Laboratorio 4

 

UPC

UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS

Carrera de Ingeniería Industrial  TERMODINÁMICA APLICADA

Laboratorio N°3: CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN

OBJETIVO Al finalizar la parte experimental y la entrega del informe, el alumno será capaz de:  Describir un ciclo de refrigeración por compresión de vapor identificando sus componentes.  Calcular e Interpretar la velocidad de enfriamiento del ciclo de refrigeración.  Determinar e interpretar el coeficiente de rendimiento del ciclo de refrigeración.

FUNDAMENTO TEÓRICO: El esquema mostrado contiene las etapas de un ciclo de refrigeración  por compresión. Este ciclo de refrigeración es el que más se utiliza en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire, frigoríficos. En un ciclo de refrigeración por compresión hay dos ramas: una de alta  presión (descarga del compresor, condensador, entrada a la válvula) y un unaa de baj bajaa pre presi sión ón (sa (sali lida da de la vá válv lvul ula, a, ev evap apora orado dor, r, in ingr greso eso al compresor).    

En el evaporador, el fluido refrigerante recibe calor del cuerpo que se quiere enfriar y, por absorción del calor, cambia del estado líquido al estado de vapor ligeramente sobrecalentado. En este estado (vapor ligeramente sobrecalentado) el fluido refrigerante sale del evaporador y es succionado por el compresor que aumenta su presión, lo sobrecalienta más y lo envía al condensador. Aquí, primero el refrigerante se enfría gradualmente y luego se condensa, es decir, vuelve al estado líquido, gracias a la función de enfriamiento del agua o del aire que circulan en el condensador. Dado que en el condensador el fluido refrigerante comprimido está sometido a una presión mayor que la que se encuentra en el evaporador, para enviar el líquido al evaporador se necesita de un dispositivo que reduzca la presión del líquido desde el valor que tiene en el condensador condensador hasta el valor que tendrá en el evaporador. Este dispositivo es la válvula de estrangulamiento o expansión. En ella, el líquido es forzado a pasar a través de un orificio muy pequeño. Para superar este obstáculo el líquido necesita de energía que es tomada del fluido mismo. En esta válvula el fluido se enfría y reduce su presión. Desde este punto, el fluido en estado líquido-vapor frío pasa a través del evaporador, iniciándose nuevamente el ciclo.

LECTURA DE LAS ENTALPÍAS (kJ/kg): Se puede utilizar la tabla de propiedades termodinámicas  para el Refrigerante 134aa, pero también un diagrama semi semilo loga garí rítm tmic icoo P-h pa para ra est estee ref refri rige geran rante te,, co como mo se describe. La representación del ciclo en el diagrama P-h del fluido refrigerante R134a, se realiza después de haber leído en inst instrum rumen ento toss de la in inst stal alac ació iónn lo loss va valo lore ress de presi presión ón dentro de los cuales el ciclo se desarrolla, las temperaturas refrigerante en las líneas de succión ( T  ) y la temperatura 1

los del que 1

 

el fluido refrigerante tiene antes de atravesar la válvula de expansión ( T  ).  Con estos datos, se construye el ciclo frigorífico de la manera siguiente: a. Se tr trazan azan llas as rec rectas tas P P11 = cons constan tante te y P2 = cconst onstant ante. e.  b. Desde el punto 1, que corresponde a la intersección entre las rectas P1 y T1, se traza la paralela a las líneas isentrópicas (s1 = s2), hasta cruzar la recta P2 en el punto 2. c. Interce Interceptando ptando llaa recta P2 ccon on T3 se defi define ne el punt puntoo 3, y desde este este punto punto se traza la la vertical vertical hasta hasta cruzar  la recta P1 en el punto 4. 3

Los cuatro componentes asociados con el ciclo de refrigeración por compresión de vapor son dispositivos de flujo estacionario (sistemas abiertos), por lo que los cuatro procesos que integran el ciclo pueden analizarse como tales procesos. Los cambios en la energía cinétic cinéticaa y potencial potencial del refrigerante suelen ser pequeños en relación con los términos de trabajo y transferencia de calor y por lo tanto, pueden ignorarse. El condensador  y el evaporador no implican nin gún trabajo y el compresor puede calcularse como adiabático. 

Capacidad de enfriamiento: EVAPORADOR 

q entrada =q L =( h5−h 4 ) →en 

 kJ  kg

Trabajo requerido: COMPRESOR 

w entrada= wcompresor =(h 2−h1 ) → en

 kJ  kg



Calor expulsado: CONDENSADOR   kJ  q salida =q H =( h −h ) → en 2

3

kg

 Nótese que la temperatura del punto 2 es difer diferente ente a la temperatura T  '  registrada  registrada por el termómetro. Esto se debe al intercambio térmico en el interior del compresor. El segmento 4-5, leído en la escala de entalpía, repre represe sent ntaa el ca calo lorr qu quee el lí líqui quido do ab absor sorbe be de dell am ambi bien ente te exter exterio ior. r. El se segm gmen ento to 5-1 rep repre resen senta ta el sobrecalentamiento del vapor mientras recorre el tramo entre la salida del evaporador y la entrada al compresor. 2

El coeficiente de funcionamiento o rendimiento (COP) será: COP =

q L wcompresor

Solo como referencia, la representación del ciclo de refrigeración descrito se puede representar en el diagrama T-s de la siguiente manera:

2

 

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO A. B. C. D. 1.

Lámpar Lámparaa ppilot ilotoo de presencia presencia de tensi tensión ón Bo Botó tónn de ma marc rcha ha Bo Botó tónn de em emer ergen genci cia. a. Va Vatí tíme metr troo Int Interru errupto ptorr ttérm érmico ico dif difere erenci ncial al

6. Man Manóme ómetro tross de alt altaa y baja baja pr presi esión ón 7. Con onddensa saddor  8. Acumul ulaador  9. Vál Válvul vulaa de carga carga de dell rrefri efriger gerant antee 10. Com Compres presor  or 

2. 3. 4. 5.

Fi Filt ltro ro deshi de tador  dor  Indi Indica cado dorshidra r ddeedrata flu flujo jo Me Medi dido dorr ddee cau cauda dall Pres Presost ostato ato de alta alta y baja baja pr presi esión ón

11. Válvu Válvula laador  de expansión expansión 12. Eva Evapor porador  13. Termóm Termómetro etro digit digital al 14. Man Manubri ubrioo

ANTES DE LA PUESTA EN MARCHA:   a. Llenar el condensador con agua b. Llenar el evaporador con una mezcla de agua y de líquido anticongelante (1 anti/4 agua) c. Abrir todos los grifos excepto el grifo bypass de la válvula termostática. d. Conectar la planta a la red: 220Vac monofásica. e. Asegurarse que el botón de parada de emergencia no esté activado de lo contrario soltarlo PUESTA EN MARCHA: f. Levantar la llave diferencial (1) g. Verifique que el presóstato de alta presión (5) no se haya activado, de lo contrario rearmarlo. h. Verificar que la alta presión y la baja presión sean equilibradas de lo contrario, abrir lentamente el grifo  bypass de la válvula termostática hasta que las presiones se equilibren (controlar los valores de las  presiones en los manómetros correspondientes), corre spondientes), luego cerrar el grifo i. Oprimir el botón de marcha (B) DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO:  j. Lea el caudal (más o menos estable) en el rotámetro. Para cambiar el caudal se debe manipular el manubrio delalta filtro deshidratador k. Tomar losdebajo datos de y baja presión (6)(2) l. Leer las temperaturas de entrada y salida del compresor y entrada y salida de la válvula. Registrar los datos completando la ficha correctamente. 3

 

Nota: Se deberá prestar atención a que la culata del motor del compresor no pique debido a la presencia de líquido en la línea de admisión o en la campana del compresor. Si esto ocurre, se deberá detener de inmediato el compresor y volver a ponerlo en marcha varias veces hasta que desaparezca el picado, de lo contrario, la culata del compresor podría dañarse. INFORME: Desarrolle el informe completando cada una de las partes que se indican. Debe mostrar sus cálculos. El orden, claridad de redacción y el empleo correcto de unidades es parte importante para obtener una buena calificación.

REGISTRO DE DATOS  N° de Grupo: 06 Sección: IV53 Integrantes del grupo:  Rivera Requena, Andy Samir   Morales Huaranga, Diego Augusto

1.DATOS EXPERIMENTALES: (SO 6.1) – 3.0 p CICLO DE REGRIGERACIÓN Caudal de refrigerante (L/min) 0.075

Presión Alta (MPa ) 1.2

Temperatura

Baja (MPa)

Salida del Entrada al compresor  compresor  (T  ) (T  ' )

0.2

1

2

16.4

42.3

EVAPORADOR Temperatura inicial (°C) 22    

Salida del condensador  (T  )

Entrada al evaporador  (T  ' )

Salida del evaporador  (T  ' )

34.4

-6.4

-2.5

3

4

5

CONDENSADOR  

Temperatura de final (°C)

Temperatura inicial (°C)

Temperatura de final (°C)

-3.7

21.7

44.6

Potencia eléctrica: 0.15 kW Cantidad de agua el tanque del condensador: 2.6 L Tiempo de funcionamiento: 14 minutos Fecha: 25/06/2021



Firma del profesor: 2. HOJA DE DE RESULTADO RESULTADOS: S: (SO 6.1) – 7.0 p 4

 

a. Con los dat datos os de presión y te temperat mperatura, ura, consi considerando derando com compresión presión isentróp isentrópica ica y proceso isoentál isoentálpico pico encuent enc uentre re en el dia diagram gramaa corr correspo espondi ndient entee las entalp entalpias ias del refrige refrigerant rante. e. Escriba Escriba el estado estado del refrigerante en cada caso. (2 puntos)  kJ   kJ   →Estado : vap vapor or saturado saturado( g )h2 =450  →Estado : vapor sobrecalentado sobrecalentado kg kg kJ  h3 =245 → Estad Estado o : líquido saturado saturado ( f ) kg

h1 =410

h 4=245 kJ  →Estado : mezclasaturada ( f   + + g) kg kJ  h5 =390  → Estad Estado o : vapo vaporr saturado saturado( g ) kg

 b. Calcule la capacidad de enfriamiento (capacidad frigorífica) f rigorífica) en kJ/kg q entrada=q L =( h −h ) 5

(

4

kJ   kJ  −245 kg kg q entrada=q L =145 kJ / kg q entrada=q L =

390

)

c. Det Determ ermine ine eell tra trabaj bajoo del comp compreso resorr en kJ kJ/kg /kg w entrada= wcompresor =(h 2−h1 ) kJ   kJ  w entrada= wcompresor =( 450 −410 ) kg kg w entrada= wcompresor =40 kJ / kg

d. Hal Halle le el coef coefici icient entee de fu funci nciona onamie miento nto COP =

  q L

W compresor 145 kJ / kg COP = 40 kJ / kg COP =3.625

e. Densidad Ca Calc lcul ulee el(diagrama fl fluj ujoo de ref refri rige geran rante te kg/m 3 P-h) = 1185 ˙ m  ρ ∙  V  ˙ refrigerante = ρ∙ m ˙ refrigerante = 1185

 kg m

 ∙ 0.075

3

 L  min  ∙ 60 min s 3

 kg  L −3 m   1 min m ˙ refrigerante = 1185 3 ∙ 0.075  ∙ 10  ∙ min  L 60 s m  kg m ˙ refrigerante = 0.00148125 s −3 kg m ˙ refrigerante = 1.481 ∙ 10 s

f. Calcu Calcule le la potencia potencia tr transmit ansmitida ida al refrigerante refrigerante aall pasar pasar por el compresor  compresor  ˙ compresor = ˙mrefrigerante ∙ wcompresor W  5

 

− 3 kg

˙ compresor =1.481 ∙ 10 W  ˙ compresor =0.0593 W 

s

  ∙ 40

kJ  kg

 kJ  s

g. Det Determ ermine ine la efi eficie cienci nciaa eléct eléctric ricaa del compreso compresor  r  ˙ W  n = compresor eléctrica W  ˙ eléctrica 0.0593 kW  n eléctrica= 0.15 kW 

n eléctrica= 39.5 39.5 %

3. CUESTIO CUESTIONAR NARIO: IO: (S (SO O 6.2) – 6.0 p a. ¿Qué ccambios ambios sufre el refrigerante refrigerante ccuando uando pa pasa sa por eell evaporador? evaporador? ¿A ¿A qué se debe? El refrigerante cuando pasa por el evaporador, en pocas palabras, pasa del estado de mezcla saturada (f+g) a vapor saturado (g) a través de la evaporación dentro de un intercambiador de calor, denominado evaporador. Esto se debe a la absorción de energía térmica (calor latente) del medio en contacto con el evaporador. Además, es posible mencionar que la presión en este proceso de evaporación es constante (P4 = P1).  b. ¿Por qué es necesario aumentar la presión después que el refrigerante ha extraído calor en el evaporador? Es necesario aumentar la presión después de que el refrigerante haya extraído calor en el evaporador,  pues es necesario necesa rio que la temperatura se incremente para completar la transición de vapor saturado (f) a vapor sobrecalentado. Dicho sea de paso, el incremento de la presión ocurre en un compresor. (P 1 < P2) c. ¿Cu ¿Cuál ál es llaa func función ión ddee la vá válvu lvula la de eexpan xpansió sión? n? Considerando que a la válvula de expansión ingresa fluido líquido saturado y sale mezcla saturada, la función de esta válvula es la de controlar o permitir el caudal suficiente del refrigerante que ingresará al evaporador, además de contribuir en la reducción de la temperatura (enfriamiento del fluido) y  presión fluido, pues esta presión de salida es baja (comparada con la de entrada) e igual a la inicial (Pdel 1 = P4). d. ¿Cómo tiene eviden evidencia cia que el refrigerant refrigerantee disi disipa pa calo calorr en el condensador? condensador? Concretamente, para que el refrigerante pase de ser vapor sobrecalentado a liquido saturado (f), es necesaria una pérdida de calor por parte del fluido, el cual es absorbido por el agua en el condens con densador ador.. Este cambio de estado  evidencia que el refrigerante disipa calor, lo que también implica una reducción en su temperatura (T3  < T2), pero al tratarse de un intercambiador de calor  mantiene la presión constante (la misma de la salida del compresor), razón por la cual existe una válvula de estrangulamiento previo al ingreso del fluido al evaporador.

4. CONCLU CONCLUSIO SIONES NES:: (SO 6.2 6.2)) – 4.0 p -

Conclusión 11:: Conclusión 22:: Conclusión 33:: 6

 

-

Conclusión 44::

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