Analisi Termodinamico de Una Nevera

2012 ANALISIS TERMODINAMICO DE UNA NEVERA (REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR)

Fabianett Salas Ibarra T00021640 Ingenieria Mecánica Universidad Tecnologica de Bolívar 28/05/2012

ANALISIS TERMODINAMICO DE UNA NEVERA 2012 (REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR) Fabianett Salas Ibarra T00021640. Ingenieria Mecánica. Universidad Tecnologica de Bolívar.

ABSTRACT The objective of this paper is to introduce the topic of refrigeration. In order to understand how refrigeration systems work, it is helpful to know how a refrigeration system operates, the different applications that exist, the components that make up a system, and how to calculate system parameters. These are fundamental underlying principles of refrigeration systems. Refrigeration is defined as “the transfer of heat from a lower temperature region to a higher temperature one.” Refrigeration devices that produce refrigeration operate using the vapor-compression cycle (reversed Carnot cycle). Some examples of refrigeration devices are heat pumps, refrigerators, automotive airconditioners, and residential/commercial air-conditioners. All of these devices have one thing in common, to reduce the temperature of an enclosed environment.

RESUMEN El objetivo de este trabajo es presentar el tema de la refrigeración. Para entender cómo funcionan los sistemas de refrigeración, es útil saber cómo un sistema de refrigeración opera, las diferentes aplicaciones que existen, los componentes que forman un sistema, y cómo calcular los parámetros del sistema. Estos son principios fundamentales de los sistemas de refrigeración. La refrigeración se define como "la transferencia de calor desde una región de temperatura más baja a una una temperatura más alta. " Dispositivos de refrigeración que producen refrigeración operan utilizando el ciclo de compresión de vapor (ciclo de Carnot invertido). Algunos ejemplos de dispositivos de refrigeración son las bombas de calor, refrigeradores, aparatos de aire acondicionado automotriz, y residencial / comercial de aire acondicionado. Todos estos dispositivos tienen una cosa en común, reducir la temperatura de un ambiente cerrado. Palabras claves: Refrigerador, Refrigerante, Frio, Congelación.

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2. Ciclo ideal de Refrigeración por compresión de vapor.

1. Introducción El sistema de ciclo inverso es aquel que absorbe calor de un cuerpo frío (relativamente) para cederlo a otro más caliente, sin violar la segunda ley, pero por virtud de un trabajo de entrada. Además de su bien conocido empleo en la preservación de alimentos, en la producción de hielo y en los sistemas de aire acondicionado que nos alivian del calor durante el verano, el ciclo inverso frigorífico o de refrigeración tiene muchas otras aplicaciones industriales, como en la elaboración del "caucho frío" (para mejorar su resistencia al desgaste), en los procesos de refinación del petróleo, en el tratamiento térmico del acero, en la fabricación de productos químicos y en la licuefacción de gases que se utilizan cada vez más para fines industriales y energéticos. Existen tantas aplicaciones y tanto trabajo desarrollado a muy bajas temperaturas, que esa área de la ciencia ha recibido el nombre específico de criogenia.

1-2 Compresión isentropicas de un compresor. 2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.

3-4Estrangulamiento en dispositivo de expansión.

3

un

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4-1 Absorción de presión constante evaporador.

calor a en un

evaporador. El refrigerante se vuelve a evaporar y se finaliza así el ciclo.

El refrigerante circula en una instalación frigorífica de compresión en un ciclo cerrado con las siguientes cuatro estaciones: Evaporación 1 Compresión 2 Condensación 3 Expansión 4 La generación de frío se produce en el evaporador (1). La evaporación se produce con presiones y temperaturas bajas. El refrigerante absorbe calor del entorno, enfriándolo de este modo. El vapor refrigerante todavía frío es aspirado por un compresor (2) y mediante la utilización de energía mecánica se aumenta su presión. A través de la compresión, el vapor refrigerante se calienta. El vapor refrigerante caliente se enfría en un condensador (3) y se condensa bajo la emisión de calor en el entorno. Después, el refrigerante líquido bajo presión se expande de nuevo en un elemento de expansión (4) con la baja presión de evaporación y se conduce al

Con fluidos de trabajo que, como el agua o el refrigerante, pueden aparecer en diversas fases, el diagrama T-s presenta otro aspecto. En la parte izquierda aparece un área con el fluido de trabajo líquido y subenfriado. En el centro existe una mezcla de vapor y líquido, el vapor húmedo. A su derecha aparece el fluido de trabajo en forma de vapor y sobrecalentado.

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También el ciclo frigorífico con sus típicas transiciones de fase se puede representar en este diagrama T-s. El proceso es muy similar al conocido proceso motriz de vapor. La mayor diferencia es que el ciclo circula en el sentido contrario a las agujas del reloj. De este modo, los procesos de evaporación y condensación así como de estrangulación (expansión) y compresión (bombeo) cambian sus posiciones. La superficie cerrada corresponde al trabajo del compresor que se añade al ciclo.

cambios de estado del fluido de trabajo corresponde al trabajo realizado en el ciclo. El ciclo con el rendimiento más alta posible es el ciclo de Carnot. En este caso, la superficie cerrada es un rectángulo. Este ciclo se utiliza como proceso de referencia para describir la calidad de un ciclo. El sentido de rotación del ciclo en el diagrama T-s decide si se trata de un proceso de bomba de calor (ciclo frigorífico) o de un proceso de máquina motriz (ciclo de vapor). Los ciclos frigoríficos circulan en el sentido contrario a las agujas del reloj y el trabajo representado por la superficie verde se añade al ciclo.

El ciclo ideal Un ciclo se puede representar claramente en el diagrama T-s. La temperatura T del fluido de trabajo se traza sobre la entropía s. La superficie cerrada de los

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tóxicos son admisibles en instalaciones industriales o comerciales, donde es imprescindible que se tomen las precauciones necesarias. Los Carrenos, Freones (nombres comerciales) y el dióxido de carbono no acarrean consecuencias tóxicas, a menos que existan en tal cantidad que resulte una deficiencia de oxígeno, pero los demás de dicha tabla VI sí tienen este inconveniente, en mayor o menor grado. El cloruro de metilo no es sólo tóxico, sino que prácticamente también carece de olor; dichas sustancias de trabajo deben contener -un agente indicador (por ejemplo, acroleína, que es irritante para los ojos y la nariz).

3. Ciclo real de Refrigeración por compresión de vapor. Este ciclo es muy similar al ideal, pero con irreversibilidades debido a fricción del fluido y la transferencia de calor hacia y desde los alrededores.

4. 2. Los refrigerantes serán económicos, tanto en su costo inicial como en su mantenimiento. Entre los problemas que se requieren para mantenerIos se incluyen: control de fugas (hay menos problemas en el caso de escapes de sustancias con moléculas grandes que con el de pequeñas); lubricación adecuada (el refrigerante no debe reaccionar con el aceite lubricante destruyendo sus cualidades de lubricación); corrosión (el

4. Refrigerantes 4.1. Los refrigerantes son preferentemente no tóxicos, de manera que en caso de alguna fuga nadie está en peligro de resultar lesionado. Este atributo es de primordial importancia, por ejemplo, en los sistemas de aire acondicionado y en los refrigeradores domésticos, pero los refrigerantes

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refrigerante no debe corroer los materiales con los cuales esté en contacto). Además el refrigerante debe estar fácilmente disponible para reaprovisionar el sistema cuando sea necesario.

volumen de desplazamiento ideal VD es también pequeño, resulta factible utilizar compresores de movimiento alternativo; cuando VD es grande (Carreno 1, Freón 11 y Freón 113), los compresores centrífugos, que pueden marchar a gran velocidad, se vuelven necesarios.

4.3. Los refrigerantes deben ser no inflamables. Diversos hidrocarburos han sido y siguen empleándose como refrigerantes, como son el butano y el propano. Estos y algunos más (amoniaco, cloruro de metilo, etc.) constituyen un riesgo de incendios y explosiones. Los demás refrigerantes de la tabla son no inflamables.

4.5. Los refrigerantes deben tener bajas presiones de saturación a las temperaturas normales de Funcionamiento. El costo de diseño, fabricación y funcionamiento interviene también. La alta presión para el caz, que además origina un bajo cap, significa las partes pesadas y tubos de pared gruesa. Además es preferible que la presión de saturación a la temperatura del evaporador sea mayor que la presión atmosférica a fin de evitar entradas (o infiltración) de aire en el sistema. Con los modernos y mejores selladores y empaquetaduras para ejes, esto no constituye un serio problema, como sucedía antes.

4.4. Los refrigerantes probablemente poseen entalpia (o calor latente) mayor a la temperatura del evaporador (ver figura 3/2), así como bajo volumen específico. El tipo y tamaño del compresor es función de estas características físicas. Si la entalpia es elevada, se obtiene mayor efecto frigorífico por unidad de masa de refrigerante en circulación; si, además, el volumen específico resulta bajo, el volumen de sustancia que debe hacerse circular -y, por lo tanto, el tamaño del compresor y de los conductoses pequeño. Observemos que cuando el

4.6. Aunque los anteriores atributos son quizá los más significativos, existen algunos otros que son deseables: buena conductividad térmica (para una

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rápida transferencia del calor), capacidad de mojadura, no reactividad o inercia química (el refrigerante no debe reaccionar de ninguna manera con los materiales que toca), estabilidad (el refrigerante no debe descomponerse en materia con moléculas más pequeñas), viscosidad baja (para facilitar su escurrimiento o flujo), elevada temperatura crítica y un alto poder dieléctrico (en las unidades herméticamente selladas, donde el refrigerante se pone en contacto con los motores). Además el refrigerante no debe solidificarse a ninguna temperatura en el ciclo.

compresor que es un aparato cilíndrico que se ubica normalmente en la parte inferior de refrigerador y la válvula de expansión que es un tubo capilar.

5. Descripción del ciclo Este ciclo aprovecha la entalpia de transformación de las sustancias al cambiar de fase líquida a fase de vapor. En la figura podemos ver las partes que componen un refrigerador sencillo: el evaporador, lo que corresponde al congelador o hielera en un refrigerador doméstico; el condensador-enfriador, que es un serpentín con tubos con aletas ubicado en la parte posterior; el

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6. Análisis Termodinámico de la Nevera

6.1.

Para encontrar la cantidad de calor que se extraerá en los productos guardados en el congelador se usaran las siguientes ecuaciones junto con la anterior.

Información acerca de la nevera. Datos encontrados Refrigerante=134ª Eficiencia del compresor=87%

Pero este Cp será diferente al de la ecuación uno porque este para cuando el producto esta congelado y el anterior para antes de congelar.

Capacidad neta total=150Lt

6.2.

Datos Tomados de tablas.

P (Psia) 40 160 160 130 -

1 2s 2 3 4

6.3.

h(BTU/Lb) 107,26 166,04 166,06 43,584 43,584

La siguiente ecuación podrá ser usada para el análisis del condensador y evaporador.

t (F) 22 300 310 50 -

Formulas que se usaran

De la siguiente ecuación despejamos el valor del trabajo real.

Para encontrar el calor que debe ser extraído de los productos que se guardaran en el conservador.

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6.4.

Calores extraídos del conservador y congelador respectivamente

Alimento

Cp (BTU/Lb*F)

m (Lb)

t(dias)

Tconservacion(F)

Tambiente (F)

Q (BTU/24 horas)

Naranja

0,91

15,428

15

50

75

23,3991333

Durazno

0,91

6,612

15

50

75

10,0282

Toronja

0,91

6,612

7

50

75

21,489

Lechuga

0,9

4,408

15

55

77

5,81856

Piña

0,9

6,612

15

55

77

8,72784

Platano

0,9

11,02

15

60

80

13,224

Mantequilla

0,6

2,204

30

68

110

1,85136

Leche

0,9

6,612

15

45

90

17,8524

Manzana

0,89

8,816

15

55

77

11,507819

Melon

0,91

8,816

7

55

77

25,21376

Zanahoria

0,93

11,02

15

60

80

13,6648

Tomate

0,92

11,02

15

55

77

14,869653

Pera

0,91

5,51

7

50

75

17,9075

Huevo

0,85

4,408

15

60

100

9,99146667

Aguacate

0,91

2,204

7

55

77

6,30344

Queso

0,64

2,204

15

65

104

3,667456

Qtotal

205,516388

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Ali men to

Ta mb. (F)

Tco ng (F)

Tsub cong (F)

m (L b)

n (di as)

0,38

h (BT U/L b) 86,5

43

31,3

-3

5

0,68

0,38

86,5

43

31,3

-3

Hig ado

0,75

0,42

103

40

30

-2

Poll o

0,19

0,37

106

42

27

-3

Res

0,75

0,4

98

50

31,3

-5

Cer do

0,68

0,38

86,5

43

27

-2

1, 10 2 8, 81 6 8, 81 6 13 ,2 24 15 ,4 28 6, 61 2

Sac hich as Jam on

Cp1 (BT U/Lb *F) 0,68

Cp2 (BTU/ Lb*F)

6.5.

Análisis de cada dispositivo

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Q1 (BTU/2 4 horas) 1,75350 24

Q2 (BTU/2 4 horas) 19,0646

Q3 (BTU/2 4 horas) 2,87269 36

Qtotal (BTU/24 horas)

15

4,67600 64

50,8389 33

7,66051 63

63,17545 6

15

4,408

60,5365 3333

7,89913 6

72,84366 933

15

2,51256

93,4496

9,78576

105,7479 2

15

14,4251 8

100,796 27

14,9343 04

130,1557 5

15

4,79590 4

38,1292

4,85761 6

47,78272

Q =

443,3963 12

total

23,69079 6

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Evaporador

De la ecuación 6

Usando la ecuación 4 mencionada anteriormente, despejamos el flujo másico del refrigerante que circula en el ciclo. COP Real

Capacidad de refrigeración

Ideal

Condensador Con ecuación 4 encontramos el calor cedido al ambiente por el condensador.

Compresor

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Conclusiones

Referencias bibliográficas

Se comprobó que el COP ideal es mayor al real, para la realización de este proyecto de investigación tomamos información de las especificaciones de la nevera, información de técnicos especializados en esta area y se determino hacer este sencillo análisis sin tener en cuenta la ganancia de carga por paredes, por cambio de aire y por cargas varias; para este análisis solo tuvimos en cuenta la carga de los productos que se refrigeran en la nevera. Y luego de realizar esta experiencia se puede que concluir que es necesario el estudio de termodinámica para realizar este tipo de análisis y nos queda como tarea ahondar más en estos conocimientos para que la próxima vez se realice un análisis más completo y exacto.

ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/008/ y5771s/y5771s00.pdf http://www.inn.gob.ve/modules. php?name=News&file=article& sid=1163

Principios de Roy j. Dossat.

Refrigeracion.

http://centros5.pntic.mec.es/ies .victoria.kent/RinconC/Curiosid2/rc-93/rc-93.htm

Termodinamica. Yunus Cengel. 6 Edicion

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A.