Universidad Tecnológica Metropolitana Facultad de Ingeniería Departamento de Mecánica
Informe Nº2 Ciclo de refrigeración Mecánica
Nombre Felipe Jaque Profesora: Erika Berna Fecha de entrega: Lunes 30 de junio
Introducción Los refrigeradores son maquinas cuya finalidad es generar frió con diferentes fines dependiendo de la necesidad que se tenga, la cual puede ser para la congelación de alimentos, el mantenimiento de bajas temperaturas de algunos alimentos, acondicionamiento de aire. En el presente informe se analizara un ciclo de refrigeración por compresión, en donde el fluido de trabajo será el freón-12. En el ciclo de Carnot que se muestra en el gráfico T-S. Comprende dos transformaciones a temperatura constante y dos transformaciones isontrópicas.
Cuando se trata de transferir calor desde un cuerpo a temperatura T 1 hasta otro a una temperatura mayor T2 , se recorre el ciclo en el sentido 1-2-3-4-1. Un sistema que utilice vapor condensable como fluido refrigerante, necesitaría para realizar el ciclo de carnot, los siguientes elementos:
Compresor isoentrópico para realizar el tramo 1-2.
Compresor isotérmico para realizar el tramo 2-a.
Condensador para realizar el tramo a-3.
Expansor isentrópico, se supone que el fluido realiza trabajo que se utiliza como parte del trabajo necesario para la compresión. En este elemento se recorre el tramo 3-4.
Evaporador, el fluido se evapora extrayendo calor del medio que rodea al evaporador y recorre el tramo 4-1.
Este ciclo de refrigeración consiste en la evaporación y condensación alternada del refrigerante y se comprime en la fase de vapor. El objetivo del refrigerador es mantener el espacio refrigerado en una temperatura baja y extraer calor de el. La descarga de este calor en un medio de temperatura mayor es una parte necesaria de la operación, pero no su propósito. Para el funcionamiento ideal de este ciclo se supone un ciclo de Carnot invertido La composición de un ciclo de refrigeración es:
Compresor que entrega el trabajo necesario al sistema para que el refrigerante efectué el ciclo
Condensador cuya misión es licuar el vapor y realizar por esto un intercambio calórico con el ambiente
Tubo capilar (en este caso) cuya misión es producir una expansión del refrigerante, es decir, reducir su presión y por lo tanto bajar su temperatura
Evaporador es la parte del refrigerador encargada de realizar la baja de temperatura deseada (ya sea a los alimentos, ambientes, etc.)
Introducción teórica La composición básica para un equipo de refrigeración mecánica es un compresor, el cual entrega el trabajo necesario al sistema para que el refrigerante cumpla su ciclo, un condensador que debe entregar calor al ambiente, un tubo capilar o una válvula de expansión, esto depende de la potencia del compresor, ya que los equipos de refrigeración pequeños solamente usan tubo capilar, pero los equipos de mayor volumen utilizan válvula de expansión en cualquiera de sus tipos, su importancia es la caída de presión del refrigerante. Finalmente y el más importante es el evaporador ya que en este punto se produce el único efecto útil del ciclo de refrigeración. También no nos podemos olvidar del refrigerante los cuales tienen diferentes características químicas y físicas, por lo tanto se debe buscar el adecuado para el equipo que se desea hacer trabajar. La finalidad de todo temperaturas esto para aumentar su duración y evitar que se descompongan en un corto equipo de refrigeración es mantener diversos alimentos o líquidos a bajas plazo. La temporada en que es más necesario contar con un refrigerador es la primavera y el verano, ya que la temperatura ambiente es elevada por lo tanto se descomponen rápidamente los alimentos. En el trabajo se controla la temperatura del refrigerante en cinco puntos y las presiones en el lado de alta y en el lado de baja, son las únicas presiones que tiene el equipo, luego con éstos se procede a calcular y ver cual es la condición de trabajo más óptimo para el equipo que se está controlando. Por lo tanto se tiene que establecer el volumen del equipo para poder definir la potencia necesaria del compresor, además se debe establecer el tamaño y las características técnicas del condensador, evaporador y el dispositivo de expansión que puede ser el tubo capilar. Todos estos elementos se deben unir por medio de tuberías. Como el equipo es para uso docente se debe diseñar lo más didáctico posible y con los instrumentos necesarios para saber el estado en que se encuentra el sistema,
estos
instrumentos
son:
termómetro,
manómetro,
voltmetro
y
amperímetro. También se debe seleccionar el refrigerante adecuado para el
sistema con el fin que éste cumpla las características necesarias de refrigeración y seguridad. Diagrama de la instalación
Principio y funcionamiento El principio fundamental para el ciclo de refrigeración es que al expandir un líquido a gas este extrae calor del área que lo rodea. La ciencia utilizada para todo sistema de refrigeración mecánica es la termodinámica, ya que ésta estudia las relaciones existentes entre el trabajo y calor. El calor se pude definir como una forma de energía transmitida en virtud de cualquier lugar en mayor o menor grado, además se debe acotar que esta energía viaja en una sola direcci4n y ésta es de un cuerpo caliente a un cuerpo frío. Refrigerar consiste en conseguir una temperatura más baja que la del medio ambiente inmediato. En cualquier sistema práctico de refrigeración, se debe mantener baja la temperatura por medio de un refrigerante y luego ceder este calor a una temperatura más alta. La cantidad de calor transferido en el sistema se mide en kilocalorías (una kilocaloría es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado la temperatura de un kilogramo de agua), también se puede medir en Btu. Una de las formas de bajar la temperatura de un producto es ponerlo en contacto con una sustancia fría, lo cual es conocido como refrigerante. Los refrigerantes son compuestos químicos que trabajan alternativamente. Comprimidos y condensados a la fase líquida y luego se le permite expandirse a vapor o gas, cuando son bombeados a través del sistema de refrigeración mecánica. La refrigeración mecánica es la utilización de componentes mecánicos en un sistema de refrigeración con el propósito de transferir calor desde el interior del equipo hacia el medio ambiente. Para que funcione el sistema cerrado de refrigeración mecánica el refrigerante debe ser bombeado por medio de un compresor. Por causa de ser cenado el sistema, el refrigerante cumple el ciclo una y otra vez, así se renueva y descarga calor en cada ciclo. El ciclo cerrado sirve para preservar el refrigerante de una posible contaminación y controlar su flujo. En el ciclo existen dos diferentes presiones, la de evaporación o baja presión en el lado de baja y la de condensación o alta presión en el lado de alta. Estas áreas
se separan por el estrangulador que cumple la función de controlar el refrigerante para hacer caer la presión o temperatura, y el compresor que cumple la tarea de entregar presión al refrigerante. La válvula de expansión controla el flujo de refrigerante dentro del evaporador o serpentín de enfriamiento a baja temperatura y a baja presión. El refrigerante que se expande se evapora (cambio de estado) cuando va a través del serpentín de enfriamiento, donde retira el calor del espacio en el cual el evaporador está localizado. El calor que se desplazará del aire más caliente al serpentín enfriado por la evaporación del refrigerante dentro del sistema, causa que el refrigerante hierva y por lo tanto evapore, esto ocurre a una baja temperatura. Ahora este vapor a baja presión y temperatura es llevado al compresor donde se comprime y se transforma en un vapor a alta temperatura y alta presión. El compresor descarga al condensador de tal manera que cede el calor que ha tomado en el serpentín de enfriamiento o evaporador, por consiguiente el calor se transfiere del vapor del refrigerante más caliente al aire más frío. En este proceso cuando el calor se absorbe del vapor un cambio de estado tiene lugar y el vapor se condensa a líquido, a una alta presión y temperatura. El refrigerante en estado líquido viaja ahora al dispositivo de expansión en donde pasa a través de una pequeña abertura u orificio donde una caída de presión y temperatura se hace presente y luego entra al serpentín de enfriamiento o evaporador. Cuando el refrigerante hace su cambio a las mayores aperturas de las tuberías o del serpentín, se vaporiza listo para iniciar otro ciclo a través del sistema. El sistema de refrigeración requiere de tuberías para unir las componentes del sistema tales como compresor, condensador, válvula de estrangulación y evaporador esto con el fin de no perder el refrigerante en la atmósfera. La línea de succión conecta el evaporador o serpentín de enfriamiento al compresor, la línea de gas caliente o descarga conecta el compresor al condensador y la línea de líquido es la tubería de conexión entre el condensador y el aparato de medición. Algunos sistemas tendrán un recipiente o tanque de almacenamiento inmediatamente después del condensador y antes del aparato de medición donde el líquido refrigerante permanece hasta que se necesita para remoción del calor en el evaporador.
El sistema de refrigeración mecánico descrito anteriormente es esencialmente el mismo aún cuando el sistema sea un refrigerador doméstico, un congelador o un sistema de aire acondicionado. Esquema de la instalación del ciclo de refrigeración
Desarrollo de la experiencia Tabla de datos Llave 1 A Salida del compresor Salida del condensador Entrada del evaporador Salida del evaporador Entrada del compresor Interior de la cámara
B
C
L
K
217
1.45
17.8
0.4
5
217
1.43
17.9
0.4
5
217
1.41
18.6
0.4
5
218
1.41
15.2
0.4
5
214
1.40
29.3
0.4
5
214
1.39
15.6
0.4
5
Definición de las variables 1 2 3 4 5 A B C D E F G H I J
Entrada compresor Salida compresor Salida condensador Entrada evaporador Salida evaporador Visor voltaje [volt] Visor amperaje [A] Visor temperatura [ºC] Selector temperatura Motocompresor 0,25 HP Ventilador 10 Watts Visor gas Visor liquido Cámara evaporador Condensador.
K Manómetro de presión alta.
Kg cm 2
L Manómetro de presión (vacuometro)
Tabla de datos Llave 2 A Salida del compresor Salida del condensador Entrada del evaporador Salida del evaporador Entrada del compresor Interior de la cámara
B
C
L
K
215
1.43
18.5
0.4
5
215
1.43
20.7
0.4
5
214
1.41
50
0.4
5
214
1.90
14.3
0.4
5
214
1.4
83
0.4
5
214
1.4
14.3
0.4
5
Tabla de datos Llave 4 A Salida del compresor Salida del condensador Entrada del evaporador Salida del evaporador Entrada del compresor Interior de la cámara
B
C
L
K
215
1.34
19.9
0.4
5
215
1.34
17.8
0.4
5
215
1.33
- 24.9
0.4
5
215
1.33
15.3
0.4
5
214
1.33
52.1
0.4
5
214
1.33
12.6
0.4
5
B
C
L
211
1.33
19.4
0.4
5
210
1.33
16.8
0.4
5
207
1.34
6
0.4
5
208
1.33
10.7
0.4
5
208
1.32
48.7
0.4
5
207
1.32
10.2
0.4
5
Tabla de datos Llave 6 A Salida del compresor Salida del condensador Entrada del evaporador Salida del evaporador Entrada del compresor Interior de la cámara
Cálculos
K
Considerando como ejemplo solamente la llave 1 Wcomp = 0,25 HP pot Wcomp ( h 2 h1) Caudalrefr igerante
Las temperaturas de entrada y salida son T1 = 29.3 y T2 = 17.8 ºC
La entalpías a la entrada y salida son h1 = 199.21 KJ
KJ kg
Kcal kg
= 47.58
Kcal kg
h2 = 194.76 kg = 46.62
pot (h 2 h1) Caudalrefr igerante Caudalrefr igerante
potencia (h 2 h1)
Caudalrefr igerante
0.25 ( 46.62 47.58) 0.09364
Donde
transformar kg
Caudalrefr igerante 2.78 min
Efectorefr igerante ( h1 h3)
T3 = salida de condensador KJ
Kcal kg
T3 = 17.9 ºC → h3 = 52.82 kg = 12.62
Kcal kg
Efectorefr igerante 47.58 12.62 34.96
Capacidaddereffriger acion Caudal Efectorefr igerante
kcal min
Capacidadderefrigera cion 2.78 34.64 96.3 toneladas
96.3 1.91Ton 50.4 KJ
Kcal kg
T 4 18.6º C h 4 53.49 = 12.78 kg COP
h1 h 4 47.58 12.78 =38.67 h 2 h1 46.62 47.52
Potencia por toneladas =
0.25 Hp 0.1309 1.91 Ton
0.09364
constante
Tabla de resultados Capilar nº6
Capilar nº 1
Capilar nº 2
Capilar nº 4
(0.91 mm Φ)
(1.1 mm de Φ)
(1.21 mm de Φ)
6 m longitud
2 m longitud
4 m longitud
34.96
37.67
36.85
36.81
1.91
0.47
0.72
0.777
2.78
0.63
0.98
1.064
38.67
7.21
17.07
15.64
0.1309
0.5319
0.3472
0.3217
Efecto refrigerante Ton. Refrigeradas Caudal refrigerante COP Potencia por tonelada
Nota:
El estudio en la válvula número tres no se pudo realizar por estar inhabilitado.
La llave numero 6 no se encuentra en la guía, así que no se coloco largo ni diámetro.
Los datos están dados por: kcal
Efecto refrigerante = kg Toneladas refrigeradas = [Ton] kg
Caudal refrigerante = min COP (coeficiente de funcionamiento) = adimensional HP
Potencia por tonelada = ton
Conclusiones En el cálculo no se considera en ningún momento la influencia de la presión en el ciclo para el cálculo de entalpías y la resolución del problema para el ciclo en cada punto, no queda este completamente definidos por lo que la variación con los datos obtenidos de la guía variaron considerablemente. La elección del refrigerante se basa en el rango de temperaturas y presiones de operación, calor latente de vaporización, olor, volumen especifico, grado de corrosividad, posibilidad de explosión y combustión, reacción con los aceites lubricantes, inocuidad con las personas, el medio ambiente y los alimentos, efectos tóxicos y costos. El parámetro de costo es fundamental a la hora de escoger un buen refrigerante para nuestro equipo, sobre todo hoy en día ya que el freon-12 esta prohibido su uso por provocar daños en la capa de ozono. El sistema de refrigeración mecánica es muy conveniente para las aplicaciones donde se requiere enfriar y congelar diversos materiales. El sistema de refrigeración mecánica se basa en la elección del refrigerante o del medio de trabajo para un determinado tipo de instalación de refrigeración, también se basa en las presiones y temperaturas a las que se vaporizan los gases refrigerantes. En el ciclo de refrigeración real difiere de uno ideal en varios aspectos, ellos principalmente en la irreversibilidad que sucede en varios componentes. Las fuentes comunes de irreversibilidades son la fricción y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. El coeficiente de funcionamiento es una medida que permite ver si el ciclo esta trabajando en un buen nivel, de acuerdo a las posibilidades que éste puede alcanzar, ya que para este tipo de instalación no se puede hablar de eficiencia y cabe destacar la variación que tuvimos comparando los datos con los de guía en un orden de un 350% en el primer caso. Una de las comparaciones mas notorias esta en la diferencia que existen entre un tubo capilar y otro, ya que aunque físicamente son de similares características, al momento de hacer la evaluación correspondiente, se nota su incidencia con respecto a su largo y al diámetro. Una de las posibilidades que se produjeran algún tipo de variación con respecto a los datos proporcionados por el trabajo en estudio radicada en las perdidas producto de una mala mantención y algún error cometido en la toma de datos.
La importancia que tiene el análisis del ciclo de refrigeración es que permite visualizar las ventajas y desventajas de este ciclo ya que con los datos obtenidos se puede conocer la eficiencia de la maquina de refrigeración, y al mismo tiempo se puede buscar un medio o un mecanismo que permita mejorar esta eficiencia.
