UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica SANTIAGO
TITULO DE LA EXPERIENCIA “Refrigeración” EXPERIENCIA N°
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_Grupo N°
NOMBRE ASIGNATURA NOMBRE ASIGNATURA CARRERA_
Fecha de la Experiencia
Termodinámica
Ingeniería Ejecución en Climatización
NOMBRE DEL DEL AL ALUMNO_
Fecha de Entrega 13/12/1014
Saavedra Apellido Paterno
Ferreira Apellido Materno
CODIGO Modalidad (Diur na na o Vesper tina tina)
Diurno
Fabiana Naryara N ombr e
Firma del alumno Fecha de Recepción
ogación Nota de Interr ogación
Nombre del Profeso r
Nota de Participación Nota de Informe Firma del Profesor
Nota Final
SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X Presentación Características Técnicas Descripción del Método seguido
OBSERVACIONES
Cálculos, resultados, gr áficos áficos Discusión, conclusiones Apéndice
Ingeniería de Ejecución en Climatización Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de Santiago de Chile Santiago – Chile
[email protected]
Santiago, 13 de Diciembre de 2014
Distinguido Señor: Rodrigo Pizarro
Referente al Laboratorio E95 – Refrigeración El laboratorio cuenta con un montaje de un sistema de Refrigeración por compresión de vapor. Una vez identificada sus partes y comportamiento termodinámico, se miden temperaturas y presiones a la entrada del compresor y salida del condensador. Una vez realizadas las mediciones y con la ayuda de el diagrama Presión-Entalpía para el refrigerante R-12 se comparan los valores para un ciclo real de refrigeración y un ciclo ideal de refrigeración. Para realizar los cálculos necesarios se utiliza el software EES donde al ingresar los datos obtenidos experimentalmente, entrega los datos necesarios para hacer el estudio de ambos ciclos. Se calculó el coeficiente de desempeño, trabajo generado y calor que absorbe el evaporador, llegando a comprobar que un ciclo ideal es más eficiente que un ciclo real ya que hay menores pérdidas.
Sin más, respetuosamente,
Fabiana Saavedra Ferreira Ing. de Ejecución en Climatización ( estud.)
LISTA DE FIGURAS Figura 1: Ciclo de refrigeración………….. ..................................................................................6 Figura 2: Montaje del aparato experimental. ................................................................................7 Figura 3: Refrigerantes. .................................................................................................................8 Figura 4: Compresor......................................................................................................................9 Figura 5: Condensador………………………………………......................................................9 Figura A.1: Termómetro digital de contacto…............................................................................13 Figura A.2: Circuito de refrigeración………................................................................................14 Figura A.3: Manómetro................................................................................................................14 Figura 6: Programación software EES………………………….................................................16 Figura 7: Resultados obtenidos mediante software EES……………………………………….17
LISTA DE TABLAS Tabla 1: Datos compresor y flujo másico…………………..........................................................10 Tabla 2: Datos experimentales para entrada del compresor…………………...............................11 Tabla 3: Datos experimentales para salida del condensador…………………………………….11 Tabla 4: Resultados ciclo de refrigeración ideal………………………………………………. ....11 Tabla 5: Resultados ciclo de refrigeración real..............................................................................12
ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN......................................................................................................................6 1.1CICLO DE REFRIGERACIÓN..............................................................................................6 1.2 REFRIGERANTE…...............................................................................................................7 1.3 OBJETIVOS...........................................................................................................................7
2. EXPERIMENTOS .....................................................................................................................8 2.1 APARATO EXPERIMENTAL .............................................................................................8
2.1.1 Adquisición de datos....................................................................................................9 2.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL..............................................................................10
3. RESULTADOS .........................................................................................................................10 3.1 CÁLCULOS REALIZADOS………...................................................................................11 3.2 RESULTADOS OBTENIDOS………….……... ...............................................................12 3.2.1 CICLO IDEAL DE RFRIGERACION.......................................................................11 3.1 CICLO REAL DE RFRIGERACION............................................................................11
4. CONCLUSIONES ....................................................................................................................13 APÉNDICE A ................................................................................................................................13 APÉNDICE B.................................................................................................................................14 B.1 CALCULOS REALIZADOS...............................................................................................15 B.2 UTILIZACIÓN DE SOFTWARE.......................................................................................16
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REFRIGERACIÓN En este informe se expone la experiencia de sistema de refrigeración, en el cual se estudia un sistema de refrigeración por compresión de vapor, se identifican y describen cada uno de los componentes de un sistema de refrigeración doméstico. A su vez se identifica la diferencia entre un ciclo ideal (estándar) y un ciclo real, se representa cada uno de estos ciclos en un diagrama presión versus entalpía.
1. INTRODUCCIÓN La refrigeración se emplea para extraer calor de un recinto, disipándolo en el ambiente. Se dice que hay refrigeración cuando la temperatura deseada es menor de la del ambiente. La transferencia de calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura, requiere de dispositivos especiales llamados refrigeradores. Estos son dispositivos cíclicos cuyo fluido de trabajo se denomina refrigerante. Es de gran importancia en la industria alimentaria, para la licuación de gases y para la condensación de vapores. 1.1 CICLO RE REFRIGERACIÓN El ciclo de refrigeración por compresión de vapor consume energía mecánica en un compresor que comprime al fluido de trabajo evaporado que viene del evaporador de modo que el calor que tomó el fluido refrigerante en el vapor pueda ser disipado a un nivel térmico superior en el condensador. Luego de ellos, el fluido pasa a un expansor que es una simple válvula (orificio capilar) de modo que el fluido condensado a alta presión que sale relativamente frío del condensador al expandirse se vaporice, con lo que se enfría considerablemente ya que para ello requiere una gran cantidad de calor (dado por su calor latente de vaporización) que toma del recinto que está refrigerando.
Figura 1: Ciclo de Refrigeración.
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1.2 REFRIGERANTE De manera general, un refrigerante es cualquier cuerpo o substancia que actúe como agente de enfriamiento, absorbiendo calor de otro cuerpo o substancia. Desde el punto de vista de la refrigeración mecánica por evaporación de un líquido y compresión de vapor, se puede definir al refrigerante como el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullición, a baja temperatura y presión, hasta donde lo rechaza al condensarse a alta temperatura y presión. Los refrigerantes son fluidos vitales en cualquier sistema de refrigeración mecánica. Cualquier substancia que cambie de líquido a vapor y viceversa, puede funcionar como refrigerante, y dependiendo del rango de presiones y temperaturas a que haga estos cambios, va a tener una aplicación útil comercial.
Figura 2: Refrigerantes
1.3 OBJETIVOS El objetivo general de la experiencia es capacitar al alumno para que reconozca, identifique y utilice los principios asociados a un ciclo de refrigeración por compresión de vapor, así como los aspectos prácticos de un sistema de refrigeración doméstico. Para concretizar los objetivos anteriormente definidos, las siguientes metas debieron ser cumplidas en el transcurso de la experiencia: 1. Ser capaz de identificar y correlacionar los diferentes componentes del sistema de refrigeración con los principios termodinámicos del ciclo 2. Representar en el diagrama T-s y p-h el ciclo de refrigeración ideal y real del funcionamiento. 3. Evaluar la eficiencia de refrigeración a través de la determinación del COP real y el COP de performance de Carnot. Asimismo por la aplicación de la primera y segunda ley de la termodinámica, poder obtener los flujos entrópicos del ciclo de refrigeración. 4. Por último, identificar los principales causales de error asociados al ciclo de refrigeración y formular alternativas para contrarrestarlos.
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2. EXPERIMENTOS El ciclo de absorción no es un descubrimiento reciente. Sus antecedentes pueden situarse en 1755, cuando el escocés William Cullen consiguió obtener una pequeña cantidad de hielo en una campana donde mantenía una presión reducida. Poco después en 1777, otro escocés, Gerard Nairne, introducía ácido sulfúrico en la campana de Cullen, de manera que el vapor fuera absorbido por este, dejando espacio para permitir una mayor evaporación del agua. Finalmente el francés Ferdinand Carré, es quién construye y comercializa la primera máquina de absorción, destinada principalmente a la fabricación de hielo, utilizando amoniaco como refrigerante y agua como absorbente. A seguir, se describe en detalle el aparato experimental utilizado en la presente experiencia de laboratorio. 2.1 APARATO EXPERIMENTAL Un ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el ciclo donde el refrigerante se evapora y se condensa alternadamente para luego comprimirse en la fase de vapor. El experimento consiste en forzar mecánicamente la circulación de un fluido en un circuito cerrado creando zonas de alta y baja presión con el propósito de que el fluido absorba calor en un lugar y lo disipe en el otro. Se logra evaporando un gas refrigerante en estado líquido a través de un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador de calor, denominado evaporador. Los elementos principales del experimento son el Evaporador, el Compresor, el Condensador y la Válvula d expansión.
Figura 3: Montaje Experimental.
La Figura 1 muestra el montaje experimental utilizado durante la experiencia con los principales elementos del sistema y los instrumentos utilizados presentados posteriormente en el Apéndice A
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2.1.1 Adquisición de datos (instrumentos) Para la determinación de las condiciones de funcionamiento del ciclo re refrigeración, como la condición de alta temperatura y presión y la condición de baja temperatura y presión, se miden las temperaturas y presiones a la entrada del compresor y a la salida del condensador.
Fig4: Compresor
Compresor marca ELECTROLUX COMPRESSORS, modelo L55AU. En este componente es donde el refrigerante es succionado por el compresor con título 1 como vapor saturado seco a baja presión y temperatura, ya que es al interior del compresor donde la temperatura y presión aumentan. El refrigerante sale del compresor como vapor sobrecalentado y luego pasa al condensador. Es ahí donde se miden las condiciones de baja T° y presión.
Fig5: Condensador
En este componente es donde pasa el refrigerante después del compresor, el fluido entra como vapor sobrecalentado y sale como liquido saturado a alta presión y temperatura, acá es donde sale calor del sistema. Mayores detalles con relación a los diferentes equipos utilizados durante el presente trabajo son presentados en el Apéndice A.
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2.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Después de analizar cada uno de los componentes del sistema se procede a realizar los siguientes pasos: (a) Interpretar el diagrama de presión-entalpía, los estados del refrigerante y las condiciones termodinámicas del ciclo (b) Familiarizarse con los distintos instrumentos de medición que serán utilizados en el aparato experimental. (c) Medición de temperatura y presión a la entrada del compresor y a la salida del condensador. (d) Medición de presión atmosférica con un barómetro de Torricelli. (e) Registro de información del Compresor (diámetro pistón, RPM y largo de pistón) (f) Por último, desligar todos los instrumentos utilizados y desmontar los diferentes circuitos eléctricos del aparato experimental.
3. RESULTADOS 3.1CALCULOS REALIZADOS A partir de las especificaciones y datos del compresor es posible obtener el flujo másico del sistema con el flujo volumétrico ideal y el específico a la entrada y salida del compresor
̇
Donde:
= largo del piston desde el punto juerto superior hasta el punto muerto inferior en metros. = área del piston en metros cuadrados. = Rotaciones o revoluciones que hace el pistón en RPM (revoluciones por minuto). = numero de pistones. = volumen específico del fluido de trabajo en la entrada y salida del compresor ⁄.
Tabla 1 Datos compresor y flujo másico RPM
Pistón [mm]
Largo L [mm]
n° de pistones
2900
30
20
1
Área
⁄
̇ [kg/s]
0,1246
0.329
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En la Tabla 2 se muestran los datos experimentales de las 3 mediciones realizadas para Temperaturas y presiones a la entrada del compresor y a la salida del condensador (ver Figura 2). Tabla 2: Datos experimentales para entrada del compresor.
Medición Medición
Temperatura (°C)
Baja Presión (PSI)
Presión Atmosférica (mmHg)
1 2 3
23.4 23.3 23.2 23.3
5 5 5 5
720.9 721 720.9 720.93
Promedio:
Tabla 3: Datos experimentales para salida del condensador Medición Temperatura (°C) Alta Presión (PSI) Presión Atmosférica (mmHg)
1 2 3 Promedio:
44.1 44.1 44.1 44.1
140 141 140 140.3
720.9 721 720.9 720.93
Presión Absoluta (Kpa) 130.6 130.6 130.6
Presión Absoluta (Bar) 1.306 1.306 1.306
Presión Absoluta (Kpa) 1061 1061 1061
Presión Absoluta (Bar) 10.61 10.61 10.61
*Importante mencionar que las mediciones realizadas a la entrada del compresor, corresponden a la condición de baja temperatura y baja presión en el diagrama P-h, y las mediciones realizadas a la salida del compresor, corresponden a la condición de alta temperatura y alta presión en el diagrama P-h 3.2RESULTADOS OBTENIDOS 3.2.1
CICLO IDEAL DE REFRIGERACIÓN
A partir de los datos experimentales, y utilizando el software EES se obtienen los valores de entalpía, entropía, temperatura, densidad y flujo másico. Tanto para el ciclo real como para el ciclo ideal de refrigeración Para un ciclo ideal de refrigeración Presión de Condensación: 1061 kPa. Presión de Evaporación: 130.6 kPa. Tabla 4. Resultados ciclo de refrigeración ideal Punto 1 del ciclo 177,1 Entalpía (h) (kJ/kg)
Punto 2 del ciclo 214.3
Punto 3 del ciclo 78.8
Punto 4 del ciclo 78.8
Entropía (s) (kJ/kgK)
0.7115
0.7115
0.2849
0.3176
Temperatura (°C)
-23.63
56.49
44.14
-23.63
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El punto 1 del ciclo corresponde a la salida del evaporador, l punto 2 a la salida del compresor, punto 3 a la salida del condensador y el punto 4 a la salida de la válvula de estrangulamiento.
] [ ] [ ] [ ̇ = 0.329[Kg/s] ̇ ()
Calor retirado por el evaporador en un ciclo ideal
Coeficiente de desempeño para un ciclo ideal
3.2.2 CICLO REAL DE REFRIGERACIÓN En el ciclo real de refrigeración tenemos: Temperatura de subenfriamiento medida a la entrada del compresor: 23.4°C Temperatura de sobrecalentamiento medida a la salida del condensador: 44.1°C Tabla5. Resultados ciclo de refrigeración real Punto 1’ del ciclo 191 Entalpía (h) (kJ/kg)
Entropía (s) (kJ/kgK)
0.7649
Punto 2’ del ciclo Punto 3’ del ciclo Punto 4’ del ciclo 232.6 36.61 36.61 -
-
] [ ⌉ ⌈ ] [ ̇
Calor retirado por el evaporador en un ciclo real con un flujo másico = 0.329 [Kg/s]
-
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4. CONCLUSIONES Luego de esquematizar los ciclos ideal y real en el diagrama p-h, se aprecia de diferencia entre ambas gráficas, por ejemplo la diferencia entre los puntos 1 y 1`, en el ciclo ideal el fluido debería entrar al compresor como vapor saturado seco, pero en el ciclo real lo hace como vapor sobrecalentado, también en el ciclo ideal el proceso de compresión es isoentrópica y en el real deja de serlo Debido a la diferencia presente entre los ciclos se presentan diferentes flujos másicos, dada la diferencia de volúmenes específicos, diferentes entalpias en los 4 puntos, esto se debe a que el ciclo ideal es, valga la redundancia idealizado, donde no existe perdidas de presión ni transferencia de calor en el sistema, convirtiéndose en un patrón de comportamiento y de estudio para un ciclo real. Ya que este último no es un proceso reversible (como el ideal), ya que existe perdida de energía producto del roce entre el refrigerante y las paredes de los ductos, como así también por las tareas de los componentes del sistema (compresión, condensación, expansión y evaporación), la disipación de calor desde los dispositivos hacia el medio, entre otros. De los resultados obtenidos podemos decir que el proceso 1-2 es un proceso isoentrópico, el proceso 2-3 es un proceso isobárico y de 3 al 4 tenemos un proceso isoentálpico. En el punto 1 tenemos una presión de evaporación con título 1 para un ciclo de refrigeración ideal
APÉNDICE A En esta sección son presentadas las características técnicas y físicas de los diferentes nstrumentos de medición utilizados en la experiencia de “Refrigeración”. A.1 TERMÓMETRO DIGITAL DE CONTACTO
Marca: Fluke. Modelo: 52-II Lectura: °C - °F – K Rango de operación: – 200°C a 1090°C Exactitud: ±1% + 10 unidades
Figura A.1: Termómetro digital marca Fluke.
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A.2 CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN
Figura A.2 circuito de refrigeración utilizado durante la experiencia
Manómetro marca YELLOW JACKET, rango de medición (0-35 kg/cm2), (0-500 PSI), resolución utilizada (0,2 kg/cm2), error instrumental (0,1 kg/cm2), utilizado para medir la presión del refrigerante. A.3 MANÓMETRO:
Figura A.3 Manómetro
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APÉNDICE B B.1 CALCULOS REALIZADOS Para el trabajo real e ideal de los diferentes componentes del sistema de refrigeración se realizaron los siguientes cálculos.
] [ ⌉ ⌈ ] [ ] [ ] [ ] [ El cálculo del calor retirado por el evaporador para un ciclo real e ideal son:
̇() ̇() Coeficiente de desempeño para un ciclo ideal
Coeficiente de desempeño para un ciclo real
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B.2 SOFTWARE UTILIZADO. Para realizar los cálculos y obtener resultados más precisos, se utilizó el software EES, utilizando unidades del sistema internacional, presión en kPa, temperatura en °C y energía en kJ. Se selecciona el refrigerante y los datos que se deben calcular
Figura 6 programación del software EES
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Obteniendo los siguientes resultados que posteriormente son utilizados en los cálculos
Figura 7 Resultados obtenidos mediante el software EES
