LABORATORIO Nº4 MATERIA:
TERMODINAMICA TECNICA II
SIGLA Y PARALELO:
MEC – MEC – 2250 “A”
TEMA:
CICLO INVERTIDO DE REFRIGERACION
NOMBRES:
FECHA DE REALIZACION:
17/05/11
FECHA DE ENTREGA:
28/05/11
RESUMEN
En la práctica de laboratorio se estudiaron los parámetros funcionales de los sistemas de refrigeración reconociendo todos sus componentes. El laboratorio consistió en comprobar
con la previa explicación del docente de laboratorio el
funcionamiento de un sistema de refrigeración, en el cual se utilizo el refrigerador marca “VANEX”, en donde introdujimos botellas de plástico de 2 litros cada una a una temperatura aproximada a 10 ºC; uno de los objetivos planteados fue calcular el tiempo en el cual se enfriaría 10 K con una carga de 80% del volumen bruto con un resultado de 13108 s De los datos extraídos del experimento también se calcularon los COP del ciclo ideal y del carnot equivalente los cuales son 4.214 y 5.333 respectivamente. También se calculo la cantidad de calor que rechaza el condensador que es 0.411 [Kj/s] Con estos resultados también se calculo el ciclo termodinámico ideal el cual está más detallado en el punto 2.6 conjuntamente con sus respectivas tablas y gráficos.
RESUMEN
En la práctica de laboratorio se estudiaron los parámetros funcionales de los sistemas de refrigeración reconociendo todos sus componentes. El laboratorio consistió en comprobar
con la previa explicación del docente de laboratorio el
funcionamiento de un sistema de refrigeración, en el cual se utilizo el refrigerador marca “VANEX”, en donde introdujimos botellas de plástico de 2 litros cada una a una temperatura aproximada a 10 ºC; uno de los objetivos planteados fue calcular el tiempo en el cual se enfriaría 10 K con una carga de 80% del volumen bruto con un resultado de 13108 s De los datos extraídos del experimento también se calcularon los COP del ciclo ideal y del carnot equivalente los cuales son 4.214 y 5.333 respectivamente. También se calculo la cantidad de calor que rechaza el condensador que es 0.411 [Kj/s] Con estos resultados también se calculo el ciclo termodinámico ideal el cual está más detallado en el punto 2.6 conjuntamente con sus respectivas tablas y gráficos.
CONTENIDO 1
2
INTRODUCCION ............................................................................................................. .................................................................................................................................. ..................... 1 1.1
ANTECEDENTES ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ 1
1.2
OBJETIVOS.................................................................................................................................. OBJETIVOS....................................................................................... ........................................... 1
1.3
FUNDAMENTO TEORICO ................................................................ ........................................................................................................... ........................................... 1
1.3.1
EL CICLO IDEAL SISTEMA DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR ......... 2
1.3.2
SISTEMA DE REFRIGERACION POR ABSORCION AB SORCION ............................................................. ............................................................. 5
1.3.3
SISTEMA DE REFRIGERACION POR ADSORCION ............................................................. 9
1.3.4
BOMBA DE CALOR ............................................................................................................... ............................................................................................................... 11
1.3.5
SISTEMA DE REFRIGERACION REFRIGERA CION CRIOGENICA ........................................................... ................................................................... ........ 15
1.3.6
SISTEMA DE REFRIGERACION REFRIGERA CION POR VAPOR DE AGUA CON EYECTOR ....................... 17
1.3.7
SISTEMA DE REFRIGERACION TERMOELECTRICO ........................................................ ........................................................ 18
1.3.8
SISTEMA DE REFRIGERACION TERMOQUIMICA ............................................................. ............................................................. 20
METODOLOGIA .................................................................................................... .................................................................................................................................. .............................. 21 2.1
EQUIPO, MATERIAL E INSTRUMENTOS UTILIZADOS .......................................................... 21
2.2
FICHAS TECNICAS DE LOS EQUIPOS , MATERIALES E INSTRUMENTOS ......................... 22
2.3
MONTAJE DEL EQUIPO ........................................................................................................... ........................................................................................................... 23
2.4
DESCRIPCION DEL EXPERIMENTO ....................................................................................... ....................................................................................... 24
2.5
OBTENSION Y REGISTRO DE DATOS .................................................................... .................................................................................... ................ 24
2.6
CALCULOS ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 25
2.7
RESULTADOS ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... 29
3
DISCUSION E INTERPRETACION INTERPRET ACION DE RESULTADOS .................................................................... 30
4
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................... ...................................................................................... ................ 30
5
BIBLIOGRAFIA .................................................................... ................................................................................................................................... ............................................................... 30
1
INTRODUCCION
Los ciclos invertidos usan el trabajo para dar como servicio el calor, pueden ser de refrigeración o bomba de calor. Los ciclos invertidos de refrigeración (CIR) mantienen la temperatura de un recinto por debajo de la temperatura del medio circundante.
1.1
ANTECEDENTES
1.2
OBJETIVOS
A través del monitoreo del funcionamiento del sistema de refrigeración por compresión de vapor de la conservadora del laboratorio:
1.3
Precisar objetivamente la naturaleza de los ciclos invertidos. Reconocer y establecer las funciones de los elementos del sistema de refrigeración, para asociarlos con las funciones del ciclo de refrigeración. Desarrollar el modelo termodinámico base ideal de un sistema de refrigeración a partir de la recolección y medición de sus parámetros más característicos de funcionamiento.
FUNDAMENTO TEORICO
La refrigeración mecánica usa como fluido un refrigerante que es el encargado de extraer calor del cuerpo o espacio a baja temperatura a través de un intercambiador de calor (evaporador) y trasladarlo por medio de un compresor o bomba para rechazarlo a una temperatura más alta a través de otro intercambiador (condensador). El ciclo referencial de la mayoría de los refrigeradores domésticos es el de compresión de vapor como se muestra en la figura.
p
2 4
3
6 5 1
h
Fig. 1.3.1 Diagrama de bloques y diagrama p – h de un ciclo de refrigeración El planteo y resolución del ciclo termodinámico es el fundamento principal para el dimensionamiento del sistema de refrigeración pues su resolución significa haber:
Elegido el refrigerante
Estimado la capacidad de refrigeración
Definido los niveles de temperatura de funcionamiento del ciclo.
Los sistema de refrigeración se pueden clasificar por distintos criterio como ser, por el uso que tendrá por ejemplo, uso domestico, uso comercial, uso industrial, para congelamiento, para conservación de alimentos, para acondicionar el aire, etc. 1
SISTEMA DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR
SISTEMA DE REFRIGERACION POR ABSORCION
SISTEMA DE REFRIGERACION POR ADSORCION
BOMBA DE CALOR
SISTEMA DE DE REFRIGERACION SISTEMA DE REFRIGERACION CRIOGENICA
SISTEMA DE REFRIGERACION POR VAPOR DE AGUA CON EYECTOR
SISTEMA DE REGRIGERACION TERMOELECTRICA
SISTEMA DE REFRIGERACION TERMOQUIMICA
Fig. 1.3.2 Sistemas de refrigeración
1.3.1 EL CICLO IDEAL SISTEMA DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR Muchos de los aspectos imprácticos asociados con el ciclo invertido de Carnot pueden ser eliminados al evaporar el refrigerante por completo antes de que se comprima, y al sustituir la turbina con un dispositivo de estrangulamiento, tal como una válvula de expansión o un tubo capilar.
Fig. 1.3.1.1 Esquema y diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor 2
El ciclo que resulta se denomina ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, y se muestra de manera esquemática y en un diagrama T-s en la figura 1.3.1.1. El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el que más se utiliza en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor. Se compone de cuatro procesos: 1-2 Compresión isentrópica en un compresor 2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador 3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión 4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador En un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, el refrigerante entra al compresor en el estado 1 como vapor saturado y se comprime isentrópicamente hasta la presión del condensador. La temperatura del refrigerante aumenta durante el proceso de compresión isentrópica, hasta un valor bastante superior al de la temperatura del medio circundante. Después el refrigerante entra en el condensador como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado en el estado 3, como resultado del rechazo de calor hacia los alrededores. La temperatura del refrigerante en este estado se mantendrá por encima de la temperatura de los alrededores. El refrigerante líquido saturado en el estado 3 se estrangula hasta la presión del evaporador al pasarlo por una válvula de expansión o por un tubo capilar. La temperatura del refrigerante desciende por debajo de la temperatura del espacio refrigerado durante este proceso. El refrigerante entra al evaporador en el estado 4 como una mezcla saturada de baja calidad, y se evapora por completo absorbiendo calor del espacio refrigerado. El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al compresor, completando el ciclo. Recuerde que el área bajo la curva del proceso en un diagrama T-s representa la transferencia de calor en procesos internamente reversibles. El área bajo la curva del proceso 4-1 representa el calor absorbido por el refrigerante en el evaporador, y el área bajo la curva del proceso 2-3 representa el calor rechazado en el condensador. Una regla empírica es que el COP mejora entre 2 y 4 % por cada ºC que se eleva la temperatura de evaporación o que disminuye la temperatura de condensación. Otro diagrama utilizado con frecuencia en el análisis de los ciclos de refrigeración por compresión de vapor es el diagrama P-h, como se muestra en la figura 1.2. En este diagrama tres de los cuatro procesos aparecen como líneas rectas, y la transferencia de calor en el condensador y el evaporador es proporcional a las longitudes de las curvas del proceso correspondiente.
Fig. 1.3.1.2 El diagrama P-h de un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor. Obsérvese que a diferencia de los ciclos ideales analizados antes, el ciclo de refrigeración por compresión de vapor no es ciclo internamente reversible puesto que incluye un proceso irreversible (estrangulamiento). Este proceso se mantiene en el ciclo para hacerlo más realista para el ciclo real de refrigeración por compresión de vapor. Si el dispositivo de estrangulamiento fuera sustituido por una turbina isentrópica, el refrigerante entraría en el evaporador en el estado 4`y no el estado 4. En consecuencia la capacidad de refrigerar se incrementaría (por el área bajo la curva del proceso 4`- 4 en 3
la figura 1.1.) y la entrada neta de trabajo disminuiría (por la cantidad de salida de trabajo de la turbina). Sin embargo, el remplazo de la válvula de expansión por una turbina no es práctico, ya que los beneficios adicionales no justifican el costo y la complejidad que se generan. Las cuatro componentes asociadas con el ciclo de refrigeración por compresión de vapor son dispositivos de flujo estable, por lo que los cuatro procesos que integran el ciclo pueden analizarse como procesos de flujo estable. Los cambios en la energía cinética y potencial del refrigerante suelen ser pequeños en relación con los términos de trabajo y transferencia de calor, y por lo tanto, pueden ignorarse. Entonces la ecuación de energía de flujo estable por unidad de masa se reduce a: ( − ) + ( − ) = ℎ − ℎ
(1.1)
El condensador y el evaporador no implican ningún trabajo y el compresor puede calcularse como adiabático. Entonces los COP de refrigeración y bombas de calor que operan en el ciclo de refrigeración por compresión de vapor puede expresarse como: =
,
=
ℎ − ℎ4 ℎ − ℎ
(1.2)
(1.3)
y =
,
=
ℎ − ℎ ℎ − ℎ
Donde: ℎ = ℎ
@
ℎ = ℎ
@
Para caso ideal.
1.3.1.1 CICLO REAL DEL SISTEMA DE REFRIGERACION POR COMPRESIÓN DE VAPOR Un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor difiere de uno ideal varios aspectos, principalmente debido a las irreversibilidades que ocurren en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la fricción del fluido (causa caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. El diagrama T-s de un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor se muestra en la figura 1.3.
Fig. 1.3.1.1.1 Esquema y diagrama T-s para un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor. En el ciclo ideal, el refrigerador sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Sin embargo en la práctica no es posible controlar el estado del refrigerante con tanta precisión. En lugar de 4
eso, es fácil diseñar el sistema de modo que el refrigerante se sobrecaliente ligeramente en la entrada del compresor. Este ligero sobrecalentamiento asegura que el refrigerante se evapore por completo cuando entra al compresor. También, la línea que conecta al evaporador con el compresor suele ser muy larga; por lo tanto la caída de presión ocasionada por la fricción del fluido y la transferencia de calor de los alrededores al refrigerante pueden ser muy significativas. El resultado del sobrecalentamiento de la ganancia de calor en la línea de conexión y las caídas de presión en el evaporador y la línea de conexión, consiste en un incremento en el volumen específico y, por consiguiente en un incremento en los requerimientos de entrada de potencia al compresor puesto que el trabajo de flujo estable es proporcional al volumen especifico. El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, por ende isentrópico. Sin embargo el proceso de compresión real incluirá efectos de fricción, los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor, lo que puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. Por consiguiente la entropía del refrigerante puede incrementarse (proceso 1-2) o disminuir (proceso 1-2`) durante un proceso de compresión real, dependiendo del predominio de los efectos. El proceso de compresión 1-2`puede ser incluso más deseable que el proceso de compresión isentrópico debido a que el volumen especifico del refrigerante y, por consiguiente el requerimiento de entrada de trabajo son más pequeños en este caso. De ese modo el refrigerante debe enfriarse durante el proceso de compresión, siempre que sea práctico y económico hacerlo. En el caso ideal, se supone que el refrigerante sale del condensador como liquido saturado a la presión de salida del compresor. En realidad es inevitable tener cierta caída de presión en el condensador, así como en las líneas que lo conectan con el compresor y la válvula de estrangulamiento. Además no es fácil ejecutar el proceso de condensación con tal precisión como para que el refrigerante sea un líquido saturado al final, y es indeseable enviar el refrigerante a la válvula de estrangulamiento. A pesar de todo esto se debe tener en mente dado que el refrigerante entra al evaporador con una entalpia inferior y por ello puede absorber más calor del espacio refrigerado. La válvula de estrangulamiento y el evaporador se localizan muy cerca el uno del otro, de modo que la caída de presión en la línea de conexión es pequeña.
1.3.2 SISTEMA DE REFRIGERACION POR ABSORCION El sistema de refrigeración por absorción, patentado en 1860 en USA por el francés Ferdinand Carré, funciona por calor, y utiliza un fluido frigorígeno que es absorbido y liberado, alternativamente, por el absorbente. Resulta un sistema de absorción tipo, ya que el compresor de un sistema de fluido condensable se sustituye por el conjunto generador-absorbedor del ciclo de absorción; en la fig. 1.3.2.1, se representa un esquema del método de absorción. El fluido frigorígeno es el amoníaco y el absorbente es el agua. Los ciclos por absorción tienen algunas características comunes con los ciclos por compresión de vapor, pero difieren de ellos en dos aspectos importantes, como, a) La naturaleza del proceso de compresión, ya que en vez de una compresión de vapor entre el evaporador y el condensador, en el ciclo de absorción el refrigerante es absorbido por una sustancia secundaria (absorbente), para formar una solución líquida que se comprime hasta altas presiones. Como el volumen específico medio de la solución líquida es mucho menor que el volumen específico medio del vapor del refrigerante, el trabajo necesario es menor, por lo que los sistemas de refrigeración por absorción tienen la ventaja, respecto a los sistemas con compresión de vapor, de necesitar menor potencia para la compresión. b) En los sistemas por absorción debe introducirse un medio para recuperar el refrigerante vapor a partir de la solución líquida antes de que el refrigerante entre en el condensador, lo cual supone transferir calor desde una fuente a temperatura relativamente alta, por lo que son particularmente económicos los vapores y calores residuales que de otra manera serían evacuados al ambiente sin aprovecharse. La fuente de calor se puede obtener, por ejemplo, quemando gas natural o algún otro combustible, o utilizar fuentes de energía alternativas tales como la solar, y la geotérmica. En la fig. 1.3.2.1, se muestran esquemáticamente los componentes principales de un sistema de refrigeración por absorción, en el que el refrigerante es amoníaco y el absorbente es agua. 5
El amoníaco pasa a través del condensador, la válvula de expansión y el evaporador en la misma secuencia que en un sistema con compresión de vapor. El compresor es sustituido por el conjunto absorbedor, bomba, generador y válvula. En el vaporizador se evapora el fluido frigorígeno, por lo que se produce frío; es una zona de bajas presiones y temperaturas. El vapor de amoníaco llega al absorbedor donde es absorbido mediante una reacción exotérmica con la solución pobre de amoníaco que había en el generador y que pasa al absorbedor a través de una válvula de estrangulamiento 1. El líquido resultante con alto contenido en amoníaco, se comprime con una bomba, y mediante un intercambiador de calor, fig. 1.3.2.2, se lleva nuevamente al generador donde vuelve a iniciarse el ciclo. La misión de este intercambiador es la de mejorar el rendimiento del ciclo. El absorbedor es un dispositivo en el que el vapor del fluido frigorígeno (refrigerante), es absorbido por un líquido (absorbente), resultando una mezcla líquida. En el absorbedor, el agua líquida absorbe el amoníaco vapor procedente del evaporador, siendo la formación de esta solución líquida exotérmica. Como la cantidad de amoníaco que puede disolverse en agua aumenta cuando la temperatura de la solución disminuye, alrededor del absorbedor circula agua de refrigeración para retirar la energía liberada Q1 ** al entrar el amoníaco en la solución, y mantener la temperatura del absorbedor lo más baja posible. La solución rica de amoníaco-agua deja el absorbedor y entra en la bomba, donde aumenta su presión hasta la del generador. Al generador llega proveniente del absorbedor, una mezcla rica de amoníaco-agua; al calentar esta mezcla, Q3, se evapora el amoníaco y pasa al condensador donde licúa; a continuación pasa a una válvula 2 de estrangulamiento, disminuyendo su presión, y llega al vaporizador donde se evapora, extrayendo la energía Q2 de la cámara a enfriar y produciendo por lo tanto el efecto frigorífico. En el generador se produce un aumento de la temperatura del líquido, con lo que se desprende vapor de uno de los dos fluidos, debido a su diferente miscibilidad produciéndose dos salidas de fluidos, una de vapor de fluido frigorígeno hacia el condensador, NH3, y la otra, de líquido con bajo contenido de fluido frigorígeno, caliente, hacia el intercambiador (cuando exista) y el absorbedor, (solución pobre). En el generador, el calor Q3 transferido desde una fuente a temperatura relativamente alta T3 hace que el vapor de amoníaco salga de la solución (proceso endotérmico), dejando una solución pobre de amoníaco-agua en el generador. El vapor liberado pasa al condensador donde licúa, y la solución pobre restante fluye a través de la válvula 1 hacia el absorbedor. El trabajo consumido es el necesario para hacer funcionar la bomba, siendo pequeño en comparación con el trabajo que se necesita para comprimir un refrigerante vapor entre los mismos niveles de presión. Sin embargo, los costes asociados con la fuente de calor y con los equipos que no se necesitan en los sistemas con compresión de vapor pueden cancelar la ventaja del menor trabajo de compresión.
Fig. 1.3.2.1 Esquema de sistema de absorción (amoníaco-agua), para refrigeración Los sistemas de amoníaco-agua empleados habitualmente tienen algunas modificaciones respecto al ciclo de absorción simple considerado; dos de las modificaciones comunes se indican en la fig. 1.3.2.2 6
En este ciclo se incluye un intercambiador de calor entre el generador y el absorbedor que permite precalentar la solución rica de amoníaco-agua antes de entrar en el generador, mediante la solución pobre que va desde el generador al absorbedor, reduciéndose el calor transferido al generador. La otra modificación que se indica es el rectificador, colocado entre el generador y el condensador; su función es retirar las trazas de agua contenidas en el refrigerante, antes de entrar en el condensador, lo que elimina la posibilidad de formación de hielo en la válvula de expansión y en el evaporador. Hay que tener en cuenta que el agua puede llegar a solidificar por debajo de la temperatura que se adquiere en el vaporizador y, por lo tanto, es muy importante que nunca llegue agua al mismo, para evitar así el problema citado, y que de producirse podría obstruir y bloquear las tuberías. Debido a que la temperatura de solidificación del amoníaco, a presión atmosférica, se encuentra a -40°C, este método se puede utilizar desde procesos de climatización, hasta túneles de refrigeración. En el funcionamiento del ciclo, el fluido amoníaco agua toma Q3 calorías en el generador, a la temperatura T3, comunicando de esta forma al fluido una energía T de la forma,
Fig. 1.3.2.2 Esquema modificado del frigorífico de absorción (amoníaco-agua)
(1.3) En donde la temperatura T1 es la del medio ambiente. El fluido toma Q2 calorías en el vaporizador, a la temperatura T2 del foco frío; se tiene que,
El fluido cede Q1’ en el condensador al medio ambiente, y Q1” en el absorbedor también al medio ambiente. Se puede admitir que cede al medio ambiente Q1 calorías, es decir, (1.4) El COP del refrigerador viene dada por,
(1.5) Aplicando el Primer y Segundo Principios de la Term odinámica, Q2 + Q3 = Q1
7
(1.6) Y eliminando Q1 entre las anteriores, se obtiene,
Por lo que el COP del refrigerador es,
(1.7) Si no existen irreversibilidades internas y externas, Ds = 0, y se obtiene en consecuencia, para valor máximo de la eficiencia,
(1.8) El coeficiente de utilización del calor, o eficiencia, es proporcional al coeficiente de efecto frigorífico real, ξr pudiéndose poner,
(1.9) Siendo εr el coeficiente de efecto frigorífico real, de la forma,
(1.10) Otro tipo de sistema de absorción es el que utiliza bromuro de litio como absorbente y agua como refrigerante. Los principios básicos de operación son los mismos que para los sistemas amoníaco-agua. Para obtener refrigeración a temperaturas menores que las posibles con agua como refrigerante se puede combinar el sistema de absorción bromuro de litio-agua con otro ciclo que use un refrigerante con buenas características a bajas temperaturas, tal como el amoníaco, para formar un sistema de refrigeración en cascada.
Fig. 1.3.2.3 Elementos de un sistema de refrigeración por absorción 8
1.3.3 SISTEMA DE REFRIGERACION POR ADSORCION La adsorción es un fenómeno de adherencia superficial entre dos sustancias. Las moléculas de una y otra no llegan a interpenetrarse, tan solo quedan relacionadas al nivel de las capas exteriores. Se pueden distinguir la adsorción en la superficie de un líquido y en la superficie de un sólido (ya que solamente los líquidos y los sólidos presentan, en virtud de las características de sus estados, una superficie que delimita su volumen). Los sólidos microporosos adsorben reversiblemente gases. Esta propiedad permite el establecimiento de ciclo alternativos de adsorción – deserción. Un sistema que operando por medio de éstos ciclos produzca frío tomando como fuente la radiación solar constituye un frigorífico solar de adsorción. Una de las principales ventajas de estos sistema de frío es la posibilidad de conseguir independencia de la red eléctrica. La pareja adsorbente – adsorbato constituida por carbón activo y metanol es uno de los sistemas más importante en la producción de frío solar. La adsorción de gas por un sólido es producto de las fuerzas de atracción entre las moléculas del gas y los átomos o iones que componen el sólido. La obtención de sistemas autónomos capaces de producir eficientemente frío por adsorción requiere el diseño y la optimización de todos los elementos involucrados en este proceso que son los subsistemas de captación, generación, condensación, evaporación, refrigeración y regulación.
Fig. 1.3.3.1 Sistema de refrigeración por adsorción
Fig. 1.3.3.2 Ciclo de adsorción en un diagrama lnP vs -1/T 9
1.3.3.1 Ventajas energéticas y ambientales La tecnología de adsorción permite algunas ventajas ambientales que tienen que considerarse: El sistema tiene una estructura con demanda térmica, por lo que, al igual que la absorción, permite el aprovechamiento de calores residuales o fuentes de energía renovables, como la biomasa o la solar térmica. Este aprovechamiento de energías renovables puede permitir un ahorro de energía primaria, con la consiguiente reducción en las emisiones de CO2.
1.3.3.2 Aplicaciones. El sistema para la configuración se adapta a proyectos en que haya una demanda de frío y exista una fuente de calor residual. Otros sistemas de refrigeración por adsorción interesantes en sistemas a pequeña escala son la combinación con un foco caliente obtenido con energía solar térmica. Ejemplo de aplicación de adsorción: Objetivo del proyecto.- Diseñar y construir un refrigerador que funcione con energía solar térmica Características generales del proyecto.- El refrigerador solar que hemos diseñado aprovecha el fenómeno de la adsorción. Consiste en la fijación de moléculas de un fluido ( metanol) a la superficie de un sólido poroso ( carbón activado). La aplicación de la adsorción a la refrigeración se basa en el hecho de que en presencia de una fuente de calor las moléculas de metanol abandonan la superficie del carbón activado, y tienden a regresar a ella cuando la temperatura
Fig.1.3.3.2.1 Esquema de refrigerador solar Ventajas de la refrigeración por energía solar
Máxima producción de frío en época de alta demanda (verano) Es idónea para emplazamientos alejados de la red eléctrica Utiliza energía renovable no contaminante
Inconvenientes
Producción de frío intermitente (solo en la fase nocturna) Eficiencia inferior que en la refrigeración convencional
Posibles ámbitos de aplicación
Apoyo a las industrias de refrigeración convencionales, especialmente en verano Conservación de alimentos y medicinas en regiones pobres no dotadas de suministro eléctrico Acondicionamiento de aire 10
1.3.4 BOMBA DE CALOR En un sistema convencional de refrigeración, de un foco a baja temperatura se absorbe una cierta cantidad de calor que se cede, incrementada, a un foco caliente, en el que se disipa, sin ser normalmente utilizada. Sin embargo, este calor desprendido por el condensador se puede utilizar y las máquinas térmicas, diseñadas para este fin, se denominan bombas de calor, por cuanto realizan un transporte de calor desde un nivel de baja temperatura hasta otro nivel energético de mayor temperatura. La Bomba de calor permite recuperar la energía que en muchos procesos es necesario evacuar, sin posibilidad de ser aprovechada, debido a su baja temperatura y mediante un proceso térmico, hacerla nuevamente útil. El principio de la bomba de calor, fue debido a Kelvin, que vio la posibilidad de calentar una casa en invierno tomando calor del exterior y refrigerarla en verano enviando calor al medio exterior que ahora se encuentra a mayor temperatura. Un fluido frigorígeno extrae calor q2 de una fuente fría y elimina un calor q1 hacia los alrededores (medio exterior), siendo el objetivo principal la extracción de calor de la fuente fría.
Fig. 1.3.4.1 Diagrama de flujo del proceso de calefacción con bomba de calor. Sin embargo, el mismo ciclo básico se puede utilizar para el suministro de calor q1 a un espacio habitable, como una casa, un edificio comercial, una residencia, oficinas, etc., de forma que en estos casos el calor proviene de los alrededores que están más fríos.
Pr oducción s imultánea de frio y calor, El ciclo frigorífico de Carnot está representado en la Fig. XIV.27 por el contorno (1234), mientras que el ciclo de la bomba de calor por el (abcd). Si se intenta obtener simultáneamente calor y frío, se pueden reunir los dos ciclos en un ciclo común (ABCD), que tiene la ventaja de poder trabajar con un solo fluido, un sólo compresor y un sólo expansionador.
Fig. 1.3.4.2 Producción simultánea de frío y de calor. 11
El inconveniente del ciclo combinado radica en la relación constante entre el calor y el frío producidos, ya que no se intercambia calor con el medio ambiente. La cantidad de calor tomada del local a refrigerar viene dada por Q2 y viene relacionada con el calor cedido a la calefacción Q1, por, (1.11) El coeficiente de efecto frigorífico del ciclo es,
(1.12) El coeficiente de utilización, o efecto útil εu, está caracterizado por la suma de los calores puestos en juego, respecto al trabajo aplicado, en la forma,
(1.13)
Fig. 1.3.4.3 Esquemas de funcionamiento de una bomba de calor en la que se ha tenido en cuenta que, (1.14) Por lo que el calor cedido al foco de temperatura superior es superior al trabajo suministrado. Las irreversibilidades reducen el valor del coeficiente de utilización εu; en la práctica, el ciclo común (máquina frigorífica-bomba de calor), se puede realizar en instalaciones con fluidos condensables, o con aire. En un frigorífico a régimen seco, la temperatura de condensación es similar a la temperatura del medio ambiente y el calor de recalentamiento se aplica al fluido frigorífico a una temperatura superior a la del medio ambiente. De esta forma, el condensador puede ir precedido por un intercambiador de calor en el que el calor de recalentamiento se emplea para recalentar agua, que posteriormente se puede utilizar como calefacción; la temperatura que adquiere el agua de calefacción puede ser sensiblemente la misma que tenga el fluido al final de la compresión. En una máquina clásica, el calor cedido al agua de la calefacción viene a ser del orden de un 50% del calor cedido al condensador. En la instalación combinada puede aumentarse la presión de compresión para elevar el nivel de temperatura de condensación. Sin embargo, este aumento de presión no siempre es posible, dependiendo sobre todo del tipo de fluido que evolucione, que tal vez la relación de compresión haga el proceso impracticable. Por ejemplo, en una instalación de amoniaco, en principio se puede realizar el ciclo combinando (máquina frigorífica-bomba de calor). Para obtener una temperatura de condensación de 120°C a partir de una temperatura de evaporación de -20°C, la relación de compresión debe ser del orden de 55, valor difícilmente realizable con las condiciones tecnológicas actuales. 12
Si el fluido es gas carbónico, la presión final de compresión es del orden de 120 atm y la relación de compresión de 8, para una temperatura de vaporización, T0 »-20°C. Si por necesidades técnicas se utiliza el calor, únicamente en el intervalo de temperaturas, 70°C¸125°C, mientras que el resto de la refrigeración se efectúa con intercambio de calor con el medio ambiente, la energía eléctrica necesaria para la compresión es prácticamente igual al calor utilizado, mientras que en el mismo tiempo se produce una cantidad notable de frío. Para 1 Kcal de energía eléctrica utilizada se obtiene 1,2 Kcal de frío. La bomba de calor moderna combina, en la misma máquina, la calefacción y la refrigeración de un cierto espacio. a) Cuando se necesita enfriamiento, el sistema de bomba de calor funciona como un acondicionador de aire, extrayendo un calor q2 de un espacio habitable y eliminando al exterior del edificio un calor q1. En esta operación, el COP viene dado por la expresión,
(1.15)
Fig. 1.3.4.4 Ciclo de la bomba de calor b) Cuando la bomba de calor funciona como calefacción, en invierno, extrae calor del medio y la disipa en el espacio habitable, siendo,
(1.16) La eficiencia de la bomba de calor COP, es la relación entre la energía útil obtenida de la bomba de calor (calefacción y refrigeración) y la empleada en el compresor, de la forma ,
(1.17) El rendimiento de una bomba de calor cuando opera como calefacción aumenta si la diferencia de temperatura T2-T1 disminuye, al igual que ocurre en un refrigerador a un acondicionador de aire. La bomba de calor puede aportar el 30% de las necesidades máximas del edificio en un día muy frío con temperatura exterior de 3ºC.
13
Fig. 1.3.4.5 Bomba de calor funcionando en situación de verano (Refrigeración)
Fig. 1.3.4.6 Bomba de calor funcionando en situación de invierno (Calefacción) Normalmente, en épocas intermedias, aporta el 70% de las necesidades totales. Si se usa una bomba de calor para el acondicionamiento de aire de un edificio, el evaporador se encuentra dentro del edificio y el condensador en el exterior; en la operación como calefactor, el evaporador se encuentra, en el exterior del edificio y el condensador en el interior. No es rentable tener dos juegos del equipo o tener que darle la vuelta, por lo que cada uno de los intercambiadores de calor (uno dentro y el otro fuera del edificio) deben funcionar como condensador y como evaporador, según el tipo de operación; esto se consigue mediante una válvula de inversión del ciclo. La línea llena indica la dirección del flujo para el funcionamiento como calefactor y la línea a trazos es para el modo de enfriamiento. Se observa que la dirección del flujo por el compresor es siempre la misma, sin importar el modo de operación. 14
1.3.5 SISTEMA DE REFRIGERACION CRIOGENICA Nosotros llamamos producción de bajas temperaturas a las temperaturas inferiores a los - 45º C. La ciencia de las bajas temperaturas se llama criogénica. Muchas actividades tales como tratamiento en frío de metales, la licuefacción y separación de gases, y los ensayos de resistencia al medio ambiente requieren bajas temperaturas. Tres tipos generales de instalaciones o proceso se estudiaran en este capítulo:
Producción de gases licuados a baja temperatura. Producción de anhídrido carbónico sólido. Enfriamiento magnético.
1.3.5.1 Producción de gases licuados a baja temperatura. Tenemos dos sistemas:
El sistema Linde. El sistema Claude.
1.3.5.1.1
S is tema Li nde
Es el más simple de los sistemas para licuar aire, pero al no ser el de mayor rendimiento, sólo se utiliza en pequeñas instalaciones. Agua enfriamiento ENFRIADOR Compresor
2
210 bar 3 37,8ºC 7
1
Intercambiador 6
4
1 bar, 37,8´C
SEPARADOR 8
5 Valvula expans ión
Fig. 1.3.5.1.1.1 Esquema del sistema Linde El sistema consta de compresor, enfriador, intercambiador y separador. El compresor aspira aire y lo comprime a varios cientos de bares, y lo hace pasar a un enfriador en donde se elimina el calor de compresión. Después el aire a alta presión circula por el intercambiador de calor, donde baja su temperatura, y pasa a la válvula de expansión, donde el aire se expande hasta la presión atmosférica. Cierta cantidad de aire líquido que se forma durante la expansión, se separa en el separador.
2
T
1,7
3
4
8
5
6 s
Fig. 1.3.5.1.1.2 Diagrama T-s del sistema Linde
15
1.3.5.1.2
S is tema C laude:
Un gas que realice un trabajo externo al expandirse, experimenta una caída de temperatura mayor que si se expande en una válvula de estrangulamiento. El sistema Claude de licuefacción de aire utiliza este procedimiento y logra un mayor rendimiento que el sistema Linde. Agua enfriamiento ENFRIADOR 2 Compresor
3 4
10
1 Expansionador
5
9 8 6
1 bar, 37,8´C
11 SEPARADOR 7
Fig. 1.3.5.1.3 Esquema del sistema Claude Se toma cierta masa de aire en el punto 3 y se expande en una máquina. El gas a baja temperatura en el punto 11 se mezcla con vapor que llega del separador, aumentando así el caudal en el punto 9. Por lo tanto la temperatura del aire antes de la válvula de expansión puede mantenerse más baja en este sistema que en el sistema Linde.
1.3.5.1.3
Pr oducción de anhídri do carbónico s ólido.
Se utilizan equipos parecidos a los utilizados en las máquinas frigoríficas convencionales. CONDENSADOR
SEPARADOR
Hielo seco
Fig. 1.3.5.1.4 Esquema de la producción de anhídrido carbónico sólido
p 75,5 bar 3
2 líquido vapor
5,3 bar
1 bar
5
Sólido vapor
1 7 h
Fig. 1.3.5.1.5 Diagrama p-h de la producción de anhídrido carbónico sólido 16
1.3.5.1.4
E nfriamiento mag nético.
Las temperaturas más bajas alcanzadas hasta la fecha se han conseguido por enfriamiento magnético, para ello se aprovechan las propiedades magnéticas de las sustancias. Si son sustancias paramagnéticas (atraídas por los imanes), se enfrían manteniendo las moléculas bajo un campo magnético, por lo que se encuentran alineadas, una vez alcanzado la mínima temperatura, cesa el campo magnético y las moléculas se desorganizan y para ello toman la energía de ellas mismas haciendo que descienda más la temperatura, nuevamente.
1.3.6 SISTEMA DE REFRIGERACION POR VAPOR DE AGUA CON EYECTOR Las máquinas frigoríficas de eyector utilizan vapor de agua, y las temperaturas de trabajo son superiores a 0°C; el vapor del fluido frigorígeno x que proviene del vaporizador E penetra en la cámara de mezcla H; en esta cámara penetra asimismo, a través de un eyector, el vapor del fluido que proviene de un generador, 1-x, en el que ha recibido una cierta cantidad de calor qg . La mezcla de los dos vapores atraviesa un difusor, en el que se comprime a la presión, pd = p4, una cierta cantidad de calor qC se elimina en el condensador que está dividido en dos circuitos, uno, que lleva una fracción x del fluido a una válvula de estrangulamiento, adquiriendo la presión p6 del evaporador, en donde se va a originar el efecto frigorífico, no alcanzándose en el mismo las condiciones del punto 2 de vapor saturado seco, sino que debido a la presencia de la cámara de mezcla con eyector, su título de entrada en el difusor, donde se va a comprimir, es menor que la unidad; en el segundo circuito, con ayuda de una bomba por la que pasa una cantidad de fluido, 1-x, se aumenta su presión hasta alcanzar la del generador p1, calentándose este líquido en el condensador. Este calor proviene del fluido x que en su condensación cede calor al líquido, 1-x. Así pues, en estas máquinas frigoríficas se distinguen dos tipos de ciclos; el (4´4564’) por el que circulan x kg de fluido frigorígeno, no difiere de las máquinas frigoríficas con compresor. La transformación (6-2) se corresponde con el intercambio de calor en el vaporizador; la (2-4) representa el proceso de mezcla en la cámara del eyector; la (4’-4) representa la compresión en el difusor y la (4-5) la refrigeración en el condensador. La expansión isentálpica (5-6) introduce al fluido en el vaporizador, cerrándose así este circuito.
Fig. 1.3.6.1 Máquina frigorífica de eyector El segundo ciclo, por el que circulan, 1-x, kg de fluido, se compone de la transformación (1-1´) que representa la expansión del fluido en el eyector; la transformación (1´-4´) representa la mezcla en la cámara del eyector; la (4´-4) la compresión en el difusor, la (4-5) la condensación del fluido motor y la (57) el calentamiento del fluido motor en el generador. La única parte móvil en este circuito es la bomba para el líquido, 1 - x, este circuito es el que proporciona la fuerza motriz del circuito del vaporizador, que es el que origina el efecto frigorífico, y en el que no 17
existe ningún tipo de mecanismo móvil, ya que la compresión del fluido se realiza en el difusor. En este tipo de máquinas frigoríficas se puede utilizar el vapor de agua como fluido frigorígeno, lo cual evita la contaminación de los locales por los efectos nocivos de otros fluidos frigorígenos, lo cual hace apropiadas estas máquinas para su utilización en instalaciones de acondicionamiento de aire; sus temperaturas de trabajo están por encima de 0°C.
1.3.7 SISTEMA DE REFRIGERACION TERMOELECTRICO La refrigeración termoeléctrica utiliza el efecto Peltier para crear un flujo térmico a través de la unión de dos materiales diferentes, como metales o semiconductores tipo P y N. Un refrigerador o calentador Peltier o una bomba de calor termoeléctrica es una bomba de calor activa en estado sólido que transfiere calor de un lado del dispositivo a otro oponiéndose al gradiente de temperatura, consumiendo para ello energía eléctrica. Un instrumento de este tipo también es conocido como dispositivo Peltier, diodo Peltier, bomba de calor Peltier, refrigerador de estado sólido o refrigerador termoeléctrico. Ya que el calentamiento se puede conseguir de manera más fácil y económica por otros muchos métodos, los dispositivos Peltier se usan principalmente para refrigeración. En cualquier caso, cuando se debe usar un único dispositivo tanto para enfriar como para calentar, puede ser aconsejable el uso de un dispositivo Peltier. Simplemente conectándolo con una fuente de tensión continúa causa el enfriamiento de una de las partes, mientras que la otra se calienta. La efectividad de la bomba para mover el calor lejos del lado frío es totalmente dependiente de la cantidad de corriente proporcionada y de cómo se extraiga el calor de la otra parte, para lo que se pueden usar disipadores. Los dispositivos Peltier pueden usarse como generador eléctrico si se logra mantener una diferencia de temperatura entre ambos lados.
1.3.7.1 RENDIMIENTO Las uniones termoeléctricas rondan generalmente el 5-10% de la eficiencia de un refrigerador ideal, comparado con el 40-50% conseguido por los sistemas convencionales de ciclo de compresión. Dada su relativa poca eficiencia, la refrigeración termoeléctrica suele utilizarse sólo en entornos en los que importa más la naturaleza de estado sólido (sin partes móviles) que la eficiencia. El rendimiento del refrigerador termoeléctrico de Peltier es función de la temperatura ambiente, la eficiencia de los intercambiadores de calor de las partes fría y caliente, la carga térmica, la geometría del módulo Peltier y sus parámetros eléctricos. En cualquier caso, desarrollos recientes demuestran que los módulos de efecto Peltier podrían pronto superar a los motores de combustión interna tanto en eficiencia como en densidad de potencia para generadores basados en combustible.
1.3.7.2 APLICACIONES Los dispositivos Peltier son comunmente utilizados en neveras portátiles y para refrigerar componentes eléctricos y pequeños instrumentos. Algunos equipos electrónicos destinados a uso militar en campo usan refrigeración termoeléctrica. El efecto enfriador de las bombas de calor Peltier también pueden ser usadas para extraer el agua del aire en deshumidificadores. El efecto se usa en satélites y vehículos espaciales para contrarrestar el efecto de la luz directa del sol en la parte expuesta de la nave disipando el calor en la parte fría no iluminada, de tal manera que el calor es disipado al espacio por radiación térmica. Detectores ópticos como los CCD en telescopios o cámaras digitales de muy alta gama suelen estar refrigerados con elementos de Peltier. Esto reduce las imperfecciones en la imagen debidas al ruido de Johnson-Nyquist, también conocido como ruido térmico. Los refrigeradores termoeléctricos pueden ser usados para la refrigeración de ordenadores para mantener las temperaturas en el límite impuesto por el diseño sin el ruido de un ventilador, o para conseguir un funcionamiento estable en procesadores con overclock. Un refrigerador Peltier con un disipador o un bloque de agua puede enfriar un chip muy por debajo de la temperatura ambiente.
18
1.3.7.3 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Los refrigeradores termoeléctricos se basan en el efecto termoeléctrico. Cuando se hace circular una corriente a través de un dispositivo termoeléctrico convenientemente configurado, el calor es transportado de un lado del dispositivo al contrario.
Fig. 1.3.7.3.1 Diagrama esquemático del efecto Peltier. Este efecto realiza la acción inversa al efecto Seebeck. Consiste en la creación de una diferencia térmica a partir de una diferencia de potencial eléctrico. Ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes o semiconductores (tipo-n y tipo-p) que están conectados entre sí en dos soldaduras (uniones Peltier). La corriente produce una transferencia de calor desde una unión, que se enfría, hasta la otra, que se calienta. El efecto es utilizado para la refrigeración termoeléctrica.
1.3.7.4 DESCRIPCIÓN FORMAL Cuando se hace circular una corriente I a través del circuito, se desprende calor de la unión superior y es absorbido por la unión inferior. El calor de Peltier absorbido por la unión inferior por unidad de tiempo, es igual a: (1.18) Donde Π es el coeficiente de Peltier Π AB de la termopareja completa, y Π A y Π B son los coeficientes de cada material. El silicio tipo-p tiene un coeficiente Peltier positivo a temperaturas inferiores a 550 K y el silicio tipo-n tiene un coeficiente Peltier negativo. Los conductores intentan volver al equilibrio electrónico que existía antes de aplicar la corriente. Para ello absorben la energía de un foco y la desprenden en el otro. Las parejas individuales pueden ser conectadas en serie para incrementar el efecto. La dirección de la transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente. Al invertir la polaridad se cambia la dirección de la transferencia y, como consecuencia, la unión donde se desprendía calor lo absorberá y donde se absorbía lo desprenderá.
1.3.7.4.1
E fecto P eltier
Un refrigerador termoeléctrico es un tipo especial de semiconductor que funciona como una bomba de calor. Trabaja por el principio descubierto por Jean Charles Peltier en el año 1834. Este efecto realiza la acción inversa al efecto Seebeck. Consiste en la creación de una diferencia térmica a partir de una diferencia de potencial eléctrico. Ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales similares o semiconductores (tipo-n y tipo-p) que están conectados entre sí en dos uniones (uniones Peltier). La corriente conduce una transferencia de calor desde una unión hasta la otra. Una unión se enfría mientras que la otra se calienta. El efecto es utilizado para refrigeración termoeléctrica. La aplicación práctica de este concepto requiere el desarrollo de semiconductores que sean buenos conductores de la electricidad y pobres conductores del calor - el equilibrio perfecto para las características TEC (Termoeléctricas). Hoy en día se utiliza principalmente el Telurido de Bismuto como
19
material semiconductor, dopado fuertemente para crear un exceso (tipo-n) o una deficiencia (tipo-p) de electrones.
Fig. 1.3.7.4.1.1 Dispositivo Peltier
Fig.1.3.7.4.1.2 Esquema de funcionamiento del dispositivo Peltier
¿ Qué es un refrig erador P eltier y cómo funci ona? Un refrigerador Peltier es un refrigerador que utiliza un elemento Peltier. Un elemento Peltier se puede describir como una bomba de calor - que bombeará el calor de una cara a la otra del elemento. Esto significa que un elemento Peltier tiene una cara fría y otra de caliente. “
”
Para realizar esto el elemento Peltier utiliza la electricidad - bastante cantidad por cierto. Esto indica también que en adición al bombeo de calor, el elemento Peltier actualmente produce calor - en conjunto, el sistema trabajará caliente, pero el elemento Peltier refrigerará donde sea necesario - en el CPU. Normalmente, la diferencia de temperatura entre el lado caliente y el frío es de alrededor de 70 grados, con algunos elementos Peltier de altas características esta diferencia puede alcanzar los 120 grados.
¿ Qué hay de es peci al en los elementos Peltier? Los buenos refrigeradores Peltier refrigeran significativamente mejor que los convencionales disipadores, siendo muy adecuados para el overclocking. Es importante subrayar que el disipador de un refrigerador Peltier estará más caliente que un disipador de un refrigerador convencional, debido al calor añadido que produce el propio elemento Peltier.
1.3.8 SISTEMA DE REFRIGERACION TERMOQUIMICA Este sistema opera bajo el principio de que la reacción reversible entre el sólido y el gas se encuentra sujeta a los principios del equilibrio existente entre ambas fases, esto es que la reversibilidad de la 20
reacción depende de la temperatura de la sal y la presión de vapor del gas presente. Así los niveles de temperatura son diferentes. Después de finalizada la reacción y extraído todo el calor útil, al igual que en la máquinas de refrigeración por absorción, se suministra una cantidad de calor al reactor para separar el fluido de trabajo requerido. Obviamente en su modo más simple, este es un sistema que opera de forma intermitente, ya que el reactor opera a niveles de presión y temperatura diferentes para la fase de reacción y regeneración. Un par de sustancias que se utilizan en estos sistemas son cloruro de manganeso con amoniaco.
Fig. 1.3.8.1 Refrigeración Termoquímica
2
METODOLOGIA
El trabajo será encarado por grupos, a través del monitoreo del funcionamiento de los refrigeradores del laboratorio de maquinas térmicas.
2.1
EQUIPO, MATERIAL E INSTRUMENTOS UTILIZADOS
Refrigerador
Recipientes de 2 a 3 litros (botellas)
Termómetro de inmersión
Termómetro digital
Termocupla de inmersión
Termocupla de superficie
Pinza amperimetrica
Se hace conocer que las termocuplas tanto de inmersión como de superficie son accesorios para el manejo del termómetro digital.
21
2.2
FICHAS TECNICAS DE LOS EQUIPOS, MATERIALES E INSTRUMENTOS Ficha técnica 1: Refrigerador
Instrumento Marca Industria Tipo Color Voltaje Frecuencia Consumo de electricidad Potencia de entrada total
Refrigerador VENAX Japonesa MR-130C Blanco 220 V 50 Hz 0.45 kW-h/24 hr
Peso
31 kg.
Numero de serie
571468
Volumen efectivo total
130 Lts.
Clasificación climática
ST
Cantidad de refrigerante Clasificación de protección en contra de cortos circuitos Fecha de producción
R134a/46 kg.
Compresor
90 W
Clase I 1/2006 220-240
1Hp
Fuente: Elaboración Propia
Fig. 2.2.1 Diagrama de circuitos principales del refrigerador Ficha técnica 2: Termómetro de inmersión
Instrumento Marca Industria Tipo Color
Termómetro de inmersión Cooper Americano DPF450W Amarillo
Unidad
ºC
ºF
Alcance mínimo
-40 ºC
-40 ºF
Alcance máximo
232 ºC
450 ºF
Sensibilidad
0.01 ºC
0.01 ºF
Capacidad
232 ºC
450 ºF
Fuente: Elaboración Propia 22
Ficha técnica 3: Termómetro digital (para termocuplas)
Instrumento Marca Industria Color
Termómetro digital YF – 160 Type K Americano Blanco
Unidad
ºC
ºF
Alcance mínimo
-50 ºC
-58 ºF
Alcance máximo
1300 ºC
1999 ºF
Sensibilidad
0.1 ºC
0.1 ºF
Incertidumbre
±0.5 ºC
±0.5 ºF
Fuente: Elaboración Propia Ficha técnica 3: Pieza amperimetrica
Instrumento Marca Industria Color
Pieza amperimetrica 266 CLAMP METER Americano Negro
Unidad
VCA[V]
VDC[V]
ACA[A]
Alcance mínimo
0
0
Alcance máximo
750
Sensibilidad
0.01
Ω
MΩ
200
0
0
1000
1000
20k
2000
0.001
0.001
0.01
0.001
Fuente: Elaboración Propia
2.3
MONTAJE DEL EQUIPO
Fig. 2.3.1 Montaje del experimento 23
Fig. 2.3.2 Esquema del experimento
2.4
DESCRIPCION DEL EXPERIMENTO
2.5
En principio se midió la temperatura del agua que estaba en los recipientes del laboratorio los cuales estaban a aproximadamente a 5ºC, por tanto se hizo calentar el agua en un recipiente cilíndrico de volumen considerable hasta llegar a la temperatura aproximada de 10ºC Posteriormente se cargo el agua calentada en 3 botellas de 2 litros cada una, para luego colocarlas en la parte media del refrigerador. Luego el docente de laboratorio nos dio una explicación de los parámetros de funcionamiento y el reconocimiento de las partes de un sistema de refrigeración en los equipos del laboratorio. Después pasado un tiempo se realizo el relevamiento de datos de las temperaturas interna y externa además de otros parámetros como la temperatura ambiente, tensión, corriente y otros datos necesarios para el cálculo. Finalmente el docente de laboratorio dio recomendaciones para el uso correcto de los datos que se obtuvieron.
OBTENSION Y REGISTRO DE DATOS
Los datos obtenidos en el trabajo experimental son los siguientes:
Fecha: 11/05/11
Hora: 8:30 a 10:00 Tabla 2.5.1 Planilla de datos Temperatura dentro del refrigerador [ºC]
1.7
Temperatura del evaporador [ºC]
-17
Temperatura del condensador [ºC]
31
Voltaje de alimentación [V]
219
Corriente de alimentación [A]
0.5
Temperatura ambiente [ºC] Temperatura inicial del producto [ºC] Temperatura final del producto [ºC]
8 11.2 8.8
Fuente: Elaboración Propia 24
2.6
CALCULOS
25
RESULTADOS
DIAGRAMA T - s
26
Fig. 2.6.1 Diagrama T – s del ciclo ideal de refrigeración
DIAGRAMA P - h
Fig. 2.6.2 Diagrama P – h del ciclo ideal de refrigeración
27
RESULTADOS
28
DIAGRAMA T - s
Fig. 2.6.3 Diagrama T – s del ciclo de carnot
2.7
RESULTADOS
Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla: Tabla 2.7.1 Resultados más importantes de los ciclos de refrigeración
DESCRIPCION
SIMBOLO
UNIDAD
VALOR
Coeficiente de operación ideal del sistema
COP
4.214
Coeficiente de operación de Carnot
COPc
5.333
Tiempo de enfriamiento de 80% del volumen bruto del refrigerador en 10 ºK.
[s]
13108
Cantidad de calor que rechaza el condensador
̇
[kJ/s]
0.411
Cantidad de calor que absorbe el evaporador
̇
[kJ/s]
0.3322
Trabajo del compresor
̇
[kJ/s]
0.07884 29
