, para el confort, etc., por lo tanto gracias a esta han podido prosperar un gran número de industrias y se ha conseguido el surgimiento de empresas con nuevas actividades lucrativas.

19