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Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica
Laboratorio E-95 “
Sistema de Refrigeración
Nombre Alumno: Katherine Contreras Nombre Profesor: Iván Jerez Asignatura: Termodinámica Ingeniería de Ejecución Mecánica Sistema Diurno Código: 15062
”
2 2. INDICE
1. Título del trabajo…………………………………………………………………………………………………………………..1 2. Índice de la materia ……………………………………………………………………………………………………………… 2 3. Resumen del contenido del informe …………………………………………………………………………………….. 3 4. Objeto de la experiencia ………………………………………………………………………………………………………. 3 5. Características técnicas de los equipos e instrumentos empleados ………………………………………. 3 6. Descripción del método seguido ……………………………………………………………………………………….….. 4 7. Presentación de los resultados ……………………………………………………………………………………….…….. 5 8. Discusión de los resultados, conclusiones y observaciones personales ………………………………….. 6 9. Apéndice A) Teoría del experimento ……………………………………………………………………………………….……. 6 B) Desarrollo de los cálculos …………………………………………………………………………………….…… 9 C) Tablas de valores obtenidos y calculados …………………………………………………………………. 11 D) Bibliografía ………………………………………………………………………………………………………….…… 12
3 3. RESUMEN
En el siguiente informe, se analizará un sistema de refrigeración, compuesto por un condensador, un compresor, un dispositivo de expansión y un evaporador. También se estudiará el comportamiento del refrigerante, R22 en este caso, en cada parte del ciclo, obteniendo datos como la presión, la temperatura, las entalpias, los flujos de volumen y másicos, que nos servirán para evaluar la potencia de dicho ciclo, haciendo la comparación, entre el ciclo real, y el ciclo ideal de refrigeración.
4. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL Capacitar al alumno para que reconozca, identifique y utilice los principios termodinámicos asociados a un ciclo de refrigeración por compresión de vapor, así como los aspectos prácticos de un sistema de refrigeración doméstico. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
El alumno será capaz de identificar y correlacionar los diferentes componentes del sistema de refrigeración con los principios termodinámicos del ciclo. Podrá representar en el diagrama T-s, y p-h el ciclo de refrigeración estándar y real de funcionamiento. Evaluará la eficiencia de refrigeración a través de la determinación del coeficiente de performance real y coeficiente de performance de Carnot. Asimismo, por la aplicación de la primera y segunda ley de la termodinámica podrá obtener los flujos energéticos y entrópicos del ciclo de refrigeración.
5. EQUIPOS E INSTRUMENTOS EMPLEADOS:
Barómetro de Torricelli: Marca: E. Schiltknecht Ing. SIA – Zúrich Procedencia: Suiza. Rango de precisión: 525 mm Hg – 825 mm Hg Resolución: 0.1 mm Hg Error del instrumento: 0.06 mm Hg Imagen 1. "Barómetro de torricelli"
4 Termómetro digital: Marca: Fluke. Modelo: 52-II Lectura: °C - °F – K Rango de operación: –200°C a 1090°C Exactitud: ±1% + 10 unidades
Imagen 2. "Termómetro Digital"
Termocupla de Contacto: Marca: Fluke. Sistema de Refrigeración: Compuesto de un:
Compresor (Marca Westinghouse, Voltaje 380-400 V, Modelo SB010WOF) Dispositivo de Expansión Condensador Evaporador (Tubo capilar)
6. DESCRIPCION DEL METODO SEGUIDO
Antes de iniciar la experiencia, el profesor da a conocer los procedimientos de esta y da una introducción con los temas necesarios para entender la misma. Se explica el proceso de refrigeración, analizando sus componentes y mecanismos de funcionamiento. Se analizará el ciclo de refrigeración, del sistema armado ubicado en el departamento de ingeniería mecánica y clima, que consta de un compresor, un evaporizador, un condensador y de un dispositivo de expansión que en este caso es un tubo capilar. El fluido con el que se trabajará será R22 (clorodifluorometano) que ventajosamente tiene un bajo punto de fusión, por lo que es un buen refrigerante. El sistema ya está armado, así que solo se procede a encender las maquinas, que deben estar un lapso de tiempo encendidas antes de iniciar las mediciones, para que el sistema esté listo y no vaya a alterar los datos, y tomar las mediciones que correspondan, en este caso las de presión y temperatura. Aparte, se debe tomar la presión atmosférica en algún momento de la experiencia, pero esta no se debe corregir, pues no es necesario para la experiencia.
5 7. PRESENTACION DE LOS RESULTADOS
Buscando en la tabla del diagrama del R22 dado en clases pudimos ubicar, en (m3/kg): v1= 0.04 h1= 1195 h1´= 1210
v2= 0.013 h2= 1230 h2´= 1220
v1´= 0.043 h3= 1060 h3´= 1035
v2´=0.0115 h4= 1060 h4´= 1035
También mediante los datos calculamos, en (kg/hr) y (Kj/hr) :
∀ ̇ ̇ m
∀ ̇ ̇ m
(ideal) = 33.09225504 (ideal) = 827.306376
(real) = 26.74717483 (real) = 662.0273216
Y por último obtuvimos las potencias en (kJ/hr):
̇ ̇ ̇
Ideal
Real
28955.72316
6620.273216
140642.0839
122475.0545
111686.3608
115854.7813
Y pasamos los datos a la tabla, para dibujar los ciclos ideal y real de refrigeración.
6 8. DISCUSION DE LOS RESULTADOS, CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES PERSONALES
Como observamos en los datos mostrados en el paso anterior, la potencia real dista mucho de la ideal, lo que es totalmente esperable, ya que no existe la bomba de refrigeración perfecta con rendimiento del 100%, este modelo ideal (llamado ciclo de Carnot) es netamente un cálculo matemático, pero imposible, dado que las condiciones de las maquinarias y tecnología actuales no son lo suficiente eficientes como para pensar en obtener un rendimiento parecido al ideal. Esta situación se refleja, en el grafico p – h, adjunto que muestra varias situaciones que no deberían apreciarse en un ciclo ideal, como que el refrigerante se sobrecalienta o subenfria en algunas de las fases. El proceso de compresión real, posee efectos de fricción que pueden aumentar o disminuir la entropia, por lo que deja de ser un proceso isoentropico. Además, dadas las condiciones físicas de la máquina, no es un sistema adiabático. Los demás resultados son todos acordes a la teoría, como los aumentos o disminución de presión y entalpia según la fase. También se comprobó que efectivamente un sistema de refrigeración, cumple su función de absorber calor desde una fuente de alta temperatura para transportarlo a otra fuente de baja temperatura. 9. APENDICE 9.A TEORIA DEL EXPERIMENTO
Ciclo de Refrigeración: En la imagen 3 se muestra el esquema del equipo para tal ciclo, junto con diagramas Ts y Ph del ciclo ideal. El vapor saturado en el estado 1 se comprime isoentrópicamente a vapor sobrecalentado en el estado 2. El vapor refrigerante entra a un condensador, de donde se extrae calor a presión constante hasta que el fluido se convierte en líquido saturado en el estado 3. Para que el fluido regrese a presión más baja, se expande adiabáticamente en una válvula o un tubo capilar hasta el estado 4. El proceso 3-4 es una estrangulación y h3=h4. En el estado 4, el refrigerante es una mezcla húmeda de baja calidad. Finalmente, pasa por el evaporador a presión constante. De la fuente de baja temperatura entra calor al evaporador, convirtiendo el fluido en vapor saturado y se completa el ciclo. El proceso 4-1 y una gran parte del proceso 2-3 ocurren a temperatura constante.
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Imagen 3: Ciclo de refrigeración.
Imagen 4: Diagramas T – s y P – h del ciclo ideal de refrigeración A diferencia de muchos otros ciclos ideales, el ciclo de compresión de vapor que se presentó en la Figura 4, contiene un proceso irreversible que es el proceso de estrangulación. Se supone que todas las demás partes del ciclo son reversibles. La capacidad de los sistemas de refrigeración se expresa con base a las toneladas de refrigeración que proporciona la unidad al operarla en las condiciones de diseño. Una tonelada de refrigeración se define como la rapidez de extracción de calor de la región fría (o la rapidez de absorción de calor por el fluido que pasa por el evaporador) de 211 kJ/min o 200 Btu/min. Otra cantidad frecuentemente citada para una máquina frigorífica es el flujo volumétrico de refrigerante a la entrada del compresor, que es el desplazamiento efectivo del compresor. El coeficiente de rendimiento de un refrigerador se expresa como:
8 Proceso de compresión real: El proceso de compresión real incluirá efectos friccionantes los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor, lo cual puede aumentar o disminuir la entropía. En un ciclo real puede ocurrir que el refrigerante se sobrecaliente un poco en la entrada del compresor y se subenfría en la salida del condensador. Además, el compresor no es isoentrópioco. Esto se observa en la imagen 5.
Imagen 5: Diagrama T – s del ciclo real de refrigeración La eficiencia adiabática del compresor viene dada por:
Refrigerante R22: El R-22 o clorodifluorometano es un gas incoloro comúnmente utilizado para los equipos de refrigeración, en principio por su bajo punto de fusión, (-157°C). Su densidad es tres veces la del aire; en estado líquido 1,2 veces la del agua. A 20°C tiene una presión de saturación de 9,1 bares (dato importante para el trabajo en las instalaciones de refrigeración, pues una medida esencial que es la presión del circuito, depende de la temperatura ambiente). El R-22 era hasta hace poco el gas refrigerante más utilizado en el sector del aire acondicionado, tanto para instalaciones de tipo industrial como domésticas, aunque está prohibido su distribución por ser altamente perjudicial para la capa de ozono. Actualmente ha sido sustituido por el R-407C o más modernamente por el R-410A. El R-22 también es usado como agente espumante para el poliestireno extruido, y como esterilizante.
9 9.B DESARROLLO DE LOS CALCULOS
Calculo el flujo de volumen ideal ocupando la siguiente formula:
∀ ̇ = 4 ∗ ∗ ∗ ∗ ∗60 Lo que nos da el siguiente valor:
Y el
∀ ̇ =33.092255
Calculo el flujo de volumen real ocupando la siguiente formula:
se calcula mediante:
∀ ̇ = ∀∗
=1−(´´ −1)
lo que reemplazando los valores nos da:
=0.808261 Que reemplazando en la ecuación de volumen real nos da:
∀ ̇ = 26.747179
Calculo el flujo de masa ideal, usando la siguiente formula:
̇ = ∀ ̇ [] Reemplazando los valores nos da:
̇ = 827.306376[]
Calculo el flujo de masa real, usando la siguiente formula:
̇ = ∀ ̇´ []
10 Reemplazando los valores nos da:
̇ = 662.027421[]
Calculo las potencias ideales con las siguientes formulas:
̇ = ̇ ∗ℎ −ℎ [ ]; ̇ = ̇ ∗ℎ −ℎ [ ]; ̇ = ̇ ∗ℎ −ℎ [ ]; ̇ =28955.72316 [ ] ̇ = 140642.0839[ ]; ̇ =111686.3608 [ ];
Reemplazando los valores nos da:
Calculo las potencias reales con las siguientes formulas:
̇ = ̇ ∗ℎ´−ℎ´[ ]; ̇ = ̇ ∗ℎ´−ℎ´[ ]; ̇ = ̇ ∗ℎ´−ℎ´[ ]; ̇ =6620.273216 [ ]; ̇ = 122475.0545[ ]; ̇ = 115854.7813[ ];
Reemplazando los valores nos queda:
11 9.C TABLAS DE VALORES OBTENIDOS Y CALCULADOS
Valores Obtenidos:
m
2 1/8 ´´ = 0.053975 m 1 5/8 ´´ = 0.041275 m 1460 RPM 4 0.07
Presión Condensador
20.3 bar
Presión Evaporador
5.8 bar
Presión Atmosférica
717.6 mmHg
Diámetro L N Z
Temperatura succión
12°C
Temperatura descarga
64°C
Temperatura entrada a disp. Expansión
34°C
Valores Calculados: Ideal
Real
v1
0.04 m3/kg
0.043 m3/kg
v2
0.013 m3/kg
0.0115 m3/kg
Ideal
Real
h1
1195
1210
h2
1230
1220
h3=h4
1060
1035
12
∀ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇
Ideal
Real
3309.225504
2674.717483
82730.6376
66206.73216
28955.72316
6620.273216
140642.0839
122475.0545
111686.3608
115854.7813
9.D BIBLIOGRAFIA EMPLEADA Y TEMARIO DEL EXPERIMENTO
Apunte de Laboratorio http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-152.htm
