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Laboratorio de Termodinámica II
Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapores
Villegas Monar Jean Carlos
Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP)
Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)
Guayaquil-Ecuador
Resumen
Esta práctica realizada el 15 de enero del presente año consistió: primero, inducir al estudiante a reconocer físicamente las componentes de un sistema de refrigeración, segundo localizar los puntos de entrada y salida de los dispositivos usados en el ciclo, es decir del compresor, condensador, evaporador y válvula de expansión o tubos capilares, una vez ubicado se determinó tanto la temperatura y presión en los puntos mencionados, lo cual permitió graficar un diagrama P-h, registrando las transformaciones que sufre el refrigerante tanto para un sistema constituido de tubos capilares como válvula de expansión, además se realizó una comparación , con la potencia del compresor, el calor añadido del evaporador y el coeficiente de funcionamiento para el refrigerador COPR en los dos sistemas, mediante un previo análisis y cálculos de los datos obtenidos
Es importante mencionar que el sistema didáctico de refrigeración utiliza el refrigerante freón 134a,
Palaras Claves: Refrigeración, evaporador, condensador, Compresor, Refrigerante, 134a, válvula de expansión, tubos capilares, perfomancia.
Abstract
This practice aims to locate the entry and exit points of the different devices used in the compression refrigeration cycle of steam, a P-h diagram plotting the changes suffered by the coolant, comparing and analyzing the results of different tests; In addition to finding the maximum compressor, evaporator heat added and the coefficient of performance COP of the refrigerator. In the computer cooling thermal fluids laboratory operated 134a refrigerant Freon, the practice was carried on the operation of the refrigeration cycle vapor compression, taking the respective pressure and temperature data to the input and output of each element cycle with different fan speeds, the cycle COP was obtained concluding that the equipment is considerably inefficient
Key Words: Cycle, Refrigeration, Compressor, Cooler, Performance
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Introducción
La refrigeración es una de la principales área de la termodinámica la cual primordialmente se basa en diferentes tipos de ciclos entre ellos tenemos el ciclo de refrigeración en cascada, por absorción, termoeléctrica, refrigeración de gas pero el ciclo más utilizado es el ciclo de refrigeración por compresión se vapor, estos ciclos se comportan de manera inversa a un ciclo de poder y consta principalmente de un compresor, un condensador, un evaporador y una válvula de expansión o cualquier dispositivo que cumpla con esta función como por ejemplo los tubos capilares.
Figura 1: Esquema del Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor
El funcionamiento del ciclo de refrigeración es el siguiente, primero considerando que el sistema está entre una fuente y un sumidero, el refrigerante comienza en el evaporador que es la componente que se encarga de absorber tanto calor latente como sensible, provocando un aumento de temperatura como cambio de fase (evaporación) de ahí su nombre, a continuación una vez el refrigerante en estado de vapor pasa a un compresor movido por un motor, lo cual ayuda aumentar la presión isotrópicamente para un caso ideal, este aumento de presión provoca un aumento de temperatura, una vez cambiado la presión, el refrigerante pasa por un condensador, que es básicamente un intercambiador de calor con
el suministro en este caso el medio ambiente, se comporta inversamente al evaporador es decir suministra calor tanto sensible como latente la cual disminuye la temperatura y condensa el refrigerante, hasta este punto el refrigerante se encuentra con altas presiones, es por eso necesario introducir otro elemento que de una caída de presión hasta la presión de entrada del evaporador, e incluso que provoque una caída de temperatura en forma irreversible hasta alcanzar las condiciones que existen en el evaporador, siendo la entalpia del refrigerante a la entrada de la válvula igual a la entalpia de la salida de la misma
Figura 2: Ciclo de refrigeración por compresión de vapor
Si se considera que el refrigerante obedece
la ley de los gases ideales y a la relación presión-temperatura:
PV = RmT
Donde P es la presión, V es volumen, m es masa en kilos, R es la constante universal de los gases y T la temperatura
A continuación se representa un ciclo ideal de refrigeración de compresión de vapor mediante los diagramas p-h y T-s.
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Figura 3: Diagrama P-h del Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor
Figura 3: Diagrama T-s del Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor
En resumen a fin de circular el fluido refrigerante y optimizar su absorción de calor se utiliza un compresor, donde el compresor absorbe el refrigerante como un gas a baja presión y baja temperatura y lo mueve comprimiéndolo hacia el área de alta presión, donde el refrigerante es un gas a alta presión y alta temperatura
Al pasar por el condensador el calor del refrigerante se disipa al ambiente. El refrigerante se licua y sigue a alta presión.
De ahí, pasa a través del dispositivo regulador de presión que separa las áreas de alta y baja presión mediante una reducción de la sección de paso. Al bajar la presión, la
temperatura de saturación del refrigerante baja, permitiendo que absorba calor
Ya en el lado de baja presión, el refrigerante llega al evaporador donde absorbe el calor del ambiente y se evapora. De ahí pasa otra vez al compresor cerrando el ciclo.
Una vez definido el funcionamiento de cada elemento correspondiente al ciclo de refrigeración a continuación se detalla el análisis termodinámico de cada uno de ellos, como es el caso de los siguientes elementos:
Compresor: Es un dispositivo mecánico que bombea el fluido refrigerante, creando una zona de alta presión y provocando el movimiento del refrigerante en el sistema. El compresor es un elemento que realiza trabajo sobre el sistema, si se realiza un análisis de energía, considerando que es un sistema estacionario, cuya energía potencial y cinética son despreciable, además un proceso adiabático (q = 0), el balance de energía se simplifica en base a la figura 3:
w=h2−h1 (1)
Condensador: Generalmente es un serpentín, de cobre con laminillas de aluminio a modo de disipadores de calor. Es un intercambiador y su función consiste e liberar el calor del refrigerante al ambiente, haciendo un balance de energía queda:
qh=h2−h3 (2)
Evaporador: También es un serpentín, pero su presentación varia. En los equipos de acondicionamiento de aire es muy similar al condensador, pero en los refrigeradores domésticos suele ir oculto en las paredes del congelador. Es otro intercambiador y su función es que el refrigerante absorba calor del área refrigerada. No hay trabajo (w = 0)
qL=h1−h4 (3)
Refrigerante: Es el fluido con que funciona el sistema dependiendo de la presión y temperatura con que la sustancia cambia de
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fase puede ser agua, amoniaco, R134a, R22, R23, R32 entre otros. Su función consiste en absorber calor de un lugar y disiparlo en otro, mediante los cambios de presión inducidos.
Dispositivo regulador de presión: su función principal se basa en restringir el paso del fluido lo cual producirá una caída de presión, los dispositivos que cumplen esta función en la práctica son el tubo capilar y la válvula de expansión, haciendo un análisis de energía.
h3=h4 (4)
Una vez conocido de que depende el calor absorbido y el trabajo del compresor por libras masa, estamos en capacidad de definir la perfomancia.
COPR=qL
w(5)
Anteriormente se definió los elementos básicos y principales que debe tener un ciclo de refrigeración pero a continuación de detalla otros elementos que constituyen un ciclo de refrigeración:
Termostato: Su función es apagar o encender automáticamente el compresor a fin de mantener el área refrigerada dentro de un campo de temperaturas
Ventilador: Su función es aumentar el flujo de aire para mejorar el intercambio de calor. Generalmente está en el área del condensador. Según el tipo de dispositivo que sea, puede haber o no en el área del evaporador
Otros elementos no siempre presentes son:
Filtro de humedad Depósito de refrigerante liquido
Hay que distinguir en la potencia dos magnitudes: potencia absorbida (en energía mecánica, sea con motor eléctrico, con motor de explosión o con turbina) y potencia de enfriamiento o de refrigeración
En el sistema internacional de unidades la potencia de los equipos frigoríficos se mide
en vatios (W) o en múltiplos de sus unidades.
En el sistema técnico de unidades se utiliza para la potencia de enfriamiento la caloría/hora, aceptada en un anexo del SI, aunque a menudo se frigoría/hora que tiene la misma definición que la caloría/hora y la única diferencia es que se emplea para medir el calor extraído, no el adoptado
En la práctica comercial americana, la potencia de refrigeración se mide en toneladas de refrigeración o en BTUs
La finalidad de esta práctica es hallar el coeficiente de perfomancia para diferentes velocidades del ventilado, sea para el tubo capilar o la válvula de expansión; localizando los puntos de entrada y salida de los diferentes dispositivos usados en el ciclo y graficando en un diagrama P-h el ciclo, además se analizó y se comparó los resultados obtenidos en las diferentes pruebas.
Equipos e Instrumentación
Equipo de refrigeración Carrier: Modelo CT1-104 Refrigeración cicle trainer.
Refrigerante: Freón 134a. Termómetro Voltímetro Amperímetro Vatímetro Barómetro
Figura 1: Esquema del equipo usado
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Procedimiento Experimental
Esta práctica consiste de dos procedimientos debido a que se va analizar con dos diferentes elementos para la caída de presión, primero: válvula de expansión y segundo: tubo capilar.
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Operación con la Válvula de Expansión termostática:
Primero se colocó el interruptor de voltaje a la posición line, después se procedió a colocar el interruptor del amperímetro a su escala mayor y el interruptor del vatímetro se lo colocó en la posición OUT. Luego se cerraron las válvulas 2 y 3 y se abrió la válvula 1, de ahí se cerró la válvula 5 abriendo las válvulas 4 y 6, siguiendo cerrando las válvulas 7,9,10 abriendo la válvula 8. Después se encendieron los ventiladores del condensador y evaporador a la max. Velocidad, por otro lado se encendió el compresor colocando en modo ON el interruptor. Después de permitir la operación de la unidad por 10 minutos se tomaron las lecturas de los datos indicados en la tabla de la guía la práctica. Para la toma de datos a velocidad media y baja se repite los dos últimos pasos, una vez configurado para dicha velocidad. Finalmente una vez tomado todos los datos se grafica el diagrama P-h para cada proceso.
Operación con el tubo capilar.
Para realizar la práctica con el tubo capilar, primero se colocó el interruptor de voltaje en la posición LINE, el interruptor del amperímetro en su mayor escala y el interruptor del vatímetro en la posición OUT, se procede a cerrar las válvulas 1 y 3 abriendo la válvula 2, continuando a cerrar las válvulas 4 y 6 abriendo la válvula 5, prosiguiendo a cerrar la válvula 8,9, 10 y abriendo la válvula 7; colocando los interruptores de los ventiladores del
condensador y del evaporador a la mayor velocidad; se encendió la unidad colocando el interruptor del compresor en la posición ON. Luego de permitir la operación de la unidad por 10 minutos con el interruptor del ventilador en las posiciones de mayor, media y menor velocidad, se procedió a realizar la tomar de los respectivos datos, con lo que finalmente se grafica el diagrama P-h (R-134a) para cada proceso
Figura 6: Equipo de Aire Acondicionado Didáctico
Resultados
Presión ambiental durante la práctica:
14.7 (Psia)
Tablas de Datos:
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Tabla 1: Datos obtenidos de las mediciones
Para determinar las entalpias tanto en la entrada como en la salida del compresor evaporador y condensador se convirtió las presiones de psi a psia, agregando la presión atmosférica que corresponde a 14.7 psi., por otro lado se convierte la temperatura en °F, con ayuda de la temperatura y presión se determina la entalpia en ese estado, para esto se utilizó interpolaciones para llegar a la información requerida por ejemplo para la entrada del compresor la presión en psig es 32, agregando la presión atmosférica es 46.7 psia, la temperatura es 24 ºC equivalente 71.6 ºF, entonces con la temperatura y presión la entalpia en ese punto una vez interpolando es h: 115.582 Btu/lbm, se repite este mismo procedimiento para los otros estados.
Tablas de Resultados
Tabla 2: Entalpías obtenidas por interpolaciones
Tubo Capilar
alta media baja
Compresor
he(Btu/lbm) 112.113 110.504 112.186
hs(Btu/lbm) 119.673 119.04 118.3
Evaporador
he(Btu/lbm) 109.683 108.55 108.304
hs(Btu/lbm) 110.753 110.348 110.27
Calor añadido, trabajo neto y coeficiente de perfomancia.
Válvula de expansión
alta media baja
QL 4.191 3.177 1.301
w 7.255 9.524 10.514
COPR 0.5777 0.3336 0.1237
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Válvula de expansión
alta media baja
Compresor
he(Btu/lbm) 115.582 114.404 115.059
hs(Btu/lbm) 118.15 119.741 119.551
Evaporador
he(Btu/lbm) 115.978 114.337 114.404
hs(Btu/lbm) 117.582 116.269 115.269
Tubo Capilar
alta media baja
QL 6.351 5.867 5.979
w 8.06 9.179 10.333
COPR 0788 0.6392 0.5786
Diagrama P-h del ciclo definido
Análisis de Resultados
Debido a los resultados obtenidos se verificó que hubo intercambio de energía entre el fluido (refrigerante) y la máquina, cuando el refrigerante entró al evaporador, hubo absorción de calor, después cuando el fluido paso por el compresor se obtuvo un aumento de temperatura, este fluido liberó energía en forma de calor en la válvula de expansión se regulo la presión y la temperatura para llevarlo al evaporador y cerrar el ciclo
Como se puede notar en los datos obtenidos, los datos de entalpias de la válvula de expansión y del tubo capilar difieren en muy poco, por lo cual antes de obtener los resultados de los coeficientes de performance, pudimos deducir que variarían muy poco uno del otro. Los valores de las entalpias difieren bastante de los valores ideales, debido a que las maquinas o elementos que conforman el equipo tienen un tiempo de uso bastante considerable, por lo cual los instrumentos de medición también acumulan errores sistemáticos, se puede notar que los valores de los calores varían poco y los trabajos
mucho, además podemos notar que con la válvula de expansión se hace menos trabajo cuando los ventiladores están a alta velocidad que cuando están a baja velocidad y cuando se usó el tubo capilar ocurrió lo contrario. En el QL para la válvula de expansión con alta velocidad de los ventiladores QL es mayor que cuando la velocidad de los ventiladores es baja. En el coeficiente de performance en la válvula de expansión el coeficiente de performance es proporcional a la velocidad de los ventiladores, ocurriendo lo contrario con tubos capilares. En la gráfica se puede observar leves caídas de presión donde debe ser constante idealmente, pero hay pérdidas de presión realmente
Conclusiones y Recomendaciones
En los gráficos realizados del ciclo se puede observar que el calentamiento como la condensación del fluido no se dan a presión constante, cuando deberían de serlo, se puede notar una baja en la presión y esto se da debido a que hay pérdidas de presión en la conducción del refrigerante por las tuberías de transmisión cuando se transmite desde un elemento a otro del ciclo.
Se pudieron comprobar experimentalmente algunos conceptos dados en clases, como la existencia de un aumento en la presión y por ende en la temperatura, (ya que son directamente proporcionales), cuando el fluido entró por el compresor; el decaimiento brusco que sufre el fluido al ingresar a la válvula de expansión o tubo capilar; entre otros.
Se obtuvieron los valores del calor añadido del evaporador, la potencia del compresor y el coeficiente de funcionamiento para el refrigerador COP de una forma semiexperimental ya que los datos de presión y temperatura se obtuvieron experimentalmente y estos fueron sometidos a cálculos de donde obtuvimos dichos valores.
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Tener los debidos implementos de vestimenta y cuidados de seguridad al realizar la práctica utilizando el equipo refrigerador, además de ser rápidos y precisos en la toma de la lectura de los datos, ya que esta se debe dar de manera simultánea y guardando 90L en lo posible entre la vista del lector y el indicador de la medición de los dispositivos en los manómetros y termómetros correspondientes
Ser paciente al momento de variar la velocidad de los ventiladores del evaporador y del condensador, ya que este se debe estabilizar de manera adecuada antes de proceder a la toma de los datos, para reducir el porcentaje de los errores de los datos correspondientes
El refrigerante libero y absorbió energía en forma de calor al pasar por el condensador y evaporador respectivamente
Referencias Bibliográficas
Tablas Termodinámicas de Keenan y Keyes.
YUNUS A. CENGEL, MICHAEL A. BOLES, Termodinámica, Mc. Graw Hill, Año 2011, cap. 3,4 y 5
ESPOL, Guía de Calidad del Vapor, I Término Año 2014
ESPOL, Formato Reporte de Laboratorio de Mecánica de Fluidos.
Programa de termodinámica, Engineering equation solver
http://es.slideshare.net/mitzytta/ciclo-d-refrigeracion
Anexos
Cálculos
Válvula de expansión
Alta
Calor añadido
qL=hs−he
qL=114.269−110.078( Btulbm
)
qL=4.191 ( Btulbm
)
Trabajo neto
w=hs−he
w=121.524−114.269( Btulbm
)
w=7.255( Btulbm
)
Coeficiente de perfomancia
COPR=qL
w
COPR=4.191/7.255
COPR=¿0.5777
Media
Calor añadido
qL=3.177( Btulbm
)
Trabajo neto
w=123.004−113.48 ( Btulbm
)
w=9.524 ( Btulbm
)
Coeficiente de perfomancia
COPR=3.177 /9.524
COPR=¿0.3336
8
Baja
Calor añadido
qL=111.829−110.528( Btulbm
)
qL=1.301( Btulbm
)
Trabajo neto
w=122.047−111.533( Btulbm
)
w=10.514 ( Btulbm
)
Coeficiente de perfomancia
COPR=1.301 /10.514
COPR=¿0.1237
Tubo Capilar (falta corregir datos)
Alta
Calor añadido
qL=hs−he
qL=114.269−110.078( Btulbm
)
qL=4.191 ( Btulbm
)
Trabajo neto
w=hs−he
w=121.524−114.269( Btulbm
)
w=7.255( Btulbm
)
Coeficiente de perfomancia
COPR=qL
w
COPR=4.191/7.255
COPR=¿0.5777
Media
Calor añadido
qL=113.48−110.303( Btulbm
)
qL=3.177( Btulbm
)
Trabajo neto
w=123.004−113.48 ( Btulbm
)
w=9.524 ( Btulbm
)
Coeficiente de perfomancia
COPR=3.177 /9.524
COPR=¿0.3336
Baja
Calor añadido
qL=111.829−110.528( Btulbm
)
qL=1.301( Btulbm
)
Trabajo neto
w=122.047−111.533( Btulbm
)
w=10.514 ( Btulbm
)
Coeficiente de perfomancia
COPR=1.301 /10.514
COPR=¿0.1237
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Válvula de expansión Capilaralta media baja alta media baj
aCompresor
Te (ºC) 24 22 24 18 14 18Pe(psig) 32 38 40 48 48 47Ts(ºC) 46 52 54 52 52 52Ps(psig) 136 155 172 156 165 17
5Condensador
Te (ºF) 120 122 130 120 121 124
Pe(psig) 136 155 172 156 165 175
Ts(ºC) 38 43 47 43 45 47Ps(psig) 135 155 170 155 164 17
5Evaporador
Te (ºC) 26 22 21 13 13 13Pe(psig) 38 39 38 59 57 57Ts(ºC) 24 22 22 15 14 14Ps(psig) 32 40 40 50 50 51