UuUniversidad Tecnológica de Panamá

Centro Regional Universitario Tecnológico de Azuero

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Licenciatura en Ingeniería Electromecánica

II Semestre

REPORTE DE INVESTIGACIÓN

Termodinámica II

Preparado por:

Villalaz, José J. IP: 7-709-995De León, Edwin IP:7-709-1193

Ruíz, Inri IP:7-709-1316

Facilitador:

Ing. Carlos Cedeño

Tema:

“Influencia de la Velocidad de Extracción de Calor sobre el COP del Módulo RCT/EV”

2015

Influencia de la Velocidad de Extracción de Calor sobre el COP del Módulo RCT/EV

1. Introducción

Antecedentes del tema de Investigación:

La refrigeración por compresión de vapor se remonta a 1834, cuando el inglés Jacob Perkins recibió una patente para una máquina de hielo de ciclo cerrado que usaba éter u otros fluidos volátiles como refrigerantes. Se fabricó un modelo utilizable de esta máquina, pero nunca se produjo comercialmente.

En 1850, Alexander Twining empezó a diseñar y construir máquinas de hielo por compresión de vapor usando éter etílico, el cual es un refrigerante comercialmente usado en los sistemas por compresión de vapor. Al principio, los sistemas de refrigeración por compresión de vapor eran grandes y utilizados principalmente para producir hielo, preparar cerveza y conservar alimentos en frío. Carecían de control automático y eran accionados por una máquina de vapor.

En la década de 1890, algunas máquinas más pequeñas, activadas por motores eléctricos y equipados con control automático, empezaron a sustituir a las unidades más viejas, y los sistemas de refrigeración empezaron a aparecer en las carnicerías y en las residencias. Por 1930, las mejoras continuas hicieron posible contar con sistemas de refrigeración por compresión de vapor que resultaban relativamente eficientes, confiables, pequeños y económicos.

En una máquina de refrigeración se requiere darle una cantidad de trabajo para mover una cantidad de energía térmica o calorífica. Toda máquina térmica, ya sea motriz o de refrigeración, requiere ceder indudablemente una cantidad de calor al medio ambiente, por lo que su funcionamiento está gobernado por nuestra madre naturaleza o las condiciones ambientales que la rodean.

La eficiencia de los ciclos de refrigeración es muy sensible a los cambios en las condiciones de operación. De esta forma la temperatura de succión, la temperatura condensante y por supuesto las presiones en la succión y a la salida del compresor hacen variar considerablemente la eficiencia del ciclo. Por lo tanto, la implantación de sistemas de climatización eficientes no sólo es interesante desde el punto de visto económico, sino también medioambiental.

Objetivos de la Investigación:

Definir la relación  entre el coeficiente de desempeño del módulo RCT/EV contra la velocidad del ventilador del condensador.

Comparar los estados termodinámicos con diversas velocidades de extracción de calor y evaluar a cuál presenta mayor eficiencia.

Ver los puntos posibles que se pueden mejorar para aumentar la eficiencia del Módulo RCT/EV.

Alcance, Criterios y Limitaciones de la Investigación:

El presente estudio explorará la Influencia de la Velocidad de extracción de Calor del Módulo RCT/EV.

El tiempo de Recolección de Datos comprende un periodo de 30 minutos para cada velocidad.

La falta de disposición de más sensores de Temperatura influyó en la precisión de los datos, al igual que el tiempo de vida del Módulo; sin embargo, presentaron una buena linealidad.

La falta de otro Módulo no permite establecer una comparación cuantitativa en la calidad de los datos.

Justificación de la investigación y análisis de la viabilidad:

La investigación resulta viable porque da la posibilidad de encontrar las condiciones o parámetros donde la Influencia de la Velocidad de Extracción de Calor sobre el COP del Módulo RCT/EV es significativa.

Reconociendo que a través del estudio y las aplicaciones se puede contribuir con el mejoramiento de muchos sistemas que estén involucrados en el área de la refrigeración hemos realizado un estudio sobre el comportamiento de un módulo con característica tipo Residencial. Con este tipo de Módulo Refrigerante tenemos la finalidad de encontrar la mayor eficiencia del mismo bajo ciertas condiciones de operación.

La medida de la eficiencia energética que se busca demostrar, se hará en base a resultados obtenidos. Se recolectaron datos de parámetros termodinámicos como presión y temperatura permitiéndonos mediante herramientas matemáticas conocer el comportamiento que presenta el sistema mediante interpretaciones gráficas, conceptos teóricos y varios procesos que se verán en el contexto de esta investigación.

2. Marco Teórico

La termodinámica como tal, es la ciencia que aporta diversos conceptos, fundamentos, ideas y procesos que son de gran interés en el área de la refrigeración, a los procesos de transferencia de calor desde un espacio que tenga una menor temperatura a uno de mayor temperatura que es la operación fundamental de los dispositivos de refrigeración.

Los dispositivos refrigerantes hoy día son usados comúnmente bajo un proceso cíclico, que tiene como unidad principal de operación un compresor que es el encargado de comprimir el refrigerante 134-a, siendo este líquido incitado a evaporarse y condensarse de manera alternada hasta llegar a su estado original.

Este ciclo por compresión de vapor como ya mencionamos es el más utilizado en la refrigeración, pero también es utilizado en los sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor.

Este ciclo de refrigeración está compuesto de cuatro procesos involucrando elementos que tiene una influencia específica sobre el refrigerante utilizado.

El refrigerante entra al compresor como vapor saturado y se comprime isentrópicamente hasta la presión de operación del condensador, este elemento se encarga de rechazar el calor a presión constante, además de esto se le incorpora un ventilador para controlar la tasa a la cual se extrae calor del sistema, provocando que la temperatura del refrigerante disminuya hasta mantenerse como líquido saturado, luego se estrangula en una válvula de expansión o a través de tubos capilares dándose una caída de presión debido al estrangulamiento manteniendo la entalpía constante.

Para terminar el ciclo, a través de un evaporador se da una absorción de calor al sistema a presión constante y se repite nuevamente el ciclo.

Este proceso cíclico mencionado lo podemos apreciar mediante el siguiente esquema y diagrama T-s.

Tomando en cuenta que los componentes del ciclo son dispositivos de flujo estacionario, despreciando los efectos de la energía cinética y potencial, suponiendo que los intercambiadores de calor operan a presión constante se realiza trabajo y que el compresor es adiabático podemos decir que el coeficiente de desempeño se puede expresar cómo:

COPR=qL

wneto ,entrada

Y en función de entalpias específicas se pude definir como:

CO PR=h1−h4

h2−h1

Donde qL es el calor que es absorbido por el evaporador y wneto ,entrada es el trabajo que aporta el compresor al sistema.

3. Metodología de la Investigación

Generalidades de la metodología de la investigación:

Actualmente, el calentamiento global producto de la contaminación ambiental es uno de los mayores problemas que afectan a todo el mundo. Debido a esto, los sistemas de refrigeración y acondicionamiento de aire están convirtiéndose en una necesidad para la preservación de los alimentos, el confort en los hogares y áreas de trabajo. Se necesita optimizar el desempeño de estos equipos para lograr mayor rendimiento y el menor impacto ambiental.

La regulación de velocidad del ventilador acoplado al condensador del sistema debe mejorar el Coeficiente de Operación del Módulo de Refrigeración.

Para llevar a cabo esta investigación se trabajó con variables como la Temperatura, Presión, Velocidad y Entalpía en diversos estados termodinámicos.

El diseño utilizado para esta investigación es Tipo Experimental Puro (Verdadero), donde se manipulan variables independientes (velocidad) para ver sus efectos sobre las variables dependientes (Presión y Temperatura).

Se implementó un estudio explicativo como plan para dar respuestas evidentes a la problemática que ostenta, como primera fase de investigación, la recolección datos obtenidos mediante diversos instrumentos de medición y la utilización de recursos didácticos.

Selección de la muestra:

En base a los objetivos de estudio hemos aplicado estadística descriptiva para la selección de la muestra. Teniendo una población de 30 datos para cada velocidad, se decidió trabajar con una muestra de 5 datos, cuyos promedios se utilizaron para llevar a cabo el análisis. Los mismos están ligados a la velocidad del ventilador a la que opera el módulo; sólo se presentan 5 velocidades ya que el rango que abarca dicho módulo es pequeño. Con estos datos podemos inferir sobre la influencia que tiene la velocidad de extracción de calor sobre el coeficiente de desempeño del módulo.

Instrumentos de medición utilizados:

Para la medición de temperatura utilizamos termómetros de varilla los cuales son parte del mismo Módulo RCT/EV, para la medición de la velocidad a la que opera el ventilador del compresor utilizamos un anemómetro.

Las presiones son obtenidas de tablas termodinámicas, excepto la del estado 2 que es proporcionada por un manómetro que posee el mismo módulo.

Procedimiento metodológico de recolección y análisis de datos.

Una vez seleccionado el diseño de la investigación y teniendo la muestra; la recolección de datos la obtuvimos de los sensores de temperaturas, anemómetro y tabla de presiones termodinámicas. Aplicamos a este procedimiento una estadística descriptiva tomando datos cada treinta minutos. Consideramos que las mediciones de estas variables son confiables para realizar el estudio pertinente basado en la población que disponíamos. Para la codificación de datos empleamos gráficos y tablas donde se muestra el comportamiento de las variables medidas mostrando resultados efectivos.

Mecanismo de validación de resultados:

Es importante mencionar que durante el proceso metodológico y el análisis de datos se presenta, como en todo estudio, cierto grado de error e incertidumbre por lo que al momento de validar los resultados se observó una ecuación del gráfico considerable de lo cual asumimos que dichos resultados son confiables. De igual manera al momento de obtener la variable de temperatura, en los distintos estados, se corroboró la medición con un sensor láser de temperatura.

4. Desarrollo del Tema

Planteamiento y aplicación del modelo propuesto.

En la siguiente tabla se muestran los valores promedio en base a la muestra definida anteriormente.

V (m/s)

Estado 1 Estado 2 Estado 3 Estado 4T (°C) P (kPa) T (°C) P(kPa) T (°C) P(kPa) T (°C) P(kPa)

2 26.8 702.428  82.9 1300 47.8 1247.34  17.1  522.6972.5 26.4  694.134 81.6 1270 45.7  1181.955 16.4  511.1683 25.8  681.874 80.9 1220 44.4  1142.76 16  504.583.5 25.2 669.976  77.5 1180 43.5  1116.225 15.8 501.441 4 24.1  648.163 76.7 1110 42.3 1087.275  15 488.885 

Con la ayuda de tablas que muestran las propiedades termodinámicas y los conceptos definidos previamente se buscó la entalpia de cada estado o etapa que conforma el ciclo de refrigeración por compresión de vapor.

Velocidad (m/s) Entalpia (kJ/kg) Calidad

h1 h2 h3 h4 X4

2.0 265.08 313.013 120.083 120.083 0.24254

2.5 264.88 312.051 116.864 116.864 0.22966

3.0 264.579 312.0494 114.888 114.888 0.2216

3.5 264.276 308.9905 113.525 113.525 0.21556

4 263.67 309.176 111.713 111.713 0.21103

Se utilizó el programa Excel para analizar los datos y generar la ecuación que expresa el COP en función de una determinada velocidad de extracción de calor.

COP=0.1724 Vc+2.6881

Resultados obtenidos:

Se calculó el coeficiente de desempeño en función de las entalpias de cada estado termodinámico. Los resultados se muestran en la siguiente tabla:

Vc (m/s) COP2 3.025

2.5 3.13793 3.1534

3.5 3.37144 3.3393

5. Análisis y Discusión de Resultados

Presentación grafica de los resultados obtenidos.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

COP vs Vc

Vc (m/s)

COP

En esta gráfica se muestra los resultados obtenidos de la investigación presentando el COP en función de la velocidad de extracción de calor.

Interpretación de los Resultados Obtenidos:

Se puede observar gráficamente que a medida que aumenta la velocidad a la que se extrae calor en el condensador producto del trabajo del ventilador el coeficiente de desempeño aumenta.

La función del ventilador es regular la tasa a la cual se extrae calor del sistema por ende si la velocidad de este aumenta, la temperatura de salida del condensador va a empezar a disminuir, por lo que el sistema necesitará absorber una mayor concentración de calor del lugar que se está refrigerando para poder cumplir la correcta operación del ciclo. Dicho de otra manera entre mayor calor se extraiga del sistema, mayor calor se necesita que entre al sistema.

6. Conclusiones

A medida que aumenta el COP, aumenta la tasa de absorción de calor del espacio refrigerado.

Para obtener un mayor COP en este módulo debe instalarse un ventilador con mayor potencia y así poder extraer calor a una mayor velocidad.

A medida que la velocidad del ventilador se reduce, los valores de temperatura y presión aumentan en cada estado termodinámico.

Para el diseño de sistemas de aire acondicionado tenga en cuenta siempre un alto desempeño del sistema. Un uso racional de la energía de los sistemas de aire acondicionado y refrigeración se obtiene aplicando un conjunto de estrategias que contribuyen a contribuir a la conservación y preservación del medio ambiente.

A una velocidad del ventilador de 3.5 m/s se muestra el COP más alto con un valor de 3.3714; sin embargo la tendencia de este es seguir aumentando a medida aumenta la velocidad del ventilador.

7. Bibliografía

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8. Agradecimientos

Los autores de esta investigación agradecen al Instituto Profesional y Técnico de Azuero (I.P.T.A.) por la disposición del Equipo de Refrigeración y al Profesor Gurdip Jesús Guerra por su contribución al desarrollo de la misma.

9. Apéndices

Tablas de Propiedades Termodinámicas:

M. A. B. Yunes A Cengel, Termodinámica, vol. Séptima Edición, México: Mc Graw Hill, 2009.

Fotografías del Módulo RCT/EV