Laboratorio de Termodinámica Aplicada Refrigeración: Variación en el flujo de agua en el Evaporador Max Toledo Kawah Kevin Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil - Ecuador
[email protected] Resumen En la práctica se trabajó con el equipo de refrigeración por compresión de vapor, en el Laboratorio de Termofluidos. La práctica tuvo como objetivo investigar qué efecto tenía cambiar el flujo de agua que ingresa al evaporador en el sistema de refrigeración y determinar un valor óptimo para el flujo. El trabajo consistió observar e interpretar los datos que nos mostraba el programa con el que trabaja el sistema de refrigeración en una computadora, la cual fue configurado previamente, a partir de ahí se fue disminuyendo el valor de la bomba del evaporador y de esta manera observar como variaron ciertos datos y qué efecto tenían sobre el sistema. Como resultados principales se tomaron algunos datos de temperatura de los obtenidos, los cuales fueron considerados estables para su respectivo análisis a partir de tablas y gráficos. Obteniendo de esta manera una relación entre el valor del flujo de agua del condensador y el coeficiente de desempeño (COP). Palabras Clave: Ciclo de refrigeración por compresión de vapor, COP, Evaporador, Flujo de agua, Transferencia de calor.
Abstract In practice, it was worked with the refrigeration equipment by the compression of steam, in the Laboratory of Thermofluids. The aim of the practice was to investigate the effect of changing the flow of water entering the evaporator in the refrigeration system and determining an optimal value for the flow. The work consisted of observing and interpreting the data that shows us the program with which the cooling system works in a computer, which was previously configured, from there the value of the evaporator pump was decreased and in this way, observe how did certain data vary and what effect did it have on the system. As main results were obtained some temperature data of the obtained, which were stable for their respective analysis from tables and graphs. Thus, obtaining a relation between the value of the water flow of the condenser and the coefficient of operation (COP). Keywords: Refrigeration cycle by steam compression, COP, evaporator, water liquid, heat transfer.
Introducción Objetivos de la práctica Como objetivos se tienen los siguiente: 1) Investigar en un sistema de refrigeración el efecto que tiene sobre él variar el flujo de agua que pasa a través del evaporador. 2) Determinar un valor óptimo para el flujo de agua que pasa a través del evaporador. Ciclo de refrigeración por compresión de Vapor. Este ciclo representa una serie de procesos en donde empieza con el refrigerante, en estado de vapor, que entra al compresor para aumentar su presión y su temperatura y de esta manera tener un vapor del refrigerante supercalentado. Luego de eso pasa por el condensador, en donde se efectúa un intercambio de calor con el agua, removiendo así el calor del refrigerante, regresando así el refrigerante a estado líquido. Después pasa por la válvula de expansión donde tendrá un cambio brusco de presión, dando como producto un vapor húmedo del refrigerante. Como parte final del ciclo se tiene cuando éste pasa por el evaporador, para que se lleve a cabo otro intercambio de calor, pero en este caso se transfiere calor al refrigerante, pasándolo vapor húmedo a vapor saturado. Y así nuevamente el refrigerante vuelve a pasar por el compresor para empezar otra vez el ciclo.
esta debe ser la misma, lo que puede llegar a cambiar es la forma en que esta se encuentra presenta. Coeficiente de desempeño (COP). El coeficiente de desempeño (COP) es una expresión que muestra el desempeño que tiene una bomba, lo realiza al relacionar el calor rechazado por el condensador con el trabajo suministrado al compresor mediante la siguiente ecuación: 𝑄𝑅 𝐶𝑂𝑃 = 𝑊 Evaporador El evaporador es un intercambiador de calor que trabaja en el ciclo de refrigeración. Se encarga de elevar la temperatura del refrigerante hasta que se produzca un cambio de fase y se obtenga un vapor saturado del refrigerante a través de transferencia de calor por medio de un flujo de agua. Equipos e Instrumentación
EQUIPO MARCA SERIE MODELO
Unidad de Refrigeración por Compresión de Vapor Armfield 38490-001 RA1-MKII-G
Tabla 1: Especificaciones de la unidad de refrigeración.
Primera ley de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica explica que la energía no se crea ni se destruye, sino que se conserva, es decir que dentro de un sistema, si se realiza una sumatoria de toda la energía que tiene,
Figura 1: Unidad de Refrigeración por Compresión de Vapor.
La unidad de refrigeración por compresión de vapor consta de un
condensador y un evaporador ubicados en la parte delantera del equipo en la derecha y en la izquierda, respectivamente. Detrás se encuentra el compresor. Además también se tiene una válvula de expansión.
Procedimiento Experimental Para la práctica se procedió configurar la ventana del software respectivo del equipo, donde se ingresó los valores para las bombas del compresor y del evaporador, cuyos valores fueron de 40% y 100%, respectivamente. Al compresor se le ingresó un valor de 50%. A parte de eso se indicó que los valores a tomar y que se presentarán en la tabla se realizarán en intervalos de 10 segundos, también se configuró la gráfica para que se presenten los valores de temperatura de entrada del agua al condensador (T1), la temperatura del refrigerante a la entrada del compresor (T3) y la temperatura de entrada del evaporador (T7), como también las presiones de entrada y salida del compresor (P1 y P2 respectivamente). Una vez terminados los arreglos de las configuraciones se procedió a encender el compresor, a partir de ahí se empezaron a generar los datos en la tabla, verificando que los valores de temperatura y presión se estabilicen primero para ir bajando el valor de la bomba del condensador en pasos de 10%. Se repitió el proceso hasta que la bomba del condensador llegó hasta el 10%, tomando en cuenta que el valor del flujo de agua del evaporador se reduzca a un mínimo de 2.5 l/min, una vez ahí se elevó la bomba del evaporador de 10% a 60%. Hay que tener cuidado de que no llegue hasta 2.0 l/min, caso contrario se encenderá una alarma.
Resultados En esta sección se va a proceder a presentar los datos estabilizados del flujo de agua del evaporador en comparación con el coeficiente de desempeño (COP), por medio de tablas indicando el valor con el que trabajaba la bomba. Al final se presenta una gráfica del “COP vs Flujo de agua”, donde se busca comparar los valores tomados en todas las tablas de flujo de agua y COP, y así observar como varían.
Flujo de agua [l/min] 8,2 8,3 8,3 8,3 8,2
Coeficiente de performancia 9,14 8,73 9,57 10,04 9,07
Tabla 2: Datos estabilizados cuando la bomba del evaporador está al 100%
Flujo de agua [l/min] 7,4 7,5 7,4 7,4 7,5
Coeficiente de performancia 9,42 9,54 9,51 9,46 9,76
Tabla 3: Datos estabilizados cuando la bomba del evaporador está al 90%
Flujo de agua [l/min] 6,5 6,6 6,5
Coeficiente de performancia 9,41 10,17 9,42
6,5 6,5
9,24 9,31
Tabla 4: Datos estabilizados cuando la bomba del evaporador está al 80%
Flujo de agua [l/min] 5,7 5,7 5,7 5,7 5,7
Coeficiente de performancia 9,07 9,56 8,76 9,18 9,34
Tabla 5: Datos estabilizados cuando la bomba del evaporador está al 70%
Flujo de agua [l/min] 4,9 5,0 5,0 5,0 5,0
Coeficiente de performancia 9,16 10,20 9,45 10,97 9,66
Tabla 6: Datos estabilizados cuando la bomba del evaporador está al 60%
Flujo de agua [l/min] 4,2 4,2 4,3 4,3 4,3
Coeficiente de performancia 9,00 9,00 8,68 9,13 9,39
Tabla 7: Datos estabilizados cuando la bomba del evaporador está al 50%
Flujo de agua [l/min] 3,6 3,6 3,6 3,5
Coeficiente de performancia 8,41 8,32 8,87 9,30
3,6
9,07
Tabla 8: Datos estabilizados cuando la bomba del evaporador está al 40%
Flujo de agua [l/min] 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0
Coeficiente de performancia 8,41 8,23 8,89 8,17 8,58
Tabla 9: Datos estabilizados cuando la bomba del evaporador está al 30%
En la sección de “Anexo”, se encuentran los datos crudos y la gráfica de todos los datos considerados estables de las tablas.
Análisis de los Resultados Del Gráfico 2 en Anexo, se puede ver que la temperatura del flujo de agua de entrada (T1) al condensador trata de mantenerse constante, al igual que la temperatura del refrigerante al entrar al evaporador (T7), pero la que si muestra cambios es la temperatura del refrigerante a la salida del evaporador (T3), este cambio se puede observar mejor en la Tabla 10 en la sección de “Anexo”, ahí se observa que al ir descendiendo en 10% la bomba del evaporador, debido a que el flujo de agua que pasa por el evaporador baja y por lo tanto se transfiere menos calor al refrigerante. Otro dato curioso de los datos crudos de la Tabla 10 en Anexo son las temperaturas de entrada y salida del flujo de agua T8 y T9, respectivamente; T8 se mantiene a temperatura constante, mientras que T9 va descendiendo
conforme desciende el porcentaje de la bomba del evaporador, es decir que debido a que la masa en el flujo de agua disminuye, a pesar de que a la entrada del evaporador se mantenga a una temperatura constante, la cantidad de energía interna que tiene no es la misma, por lo tanto la cantidad de energía que transmite en forma de calor al refrigerante también no es la misma.
De las tablas 2 hasta la 9 se puede observar que al ir variando el flujo de agua que entra por el evaporador, el coeficiente de desempeño desciende poco a poco, pero a pesar de que el flujo desciende desde 8.0 l/min hasta 3.0 l/min, el coeficiente se mantiene relativamente alto, es decir mayor a 8. Por lo tanto, un descenso en el flujo de agua que pasa el evaporador no causa grandes cambios en el coeficiente de desempeño de la bomba.
evaporador (T3) y la temperatura del flujo de agua a la salida del evaporador (T9), y esto ocasiona que el calor que ingresa disminuya. A pesar de que los cambios en el coeficiente se mantienen bajos al variar el flujo de agua que pasa por ele evaporador, lo ideal es que el coeficiente de desempeño se mantenga lo más alto posible para que trabaje mejor y aproveche de mejor manera el calor que recibe, pero en un caos real lo ideal sería buscar un punto medio en donde se pueda obtener el mejor provecho de la máquina y a su vez que no se ponga en riesgo el equipo al exponerlo a una gran cantidad de trabajo constantemente.
Recomendaciones Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones
Se observó que con el cambio en el flujo de agua del evaporador, el coeficiente de desempeño de la bomba disminuía poco a poco, por lo tanto se puede concluir que el descenso en el flujo de agua produce una pequeña variación en el coeficiente de desempeño, en comparación a disminuir el flujo de agua del condensador que produce mayores cambios en el coeficiente. Las temperaturas que presentaron más cambios al variar el flujo de agua que pasa por el condensador fueron la temperatura del refrigerante a la salida del
Discutir y poner en cuestión de porque algunos datos cambian y otros es sumamente importarte porque ayuda a entender mejor lo que sucede lo que está sucediendo en la práctica y se pueden llegar a obtener distintos puntos de vistas, debidamente justificados, ayudando así a los estudiantes a tener una mayor claridad del proceso que se está llevando a cabo.
Referencias Bibliográficas/ Fuentes de Información
Armfield. (2017). Discover with armfield. Obtenido de REFRIGERATION & AIR CONDITIONING RA1MKII
Vapour-Compression Refrigeration Unit: http://discoverarmfield.com/en/pr oducts/view/ra1/vapourcompression-refrigeration-unit
Cengel, Y., & Boles, M. (2011). Termodinámica. Nueva York: The McGraw-Hill Companies. Faires, V. M., & Simmang, C. M. (1978). TERMODINAMICA. MacMillan Publishing Companies.
Anexo
Gráfico 1: Coeficiente de desempeño vs. Flujo de agua.
Gráfico 2: Gráfico de T1, T3, T7, P1 y P2 en el eje Y y el número del dato en el eje X.
Figura 2: Diagrama del sistema de refrigeración por compresión de vapor.
Figura 3: Diagrama T-s del ciclo de refrigeración por compresión de vapor.
T1 24,9 24,4 24,5 24,6 24,6 24,6 24,6 24,6 24,6 24,6 24,7 24,7 24,6 24,6 24,7 24,6 24,6 24,8 24,6 24,6 24,6 24,6 24,7 24,5 24,6 24,7 24,6
T2 24,8 26,2 27,2 28,0 29,0 29,0 29,3 29,5 29,6 29,6 29,6 29,7 30,5 30,0 29,7 30,0 30,0 30,0 30,0 30,0 30,0 30,1 30,0 30,0 30,0 30,1 30,2
T3 25,0 22,3 20,8 21,5 22,1 23,2 23,2 23,5 23,8 24,0 23,9 24,3 24,0 23,6 23,9 24,0 23,5 23,6 23,5 23,2 23,5 23,3 23,3 23,4 23,3 23,3 23,2
T4 26,2 29,2 31,0 34,0 35,1 35,7 36,4 36,2 37,0 37,4 37,4 37,3 38,1 38,3 38,5 38,6 39,0 39,1 39,2 39,9 39,5 39,9 40,2 40,1 40,3 40,6 41,0
T5 25,3 27,0 28,8 29,8 30,6 31,3 31,6 31,7 32,0 32,1 32,2 32,4 32,3 32,4 32,5 32,6 32,6 32,6 32,6 32,6 32,7 32,7 32,6 32,7 32,7 32,7 32,7
T6 25,9 26,8 29,0 30,2 31,1 31,9 32,4 32,7 32,8 32,9 33,0 33,0 33,2 33,2 33,5 33,3 33,4 33,3 33,3 33,5 33,4 33,4 33,6 33,5 33,5 33,5 33,6
T7 22,9 18,6 17,5 16,5 16,5 16,4 16,3 16,1 16,0 16,0 15,7 16,0 16,0 16,2 16,0 16,2 15,9 16,1 16,2 16,1 16,0 16,2 16,3 16,1 16,0 16,1 16,0
T8 25,2 25,2 25,1 25,3 25,1 25,1 24,5 25,1 25,1 25,1 25,0 25,2 25,1 25,1 25,2 25,1 25,5 25,2 25,1 25,2 25,1 25,2 25,2 25,1 25,2 25,1 25,2
T9 24,6 23,6 23,2 22,8 22,8 22,9 22,9 22,8 22,9 22,9 22,9 22,8 22,8 22,9 22,8 22,9 22,1 22,6 22,6 22,2 22,5 22,6 23,1 22,5 22,5 22,6 22,5
24,8 24,6 24,6 24,6 24,6 24,6 24,6 24,6 24,7 24,6 24,5 24,6 24,6 24,6 24,6 24,7 24,6 24,4 24,7 24,6 24,6 24,6 24,4 24,5 24,2 24,9 24,9 24,6 24,7 24,6 25,6 24,7 24,7 24,6 24,1 24,6 24,7 24,8 24,7 24,6 24,7 24,6 24,7 24,6 24,7 24,8 24,7 25,1 24,6
30,1 30,0 30,8 30,0 30,0 30,2 30,2 30,3 30,3 30,2 30,1 30,1 30,3 30,2 30,3 30,3 30,2 30,3 30,1 30,0 30,2 30,3 30,2 30,4 30,9 30,0 30,1 30,3 30,5 30,3 30,3 30,3 30,0 30,0 30,3 30,3 29,6 30,0 30,2 30,2 30,2 30,1 30,3 30,3 30,2 30,2 30,7 30,1 30,1
23,2 23,2 23,2 23,5 23,2 22,8 22,7 22,6 22,6 23,1 22,7 22,7 22,6 22,5 22,2 22,5 22,4 22,3 21,9 21,8 21,7 21,2 21,7 22,2 20,8 21,9 21,6 21,7 21,7 21,4 21,5 21,5 21,6 21,6 21,6 20,9 20,8 20,6 20,8 21,0 20,9 21,7 21,0 21,0 20,9 20,7 19,8 20,4 20,1
41,3 41,5 41,7 41,9 41,9 42,1 41,9 42,5 42,7 42,8 42,8 43,1 43,3 44,0 43,9 43,7 43,8 43,9 43,9 44,1 44,1 44,4 44,6 44,7 44,8 44,5 45,3 44,7 45,3 46,0 45,5 45,6 45,6 45,7 45,7 45,8 45,8 45,9 45,9 46,0 46,0 46,0 46,2 46,2 45,9 46,5 47,1 46,6 46,8
32,4 32,6 32,6 32,6 32,7 32,7 32,6 32,6 31,9 32,5 32,6 32,3 32,6 32,5 32,4 32,5 32,5 32,7 32,5 32,4 32,5 32,5 32,9 32,4 32,4 32,5 32,4 32,5 32,2 32,5 32,5 32,5 32,7 32,6 32,4 32,4 32,4 32,4 32,4 32,3 32,4 32,4 31,9 32,4 32,4 31,8 32,3 32,3 32,3
32,9 33,6 33,5 33,4 33,5 33,6 33,5 33,5 34,2 33,5 33,3 33,5 33,1 33,5 33,6 33,3 33,6 33,2 33,5 33,7 33,4 33,4 33,1 33,5 33,1 33,2 33,6 33,3 33,5 33,4 33,2 33,4 33,1 33,4 33,5 33,5 33,5 33,3 33,4 33,4 33,5 33,5 33,4 33,4 33,3 33,7 33,4 33,3 33,4
16,0 16,0 16,0 16,3 16,0 16,0 16,0 15,5 15,2 15,9 16,0 15,9 15,9 15,8 15,7 15,7 15,7 15,6 15,5 15,5 15,5 15,5 15,3 15,4 15,4 15,6 15,5 15,6 15,5 15,5 15,8 15,5 15,7 15,5 15,5 15,4 15,4 15,6 15,2 15,3 15,1 15,1 15,3 15,3 15,2 14,9 15,1 15,1 15,1
25,2 25,1 25,3 25,5 25,2 25,1 25,2 25,2 25,5 25,2 25,4 25,1 25,2 25,2 25,1 25,0 24,7 25,1 25,1 25,2 24,9 25,2 25,2 25,2 25,2 25,0 25,0 25,2 25,5 25,2 25,2 25,3 25,0 25,1 24,9 25,2 25,2 25,2 25,5 25,4 25,2 25,5 25,2 25,6 25,2 25,2 25,1 25,2 25,1
22,6 22,6 22,7 22,2 22,3 22,2 22,2 22,2 22,2 22,2 22,2 22,4 22,2 22,2 22,2 22,2 22,1 22,2 21,9 21,9 21,8 21,8 21,8 22,1 21,9 21,9 21,9 21,9 21,6 21,6 21,9 22,2 21,9 22,3 22,2 21,6 21,4 21,5 21,4 21,0 21,5 21,5 21,5 21,4 21,4 21,6 21,8 21,1 21,1
24,6 24,6 24,6 24,6 24,7 24,6 24,7 24,7 24,6 24,7 24,6 24,6 24,7 24,7 24,7 24,6 24,7 24,8 24,3 24,7 24,8 24,9 24,7 24,3 24,7 24,7 24,8 24,8 24,7 24,7 24,9 24,6 24,7 24,7 24,6 24,8 24,7 24,7 24,7 24,8
30,1 30,2 30,8 30,7 30,4 30,1 30,3 30,2 30,2 30,1 30,0 29,9 30,1 30,1 30,1 30,1 29,9 30,0 30,2 30,1 30,1 30,0 30,0 30,2 30,1 30,1 30,3 30,1 30,0 30,0 29,7 30,1 30,1 30,0 30,0 30,1 30,1 30,0 30,0 29,8
20,1 20,0 20,5 20,5 19,5 20,3 20,3 20,3 19,4 18,6 18,9 19,9 20,0 20,2 19,8 19,7 19,9 19,5 19,5 19,7 19,7 19,7 19,7 19,1 18,1 17,9 18,4 19,4 19,6 19,2 18,8 18,2 18,8 18,7 19,0 18,9 18,7 18,1 16,8 17,3
46,7 32,4 33,3 15,0 46,9 32,3 33,4 14,9 46,8 32,4 33,3 15,0 46,8 32,3 33,4 15,4 46,8 32,3 33,4 14,9 46,8 32,2 33,3 15,0 46,8 32,2 33,2 14,8 46,9 32,2 33,5 14,8 47,1 32,3 33,2 14,8 47,1 32,2 33,2 14,9 47,0 32,3 33,0 14,5 46,7 32,1 33,3 14,3 47,1 32,1 33,1 14,4 47,1 32,1 32,9 14,6 47,5 32,1 33,0 14,5 46,8 32,5 33,1 14,4 47,2 32,1 33,1 14,6 47,2 32,1 33,1 14,4 47,3 32,1 33,1 14,7 47,4 32,0 33,2 14,3 47,3 32,1 33,3 14,6 47,4 32,1 33,2 14,3 47,5 32,1 33,3 14,2 47,4 32,2 33,4 14,3 47,5 32,2 32,9 14,3 47,5 32,1 33,2 14,0 47,9 31,5 32,9 13,7 47,6 32,0 33,3 13,6 47,6 32,0 32,9 14,5 47,4 31,9 33,0 13,8 47,5 32,1 33,0 14,2 47,3 32,0 32,9 13,9 47,7 32,0 33,0 13,9 47,7 32,0 32,9 14,2 47,7 32,1 32,9 14,0 47,7 32,0 32,9 14,1 47,7 32,1 33,3 13,8 47,7 32,0 33,0 13,6 47,6 31,9 32,9 13,7 47,6 31,9 33,1 13,1 Tabla 10: Datos crudos de la temperatura.
25,1 25,3 25,2 25,1 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,1 25,3 25,2 25,1 25,2 25,2 24,2 25,2 25,2 25,3 25,2 25,1 25,2 25,2 25,1 25,2 25,2 25,1 25,8 25,1 25,2 25,2 25,2 25,2 25,1 25,2 25,2
21,0 21,1 21,0 20,9 20,9 20,9 21,0 20,8 20,5 20,5 20,3 20,2 20,4 20,2 19,9 20,3 20,3 20,3 20,2 21,1 20,2 20,2 20,2 20,0 19,8 19,5 19,5 19,5 19,6 19,7 19,5 18,6 19,5 19,5 19,4 19,7 19,3 19,2 18,9 19,0
