Pràctica 11: Bomba de Calor · 2019. 10. 11. · Laboratori de TERMODINÀMICA 13/10/2011 Valentín...

LABORATORI DE TERMODINÀMICA

Pràctica 11: Bomba de Calor

Valentín Valhondo Pascual

GETA 1.3

Dia de realització: 13/10/2011

Dia d'entrega d'informe: 27/10/2011

Laboratori de TERMODINÀMICA 13/10/2011 Valentín Valhondo Pascual GETA 1.3

1

1. Introducció

Aquesta pràctica té com a objectiu ensenyar a l’estudiant el

funcionament d’una màquina tèrmica, en especial d’una bomba de

calor per compressió de vapor. El seu objectiu també és introduir a

l’estudiant en l’estudi d’un cicle termodinàmic senzill que es pot anar

seguint mitjançant l’observació d’unes petites finestres que

t’ensenyen l’estat del fluid en cada moment. Finalment també serveix

per a aprendre a representar cicles en gràfics pressió - entalpia.

El lloc on es realitza la pràctica és al laboratori de termodinàmica de

l'ETSEIAT (escola de la UPC) situada a Terrassa. És un laboratori

condicionat per a la realització d'aquesta pràctica i es disposa de

l'ajuda dels professors per a resoldre qualsevol dubte que hi hagi.

2. Fonament teòric

Degut a que el contingut teòric d’aquesta pràctica abarca molts

aspectes de la termodinàmica, es tractaran alguns dels continguts

més rellevants. Aquests continguts són:

Introducció a les màquines tèrmiques

Una màquina tèrmica directa és una instal·lació amb un fluid motor

que permet l’obtenció de treball com a conseqüència d’una calor

absorbida o rebuda pel fluid. El fluid de treball és el que recorre tots

els dispositius de la instal·lació que forma el cicle i es aquell cap a/o

des del qual es transfereix calor mentre se’l somet a un cicle.

Les màquines tèrmiques poden diferir molt les unes de les altres,

però totes es caracteritzen pel següent:

o Reben calor d’una font d’alta temperatura

o Converteixen una part d’aquesta calor en treball

o Cedeixen calor a un focus a baixa temperatura

o Es tanca el cicle mitjançant un dispositiu de compressió

Hi ha un altre tipus de màquina tèrmica, les conegudes com a

màquines tèrmiques inverses. Dins d’aquí hi ha 2 tipus de màquines:

les màquines frigorífiques (com la nevera de casa) i la bomba de

calor.


2

En aquestes màquines, el fluid de treball s’anomena fluid refrigerant.

Bomba de calor

Una bomba de calor es un sistema termodinàmic que transfereix calor

des de un medi a temperatura baixa (font) fins a un medi a

temperatura més elevada. Aquesta transferència de calor necessita

l’aportament d’una certa quantitat d’energia en forma de treball.

La bomba de calor no crea energia, simplement la transfereix d’un

lloc a l’altre.

El procediment seguit habitualment per a realitzar una bomba de

calor consisteix en fer circular un fluid seguint un cicle termodinàmic

entre un medi calent al que se l’aporten calories i a un medi fred d’on

s’extreuen.

Per raons de rendiment, s’utilitza un cicle amb canvis de fase; las

calories s’extrauen del medi fred per vaporització d’un líquid en el

evaporador; desprès, un cop s’ha comprimit, es transfereix al medi

calent mitjançant un condensador en el qual el fluid torna a la fase

liquida.

Aquest fluid passa per una vàlvula d’expansió Joule-Thomson i passa

a la pressió més petita del cicle.

L’interès per les bombes de calor resideix en el fet que l’energia

subministrada es molt mes petita que l’energia que donem al

condensador, és a dir, les bombes de calor tenen un rendiment

superior a 1.


3

Per a mesurar aquest funcionament, es defineix el coeficient de

funcionament (COP) que relaciona la calor subministrada al medi

calent i l’energia subministrada al compressor:

El valor del COP explica l’eficàcia d’una bomba de calor comparada

amb una calefacció tradicional consumint la mateixa quantitat

d’energia.

Un cop s’ha estudiat una mica el funcionament d’una bomba de calor,

ara es parlarà sobre les seves aplicacions i el seu futur.

Les bombes de calor estan molt ben valorades per l’industria avui dia.

Tot i això, encara hi ha un llarg camí per recórrer per a obtenir

bombes de calor realment eficients.

Fins ara, les bombes de calor s’han utilitzat per a industries que

necessiten temperatures i potencies de calefacció limitada (en

particular les instal·lacions de secat). També s’utilitzen per a la

calefacció d’edificis del sector terciari o d’edificis de vivendes, ja que

presenta un major aprofitament dels recursos respecte la calefacció

tradicional. Tot i això, les bombes de calor encara no són suficient per

a abastir les necessitats de les industries que requereixen un gran

consum d’energia a alta temperatura (siderúrgia, fàbriques de

ciment,...).

En un futur, les bombes de calor degut a que són capaces de fer bé el

seu treball amb poca energia, són realment molt interessants ja que

és molt important mantenir el medi ambient. Fins ara, hi ha hagut

poca inversió i molta controvèrsia a l’hora d’investigar en les

màquines tèrmiques. Els nivells de temperatura i la flexibilitat són

millorats lentament. Els equips es fan més nombrosos i amb millors

prestacions i amb potser menys cost. Pràcticament tots els tècnics,

estan convençuts que les bombes de calor jugaran un paper

important en la lluita de l’estalvi energètic (fins al 16% de no emissió

de CO2)1.

1 Dada extreta de Las bombas de calor. R. Dumon y G. Chrysostome. Editorial Toray-

Masson, S.A.


4

Fluids refrigerants

Els fluids de treball utilitzats en els equips de refrigeració s’anomenen

genèricament refrigerant. Al principi de les màquines frigorífiques

s’utilitzava el diòxid de sofre i els clorurs d’etil i metil. Posteriorment

es va utilitzar l’amoníac fins a finals de segle passat. Actualment

pràcticament s’utilitzen sempre derivats halogenats d’hidrocarburs

saturats.

Els refrigerants han de complir certes condicions físiques i tèrmiques,

entre les que destaquen:

o La temperatura crítica ha de ser superior a la de la font

calent en tot moment.

o La calor latent de vaporització ha de ser elevada.

o La relació de compressió ha de ser el més baix possible.

o La relació entre les calors específiques del vapor a pressió

constant i a volum constant també son importants a

l’hora d’escollir el refrigerant.

o Elevada conductivitat tèrmica

També han de complir determinades condicions de seguretat i

pràctiques

o Toxicitat: s’ha d’anar amb compte ja que tots els

refrigerants (excepte l’aire i l’aigua) poden ser molt

perillosos pel medi ambient i per a l’home en espais

tancats.

o Refrigerants difícilment inflamables

o Viscositat moderada per a evitar pèrdues

Els refrigerants més comuns són: Amoníac, R-22, R-123 i R-134a.

A la nostra bomba de calor s’utilitza el R-134a, que no és gaire

contaminant ja que substitueix els CFC per HFC i així no conté clor,

que en grans quantitats destrueixen la capa d’ozó.

Actualment, el 90% dels refrigerants utilitzats són fabricats a base

d’olis minerals derivats del petroli. Aquests, a més de ser derivats de

matèria primera no renovable, són tòxics i no biodegradables, per

tant són altament contaminants.

Avui dia el repte és desenvolupar i trobar fluids dielèctrics

refrigerants (FDR) que siguin millors funcionalment i que protegeixin


5

el medi ambient. Aquests refrigerants es poden obtenir a partir d’olis

d’origen vegetal.

Descripció del cicle

El cicle que segueix la bomba de calor del laboratori és:

El fluid refrigerant surt de l’evaporador generalment com a vapor

saturat (estat 1) a baixa pressió i a continuació ingressa en el

compressor on es comprimeix adiabàticament, mitjançant l’aportació

de treball, fins a la pressió del condensador. Del compressor surt com

a vapor sobreescalfat (estat 2). A la sortida del compressor el fluid

refrigerant ingressa en el condensador on cedint calor, a pressió

constant, al focus calent de la màquina surt com a líquid saturat

(estat 3). A la sortida del condensador el refrigerant passa per una

vàlvula d’estrangulament on s’expansiona fins a la pressió de

l’evaporador on entra com a vapor humit (estat 4) i, absorbint calor a

pressió constant del focus fred s’evapora fins a vapor saturat.

o Estat 1: entrada de l’evaporador (Pe, T1)

o Estat 2: sortida de l’evaporador (Pev, T2)

o Estat 3: entrada del condensador (Pc, T3)

o Estat 4: sortida del condensador (Pc, T4)

* En el procés d’expansió a la vàlvula d’estrangulament, es produeix

una expansió Joule-Thomson amb un coeficient positiu, ja que al

disminuir la pressió, la temperatura també ha baixat. A l’hora

d’escollir el fluid refrigerant, s’ha de pensar, tal i com ja s’ha

comentat, el cicle que realitzarà. Si aquest refrigerant tingués una

temperatura d’inversió per sota de la màxima a la que arriba abans

d’entrar al condensador, llavors podria passar que al expansionar-se

el gas, aquet s’escalfés, cosa que no ens interessaria per a res amb

aquest muntatge, ja que volem tenir una temperatura baixa per a

poder agafar calor del evaporador. Si això passés, el coeficient de

Joule-Thomson seria negatiu.


6

3. Metodologia experimental

La metodologia d’aquesta pràctica és molt senzilla i té el següent

procediment:

1. Omplir d’aigua destil·lada (5L) l’evaporador i el condensador.

2. Encendre la bomba de calor i esperar uns 10 minuts a que

comenci a funcionar el cicle.

3. Prendre les mesures que es llegeixen sobre temperatures i

pressions.

4. Repetir el punt 3 a intervals de 5 minuts fins portar 6 o 7

mesures.

5. Apagar la bomba de calor i buidar als dipòsits l’aigua del

condensador i l’evaporador.

4. Mesures experimentals

En aquest apartat es presenten totes les dades que s'han recollit al

laboratori per a després a l'apartat 5, es treballi amb elles i

s'extreguin els resultats. Degut a que simplement s’han pres dades a

intervals de temps més o menys constants, presentaré les dades en

forma d’una única taula.

t(min) TA(ºC) TB(ºC) T1(ºC) T2(ºC) T3(ºC) T4(ºC) Pev(bar) Pco(bar) W(W)

0 21,2 22,6 -4,6 21,5 34,6 23,6 2,2 6,8 110,0

5 20,2 23,6 -3,7 21,0 39,9 24,9 2,4 7,0 110,5

10 17,8 25,1 -2,1 19,8 44,5 26,3 2,5 7,5 111,0

15 16,8 26,9 -0,8 18,8 48,3 27,9 2,6 7,6 112,0

20 15,9 28,1 -0,6 17,7 50,6 28,9 2,7 8,0 114,0

25 13,8 29,6 -0,1 16,8 52,4 30,1 2,8 8,4 116,5

Comentaris:

La mesura corresponent al temps 0 a la fulla de pràctiques es

correspon a la de 5 minuts. Això és degut a que la primera


7

mesura no serveix ja que la màquina encara no estava fent el

cicle correctament.

La pressió que apareix a les taules prové de sumar-li a la

pressió manomètrica (pressió relativa) la pressió atmosfèrica i

així s’obté la pressió absoluta.

El volum d’aigua que s’ha ficat al condensador és el mateix que el

que s’ha ficat al evaporador i és de 5 litres.

Temperatura inicial de l’evaporador: 21,3 ºC

Temperatura inicial del condensador: 22 ºC

5. Tractament de dades2

A partir d’ara, com que per a cada temps el cicle és lleugerament

diferent, el que es farà és estudiar el cicle amb les últimes dades

recollides (les corresponents al temps de 25 minuts).

El primer que es farà és estudiar l’estat en que es troba el refrigerant

R-134a en cada part del cicle. Per fer-ho s’utilitzaran les taules

termodinàmiques del refrigerant. Primer es calcularà l’estat que

donen les dades recollides, i després es faran les consideracions i

correccions necessàries.

Estat 1: Entrada de l’evaporador

Es troba a la pressió de l’evaporador i a la temperatura T1

P1 = 2,8 bar ≡0,28 MPa T1 = -0,1 ºC

De taules s’observa que per a aquesta pressió i temperatura el

refrigerant es troba en estat de vapor reescalfat, però es troba molt

proper a l’estat de vapor saturat.

Estat 2: Sortida de l’evaporador

Es troba a la pressió de l’evaporador i a la temperatura T2

P2 = 0,28 MPa T2 = 16,8 ºC

2 Totes les dades tabulades utilitzades en aquest apartat provenen del quadern: Taules i gràfiques de

propietats termodinàmiques. Del Departament de Màquines i Motors tèrmics de l’ETSEIAT (UPC).


8


refrigerant es troba en estat de vapor reescalfat.

Estat 3: Entrada del condensador

Es troba a la pressió del condensador i a la temperatura T3

P3 = 0,84 MPa T3 = 52,4 ºC


refrigerant es troba en estat de vapor reescalfat.

Estat 4: Sortida del condensador

Es troba a la pressió del condensador i a la temperatura T4

P3 = 0,84 MPa T4 = 30,1 ºC


refrigerant es trobaria en estat de líquid comprimit, però degut a que

les taules no apareixen les dades de líquid comprimit i que es troba

molt proper a la temperatura de saturació per a aquesta pressió,

considerarem que el refrigerant es troba en estat de líquid saturat de

títol x=0.

La pressió i temperatura a la que es trobaria fent aquestes

consideracions és:

P4 = 0,84MPa i T4 = 33,01 ºC

Consideració a fer:

A l’entrada del evaporador (estat 1) sabem que el refrigerant

està en estat vapor humit amb un cert títol x. Per trobar quin

és aquest títol primer de tot considerarem que es troba a la

temperatura de saturació: T=-0.1ºC i s’obté que la pressió de

saturació seria de: P = 0.29 MPa (el valor agafat experimental

és de 0.28 MPa) per tant aquesta petita diferència de pressions

es pot adjudicar a que el lector del manòmetre no tenia

suficient precisió. Per tant, a partir d’ara treballaré amb

0.29MPa per a la pressió de l’evaporador.


9

Un cop se sap que el refrigerant es troba en estat de vapor humit,

per trobar el títol s’imposarà que l’entalpia de l’estat 1 és la mateixa

que la de l’estat 4. Això es pot dir ja que el fluid de 4 a 1

s’expansiona amb una expansió Joule-Thomson que es caracteritzen

per ser processos isentàlpics.

L’entalpia al punt 4 la calculem de taules ja que sabem la pressió i

temperatura. Com que al punt 4 es troba en estat de líquid saturat,

interpolant trobem l’entalpia:

Per a facilitar els càlculs, com que hi ha molt poca diferència entre

-0.1ºC i 0ºC, a l’hora d’utilitzar les taules s’utilitzaran els valors per a

zero graus. S’entén que s’accepta un risc major d’error, però com que

ja de per si les mesures realitzades són aproximades, aquesta

simplificació no afecta gaire.

Per tant tenim que:

Si ho resumim en un quadre, tenim que:

Estat Estat en que es troba Títol (en cas que hi hagi)

1 VAPOR HUMIT 0,23

2 VAPOR REESCALFAT ---

3 VAPOR REESCALFAT ---

4 LÍQUID SATURAT 0

Seguidament, després de saber l’estat en que es troba el fluid en

cada procés, es procedirà a calcular l’entalpia en cada estat.


10

Estat 1

Aquí si no consideréssim que el fluid prové d’una expansió Joule-

Thomson i féssim els càlculs per a l’entalpia, observem que aquesta

difereix molt amb el valor real:

L’entalpia real és de

Estat 2

Per trobar-ho, s’ha d’interpolar:

Estat 3

Per trobar-ho, s’ha d’interpolar. Aquest cop, s’han de fer 3

interpolacions. Primer trobarem l’entalpia que té a la pressió que ens

interessa però a les temperatures que trobem tabulades:

Per a la pressió de 0,8 MPa tenim:

Per a la pressió de 0,9 MPa tenim:


11

Finalment, per trobar l’entalpia a les condicions de l’estat 3 s’ha

d’interpolar entre les pressions a la temperatura de 52,4ºC:

Estat 4

Per a aquest estat, hem calculat anteriorment el valor de l’entalpia i

és de:

Taula resum de les dades trobades:

Un cop fet això, ja tenim dades suficients per a representar el cicle en

un diagrama P-h, que és com s’acostumen a representar els cicles. A

l’annex està el cicle dibuixat sobre el diagrama.

Ara que ja està determinat el cicle i l’estat del refrigerant en cada

punt del recorregut, interessa estudiar si la bomba de calor és eficient

o no. És a dir, ara s’estudiaran els intercanvis de calor en el sistema.

Primer de tot ens interessa saber el cabal màssic de refrigerant que

hi ha. Degut a que és un cicle, si analitzem una part del mateix

observem que es tracta d’un sistema obert de flux estacionari.

Si apliquem la conservació de l’energia sobre el compressor tenim:

Al ser un procés de flux estacionari, adiabàtic i menyspreant les

variacions d’energia cinètica i potencial, l’equació es redueix a:

Estat Entalpia (kJ/kg)

1 241,6

2 410,6

3 436,5

4 246,1


12

* El treball axial té el signe negatiu ja que el treball es fa sobre el

sistema.

Es procedirà a calcular la calor intercanviada al condensador i al

evaporador.

Evaporador: s’ha vist que l’aigua de l’evaporador cada cop es

refredava més, per tant està perdent calor. És de suposar

doncs que el signe de la calor absorbida pel fluid sigui positiva.

En aquest cas, la conservació de l’energia es queda com:

Si volem calcular la calor per unitat de temps tenim:

o

Si volem calcular la calor per unitat de massa tenim:

o

Condensador: Aquí seria el raonament invers, i esperem que la

calor surti negativa, ja que el fluid la perd:

Si volem calcular la calor per unitat de temps tenim:

o

Si volem calcular la calor per unitat de massa tenim:

o

Tenint les calors, l’únic que interessa estudiar ja, és el COP de la

bomba de calor, que ens dirà si és eficient o no.


13

6. Conclusions

Aquesta pràctica és molt completa en molts aspectes tant de la

termodinàmica com de l’enginyeria en general. Al que em refereixo és

a que he après el funcionament intern d’una bomba de calor i he

demostrat aproximadament com funciona. Per altre banda, com a

futur enginyer, s’ha de ser capaç de fer suposicions correctes quan et

falten dades, és a dir, hem suposat que era un líquid saturat, tot i

que els nostres valors ens diguessin el contrari. Aquest tipus de

suposicions i aproximacions són molt necessàries en l’àmbit de

l’enginyeria ja que no sempre es tindran totes les eines disponibles.

També m’agradaria comentar que tot i donar uns resultats dins del

que s’esperava, a l’hora de fer les mesures el sistema no és gens

eficient, i més si es realitza la pràctica individualment. La cosa és que

els manòmetres tenen molt poca precisió, per tant els valors s’agafen

a ull. També quan comences a mesurar la primera temperatura fins

que arribes a mesurar la potència, el cicle ja no és el mateix i per

tant acumules un gran error. Per millorar aquest fet, se m’acudeix

que podria ser interessant connectar els instruments a un ordinador i

que anés registrant automàticament els valors de temperatura i

pressió.

Que el COP de la màquina sigui 7 vol dir que s’està cedint 7 cops més

calor que treball s’està fent per produir-lo. Per tant es pot afirmar que

en principi la màquina és eficient. Per a poder-ho assegurar, s’hauria

de comparar amb altres COP’s de bombes calorífiques reals.

Finalment, tot i que la pràctica serveix per a il·lustrar el funcionament

d’una bomba de calor, aquesta no podria servir per a produir calor a

cap instal·lació ja que l’aigua de l’evaporador i la del condensador

arriba un moment que no intercanvien més calor i per tant, el cicle

deixa de funcionar correctament. Per solucionar aquest problema es

podria inserir al condensador i a l’evaporador un serpentí amb aigua

que així mantingués constant la temperatura dins d’ells. Si això es

fes, el cicle funcionaria molt millor i durant més temps.


14

7. Bibliografia

TERMODINÀMICA: Pràctiques de Laboratori. Unitat de

Termodinàmica i físico-química ETSEIAT

Las bombas de calor. R. Dumon y G. Chrysostome. Editorial

Toray-Masson, S.A.

Desarrollo de fluidos dieléctricos refrigerantes no contaminantes

de origen vegetal. Amárico Bozzano. Empresa: Tubos Trans

Electric S.A.

Bombas de calor. http://www.soliclima.es/productos/9-bomba-

de-calor.html

Heat pump. http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_pump

Refrigerantes.

http://pdf.rincondelvago.com/refrigerantes_fluidos.html

Refrigeración por compresión.

http://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_compre

si%C3%B3n

8. Annex

Pràctica 11: Bomba de Calor · 2019. 10. 11. · Laboratori de TERMODINÀMICA 13/10/2011 Valentín...

Documents

Transcript of Pràctica 11: Bomba de Calor · 2019. 10. 11. · Laboratori de TERMODINÀMICA 13/10/2011 Valentín...