UNIVERSIDAD CENTRAL

PRCTICA DE LABORATORIO

EL CICLO DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR

BOGOT DC

TABLA DE CONTENIDO

OBJETIVOS

1. INVESTIGACIN TERICA

1.1 REFRIGERADORES

1.2 CICLO INVERTIDO DE CARNOT

1.3 EL CICLO DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR

1.4 FUNCIONAMIENTO DE LOS PRINCIPALES DISPOSITIVOS DEL SISTEMA

DE REFRIGERACIN

1.5 PRODUCTOS REFRIGERANTES DE HIDROCARBURO HC

2. METODOLOGA

3. RESULTADOS DE LABORATORIO

4. CLCULOS

5. ANALISIS DE RESULTADOS

6. CONCLUSIONES

7. BIBLIOGRAFA

8. ANEXOS

OBJETIVOS

1. Comprender el funcionamiento del refrigerador mediante la interpretacin del ciclo

invertido de Carnot.

2. Realizar el balance energtico total del sistema, para estimar la cantidad de calor

extrado por la maquina trmica estudiada.

3. Reconocer todos los componentes tericos del ciclo invertido de Carnot en el

equipo de refrigeracin estudiado, comprendiendo su funcin y caractersticas.

1. INVESTIGACIN TERICA

1.1 REFRIGERADORES

La transferencia de calor de una regin de temperatura baja a otra de alta temperatura

requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores. Estos son dispositivos cclicos y

los fluidos de trabajo utilizados en los ciclos de refrigeracin se llaman refrigerantes

(Yunus A Cengel, 2009)

El desempeo de refrigeradores y de bombas de calor se expresa en trminos del

coeficiente de desempeo (COP), por sus siglas en ingls (coefficient of peformance)

(Yunus A Cengel, 2009)

La capacidad de enfriamiento (la carga de refrigeracin) de un sistema de refrigeracin

(es decir, la tasa de calor extrado del espacio refrigerado) a menudo se expresa en

trminos de toneladas de refrigeracin.

1.2 CICLO INVERTIDO DE CARNOT

Un refrigerador o bomba de calor que opera en el ciclo invertido de Carnot es definido

como un refrigerador de Carnot o una bomba de calor de Carnot.

La figura 1 muestra el ciclo de Carnot invertido ejecutado dentro de la campana de

saturacin de un refrigerante. De 1-2 se transfiere (absorcin) calor reversiblemente

desde la regin fra TL, de forma isoterma donde el refrigerante experimenta cambios de

case. De 2-3 Se comprime el refrigerante isoentrpicamente, hasta que alcanza la

temperatura mxima TH. De 3-4 Se transfiere calor a la regin caliente a TH de forma

isoterma, aqu el refrigerante experimenta cambios de fase (vapor a lquido) de 4-1 se

expande el refrigerante isoentrpicamente hasta alcanzar la temperatura mnima TL.

(Garca, Guanipa, et al, 2009)

Figura 1. Esquema refrigerador de Carnot y diagrama T-S del ciclo invertido. Fuente Junus Cengel y Michael Boles

Termodinmica 6 edicin.

1.3 EL CICLO DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR

Es el que ms se utiliza en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y

bombas de calor. Se compone de cuatro procesos:

1-2 Compresin isentrpica en un compresor

2-3 Rechazo de calor a presin constante en un condensador

3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansin

4-1 Absorcin de calor a presin constante en un evaporador

Figura 1 Diagrama Temperatura VS Entropa para un sistema de refrigeracin y principales componentes: El compresor (1-

2s), Intercambiador de calor o condensador (2s-3), vlvula de estrangulamiento (34) y el evaporador (4-1) Fuente: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2017279/pdf/und_8/cap8refrigeracion_termomagistral_II2011_agomez.pdf

Figura 2. Esquema T-S para el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor. Fuente: Termodinmica Yunus Cengel 6

Edicin.

El refrigerante entra al compresor en (1) como vapor saturado y se comprime

isentrpicamente hasta la presin del condensador. La temperatura del refrigerante

aumenta durante el proceso de compresin, hasta un valor mayor al de la temperatura del

medio. Luego el refrigerante entra en el condensador como vapor sobrecalentado en (2) y

sale como lquido saturado en (3), como resultado del rechazo de calor hacia los

alrededores. El refrigerante lquido en (3) se estrangula hasta la presin del evaporador al

pasar por la vlvula. La temperatura del refrigerante desciende. Este entra al evaporador

en (4) como vapor hmedo y se evapora por completo absorbiendo calor del espacio. El

refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al compresor, as

completando el ciclo. Ver figura 2. (Yunus A Cengel, 2009)

1. En el proceso de compresin de vapor se realizan modificaciones al ciclo de

Carnot basados en las siguientes consideraciones:

En el proceso de compresin, el fluido de trabajo solo debe estar en la fase de vapor.

2. Para expansionar el refrigerante es recomendable utilizar un dispositivo ms econmico

y con cero mantenimientos (vlvula de estrangulamiento o tubo capilar).

3. La temperatura de condensacin no debe limitarse a la zona desaturacin.

Muchos aspectos imprcticos asociados con el ciclo invertido de Carnot, se eliminan al

evaporar el refrigerante completamente antes de que se comprima y al sustituir la turbina

con un dispositivo de estrangulamiento.

1.4 FUNCIONAMIENTO DE LOS PRINCIPALES DISPOSITIVOS DEL SISTEMA DE

REFRIGERACIN

Tabla 1. Dispositivos del sistema de refrigeracin. Fuente http://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-2-

ciclos-de-refrigeracion1.pdf

Evaporador Se transfiere calor (absorbe) de la regin fra al refrigerante, que experimenta un cambio de fase a temperatura constante. La temperatura de saturacin del refrigerante debe ser menor que la temperatura de la regin fra.

Condensador El refrigerante se condensa al ceder calor a una corriente externa al ciclo El agua y el aire atmosfrico son las sustanciales habituales utilizadas para extraer calor del condensador.

Compresor Para alcanzar las condiciones requeridas en el condensador logrando la liberacin del calor desde el sistema al ambiente, es necesario comprimir el refrigerante de manera de aumentar su presin y en consecuencia su temperatura (generalmente temperaturas de sobrecalentamiento)

Vlvula de estrangulamiento

Liberado el calor en el condensador es necesario revertir el proceso del compresor de manera de obtener bajas temperatura al disminuir la presin (estrangular), logrando las Condiciones requeridas en el evaporador.

1.5 PRODUCTOS REFRIGERANTES DE HIDROCARBURO HC

Las sustancias refrigerantes son fluidos que sirven como transportadores de energa en

los equipos de refrigeracin y bombas de calor. Las propiedades termodinmicas de las

sustancias refrigerantes influyen en la construccin, funcin y consumo de energa.

(Gomz)

El coeficiente de desempeo de un refrigerador de Carnot es independiente del

refrigerante. No obstante, las irreversibilidades inherentes al ciclo de compresin de vapor

causan que el coeficiente de desempeo de los refrigeradores prcticos dependa en

algn grado del refrigerante. Para que el aire no pueda entrar al sistema de refrigeracin,

la presin de vapor del refrigerante, a la temperatura del evaporador, debe ser mayor que

la presin atmosfrica. Por otro lado, la presin de vapor en la temperatura del

condensador no debe ser excesivamente elevada debido al costo inicial y a los gastos de

operacin del equipo a presin elevada. Estos dos requerimientos limitan la eleccin del

refrigerante a relativamente pocos fluidos. (Smith, 1997)

Los Productos Refrigerantes de HC, diseados para reemplazar a los refrigerantes que

reducen la capa de ozono y contribuyen al calentamiento global, estn fabricados con

compuestos orgnicos naturales y no con una mezcla de refrigerantes compuestos de

productos qumicos preexistentes. Pueden prolongar la vida til y el rendimiento de los

equipos de aire acondicionado y refrigeracin, gracias a un aditivo antifriccin y a su

excelente estabilidad trmica y qumica, los Productos Refrigerantes HC pueden ayudar a

mejorar el funcionamiento y prolongar la vida til de los sistemas y componentes de aire

acondicionado y refrigeracin. (HC Refrigerant)

HC-12a est diseado como un prctico sustituto de los refrigerantes con CFC R12 que

reducen la capa de ozono y los refrigerantes HFC 134a que contribuyen al calentamiento

global.

Seleccin del refrigerante

Criterios estndares de seleccin:

1. Haga coincidir la presin de vapor del refrigerante con las condiciones de

funcionamiento.

2. Genere un buen rendimiento del sistema.

Refrigerantes combinados:

1. Se utilizan cuando el efecto del cambio de temperatura y de composicin no

constituyen un problema.

Tabla 2. Refrigerantes de HC y sus campos de aplicacin. Fuente Manual de capacitacin sobre productos refrigerantes de

Hidrocarburos HC

2. METODOLOGA

1. Arrancar el equipo de refrigeracin, verificando que hay carga de refrigerante por

medio de la presin del manmetro.

2. Realizar la toma de datos de la temperatura ambiente, humedad relativa y

temperatura dentro del refrigerador,

3. Toma de datos cada cinco minutos de las temperaturas T1(a la entrada del

compresor), T2(a la entrada del condensador), T3( a la entrada de la vlvula de

expansin), T4 (a la entrada del evaporador), P superior (manmetro color rojo), P

inferior (manmetro color azul)

4. Medir la potencia, corriente y voltaje del compresor, mediante un multmetro

5. Luego de los 45 minutos, con intervalos cada cinco, tomar la temperatura del

agua, del recipiente en aluminio y del ambiente dentro del refrigerador

3. RESULTADOS DE LABORATORIO

Figura 3. Ciclo inverso de Carnot para sustancias con cambio de fase. Fuente:

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2017279/pdf/und_8/cap8refrigeracion_termomagistral_II2011_agomez.pdf

Figura 4. Ciclo de refrigeracin por compresin de Vapor. Fuente:

https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2011/455/42611/1/Documento16.pdf

Dnde:

CICLO EQUIPO

T1 Entrada al compresor T1 interior de la cmara; medida con

termocuplas tipo K

T2 Entrada al condensador T2 Entrada al compresor Ec; medida con sensor digital de temperatura.

T3 Entrada a la vlvula de expansin Entrada al condensador

T4 Entrada al evaporador Entrada a la vlvula de expansin

Tabla 3. Especificaciones Tcnicas. Fuente Propia Datos Laboratorio

Masa Calormetro 386.2 g

Humedad Relativa 51.2

Temperatura Ambiente 18.8 C

Masa del Refrigerante HC 12a

0.4 Kg/ 1kg alimentado de R12

Masa Inicial de Agua 1 L

Dimensiones del Equipo

Volumen de la cmara 0.7 m3

rea de la lamina Espesor 1mm Dimensiones 0.47x0.35 m

rea Serpentn 2RL A= 0.24 m

Datos de Trabajo

Potencia 0.17 KW

Voltaje 120.2 V

Corriente 1.28 A

Tabla 4. Resultados Temperaturas (C) y presiones superior (psi) e inferior (psi) con intervalos de tiempo de 5 minutos.

Fuente Propia

T (min) Psup (psi)

Pinf (psi) Tc T1 T2 T3 T4

5 105 11.0 10.8 17.2 31.4 24.1 -15.7

10 103 10.2 6.1 16.7 32.6 26.5 -18.1

15 105 11.5 4.3 8.1 33.4 27.0 -19.0

20 105 12.0 3.1 3.4 33.5 27.2 -18.9

25 105 13.0 2.3 -4.0 34.1 28.2 -18.3

30 105 13.0 1.7 -4.1 34.2 28.7 -18.3

35 105 13.0 1.0 -4.1 35.6 28.9 -18.3

40 105 13.0 0.2 -4.4 36.1 28.7 -18.4

45 105 13.0 -0.1 -4.8 35.7 29.4 -18.3

4. CLCULOS REALIZADOS

Para encontrar la entalpa. Se usa la tabla de ANEXOS 1 y 2, para el refrigerante HC 12-a y se interpola.

Prom T (C) ESTADO h(kJ/kg)

T1 2.66666667 Vapor saturado 540.671

T2 34.0666667 Vapor sobrecalentado 581.1282

T3 27.6333333 Liquido Saturado 282.938

T4 -18.1444444 Mezcla 282.938

Procedimiento de interpolacin para clculo de h

T(C) h(kJ/kg)

T(C) h(kJ/kg)

0 567.5

30 604.7

5 573.8

35 610.7

2.667 570.86042

34.067 609.5804

T(C) h(kJ/kg)

T(C) h(kJ/kg)

25 262.3

-20 510.9

30 275.3

-15 517.5

27.633 269.1458

-18.144 513.34992

4.1 POTENCIA DEL COMPRESOR

NOTA: Base de clculo: Minutos

BALANCE DE MASA EN EL COMPRESOR (ver figura 4)

[ ]

Como

Entonces:

609.5804 kJ/kg -570.86042kJ/kg)

/min =258.13 J/S=0.258 KW=0.35hp

4.2 CAPACIDAD DE REFRIGERACIN

BALANCE DE MASA

)

23.004 KJ/min

4.3 TONELADA DE REFRIGERANTE

= 0.11 ton refrigerante

4.4 COEFICIENTE DE FUNCIONAMIENTO (COP)

4.5 COEFICIENTE DE FUNCIONAMIENTO DE UN CICLO DE CARNOT DE

REFRIGERACIN

4.6 BALANCE DE ENERGA

DENTRO DEL REFRIGERADOR

QH= WC+QL

Donde QH es el calor de la reserva caliente

QL=mH20CpH20(T1) + maireCpaire(h) + mAluminioCpAluminio(T2)

Minicial de agua=1kg

Tfinal del agua= 8.3C

Tfinal del aire=15.5C

Tfinal lmina aluminio=-2.3C

Datos a 300K

mH20=18.015 kg/kmol

CpH20=4.18 kJ/kgK

maire=28.97 kg/kmol

Cpaire=1.005 kJ/kgK

haire=300.19 kJ/kg

maluminio= 26.982 kg/kmol

Cpaluminio= 0.902 kJ/kgK

5. ANALISIS DE RESULTADOS

En el ciclo invertido de Carnot se observa que en para cada proceso que se lleva a cabo

influye la irreversibilidad como se explica a continuacin:

- Para el caso de la compresin (en el ciclo ideal es internamente reversible y

adiabtico) en el ciclo real existen efectos friccionantes los cuales incrementan la

entropa y la transferencia de calor que puede aumentar o disminuir la entropa,

dependiendo de la direccin.

- para el caso del evaporador (en el ciclo ideal el fluido de trabajo sale del

evaporador y entra al compresor como vapor saturado) en el ciclo real es

imposible de mantener el estado del refrigerante con tanta precisin por lo tanto se

emplea el sistema sobrecalentando ligeramente al refrigerante a la entrada del

compresor para as garantizar evaporacin completa al momento de ingresar al

compresor, por esto en la lnea que conecta al evaporador con el compresor se

producen cadas de presin del refrigerante y cierta ganancia de calor no deseable

aumentando el volumen especfico del refrigerante as como los requerimientos de

potencia de entrada al compresor.

- para el caso del condensador (en el ciclo ideal el fluido de trabajo sale del

condensador como liquido saturado a la presin de salida del compresor) sin

embargo en el ciclo real es inevitable que se produzcan cadas de presin en el

condensador as como en las lneas que conectan al compresor y a la vlvula de

estrangulamiento, adems de la imposibilidad de mantener con precisin la

regulacin del condensador para tener a la salida lquido saturado, pues no es

deseable enviar refrigerante a la vlvula de estrangulamiento sin condensar en su

totalidad, ya que reducira la capacidad de absorcin de calor, por lo que se

considera el subenfriamiento como alternativa para disminuir la entalpa de

entrada a la vlvula de estrangulamiento y en consecuencia aumentar la

capacidad de absorcin de calor (efecto refrigerante).

6. CONCLUSIONES

Se comprendi el funcionamiento del refrigerador mediante la interpretacin del

ciclo invertido de Carnot, y de cada uno de los procesos que se llevan a cabo en

este, teniendo en cuenta las irreversibilidades que se producen en cada uno.

Se observ que para cada proceso, la ecuacin general de energa en rgimen

estacionario por unidad de masa, se desprecia la variacin de la energa cintica y

potencial, en el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere

calor, mientras que slo existe trabajo en el proceso de compresin.

Se observ que un ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor, difiere de

uno ideal por varias razones, pero la principal radica en las irreversibilidades que

suceden en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidades son la

friccin del fluido (que provoca cadas de presin) y la transferencia de calor hacia

o desde los alrededores.

Para poder obtener datos ms exactos de la Tabla Termodinmica se tuvieron que

interpolar ciertos valores y aproximar las presiones.

En ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor real, se observo que hay

una cada de temperatura de la sustancia al pasar del estado 4 al 1 (culminacin

del ciclo), y por lo tanto, una cada en la presin tambin; con lo que se puede

demostrar que el recorrido por el evaporador no se desarrolla a temperatura ni

presin constante, como ocurre en los Ciclos Ideales de Refrigeracin.

A medida que se acelera el flujo del Refrigerante, se incrementa el Trabajo de

Compresin, el calor liberado por el Condensador y el Efecto Refrigerante (calor

absorbido por el Evaporador), consumiendo mayor cantidad de energa elctrica

que alimenta el Compresor Alternativo.

Mientras ms aumenta la velocidad de flujo de la sustancia, el COP de

Refrigeracin disminuye gradualmente.

7. BIBLIOGRAFA

FsicaNet. (s.f.). Fsica Termodinmica: Ciclo Otto. Ciclo diesel. Ciclo de Carnot. Ciclo de

refrigeracin. Sistemas de absorcin. Recuperado el 06 de Septiembre de 2014, de

http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap07_ciclos_termicos.php

Garca, Guanipa, et al. (2009). Termoaplicadaunefms Blog. Recuperado el 07 de Septiembre de

2014, de http://termoaplicadaunefm.wordpress.com/

Gomz, A. (s.f.). Termodinmica Tctina Fundamentos Cpitulo 8 Ciclos de Refrigeracin y Bomba

de calor . Recuperado el 06 de Septiembre de 2014, de

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2017279/pdf/und_8/cap8refrigeracion_

termomagistral_II2011_agomez.pdf

HC Refrigerant. (s.f.). Recuperado el Septiembre de 06 de 2014, de

http://www.hcrefrigerant.com/spanish/home.html

Northcutt. (1996). Manual de Capacitacin Sobre Productos Refrigerantes de Hidrocarburo HC.

Wichita.

Smith, V. N. (1997). INTRODUCCIN A LA TERMODINMICA EN INGENIERA QUMICA (Quinta ed.).

Mc Graw Hill.

Smith, V. N. (s.f.). INTRODUCCIN A LA TERMODINMICA EN INGENIERA QUMICA (Quinta ed.).

Mc Graw Hill.

Yunus A Cengel, M. A. (2009). TERMODINMICA (Sexta ed.). Mc Graw Hill.

8. ANEXOS

Tabla. Propiedades refrigerante HC 12 en el punto de burbuja, en sistema metrco

Fuente: Manual de capacitacin sobre productos refrigerantes de hidrocarburo (HC)

Tabla . Propiedades refrigerante HC 12 en el punto de condensacin, en sistema metrco

Fuente: Manual de capacitacin sobre productos refrigerantes de hidrocarburo (HC)