Informe3 Termodinamica

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS Facultad de Ingeniería Laboratorio de Termodinámica – PRQ 400L

INFORME Nº3: TERMODINAMICA DE LA CONVERSION DE ENERGIA: CICLO DE REFRIGERACION DOCENTE: Ing. Ph.D. René Álvarez ESTUDIANTE: CARRERA: Ingeniería Química C.I.:

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FECHA DE ENTREGA: 30/09/2022

Contenido 1.

OBJETIVOS..................................................................................................................................2

2.

RESUMEN DE FUNDAMENTO TEORICO......................................................................................3

3.

PARTE EXPERIMENTAL...............................................................................................................4

4.

CALCULOS, RESULTADOS, ANALISIS DE RESULTADOS................................................................9

5.

CONCLUSIONES........................................................................................................................24

6.

BIBLIOGRAFIA...........................................................................................................................24

Página 2

TERMODINAMICA DE LA CONVERSION DE ENERGIA: CICLO DE REFRIGERACION 1. OBJETIVOS Objetivo general:  Análisis teórico práctico de procesos cíclicos aplicando los balances de materia, energía y entropía. Objetivos específicos:  Determinación experimental del diagrama del ciclo en coordenadas T-S y P-H, estableciendo el estado del fluido de trabajo en cada etapa del proceso cíclico.  Aplicando los balances pertinentes, determinar los flujos de calor y trabajo.  Establecer el rendimiento del ciclo.

2. RESUMEN DE FUNDAMENTO TEORICO La figura 1 muestra un ciclo de refrigeración por compresión de vapor, teórico, que será sujeto de estudio.

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En el ciclo ideal 1-2-3-4-1. El vapor saturado a baja presión entra al compresor y sufre una compresión adiabatica reversible (1-2), luego se cede calor Qh en el proceso a presión constante (2-3) al medio ambiente a alta temperatura y el fluido de trabajo sale del condensador como líquido saturado. A continuación se tiene un proceso adiabático de estrangulamiento (3-4) y el fluido de trabajo se evapora luego a presión constante (4-1) extrayendo calor Ql de un ambiente a baja temperatura. Un ciclo de refrigeración real se desvía del ciclo ideal, principalmente debido a las caídas de presión asociadas a la circulación de fluido y la transmisión de calor hacia o desde el medio exterior. El vapor al compresor probablemente estará sobrecalentado,; el proceso de compresión en realidad es irreversible y no adiabatico por consiguiente la etapa se desvía a 1-2 ó 1-2´, la presión del líquido que sale del condensador será menor que la presión del vapor que entra, y la temperatura del refrigerante en el condensador será algo mayor que la del medio circundante al cual se trasmite calor, además la temperatura del líquido condensado puede ser menor que la de saturación (liquido subenfriado) y podría descender más en la tubería que conecta al condensador con la válvula de expansión permitiendo que el refrigerante entre en el evaporador con una entalpia menor, permitiendo de esta forma una mayor transmisión de calor al refrigerante en el evaporador. Existe caídas de presión a medida que el refrigerante pasa por el evaporador y podría estar ligeramente sobrecalentado cuando sale de este, este sobrecalentamiento representa una perdida, porque aumenta el trabajo del compresor como resultado del mayor volumen específico del fluido que entra en el compresor. La eficiencia de un refrigerador se expresa en función del coeficiente de funcionamiento que se representa por el símbolo B (beta) donde Ql es la energía solicitada o calor trasmitido desde el espacio refrigerado y la energía que cuesta es el trabajo Ws. B = Ql/Ws El trabajo de entrada al refrigerador termoeléctrico es en forma de energía eléctrica y se trasmite calor del espacio refrigerado a la junta fría Ql y de la junta caliente al medio circundante Qh

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La capacidad de una planta de refrigeración suele expresarse en frigorias o kilocalorias de refrigeración por hora en el sistema métrico y toneladas de refrigeración (toneladas de hielo que se produciría por día) en el sistema ingles. 1 ton = 3024 Kcal/h

3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1 MATERIAL Y EQUIPO

Materiales: Material

Descripción

 Cronometro

 El cronómetro es un reloj cuya precisión ha sido comprobada y certificada por algún instituto o centro de control de precisión.

Cajas Petri

La caja o placa de Petri es un recipiente redondo de cristal con una tapa de la misma forma, para que se pueda colocar encima y cerrar el recipiente, aunque no de forma hermética.

 termómetro digital

 Un termómetro digital es un instrumento que sirve para medir la temperatura. Son prácticos y pueden ofrecer la temperatura en grados Fahrenheit o Celsius.

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 Ilustración

Balanza

La balanza o báscula de laboratorio es un instrumento que sirve para medir la masa de los objetos. Es una palanca de primer grado de brazos iguales que, mediante el establecimiento de una situación de equilibrio entre los pesos de dos cuerpos, permite comparar masas.

Equipo: 

Panel de refrigeración

3.2 FLUJOGRAMA EXPERIMENTAL INICIO

Armar el panel de refrigeración

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4 cajas sin su tapa

Enumerar y pesar las cajas Petri (vacias)

Llenar con agua destilada hasta la mitad

π

π

Pesar las cajas con agua

Transferir al condensador

Tomar la temperatura y presión inicial en cada punto y comenzar cuando sus valores se asemejen

Tomar la temperatura y presión en cada punto

Por 29 minutos

Esperar a que congele y medir masas de agua congelada Página 7

P1, P2, P3, P4, T1, T2, T3 y T4

Tomar datos

FIN

3.3 DATOS EXPERIMENTALES t ( min ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

P1 ( psi ) 58 17 18 17 15 14 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13

T 1(℃) 19,5 12,4 11,8 9,8 5,9 -2,2 -3,5 -4,1 -4,6 -4,2 -4,4 -3,9 -3,8 -4,3 -4,5 -4,9 -4,8 -4,7 -5,3 -3,9 -4,6 -5,1 -4,7 -4,2

P2 ( psi ) 60 170 196 205 205 203 200 200 200 200 200 200 201 201 201 201 201 203 202 204 205 205 205 205

T 2(℃ ) 22,4 39,9 45,8 48,4 48,7 48,5 49 49 49,3 49,5 49,9 50 50,4 50,7 50,9 51,3 51,2 51,5 51,6 52,2 52,6 52,9 53,6 54,1

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P3 ( psi ) 60 170 196 205 205 203 200 200 200 200 200 200 201 201 201 201 201 203 202 204 205 205 205 205

T 3(℃ ) 21,1 40,9 46,9 49,7 49,9 49,7 49,3 49,2 49,1 49 49 49,1 49,3 49,4 49,4 49,4 49,5 49,6 49,5 49,8 50 50,1 50,2 50,2

P4 ( psi ) 57 18 18 17 15 13,5 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13

T 4 (℃) 18,5 -2,5 -4,4 -5,6 -7,7 -7,9 -8,2 -9,6 -8,7 -8,8 -9,5 -9,5 -9,4 -9,3 -8,8 -9,3 -9,2 -9,2 -9,3 -9,2 -8,7 -9,3 -9,2 -8,8

24 25 26 27 28 29

13 13 13 13 13 13

-4,6 -5,4 -4,1 -4 -3,8 -4,2

205 205 206 206 207 207

53,5 52,7 52,5 53,6 53,1 53,3

DATOS ADICIONALES: Cajas Petri (vacias) m1=52,4 g

m2=55 g m3=50,4 g

m4 =54,5 g

Cajas Petri (con agua) m1=89,4 g

m2=84,4 g m 3=82,2 g

m4 =80,1 g

Cajas Petri (final) m1=68 g

m2=70,1 g m 3=64,8 g

m4 =65,9 g

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205 205 206 206 207 207

50,2 49,9 50,2 50,3 50,3 50,6

13 13 13 13 13 13,5

-8,4 -9,1 -9 -8,9 -8,7 -8,9

4. CALCULOS, RESULTADOS, ANALISIS DE RESULTADOS Graficar P1, T1, P2, T2, T3, T4 en funció n del tiempo y determinar para cada pará metro el valor estacionario, estos datos estacionarios son los valores para los cá lculos y balances.

GRAFICA: Presión 1 vs tiempo

P1 vs tiempo 70

P1 (psi)

60 50 40 30 20 10 0

0

5

10

15

20

t (min)

GRAFICA: Temperatura 1 vs tiempo

T1 vs tiempo 25 20 T1 (C)

15 10 5

Página 10

25

30

35

-5 -10

t (min)

GRAFICA: Presión 2 vs tiempo

P2 vs tiempo 250

P2 (psi)

200 150 100 50 0

0

5

10

15

20

t (min)

GRAFICA: Temperatura 2 vs tiempo

T2 vs tiempo 60

T2 (C)

50 40 30 20

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25

30

35

10 0

0

5

10

15

20

25

30

35

25

30

35

t (min)

GRAFICA: Presión 3 vs tiempo

P3 vs tiempo P3 (psi)

250 200 150 100 50 0

0

5

10

15

20

t (min)

GRAFICA: Temperatura 3 vs tiempo

T3 vs tiempo 60

T3 (C)

50 40 30 20

Página 12

0

0

5

10

15

20

25

30

35

25

30

35

25

30

35

t (min)

GRAFICA: Presión 4 vs tiempo

P4 vs tiempo 60 P4 (psi)

50 40 30 20 10 0

0

5

10

15

20

t (min)

GRAFICA: Temperatura 4 vs tiempo

T4 vs tiempo 25 20

T4 (C)

15 10 5 0 -5

Página 13 0

5

10

15

20

-15 t (min)

CALCULO DE VALORES ESTACIONARIOS:  PARA P1 y T 1: P 1=

13+13+13+13 =13 psi=89,61 kPa 4

T 1=

−4,1−4−3,8−4,2 =−4,03 ℃ 4

 PARA P2 y T 2: P2=

206+206+ 207+207 =206,5 psi=1423,38 kPa 4 T 2=

52,5+ 53,6+53,1+ 53,3 =53,13℃ 4

 PARA P3 y T 3: P 3=

206+206+ 207+207 =206,5 psi=1423,38 kPa 4 T 3=

50,2+50,3+ 50,3+ 50,6 =50,35 ℃ 4

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 PARA P4 y T 4: P4 =

13+ 13+13+13,5 =13,13 psi=90,47 kPa 4 T 4=

−9−8,9−8,7−8,9 =−8,88 ℃ 4

Graficar con los datos teóricos de propiedades termodinámicas del fluido refrigerante (incluir en el informe estos datos) graficar en coordenadas T vs. S y P vs.H el ciclo de refrigeración real. Para realizar los gráficos hallaremos los 4 puntos para T vs S y P vs H: CALCULAMOS PARA T vs S: Trabajamos con los valores promedio para el PUNTO 1: P1=

13+13+13+13 =13 psi=89,61 kPa=0,08961 MPa ≈ 0,09 MPa 4

−4,1−4−3,8−4,2 =−4,03 ℃ 4 Analizamos el estado en el que se encuentra el punto 1 con la tabla del Refrigerante 134a saturado: T 1=

Interpolamos para el valor de la temperatura a 89,61 kPa: P superior −Pinferior Psuperior −Pi = T superior −T inferior T superior −T i 80−90 80−89,61 = −31,13+28,65 −31,13−T i T sat =−28,75 ℃

Página 15

Entonces: T 1>T sat

Por tanto el punto 1 se encuentra como vapor sobrecalentado, hallamos la entropía por interpolación: S( −4,03 ℃)=1,0322

kJ kg−K

Trabajamos con los valores promedio para el PUNTO 2: P 2=

206+206+ 207+207 =206,5 psi=1423,38 kPa=1,4234 MPa 4 T 2=

52,5+ 53,6+53,1+ 53,3 =53,13℃ 4

Analizamos el estado en el que se encuentra el punto 2 con la tabla del Refrigerante 134a saturado: Interpolamos para el valor de la temperatura a 53,13 kPa: P superior −Pinferior Psuperior −Pi = T superior −T inferior T superior −T i 1386,2−1529,1 1386,2−1423,38 = 52−56 52−T i T sat =53,04 ℃

Entonces: T 2 ≅ T sat

Por tanto el punto 2 se lo analzara como mezcla saturada, hallamos la entalpia a la entropía por interpolación: S( 53,13 ℃ )=0,4535

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kJ kg−K

Trabajamos con los valores promedio para el PUNTO 3: P 3=

206+206+ 207+207 =206,5 psi=1423,38 kPa 4 T 3=

50,2+50,3+ 50,3+ 50,6 =50,35 ℃ 4

Analizamos el estado en el que se encuentra el punto 3 con la tabla del Refrigerante 134a saturado: Interpolamos para el valor de la temperatura a 1423,38 kPa: P superior −Pinferior Psuperior −Pi = T superior −T inferior T superior −T i 1400−1600 1400−1423,38 = 52,4−57,88 52,4−T i T sat =53,04 ℃

Entonces: T 3 ≅T sat

Por tanto el punto 3 se lo analizara como mezcla saturada, hallamos la entropía por interpolación: S( 53,13 ℃ )=0,4535

kJ kg−K

Trabajamos con los valores promedio para el PUNTO 4: P4 =

13+ 13+13+13,5 =13,13 psi=90,47 kPa 4

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T 4=

−9−8,9−8,7−8,9 =−8,88 ℃ 4

Analizamos el estado en el que se encuentra el punto 4 con la tabla del Refrigerante 134a saturado: Interpolamos para el valor de la temperatura a 90,47 kPa: P superior −Pinferior Psuperior −Pi = T superior −T inferior T superior −T i 200,74−217,08 200,74−90,47 = −10+8 −10−T i T sat =−23,50 ℃

Entonces: T 4 >T sat

Por tanto el punto 4 se lo analizara como vapor sobrecalentado, hallamos la entropía por interpolación: S(−8,88 ℃)=0,7763

kJ kg−K

La grafica para estos datos (EXPERIMENTAL):

T vs S 60 50 40 T (C)

30 20 10 0 0.4 -10

0.5

0.6

0.7

0.8

-20 S (kJ/kg - K)

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0.9

1

1.1

TEORICO:

CALCULAMOS PARA P vs h: Trabajamos con los valores promedio para el PUNTO 1: P1=

13+13+13+13 =13 psi=89,61 kPa=0,08961 MPa ≈ 0,09 MPa 4

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−4,1−4−3,8−4,2 =−4,03 ℃ 4 Analizamos el estado en el que se encuentra el punto 1 con la tabla del Refrigerante 134a saturado: T 1=

Interpolamos para el valor de la temperatura a 89,61 kPa: P superior −Pinferior Psuperior −Pi = T superior −T inferior T superior −T i 80−90 80−89,61 = −31,13+28,65 −31,13−T i T sat =−28,75 ℃

Entonces: T 1>T sat

Por tanto el punto 1 se encuentra como vapor sobrecalentado, hallamos la entalpia por interpolación: h( 89,61kPa )=252,57

kJ kg

Trabajamos con los valores promedio para el PUNTO 2: P 2=

206+206+ 207+207 =206,5 psi=1423,38 kPa=1,4234 MPa 4 T 2=

52,5+ 53,6+53,1+ 53,3 =53,13℃ 4

Analizamos el estado en el que se encuentra el punto 2 con la tabla del Refrigerante 134a saturado: Interpolamos para el valor de la temperatura a 53,13 kPa:

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P superior −Pinferior Psuperior −Pi = T superior −T inferior T superior −T i

1386,2−1529,1 1386,2−1423,38 = 52−56 52−T i T sat =53,04 ℃

Entonces: T 2 ≅ T sat

Por tanto el punto 2 se lo analizará como mezcla saturada, hallamos la entalpia por interpolación: h( 1423,38kPa )=148,09

kJ kg

Trabajamos con los valores promedio para el PUNTO 3: P 3=

206+206+ 207+207 =206,5 psi=1423,38 kPa 4 T 3=

50,2+50,3+ 50,3+ 50,6 =50,35 ℃ 4

Analizamos el estado en el que se encuentra el punto 3 con la tabla del Refrigerante 134a saturado: Interpolamos para el valor de la temperatura a 1423,38 kPa: P superior −Pinferior Psuperior −Pi = T superior −T inferior T superior −T i 1400−1600 1400−1423,38 = 52,4−57,88 52,4−T i T sat =53,04 ℃

Entonces:

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T 3 ≅T sat

Por tanto el punto 3 se lo analizara como mezcla saturada, hallamos la entalpia por interpolación: h( 1423,38kPa )=148,09

kJ kg

Trabajamos con los valores promedio para el PUNTO 4: P4 =

13+ 13+13+13,5 =13,13 psi=90,47 kPa 4 T 4=

−9−8,9−8,7−8,9 =−8,88 ℃ 4

Analizamos el estado en el que se encuentra el punto 4 con la tabla del Refrigerante 134a saturado: Interpolamos para el valor de la temperatura a 90,47 kPa: P superior −Pinferior Psuperior −Pi = T superior −T inferior T superior −T i 200,74−217,08 200,74−90,47 = −10+8 −10−T i T sat =−23,50 ℃

Entonces: T 4 >T sat

Por tanto el punto 4 se lo analizara como vapor sobrecalentado, hallamos la entalpia por interpolación: h( 90,47 kPa)=218,61

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kJ kg

La grafica para estos datos (EXPERIMENTAL)

P vs h 60 50 40 kPa

30 20 10 0 140 -10

160

180

200

220

240

260

-20 h (kJ/kg)

TEORICO:

Con los datos de Ti, Pi y en base a los balances materia, energía y entropía, calcular las magnitudes de Qh, Ql, W y Lw. Q L=Q perdido del agua

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C hielo=2,09

kJ kg−K

λ fusion =334

kJ kg

∆ T =0−18=−18 ℃

Q L=

n 1 2 3 4 TOTAL

C hielo∗mhielo λ fusion∗m agua ∗∆ T − 1000 1000

Magua(g) 37 29,4 31,8 25,6

Mhielo(g) 31 40,7 33 40,3

QL(kJ) -13,52422 -11,35073 -11,86266 -10,06649 -46,8041

Q L=−46,8041 kJ

Para Q H : Q H + w=QL

Asumiendo una potencia de 1/8HP=93,25Watts=0,09325Kj/s t=29 w=

min∗60 s =1740 s 1 min

0,09325 Kj ∗1740 s=162,255 kJ s w=162,255 kJ

Despejando Q H Q H =−46,8041−162,255=−209,0591 kJ

Q H =−209,0591 kJ

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5. CONCLUSIONES 



  

En las gráficas se observa que existe cierto error comparando las gráficas experimentales con las teóricas, esto se pudo haber debido a que cuando comenzamos a realizar la práctica, los valores de las temperaturas y presiones variaban considerablemente. En el experimento realizado se analizó y estudio un proceso cíclico en cuatro etapas aplicando los balances de materia, energía y entropía. Donde se analizaron las temperaturas con el tiempo hasta mantenerse en estado estacionario, lo mismo con las presiones, dándonos valores concordantes. En parte de las gráficas se pudo observar que a medida que se aumentaba la temperatura la entropía aumenta a y viceversa Por otra parte, no se puede decir lo mismo caso de la presión no se observó el mismo proceso De esta manera se finiquita con la práctica, habiendo cumplido los objetivos planteados.

6. BIBLIOGRAFIA  

Guía de laboratorio de termodinámica – Ing. Ph.D. René Álvarez https://www.freon.com/es/products/refrigerants/r134a

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