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Universidad de Santiago de Chile Departamento de Ingeniería Mecánica LABORATORIO DE TERMODINAMICA SANTIAGO TITULO DE LA EXPERIENCIA “SISTEMA DE REFRIGERACIÓN”
EXPERIENCIA Nº:
E- 95
Fecha de la exp :
26/04/2011
Fecha de entrega:
02/05/2011
Nombre del alumno: Nivel:
Alejandro Javier Quijada Muñoz
05
Grupo N°:
Cod. Hor :
01
FIRMA DEL ALUMNO Nota de interrogación
Nombre del profesor:
Sr. Iván Jerez
Nota de participación Nota de informe Nota media SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X Presentación Cálculos, resultados, gráficos Características Técnicas
Discusión, conclusiones
Descripción del método seguido
Apéndice
OBSERVACIONES
FIRMA DEL PROFESOR
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1.-Título del trabajo: “Sistema de refrigeración” 2.- Índice 3.-Resumen del contenido del informe
3
4.- Objetivo de la experiencia 4.2.-Objetivos específico 4.1.-Objetivo general
3 3 3
5.-Características técnicas de los equipos e instrumentos empleados
4
5.1.- Sistema de refrigeración doméstico
4
5.1.1.-Compresor Electrolux. 5.1.2.-Evaporador 5.1.3.-Condensador 5.1.4.-Dispositivo de expansión. 5.1.5.- manómetro y vacuómetro. 5.1.6.- filtro
4 4 4 5 5 5
5.2.-Barómetro Eschiltknech.ing.SIA 5.3.-Termometro digital Fluke 51/52 II 5.4.-Termocupla
5 6 6
6.- Descripción del método seguido 7.-Presentacion de resultados
6 7
8.- Discusión de los resultados, conclusiones y observaciones
8
9.-Apéndice
9
9.1 Teoría del experimento
9
9.1.1.-Refrigeracion 9.1.2.-Refrigerante
9
9.2.- desarrollo de los cálculos
11 11
9.2.1.- Cálculo del flujo másico real e ideal
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9.2.2.- Cálculo de las potencias térmicas del ciclo ideal.
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9.2.3.- Cálculo de las potencias térmicas del ciclo real
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9.3.- Tabla de valores de resultados obtenidos
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4
9.4.- Bibliografía y páginas web
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3.-Resumen del contenido del informe. En el siguiente trabajo se demostrará la experiencia de laboratorio “sistema de refrigeración”. La cual, es una demostración básica de los sistemas de refrigeración, es decir, se trabajará un ciclo fácil y sencillo, como los es el refrigerador de uso doméstico, para entender y explicar el mecanismo de acción de dichos sistemas. Para llevar a cabo este objetivo, el informe, constará de gráficas y esquemas representativos de los sistemas de refrigeración básicos, en especifico el más común y más utilizado; “el ciclo de refrigeración por compresión de vapor”. Se analizará el aspecto teórico y se profundizara la experiencia en la parte real de dicho ciclo termodinámico. Para esto, el informe tendrá la información necesaria y adecuada, como una ficha técnica de los elementos y maquinas utilizadas, un desarrollo con explicación del método seguido y un completo desarrollo de cálculos y demostraciones matemáticas que nos ayudaran a comprobar la teoría y a calcular ,por ejemplo, la potencia térmica en cada proceso.
4.- Objetivo de la experiencia. 4.1.-
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 domestico. 4.2.-
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 p-h el ciclo de refrigeración estándar y real de funcionamiento.
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5.-Características técnicas de los equipos e instrumentos empleados 5.1.- Sistema de refrigeración doméstico
5.1.1.-Compresor Electrolux. •
Función: comprimir el refrigerante, elevando su temperatura y presión a niveles altos, de modo que le permita a este poder ceder calor.
•
Rango de operación: 220v ∼ 50 hz, 230 v ∼ 60 hz
•
Refrigerante: R-12, (Diclorodifluormetano).
5.1.2.-Evaporador •
Función: extraer calor de una fuente de baja temperatura, para esto realiza un sobrecalentamiento del vapor de refrigerante
5.1.3.-Condensador • Función: Se encarga de transferir al ambiente el calor absorbido en evaporador y en el compresor. Reciben el vapor recalentado
el
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proveniente del compresor y deben ser aptos para eliminar el recalentamiento y efectuar la condensación. En este caso en particular se debe llegar al sub-enfriamiento del refrigerante. 5.1.4.- Dispositivo de expansión. •
Función: tubo de cobre enrollado en forma de resorte, que permite el estrangulamiento del refrigerante extraído del condensador, en un proceso isoentálpico, disminuyendo su temperatura y presión.
5.1.5 manómetro y vacuómetro. • Rango de operación: 0 kgf 30kgf
Rango de operación: - 30 psi60 psi
5.1.6 filtro
5.2.-Barómetro Eschiltknech.ing.SIA
• Barómetro de cubeta con escala en milímetros de mercurio. • Tiene el nonius correspondiente y corrección termométrica (Termómetro en centígrados). •
Su procedencia es Zúrich, Suiza.
•
Error asociado ± 0,06 mm
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5.3.-Termometro digital Fluke 51/52 II:
•
Medidas de termopares tipo J, K, T y E.
•
Lectura en °C, °F o Kelvin (K)
5.6.-Termocupla: • •
Marca: Fluke Tipo: K
6.- Descripción del método seguido: Esta experiencia se realizo en el laboratorio de termodinámica del departamento de mecánica de la universidad de Santiago de chile, alrededor de las 17:00 hrs, con una temperatura ambiente de 20°c y una presión atmosférica de 719 mmHg. El trabajo consiste en analizar un ciclo de refrigeración por compresión de vapor, como el refrigerador de una casa cualquiera, donde se extrae calor de una fuente de baja temperatura y se rechaza a una fuente de alta temperatura, que para el caso del refrigerador de casa, esta fuente seria la cocina. Para comenzar la sesión de laboratorio, nos dirigimos al sistema de refrigeración doméstico, el cual está formado por el evaporador (parte superior de un refrigerador común, congelador) un compresor (cilindro de tamaño mediano, ubicado en la parte inferior trasera del refrigerador), un condensador (serpentín ubicado en la parte exterior trasera) y una válvula de expansión (tubo de cobre enrollado en forma de resorte, ubicado en la parte inferior trasera del refrigerador común). Este sistema es un ciclo, el cual para llevarse a cabo necesita de un elemento que absorba calor; este es el refrigérate R-12, (Diclorodifluormetano). La experiencia consiste en hacer funcionar el ciclo, dejarlo andar un tiempo determinado hasta que se estabilice, y luego, medir las presiones y temperaturas en cada etapa del ciclo. Con el manómetro, se mide la presión de condensación en la entrada del condensador y con el mano-vacuómetro, se mide la presión de evaporación, a la salida del evaporador. Por otra parte, con las termocuplas, se mide la temperatura del refrigerante en los procesos de evaporación, compresión y condensación. Con la información de las presiones se pretende analizar el ciclo de forma ideal y con los datos de las termocuplas; de forma real.
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7.-presentacion de resultados:
Figura1: ciclo real e ideal del sistema de refrigeración de la experiencia. (Grafico presión en función de la entalpia)
W&cp = 1380, 63 kJ hrs W&cd = 4647 kJ hrs W&ev = 3266,37kJ hrs
W&cp , = 1002,14 kJ hrs W&cd , = 4364,15 kJ hrs W& , = 3200,37 kJ hrs ev
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8.- Discusión de los resultados, conclusiones y observaciones: Se concluye claramente que el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, es de un carácter utópico, es decir, por ningún motivo se puede llevar a cabo en un 100%. Esto quedo demostrado en la variación de las potencias y en las variaciones de flujo másico entre el ciclo ideal y el real. Específicamente la disminución de este último parámetro, en el ciclo real, se debe a las perdidas y caídas de presión originadas por el rozamiento, ya sea en el evaporador como en el condensador. Otra señal clara de la existencia de estas pérdidas es la comprobación de la conservación de masa y de energía. Con la suma algebraica del trabajo por unidad de masa del proceso de compresión, mas el hecho por la evaporación, se debe obtener el trabajo por unidad de masa en el condensador. Esta expresión se cumple perfectamente en el ciclo ideal, pero en el caso del ciclo real existe una variación notoria en este aspecto. Otros fenómenos que hacen que el ciclo ideal no sea posible, es que el sistema de refrigeración, por un tema de cumplimiento de objetivo, el cual es entregar el calor absorbido al medio ambiente, se ve en la obligación de provocar un sub-enfriamiento del liquido en el condensador, (se puede apreciar levemente en el punto 3´) y un sobrecalentamiento de vapor en el evaporador. A estos fenómenos, se le suma que la compresión en el compresor no mantiene la entropía constante. Por otra parte el ciclo real, mejora considerablemente el sistema de refrigeración (punto 4 y 4´), pero por otro lado provoca un sobrecalentamiento, lo que genera dos fenómenos; uno bueno y uno malo. Lo bueno de este fenómeno, es que con el sobrecalentamiento asegura en el sistema que sólo entre vapor al compresor, pero lo malo es que puede ser mucho el aumento del calor, lo que puede llegar a dañar el equipo. El sistema de refrigeración por compresión de vapor es el más utilizado y más común en la actualidad. Esto quedo demostrado con la relativa simpleza de sus componentes y con la efectividad que provocó, ya que en el tiempo que duró la experiencia (breve) en la cámara donde se ubica el evaporador, la temperatura alcanzo los – 14,5°C, lo que nos da un indicio de lo bueno que es como sistema de refrigeración. Por último, cabe decir que la experiencia estuvo sometida a múltiples errores, como por ejemplo que el sistema al momento de ser utilizado se encontraba en un proceso de estabilización, más el error asociado a los instrumentos de medición. Todo esto se combina con el mayor error, según mi punto de vista, el cual pertenece a la ubicación de los puntos en la grafica presión en función entalpia, ya que la mayoría de ellos, al no encontrarse el punto exacto buscado, se localizaba con una estimación a criterio del observador.
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9.-Apéndice. 9.1 Teoría del experimento. 9.1.1.-Refrigeración: La refrigeración puede definirse como la ciencia o arte de enfriar cuerpos o fluidos a temperaturas menores que aquellas disponibles en el ambiente, el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, que incluye 4 componentes principales: un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador (como muestra la figura 2).consiste en extraer calor de una fuente de baja temperatura y rechazarlo a una fuente de alta temperatura. Tal extracción y rechazo de calor se realiza mediante la realización de un trabajo que para el ciclo de refrigeración por compresión de vapor el elemento se denomina compresor. Considerando el ciclo esquemáticamente como:
Figura 2: Componentes básicos de un sistema de refrigeración.
La representación de los estados termodinámicos en los cuales se encuentra el ciclo de refrigeración, Puede realizarse tanto para un ciclo ideal estándar y real en el diagrama presión v/s entalpia. (Figura 2) En particular, se define un ciclo estándar como aquel donde la aspiración del compresor y descarga del condensador se realiza para condiciones de vapor y líquido saturado respectivamente. De esta forma puede visualizar que:
11 Figura 3: Diagrama presión-entalpía de los ciclos ideal y real de refrigeración por compresión mecánica de vapores.
Donde se puede identificar los procesos siguientes: Proceso 1-2: compresión • Proceso 2-3: condensación • Proceso 3-4: expansión • Proceso 4-1: evaporación. •
Aunque se debe mencionar que en la práctica deben realizarse ciertos cambios, en forma inevitable o intencionada respecto al ciclo estándar, entre los cuales se encuentran: • • • •
Sub-enfriamiento del líquido en el condensador. Sobre calentamiento del vapor en el evaporador. Compresión no isoentrópica. Caída de presión por fricción en evaporador y condensador.
Donde el trabajo total, por unidad de masa en cada proceso es:
Wcp = ( h2 − h1 ) kJ kg Wcd = ( h2 − h3 ) kJ kg Wev = ( h1 − h4 ) kJ kg
Por lo tanto la potencia térmica:
&( h2 − h1 ) kJ hrs W&cp = m W&cd = m&( h2 − h3 ) kJ hrs W&ev = m&( h1 − h4 ) kJ hrs
(*)
9.1.2.-Refrigerante
Un refrigerante es un producto químico líquido o gas, fácilmente licuable, que se utiliza para servir de medio transmisor de calor entre otros dos en una máquina térmica, y concretamente en aparatos de refrigeración. Los principales usos son los refrigeradores y los acondicionadores de aire. Un ejemplo de estos y justamente el utilizado en la experiencia es el R- 12 (Difluordiclorometano), el cual es un representante del grupo CFC y un gas claro con un olor específico, 4,18 veces más pesado
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que el aire. Este se dejo de producir ya que sus dos moléculas de cloro son altamente peligrosas para la capa de ozono.
9.2.- desarrollo de los cálculos: *nota: las conversiones www.convertworld.com.
de
unidades
serán
realizadas
con
Datos experimentales:
•
Pat.: 719 mmHg 0,96 Bar
•
Pcd: 10, 5 kgf / cm 2 11, 26 Bar
•
Pev: 7 lbf / pulg 2 (psi) 1, 44 Bar
•
T´1: -18, 9°C
•
T´2: 57, 7 °C
•
T´3: 44, 3 °C
•
Diámetro D: 35mm
•
Carrera del pistón L: 25mm
•
Revoluciones por minuto N: 2800 RPM
•
Número de pistón Z = 1
Datos del compresor:
9.2.1.- Cálculo del flujo másico real e ideal.
ayuda
de
la
pagina
web
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Antes de realizar todo cálculo se debe trabajar, en el gráfico de presión – entalpia (7.-presentacion de resultados). En el cual se trazan las líneas de presión y según los datos de las temperaturas se hacen coincidirlos puntos reales del ciclo, lo cual permite obtener el volumen específico observando la línea isovolumetrica respectiva.
Datos de tabla:
• h1 :1140 kJ kg
h1, :1145 kJ kg
• h2 :1181 kJ kg
h2 , :1176 kJ kg
• h3 :1043 kJ kg
h3, :1041 kJ kg
• h4 :1043 kJ kg
h4 , :1141 kJ kg
• v1 : 0,120 m3 kg
v1, : 0,125 m3 kg
Para determinar el flujo másico, recurrimos a la siguiente igualdad:
m&=
& caudal volumétrico ∀ = volumen específico v
Donde:
&= A × L × N × Z = π D 2× L× N × Z × 60 ∀ 4
π m3 2 & → ∀ = × 0, 035m × 0, 025m × 2800 RPM ×1 × 60 = 4, 04087 4 hrs
Para el flujo másico del ciclo ideal:
m&ideal
Luego, para el flujo másico real:
4, 04087 m3 hrs = =33, 6739 kg hrs 0,120 m3 kg
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m&Re al =
4, 04087 m3 hrs = 32,327 kg hrs 0,125 m3 kg
9.2.2.- Cálculo de las potencias térmicas del ciclo ideal.
Para determinar este valor en cada ciclo, acudimos a la expresión (*) citada en la sección 9.1.1.Refrigeracion, la cual ayudada con la información del grafico, calculamos fácilmente las potencias térmicas para en proceso de compresión, condensación y finalmente de evaporación.
W&cp = m&( h2 − h1 ) kJ hrs → 33, 6739 kgm hrs ×(1181 −1140) kJ kgm =1380, 63 kJ hrs W&cd = m&( h2 − h3 ) kJ hrs → 33, 6739 kgm hrs ×(1181 −1043) kJ kgm =4647 kJ hrs W&ev = m&( h1 − h4 ) kJ hrs →33, 6739 kgm hrs ×(1140 −1043) kJ kgm =3266, 37 kJ hrs
9.2.3.- Cálculo de las potencias térmicas del ciclo real.
Igual que en el caso anterior, para determinar este valor en cada ciclo, acudimos a la expresión (*) citada en la sección 9.1.1.-Refrigeracion, la cual ayudada con la información del grafico, calculamos fácilmente las potencias térmicas para en proceso de compresión, condensación y finalmente de evaporación, pero esta vez para el ciclo real.
W&cp , = m&, ( h2 , − h1 , ) kJ hrs → 32,327 kgm hrs ×(1176 −1145) kJ kgm =1002,14 kJ hrs W&cd , = m&, ( h2 , −h3 , ) kJ hrs → 32,327 kgm hrs ×(1176 −1041) kJ kgm =4364,15 kJ hrs W&ev , = m&, ( h1, − h4 , ) kJ hrs →32,327 kgm hrs ×(1140 −1041) kJ kgm =3200,37 kJ hrs
9.3.- Tabla de valores de resultados obtenidos:
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∀&
4, 04087 m3 hrs
m&ideal
33, 6739 kg hrs
m&Re al
32,327 kg hrs
W&cp
1380,63 kJ hrs
W&cd
4647 kJ hrs
W&ev
3266,37kJ hrs
W&cp ,
1002,14 kJ hrs
W&cd ,
4364,15 kJ hrs
W&ev ,
3200,37kJ hrs
9.4.- bibliografía y páginas web
•
“Termodinámica” – Cengel- 6 Ed
•
Guía de laboratorio “DIMEC”
•
http://www2.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S000155042002000200008&lng=es&nrm=iso
•
http://www.convertworld.com/es/
