Laboratorio de Termodinámica
Titulo: Refrigeración – Variando el flujo de agua en el evaporador
Montesdeoca Cansing Daniel Eduardo Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil-Ecuador
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Resumen En ingeniería se hacen uso de las leyes de la termodinámica en diferentes propósitos, entre ellos la refrigeración, que al usar la primera y la segunda ley se sabe que estas máquinas permiten recolectar calor de un sumidero frío y rechazarlo a uno caliente a costa de consumir trabajo y éste siempre es irreversible, en otras palabras, genera entropía en el universo. Se discutió sobre la máquina de Carnot como referencia a la operación del refrigerante ideal, y mediante esto se pudo comparar con la máquina real usada en el experimento con el Armfield ARM-MKII, y se explicó que a medida que el flujo F2 se disminuye, la temperatura de sumidero frío, o del evaporador disminuye y por tanto a la máquina se le hace mucho más difícil extraer calor para luego expulsarlo en el condensador, lo cual impacta la eficiencia como se puede prever desde la máquina reversible de Carnot.
Palabras clave: condensador, COP, temperatura de rechazo de calor, refrigeración
Introducción La termodinámica se basa fundamentalmente en 2 leyes que rigen todos los fenómenos naturales, que son la primera y la segunda ley de la termodinámica. El autor (Cengel, 2008) indica que la primera ley establece que la energía no se puede crear ni destruir durante un proceso, solo cambiar de forma. Y en el caso de la segunda ley, se la indica como que la mayoría de procesos tiende a incrementar la entropía del universo, nunca reducirla, de tal forma que se tiende al desorden y por tanto explica el hecho de que todas las máquinas reales generen entropía y en consecuencia desperdicio, no poder igualar una máquina reversible. A partir de ello podemos suponer 2 estamentos de las máquinas refrigerantes reales, el primero que su función principal es absorber calor de un sumidero frío y rechazarlo en el sumidero caliente con una entrada de trabajo, y el segundo que al realizar este proceso ocurrirán siempre irreversibilidades, que producirán que parte de la energía que se ingresa como trabajo se pierda en entropía, que en los procesos de ingeniería se intenta siempre reducirla al mínimo. El proceso de refrigeración tiene como referencia ideal la máquina reversible de Carnot, que es una máquina teórica que solo depende de 2 sumideros y su eficiencia es la máxima, en otras palabras, es la que más refrigera con menos energía. Su diagrama Ts (tomado del autor Cengel) es el siguiente donde Ql es el calor sustraído y Qh es el calor rechazado, y de 2 a 3 hay entrada de trabajo.
En los refrigeradores reales se utiliza un diagrama un tanto parecido al ciclo de Rankine, pero con 2 cambios importantes, que es invertido y que de 3 a 4 existe una importante irreversibilidad por la válvula de expansión, su diagrama T-s es el siguiente:
Luego de declarado esto, se analizará especialmente el proceso 4-1 que es lo que nos interesará en especial en este informe, que es realizado en el evaporador. Normalmente el diseño de éstos es de un serpentín de cobre, dotados de aletas (Whitman, 2002), por donde pasa el fluido refrigerante, y hay un ventilador que hace que fluya aire ambiental que recolecte el calor. En el caso del aparato Armfield, usado en el experimento, se usa una bomba de agua controlada que entrega flujo másico en un
intercambiador de calor de platos como lo indica el manual del aparato (Armfield, 2013). En el manual se adjunta el siguiente esquema que nos servirá para poder referenciar las variables.
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Por lo tanto, nos interesará en gran medida las variables que cambian con la disminución del flujo de agua como es T3. Los resultados fueron provistos en una tabla que incluyen alrededor de 340 anotaciones de cada variable, las cuales que son pertinentes fueron puestas en gráficas.
Equipos e Instrumentación -
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Unidad de refrigeración de compresión de vapor Armfield RA1-MKII Ordenador y cable USB
Procedimiento Experimental 1. Configurar la bomba de agua en el condensador (Velocidad de bomba 1) a 100% y la del evaporador (Velocidad de bomba 2) a 60% 2. Revise que hay flujo de agua tanto en el condensador como en evaporador indicado por F1 (normalmente 3,0 l/min) y F2 (generalmente 5,5 l/min) 3. Configurar la velocidad del compresor en 50% (generalmente 3200 RPM), luego haga click en ‘encender compresor’ (1). Luego el compresor arrancará a 3000 RPM por 30 segundo, después cambie la
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velocidad. Revise que el refrigerante fluye en todo el sistema a través de la variable F3. Configurar en opciones de muestra como ‘automático/10 segundo de intervalo’, luego haga click en GO para que se registren las lecturas de los sensores. Observe las gráficas de T1, T3, T7 en el eje primario Y, luego P1, P2 en el eje Y secundario. Permita que el sistema trabaje hasta que las temperaturas sean razonablemente estables para luego reducir la velocidad de la bomba de agua hacia el condensador por el 10%, espere que se estabilice Repita el procedimiento reduciendo la velocidad del condensador en pasos de 10% hasta que T4 alcance 65 °C (Nota: si alguna de las advertencias es indicada en la computadora, se debe incrementar el flujo otra vez o se deben tomar las medidas apropiadas para evitar que el compresor se apague) Regrese la velocidad de bomba de agua al condensador a 50% y permita que nuevamente se estabilice
Resultados En este equipo, el grupo de sensores nos arroja diversos resultados en que serán colocados en el informe y analizados independientemente, los más importantes son los efectos de la variación del flujo en la temperatura T3 y en el coeficiente de desempeño (COP) en la ilustración 2 y 3. Ilustración 1 Diagrama de T1, T3, T7, P1, P2
En este diagrama se han colocado algunas variables, en donde se aprecia que algunas se mantienen constantes, excepto P1, P2 y T3,
en análisis de resultados, se discutirá porque razón variaron. Ilustración 2 T3 vs F2
Ilustración 5 P2 VS F2
Ilustración 3 T7 vs F2
En estos casos se puede apreciar ambas gráficas que muestran los cambios de presión dentro del sistema. En este laboratorio se varió solamente el flujo de agua en F2 que gracias a este flujo existe transferencia de calor directa en el evaporador, y por tanto es clave analizar la temperatura T3 después y T7 antes del evaporador para ver cuanto calor ha sido absorbido.
Ilustración 6 COP vs F2
Ilustración 4 P1 VS F2
Esta Gráfica es la más importante de todo el laboratorio, indica la variación de la eficiencia respecto al flujo de agua que disminuye a medida que la transferencia de calor reduce.
Análisis de Resultados Empezando por el primer diagrama, se puede denotar que tanto T1, como T7 se mantuvieron constantes en general y la presión P1, P2 y la temperatura T3 variaron. T1 es la temperatura de ingreso del agua, que era lógico suponer que esta no iba a variar si provenía del medio ambiente (sumidero caliente) y T7 tampoco porque esta dependía de la válvula de expansión que regulaba la temperatura fría para que vaya al condensador y haga su trabajo de absorber calor. T3 y T7 tienen ambas una disminución notable a medida que F2 va reduciendo, lo que significa que la temperatura lo hace porque se reduce flujo que entregue calor al sistema, por tanto, el calor total del sistema se reduce. Tanto la P1 como la P2 tienden igualmente a la reducción como T3 y T7, esto se explica porque la energía total del sistema se reduce y por tanto la presión también, para que el fluido pueda poseer una entalpía menor. En la ilustración 6 se ve que el COP disminuye conforme el caudal de agua reduce, entonces gracias a la teoría, podemos explicar que la temperatura de sumidero frío reduce y por tanto se dice que aumenta la cantidad de trabajo necesaria para lograr el mismo efecto refrigerante que se ve explicado por la máquina reversible de Carnot.
Conclusiones y Recomendaciones Recordando que el refrigerador es una máquina que hace el ciclo inverso de generación de trabajo, en otras palabras, consume trabajo para poder transferir calor de un sumidero frío a un sumidero caliente, y que su máximo desempeño posible se ve por el COP de la máquina de Carnot que, a su vez, sólo se ve afectado por la temperatura de sumidero caliente y la del sumidero frío. En el caso de las máquinas reales irreversibles la eficiencia es menor que la máquina de Carnot, pero también se ven influenciada en gran medida por la temperatura de los sumideros como se demostró en el experimento. Ya que en el análisis de la gráfica 6 se puede observar como el COP va disminuyendo a medida que
el flujo de agua disminuye, y este coeficiente está muy estrechamente relacionado con la temperatura T3 ya que esta de sumidero frío disminuye porque se rechaza menos calor y por tanto disminuye la eficiencia total de la máquina. Por lo tanto, se concluye que la máquina para que pueda desempeñarse en su mejor eficiencia es importante tener un buen flujo de agua. Sin embargo, se puede realizar la pregunta de cuál es el flujo óptimo de agua, y la respuesta sería el flujo que pueda provocar que T3 sea igual al de la temperatura ambiental, ya que igualaría la temperatura del sumidero caliente. Lo que en otras palabras se traduce a que si se aumenta más el flujo de agua no se lograría aumentar más la eficiencia y por tanto se provocaría un desperdicio de energía en la bomba de agua. Se recomienda comenzar el análisis alrededor de la muestra 60 en adelante para poder permitir a la máquina alcanzar la estabilidad en el flujo del refrigerante y poder apreciar de mejor manera la reducción de la eficiencia prevista por el aumento de la temperatura de sumidero caliente. También proveer de diferencias más pequeñas entre flujos de agua sería mejor, porque permitiría un análisis más preciso y fiel a la realidad del cambio de la eficiencia.
Referencias Bibliográficas Armfield. (2013). Vapour-Compression refrigeration unit RA1-MKII. Reino Unido: Armfield. Cengel, Y. (2008). Termodinámica . Ciudad de México: Mc Graw-Hill. Whitman, W. (2002). Tecnología de la refrigeración y aire acondicionado: Aire acondicionado III. Ciudad de México: Parainfo.
Anexos Anexo A – Equipo Ilustración 7 Equipo Armfield RA1-MKII
Ilustración 8 Diagrama y placa del equipo Armfield RA1-MKII
Ilustración 9 T7 vs F2
Ilustración 10 T8 vs F2
Ilustración 11 T9 vs F2
