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Índice
I.- Resumen del d el informe…………………………………….………..……….…pág. informe…………………………………….………..……….…pág. 3 II.- Objetivos……………………………………………… Objetivos………………………………………………………………….…pág. ………………….…pág. 3 III.- Equipos e instrumentos utilizados…………………………………….……pág. utilizados…………………………………….……pág. 4-6 IV.- Descripción del método seguido………………………………………..….pág.7-8 seguido………………………………………..….pág.7-8 V.- Presentación de los resultados…………………………………………...….pág. resultados…………………………………………...….pág. 8-9 VI.- Conclusión y análisis de los resultados……………………………...……..pág. resultados……………………………...……..pág. 10 VII.- Apéndice…………………………… Ap éndice……………………………………………………… ……………………………..………pág. …..………pág. 11 a) Teoría del experimento………………………… experimento………………………………………………..… ……………………..… .pág. 11-16 b) Desarrollo de los cálculos………………………………………………….pág. cálculos………………………………………………….pág. 16-25 c) Bibliografía………………… Bibliografía…………………………………………… …………………………………..………….pág. ………..………….pág. 25
I. Resumen del informe Este informe contiene objetivos tanto generales como específicos que se pretenden logra del desarrollo de una experiencia de laboratorio llamada “sistema de refrigeración”. Para ello ello se identi identific fican an los equipo equiposs e instru instrumen mentos tos que se utiliz utilizara aran, n, se descri describe be el método método
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seguido para llevar a cabo la experiencia, se presentan los resultados y finalmente se concluye con respecto a los resultados obtenidos. Al final del informe encontraremos un apéndice con la base teórica para realizar los cálculos y también el desarrollo de estos.
II. Objetivos 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
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 standar y real de funcionamiento. Evaluará la eficiencia de refrigeración a través de la determinación del coeficiente de perfomance real y coeficiente de perfomance 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
III. Equipos e Instrumentos utilizados Sistema de refrigeración
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Su finalidad es absorber calor, para ello disminuye la temperatura y la presión en interior de la cámara.
A. Evaporador:
Su finalidad es aumentar la presión y temperatura del refrigerante que circula por el sistema. – Marca: electrolux – Voltaje: 230 V – Diámetro del cilindro: 30 mm – Largo de carrera: 25 mm – rpm: 2800 – Numero de pistones: 1
B. Compresor:
disipa calor al medio condensante, para nuestro experimento el medio condensante es el aire
A. Condensador:
B. Dispositivo de expansión:
Consiste en una cañería de menor diámetro.
C.
D. Vacuómetro:
Registra la presión del evaporador, su unidad de lectura son los psi
E. Manómetro:
Registra la presión del condensador, su unidad de lectura son los psi
Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Pág.5 F. Filtro Refrigerante
– DicloroDifluor Metano ( C Cl2 F2) o R12
– T° de ebullición: -29,8°C •
Transductor Fluke
Marca: Fluke Modelo: Fluke-52II (con dos entradas digitales) Rango de mediciones: -200 a 760°C Sensibilidad : 0,1°C (en la escala utilizada en la experiencia) – Error instrumental: ±0,05°C – – – –
•
Termocupla de inmersión:
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– Tipo: K – Aleaciones básicas: cromo-aluminio, – Rango: -200 a 1260 °C Barómetro de mercurio
– – – –
•
Marca: Schiltkenc Rango de operación: 595 a 895 mmHg Resolución: 0,1 mmHg, Error: 0,06 mmHg
Termómetro:
(Termómetro de expansión de mercurio)
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– Marca: Schiltkenc,
– Rango: - 30° a 40°C – Resolución: 1°C – Error instrumental: 0,5°C –
IV. Método seguido En la experiencia realizada el día martes 12 de diciembre del presente año a las 15:30 hrs en las instalaciones del departamento de ingeniería en climatización. Se comenzó con una introducción por parte del profesor Iván Jerez en la cual nos explico el sistema de refrigeración por compresión de vapor, sus componentes principales y el ciclo que realiza el refrigerante por los distintos componentes del sistema, identificando sus distintos estados y cambios de variables termodinámicas (presión y temperatura). También nos graficó el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor (diagrama p-h) y nos solicitó determinar los trabajos generados en el compresor, condensador y evaporador. Además el profesor nos enseño una manera bastante fácil de poder mejorar la calidad de la refrigeración y disminuir la potencia consumida por un refrigerador doméstico. Para ésto nos explicó que basta con limpiar el condensador, ya que así el compresor debe generar menos potencia para poder disipar calor al medio condensante, ya que, la acumulación de polvo en el condensador impide la disipación de éste calor. Luego de la introducción realizada por el profesor nos dirigimos con él a la sala en donde estaba el sistema de refrigeración. Este sistema de refrigeración consistía en un banco didáctico constituido por un evaporador (freezer) conectado por medio de una cañería al compresor de un solo cilindro, y éste al condensador en forma de serpentín. Finalmente para completar el ciclo el condensador se une por medio de una cañería a una válvula de expansión, la cual no es más que una cañería de menor diámetro, y de esta válvula al evaporador para cerrar así el ciclo. Una vez reconocido el sistema de refrigeración el profesor trajo dos termómetros fluke 52 II con dos entradas digitales cada uno, conectando así un total de cuatro termocuplas de inmersión, y se ubicaron de la siguiente forma:
La primera termocupla se ubico dentro de la cámara desde donde se quiere absorber calor de un foco determinado, para este caso una ampolleta encendida.
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La segunda termocupla de inmersión indentificada como t1 se ubico a la salida del evaporador, específicamente en un dispositivo diseñado para poder insertar la termocupla y medir la temperatura del refrigerante. Este dispositivo se encuentra ubicado entre la cañería que une al evaporador con el compresor. La tercera termocupla de inmersión identificada como t2 se ubico a la salida del compresor, específicamente en un dispositivo diseñado para poder insertar la termocupla y medir la temperatura del refrigerante. Este dispositivo se encuentra ubicado entre la cañería que une al compresor con el condensador. La cuarta termocupla de inmersión identificada como t3 se ubico a la salida del condensador, específicamente en un dispositivo diseñado para poder insertar la termocupla y medir la temperatura del refrigerante. Este dispositivo se encuentra ubicado entre la cañería que une al condensador con la válvula de expansión. Luego de ubicar las termocuplas y esperar que el sistema se estabilizara, se registraron las presiones del manómetro (presión equivalente al condensador), vacuometro (presión equivalente a la del evaporador) y la temperatura de cada una de las temocuplas. Con estos datos el profesor nos explicó a través del grafico (p-h) como obtener el ciclo ideal y real de un sistema de refrigeración. También nos solicito determinar los trabajos del ciclo real. Con ésto la experiencia ya se daba por concluida y solo nos restaba medir la presión atmosférica para terminar así el laboratorio.
V. Presentación de los resultados
Equipo
Ciclo ideal
Ciclo real
W [kJ/hrs]
W [kW]
W [kJ/hrs]
W [kW]
Compresor
1151,17
0,320
665,90
0,185
Evaporador
2787,04
0,775
2857,82
0,795
Condensador
3938,21
1,095
3579,21
0,995
W: Trabajo
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Gráfico ciclo real e ideal de refrigeración por compresión de vapor
Observación: ciclo ideal en rojo, ciclo real en azul
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VI. Conclusión En un primer análisis de los resultados obtenidos de los trabajos (WCP, WCD, WEV) para el ciclo de refrigeración real e ideal, podemos darnos cuenta que en el ciclo ideal, el trabajo realizado por el compresor es mayor que el realizado en el ciclo real por el mismo compresor. Esto se puede atribuir a que el compresor lleva bastante tiempo sin recibir una mantención, lo cual perjudica su funcionamiento y por ende no puede aumentar tanto la presión y temperatura del refrigerante. Por otra parte el trabajo realizado por el condensador es mayor para el ciclo real, esto se debe a que el condensador del laboratorio no es limpiado regularmente lo que genera polvo en éste, impidiendo que se disipe calor al medio condensante. Esto también queda en evidencia en el grafico, ya que el proceso de condensación en el ciclo real de refrigeración es menor que el del ciclo ideal. El trabajo realizado por el evaporador es mayor para el ciclo real, esto es bastante lógico si se considera que el quipo de evaporación es prístino y por lo tanto no absorbe suficiente calor, teniendo que generar así un mayor trabajo para lograr bajas temperaturas. Lo mismo se puede observar en el grafico de manera más clara, ya que la entalpía del punto 1 (ciclo ideal) es menor a la del punto 1´ (ciclo real) generando de esta manera una zona de evaporación mucho mayor para el ciclo real de refrigeración. Si bien, a lo largo de la experiencia realizada en el laboratorio se midieron las variables de tal forma de evitar errores al momento de las lecturas. Cabe destacar que una vez que se traspasaron dichos valores al grafico presión-entalpia entregado por el profesor, estos están asociados a errores, ya que, a pesar de haber escaneado el grafico y haber hecho relaciones entre distintos valores de presión en las ordenadas del grafico, las líneas de presiones isobáricas del condensador y evaporador no están trazadas perfectamente. Lo mismo sucede para el trazado del ciclo real, ya que las temperaturas se debieron ubicar de la forma más exacta posible en la campana. Conocer un sistema de refrigeración, sus principales componentes y ciclos es fundamental para la formación de un Ingeniero, ya que con estos conocimientos se puede evaluar el funcionamiento de cada componente, determinar trabajo, flujo másico, entalpía e inclusive mejorar el funcionamiento de un sistema de refrigeración doméstico (refrigerador).
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VII. Apéndice a) Teoría del experimento Desde que 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 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:
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El ciclo de Carnot puede representarse como:
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Donde los procesos son: 1-2 2-3 3-4 4-1
Compresión isoentrópica (s=constante). Condensación a Tc constante (rechazo de calor). Expansión isoentrópica (s= constante). Evaporación a Te constante.
Por definir el coeficiente de performance como la relación en la refrigeración útil (Qe) y el trabajo neto de la forma E=Qc/Wc La representación de los estados termodinámicos en los cuales se encuentra el ciclo de refrigeración, puede realizarse tanto para un ciclo ideal( Carnot ), estándar y real en los diagramas temperatura en función de la entropía y presión en función de la entalpía. 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 visualizarse que:
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Y que un balance de energía global requiere que 1W2=2Q3-1Q4 ó 1W2=Qc-Qe (=área 1234) donde los procesos reversibles pueden ser calculados como: 2
Q3=Tc(s2-s3)= área 2345 = Qc
1
Q4=Te(s1-s4)= área 1456 = Qe
Se obtiene el coeficiente de performance de Carnot xc considerando que s1=s2 y s3=s4; ξc =Te(s2-s3)/Tc(s2-s3)-Te(s2-s3) luego: ξc =Te/Tc-Te donde T es la temperatura absoluta (ºK)
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Debe observarse que para optimizar el coeficiente de performance se debe: a) Tener una temperatura Te tan alta cuanto sea posible. b) Tener una temperatura Tc tan baja cuanto sea posible.
Sin embargo en la práctica se tiene que los límites de temperatura vienen siempre impuestos por el sistema de refrigeración, específicamente por la temperatura del medio condensante y la temperatura del medio a mantener. Finalmente puede establecerse que la eficiencia de refrigeración,ηr es: η=ξ/ξc El diagrama presión versus entalpía es el medio más corriente de representar las propiedades de un refrigerante y superponer de esta forma el estado termodinámico del ciclo de refrigeración. Esquemáticamente se tiene que:
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Ciclo real de refrigeración. En la práctica deben realizarse ciertos cambios, en forma inevitable o intencionada respecto al ciclo estándar, entre los cuales se encuentran: a) b) c) d)
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.
Exceptuando la causa d) el ciclo real queda como:
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b) Desarrollo de los cálculos Datos de trabajo
Presión atmosférica
Presión Evaporador
Presión Condensador
T1
T2
T3
T4
[°C]
[°C]
[°C]
[°C]
718,5 mmHg
12 psi
180 psi
5,1
64,5
53,2
-1,3
Convertimos las distintas unidades de presión a bar:
Presión atmosférica= 0,958 bar Presión evaporador= 0,827 bar Presión condensador= 12,411 bar Obtenemos las presiones absolutas del evaporador y condensador:
Pabs(ev)= Patm+Pev= 0,958+0,827= 1,785 bar Pabs(cd)= Patm+Pcd= 0,958+12,411= 13,369 bar Una vez obtenidas estas presiones las ubicamos en las ordenadas del gráfico p-h y trazamos una horizontal con cada una de ellas, de tal forma de atravesar la campana.
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Luego el punto 1 corresponde a la intersección de la linea de presión del evaporador con la parte de la derecha de la campana, y desde ese punto se trazara una linea paralela a la lineas de entropia intersectando así a la linea de presión del condensador (punto 2). El punto 3 corresponde a la intersección de la linea de presion del condensador con la parte izquierda de la campana, desde ese punto se traza una linea vertical hasta la linea de presión del evaporador generando así el punto 4.
Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor:
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Los valores obtenidos del gráfico son: Entalpia (h) [kJ/kg]
Punto 1 (h1)
Punto 2 (h2)
Punto 3 (h3)
Punto 4 (h4)
1143 1181 1051 1051
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Volumen especifico (v) [ m3/kg]
Punto 1
0,098
(v1)
Se sabe que: v=∀m
Despejando el flujo másico se obtiene: m=∀v1
Además el flujo volumétrico queda determinado por la ecuación del compresor mono cilíndrico: ∀=π4 D2 L N Z 60
Donde: D2 Diametro del cilindro=30 mm L largo carrera=25mm N revoluciones por minuto=2800 Z (número de cilindros ) = 1
Por lo tanto ahora podemos calcular los trabajos realizados por el compresor, evaporador y condensador. Para esto remplazamos los valores obtenidos del grafico h-p (ciclo ideal) en las siguientes formulas: wcp=m(h2-h1)
Trabajo compresor
wev=m(h1-h4)
Trabajo evaporador
Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Pág.21 wcd=m(h2-h3)
Trabajo condensador
Trabajo compresor
wcp=π4 D2 L N Z 60v1(h2-h1)
wcp=π4 x 0,03 m2x 0,025 m x 2800 rpmx 1x 600,098 m3kg(1181[kJKG]-1143 [kJKG])
wcp=1151,17 [kJhrs]
Sabiendo que 1 [kW]= 3595,7 [kJ/hrs] wcp=0,320 [KW]
Trabajo evaporador
wev=π4 D2 L N Z 60v1(h1-h4)
wev=π4 x 0,03 m2x 0,025 m x 2800 rpmx 1x 600,098 m3kg(1143[kJKG]-1051 [kJKG])
wev=2787,04 [kJhrs]
Sabiendo que 1 [kW]= 3595,7 [kJ/hrs] wev=0,775 [KW]
Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Pág.22 Trabajo condensador
wcd=π4 D2 L N Z 60v1(h2-h3)
wcd=π4 x 0,03 m2x 0,025 m x 2800 rpmx 1x 600,098 m3kg(1181[kJKG]-1051 [kJKG]) wcd=3938,21 [kJhrs]
Sabiendo que 1 [kW]= 3595,7 [kJ/hrs] wcd=1,095 [KW]
Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor: Datos de trabajo
T1´
T2´
T3´
T4´
[°C]
[°C]
[°C]
[°C]
5,1
64,5
53,2
-1,3
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Las temperaturas T1´, T2´ y T3´ se ubican en la campana. Con estos puntos ubicados se realiza la intersección de la isoterma con la isobárica, para cada punto de temperatura. De esta manera se obtiene el ciclo real de refrigeración por compresión de vapor. Los valores obtenidos del gráfico son: Entalpia (h) [kJ/kg]
Punto 1´ (h1 ´)
Punto 2´ (h2 ´)
Punto 3´ (h3 ´)
Punto 4´ (h4
1156 1180 1053 1053
Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Pág.24 ´)
Volumen especifico (v) [ m3/kg]
Punto 1´ (v1
0,107
´)
Se sabe que: v=∀m
Despejando el flujo másico se obtiene: m=∀v
Además el flujo volumétrico queda determinado por la ecuación del compresor mono cilíndrico: ∀=π4 D2 L N Z 60
Donde: D2 Diametro del cilindro=30 mm L largo carrera=25mm N revoluciones por minuto=2800 Z (número de cilindros ) = 1
Por lo tanto ahora podemos calcular los trabajos realizados por el compresor, evaporador y condensador. Para esto remplazamos los valores obtenidos del grafico h-p (ciclo real) en las siguientes formulas: wcp=m´(h2´-h1´)
Trabajo compresor
wev=m´(h1´-h4´)
Trabajo evaporador
Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Pág.25 wcd=m´(h2´-h3´)
Trabajo condensador
Trabajo compresor
wcp=π4 D2 L N Z 60v1´(h2´-h1´)
wcp=π4 x 0,03 m2x 0,025 m x 2800 rpmx 1x 600,107 m3kg(1180[kJKG]-1156 [kJKG])
wcp=665,90 [kJhrs]
Sabiendo que 1 [kW]= 3595,7 [kJ/hrs] wcp=0,185[kW]
Trabajo evaporador
wev=π4 D2 L N Z 60v1´(h1´-h4´)
wev=π4 x 0,03 m2x 0,025 m x 2800 rpmx 1x 600,107 m3kg(1156[kJKG]-1053 [kJKG])
wev=2857,82 [kJhrs]
Sabiendo que 1 [kW]= 3595,7 [kJ/hrs]
wev=0,795[kW] Trabajo condensador
Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Pág.26 wcd=π4 D2 L N Z 60v1´(h2´-h3´)
wcd=π4 x 0,03 m2x 0,025 m x 2800 rpmx 1x 600,107 m3kg(1180[kJKG]-1051 [kJKG]) wcd=3579,21 [kJhrs]
Sabiendo que 1 [kW]= 3595,7 [kJ/hrs] wcd=0,995[kW]
b) Bibliografía Textos - Guía de laboratorio E95 “Sistema de refrigeración” Universidad de Santiago de Chile - Libro “Termodinámica”, Cençel, Yunus, 6ta ed. - Apuntes de cátedra y laboratorio de la asignatura Sitios web - www.fluke.com - http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_atmosf%C3%A9rica