LABORATORIO DE CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
PRESENTADO POR: ANDRÉS CAMILO SÁNCHEZ SUÁREZ
Informe de laboratorio de la asignatura: Refrigeración y Aire Acondicionado
PRESENTADO A: ALEJANDRO MUÑOZ RODRÍGUEZ Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD CENTRAL FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS BÁSICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA ABRIL DE 2017 INTRODUCCIÓN
Cada vez cobra mayor importancia analizar y conocer los ciclos de refrigeración para seleccionar adecuadamente equipos y diseñar instalaciones frigoríficas; en el presente laboratorio se analizan cada uno de sus componentes en función de las propiedades termodinámicas del refrigerante R134 a para así determinar el coeficiente de operación del mismo.
OBJETIVO
Conocer cada uno de los componentes de un sistema de refrigeración y su aplicación real mediante los conceptos de propios del ciclo de refrigeración por compresión de vapor.
MARCO TEÓRICO1
El término de refrigeración, como parte de un edificio, los sistemas de ventilación y acondicionamiento, generalmente se refiere al sistema de compresión de vapor, cuando una sustancia química, alternativamente cambia de líquido a gas (evaporación, absorbiendo así el calor y proporcionar un efecto de enfriamiento) y el gas del líquido (condensado, liberando de ese modo de calor). Este ciclo consta en realidad de cuatro pasos: Compresión: Baja presión de gas-refrigerante es comprimido, aumentando así su presión sobre la energía mecánica a gastar. Hay un aumento correspondiente de la temperatura junto con el aumento de la presión. Condensación: alta presión, el gas de alta temperatura refrigerado por aire o por agua en el exterior, que sirve como radiador y se condensa a un líquido a alta presión. Expansión: líquida de alta presión fluye a través de la salida de la válvula de expansión, reduciendo así la presión. Una pequeña parte de los flashes líquidos de gas debido a la reducción de la presión. Velocidad de evaporación: líquido de baja presión absorbe el calor del aire o agua y se evapora en forma de un gas o vapor.
1 http://www.ref-wiki.com/es/technical-information/162-chillers/32887-vaporcompression-refrigeration-cycle.html Consultado 13/04/2017
el sistema de refrigeración de vapor-compresión consta de cuatro componentes que cumplen con los cuatro pasos del ciclo de refrigeración. Compresor eleva la presión del gas refrigerante inicialmente baja presión. Condensador intercambiador de calor, que enfría el gas de alta presión, de modo que los cambios en la fase líquida. Válvula de expansión controla la relación de presión, y, por tanto, el consumo, entre las regiones de alta y baja presión del sistema. Los evaporador intercambiador de calor que calienta el líquido a baja presión, lo que conduce a un cambio de fase de líquido a vapor (gas). Termodinámicamente, la presentación más común de ciclo de refrigeración básico es fabricado usando el diagrama de presión-entalpía. Para cada uno de refrigerante, la línea de cambio de fase representa las condiciones de presión y calor (entalpía), a la que se cambia de líquido a estado gaseoso, y viceversa. Por lo tanto, cada uno de los pasos de la ciclo de compresión de vapor se puede aplicar fácilmente para demostrar los procesos termodinámicos reales.
PROCEDIMIENTO GENERAL
Los pasos a seguir fueron los siguientes:
Medición del área de condensador y evaporador. Medición de la velocidad del aire. Toma de lectura de presiones en la entrada y salida del compresor. Registro de temperaturas.
CÁLCULOS
Refrigerante R134a. W= 0,25 hp= 0,19 kW Entalpias en cada punto (tablas): h1= h2= h3= h4=
262,04 278,57 259,78 259,73
kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg
´ 2−h 1) W = m(h m= ´
W 0,19 kW = =0,012kg / s (h 2−h1 ) ( 278,57−262,04 ) kJ / kg
´ 3−h2) Q H =m(h QH =0,012
kg kJ ( 259,78−278,57 ) =0,23 kW ( salida) s kg
QL =Q H −W =0,23 kW −0,19 kW =0,04 kW
COP=
Q L 0,04 kW = =0,21 W 0,19 kW
CUESTIONARIO
1. Determine para la experiencia realizada, los valores del calor retirado del espacio refrigerado (QL), calor rechazado al ambiente (QH) y el trabajo de entrada al ciclo de compresión de vapor.
QH =0,012
kg kJ ( 259,78−278,57 ) =0,23 kW ( salida) s kg
QL =Q H −W =0,23 kW −0,19 kW =0,04 kW 2. Partiendo de que el fluido refrigerante es R-134a, determine sus características químicas, físicas y de propiedades termodinámicas. Con las propiedades determinadas en la práctica, Dibuje el ciclo de compresión de vapor en un diagrama T-s y en un diagrama P-h para la sustancia. Propiedades Termodinámicas2 1. Presión - Debe operar con presiones positivas. 2. Temperatura - Debe tener una temperatura crítica por arriba de la temperatura de condensación. Debe tener una temperatura de congelación por debajo de la temperatura del evaporador. Debe tener una temperatura de ebullición baja. 3. Volumen - Debe tener un valor bajo de volumen específico en fase vapor, y un valor alto de volumen en fase líquida. 4. Entalpia - Debe tener un valor alto de calor latente de vaporización. 2 http://www.indubel.com.ar/pdf/gases/refrigerantes.pdf Consultado 15/04/2017
5. Densidad 6. Entropía Propiedades Físicas y Químicas 1. No debe ser tóxico ni venenoso. 2. No debe ser explosivo ni inflamable. 3. No debe tener efecto sobre otros materiales. 4. Fácil de detectar cuando se fuga. 5. Debe ser miscible con el aceite. 6. No debe reaccionar con la humedad. 7. Debe ser un compuesto estable. Fácilmente se comprende que ninguno de los refrigerantes conocidos reúne todas estas cualidades; es decir, no existe un refrigerante ideal, por lo que, en base a un balance de ventajas, deberá seleccionarse el que reúna el mayor número de estas características de acuerdo al diseño requerido.
Gráfico 1. Diagrama Temperatura vs. Entropía para refrigerante R134a
Gráfico 2. Diagrama Presión vs. Entalpía para refrigerante R134a
3. Calcule el COP del equipo de refrigeración utilizado en la práctica. Como resulta el valor calculado con respecto al valor esperado o técnicamente aceptado para estos equipos (aire acondicionado y/o refrigeradores domésticos). A que se puede deber la posible diferencia?
COP=
Q L 0,04 kW = =0,21 W 0,19 kW
La diferencia se debe a posibles errores de medición en la lectura de presiones y a la cantidad de refrigerante disponible dentro del sistema. 4. Determine el flujo másico de refrigerante a través del circuito del equipo.
m= ´
W 0,19 kW = =0,012kg /s (h 2−h1 ) ( 278,57−262,04 ) kJ /kg
5. Investigue acerca del procedimiento de recarga de refrigerante del equipo y descríbalo detalladamente La primera operación que deberá realizarse es la verificación de la estanquidad del circuito del gas, la cual podrá efectuarse de dos maneras diferentes. En la primera, la instalación se carga con líquido refrigerante hasta alcanzar una presión de 2,5 bares y luego se aumenta dicha presión con nitrógeno seco hasta alcanzar la presión de 12 bares; por último, utilizando un detector de fugas de gas, se analiza cada parte del circuito para detectar si existen eventuales pérdidas. En la segunda manera, se crea un vacío suficientemente elevado y se observa si el manómetro mantiene constante el valor de vacío alcanzado. Para la medida del vacío y de la presión de carga y de régimen, generalmente en la instalación se utilizan grupos manométricos como los que
se muestran en la fig. 17, mediante los cuales es posible también conocer la temperatura real de evaporación y de condensación que se desea ejecutar con la instalación. Cabe observar que a través de la presión no se puede remontar a la temperatura del vapor recalentado, ni tampoco a la temperatura del líquido subenfriado. Dichas temperaturas podrán obtenerse sólo mediante el uso de termómetros.
Imagen 1. Manómetros
VACIADO Y LIMPIEZA La operación de vaciado de la instalación es indispensable para extraer el aire atmosférico y el vapor de agua contenidos en el circuito o que se depositó en su interior debido a la condensación, así como también para eliminar los residuos sólidos que procedan de los mecanizados efectuados en los componentes del circuito. La presencia de tan siquiera pequeñas cantidades de agua en el circuito puede atascar las válvulas o el capilar, reducir la rigidez dieléctrica del aceite y generar fenómenos de corrosión química de la instalación. La presencia de gases incondensables, con presiones y temperaturas normales, provoca un aumento de la presión de condensación y, por consiguiente, un aumento de las temperaturas de funcionamiento del compresor. Las bajas presiones que se obtienen con bombas de buena calidad permiten no sólo la extracción de los gases, sino también la evaporación de eventuales cantidades de agua y su extracción del circuito.
CARGA DE LA INSTALACIÓN
Tras haber desconectado la bomba y cerrado el tubo que la conecta a la instalación, se introduce el refrigerante por el flanco de alta presión de la instalación. Esto para evitar que el líquido, si se introduce por el otro flanco, alcance el aceite en estado líquido y lo diluya, facilitando su dispersión a lo largo del circuito cuando el motor está en marcha. Si se introduce el refrigerante por el flanco de alta presión, éste provoca el cierre de la válvula de descarga, apremiando el gas a expandirse hacia el otro sentido hasta alcanzar el flanco de admisión del compresor. Cuando la presión alcanza el valor de 3,4 bares con HFC-134a y 6-7 bares con R22, la carga se completa introduciendo el refrigerante por el flanco de admisión (con el compresor en marcha) hasta obtener, mediante el indicador de circulación del líquido, la confirmación del nivel de carga exacto. La carga exacta se obtiene cuando desaparecen todas las burbujas de gas no condensado. Si en una instalación no se puede introducir el refrigerante por el flanco de alta presión, éste se introducirá por el flanco de baja presión, pero prestando atención de que no entre refrigerante líquido en el compresor por las razones mencionadas. LÍMITES DE TEMPERATURA EN EL COMPRESOR
El límite de temperatura, medido en la salida del compresor, no deberá superar los 110 °C, ya que la temperatura de fin de compresión del fluido es mucho más alta (siendo aproximadamente 170 OC). La temperatura que el fluido alcanza en el compresor se calcula mediante la ley:
como puede observarse, es directamente proporcional a la relación de compresión, a la temperatura TI de admisión y al tipo de gas utilizado (para el valor de K, consultar las propiedades fundamentales del refrigerante HFCRI34a). Los fabricantes de los compresores fijan los valores de TI en función del tipo de evaporación y de refrigerante, por encima de los cuales el enfriamiento del compresor resultará insuficiente; en este caso, habrá que enfriarlo con otros medios. Por ejemplo, para el refrigerante HFC-R134a con temperatura de evaporación de -30°C, la temperatura máxima de admisión será: TI = 10 oC máx., mientras que para el refrigerante HFC-R134a con temperatura de evaporación de -10°C, la temperatura máxima de admisión será: TI = 32 oC máx. De aquí la necesidad de aislar la línea de admisión para mantener baja la temperatura de admisión y la imposibilidad de instalar un intercambiador de calor en la línea de admisión para obtener el enfriamiento del líquido.
6. Emita sus conclusiones personales de la experiencia realizada.
Se pudieron apreciar de forma detallada y en funcionamiento cada uno de los componentes de un sistema de refrigeración. Se pueden considerar ciertos errores en la lectura de las presiones o poco refrigerante en el sistema, razón por la cual el COP es bajo. Se pudo aplicar de manera práctica lo aprendido mediante la teoría tomada en clase.
