ANÁLISIS DE LAS IRREVERSIBILIDADES EN UN SISTEMA DE ...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA LABORATORIO DE INGENIERIA TERMICA E HIDRÁULICA APLICADA

ANÁLISIS DE LAS IRREVERSIBILIDADES EN UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN MECANICA DE VAPOR CON REFRIGERANTE 134a

T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECANICA

PRESENTA

Ing. Carlos Rangel Romero

Director de Tesis: Dr. Pedro Quinto Diez

Septiembre del 2003

Índice general

INDICE GENERAL

DESCRIPCION PAG

Lista de figuras y tablas I

Nomenclatura VII

Resumen IX

Abstract X

Introducción XI

CAPITULO 1

ANTECEDENTES

1.1 Sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor 1

1.1.1 Ciclo de compresión de vapor ideal 3

1.1.2 Ciclo de compresión de vapor real 4

1.2 Refrigerantes y sus propiedades 7

1.2.1 Criterios de selección del refrigerante 7

1.3 Refrigerantes hidrofluorocarbonados (HFC) de sustitución 8

1.3.1 Propiedades del refrigerante HFC-134a 9

1.3.2 Nomenclatura de los refrigerantes 10

CAPITULO 2

ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL CICLO DE REFRIGERACION

2.1 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración 13

2.1.1 Segunda ley de la termodinámica 13

2.1.2 Ecuaciones de la primera y segunda leyes de la termodinámica 14

2.2 Análisis energético del ciclo real de refrigeración por compresión mecánica de

vapor

15

2.3 Análisis exergético del ciclo real de refrigeración por compresión mecánica de

vapor

17

2.4 Metodología para obtener las irreversibilidades en cada componente del sistema 21

Índice general

de refrigeración

2.5 Base de datos del sistema de refrigeración 25

CAPITULO 3

INSTALACIÓN EXPERIMENTAL 3.1 Descripción del equipo experimental 26

3.1.1 Unidad condensadora enfriada por aire 26

3.1.2 Evaporador 29

3.1.3 Válvula de expansión termostática 31

3.1.4 Calentador de agua 31

3.1.4.1 Depósito de agua 33

3.1.5 Sistema de control 34

3.1.6 Tuberías 35

3.1.7 Sistema de adquisición de datos 36

3.1.8 Instrumentos de medición 36

3.1.8.1 Termopares 37

3.1.8.2 Transductores 37

CAPITULO 4

DESARROLLO DE LA EXPERIMENTACION 4.1 Planeación de la experimentación 39

4.2 Procedimiento de la experimentación 41

4.3 Desarrollo de la experimentación y datos obtenidos 41

4.3.1 Flujo de agua de 0.5 l/s 42



4.4 Gráfica de los resultados 54




Índice general

CAPITULO 5

ANALISIS DE RESULTADOS 5.1 Análisis de los resultados experimentales 59

5.1.1 Análisis de los resultados a 0.5 l/s 59



CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 71

Conclusiones 71

Recomendaciones 72

Bibliografía 73

Anexo A 76

Anexo B 88

Anexo C 94

Anexo D 100

Lista de figuras y tablas

I

LISTA DE FIGURAS Y TABLAS

FIGURAS

FIGURA DESCRIPCION PAGINA

1.1 Componentes del sistema de refrigeración por compresión mecánica

de vapor

2

1.2 Diagrama P-h de un ciclo ideal de refrigeración por compresión

mecánica de vapor

3

1.3 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración por compresión

mecánica de vapor.

6

1.4 Comparación del ciclo de refrigeración real e ideal 6

1.5 Secuencia para obtener el HFC-134a 9

2.1 Flujo de energía en un sistema termodinámico abierto 14

2.2 Diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeración por compresión

mecánica de vapor

16

2.3 Componentes básicos de un sistema real de refrigeración por

compresión mecánica de vapor

18

3.1 Unidad condensadora 27

3.2 Accesorios secundarios de la unidad condensadora 29

3.3 Evaporador ( Intercambiador de calor). 30

3.4 Válvula de expansión termostática 31

3.5 Calentador de agua 32

3.6 Depósito de agua 33

3.7 Motor agitador 34

3.8 Sistema de control 35

3.9 Sistema de adquisición de datos 37

4.1 Puntos de medición del sistema de refrigeración por compresión

mecánica de vapor.

40


II

4.2 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 0.5 l/s 43

4.3 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 0.5 l/s 45





4.8 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración a 0.5 l/s. 55

4.9 Diagrama T-s de un ciclo real de refrigeración a 0.5 l/s 56

4.10 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración a 1.0 l/s. 57


4.12 Diagrama p-h de un ciclo real de refrigeración a 1.1 l/s 58


5.1 Variación de la carga térmica con respecto al tiempo a 0.5 l/s 60

5.2 Potencia suministrada al compresor a 0.5 l/s 60

5.3 Comportamiento del COP real a 0.5 l/s 61

5.4 Obtención del punto de operación óptimo a 0.5 l/s 62

5.5 Comportamiento de las irreversibilidades y de la potencia

suministrada

62






suministrada

66






suministrada

69


III

FIGURAS EN LOS ANEXOS

B.1 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 0.5 l/s 88

B.2 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 0.5 l/s 88











C.1 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración a 0.5 l/s. 94

C.2 Diagrama T-s de un ciclo real de refrigeración a 0.5 l/s 94







C.9 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 1.1 l/s 98

C.10 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 1.1 l/s 98

C.11 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 1.1 l/s 99

C.12 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 1.1 l/s 99

D.1 Carga térmica a 0.5 l/s 100

D.2 Comportamiento del COP a 0.5 l/s 100

D.3 Comparación del COP a 0.5 l/s 101


IV

D.4 Comportamiento de las irreversibilidades y de la potencia suministrada a 0.5 l/s 101






















V

TABLAS

TABLA DESCRIPCION PAGINA

1.1 Propiedades físicas del HFC-134a 12

2.1 Cálculo de irreversibilidades 22

4.1 Desarrollo de pruebas experimentales 39

4.2 Lecturas realizadas a los componentes del sistema de refrigeración 40

4.3 Temperatura del refrigerante a 0.5 l/s 42

4.4 Presión del refrigerante a 0.5 l/s 44

4.5 Temperatura del agua y medio ambiente 45

4.6 Medidas de energía eléctrica a 0.5 l/s 46









5.1 Cálculos realizados y ecuaciones aplicadas 59

5.2 Resultados experimentales a 0.5 l/s 63




VI

TABLAS EN LOS ANEXOS A.1 Temperatura del refrigerante a 0.5 l/s 76

A.2 Presión del refrigerante a 0.5 l/s 76

A.3 Temperatura del agua y medio ambiente 77

A.4 Medidas de energía eléctrica a 0.5 l/s 77

A.5 Temperatura del refrigerante a 0.5 l/s 78




















Nomenclatura

VII

NOMENCLATURA

COP Coeficiente de operación

C Calor especificó del fluido kJ/kg K

h Entalpía kJ/kg

I irreversibilidad kW

kW kilowatt ºC

kPa kilopascal ºC

l/s Litros sobre segundo

mr Flujo másico del refrigerante kg/s

m Flujo másico del fluido kg/s

P Presión kPa

P Potencia suministrada al compresor kW

QA Sumidero de calor kJ

QB Fuente de calor kJ

QO Carga térmica kW

Q Calor absorbido o disipado kW

q2-3 Calor de condensación kJ/kg

q4-1 Efecto refrigerante kJ/kg

S Entropía kJ/kJ K

Sgen Entropía generada kJ/kJ K

T0 Temperatura ambiente ºC

T∆ Diferencia de temperaturas

TR Temperatura promedio en el evaporador

TAGUA Temperatura del agua ºC

Tent,evap Temperatura del agua a la entrada del evaporador ºC

Tsal,evap Temperatura del agua a la salida del evaporador ºC

Tambiente Temperatura ambiente ºC

*Tprom Temperatura promedio en el condensador ºC

**Tprom Temperatura promedio en el evaporador ºC

Nomenclatura

VIII

V2/2 Energía cinética kJ/kg

Vg Volumen especifico m3/kg

x calidad

w Trabajo mecánico especifico kJ/kg

W Trabajo mecánico kJ/kg

Z Energía potencial kJ/kg

Subíndice

Comp Compresor

cond Condensador

COND Condensante

e Entrada

endo Endorreversible

evap Evaporador

f Propiedades de estado liquido

fg Propiedades de estado liquido-vapor

g Propiedades de estado vapor

i Inicial

int Interno

Irrev. Irreversibilidad

leak Fugas al exterior

Pot. Potencia

rev Reversible

s Salida

sat Saturado

Sist Sistema

Sum. Suministrada

vap Vapor

Abstract

IX

RESUMEN

En este trabajo se desarrollo una metodología para determinar las irreversibilidades generadas en

los sistemas de refrigeración por compresión mecánica de vapor. La metodología desarrollada fue

probada en un sistema de refrigeración experimental instalado en el Laboratorio de Ingeniería

Térmica e Hidráulica (LABINTHAP) de la SEPI-ESIME-IPN.

La evaluación de las irreversibilidades se hizo para cada uno de los componentes del sistema de

refrigeración (evaporador, línea de succión, compresor, línea de descarga, condensador, línea de

liquido y la válvula de expansión). También se analizo la evoluación de la carga térmica que

incide directamente sobre las irreversibilidades originadas en el sistema de refrigeración

Para el análisis de las irreversibilidades, se utilizaron tres diferentes flujo de agua (0.5 l/s, 1.0 l/s

y 1.1 l/s), obteniéndose información valiosa sobre el uso de la energía en los sistemas de

refrigeración por compresión mecánica de vapor. El refrigerante empleado en este trabajo fue el

R-134a.

En este trabajo se identifico donde se originan las mayores irreversibilidades al variar el flujo de

agua que circula a través del evaporador. También los resultados experimentales demostraron que

las mayores irreversibilidades se originaron en el compresor y el condensador del sistema de

refrigeración.

Abstract

X

ABSTRACT

In this work shows a methodology developed to determine irreversibilities caused by mechanic

steam compression refrigeration system. This methodology developed was tested on the

experimental refrigeration system installed an the Thermal Engineering Laboratory and Applied

Hydraulics (LABINTHAP) of the SEPI-ESIME-IPN.

The analysis of the irreversibilities was made for every one refrigeration system component

(evaporator, line suction, compressor, line blast, condenser, liquid line, and expansion valve).

Besides the mass flow was examined.

For the analysis of the irreversibilities was employed three different mass flow (0.5, 1.0, 1.1 l/s),

thus yielding valuable information was obtained about the use of energy in the mechanic steam

compression refrigeration system. The refrigerant applied in this work was the R-134a.

Introducción

XI

INTRODUCCION

En el presente trabajo se analizan las irreversibilidades originadas en el evaporador, compresor,

condensador y válvula de expansión en el sistema de refrigeración por compresión mecánica de

vapor.

El análisis teórico se fundamenta en la aplicación de la primera y segunda ley de la

termodinámica , dicho análisis se aplico en el sistema de refrigeración por compresión mecánica

de vapor experimental instalado en el Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada

(LABINTHAP).

Para el an álisis experimental se colocaron termopares y transductores de presión a la entrada y

salida del evaporador, compresor, condensador y válvula de expansión. En este análisis se

hicieron circular tres diferentes flujos de agua a través del evaporador, que son 0.5, 1.0, 1.1 l/s, la

duración de cada prueba experimental es de 2 horas.

Durante la fase experimental la presión de condensación no presento variación, mientras que la

presión de evaporación disminuye conforme la temperatura de agua a enfriar disminuye. Con lo

que respecta a las irreversibilidades se demostro que no siempre la mayor irreversibilidad la

presenta el compresor.

Durante la prueba experimental se encontró un punto de operación óptimo en el que se tiene la

menor irreversibilidad en todo el sistema de refrigeración durante las dos horas de la prueba

experimental.

Capítulo 1 Antecedentes

1

Capítulo 1

Antecedentes En este capítulo se exponen las características fundamentales de los sistemas de refrigeración por compresión mecánica de vapor, posteriormente se describen los ciclos ideal y real de refrigeración por compresión mecánica de vapor, y se muestran las diferencias entre estos dos ciclos de refrigeración. También se presentan y se describen los factores que provocan las irreversibilidades en el ciclo de refrigeración real, y por último se revisan las características técnicas y las prop iedades del refrigerante empleado en este trabajo.

1.1. Sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor.

La refrigeración, y en particular la que se realiza por medio de los sistemas de refrigeración por compresión mecánica de vapor, son import antes en la vida moderna, ya que se aplican en todas las actividades de la sociedad: en los sectores industrial, comercial y doméstico. Los sistemas de refrigeración por compresión mecánica de vapor se basan en el aprovechamiento de las propiedades que tienen los refrigerantes de evaporarse a bajas temperaturas, a presión mayor que la atmosférica. La descripción de la operación del sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor es la siguiente:

a) En el evaporador el refrigerante absorbe calor de la sustancia a enfriar, que puede ser un fluido o un depósito, disminuyendo así la temperatura de la misma; durante este proceso se efectúa el cambio de fase del refrigerante de líquido a vapor. Este proceso se conoce como “evaporación”.

b) En la línea de succión, el refrigerante circula del evaporador al compresor y absorbe calor

del medio ambiente, debido a que al salir del evaporador, el refrigerante tiene una temperatura menor que la del medio ambiente.

c) En el compresor se suministra trabajo mecánico al refrigerante, por lo que incrementa su

temperatura y presión; esto es necesario para que posteriormente pueda condensarse. Este proceso se conoce como de “compresión”.

d) En la línea de descarga, el refrigerante circula del compresor al condensador y rechaza

calor hacia el medio ambiente, ya que la temperatura del refrigerante es mayor que la temperatura del medio ambiente, debido al incremento de temperatura y presión que le proporcionó el compresor.


2

e) En el condensador, el refrigerante rechaza calor hacia el medio condensante, que puede ser el medio ambiente o un fluido de enfriamiento. Aquí ocurre el cambio de fase de vapor a líquido. Este proceso se conoce como de “condensación”. En estas condiciones de líquido a alta presión y alta temperatura, el refrigerante entra al recipiente de almacenamiento.

f) En la línea de líquido, el refrigerante circula del recipiente de almacenamiento a la válvula

de expansión, y en esta línea el refrigerante, rechaza calor hacia el medio ambiente.

g) En la válvula de expansión, el refrigerante disminuye su presión y temperatura, pasando de un líquido de alta presión y alta temperatura a una mezcla líquido-vapor de baja calidad a baja presión y baja temperatura. La válvula de expansión también tiene la función de regular el flujo de refrigerante hacia el evaporador. Este proceso recibe el nombre de “expansión”.

A la salida de la válvula de expansión, el refrigerante entra nuevamente al evaporador y así se completa el ciclo de refrigeración. En la figura 1.1 se muestra un esquema del sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor.

Figura 1.1 Componentes del sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor

DEPOSITO DE AGUA

CONDENSADOR

EVAPORADOR

COMPRESOR

VALVULA DE EXPANSION

RECIPIENTE

LINEA DE SUCCION

LINEA DE DESCARGA

LINEA DE LIQUIDO

FILTRO

MIRILLA

VENTILADOR DEL CONDENSADOR

MOTOR ELECTRICO

CONDENSADOR

EVAPORADOR

COMPRESOR

VALVULA DE EXPANSION

RECIPIENTE

LINEA DE SUCCION

LINEA DE DESCARGA

LINEA DE LIQUIDO

FILTRO

MIRILLA


MOTOR ELECTRICO


3

1.1.1. Ciclo de compresión de vapor ideal.

En el ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor, se hacen las siguientes consideraciones:

• No existen caída de presión en los equipos y componentes del sistema. • No hay transferencia de calor entre el refrigerante y el medio ambiente, en las líneas

de succión, de descarga y de líquido. • El proceso de compresión se realiza en forma isentrópica (adiabática-reversible).

Las consideraciones anteriores permiten suponer que las propiedades del refrigerante a la salida de cada componente del sistema son las mismas que las de la entrada del siguiente componente, por lo que el ciclo ideal de refrigeración es más fácil de estudiar. El ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor se compone de cuatro procesos termodinámicos, que son los que se describen a continuación, y que se muestran gráficamente en la figura 1.2, que corresponde a la representación del ciclo ideal de refrigeración en el diagrama de Mollier.

Figura 1.2 Diagrama P-h de un ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor.

a).- Proceso de evaporación (4-1).- Este proceso se realiza a presión constante (isobárico) en el evaporador; el refrigerante pasa del estado de mezcla líquido-vapor a baja presión y baja temperatura, a vapor saturado a la misma presión y temperatura. Este cambio de fase sucede debido a que el refrigerante absorbe calor de la sustancia ó del espacio a enfriar.

1.E+02

1.E+03

1.E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sión

(kP

a)

4

3 2

1Evaporación

Condensación

Expansión Compresión

1.E+02

1.E+03

1.E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sión

(kP

a)

4

3 2

1Evaporación

Condensación

Expansión Compresión


4

b).- Proceso de Compresión (1-2).- El proceso se realiza en forma adiabática, reversible (isoentrópico) en el compresor; el refrigerante pasa de vapor saturado de baja presión y baja temperatura a vapor sobrecalentado a alta presión y alta temperatura. c).- Proceso de Condensación (2-3).- Este proceso se realiza a presión constante (isobárico) en el condensador; el refrigerante pasa de vapor sobrecalentado a líquido saturado a alta presión y a la temperatura de saturación que corresponde a la presión de saturación. d).- Proceso de Expansión (3-4).- Este proceso se realiza a entalpía constante en la válvula de expansión; el refrigerante disminuye de presión, pasando de la presión de condensación a la presión de evaporación, saliendo como una mezcla de líquido-vapor de baja calidad.

1.1.2 Ciclo de compresión de vapor real

El ciclo real de refrigeración difiere del ciclo ideal, porque se hacen las siguientes consideraciones que no se toman en cuenta en el ciclo ideal.

• Existen caídas de presión en todos los equipos y componentes del sistema, excepto en el compresor, que es el equipo que compensa todas las pérdidas de presión.

• Se presentan intercambios de calor entre el refrigerante y el medio ambiente, tanto en los

equipos como en las líneas de succión, de descarga y de líquido • El proceso de compresión no es isoentrópico; en el mejor de los casos puede ser

adiabático irreversible. • El fluido de trabajo (refrigerante) no es una sustancia pura, sino una mezcla de

refrigerante y lubricante. Estos situaciones causan irreversibilidades en el sistema de refrigeración y por cada una de ellas se requiere suministrar una potencia adicional por medio del compresor para contrarrestar sus efectos. Las irreversibilidades no se pueden evitar, pero se deben de reducir a un mínimo para reducir la potencia adicional suministrada. Los procesos que se efectúan en un ciclo de refrigeración real son los siguientes:

1. Proceso de Evaporación (4-1).- En este proceso el refrigerante pasa de una mezcla de líquido y vapor a baja presión y baja temperatura a vapor sobrecalentado a baja presión. El sobrecalentamiento es necesario para asegurar que el refrigerante se evapore por completo, antes de entrar al compresor y así evitar posibles daños a este equipo, que es el más importante del sistema. Durante este proceso se presenta una caída de presión en el evaporador.

2. Proceso en la Línea de succión (1-1´).- Cuando el refrigerante en estado de vapor

sobrecalentado a baja temperatura fluye a través de esta línea, continúa absorbiendo calor


5

del medio ambiente por encontrarse a menor temperatura que la del medio ambiente, por lo que se sigue sobrecalentando. Esta absorción de calor, cuando se lleva a cabo fuera del espacio a enfriar, no produce enfriamiento útil. Este sobrecalentamiento puede evitarse aislando la tubería. Adicionalmente se presenta una caída de presión, como consecuencia de la fricción del refrigerante en el interior de la tubería.

3. Proceso de Compresión (1´-2).- En el compresor se producen diversas irreversibilidades, que incluyen las fricciones entre las piezas metálicas en movimiento y la transferencia de calor entre el refrigerante y el medio ambiente, como consecuencia del aumento de presión y temperatura que le proporciona el trabajo de compresión realizado por el compresor. Así, resulta un proceso de compresión politrópico y no isoentrópico. Como resultado del alejamiento del proceso isoentrópico, se presentan irreversibilidades que exigen el suministro de mayor energía mecánica con respecto al proceso ideal de compresión.

4. Proceso en la Línea de Descarga (2-2´).- Al circular el refrigerante por esta línea,

suministra calor al medio ambiente porque su temperatura es mayor a la del medio ambiente. Esta transferencia de calor es deseable porque de-sobrecalienta al refrigerante y así apoya la función del condensador. Como consecuencia del rozamiento entre el refrigerante y el interior de la tubería, se produce una caída de presión.

5. Proceso de Condensación (2´-3).- En este equipo el refrigerante rechaza calor hacia el

medio condensante, que puede ser aire ó agua. Como consecuencia de esta transferencia de calor, el refrigerante pierde el sobrecalentamiento y posteriormente se condensa. En este proceso se presenta una caída de presión. Además, se espera que el refrigerante sufra un subenfriamiento, que resulta benéfico porque aumenta el efecto refrigerante y asegura que el refrigerante entre a la válvula de expansión en estado líquido.

6. Proceso en la Línea de Líquido(3-3´).- Esta línea une la salida del condensador y la

entrada a la válvula de expansión, pasando por algunos dispositivos necesarios para evitar que el refrigerante arrastre impurezas que pudieran obstruir la válvula de expansión o dañar el compresor. Entre esos dispositivos se pueden considerar filtros, secadores, etc. Se presenta una transferencia de calor hacia el medio ambiente, así como una caída de presión.

7. Proceso de Expansión (3´-4).- Al pasar el refrigerante por la válvula de expansión, sufre

un proceso de estrangulamiento, que a diferencia del proceso ideal, se aleja ligeramente del proceso isoentálpico, que para efectos prácticos se puede ignorar porque este dispositivo es muy pequeño y la transferencia de calor que se presenta es insignificante. El refrigerante pasa de la presión de condensación a la presión de evaporación y sale de la válvula de expansión como una mezcla líquido-vapor de baja calidad, de baja presión y baja temperatura.

En la figura 1.3 se muestran esquemáticamente el ciclo real de refrigeración por compresión mecánica de vapor, en el diagrama P-h.


6

Figura 1.3 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración por compresión mecánica de vapor.

En la figura 1.4 se muestra en diagrama P-h la comparación entre el ciclo real y el ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor. Se observa que las diferencias entre ambos ciclos se deben a las caídas de presión, el sobrecalentamiento y el subenfriamiento, entre otras.

Figura 1.4 Comparación del ciclo de refrigeración real e ideal.

1.E+02

1.E+03

1.E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sión

(k

Pa)

4

3

1

3´

1´

22´

1.E+02

1.E+03

1.E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sión

(k

Pa)

4

3

1

3´

1´

22´

1.E+02

1.E+03

1.E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sión

(k

Pa)

14

2

1´

2´3

3´

1.E+02

1.E+03

1.E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sión

(k

Pa)

14

2

1´

2´3

3´


7

1.2 Refrigerantes y sus propiedades.

Se conoce como refrigerante a las sustancias que actúan como fluido de trabajo en los sistemas de refrigeración, absorbiendo calor de la sustancia o espacio a enfriar, a baja temperatura, y desechando calor a alta temperatura hacia el medio condensante. Para que una sustancia pueda utilizarse como refrigerante, esta debe poseer propiedades físicas, químicas y termodinámicas, que le permitan cumplir con la función asignada en forma segura, ecológica y económica [ ]2 . En la actualidad no existe ningún refrigerante que se pueda considerar ideal, debido a la amplia variedad de condiciones en las que tiene que trabajar, que dependen de las aplicaciones. Esto quiere decir que no existe un refrigerante que pueda ser usado para todas las aplicaciones, por lo que el refrigerante seleccionado para una aplicación determinada, debe ser aquel que cumpla con el mayor número de las siguientes características [ ]6 :

ü Tener propiedades físicas y termodinámicas que permanezcan sin cambios en cada estado termodinámico.

ü En su estado puro o mezclado con aire debe ser no-flamable, no-tóxico, no-explosivo.

ü Estar disponible en el mercado a bajo costo.

ü No representar riesgos de contaminación a los productos alimenticios almacenados y

al medio ambiente, cuando se presente alguna fuga, así como tampoco presentar riesgos para la salud.

ü Ser compatible con el lubricante y con los materiales de construcción del sistema.

ü No dañar a los materiales del sistema de refrigeración cuando contenga humedad.

1.2.1 Criterios de selección del refrigerante

Los criterios que se deben considerar en la selección de los refrigerantes deben ser de tipo técnicos y de seguridad. A continuación se mencionan los más importantes[ ]5 :

• Criterios Técnicos. Ø Punto de ebullición.

Ø Efecto de refrigeración.

Ø Relación de compresión.


8

Ø Coeficiente de operación (COP). Ø Densidad.

Ø Temperatura y presión crítica.

Ø Punto de congelación.

• Criterios de Seguridad.

Los criterios de seguridad son muy importantes en la selección del refrigerante y es por esta razón que algunos refrigerantes, aún cuando poseen factores técnicos atractivos son de uso limitado. Para que un refrigerante sea el adecuado para su utilización, debe ser químicamente inerte, en el sentido de ser no flamable, no explosivo y no tóxico, tanto en estado puro como mezclado en cualquier proporción con el aire. Es importante observar estos criterios para la selección de los refrigerantes, ya que dependiendo de su uso, se podrá escoger el más adecuado. Pero además de estos factores, tanto técnicos como de seguridad, también se deben considerar los que se mencionan a continuación: Ø Estabilidad química y Efecto de la humedad. Ø Relación refrigerante-aceite.

Ø Detección de fugas.

Ø Costo y disponibilidad.

1.3 Refrigerantes hidrofluorocarbonados (HFC) de sustitución.

Las primeras máquinas de refrigeración se desarrollaron en 1834 por Perkins y después en 1856 por Harrinson, utilizando éter como fluido refrigerante. En 1870 y 1880 se aplicaron el dióxido de carbono (CO2), al amoniaco (NH3) y el dióxido de sulfuro (SO 2), y a partir de 1932 los refrigerantes clorofluorocarbonos CFCs y los hidrofluorocabonos HCFCs empezaron a dominar el campo de este mercado, debido a sus características tecnológicas atractivas, al no ser tóxicos ni explosivos, además de contar con propiedades termodinámicas deseables y estabilidad química a las condiciones de trabajo [ ]12 . A pesar de estas características atractivas de los refrigerantes CFCs y HCFCs, en los últimos años se ha descubierto que son dañinos a la capa de ozono, por lo que ha surgido la necesidad de sustituirlos por sustancias que reúnan las mismas características.


9

La solución inmediata al problema de la sustitución de refrigerantes, fue utilizar mezclas de refrigerantes ya existentes, obteniéndose así refrigerantes sustitutos con propiedades y características termo-físicas similares a las de los refrigerantes CFCs, pero con una menor agresividad al medio ambiente. Los refrigerantes obtenidos son los denominados refrigerantes hidrofluorocarbonados, HFCs, que se consideran alternativos por que se pueden usar en quipos ya existentes, a condición de que únicamente se reemplacen los componentes que pueden ser atacados por estos refrigerantes [ ]13 . Para la industria del Aire Acondicionado y Refrigeración, encontrar las sustancias sustitutas de estos compuestos representa un gran problema económico y de tiempo. La década pasada se comprobó que los refrigerantes CFCs y los HCFCs deben ser reemplazados por los refrigerantes hidrocarburos con propiedades similares. En la primera etapa se determinó sustituirlos refrigerantes CFCs por los HFCs; por ejemplo el R-11 por el R-123 y R-141b, para el R-12 se considera el R-134a que se empleará como fluido de trabajo[ ]10 .

1.3.1 Propiedades del refrigerante HFC-134a ( FCHCF 23 )

Es un refrigerante que se deriva del etano y para su producción se sustituyen cuatro átomos de Hidrógeno por cuatro átomos de Flúor, como se muestra en la figura 1.5 [ ]12 . Se usa para reacondicionar equipos que actualmente funcionan con R-12 y también para equipos nuevos además es un refrigerante de sustitución en los sistemas de aire acondicionado para autos, pero sobre todo, se usa para aplicaciones de conservación de productos perecederos y para equipos nuevos de refrigeración doméstica.

H H

H C C H

H H

F H

F C C F

F H

Refrigerante 170

Refrigerante HFC-134a

Figura 1.5 Secuencia para obtener el HFC-134a


10

Este refrigerante proporciona propiedades ventajosas por ser menos tóxico que el refrigerante R-12; no es inflamable, no es corrosivo, es compatible con los equipos que están funcionando, tiene un índice de potencial de la destrucción de la capa de ozono de cero y su potencial de calentamiento de la tierra es de 0.28. A continuación se presentan las principales características del refrigerante R-134a[ ]11 . a).- Color y olor.- Líquido incoloro con ligero olor a éter. b).- Estabilidad ante el calor.- Es muy estable y no se descompone cuando se encuentra sometido a las temperaturas de utilización. c).- Corrosión ante los metales, juntas y lubricantes.- Presenta reacciones con los metales alcalinos y alcalinotérreos, y es menos agresivo que el R-12 ante los elastómeros. d).- Detección de fugas.- Las fugas se detectan por medio de rayos ultravioletas, o bien, empleando detectores electrónicos con un elemento sensible adaptado al mismo. e).- Aplicación.- Tiene la ventaja de poder aplicarse a todos los sectores de la refrigeración y de la climatización. Cuando el refrigerante R-134a se expone a altas temperaturas, como lo son las flamas o las resistencias eléctricas, producen productos tóxicos y compuestos irritantes del hidrógeno y flúor, que tienen un olor picante, irrita la nariz y la garganta. El nivel de seguridad para trabajar con el refrigerante R-134a de acuerdo con Dupont y evaluado por el AEL (Aceptable Expossure Limit) es de 1000 ppm entre 12 y 8 horas de exposición. Inhalar mayores cantidades de este refrigerante en estado de vapor, causa depresión temporal del sistema nervioso, irregularidades cardiacas, inconciencia y en dado caso la muerte instantánea. Cuando existe fuga de refrigerante, este se concentra cerca del suelo y efectúa el desplazamiento del oxígeno, por lo que es necesario hacer circular aire sobre el piso para evitar la concentración a ese nivel de ese refrigerante. Los vapores del refrigerante R-134a tienen un olor poco detectable, por lo que es recomendable verificar frecuentemente las instalaciones, para detectar si existen fugas. En estado líquido este refrigerante al contacto con la piel causa ámpulas, por lo que es recomendable lavarse con agua tibia la parte afectada para eliminar este efecto.

1.3.2 Nomenclatura de los refrigerantes.

Los refrigerantes antiguos (NH3, SO2, CO2, etc.) son refrigerantes inorgánicos u orgánicos y tienen nombres que pueden recordarse fácilmente, pero no ocurre lo mismo con los refrigerantes clorofluorados para los que es necesario hacer un esfuerzo de memoria para denominarlos por sus nombres químicos correctos, sobre todo si son de uso limitado, como ocurre con el diclorotetrafluoroetano, mejor conocido por el número indicativo R-114. A fin de resolver esta dificultad, se ha instaurado una nomenclatura numérica relacionada con la formula química


11

correspondiente, iniciando en todos los casos con la inicial R, para indicar que se trata de un refrigerante. El número que designa al refrigerante se compone partiendo de su formula química, como se indica a continuación [ ]11 : Ø las unidades indican la cantidad de átomos de FLUOR Ø las decenas indican la cantidad de átomos de HIDRÓGENO más uno Ø las centenas señalan él numero de átomos de CARBONO menos uno Ø los átomos de CLORO no se toman en consideración

Las propiedades físicas del refrigerante R-134a se muestran en la tabla 1.1 [ ]13 .


12

PROPIEDADES FÍSICAS HFC-134A UNIDADES Nombre Químico Tetrafluoroetano Formula Química

32 FCFCH

Peso Molecular 102.03 Punto de ebullición

101.3 kPa

-26.1

°C Punto de congelación -96.6 °C Temperatura crítica 101.1 °C

Presión crítica 4067 kPa Volumen crítico 1.81 L/kg Densidad crítica 515.3

32.17 kg/m3 lb/ft3

Densidad líquido 25 °C 77 °F

1206 75.28

kg/m3 lb/ft3

Densidad (vapor saturado) en punto de ebullición 5.26 0.328

kg/m3 lb/ft3

Capacidad de calor (líquido) a 25 °C (77°F) 1.44 0.340

kJ/kg °K BTU/lb °F

Capacidad de calor (vapor a presión cte.) a 25 °C (77 °F) y 1atm. (101.3 kPa-1.013 bar)

0.852 0.204

kJ/kg °K BTU/lb °F

Presión de vapor a 25 °C (77 °F) 666.1 6.661

kpa bar

Calor de vaporización en su punto de ebullición 217.1 93.4

kJ/kg BTU/lb

Conductividad térmica a 25 °C (77 °F)líquido 0.0824 0.0478

W/m °K BTU/h ft °F

Vapor a 1 atm. 101.3 kPa-1.013bar

0.0145 0.00836

W/m °K BTU/h ft °F

Viscosidad a 25 °C (77 °F) líquido. Vapor a 1 atm.(1.013 bar)

0.202 0.012

mPa S(cP) mPa S(cP)

Solubilidad del HFC-134a en agua a 25 °C (77 °F) y 1atm.

0.15 % en peso

Solubilidad del agua para el HFC-134a a 25 °C (77 °C) 0.11 % en peso Límites de flamabilidad con el aire a 1 atm. (1.013 bar) Ninguno % en

volumen Temperatura de auto ignición 770

1418 °C °F

Potencial de agotamiento de la capa de ozono 0 Potencial del calentamiento de la tierra (GWP) 1200

Potencial de calentamiento de la tierra con halo carbono (HGWP)

0.28

Toxicidad (límite aceptable de exposición 8 y 12 hrs.) 1000 ppm Tabla 1.1 Propiedades físicas del HFC-134a.

Capítulo 2 Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración

13

Capítulo 2

Análisis termodinámico del ciclo de refrigeración.

En este capítulo se describe el procedimiento que se sigue para realizar el análisis termodinámico del ciclo de refrigeración por compresión mecánica de vapor. Este análisis se basa en la aplicación de la primera y segunda ley de la termodinámica, para obtener las irreversibilidades generadas en el sistema de refrigeración. También se incluye el estudio del ciclo teórico y real del sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor. Para el ciclo real de refrigeración se realizan los cálculos de balance de energía, de flujo másico, de la potencia suministrada al compresor, del COP y las irreversibilidades generadas.

2.1 Análisis energético del ciclo de refrigeración

2.1.1 Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica, establece el sentido de dirección de los procesos de transferencia de energía y muestra cuando una transformación de energía es posible, mientras que la primera ley de la termodinámica únicamente proporciona información sobre la conservación de la energía en las transformaciones de una forma a otra [ ]16 . A continuación se presentan los enunciados de la primera y segunda ley de la termodinámica.

La primera ley de la termodinámica establece:

Todos los cambios de energía interna de un sistema, únicamente se dan a partir de interacciones de trabajo y/o calor [ ]14 . La segunda ley de la termodinámica establece: En cualquier proceso de transferencia de energía, la calidad de la energía no puede ser conservada y tiende a degradarse[ ]11 . Cuando se combinan los enunciados de la primera y segunda ley de la termodinámica, se obtiene el siguiente enunciado: En cualquier proceso de transferencia de energía, la cantidad de energía se conserva, pero el nivel de la energía no puede ser conservado y se ve reducido aun nivel de energía más bajo [ ]14 .


14

2.1.2 Ecuaciones de la primera y segunda leyes de la termodinámica

Las ecuaciones de primera y segunda leyes de la termodinámica se presentan para un volumen de control que intercambia calor y trabajo mecánico con el exterior, y que únicamente tiene una entrada y una salida del flujo de masa, como se presenta en la figura 2.1 [ ]16

Figura 2.1 Flujo de energía en un sistema termodinámico abierto.

Primera ley de la termodinámica:

La primera ley de la termodinámica aplicada al volumen de control de la figura describe el balance de energía, mediante la ecuación (1):

Sist

if

s

s

e

e gzVumgzVumWQgzVhmgzVhm

++−

++=−+

++−

++

2222

2222

(2.1)

Para flujo permanente y despreciando los cambios de energía cinética y potencial, el flujo de masa a la entrada y a la salida permanece constante y la variación de energía es nula, por lo tanto la ecuación (2.1) se simplifica a :

( )es hhmWQ −=− (2.2)

Esta ecuación (2.2) se puede aplicar para hacer el balance de energía del compresor, porque se le suministra potencia mecánica e intercambia calor con el exterior; para el evaporador, el

Ze

Zs

me

ms

Ve

Vs

Entrada Salida

Energía del sistema

W

Q

Plano de referencia

Ze

Zs

me

ms

Ve

Vs

Entrada Salida

Energía del sistema

W

Q

Plano de referencia


15

condensador y las diferentes tuberías a las que no se les suministra trabajo mecánico, pero intercambian calor con el exterior, la ecuación (2.2) se escribe como:

( )es hhmQ −= (2.3) Para la válvula de expansión, a la que no se le suministra trabajo mecánico y tampoco intercambia calor con el exterior, la ecuación (2.2) queda como:

hs-he=0 (2.4) Segunda ley de la termodinámica: En función de la entropía, la segunda ley de la termodinámica se expresa como:

( ) ( ) ( ) genserevSistif SmsmsTQSS ∆+Σ−Σ+∫=− δ

(2.5)

Para flujo permanente, la variación de entropía en el sistema es cero, por lo tanto la ecuación (2.5), queda

( )TQssmS esgen −−=∆ (2.6)

A partir de la ecuación (2.6), la irreversibilidad del volumen de control se calcula por la siguiente ecuación:

OgenTSI ∆= (2.7) Donde TO es la temperatura del medio ambiente

2.2 Análisis energético del ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor

El ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor se obtiene a partir del ciclo Rankine, operando en sentido inverso y haciendo la siguiente sustitución de equipos: una válvula de expansión sustituye a la bomba y un compresor sustituye a la turbina. El ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor es reversible y sirve como modelo teórico para el estudio de los sistemas de refrigeración reales.

Los procesos que ocurren en este sistema de refrigeración ideal se describen a continuación:

q Absorción de calor a presión constante (4-1)

q Compresión isentrópica (1-2)


16

q Rechazo de calor a presión constante (2-3)

q Estrangulamiento isoentálpico (3-4)

En la figura 2.2 se representa el ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor, mediante un diagrama T-s.

Figura 2.2 Diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeración por compresión mecánica de vapor.

En la figura 2.2 se observa que el COP esta en función de las temperaturas de condensación y de la temperatura de evaporación, ya que si la temperatura de condensación se mantiene constante y la temperatura de evaporación disminuye, el trabajo de compresión aumenta, lo que trae como consecuencia que el COP disminuya. En el caso contrario, en el que la temperatura de evaporación se mantiene constante y la temperatura de condensación disminuye, el COP aumenta. Con todas las propiedades calculadas en los 4 puntos del ciclo ideal de refrigeración, se calculan los siguientes parámetros: Trabajo mecánico específico suministrado:

1221 hhw −=− (2.8)

0

20

40

60

80

100

120

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Entropia (kJ/kg K)

Tem

pera

tura

(°C

)

1

2

3

4

2s

0

20

40

60

80

100

120

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Entropia (kJ/kg K)

Tem

pera

tura

(°C

)

1

2

3

4

2s


17

Efecto de condensación, o calor rechazado por unidad de masa:

3232 hhq −=− (2.9) Efecto refrigerante:

4114 hhq −=− (2.10) Coeficiente de operación, COP:

21

14

−

−=wqCOPIDEAL (2.11)

que también se puede expresar en función de las entalpías:

12

41

hhhhCOPIDEAL −

−= (2.12)

2.3 Análisis exergético del ciclo real de refrigeración por compresión mecánica de vapor

Los ciclos reales de refrigeración por compresión mecánica de vapor difieren de los ciclos ideales, por las irreversibilidades que se generan en los diferentes equipos del sistema. La fricción del refrigerante al circular por los componentes del sistema de refrigeración, que producen caídas de presión y las diferencias de temperaturas entre el refrigerante y el medio con el intercambia calor, producen irreversibilidades en el sistema de refrigeración. Las irreversibilidades, aunque no se pueden evitar, se deben de reducir a un valor mínimo, porque traen como consecuencia la necesidad del suministro de una potencia adicional, para lograr la refrigeración deseada, ya que mientras las irreversibilidades aumenten también sucede lo mismo con la potencia suministrada al compresor. El análisis energético de los sistemas de refrigeración reales se hace aplicando la primera y segunda ley de la termodinámica, y a partir de conocer los valores de las propiedades del refrigerante en cada estado termodinámico del sistema de refrigeración, se hacen los cálculos del balance de energía, del flujo másico del refrigerante, de la potencia real suministrada al compresor y de las irreversibilidades generadas en cada uno de los componentes. Para ilustrar las características del ciclo real de refrigeración, se hace uso del sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor que se muestra en la figura 2.3. La carga térmica, que es el flujo de calor que el refrigerante absorbe en el evaporador, en este caso del agua que circula desde el depósito de agua, se expresa de la siguiente manera:

aguaO TmcQ ∆= (2.13)


18

Figura 2.3 Componentes básicos de un sistema real de refrigeración por compresión mecánica de

vapor. El análisis termodinámico correspondientes a los diferentes procesos que ocurren en el sistema de refrigeración real, se indica a continuación. Proceso de evaporación (4-1) En este proceso, el refrigerante entra al evaporador como mezcla líquido-vapor a una baja temperatura y baja presión. Conforme el refrigerante absorbe calor del espacio a enfriar, se evapora y sale del evaporador como vapor sobrecalentado. Aplicando la primera ley de la termodinámica, el flujo de calor absorbido queda como:

( ) Or QhhmQ =−= 4114 (2.14) El flujo de refrigerante que se requiere hacer circular para absorber el flujo de calor del agua del depósito, en el evaporador, se obtiene de:

( )

−=

41 hhQm O

r (2.15)

VALVULA DE EXPANSION TERMOSTATATICA

DEPOSITO DE REFRIGERANTE

FILTRO

INDICADOR DE HUMEDAD

VALVULA SOLENOIDE

PRESOSTATO DE ALTA PRESION

DEPOSITO DE AGUA

MOTOR ELECTRICO

AGITADOR

CONDENSADOR ENFRIADO CON AIRE 2´3

LINEA DE DESCARGA


2

1´COMPRESOR RECIPROCANTE

LINEA DE LIQUIDO

3´

4 1

LINEA DE SUCCION

REFRIGERANTE

AGUA

QO

EVAPORADOR

BOMBA



FILTRO


VALVULA SOLENOIDE


DEPOSITO DE AGUA

MOTOR ELECTRICO

AGITADOR


LINEA DE DESCARGA


2

1´COMPRESOR RECIPROCANTE

LINEA DE LIQUIDO

3´

4 1

LINEA DE SUCCION

REFRIGERANTE

AGUA

QO

EVAPORADOR

BOMBA


19

Aplicando la segunda ley de la termodinámica para encontrar el flujo de entropía generada en el evaporador, a causa de la transferencia de calor entre el refrigerante y el agua que circula, así como también de la caída de presión, se tiene:

( )

−−=

Rr T

QssmS 144114 (2.16)

Donde TR es la temperatura promedio del agua que circula en el evaporador. Línea de succión (1-1´) El refrigerante entra como vapor sobrecalentado, y debido a que el refrigerante se encuentra a una menor temperatura con respecto a la del medio ambiente, existe un sobrecalentamiento del refrigerante, por lo que aumenta su temperatura. También existe una caída de presión como consecuencia de que el refrigerante tiene un rozamiento con las paredes del tubo. Las ecuaciones que se aplican al análisis termodinámico son: Primera ley de la termodinámica:

( )1´1´11 hhmQ r −= (2.17) Segunda ley de la termodinámica:

( )

−−=

Or T

QssmS ´111´1´11 (2.18)

Donde TO es la temperatura de los alrededores, que es el medio ambiente. Proceso de compresión (1´-2) En este proceso, el refrigerante entra al compresor como vapor sobrecalentado y se comprime mediante el suministro de trabajo mecánico. El proceso es politrópico, y la generación de entropía es causada por la transferencia de calor entre el refrigerante y el medio ambiente y por la fricción del refrigerante con los elementos mecánicos en contacto. Aplicando la primera y segunda leyes de la termodinámica para el análisis termodinámico, se tiene: Primera ley de la termodinámica:

( ) 2´1´122´1 WhhmQ r +−= (2.19)

Segunda ley de la termodinámica:

( )

−−=

Or T

QssmS 21́1́22´1 (2.20)


20

Línea de descarga (2-2´) En esta línea, la presión del refrigerante es igual a la salida del compresor y a la entrada del condensador; esto porque el tramo de tubería que une estos dos equipos es corto. El refrigerante disminuye su temperatura a consecuencia de que su temperatura es mayor que la del medio ambiente. Para calcular el flujo de calor transmitido y la entropía generada, se aplican las siguientes ecuaciones. Primera ley de la termodinámica:

( )2´2´22 hhmQ r −= (2.21)

Segunda ley de la termodinámica:

( )

−−=

Or T

QssmS ´222´2´22 (2.22)

Proceso de condensación (2´-3). El refrigerante entra al condensador como vapor sobrecalentado y cambia de fase hasta alcanzar el estado de líquido subenfriado. La generación de entropía que se presentan en el condensador, es causada por la transferencia de calor entre el refrigerante y el medio ambiente, así como también por la caída de presión del refrigerante. Aplicando la primera y segunda leyes de la termodinámica, se calculan el flujo de calor de condensación y las irreversibilidades generadas. Primera ley de la termodinámica:

( )3´23´2 hhmQ r −= (2.23) Segunda ley de la termodinámica:

( )

−−=

Or T

QssmS 3´23´23´2 (2.24)

Línea de líquido (3-3´) En esta tubería existe una transferencia de calor entre el refrigerante y el medio ambiente, porque el refrigerante se encuentra a mayor temperatura que el medio ambiente. El flujo de calor y la generación de entropía se calculan aplicando l as siguientes ecuaciones: Primera ley de la termodinámica:

( )´33´33 hhmQ r −= (2.25) Segunda ley de la termodinámica:

( )

−−=

Or T

QssmS ´33´33´33 (2.26)


21

Proceso de expansión (3´-4) En el dispositivo la expansión, el proceso ocurre a entalpía constante, por lo que la entalpía de entrada es igual a la entalpía de salida, y aplicando la primera y segunda leyes de la termodinámica se tiene: Primera ley de la termodinámica:

( ) 0´34´34 =−= hhmQ r (2.27)

porque h3´ = h4 Segunda ley de la termodinámica:

( )´34´34 ssmS r −= (2.28) En el punto 4 el refrigerante se encuentra como una mezcla líquido-vapor a baja presión y temperatura, con calidad x4. La calidad se calcula por la siguiente ecuación:

4

4´34

fg

f

h

hhx

−= (2.29)

Con este valor se encuentran las propiedades del estado 4

4444 fgf sxss += (2.30)

4444 fgf vxvv += (2.31)

2.4 Metodología para obtener las irreversibilidades en cada componente del

sistema de refrigeración.

Mediante el análisis energético realizado para cada componente del sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor, en el cuál se obtuvieron las propiedades termodinámicas, ahora ya se puede calcular las irreversibilidades generadas en el sistema de refrigeración, multiplicando la entropía generada por la temperatura de los alrededores, los formulas empleadas se muestran en la tabla 2.1 [ ]16 . Con el cálculo de las irreversibilidades se puede apreciar que componente tiene la mayor irreversibilidad generada en el sistema de refrigeración, con el cual se hará el análisis del sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor variando el flujo de agua a enfriar. El análisis de las irreversibilidad total generada se hace comparando con la energía suministrada al motor eléctrico.


22

PROCESO 2a Ley unidades

Proceso de evaporación

(4´-1) ( ) amb

rr T

TQ

ssmI

−−= 14

4114

kW

Línea de succión (1-1´)

( ) ambr TTQ

ssmI

−−=

0

´111´11́1

kW

Proceso de Compresión

(1´-2) ( ) ambr T

TQssmI

−−=

0

2´1´122´1

kW

Línea de Descarga

(2-2´) ( ) ambr T

TQssmI

−−=

0

´222´2´22

kW

Proceso de Condensación

(2´-3) ( ) ambr T

TQssmI

−−=

0

3´2´233´2

kW

Línea de Líquido (3-3´)

( ) ambr TTQssmI

−−=

0

´333´3´33

kW

Proceso de Expansión

(3´-4)

( )[ ] ambr TssmI ´344´3 −= kW

Tabla 2.1Cálculo de irreversibilidades.

Una vez que se tiene calculadas las irreversibilidades generadas en los componentes del sistema de refrigeración, se hace un análisis del ciclo del refrigerante, para observar su comportamiento. Para completar este análisis termodinámico, se presentan las siguientes consideraciones: El Coeficiente de Operación (COP), se define como la carga térmica entre el flujo de energía suministrada en forma mecánica a través del compresor. El COP es un parámetro útil para evaluar el comportamiento del sistema de refrigeración, porque representa el número de unidades de refrigeración que se logran por unidad de energía suministrada. El COP real se calcula mediante la siguiente ecuación:

electrica

OREAL P

QCOP = (2.32)

La potencia eléctrica consumida se calcula mediante la siguiente ecuación:

ϕcos3VIPelectrica = (2.33)


23

Otro parámetro que es importante calcular para poder comparar y visualizar las pérdidas de energía que se producen a causa de las irreversibilidades generadas por la fricción y la transferencia de calor, es el COP de Carnot. El COP de Carnot, es un ciclo reversible y en consecuencia, no toma en cuenta las diferencias de temperaturas entre el refrigerante y el medio con el que intercambia calor, ni las caídas de presión a causa de la fricción en los diferentes equipos y elementos del sistema de refrigeración (evaporador, compresor, condensador, válvula de expansión, línea de succión, línea de descarga, línea de líquido). El COP de Carnot se calcula por:

entevap

entcond

entevap

Carnot TT

TCOP

−= (2.34)

Una forma de obtener un punto de operación óptimo durante la prueba experimental, es recurriendo al concepto del COP teórico, aplicando la siguiente ecuación [ ]22 .

leakendoTEORICO COPCOPCOPCOP1111

int

++= (2.35)

Esta ecuación (2.35), el punto de operación óptimo es cuando se produce el menor consumo de energía eléctrica durante la duración de la prueba experimental, además de las irreversibilidades la divide en tres clases: Externa, Interna y Fuga de calor. La irreversibilidad externa se deriva de la diferencia finita de temperaturas entre el refrigerante y la sustancia o espacio a enfriar, que es el COP endorreversible. La irreversibilidad interna se refiere a la generación de entropía en el interior del sistema y que no tiene que ver con la interacción de los dispositivos con los alrededores, que es el COP interno. La irreversibilidad asociada a la fuga de calor, se debe a la transferencia de calor entre el refrigerante y el medio ambiente, que es el COP leak. También el COP teórico válida al cálculo del COP real, ya que ambos valores obtenidos de diferente forman coinciden en valor numérico. El cálculo de manera separada de cada uno de los parámetros de la ecuación (2.35), se hace de la siguiente forma:

EVAPO

COND

endo PATPAT

COP+−= 11

(2.36)

La temperatura promedio del proceso (PAT)[ ]25 , se utiliza para calcular la temperatura media a la cual el refrigerante hace el cambio de fase tanto en el evaporador como en el condensador, como se muestra a continuación:


24

∑ ∫∫

=

=n

i

sal

entCOND

T

dH

dHPAT

1

(2.37)

prom

liquidosat

cond

liquidosat

vaporsat

prom

vaporsat

COND

Thh

Thh

Thh

hhPAT

**3

*´2

3´2

−+

−+

−= − (2.38)

prom

satvap

evap

satvapEVAPO

Thh

Thh

hhPAT

***1

,4

,44

14

−+−= − (2.39)

Para calcular int

1COP

se muestra la siguiente ecuación:

O

COND

QSPAT

COPint

int

1 ∆= (2.40)

Donde in tS∆ es la resta de la irreversibilidad generada en el condensador menos la irreversibilidad del evaporador, como se muestra en la siguiente ecuación.

143´2int SSS −=∆ (2.41)

Para el cálculo del leakCOP

1 se emplea la siguiente ecuación

O

leakCOND

leak QSPAT

COP∆=1

(2.42)

Donde leakS∆ se obtiene empleando la siguiente ecuación.

−+=∆

CONDEVAPCONDleak PATPAT

IPAT

IS 11´11

2´1 (2.43)

Una vez que se obtienen los parámetros del COP teórico se compara con el COP real, es decir, quedando la siguiente ecuación.


25

REALTEORICO

COPCOP

=1

(2.44)

El procedimiento de análisis de los sistemas de refrigeración por compresión mecánica de vapor, desarrollado antes, es útil porque sirve para poder determinar el comportamiento del ciclo de refrigeración, así como del funcionamiento de los dispositivos del sistema de refrigeración, ya que con este análisis se tiene las herramientas suficientes para poder tomar una decisión acerca del reemplazo de los dispositivos del sistema de refrigeración. También mediante este análisis se encuentra el punto óptimo de operación. 2.5 Base de datos del sistema de refrigeración. Para la obtención de las presiones y temperaturas del refrigerante, así como también la temperatura de depósito de agua a enfriar, la temperatura del agua a la entrada y salida del evaporador, la temperatura ambiente, se creo una base de datos para analizar el comportamiento del sistema de refrigeración designada con el nombre de REFRIG. [ ]15 El programa REFRIG tiene la finalidad de crear bases de datos y gráficos con las lecturas de temperaturas y presiones a la entrada y salida de cada uno de los componentes del sistema de refrigeración. Para este programa se cuenta con una tarjeta de adquisición de datos PC-labCard-818HG. Esta tarjeta recibe los datos de las lecturas en señales de voltaje; procesa las señales y envía una información a un programa codificado en VISUAL BASIC , que las transforma en valores de presiones y temperaturas en una interfase gráfica. [ ]15 La interfase genera la base de datos en una hoja de cálculo en Excel un a vez por minuto y posteriormente genera otra hoja de cálculo en donde promedia las lecturas cada cinco minutos y al mismo tiempo va graficando las mediciones promedio. Con base en la información promediada cada cinco minutos que le proporciona REFRIG se determina las propiedades termodinámicas correspondientes a cada punto de la lectura y las muestra en diagrama de Mollier P-h y el diagrama T-s y realiza los cálculos del comportamiento del sistema de refrigeración, aplicando el análisis energético y el análisis exergético.

Capítulo 3 Instalación experimental

26

Capitulo 3

Instalación experimental

En este capítulo se describe el sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor que se encuentra instalado en el Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP) de la Sección de Estudios de Posgrado e investigación (SEPI) de la ESIME-IPN y que se uso para realizar la parte experimental de este trabajo.

3.1 Descripción del equipo experimental

En el Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP) de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación (SEPI) de la ESIME, se encuentra instalado un Sistema de Refrigeración por Compresión M ecánica de Vapor, en el que se desarrollaron las pruebas experimentales. La descripción de las características técnicas de cada componente del sistema experimental de refrigeración se hace a continuación.

3.1.1 Unidad condensadora enfriada por aire.

Esta unidad esta formada por un compresor de tipo alternativo, y un condensador, que son los elementos principales de esta unidad. También tiene elementos secundarios, como son, un presostato, una válvula solenoide, un filtro deshidratador, y un indicador de humedad, como se ilustra en la figura 3.1. Las características técnicas de esta unidad condensadora son las siguientes: Datos generales de la unidad condensadora Marca: Friomold Modelo: UF-300M Serie: J-032-91 Esta unidad se encuentra montada sobre una base metálica y está conformada por los siguientes componentes principales, de los que se da la información técnica: Compresor Marca: MYCON Serie: 9110529 Modelo: E50


27

Tipo: Monocilíndrico Motor eléctrico Marca: ABB Tipo: MBT ARM 182T -112S Serie: M91G-26583 TCCVE (totalmente cerrado con ventilación exterior), 3

Fases, 60 Hz, 3CP, 200/440 Volts FS 1.15, 1750 rpm, Amp 9.2/4.6, Diseño B, Clase de aislante F

Ventilador Se encuentra acoplado directamente al motor eléctrico para producir un flujo de aire que se usa como fluido de condensación del refrigerante. El ventilador está compuesto de 4 aspas de 16 pulgadas de diámetro.

Figura 3.1 Unidad condensadora.

Los componentes secundarios de la unidad condensadora se describen a continuación:

• Presostato de alta presión • Filtro deshidratador • Indicador de humedad • La válvula solenoide


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• Depósito del refrigerante • Lubricante

Los datos técnicos de cada uno de estos elementos se indican a continuación: El presostato de alta presión es el dispositivo que actúa como elemento de seguridad del equipo; su función es detener el funcionamiento del compresor cuando la presión en el lado de alta presión llega a rebasar el límite fijado; sus características técnicas son las siguientes: Presostato de alta presión Marca: SAGInoMIYA Modelo: IBD Serie: SNS C106S1 Diff: 1 a 4 kg/cm2 Rango: 0 a 6 kg/cm2 El filtro deshidratador absorbe la humedad contenida en el refrigerante y tiene un visor formado por sal de cobalto que es una sustancia que tiene la particularidad de cambiar de color al absorber humedad, y así indica cuando esta es excesiva. Sus características técnicas se describen a continuación. Filtro deshidratador Línea: Líquido Marca: ALCO Serie: TD-083 S PMT 35 kg/cm2, compatible con refrigerantes CFC/HCFC/HFC y lubricantes POE/PAG/AB El indicador de humedad revela la presencia de humedad en el refrigerante. El que usa la unidad condensadora es de la marca Hermetik. La válvula solenoide tiene la función de detener el flujo de refrigerante hacia el evaporador cuando el compresor esta fuera de operación, y así evita el almacenamiento de refrigerante en estado líquido en el evaporador, y en consecuencia protege al compresor de posible entrada de líquido al arranque del sistema. Las características de la válvula solenoide son las siguientes: Válvula solenoide Marca: Saginomiya Tipo: 303 B Serie: GPU 220V, 9W, PMO 20 kg/cm2 El depósito de refrigerante consiste sirve como tanque de almacenamiento de refrigerante líquido cuando se requiere hacer alguna reparación o algún servicio al sistema.


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El refrigerante que usa el sistema de refrigeración es de la marca “genetron”, tipo 134a y se requieren 6.8 Kg. para llenar el sistema. El lubricante empleado es de la marca “castrol”, tipo acemire SW 32, de viscosidad 150 VG 32, 150 SSU

Figura 3.2 Accesorios secundarios de la unidad condensadora.

3.1.2 Evaporador

El evaporador es el equipo de la instalación, en el que se produce el intercambio térmico entre el refrigerante y el medio a enfriar. A continuación se muestran las características técnicas del Evaporador, el cual se ilustra en la figura 3.3: Dimensiones: 88 cm de largo y 15 cm de diámetro Aislamiento térmico: Polietileno con 1 cm de espesor El evaporador se complementa con los siguientes componentes: Termómetro a la entrada del evaporador Marca: Rochester Rango: -10 a 110 °C


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Termómetro a la salida del evaporador Marca: Rochester Rango: 0 a 100 °C El termostato tiene por función detener el funcionamiento del compresor al presentarse una temperatura excesiva del refrigerante en el evaporador. Esta temperatura se selecciona por el usuario en un rango de 0 a 15 °C. Sus características técnicas son las siguientes. Termostato Marca: Jonson Controls Tipo: A19ABC-41C Rango: De –35 °C a 40 °C Estilo: 1 Serie: A19

Figura 3.3 Evaporador (Intercambiador de calor).


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3.1.3 Válvula de expansión termostática. La válvula de expansión, que se muestra en la figura 3.4, tiene como función dosificar el flujo de refrigerante que circula por el evaporador. Cada tipo de válvula de expansión termostática opera con su propio refrigerante y por lo tanto se debe escogerse cuidadosamente para que trabaje con el refrigerante que le corresponde. Esta válvula tiene las siguientes características técnicas.

Válvula de expansión termostática Marca: Danfoss Tipo: TEN 2 Serie: 068Z3348 Rango: -40 a 10 °C, Capacidad del tubo: 1.5 m

Figura 3.4 Válvula de expansión termostática

3.1.4 Calentador de agua

Este dispositivo es utilizado cuando el agua que se emplea en la experimentación alcanza una temperatura final de 5 °C, y se quiere hacer otra prueba experimental. Entonces es necesario elevar la temperatura del agua, la cual deberá ser mayor a la temperatura del medio ambiente, ya que no se puede empezar la siguiente prueba experimental con una temperatura de 5 °C, que seria


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una temperatura inferior a la del medio ambiente. El calentador de agua se muestra en la figura 3.5 y sus características técnicas son las siguientes: Dimensiones: 150 cm de largo, 100 cm de alto, 70 cm de ancho Elemento calefactor Material: Tubo de cobre tipo M Diámetro: 9.5 mm Cantidad: 6 tramos de 100 cm de largo Bomba Hidráulica Marca: EMCO Modelo: 100 Carga total 10/22, 175/15 lts/min, 1 HP, 3450 rpm, 32x25 mm succ/desc Termómetro Marca: Metron Rango: -20 a 120 °C Interruptor de seguridad Marca: Square D 3 polos, 60 Amp, 240 VAC

Figura 3.5 Calentador de agua


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3.1.4.1 Deposito de agua

El depósito de agua del sistema de refrigeración experimental se muestra en la figura 3.6 y tiene las siguientes características técnicas. Depósito de agua Dimensiones: 90 cm de ancho, 150 cm de largo y 110 cm de altura. Material: Ángulos de 1 pulgada y aislamiento térmico de 10 cm de espesor. Termómetro Marca: metron Rango: -10 a 110 °C

Figura 3.6 Depósito de agua

Este depósito de agua también cuenta con una motor agitador, el cual es utilizado para mantener la temperatura uniforme en todo el depósito. Este motor agitador se ilustra en la figura 3.7, y tiene las siguientes características técnicas.


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Motor agitador Marca: General Electric Modelo: 3KTA48G B Serie: H-91 1725 rpm, CP 1/3, 220/440 Volts, 3 Fs, Amp 1.0/0.8, 60 Hz Hélice con 3 aspas, Volante, Polea, banda A-26 13x717 mm Termostato Marca: Saginomiya Serie: HCU Rango: -10 a 50 °C

Figura 3.7 Motor agitador

3.1.5 Sistema de control

El sistema de control se muestra en la figura 3.8 Este sistema de control permite el buen funcionamiento del sistema de refrigeración experimental, y esta compuesto por: Centro de carga Tipo: C Catalogo: 2231, 250 Volts, c.a.


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Interruptores termo magnéticos 3 de 30 Amperes cada uno Tablero de Control Este tablero de control, sirve para poner en funcionamiento al sistema de refrigeración, así como también para accionar el mecanismo de paro y arranque.

Figura 3.8 Sistema de control

3.1.6 Tuberías

Las tuberías de cualquier sistema de refrigeración son vitales para la operación eficiente del mismo. A continuación se describen las características de las tuberías usadas. Línea de descarga (conecta al compresor con el condensador) Material: Tubo de cobre tipo M Diámetro: 5/8 de pulgada Soldadura: Pasta de estaño 50/50


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Línea de líquido (conecta el recipiente de almacenamiento del refrigerante con la válvula de expansión) Material: Tubo de cobre tipo M Diámetro: 3/8 de pulgada Soldadura: Pasta de estaño 50/50 Línea de succión (conecta el evaporador con el compresor) Material: Tubo de cobre tipo M Diámetro: 1 pulgada Soldadura: Pasta de estaño 50/50 3.1.7. Sistema de adquisición de datos El sistema de refrigeración experimental se instrumentó para obtener los valores de presión y temperatura a la entrada y salida de cada uno de los componentes del sistema. Esta información se adquiere con una tarjeta de adquisición de datos, que tiene las siguientes características: Tarjeta múltiple A/D y D/Ad e 12 bits, 100 kHz 32 e/s digitales. Modelo PC-LabCard-818HG. Este sistema de adquisición de datos, se complementa con una computadora, que es el equipo donde se instala la tarjeta múltiple. Las características técnicas requeridas de la computadora, para el mejor desempeño de la tarjeta múltiple son:

• Microprocesador Pentium a 133 MHz o mayor • 6 MB de memoria RAM • CD 22x para la instalación de los controladores • 40 MB de espacio libre en disco duro • Una ranura de expansión PSIA libre, para la instalación de la tarjeta.

El sistema de adquisición de datos se muestra en la figura 3.9 3.1.8 Instrumentos de medición Los instrumentos de medición entregan señales de voltaje en proporción a la medida que en ese momento se esta considerando, ese voltaje entregado debe ser interpretado de acuerdo a la medida y el instrumento en cuestión, esta interpretación se efectúa aplicando a la medida los factores adecuados de proporción previamente determinados. Cada tipo de instrumento, ya sea el termopar o el transductor de presión, dan como respuesta un voltaje diferente de acuerdo a la medida de temperatura o presión, por lo que a cada tipo de instrumento se le realiza un análisis en el cual se determinan los factores correspondientes a la proporcionalidad.


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Figura 3.9 Sistema de adquisición de datos.

3.1.8.1 Termopares Termopares (T) El termopar consiste en dos conductores metálicos diferentes, unidos en un extremo denominado casi siempre unión caliente o detectora, y que van conectados a algún instrumento de medición pudiendo ser un milivóltmetro o como lo es en el presente caso una tarjeta múltiple. El termopar elegido por su capacidad de respuesta es el tipo CO3-T Marca Omega de cobre-constantan que tiene un rango de medición de temperatura de -185 a 298 °C, adecuado para registrar las temperaturas en el proceso de refrigeración. 3.1.8.2 Transductores Transductores de presión (P) Estos dispositivos producen una señal de corriente directa en proporción a un cambio de resistencia, generado por la distorsión de una membrana flexible que esta en contacto con el fluido al que se mide la presión.


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Se usan 6 transductores de presión 3 para el lado de baja presión y 3 para el lado de alta presión, los cuales tienen las siguientes características técnicas: Para el lado de baja presión Marca: Endress Hauser Tipo: Carabar T Modelo: PMC131-A32F1A2R Rango: 0-6 bar (presión absoluta) Para el lado de alta presión Marca: Endress Hauser Tipo: Carabar T Modelo: PMC132-A32F1A2T Rango: 0-16 bar (presión absoluta)

Capítulo 4 Desarrollo de la experimentación

39

Capítulo 4

Desarrollo de la experimentación

En este capítulo se presenta la planeación, el procedimiento y los resultados experimentales. Se realizaron tres experimentos, cada uno de ellos a diferentes flujos de agua a enfriar: 0.5 l/s, 1.0 l/s y 1.1 l/s. La duración de cada experimento fue de 2 horas, y a continuación se presentan los detalles de cada uno de ellos. 4.1 Planeación de la experimentación

Los experimentos se realizaron para enfriar agua a diferentes valores de flujo de agua a enfriar en el evaporador; estos valores son: 0.5, 1.0, 1.1 l/s. La duración de cada una de las pruebas experimentales fue de 2 horas. Cada experimento se repitió 3 veces para validar los resultados. En la tabla 4.1 se muestra la organización del desarrollo experimental.

No de experiment

o

Refrigerante Flujo de agua (l/s)

Duración (horas)

1 R-134a 0.5 2 2 R-134a 1.0 2 3 R-134a 1.1 2

Tabla 4.1 Desarrollo de pruebas experimentales. Durante el desarrollo de los experimentos se tomaron lecturas de temperaturas y presiones del refrigerante en cada entrada y salida de los diferentes elementos que componen el sistema experimental de refrigeración. Para el agua, se midieron los flujos y sus temperaturas a la entrada y salida del evaporador, así como su temperatura en el depósito de agua. Para el aire se midieron las temperaturas del medio ambiente y a la salida del condensador. También se midieron los parámetros eléctricos necesarios para calcular la potencia suministrada al compresor, y que son: diferencia de potencial, corriente eléctrica, potencia activa y potencia aparente. La ubicación de la medición de los diferentes parámetros medidos durante los experimentos se indican en la tabla 4.2.Estos instrumentos de medición, tanto termopares y transductores de presión se encuentran ubicados a la entrada y salida del evaporador, compresor, condensador y válvula de expansión termostática Los puntos de medición indicados en la tabla 4.2, corresponden a los que se muestran


40

en la figura 4.1. Que son las lecturas que se tomaron y se suministraron a la base de datos del sistema de refrigeración.

Figura 4.1 Puntos de medición del sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor.

Puntos de medición Refrigerante Agua Aire Pot.

sum.

Parámetros

1 1´ 2 2´ 3 3´ 4 4́ 5 6 8 9 0 7

Temperatura °C X X X X X X X X X X X X X

Presión kPa X X X X X X

Flujo másico de agua

l/s X

Diferencia de Potencial

Volt X

Corriente eléctrica

Amper X



FILTRO


VALVULA SOLENOIDE


DEPOSITO DE AGUA

MOTOR ELECTRICO

AGITADOR


LINEA DE DESCARGA


2

1´

COMPRESOR RECIPROCANTE

LINEA DE LIQUIDO

3´

4´ 1

LINEA DE SUCCION

REFRIGERANTE

AGUA

QO

EVAPORADOR

BOMBA

P

T

P

T

T P

T P

T

T

T

PP

P

P

T

T T

8 4

65

9

7

0

0

0



FILTRO


VALVULA SOLENOIDE


DEPOSITO DE AGUA

MOTOR ELECTRICO

AGITADOR


LINEA DE DESCARGA


2

1´

COMPRESOR RECIPROCANTE

LINEA DE LIQUIDO

3´

4´ 1

LINEA DE SUCCION

REFRIGERANTE

AGUA

QO

EVAPORADOR

BOMBA

P

T

P

T

T P

T P

T

T

T

PP

P

P

T

T T

8 4

65

9

7

00

00

00


41

Potencia Activa kW X

Potencia Aparente

kVA X

Tabla 4.2 Lecturas realizadas a los componentes del sistema de refrigeración.

4.2 Procedimiento de la experimentación El procedimiento que se siguió para cada prueba experimental fue el que se indica a continuación: 1. Para iniciar cada experimento, se toma la temperatura del agua contenida en el depósito. El experimento se inicia cuando la temperatura del agua no sea mayor que la temperatura del medio ambiente, porque si la temperatura del agua es mayor a la del medio ambiente, no se estaría haciendo refrigeración mecánica sino refrigeración natural, al transmitir calor al medio ambiente. 2. Cuando se comprueba que la temperatura del agua a enfriar es menor o igual a la temperatura del medio ambiente, se procede a colocar los termómetros en el depósito de agua y a la salida del condensador, para tomar la temperatura del aire a la salida del condensador, ya que el programa de cómputo únicamente toma las lecturas directamente del refrigerante (presiones y temperaturas). También se instala el multímetro y el voltímetro, para tomar la lectura de la energía consumida por el motor eléctrico. 3. Se enciende el equipo de cómputo para que adquiera las lecturas de temperaturas y presiones del refrigerante, que son medidas por termopares y transductores de presión respectivamente. Al inicio de la prueba experimental, las lecturas de temperaturas deben ser iguales a la temperatura del medio ambiente, y las lecturas de presiones deberán indicar que es mayor la del lado de alta que la del lado de baja. Con esto se comprueba que los instrumento de medición se encuentran en buen estado. 4. Las lecturas de temperaturas y presiones las adquiere el equipo de cómputo cada 60 segundos y las promedia cada 5 minutos, agregándose en forma manual, también las lecturas adicionales como son las temperaturas del agua a la entrada y salida del evaporador, la temperatura de agua en el depósito, las temperaturas del medio ambiente y a la salida del condensador y los valores de diferencia de potencial, corriente eléctrica, potencia activa y potencia aparente. Todos estos valores se almacenan en un archivo durante las dos horas que dura el desarrollo experimental. 4.3 Desarrollo de la experimentación y datos obtenidos Para cada prueba experimental se obtuvieron los valores de temperaturas y presiones del refrigerante en cada uno de los puntos siguientes del sistema de refrigeración: entrada al evaporador, salida del evaporador, succión del compresor, descarga del compresor, entrada al condensador, salida del condensador, entrada a la válvula de expansión, salida de la válvula de expansión.


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Los resultados experimentales se organizaron en tablas; para el refrigerante, una para las temperaturas y otra para las presiones; para el agua se elaboraron tablas con las temperaturas a la entrada y salida del evaporador y con la temperatura en el depósito de agua; en estas tablas también se incluyó la temperatura del medio ambiente y la del aire a la salida del condensador. Las pruebas experimentales se repitieron tres veces para cada flujo de agua a enfriar, para tener la seguridad de que se estaban realizando correctamente. Aquí solo se presentan los resultados de uno de los experimentos para cada flujo de agua a enfriar, y los otros dos resultados se incluyen en el anexo A . 4.3.1. Flujo de agua de 0.5 l/s

En la tabla 4.3 se presentan los resultados de las temperaturas del refrigerante y en la tabla 4.4, los resultados de las presiones del refrigerante, durante la experimentación. Al inicio del experimento, la diferencia de temperaturas del refrigerante entre la entrada y la salida del evaporador, es mayor que al final del experimento. Se observa que estos valores van disminuyendo; inician en 7.28 y 11.55 °C respectivamente, por lo que la diferencia es de 4.27 °C, y terminan en 0.45 y 2.73 °C y su diferencia es de 2.28 °C. En la succión del compresor el valor de la temperatura del refrigerante se encuentra entre 18.4 y 19 °C, el experimento. La temperatura del refrigerante a la descarga del compresor disminuye ligeramente durante la duración del experimento; inició en 65°C y terminó en 62 °C. La disminución de la temperatura entre la descarga del compresor y la entrada al condensador se debe a que el refrigerante transmite calor hacia el medio ambiente en la línea de descarga. La temperatura del refrigerante al salir del condensador continúa siendo mayor que la del medio ambiente y por esta razón disminuye la temperatura del refrigerante en la línea de líquido, el refrigerante entra a la válvula de expansión como líquido subenfriado a alta temperatura. Los valores de temperatura del refrigerante a la entrada de la válvula de expansión inicia en 35.7 °C y terminan en 30.5 °C.

Tiempo Temperatura °C Minutos 4 1 1´ 2 2´ 3 3´ 4́

5 7.28 11.55 19.04 65.00 62.52 39.91 35.73 6.28 10 6.69 10.75 18.90 65.28 61.85 39.70 35.47 5.71 15 6.27 10.30 18.68 65.30 62.05 39.27 35.18 5.22 20 5.68 9.97 18.81 65.66 61.69 38.77 34.84 4.98 25 5.68 9.23 18.58 64.68 61.70 38.73 34.48 4.69 30 5.25 8.74 18.74 64.85 62.13 38.37 34.47 4.32 35 4.87 8.68 18.80 64.76 60.26 38.16 34.19 3.73 40 4.59 8.06 18.85 64.37 60.72 37.67 33.66 3.66 45 4.38 7.90 18.59 64.66 60.71 37.68 33.81 2.89 50 4.18 7.71 18.85 63.98 60.39 37.76 33.76 2.82 55 3.66 7.19 18.85 64.38 60.08 37.25 33.52 2.55 60 3.54 6.81 18.90 64.31 61.19 37.29 33.41 2.24 65 3.12 6.28 18.80 64.20 60.88 37.02 33.16 1.92


43

70 2.83 6.10 18.71 63.49 60.33 36.68 32.76 1.50 75 2.63 5.89 18.89 63.19 59.50 36.52 32.68 1.16 80 2.15 5.58 18.61 62.08 59.33 36.02 32.53 0.75 85 1.93 5.24 18.37 62.56 59.33 35.99 32.28 0.57 90 1.88 4.94 19.04 62.76 60.18 36.04 31.80 0.23 95 1.51 4.40 18.68 62.65 60.04 35.75 31.71 0.10

100 1.07 4.06 18.58 62.50 59.95 35.30 31.60 -0.18 105 0.91 3.75 19.22 62.18 59.50 35.43 31.22 -0.65 110 0.22 3.57 18.58 62.14 57.73 35.06 30.98 -1.13 115 0.09 3.18 18.58 61.82 58.63 34.54 30.81 -1.60 120 0.45 2.73 18.37 61.94 58.51 34.48 30.50 -1.36

Tabla 4.3 Temperatura del refrigerante a 0.5 l/s.

Este comportamiento de las temperaturas del refrigerante se grafica en la figura 4.2. El comportamiento de las temperaturas y presiones del refrigerante de los otros 2 experimentos se muestran en el anexo B, tanto para el flujo de 1.0 y 1.1 l/s.

-5

5

15

25

35

45

55

65

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Tem

pera

tura

(°C

)

2 2´ 3 3´ 1´ 1 4 4´

Figura 4.2 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 0.5 l/s

El comportamiento de la presión del refrigerante durante la prueba experimental se muestra en la tabla 4.4. Aquí, por la distancia que separa estos elementos, se ha hecho la consideración de que la presión en la descarga del compresor es igual a la presión de la entrada del condensador, y la misma situación se presenta en la salida de la válvula de expansión y la entrada del evaporador. Se muestra que en el evaporador existe una caída de presión del refrigerante, que va de la diferencia entre (409 – 399) kPa, al inicio del experimento, a la diferencia entre (320 –314) kPa, al final del experimento. Así, la caída de presión en el evaporador va de 10 a 6 kPa. El mayor valor de la


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presión corresponde a la descarga del compresor y esto se debe a que como ya se dijo, es el compresor el equipo destinado a mantener la diferencia de presiones entre el evaporador y el condensador, además de compensar las diversas caídas de presión; aún así, se observa que esta presión disminuye durante el desarrollo del experimento, iniciando con un valor de 1401 kPa y terminando con un valor de 1363 k Pa, aunque se llegan a presentar valores menores, que llegan hasta 1039 kPa. La caída de presión del condensador se ubica entre 180 y 200 kPa. Es en la válvula de expansión en donde ocurre la mayor caída de presión; esta se sitúa entre 800 kPa y 830 kPa. El comportamiento de las presiones del refrigerante se muestran en la gráfica 4.3. En la figura 4.3 se observa que la presión en la descarga del compresor no se comporta de manera lineal, como en el caso de la descarga del condensador, y de la entrada de la válvula de expansión. El comportamiento del refrigerante en el evaporador, presenta una ligera caída de presión, tanto en la entrada como en la salida del evaporador. Posteriormente, el refrigerante tiene una caída de presión adicional entre la salida del evaporador y la succión del compresor, que sigue la tendencia del comportamiento en el evaporador. Es en la succión del compresor en donde se presenta el menor valor de la presión del refrigerante. En el compresor la presión del refrigerante aumenta en un valor del orden de 1000 kPa, con respecto a la presión de succión del compresor.

Tiempo Presión kPa minutos 4´ = 4 1 1´ 2 = 2´ 3 3´

5 408.66 399.22 340.20 1401.00 1309.60 1224.30 10 404.38 394.74 340.98 1418.24 1298.00 1226.50 15 399.30 393.20 341.10 1488.24 1297.40 1225.10 20 395.36 385.62 332.02 1444.52 1291.20 1214.50 25 389.96 382.62 330.90 1403.14 1279.20 1211.90 30 383.12 377.58 324.76 1387.20 1255.20 1203.70 35 381.68 373.56 321.36 1498.80 1269.80 1198.10 40 377.92 366.38 318.38 1469.26 1268.20 1193.70 45 372.48 364.54 316.22 1355.58 1256.98 1187.30 50 369.18 360.12 318.32 1440.86 1261.56 1199.90 55 364.86 360.74 312.54 1377.32 1252.36 1195.90 60 363.66 351.72 308.60 1470.98 1255.58 1191.10 65 357.12 351.24 305.18 1386.56 1250.56 1190.10 70 354.04 349.38 301.42 1382.90 1242.56 1182.10 75 350.52 342.96 298.58 1375.58 1235.32 1173.90 80 347.08 342.14 293.90 1407.92 1233.52 1176.50 85 345.12 335.46 292.96 1360.50 1219.90 1167.70 90 339.94 336.58 289.48 1327.32 1222.90 1173.30 95 338.74 332.24 291.74 1349.06 1230.30 1161.30 100 334.90 328.12 286.80 1309.44 1213.90 1161.70 105 331.36 323.28 281.12 1355.12 1221.30 1158.10 110 325.88 320.96 281.40 1352.10 1211.90 1161.70 115 321.28 316.14 272.04 1322.36 1191.50 1143.50 120 319.90 313.78 274.92 1362.65 1183.45 1144.45

Tabla 4.4 Presión del refrigerante a 0.5 lts/s.


45

Las temperaturas del agua en el depósito, así como sus temperaturas a la entrada y salida del evaporador, además de la temperatura del medio ambiente, la temperatura del aire a la salida del condensador se registran en forma manual, y posteriormente se suministran a la base de datos de la computadora. Los valores obtenidos durante el experimento, se muestran en la tabla 4.5. Al inicio del experimento, la temperatura del agua fue de 20 °C, tanto en el depósito y en la entrada del evaporador. La diferencia de temperatura del agua entre la entrada y salida del evaporador al inicio del experimento fue de 1°C y posteriormente se mantuvo entre 2 y 2.5 °C. La temperatura final del agua en el depósito fue de 12 °C, aunque salió del evaporador a 9.5 °C. Durante el experimento, la temperatura del medio ambiente varió de 23 a 26 °C. Otra información importante para evaluar el uso de la energía en los sistemas de refrigeración es la correspondiente a la energía eléctrica consumida por el sistema. Para calcular la energía consumida por el motor eléctrico fue necesario tomar las lecturas mostradas en la tabla 4.6.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Pre

sió

n (k

Pa)

2=2´ 3 3´ 4=4´ 1 1´

Figura 4.3 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 0.5 l/s

Tiempo Temperatura °C Minutos T AGUA T ent,evaporador T sal,evaporador T ambiente T COND

5 20.50 20.00 19.00 23.00 30.00 10 20.50 20.00 17.50 23.00 32.00 15 20.00 19.50 17.00 23.00 32.00 20 19.40 18.90 16.40 22.40 32.10 25 18.70 18.20 15.70 22.60 32.17 30 18.50 18.00 15.20 23.30 32.17 35 18.10 17.60 15.00 23.50 32.03


46

40 17.70 17.20 14.70 23.50 32.00 45 17.20 16.70 14.50 23.50 32.00 50 16.70 16.20 14.20 24.10 32.00 55 16.20 15.70 13.70 24.50 32.20 60 15.70 15.20 13.20 24.80 32.13 65 15.50 15.00 12.60 25.00 32.00 70 15.10 14.60 12.50 25.00 32.00 75 15.00 14.50 12.10 25.00 32.00 80 14.60 14.10 11.60 25.00 32.00 85 14.10 13.60 11.50 25.40 31.60 90 14.00 13.50 11.10 25.90 31.90 95 13.70 13.20 10.70 26.00 31.70 100 13.20 12.70 10.50 26.00 31.50 105 13.00 12.50 10.10 26.00 31.10 110 12.70 12.20 10.00 26.00 30.90 115 12.10 11.60 9.60 26.00 31.37 120 12.00 11.50 9.50 26.00 32.00

Tabla 4.5 Temperatura del agua y medio ambiente.

Tiempo Medidas de energía eléctrica

minutos Potencia

activa kW

Potencia aparente

kVA

Dif. de potencial

Volts

Corriente Ampers

5 0.87 1.90 225.00 14.40 10 0.85 1.82 225.67 13.67 15 0.84 1.71 225.00 13.00 20 0.85 1.73 225.20 13.26 25 0.82 1.89 225.13 15.53 30 0.81 1.84 224.60 14.59 35 0.84 1.55 224.87 11.46 40 0.83 1.47 225.40 11.07 45 0.82 1.55 225.27 11.97 50 0.83 1.74 224.60 13.47 55 0.84 1.67 224.73 12.97 60 0.84 1.84 225.00 14.07 65 0.82 1.88 224.73 14.45 70 0.81 1.65 224.13 12.77 75 0.81 1.50 224.00 11.63 80 0.77 1.71 224.80 12.82 85 0.77 1.95 224.47 14.82 90 0.76 1.79 225.40 13.71 95 0.78 1.75 225.27 13.35 100 0.77 1.60 225.00 12.29 105 0.76 1.27 224.47 11.17 110 0.76 1.39 224.93 11.41 115 0.77 1.56 225.07 11.85 120 0.76 1.42 224.25 11.97


47

Tabla 4.6 Valores de energía eléctrica a 0.5 lts/s

4.3.2 Flujo de agua de 1.0 l/s En la tabla 4.7 se muestran los valores de temperatura del refrigerante y en la tabla 4.8 los valores de presión. Las temperaturas del refrigerante a la entrada y salida del evaporador al inicio del experimento son de 10.56 °C y 15.50 °C, con una diferencia de 4.94 °C y al término de la experimentación son de 3.28 °C y 5.40 °C con una diferencia de 2.12 °C. La temperatura en la succión de compresor se mantiene constante en un valor de 18 °C, mientras que en la descarga del compresor su temperatura máxima es de 64.79 °C y la mínima es de 61.78 °C. Cuando el refrigerante entra al condensador, existe una disminución de la temperatura a consecuencia de la absorción de calor del medio ambiente al refrigerante, su temperatura máxima en el condensador es de 57.91 °C y la mínima es de 34.72 °C. Los valores de temperatura en la descarga del compresor y a la entrada del condensador, no disminuyen de acuerdo a la temperatura del agua, como en el caso de las otras temperaturas (evaporador, válvula de expansión), a excepción de la temperatura en la succión del compresor que se mantiene constante, ya que los valores de temperatura en la descarga del compresor y entrada al condensador, están en función de la temperatura ambiente. Este comportamiento de temperaturas se muestra en la gráfica 4.4

Tiempo Temperatura °C minutos 4 1 1´ 2 2´ 3 3´ 4´

5 10.56 15.50 17.04 58.78 55.75 39.70 34.33 9.98 10 9.55 14.74 18.83 62.93 59.96 39.86 35.40 8.93 15 9.09 14.10 18.66 63.73 60.13 39.46 35.36 8.44 20 8.57 13.72 18.39 64.31 60.85 39.10 35.08 7.74 25 8.09 13.13 18.80 64.43 61.03 39.06 35.19 7.71 30 7.75 12.66 18.50 64.47 61.41 38.85 34.99 7.02 35 7.58 12.08 18.61 64.22 61.17 38.54 34.72 7.00 40 6.97 11.90 18.67 64.79 61.70 38.19 34.59 6.14 45 6.88 11.23 18.38 63.55 59.80 37.84 34.09 6.20 50 6.61 11.05 18.50 64.31 61.33 37.73 33.95 5.68 55 6.11 10.50 18.50 63.89 59.65 37.43 33.78 5.18 60 6.14 10.02 18.43 63.97 60.38 37.43 33.49 5.12 65 5.90 9.50 18.30 63.93 60.55 36.91 33.18 4.88 70 5.54 9.24 18.72 63.80 60.54 36.82 33.01 4.09 75 5.09 8.90 18.44 63.66 60.54 36.57 33.03 4.07 80 5.17 8.34 18.56 61.71 58.62 36.56 32.70 3.69 85 4.59 8.10 18.62 62.68 59.76 36.19 32.62 3.18 90 4.62 7.62 18.87 62.86 59.61 35.84 32.45 2.95 95 3.93 7.26 18.49 62.71 59.43 35.69 32.09 2.63 100 3.62 6.77 18.93 62.13 59.61 35.33 31.99 2.27 105 3.51 6.57 18.48 62.12 57.91 35.30 31.56 2.07 110 2.79 6.34 18.62 62.28 58.65 35.01 31.56 1.81


48

115 3.04 5.84 18.85 62.11 58.94 34.74 31.49 1.59 120 3.28 5.40 18.35 61.78 59.17 34.72 31.11 1.52

Tabla 4.7 Temperatura del refrigerante a 1.0 lts/seg.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Tem

pera

tura

(°C

)

2 2´ 3 3´ 1´ 1 4 4´


En el evaporador al inicio el refrigerante a la entrada y salida tiene un valor de presión de 418 kPa y 404 kPa, cuya diferencia es de 14 kPa y al término del experimento su presión es de 317 kPa y 313 kPa, teniendo una diferencia de 4 kPa. La presión en la descarga del compresor al inicio es de 1307 kPa y al final es de 1144 kPa, durante la experimentación. La caída de presión en la válvula de expansión tiene un valor máximo de 730 kPa y un valor mínimo de 707 kPa, que se obtiene de la diferencia de la entrada y salida de la válvula, estos valores de la válvula de expansión dependen directamente de la presión en la descarga del compresor, ya que si aumenta o disminuye el valor de presión, en la válvula de expansión sucede lo mismo, también pasa igual con lo valores de presión del condensador. Mientras que en el evaporador los valores a la entrada y salida dependen únicamente de la disminución de la temperatura del agua. El comportamiento de las presiones se muestra en la grafica 4.5 En la tabla 4.9 se puede observar la temperaturas del depósito de agua a enfriar, las temperaturas del agua a la entrada del evaporador y a la salida, así como también la temperatura ambiente y la temperatura del aire condensante. En este caso la temperatura del depósito de agua disminuye 9.5 °C durante la experimentación.

Tiempo Presión kPa minutos 4 = 4´ 1 1´ 2 = 2´ 3 3´

5 418.72 404.96 344.96 1307.94 1158.70 1093.88


49

10 407.42 399.94 338.12 1353.82 1200.30 1114.90 15 401.64 390.30 338.02 1307.08 1174.70 1116.50 20 395.76 382.96 329.88 1306.44 1176.70 1115.30 25 391.20 381.68 330.06 1402.06 1176.52 1120.50 30 384.56 374.92 325.26 1337.88 1133.70 1114.90 35 379.60 374.08 318.64 1243.52 1205.92 1107.10 40 378.40 367.26 313.48 1270.48 1159.10 1102.50 45 370.56 360.84 308.54 1248.08 1144.90 1100.10 50 366.54 357.36 312.50 1334.02 1135.10 1095.30 55 361.72 351.80 305.02 1268.72 1124.30 1085.90 60 359.30 351.56 301.70 1220.68 1137.30 1084.50 65 355.02 345.14 299.34 1238.58 1130.70 1084.10 70 349.80 343.36 297.34 1237.30 1122.90 1079.50 75 346.02 339.70 291.12 1223.50 1123.50 1079.50 80 344.40 337.32 289.60 1278.44 1125.10 1073.50 85 339.54 333.06 284.36 1231.46 1124.70 1077.70 90 334.90 329.48 282.68 1213.40 1119.10 1069.10 95 330.74 327.72 285.00 1222.86 1122.70 1060.28

100 327.98 322.72 275.68 1205.84 1102.70 1060.48 105 325.88 319.92 275.76 1213.38 1103.10 1052.44 110 323.84 315.26 273.20 1243.32 1108.10 1051.02 115 319.52 314.78 267.98 1148.12 1090.70 1050.84 120 317.00 313.45 266.65 1144.82 1091.20 1044.60


0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Pre

sión

(kP

a)

4=4´ 1 1´ 2=2´ 3 3´


Tiempo Temperatura °C minutos T agua Tent,evaorador T sal,evaporado T ambiente T COND


50

r

5 19.50 19.00 18.00 20.00 25.00 10 19.00 18.50 17.50 20.50 26.67 15 18.50 18.00 17.00 20.50 28.67 20 18.00 17.50 16.50 21.00 28.00 25 18.00 17.50 16.00 21.00 28.83 30 17.40 16.90 15.70 21.00 29.23 35 16.60 16.10 15.10 21.00 29.37 40 16.10 15.60 14.60 21.00 29.07 45 15.60 15.10 14.10 21.40 29.13 50 15.20 14.70 13.70 21.50 28.67 55 15.00 14.50 13.50 21.50 28.33 60 14.60 14.10 13.10 21.50 28.60 65 14.10 13.60 12.60 21.50 28.40 70 13.60 13.10 12.10 21.90 28.07 75 13.10 13.00 12.00 22.00 28.53 80 12.60 12.60 11.60 22.00 28.80 85 12.50 12.50 11.10 22.00 28.70 90 12.10 12.10 10.60 22.00 28.80 95 11.60 11.60 10.50 22.00 28.83

100 11.50 11.10 10.10 22.00 28.83 105 11.10 10.60 10.00 22.00 28.57 110 10.60 10.50 9.60 22.00 28.90 115 10.20 10.20 9.20 22.30 28.90 120 10.00 10.00 8.62 22.50 28.96

Tabla 4.9 Temperatura del agua y medio ambiente En la tabla 4.9, la temperatura del depósito de agua al inicio es de 19.5 °C y al término del experimento es de 10 °C, durante el experimento la diferencia de temperatura del agua a la entrada y salida del evaporador fue de 1°C en la mayor parte del tiempo, la temperara ambiente vario de 20 °C a 22.5 °C. En la tabla 4.10 se muestran los valores para calcular la energía consumida por el motor eléctrico.

Tiempo Medidas de energía

minutos Potencia

activa kW

Potencia aparente

kVA

Dif. de potencial

Volts

Corriente Ampers

5 0.90 1.58 228.00 11.00 10 0.83 1.76 227.33 13.36 15 0.86 1.79 227.66 13.56 20 0.81 1.52 227.00 11.56 25 0.81 1.71 227.00 12.66 30 0.80 1.69 227.60 12.66


51

35 0.81 1.73 228.80 13.06 40 0.79 1.75 228.46 13.22 45 0.77 1.57 228.86 11.74 50 0.77 1.64 229.00 12.12 55 0.76 1.57 228.46 11.91 60 0.79 1.74 228.06 12.96 65 0.78 1.91 228.26 12.89 70 0.76 1.71 228.06 12.58 75 0.77 1.59 228.00 12.00 80 0.75 1.47 228.00 11.04 85 0.78 1.69 228.80 12.78 90 0.80 1.84 228.73 13.72 95 0.76 1.41 227.60 10.63

100 0.76 1.61 227.06 12.31 105 0.75 1.69 226.20 12.98 110 0.71 1.81 225.46 12.57 115 0.73 1.76 225.73 12.82 120 0.72 1.70 225.25 13.14


4.3.3 Flujo de agua de 1.1 l/s A continuación se muestra en las tablas 4.11 y 4.112 los valores de temperatura y presión del refrigerante. En esta tabla 4.11, al inicio de la experimentación la temperatura a la entrada y salida del refrigerante del evaporador es de 6.97 °C y 11.40 °C, cuya diferencia es de 4.43 °C y al final del mismo es de -0.53 °C y 2.91 °C respectivamente, teniendo una diferencia de 2.38 °C. La temperatura en la succión del compresor es de 18 a 19 °C, y en la descarga varía de 64 a 61 °C. En el condensador la temperatura a la entrada varía de 61 a 58 °C, y en la salida varía de 39 a 34 °C. En la válvula de expansión la caída de temperatura varía de 31 a 27 °C, En la figura 4.6 se muestra el comportamiento de las temperaturas del refrigerante.

Tiempo Temperatura °C minutos 4 1 1´ 2 2´ 3 3´ 4́

5 6.97 11.40 12.91 56.38 53.28 39.24 33.86 6.16 10 6.07 10.75 18.58 62.18 59.08 39.79 35.14 5.30 15 5.49 10.07 18.69 63.06 59.68 39.48 35.22 4.47 20 4.87 9.35 19.17 63.97 60.76 39.04 35.13 3.92 25 4.54 8.93 18.81 64.14 61.34 38.58 34.57 3.72 30 4.18 8.26 18.86 64.10 61.14 38.07 34.22 3.02 35 3.93 7.93 18.84 64.44 60.53 38.06 34.39 2.69 40 3.72 7.41 18.68 64.42 60.91 37.68 33.71 2.49 45 3.43 6.98 18.72 64.03 59.56 37.68 33.44 2.30 50 3.33 6.83 18.86 63.76 60.34 37.10 33.18 2.02 55 3.12 6.63 19.05 63.76 60.79 36.88 33.01 1.68


52

60 2.79 6.38 18.78 62.93 59.70 36.91 32.99 1.46 65 2.51 5.83 19.16 63.57 59.73 36.64 33.09 1.32 70 2.14 5.61 18.71 63.52 59.55 36.52 32.86 1.10 75 2.19 5.31 18.79 63.32 60.10 36.29 32.36 0.77 80 1.94 5.30 19.15 62.95 60.03 36.35 32.42 0.29 85 1.99 5.14 18.85 63.06 59.37 36.12 32.19 -0.15 60 0.76 4.65 19.17 62.03 58.19 35.34 30.93 -0.21 65 0.58 4.26 18.58 63.21 59.61 35.12 30.92 -0.22 100 0.35 3.91 18.60 62.70 59.82 35.18 30.83 -1.01 105 0.93 3.38 18.54 62.38 59.29 35.34 30.86 -1.41 110 0.46 3.07 18.92 62.36 59.06 34.65 30.34 -1.54 115 0.40 3.06 19.05 61.93 58.98 34.76 30.52 -1.60 120 -0.53 2.91 19.20 61.84 58.30 34.36 30.26 -2.00

Tabla 4.11 Temperatura del refrigerante a 1.1 l/s.

-5

5

15

25

35

45

55

65

75

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Tem

pera

tura

(°C

)

4 1 1´ 2 2´ 3 3´ 4´


En la tabla 4.12 la presión del refrigerante a la entrada y salida de evaporador al inicio del experimento es de 442 y 431 KPa, y su diferencia es de 11 kPa, al término del experimento es de 326 y 320 kPa respectivamente, cuya diferencia es de 6 kPa esta caída de presión en el evaporador, va decreciendo conforme la temperatura del agua disminuye. La presión en la succión del compresor tiene un valor inicial de 361 kPa y al final es de 320 kPa,. La presión en la descarga del compresor, que es la más alta presión en el sistema de refrigeración, tiene un valor máximo de 1573 kPa y un valor mínimo de 1373 kPa. En la salida del condensador y a la entrada de la válvula de expansión su valor máximo es de 1329 y 1272 kPa y su valor mínimo es de 1210 y 1157 kPa. respectivamente. El comportamiento de las presiones del refrigerante se muestra en la figura 4.7


53

Tiempo Presión kPa Minutos 4 = 4´ 1 1´ 2 = 2´ 3 3´

5 442.20 431.20 361.62 1471.44 1344.00 1247.76 10 427.26 420.72 357.50 1502.64 1386.00 1287.20 15 419.02 411.72 352.60 1572.88 1376.60 1288.00 20 413.64 405.10 354.28 1548.32 1387.20 1296.00 25 409.94 400.02 345.10 1508.50 1352.80 1284.40 30 405.36 391.76 344.70 1573.10 1329.00 1272.40 35 399.22 389.14 342.28 1469.72 1335.00 1266.20 40 391.76 386.66 333.10 1506.98 1326.20 1259.80 45 388.84 380.56 329.28 1424.24 1326.00 1242.56 50 383.68 376.54 322.40 1421.24 1290.58 1235.10 55 380.40 372.18 321.94 1512.58 1256.34 1228.90 60 375.64 366.30 316.52 1396.88 1277.76 1220.10 65 370.98 362.12 312.74 1405.30 1272.36 1215.70 70 367.18 357.44 312.12 1393.26 1263.16 1208.70 75 362.70 352.44 311.42 1376.88 1260.36 1196.10 80 358.16 349.54 306.28 1411.34 1257.56 1197.90 85 356.86 342.86 302.40 1430.08 1260.96 1196.30 60 349.48 344.24 296.74 1440.86 1230.14 1187.70 65 343.44 339.72 290.58 1359.64 1240.96 1182.70 100 338.74 333.44 289.72 1326.46 1231.72 1182.50 105 338.02 330.16 287.96 1371.68 1231.52 1183.30 110 335.06 328.96 281.78 1372.12 1224.92 1172.90 115 331.38 321.20 283.74 1416.50 1215.90 1166.30 120 326.32 320.90 277.45 1373.98 1210.20 1157.45


En la tabla 4.13 se puede observar la temperaturas del depósito de agua a enfriar, las temperaturas del agua a la entrada del evaporador y a la salida, así como también la temperatura ambiente y la temperatura del aire condensante. En este caso la temperatura del depósito de agua disminuye 9.5 °C durante la experimentación. La temperatura del agua a la entrada y salida del evaporador es de 19 y 18.5 °C, al final del experimento es de 10.5 y 9.5 °C, la temperatura ambiente se mantiene constante en 26 °C.


54

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Pre

sión

(kP

a)2=2´ 3 3´ 4=4´ 1 1´


Tiempo Temperatura °C Minutos T AGUA T ent,evaporador T sal,evaporador T ambiente T COND

5 20.00 19.00 18.50 26.00 23.00 10 19.60 19.00 18.20 26.00 29.80 15 19.10 18.60 17.60 26.00 33.10 20 18.60 18.10 17.10 26.00 33.63 25 18.20 17.70 16.40 26.00 33.97 30 17.70 17.20 15.70 26.00 34.07 35 17.10 16.60 15.50 26.00 34.00 40 16.60 16.10 15.10 26.00 34.00 45 16.10 15.60 14.60 26.00 34.00 50 15.60 15.10 14.10 26.00 33.87 55 15.20 14.70 14.00 26.00 33.63 60 15.00 14.50 13.60 26.00 32.70 65 14.70 14.20 13.20 26.00 33.00 70 14.10 13.60 13.00 26.00 33.07 75 14.00 13.50 12.60 26.00 33.27 80 13.60 13.10 12.10 26.00 33.20 85 13.10 12.60 11.60 26.00 33.43 60 12.60 12.50 11.50 26.00 33.37 65 12.00 12.50 11.00 26.00 33.33 100 12.00 12.00 10.50 26.00 33.00 105 11.60 11.60 10.50 26.00 33.27 110 11.50 11.50 10.00 26.00 32.17 115 10.50 10.50 10.00 26.00 33.00 120 10.50 10.50 9.50 26.00 33.00


55

Tabla 4.13 Temperatura del agua y medio ambiente A continuación en la tabla 4.14 se muestran los valores para obtener la energía consumida por el motor eléctrico.

Tiempo Medidas de energía

minutos Potencia activa kW

Potencia aparente

kVA

Dif. de potencial

Volts

Corriente Ampers

5 0.83 1.95 225.00 14.90 10 0.85 1.87 224.20 14.50 15 0.89 2.09 224.27 15.79 20 0.94 1.81 224.60 13.63 25 0.90 1.83 224.47 13.86 30 0.88 1.67 224.73 12.79 35 0.87 2.13 224.73 16.37 40 0.86 1.95 224.13 15.08 45 0.87 1.76 224.80 13.61 50 0.84 1.71 224.20 13.21 55 0.86 1.92 224.60 14.63 60 0.87 1.70 225.80 13.01 65 0.84 1.78 225.60 13.85 70 0.84 1.68 225.60 12.99 75 0.83 1.78 225.13 13.73 80 0.82 1.92 225.80 14.54 85 0.81 1.80 225.47 13.63 60 0.80 1.68 225.87 12.70 65 0.79 1.67 225.67 12.60 100 0.79 1.67 225.67 12.60 105 0.76 1.79 225.93 13.88 110 0.81 1.64 225.67 12.73 115 0.79 1.82 224.67 13.87 120 0.75 1.94 226.00 14.77


4.4 Gráfica de los resultados Con los datos de presión y temperatura del refrigerante, obtenidos experimentalmente, se determinaron sus correspondientes propiedades termodinámicas: entalpía, entropía y volúmen específico. Estas propiedades termodinámicas se usaron para trazar los ciclos reales de refrigeración, en los diagramas P-h y T-s. Para mostrar como evolucionan los ciclos termodinámicos en función del tiempo, sobre una misma figura se presentan los ciclos correspondientes a los tiempos de pruebas de 5, 50, 100 y 120 minutos. Desde luego que se dispone de la información suficiente como para trazar los ciclos


56

termodinámicos a cada 5 minutos de la duración de la prueba, pero no se ha hecho así para no causar confusiones por exceso de información.

Los ciclos termodinámicos se trazan para los flujos de agua de 0.5, 1.0 y 1.1 l/s, como se muestra a continuación, únicamente se pondrán los ciclos de un solo experimento, los otros 2 experimentos para cada flujo se encontraran el anexo C . 4.4.1 Flujo de agua de 0.5 l/s En la figura 4.8 se muestran los ciclos termodinámicos de refrigeración, en el diagrama P-h, obtenidos a partir de la información disponible en las tablas 4.3 y 4.4; estos ciclos se han trazado para los tiempos de 5, 50, 100 y 120 min.

1.00E+02

1.00E+03

1.00E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sió

n (k

Pa)

Figura 4.8 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración a 0.5 l/s.

Se observa que el ciclo de refrigeración va evolucionando con respecto al tiempo, disminuyendo la temperatura de evaporación, debido a que la temperatura del agua en el depósito disminuye. Este diagrama permite observar como ocurren las caídas de presión en equipos, en la succión del compresor, en la válvula de expansión, y en las tuberías de succión y descarga, así como también los diferentes procesos de transferencia de calor. En este diagrama también se observa que la presión de condensación, no evoluciona tanto en comparación con la presión de evaporación. Esto es debido a que en el evaporador, el refrigerante y el agua a enfriar varían linealmente, mientras que en el condensador, el refrigerante y la temperatura ambiente, sus valores no varían demasiado.


57

Otro aspecto importante a resaltar en este mismo diagrama es que conforme el ciclo de refrigeración evoluciona, el efecto refrigerante en el evaporador aumenta, pero el valor de la presión de condensación se mantiene constante, lo que trae como consecuencia que el trabajo de compresión también aumente y este aspecto involucra directamente al COP, que se observa en el capítulo 5.

0

20

40

60

80

100

120

0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9

Entropia (kJ/kg K)

Tem

pera

tura

°C

Figura 4.9 Diagrama T-s de un ciclo real de refrigeración a 0.5 l/s

En la figura 4.9 se han trazado los mismos ciclos de refrigeración, en el diagrama T-s. En este diagrama se observa con mayor claridad la evolución de la temperatura del refrigerante, además de que en el compresor existe un proceso de enfriamiento, lo que trae como consecuencia que la entropía disminuya en el proceso de compresión. 4.4.2 Flujo de agua de 1.0 l/s

En las figuras 4.10 y 4.11 se muestran los ciclos termodinámicos de refrigeración, en los diagrama P-h y T-s, respectivamente, obtenidos a partir de la información disponible en las tablas 4.7 y 4.8, y se han trazado para los tiempos de 5, 50, 100 y 120 min. Las figuras de los ciclos termodinámicos con un flujo de agua a 1.0 l/s, presentan el mismo comportamiento de evolución, así como también de efectos físicos, por lo que solo serán mostrados, debido a que es el mismo criterio que con el flujo a 0.5 l/s..


58

En la figura 4.11 se observa que mientras la temperatura en la succión del compresor se mantiene constante, la temperatura de evaporación disminuye a medida que la temperatura del agua a enfriar hace lo mismo, por lo que en la tubería de succión el refrigerante tiene un aumento de entropía conforme el ciclo evoluciona.

1.00E+02

1.00E+03

1.00E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sión

(kP

a)



59

0

20

40

60

80

100

120

0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9

Entropía (kJ/kg K)

Tem

pera

tura

/°C

)

Figura 4.11 Diagrama T -s de un ciclo real de refrigeración a 1.0 l/s

4.4.2 Flujo de agua de 1.1 l/s En la figura 4.12 y 4.13 se muestran los ciclos termodinámicos de refrigeración, en los diagramas P-h y T-s, obtenidos a partir de la información disponible en las tablas 4.11 y 4.12, y se han trazado para los tiempos de 5, 50, 100 y 120 min.

1.00E+02

1.00E+03

1.00E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sión

(kP

a)



60

0

20

40

60

80

100

120

0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9

Entropía /kJ/kg K)

Tem

pera

tura

(°C

)

Figura 4.13 Diagrama T -s de un ciclo real de refrigeración a 1.1 l/s

Capítulo 5 Análisis de resultados

59

Capítulo 5

Análisis de resultados

En este capitulo se analizan los resultados obtenidos experimentalmente para los diferentes flujos de agua a enfriar, de 0.5, 1.0 y 1.1 l/s. Se analizan las irreversibilidades generadas en el sistema de refrigeración para cada flujo de agua antes mencionado, así como también se grafican los resultados obtenidos para analizar el comportamiento el sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor. 5.1 Análisis de los resultados experimentales.

Los cálculos que se requieren para evaluar y graficar el comportamiento del sistema de refrigeración se realizaron de acuerdo a lo indicado en la tabla 5.1, en donde se señalan las ecuaciones y tablas de resultados empleados. CALCULOS DEL SISTEMA DE REFRIGERACION UNIDADES ECUACIÓN

Y/O TABLA CARGA TERMICA kW (2.15) POTENCIA SUMINISTRADA AL COMPRESOR kW (2.34) FLUJO MASICO DEL REFRIGERANTE kg/s (2.17) IRREVERSIBILIDAD DEL EVAPORADOR kW Tabla 2.1 IRREVERSIBILIDAD DE LA LINEA DE SUCCION kW Tabla 2.1 IRREVERSIBILIDAD DEL COMPRESOR kW Tabla 2.1 IRREVERSIBILIDAD DE LA LINEA DE DESCARGA kW Tabla 2.1 IRREVERSIBILIDAD DEL CONDENSADOR kW Tabla 2.1 IRREVERSIBILIDAD DE LA LINEA DEL LIQUIDO kW Tabla 2.1 IRREVERSIBILIDAD DE LA VÁLVULA DE EXPANSION kW Tabla 2.1 IRREVERSIBILIDAD TOTAL kW Tabla 2.1 COEFICIENTE DE OPERACIÓN REAL (2.35) COEFICIENTE DE OPERACIÓN TEORICO (2.37) COEFICIENTE DE OPERACIÓN DE CARNOT (2.36)

Tabla 5.1 Cálculos realizados y ecuaciones aplicadas.

5.1.1 Análisis de resultados a 0.5 l/s. La variación de la carga térmica con respecto al tiempo se muestra en la figura 5.1. Las gráficas de las pruebas experimentales 2 y 3 se encuentran en el anexo D.


60

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Car

ga T

érm

ica

Figura 5.1. Variación de la carga térmica con respecto al tiempo.

En la figura 5.1, en los primeros 10 minutos existe un incremento de la carga térmica que va de 2.09 kW a 5.23 kW, posteriormente la carga térmica se mantiene constante durante 20 minutos, que fue el mayor tiempo en que la carga térmica no tubo variación con respecto al tiempo. Esta variación de la carga térmica, que predomina en la mayor parte de la prueba experimental, es causada por la transferencia de calor que existe entre el depósito de agua a enfriar y el medio ambiente. La mayor carga térmica se presenta a los 30 minutos de la experiment ación con un valor de 5.86 kW, la carga térmica promedio durante la prueba experimental es de 4.73 kW. En la figura 5.2, podemos observar el comportamiento de la potencia suministrada al compresor.

2.2

2.25

2.3

2.35

2.4

2.45

2.5

2.55

2.6

2.65

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Pot

. Sum

. al C

omp.

(kW

)

Figura 5.2. Potencia suministrada al compresor


61

En la figura 5.2, la potencia suministrada al compresor a los 30 minutos es de 2.49 kW, que en ese tiempo se presento la mayor carga térmica, pero no es la mayor potencia consumida en la prueba experimental, ya que la mayor potencia se presento a los 25 minutos y tiene un valor de 2.62 kW. La potencia promedio consumida por el compresor es de 2.44 kW. En la figura 5.3 se muestra el comportamiento del COP real, que se obtiene dividiendo la carga térmica entre la potencia suministrada al compresor.

0.5

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5

1.7

1.9

2.1

2.3

2.5

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

CO

P

Figura 5.3. Comportamiento del COP real

En la figura 5.3, el valor del COP real a los 30 minutos es de 2.35, que es el mayor valor en toda la prueba experimental. Para validar que a los 30 minutos se tiene un mayor aprovechamiento de la energía suministrada, se aplica la ecuación (2.37) que se puede observar en el capítulo 2, para obtener el COP teórico. Con esta ecuación del COP teórico se encuentra el punto de operación óptimo, que es donde se tiene una menor irreversibilidad en todo el sistema de refrigeración, asi como también un menor consumo de energía.

Por lo tanto, Graficando OTEORICO Q

VSCOP

11 , se obtiene la figura 5.4, de donde el punto de

operación óptimo se encuentra en las coordenadas (0.191,0.429), que es el menor valor que se presenta en la figura 5.4, para obtener el valor del COP teórico y la carga térmica, se le saca la inversa a las coordenadas quedando de la siguiente manera, el COP teórico tiene un valor de 2.32, con una carga térmica de 5.23 kW, y con una potencia suministrada al compresor de 2.25 kW, que es la potencia mas baja de toda la prueba experimental estos valores se presentaron a los 80 minutos. Para comprobar que a los 80 minutos se tiene un mejor aprovechamiento de la energía y no a los 30 minutos en el sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor se grafican las irreversibilidades de los componentes del sistema de refrigeración, así como también de la potencia suministrada al compresor, como se muestra en la figura 5.5.


62

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500

1/Qo

1/C

OP

teór

ico

Figura 5.4. Obtención del punto de operación óptimo.

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Irre

vers

ibili

dade

s (k

W)

Pot. Suministrada Irrev.Total Compresor

Condensador Evaporador Dispositivos

Figura 5.5 Comportamiento de las irreversibilidades y de la potencia suministrada.

En la figura 5.5, a los 30 minutos que es donde se presenta una mayor carga térmica, un mayor COP real, la irreversibilidad total es de 2.34 kW con una potencia suministrada de 2.49 kW, a los 80 minutos, que es donde se presenta el punto de operación óptimo, la irreversibilidad total es de 2.02 y con una potencia suministrada de 2.26 kW que fue la potencia mas baja durante toda la


63

prueba experimental, además de que también se presento el menor consumo de energía en el compresor que fue de 1.12 kW. En la tabla 5.2, se muestra los resultados de las tres pruebas experimentales a 0.5 l/s , en el cual se hace la comparación del COP real con el punto de operación óptimo.

EXPERIMENTO 1

EXPERIMENTO 2

EXPERIMENTO 3

QO Máx.

Punto de operación óptimo.

QO Máx.

Punto de operación óptimo

QO Máx.


Carga térmica (kW)

5.86 5.23 8.93 8.37 7.61 7.47

Potencia suministrada. (kW)

2.49 2.26 2.67 2.39 2.86 2.67

COP 2.35 2.32 3.34 3.50 2.66 2.80 Irrev. Total (kW) 2.34 2.02 2.46 2.24 2.65 2.35 Irrev. Compresor (kW)

1.28 1.12 0.99 0.83 1.26 1.07

Irrev. Condensador (kW)

0.61 0.51 0.75 0.72 0.78 0.70

Tiempo (minutos) 30 80 50 35 10 60 Pot. Suministrada promedio (kW)

2.44 2.53 2.71

Irrev. Total promedio (kW)

2.26 2.34 2.44

Tabla 5.2 Resultados experimentales a 0.5 l/s

El experimento en el que se tiene un mejor aprovechamiento de la energía es el experimento 1, que el promedio de su carga térmica es de 4.73 kW, pero no es donde se tiene una menor irreversibilidad del compresor, ya que el experimento 2, es el que presenta la menor irreversibilidad con una carga térmica de 8.37 kW.

5.1.2 Análisis de resultados a 1.0 l/s En la figura 5.6, se muestra el comportamiento de la carga térmica, las otras 2 pruebas a 1.0 l/s se presentan en el anexo D. En la figura 5.6, la mayor carga térmica se presento a los 25 y 90 minutos con un valor de 6.28 kW, en esta prueba experimental la carga térmica se mantuvo constante en un periodo de 45 minutos con un valor de 4.187 kW. La menor carga térmica se presento a los 105 minutos con un valor de 2.51 kW.


64

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Car

ga T

érm

ica

Figura 5.6 Variación de la carga térmica con respecto al tiempo.

En la figura 5.7, se muestra la potencia consumida por el motor eléctrico. A los 25 y 90 minutos que es donde se presenta la mayor carga térmica, el consumo de energía es de 2.28 y 2.13 kW respectivamente, y cuando la carga térmica se mantuvo constante, la potencia suministrada tiende a disminuir, la menor potencia se presento a los 110 minutos con un valor de 1.78 kW.

1.5

1.7

1.9

2.1

2.3

2.5

2.7

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Pot

. sum

. al c

omp.

(kW

)

Figura 5.7. Potencia suministrada al compresor

En la figura 5.8, se grafica el comportamiento del COP real, el mayor COP se presento a los 25 y 90 minutos con un valor de 2.64 y 2.65 respectivamente, que también es donde se presento la mayor carga térmica, cuando la carga térmica se mantuvo , el COP aumenta su valor en ese lapso,


65

ya que no se puede mantener constante debido a que esta en función de la potencia suministrada. El menor valor del COP real se presento a los105 minutos con un valor de 1.11, que en ese tiempo también se presento la menor carga térmica.

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

2.20

2.40

2.60

2.80

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

CO

P


Para encontrar un punto de operación óptimo durante las 2 horas de experimentación, se hace uso de la figura 5.9. Este punto de operación óptimo es aquel en el que se produce la menor irreversibilidad total, así como también la menor irreversibilidad del compresor durante las 2 horas de experimentación

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450

1/Qo

1/C

OP

teó

rico



66

De acuerdo a la figura 5.9, el COP teórico tiene las coordenadas (0.174, 0.380), sacándole inversa a estas coordenadas se tiene que la carga térmica tiene una valor de 5.75 kW y un valor de COP teórico de 2.63, que este es el punto de operación óptimo y se presento a los 120 minutos, que es donde tiene la menor potencia consumida por el motor eléctrico y la menor irreversibilidad total, así como también la menor irreversibilidad en el compresor durante la duración de las 2 horas de la prueba experimental. Como se muestra en la figura 5.10.

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Irre

vers

ibili

dade

s (k

W)

Potencia sum. Irrev.Total Compresor



En la figura 5.10 a los 25 y 90 minutos que es cuando se tiene una mayor carga térmica, la irreversibilidad total en esos puntos tienen un valor de 2.28 y 2.13 kW respectivamente, y la irreversibilidad en el compresor tiene un valor de 1.12 y 1.07 kW, mientras que el punto de operación óptimo tiene un valor de irreversibilidad total de 1.92 y presenta una irreversibilidad del compresor de 0.99, que es donde se tiene un mayor ahorro de la energía. En este punto de operación óptimo no se tiene la mayor carga térmica. En la tabla 5.3, se muestra los resultados de las tres pruebas experimentales a 1.0 l/s, en el cual se hace la comparación del COP real con el punto de operación óptimo. En al tabla 5.3, donde se tiene un mejor ahorro de energía es en el experimento 4, en el experimento 6 la máxima carga térmica, el mayor COP real, coincide con el punto de operación óptimo. Un punto importante a mencionar es que cuando se tienen cargas termicas mayores a 8 kW, la irreversibilidad en el compresor disminuye, pero la irreversibilidad del condensador aumenta y puede presentar una mayor irreversibilidad el condensador.


67

EXPERIMENTO 4

EXPERIMENTO 5

EXPERIMENTO 6

QO Máx.


QO

Máx. Punto de operación óptimo

QO

Máx. Punto de operación óptimo

Carga térmica (kW)

6.28 5.75 9.21 8.93 6.28 6.28


2.37 2.19 2.88 2.75 2.38 2.38


1.07 0.99

1.03 1.00 0.98 0.98


0.57 0.48 0.90 0.96 0.62 0.62


2.31 2.75 2.65


2.18 2.56 2.49

Tabla 5.3 Resultados experimentales a 1.0 l/s 5.1.3 Análisis de resultados a 1.1 l/s. La variación de la carga térmica con respecto al tiempo se muestra en la figura 5.11. Las gráficas de las pruebas experimentales 8 y 9 se encuentran en el anexo D.

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

5.50

6.00

6.50

7.00

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Car

ga T

érm

ica

Figura 5.11 Variación de la carga térmica con respecto al tiempo


68

En la figura 5.11 la mayor carga térmica se presento a los 30, 95, 100 y 110 minutos con un valor de 6.91 kW, la menor carga térmica tiene un valor de 2.30 kW y se presento a los 5 y 115 minutos. La potencia suministrada al compresor se muestra en la figura 5.12.

2.20

2.30

2.40

2.50

2.60

2.70

2.80

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Pot

. Sum

. al c

omp.

(kW

)

Figura 5.12 Potencia suministrada al compresor

En la figura 5.12, cuando se presentan las mayores cargas térmicas tienen un valor de 2.63 kW a los 30 minutos, 2.33 kW a los 95 y 100 minutos y 2.45 kW a los 110 minutos. Con lo que respecta a la menor carga térmica tiene un valor de 2.47 kW a los 5 minutos y 2.34 kW a los 115 minutos. El comportamiento del COP real se muestra en la figura 5.13.

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

CO

P



69

En la figura 5.13, de acuerdo a las mayores cargas térmicas, el COP tiene un valor de 2.56 a los 30 minutos, los 95 y 100 minutos tiene un valor de COP de 3 y a los 110 minutos tiene un valor de 2.82, por lo tanto para hacer la comparación con el punto óptimo de operación se toma el valor más alto del COP real que es de 3. Para la obtención del punto óptimo se hace uso de la siguiente gráfica.

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450

1/Qo

1/C

OP

teór

ico


El punto de operación óptimo tiene las siguientes coordenadas (0.145, 0.333), que sacando la inversa se tiene, 6.9 kW de carga térmica y un valor del COP de 3 que coincide con el valor del COP real, estos valores del COP óptimo se presentaron a los 100 minutos que coincide con el mayor valor de la carga térmica y el mayor valor del COP.

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Irre

vers

ibili

dade

s (k

W)

Pot.Sum. Irrev.Total Compresor




70

A los 100 minutos que es donde se encontró el punto óptimo de operación, tiene la menor irreversibilidad generada en el compresor y la menor irreversibilidad total, estos resultados experimentales se muestran en la tabla 5.4.

EXPERIMENTO 7

EXPERIMENTO 8

EXPERIMENTO 9

QO Máx.


QO Máx.


QO Máx.


Carga térmica (kW)

6.91 6.91 6.91 6.45 9.21 9.21


2.33 2.33 2.56 2.27 2.56 2.56


0.82 0.82 1.24 0.89 0.99 0.99


0.63 0.63 0.70 0.58 0.89 0.89


2.50 2.45 2.64


2.30 2.27 2.51

Tabla 5.4 Resultados experimentales a 1.1 l/s De los 3 flujo de agua analizados, el que tiene un mejor aprovechamiento de la energía es el flujo a 1.1 l/s, esto se deduce comparando los tres experimentos de cada flujo, como se muestran en las tablas 2, 3 y 4. También en las tablas antes mencionadas se comprueba que cuando se tiene cargas térmicas de 8 a 9.7 kW se produce la mayor potencia consumida por el motor eléctrico, pero además de que la irreversibilidad del compresor disminuye, aumentando la irreversibilidad del condensador. El punto de operación óptimo se presento cuando la carga térmica no necesariamente fue la mayor de toda la prueba experimental, pero se comprobó que en ese punto de operación óptimo se tiene la menor irreversibilidad total, la menor irreversibilidad en el compresor, y también la menor potencia consumida por el motor eléctrico.

Conclusiones y Recomendaciones

71

CONCLUSIONES

De los resultados experimentales obtenidos y del análisis aplicado a las irreversibilidades generadas en el sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor, se llega a las siguientes conclusiones:

1. La presión de condensación tiende a mantenerse constante, debido a que la temperatura ambiente no varió más de 4°C durante la experimentación.

2. Las irreversibilidades totales del sistema de refrigeración se situaron en los rangos de 85 y

97 % de la energía suministrada en el compresor a través de un motor eléctrico, durante las 2 horas de experimentación. Lo anterior indica que la refrigeración, al menos en el sistema experimental analizado, se realiza con un 10 % de la energía suministrada.

3. Se encontró un punto de operación óptimo durante las 2 horas de experimentación, en el

que se tiene la menor irreversibilidad generada en el sistema de refrigeración, así como también se tiene la menor irreversibilidad del compresor. Este punto de operación óptimo es importante porque puede ayudar a tomar decisiones acerca del diseño de la modificación de los sistemas de refrigeración.

4. Mediante el análisis experimental se demostró que no siempre la mayor irreversibilidad se

encuentra en el compresor, ya que al tener cargas térmicas de 8 a 9.3 kW, la irreversibilidad del compresor disminuye, pero la irreversibilidad en el condensador aumenta y puede tener una mayor irreversibilidad.

5. Cuando se disminuye la irreversibilidad en el compresor no se logra un ahorro de energía,

ya que las irreversibilidades generadas en el condensador, evaporador y dispositivos aumentan. Lo que trae como consecuencia que la potencia suministrada al compresor no disminuya.

6. Las magnitudes de las pérdidas de energía por generación de irreversibilidades en los

componentes del sistema de refrigeración, dependen de carga térmica, ya que cuando la carga térmica varia de 6 a 9.3 kW, las irreversibilidades del compresor y el condensador, son las que predominan, seguidas por la irreversibilidad del evaporador y la de los dispositivos. Cuando la carga térmica tiene un rango de 1 a 5 kW, la mayor irreversibilidad se presenta en el compresor, con un porcentaje de 48%, mientras que la el condensador es de 27 %, el evaporador con 9% y los dispositivos con 8%

Conclusiones y Recomendaciones

72

RECOMENDACIONES Después del análisis de resultados de este estudio, se hacen las recomendaciones siguientes:

q Se recomienda evaluar sistemáticamente las fallas que puedan estar generando

irreversibilidades, ya que las pérdidas de energía ocurren como consecuencia de las

irreversibilidades originadas en cada uno de los componentes del sistema de refrigeración.

Ya que como se observo en este trabajo las irreversibilidades varían de acuerdo a la carga

térmica, que esta en función del flujo de agua que circula por el evaporador.

q Los aspectos teóricos establecidos para el análisis de irreversibilidades de los sistemas de

refrigeración por compresión mecánica de vapor, documentados en este trabajo, también se

puede aplicar a sistemas de refrigeración de diversas capacidades en las plantas

industriales.

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Anexo A Datos obtenidos de las pruebas experimentales

76

Tiempo Temperatura °C Minutos 4 1 1 ́ 2 2 ́ 3 3 ́ 4 ́

5 14.53 21.56 19.17 61.63 58.98 41.07 35.89 14.22 10 13.71 20.60 19.09 65.21 62.28 40.91 36.82 13.64 15 13.05 19.91 19.09 65.93 62.96 40.65 36.80 12.68 20 12.67 19.20 19.11 66.05 63.44 40.38 36.29 12.49 25 12.23 18.48 19.30 66.00 62.94 40.11 36.27 12.03 30 11.86 17.88 19.23 66.29 63.08 39.97 35.95 11.13 35 11.46 17.34 19.08 66.21 62.78 39.86 35.82 11.10 40 10.97 16.45 19.18 65.99 62.70 39.39 35.44 10.37 45 10.70 15.90 19.15 65.73 62.40 39.43 35.39 9.83 50 10.35 15.44 18.98 65.28 62.09 38.80 34.93 9.51 55 10.00 14.70 19.01 65.29 61.85 38.47 34.74 9.37 60 9.71 14.14 18.84 65.01 61.91 37.96 34.44 9.20 65 9.66 13.81 19.17 64.23 61.66 37.94 34.13 8.46 70 9.07 13.27 18.74 64.45 61.07 37.67 34.11 8.47 75 8.69 12.90 18.87 64.04 61.02 37.30 34.03 8.28 80 8.53 12.45 18.81 63.79 60.91 37.16 33.52 7.43 85 8.19 11.89 18.84 63.80 60.26 36.79 33.45 7.31 90 7.83 11.49 19.11 63.26 60.05 36.63 33.27 6.85 95 7.56 11.29 18.78 63.36 59.78 36.29 32.77 6.75

100 7.17 10.90 19.03 63.19 59.35 36.44 32.95 6.52 105 7.04 10.50 18.89 62.64 59.36 36.31 32.56 6.11 110 6.82 10.10 18.96 62.36 59.16 35.88 32.30 5.36 115 6.36 9.49 18.79 62.19 59.08 35.57 32.08 5.58 120 6.08 9.44 19.05 61.82 58.38 35.33 31.99 5.35

Tabla A.1 Temperatura del refrigerante a 0.5 l/s.

Tiempo Presión kPa minutos 4 ́= 4 1 1 ́ 2 = 2 ́ 3 3 ́

5 420.24 413.08 352.08 1244.62 1091.30 1002.80 10 413.80 404.54 344.90 1211.44 1119.90 1022.60 15 406.48 399.80 342.98 1230.84 1104.30 1022.60 20 402.52 394.38 340.40 1302.12 1082.30 1015.20 25 399.46 389.64 337.36 1211.66 1105.68 1019.20 30 394.02 386.98 332.94 1198.74 1125.70 1018.20 35 389.32 384.32 330.84 1237.52 1109.48 1015.40 40 385.36 378.62 324.72 1273.92 1051.06 1017.80 45 381.68 374.82 325.88 1190.14 1094.46 1019.60 50 376.30 370.64 318.46 1217.92 1086.86 1006.80 55 370.48 365.34 313.46 1183.86 1083.06 1010.20 60 367.58 360.98 310.90 1198.10 1060.06 993.60 65 365.90 357.36 308.58 1150.70 1018.62 992.00 70 359.94 351.38 308.44 1184.50 1042 .06 995.60 75 356.46 349.16 300.56 1152.40 1045.44 994.00 80 351.24 344.48 299.30 1184.96 1037.64 988.20 85 347.40 342.22 295.90 1170.72 1053.26 977.40 90 343.66 338.68 291.56 1131.98 1036.02 983.00 95 339.22 330.96 289.70 1156.10 1037.22 973.60 100 336.58 329.92 288.18 1163.84 1029.60 973.80 105 333.38 324.52 282.96 1148.98 1027.60 973.40 110 329.76 322.34 277.16 1112.80 1027.80 972.60 115 326.18 320.80 270.20 1100.92 1013.00 961.80 120 324.20 315.50 271.35 1146.18 1019.10 966.85

Tabla A.2 presión del refrigerante a 0.5 l/s.


77

Tiempo Temperatura °C Minutos TAGUA Tent,evaporador Tsal,evaporador Tambiente TCOND

5 25.00 23.50 21.00 24.00 28.00 10 24.60 23.30 20.33 24.00 27.07 15 23.60 22.70 19.03 24.00 25.87 20 22.83 22.20 18.33 24.00 26.00 25 22.20 21.70 17.70 24.00 26.00 30 21.70 21.20 17.20 24.00 26.10 35 21.20 20.70 16.70 24.00 26.07 40 20.70 20.20 16.20 24.00 26.00 45 20.20 19.70 15.70 24.00 26.10 50 19.87 19.37 15.10 24.00 26.43 55 19.33 18.73 15.00 24.00 26.30 60 18.60 18.07 14.60 24.00 26.03 65 18.10 17.60 14.50 24.00 26.00 70 17.60 17.10 13.70 24.00 26.00 75 17.10 16.60 13.10 24.00 26.00 80 16.87 16.10 12.60 24.00 26.00 85 16.43 15.87 12.50 24.00 26.00 90 15.93 15.17 12.10 24.00 26.00 95 15.43 14.87 12.00 24.00 26.00 100 15.07 14.57 11.60 24.00 26.00 105 14.60 14.10 11.10 24.00 26.00 110 14.10 13.60 10.47 24.00 26.00 115 13.60 13.10 10.07 24.00 26.00 120 13.37 12.87 10.00 24.00 26.00

Tabla A.3 Temperatura del agua y medio ambiente.



Potencia aparente

kVA

Dif. de potencial

Volts

Corriente Ampers

5 0.75 1.22 225.00 9.10 10 0.77 1.50 224.73 11.34 15 0.81 1.75 225.13 13.20 20 0.81 1.73 225.27 13.04 25 0.82 1.78 225.00 13.48 30 0.82 1.67 225.20 12.64 35 0.81 1.70 225.53 12.81 40 0.83 1.65 226.07 12.69 45 0.81 1.40 225.93 13.80 50 0.82 1.52 225.13 12.69 55 0.83 1.59 225.00 12.17 60 0.82 1.60 224.73 12.17 65 0.83 1.61 224.93 12.19 70 0.86 1.59 225.00 12.20 75 0.86 1.60 224.73 12.20 80 0.86 1.61 225.4 7 12.20 85 0.84 1.60 225.13 12.17 90 0.87 1.58 225.00 12.22 95 0.88 1.59 225.53 12.15

100 0.88 1.58 224.33 12.13 105 0.87 1.59 224.00 12.21 110 0.89 1.60 225.07 12.23 115 0.90 1.61 225.33 12.18 120 0.90 1.61 225.83 12.24

Tabla A.4 Medidas de energía eléctrica a 0.5 l/


78


5 4.99 9.68 18.92 65.66 62.83 39.41 34.60 3.98 10 4.79 9.39 18.97 66.10 62.87 39.49 34.83 3.91 15 4.61 9.12 18.95 65.81 62.49 39.28 34.58 3.64 20 4.32 8.53 19.10 66.00 62.73 38.87 34.29 2.99 25 4.12 8.33 19.10 65.84 62.51 38.52 34.19 3.05 30 3.87 7.95 19.03 65.24 61.89 38.31 34.04 2.92 35 3.80 7.52 19.06 65.65 61.48 38.15 33.67 2.63 40 3.47 7.27 18.87 65.29 62.08 37.75 33.52 2.51 45 3.30 7.06 18.81 64.81 62.00 37.61 33.34 2.49 50 3.12 6.72 18.85 64.08 60.91 37.17 33.48 1.81 55 3.02 6.41 18.80 64.20 61.12 37.32 33.01 2.06 60 2.87 6.11 18.90 64.06 60.96 37.06 32.97 1.59 65 2.73 6.16 18.64 63.91 60.55 36.83 32.97 1.75 70 2.52 5.80 19.08 63.20 60.33 36.56 32.62 1.32 75 2.48 5.33 18.85 63.50 59.42 36.21 32.56 1.19 80 2.34 5.33 19.12 63.21 60.10 36.14 32.15 1.14 85 2.12 5.31 18.92 62.68 59.80 35.84 32.41 0.81 90 2.14 4.99 18.84 62.83 59.91 35.77 32.05 0.87 95 1.90 4.93 19.05 62.74 59.24 35.70 31.94 0.31

100 1.88 4.85 18.86 62.22 59.55 35.63 31.80 0.54 105 1.78 4.62 19.17 62.34 58.91 35.34 31.77 0.33 110 1.68 4.30 19.15 61.59 58.49 35.30 31.48 0.26 115 1.46 4.23 18.93 62.09 58.53 34.94 31.56 0.02 120 1.24 4.29 18.83 61.76 58.78 34.94 31.29 0.31



5 453.08 445.20 392.60 1664.44 1454.30 1371.40 10 449.04 442.86 370.62 1599.16 1454.10 1373.20 15 444.24 434.96 374.86 1620.50 1445.28 1356.00 20 438.34 425.18 370.40 1594.62 1422.62 1347.20 25 431.66 419.88 374.38 1588.40 1417.62 1340.00 30 426.62 415.66 365.60 1577.86 1414.62 1325.40 35 420.30 412.52 358.58 1590.98 1403.02 1310.40 40 414.84 404.54 354.06 1498.36 1367.20 1307.20 45 411.86 403.08 342.52 1506.56 1369.20 1297.60 50 405.90 396.58 338.66 1499.22 1346.20 1285.00 55 402.82 390.38 337.90 1619.64 1313.60 1275.80 60 395.62 391.12 332.82 1485.64 1337.80 1266.40 65 391.90 382.40 339.46 1404.44 1352.40 1267.20 70 387.38 377.42 334.28 1424.06 1319.00 1249.20 75 382.80 373.70 332.22 1446.66 1304.20 1239.12 80 377.76 372.88 324.90 1495.78 1317.20 1227.50 85 372.88 363.82 318.84 1410.46 1270.78 1219.30 90 370.56 363.26 317.18 1491.46 1284.00 1210.30 95 365.26 358.60 317.92 1461.52 1279.38 1204.30 100 360.50 353.72 308.40 1421.90 1255.18 1198.30 105 359.14 350.60 302.14 1388.06 1242.96 1188.30 110 351.88 346.34 300.80 1404.68 1236.32 1185.30 115 349.96 341.26 297.54 1406.82 1225.30 1173.70 120 347.70 339.32 296.82 1366.15 1221.95 1163.20



79


5 25.00 24.00 20.50 28.00 33.00 10 24.60 23.73 20.10 28.00 34.60 15 24.10 23.13 19.73 28.00 34.73 20 23.33 22.73 19.27 28.00 34.67 25 23.03 22.13 18.63 28.00 34.40 30 22.40 21.70 18.20 28.00 34.13 35 21.50 21.00 17.70 28.00 34.00 40 21.07 20.37 17.20 28.00 34.00 45 20.70 20.07 16.70 28.00 34.00 50 20.10 19.47 16.10 28.00 34.00 55 19.80 19.23 15.70 28.00 33.40 60 19.27 18.77 15.20 28.00 33.40 65 18.80 18.20 15.00 27.40 33.27 70 18.27 17.73 14.60 27.00 33.00 75 17.87 17.37 14.30 27.00 33.00 80 17.27 16.77 14.07 27.00 32.70 85 17.00 16.50 13.33 27.00 32.10 90 16.60 16.10 13.17 27.00 32.00 95 16.17 15.67 12.83 27.00 32.00 100 16.03 15.53 12.43 27.00 32.00 105 15.60 15.10 12.07 27.00 31.33 110 15.10 14.60 11.60 27.00 31.03 115 14.60 14.10 11.23 27.00 31.00 120 14.25 13.75 11.04 27.00 31.00




Potencia aparente

kVA

Dif. de potencial

Volts

Corriente Ampers

5 0.97 1.28 224.00 10.40 10 0.96 2.15 226.13 16.37 15 0.97 2.03 226.93 15.28 20 0.96 2.05 226.47 15.62 25 0.94 1.89 226.87 14.40 30 0.92 1.86 226.80 14.07 35 0.91 1.86 226.87 14.14 40 0.90 1.87 226.40 14.23 45 0.90 2.08 226.20 15.73 50 0.89 1.92 226.33 14.62 55 0.89 1.99 226.53 15.30 60 0.88 1.91 226.27 14.76 65 0.90 1.83 226.60 14.61 70 0.89 1.78 226.20 13.93 75 0.92 1.65 225.60 12.33 80 0.88 1.68 225.13 12.55 85 0.90 1.64 225.00 12.39 90 0.93 2.04 224.20 15.63 95 0.93 1.88 223.33 14.70

100 0.87 1.75 223.87 13.63 105 0.86 1.82 224.00 14.14 110 0.85 1.74 224.00 13.75 115 0.80 1.90 225.60 14.64 120 0.85 1.78 226.00 13.72

Tabla A.8 Medidas de energía eléctrica a 0.5 l/s


80


5 9.70 15.42 19.05 66.06 63.45 42.25 36.21 9.27 10 8.83 14.88 18.77 68.54 65.41 41.82 36.94 8.49 15 8.37 14.34 18.69 68.81 65.48 41.26 36.55 7.93 20 8.03 13.70 19.08 68.29 65.37 41.24 36.20 7.37 25 7.65 13.39 19.16 67.63 64.97 40.89 35.94 6.94 30 7.12 12.65 18.87 68.08 64.63 40.42 35.65 6.16 35 6.83 12.24 18.85 67.42 64.75 39.91 35.39 5.80 40 6.32 11.83 18.75 67.48 64.13 39.59 35.13 5.86 45 6.14 11.15 18.75 66.83 63.61 39.28 34.91 5.33 50 5.68 11.19 18.98 66.42 63.31 39.05 34.81 5.25 55 5.62 10.44 18.93 65.92 63.34 38.66 34.08 4.85 60 5.30 10.24 18.97 65.55 63.14 37.84 33.67 4.17 65 4.99 9.73 18.83 65.13 62.15 37.72 33.73 3.62 70 4.68 9.33 19.03 64.75 61.75 37.49 33.51 3.68 75 4.48 8.78 18.93 64.85 61.95 37.08 33.13 3.41 80 4.29 8.57 18.84 64.45 61.54 37.00 33.02 2.86 85 4.09 8.27 18.56 63.97 61.10 36.87 32.71 2.82 90 3.86 7.94 19.23 63.85 60.89 36.24 32.66 2.54 95 3.54 7.74 18.97 63.73 60.73 36.11 32.47 2.52

100 3.59 7.35 18.90 63.42 60.71 36.00 32.21 1.88 105 3.37 7.16 18.89 63.35 60.30 35.90 32.18 2.34 110 3.13 6.77 18.93 63.29 59.90 35.81 32.21 2.09 115 3.04 6.24 19.37 62.81 59.85 35.37 31.88 1.33 120 2.86 6.19 18.86 61.42 58.39 35.35 31.81 1.54



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81


5 25.00 24.50 23.50 25.00 24.00 10 24.90 24.20 22.60 25.00 30.30 15 24.33 23.70 21.70 25.00 34.50 20 23.70 23.20 21.40 25.00 34.50 25 23.20 22.60 20.53 25.00 34.80 30 22.70 22.13 20.00 25.00 35.00 35 22.20 21.60 19.70 25.50 35.00 40 21.70 20.83 19.10 25.63 33.80 45 21.20 20.50 18.63 25.80 34.00 50 20.87 20.10 18.10 26.00 34.13 55 20.17 19.60 17.60 26.00 34.00 60 20.00 19.10 17.10 26.00 34.00 65 19.20 18.60 16.60 26.00 34.00 70 18.90 18.40 16.20 26.00 34.00 75 18.33 17.83 15.90 26.00 34.00 80 17.87 17.10 15.17 26.00 33.20 85 17.17 16.60 15.00 26.00 33.00 90 17.00 16.20 14.70 26.00 33.00 95 16.60 15.90 14.30 26.00 33.00 100 16.07 15.57 14.03 26.00 33.00 105 15.60 15.10 13.87 26.00 32.20 110 15.50 15.00 13.17 26.00 32.00 115 15.20 14.70 12.90 25.70 32.00 120 14.50 14.13 12.58 25.50 31.75




Potencia aparente

kVA

Dif. de potencial

Volts

Corriente Ampers

5 0.96 1.26 224.00 9.70 10 0.97 1.66 224.60 12.52 15 0.95 2.13 225.40 15.98 20 0.93 2.02 225.67 15.17 25 0.93 1.85 226.47 14.01 30 0.92 1.72 226.20 13.07 35 0.89 1.77 225.87 14.24 40 0.91 1.99 226.00 15.59 45 0.93 1.90 226.00 14.49 50 0.91 2.06 226.00 15.75 55 0.93 2.14 226.00 16.27 60 0.93 2.15 226.00 16.35 65 0.96 2.16 226.00 16.31 70 0.97 2.16 226.60 16.36 75 0.90 1.93 227.40 14.64 80 0.89 1.77 227.13 13.36 85 0.89 1.77 226.20 13.31 90 0.90 1.77 226.40 13.34 95 0.92 1.76 226.67 13.35

100 0.92 1.77 226.13 13.33 105 0.93 1.76 226.00 13.31 110 0.92 1.76 226.00 13.14 115 0.94 1.75 226.40 13.24 120 0.94 1.84 225.42 13.31



82

Tiempo Temperatura °C Minutos 4.53 12.37 13.90 65.64 62.52 40.23 35.03 5.59

5 4.09 11.90 13.46 65.07 62.00 39.88 34.34 5.04 10 3.53 11.13 12.73 66.41 63.07 39.80 34.41 4.63 15 2.93 10.49 12.36 66.46 63.19 39.59 34.04 3.91 20 2.40 9.80 11.41 65.92 62.24 39.43 33.90 3.72 25 1.71 9.25 11.09 65.97 62.41 38.56 33.46 2.68 30 1.55 8.70 10.65 65.74 61.56 38.34 33.24 2.86 35 1.18 8.25 10.66 65.46 62.59 38.27 33.07 2.12 40 0.66 7.57 9.70 65.05 61.07 37.84 32.62 1.99 45 0.21 7.43 9.52 65.59 62.40 37.57 32.53 1.44 50 -0.10 7.23 9.27 65.32 62.02 37.72 32.39 1.16 55 -0.36 6.61 8.83 64.66 61.85 37.31 31.99 0.75 60 -0.92 6.11 8.13 63.89 60.85 36.74 31.66 0.70 65 -1.32 5.62 8.18 63.80 60.07 36.62 31.63 0.07 70 -1.72 5.16 7.79 64.45 60.88 36.64 31.52 -0.11 75 -1.72 4.66 6.90 63.91 60.83 36.54 31.00 -0.45 80 -2.38 4.25 6.61 63.70 59.72 36.06 30.69 -0.98 85 -2.79 3.82 6.35 63.42 59.93 35.50 30.43 -1.20 90 -3.02 3.24 5.82 63.48 59.55 35.50 30.32 -1.48 95 -3.38 2.83 5.68 62.36 59.16 35.36 30.37 -1.78

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83


5 21.00 20.50 19.50 23.00 33.00 10 21.00 20.50 19.00 23.50 34.00 15 20.47 20.10 19.00 23.50 32.80 20 19.50 19.50 18.00 23.50 34.00 25 19.20 19.20 17.70 23.80 34.10 30 18.60 18.60 17.10 24.00 34.83 35 18.10 17.70 16.60 24.00 34.33 40 17.60 17.50 16.10 24.00 34.43 45 17.10 16.70 15.60 24.40 34.50 50 16.60 16.50 15.10 24.50 34.90 55 16.10 16.10 15.00 24.10 34.60 60 15.60 15.60 14.60 24.00 34.77 65 15.50 15.10 14.10 24.40 34.57 70 14.90 14.70 13.70 24.50 34.20 75 14.50 14.50 13.10 24.90 34.00 80 14.10 14.10 13.00 25.00 34.13 85 13.60 13.60 12.60 25.00 34.70 90 13.10 13.10 12.50 25.00 34.17 95 13.00 13.00 12.10 25.00 33.20 100 12.60 12.60 11.60 25.00 34.07 105 12.50 12.50 11.10 25.40 34.47 110 12.00 12.50 11.00 26.00 35.00 115 11.00 11.50 10.50 26.00 35.00 120 11.00 11.50 10.00 26.00 34.50




Potencia aparente

kVA

Dif. de potencial

Volts

Corriente Ampers

5 0.93 2.07 226.00 15.60 10 0.94 1.68 226.33 12.90 15 0.91 1.80 226.60 13.75 20 0.95 1.83 228.00 14.20 25 0.94 2.16 228.00 16.48 30 0.87 1.62 228.00 12.32 35 0.89 1.54 228.00 11.57 40 0.95 1.79 227.20 14.11 45 0.91 2.09 227.80 15.90 50 0.88 1.66 227.20 12.52 55 0.95 1.68 227.00 12.64 60 0.88 2.00 226.20 15.01 65 0.88 1.94 226.80 14.76 70 0.87 1.96 227.00 14.49 75 0.92 1.81 225.40 14.46 80 0.88 1.68 226.87 12.92 85 0.83 1.70 227.07 12.83 90 0.84 1.55 226.47 11.81 95 0.81 1.73 226.60 13.21

100 0.85 1.43 226.40 10.91 105 0.86 1.77 226.87 13.19 110 0.86 1.56 227.00 12.03 115 0.86 1.92 226.33 14.33 120 0.82 1.35 226.67 10.00



84


5 10.64 16.82 18.06 66.65 64.49 42.73 36.92 10.19 10 9.81 16.06 18.00 68.90 65.85 42.36 37.47 9.20 15 9.40 15.53 17.44 69.11 66.03 41.96 37.32 8.94 20 8.82 15.06 17.20 68.97 66.17 41.63 36.71 8.50 25 8.70 14.47 16.85 68.72 65.61 41.49 36.68 8.12 30 8.30 13.91 16.17 68.53 65.40 41.10 36.18 7.87 35 8.01 13.53 15.57 68.04 64.91 40.83 36.07 7.27 40 7.64 13.03 15.30 67.77 64.99 40.51 35.70 7.14 45 7.47 12.36 14.74 67.71 64.90 40.28 35.89 6.64 50 6.89 11.98 14.27 66.83 63.81 39.78 35.34 6.14 55 6.67 11.60 13.52 67.32 64.34 39.86 35.32 5.98 60 6.26 11.16 13.38 66.57 63.24 39.30 34.97 5.64 65 5.87 10.81 13.27 66.47 63.48 39.05 34.70 5.11 70 5.62 10.36 12.40 66.16 63.40 38.74 34.52 4.99 75 5.25 9.86 12.02 65.81 62.94 38.41 34.26 4.65 80 4.99 9.56 11.96 64.67 61.85 38.06 34.23 4.11 85 4.78 9.04 11.78 65.21 61.84 37.67 33.71 3.70 90 4.52 8.50 11.04 65.07 62.26 37.66 33.66 3.72 95 4.31 8.26 11.12 64.37 61.78 37.12 33.22 2.97

100 4.06 8.00 10.47 64.11 61.79 37.01 33.08 2.85 105 3.86 7.60 10.20 64.01 61.06 36.76 33.03 2.51 110 3.47 7.17 9.69 63.95 60.90 36.42 32.68 2.82 115 3.22 6.72 9.43 63.64 60.82 36.15 32.60 2.46 120 3.10 6.55 9.17 63.19 60.36 36.14 32.33 2.18



5 483.30 470.72 414.86 1564.70 1425.66 1311.80 10 473.48 459.86 391.30 1551.12 1377.80 1299.00 15 467.42 455.76 408.3 8 1614.66 1427.64 1302.60 20 458.26 446.08 380.76 1457.84 1373.22 1288.80 25 453.56 442.32 385.94 1547.68 1388.22 1286.20 30 446.40 437.54 386.04 1589.24 1374.00 1274.00 35 441.18 430.46 373.94 1513.24 1367.80 1273.40 40 433.42 424.90 369.44 1553.74 1345.40 1265.20 45 430.48 421.62 369.12 1478.10 1367.22 1265.20 50 423.72 411.46 357.68 1416.50 1358.00 1253.98 55 419.76 410.02 367.74 1552.00 1376.00 1248.16 60 412.92 404.84 355.16 1516.46 1329.98 1238.72 65 410.12 403.02 349.64 1423.62 1353.78 1228 .30 70 404.78 394.40 347.80 1411.76 1276.96 1233.90 75 398.82 394.00 335.82 1485.88 1342.18 1221.10 80 394.48 385.94 330.82 1347.36 1238.32 1213.50 85 388.82 377.58 333.52 1521.86 1313.38 1212.30 90 383.60 378.38 328.26 1367.82 1264.16 1203.10 95 380.56 370.96 321.24 1384.44 1253.98 1185.70 100 375.14 366.06 317.68 1376.88 1236.94 1182.10 105 368.38 362.60 316.04 1415.00 1247.74 1176.10 110 365.74 357.12 311.96 1421.90 1240.14 1175.50 115 362.60 354.46 305.68 1327.76 1225.90 1169.10 120 357.23 349.40 302.93 1359.40 1225.95 1158.70



85


5 25.00 24.50 22.50 25.00 29.00 10 25.00 24.50 22.50 25.00 31.00 15 24.33 23.93 22.03 25.00 32.50 20 23.50 23.00 21.50 25.00 32.50 25 22.90 22.40 20.90 25.00 32.60 30 22.20 21.70 20.20 23.50 32.77 35 21.70 21.20 19.70 23.50 32.63 40 21.10 20.60 19.10 23.37 32.50 45 20.70 20.20 18.70 23.13 32.50 50 20.20 19.70 18.40 23.10 32.50 55 19.87 19.37 17.67 23.03 32.23 60 19.17 18.67 17.37 23.00 32.43 65 19.00 18.10 16.83 23.00 32.20 70 18.40 17.53 16.10 23.00 32.00 75 18.00 16.93 15.57 23.53 32.00 80 17.47 16.57 15.10 23.13 32.00 85 17.07 16.10 15.00 23.00 32.00 90 16.47 15.87 14.60 23.00 32.00 95 16.07 15.43 14.10 23.00 31.87 100 15.60 15.07 13.60 23.27 31.17 105 15.10 14.60 13.10 23.87 31.00 110 14.87 14.10 12.60 24.00 31.00 115 14.43 13.87 12.10 24.00 31.00 120 14.00 13.50 12.00 24.00 31.00




Potencia aparente

kVA

Dif. de potencial

Volts

Corriente Ampers

5 0.86 1.68 224.00 12.90 10 0.97 1.80 224.00 13.57 15 0.87 1.75 224.67 13.07 20 0.97 2.37 224.00 19.10 25 0.96 2.31 225.20 17.78 30 0.95 2.38 226.00 17.96 35 0.93 2.18 223.60 16.57 40 0.92 1.96 222.80 15.03 45 0.93 2.01 223.40 15.50 50 0.90 1.98 223.47 15.35 55 0.91 1.77 225.20 13.46 60 0.89 1.98 224.33 15.20 65 0.92 2.04 224.00 15.85 70 0.90 1.90 225.60 14.63 75 0.88 2.11 226.40 15.47 80 0.88 1.86 225.53 13.74 85 0.86 1.56 225.87 11.55 90 0.84 1.61 227.60 11.83 95 0.82 1.62 225.87 12.03

100 0.82 1.59 225.87 12.06 105 0.84 1.71 226.80 12.73 110 0.84 2.07 225.40 15.78 115 0.84 1.81 226.60 13.70 120 0.93 1.76 227.00 13.43



86


5 8.65 13.33 18.75 61.25 58.37 40.61 35.75 8.19 10 7.85 12.57 18.83 63.56 60.81 40.33 34.08 7.25 15 7.35 11.97 18.77 64.38 61.20 40.11 32.35 6.61 20 6.82 11.46 19.09 64.90 61.85 39.61 35.32 5.95 25 6.44 10.69 18.67 65.00 61.32 39.28 35.05 5.78 30 6.10 10.06 18.81 64.60 61.95 39.02 34.83 4.92 35 5.62 9.54 18.89 64.38 60.92 38.79 34.66 4.86 40 5.24 9.36 18.79 64.39 60.89 38.52 34.71 4.41 45 5.14 8.90 18.66 64.62 61.54 38.33 34.19 3.94 50 4.58 8.07 18.61 64.76 61.60 37.80 34.01 3.69 55 4.23 7.71 18.77 64.07 60.85 37.68 34.02 3.29 60 4.07 7.40 18.58 64.67 61.25 37.42 33.70 2.93 65 3.69 7.02 19.11 64.29 60.53 37.24 33.46 2.52 70 3.23 6.72 18.66 63.99 60.97 37.06 33.47 2.21 75 3.04 6.07 18.44 62.68 60.14 36.86 32.89 1.92 80 2.71 5.61 18.67 63.02 60.05 36.60 32.54 1.64 85 2.23 5.06 18.36 63.31 60.32 36.37 32.54 1.21 90 1.89 4.65 18.46 63.27 60.19 36.15 32.22 0.89 95 1.77 4.19 18.37 62.89 59.80 35.67 31.79 0.46

100 1.53 4.22 18.61 62.49 59.85 35.83 31.61 -0.20 105 1.18 3.78 18.44 62.51 59.59 35.51 31.87 0.03 110 0.79 3.44 18.49 62.41 59.14 35.31 31.60 -0.62 115 0.77 3.05 18.48 61.91 59.11 35.08 31.22 -1.32 120 0.25 2.82 18.31 60.58 57.86 34.87 31.17 -1.09



5 425.58 414.60 354.52 1467.12 1302.80 1209.50 10 417.18 407.28 350.10 1496.66 1314.60 1223.30 15 412.20 401.40 350.80 1424.70 1311.60 1221.90 20 405.98 399.64 341.68 1444.94 1314.20 1227.30 25 402.90 392.12 341.12 1493.40 1288.20 1220.90 30 398.18 389.06 333.00 1432.20 1321.80 1219.50 35 392.86 385.62 329.66 1433.96 1286.36 1216.30 40 388.34 379.58 325.06 1432.04 1273.56 1203.70 45 384.80 374.34 327.32 1465.42 1330.60 1210.10 50 380.30 371.36 324.56 1421.26 1261.96 1205.70 55 375.24 368.86 316.52 1379.22 1256.96 1202.10 60 370.08 365.42 312.08 1342.62 1225.70 1190.90 65 365.66 356.94 312.66 1387.64 1238.34 1191.30 70 362.28 356.16 305.82 1414.34 1247.36 1194.90 75 360.36 350.36 303.54 1308.80 1251.78 1195.90 80 354.94 347.12 305.44 1390.68 1249.96 1191.50 85 350.76 343.26 297.02 1362.22 1237.92 1186.30 90 347.96 337.86 296.72 1390.66 1231.32 1179.90 95 344.18 332.66 294.08 1422.34 1229.90 1170.30 100 339.14 332.72 291.92 1397.56 1232.10 1170.90 105 337.22 330.48 285.40 1351.46 1214.90 1164.90 110 333.78 325.62 282.86 1324.72 1223.10 1166.90 115 328.54 325.42 282.16 1410.68 1212.90 1160.50 120 327.75 321.10 278.25 1369.65 1219.70 1161.45



87


5 20.00 19.50 18.50 24.00 26.50 10 19.60 19.10 17.70 23.20 30.23 15 19.10 18.60 17.10 23.40 30.37 20 18.50 18.00 16.83 23.50 30.33 25 17.90 17.40 16.33 23.50 30.53 30 17.30 16.80 15.80 23.50 30.67 35 17.00 16.50 15.20 23.50 30.87 40 16.70 16.20 15.00 23.80 31.80 45 16.20 15.70 14.70 24.00 32.03 50 15.70 15.20 14.40 24.30 31.43 55 15.20 14.70 13.83 24.50 31.27 60 14.90 14.40 13.50 24.50 31.73 65 14.63 14.13 13.20 24.50 32.00 70 14.20 13.70 12.70 24.60 32.00 75 13.90 13.40 12.20 24.87 32.20 80 13.57 13.07 12.00 25.00 32.47 85 13.50 13.00 11.60 25.00 32.50 90 13.10 12.60 11.50 25.00 31.70 95 12.70 12.20 10.90 25.00 31.80 100 12.20 11.70 10.50 25.00 32.10 105 12.00 11.50 10.37 25.00 32.43 110 11.60 11.10 10.07 25.00 32.10 115 11.10 10.60 9.87 25.40 32.00 120 11.00 10.50 9.50 25.50 32.00




Potencia aparente

kVA

Dif. de potencial

Volts

Corriente Ampers

5 0.83 1.61 226.00 12.20 10 0.86 1.58 226.00 12.20 15 0.87 1.78 224.67 13.45 20 0.94 1.64 224.67 12.07 25 0.90 1.74 224.67 12.95 30 0.86 1.89 224.80 14.35 35 0.84 1.84 225.00 14.43 40 0.85 1.87 224.40 14.67 45 0.84 2.03 224.00 15.77 50 0.83 1.97 223.80 15.05 55 0.86 1.86 223.27 14.37 60 0.84 1.83 223.40 14.27 65 0.80 1.80 224.27 13.80 70 0.81 1.77 224.07 13.45 75 0.81 1.88 223.67 14.44 80 0.80 1.82 223.40 13.80 85 0.79 1.80 223.33 13.33 90 0.81 1.82 223.87 13.83 95 0.80 1.74 223.80 13.27

100 0.79 1.52 223.27 11.72 105 0.77 1.58 223.00 12.15 110 0.78 1.88 222.47 14.33 115 0.76 1.61 222.8 7 12.29 120 0.79 1.34 222.33 10.17


Anexo B Comportamiento de las temperaturas y presiones del refrigerante R-134a

88

Figura B.1 Comportamiento de las temperaturas del refrigerante a 0.5 l/s

Figura B.2 Comportamiento de las presiones del refrigerante a 0.5 l/s

0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Tem

pera

tura

(ºC

)

2 2´ 3 3´ 4´ 4 1 1´

0.0E+00

2.0E+02

4.0E+02

6.0E+02

8.0E+02

1.0E+03

1.2E+03

1.4E+03

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Pre

sión

(B

ar)

4=4´ 1 1´ 2=2´ 3 3´


89



0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100 120

Tem

pera

tura

(ºC

)

2 2´ 3 3´ 4´ 4 1 1´

0.0E+00

2.0E+02

4.0E+02

6.0E+02

8.0E+02

1.0E+03

1.2E+03

1.4E+03

1.6E+03

1.8E+03

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Pre

sión

(ba

r)

2=2´ 3 3´ 4=4´ 1 1´


90



0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Tem

pera

tura

(ºC

)

4 1 1´ 2 2´ 3 3´ 4´

0.0E+00

2.0E+02

4.0E+02

6.0E+02

8.0E+02

1.0E+03

1.2E+03

1.4E+03

1.6E+03

1.8E+03

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Pre

sión

(B

ar)

4=4´ 1 1´ 2=2´ 3 3´


91



-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Tem

pera

tura

(ºC

)

4 1 1´ 2 2´ 3 3´ 4´

0.0E+00

2.0E+02

4.0E+02

6.0E+02

8.0E+02

1.0E+03

1.2E+03

1.4E+03

1.6E+03

1.8E+03

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Pre

sión

(kP

a)

4=4´ 1 1´ 2=2´ 3 3´


92



0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Tem

pera

tura

(ºC

)4 1 1´ 2 2´ 3 3´ 4´

0.0E+00

2.0E+02

4.0E+02

6.0E+02

8.0E+02

1.0E+03

1.2E+03

1.4E+03

1.6E+03

1.8E+03

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Pre

sión

(kP

a)

4=4 1 1´ 2=2´ 3 3´


93



-5

5

15

25

35

45

55

65

75

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Tem

pera

tura

(ºC

)

4 1 1´ 2 2´ 3 3´ 4´

0.0E+00

2.0E+02

4.0E+02

6.0E+02

8.0E+02

1.0E+03

1.2E+03

1.4E+03

1.6E+03

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Pre

sión

(kP

a)

4=4´ 1 1´ 2=2´ 3 3´

Anexo C Ciclos termodinámicos de refrigeración

94

Figura C.1 Diagrama P-h de un ciclo real de refrigeración a 0.5 l/s.

Figura C.2 Diagrama T-s de un ciclo real de refrigeración a 0.5 l/s

1.00E+02

1.00E+03

1.00E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sión

(ba

r)

0

20

40

60

80

100

120

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Entropía (kJ/kg K)

Tem

pera

tura

(°C

)


95



1.00E+02

1.00E+03

1.00E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sión

(K

pa)

0

20

40

60

80

100

120

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Entropía (kJ/kg K)

Tem

pera

tura

(°C

)


96



1.00E+02

1.00E+03

1.00E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sión

(kP

a)

0

20

40

60

80

100

120

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Entropía (kJ/kg K)

Tem

pera

tura

(°C

)


97



1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sión

(kP

a)

0

20

40

60

80

100

120

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Entropía (kJ/kg K)

Tem

pera

tura

(°C

)


98


Figura C.10 Diagrama T -s de un ciclo real de refrigeración a 1.1 l/s

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sión

(kP

a)

0

20

40

60

80

100

120

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Entrpía (kJ/kg K)

Tem

pera

tura

(°C

)


99


Figura C.12 Diagrama T -s de un ciclo real de refrigeración a 1.1 l/s

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

150 200 250 300 350 400 450

Entalpía (kJ/kg)

Pre

sión

(kP

a)

0

20

40

60

80

100

120

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Entropía (kJ/kg K)

Tem

pera

tura

(°C

)

Anexo D Gráficas de resultados de las pruebas experimentales

100

Flujo a 0.5 l/s

Grafica D.1 Carga térmica

Grafica D.2 Comportamiento del COP

5.00

5.50

6.00

6.50

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

0 20 40 60 80 100 120Tiempo (minutos)

Car

ga T

érm

ica

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

CO

P

COP Carnot COP real


101

Grafica D.3 Comparación del COP

Grafica D.4 Comportamiento de las irreversibilidades y de la potencia suministrada.

2.00

2.20

2.40

2.60

2.80

3.00

3.20

3.40

3.60

3.80

0 20 40 60 80 100 120Tiempo (minutos)

CO

P

COP real COP cal.

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Irrev

ersi

bilid

ades

(kW

)

Pot sum Irreve. Total Compresor



102



5.50

6.00

6.50

7.00

7.50

8.00

0 20 40 60 80 100 120Tiempo (minutos)

Car

ga T

érm

ica

(kW

)

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

CO

P

COP Carnot COP real


103



2.0

2.12.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

3.0

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

CO

PCOP real COP cal.

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Irre

vers

ibili

dade

s (k

W)

potencia Irrev. Total CompresorCondensador Evaporador Dispositivos


104

Flujo a 1.0 l/s



4

5

6

7

8

9

10

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Car

ga T

érm

ica

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

CO

P

COP Carnot COP real


105



1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

CO

P

COP real COP cal.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Irre

vers

ibili

dade

s (k

W)

Pot.Sum. Irrev.Total CompresorCondensador Evaporador Dispositivos


106



2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Car

ga T

érm

ica

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

CO

P

COP Carnot COP real


107



0.9

1.1

1.3

1.5

1.7

1.9

2.1

2.3

2.5

2.7

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

CO

P

COP real COP cal.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Irrev

ersi

bilid

ades

(kW

)

Pot.Sum. Irrev.Total CompresorCondensador Evaporador Dispositivos


108

Flujo a 1.1 l/s



3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Car

ga T

érm

ica

0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

CO

P

COP Carnot COP real


109



1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

CO

P

COP real COP cal.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Irrev

ersi

bilid

ades

(kW

)

Pot.sum Irrev.Total CompresorCondensador Evaporador Dspositivos


110



5.00

5.50

6.00

6.50

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

9.50

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

Car

ga T

érm

ica

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

CO

P

COP Carnot COPreal


111



1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (minutos)

CO

PCOPreal COP cal.

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

0 20 40 60 80 100 120Tiempo (minutos)

Irrev

ersi

bilid

ades

Pot.sum. Irrev.Total Compresor

Condensador Evaporador dispositivos

ANÁLISIS DE LAS IRREVERSIBILIDADES EN UN SISTEMA DE ...

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