Ciclo de Refrigeración Por Compresión de Vapor

7/18/2019 Ciclo de Refrigeración Por Compresión de Vapor

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RE

Unidad

PR

ÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD DEL ZULIA

Facultad de Ingeniería

Escuela de Mecánica

urricular: Laboratorio de Termodinámica II

CTICA DE CICLO DE REFRIGERACIÓN

POR COMPRESIÓN DE VAPOR.

Maracaibo, julio 2012.



PRÁCTICA DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR.

LUGAR: Laboratorio de Turbomáquinas, Galpón J. Márquez de la Facultad de Ing. LUZ.OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA:

Analizar el ciclo de refrigeración por Compresión de Vapor. Estudiar la operación de los sistemas de Refrigeración y Bombas de Calor.

INTRODUCCIÓN.

La utilidad de la refrigeración es observada día a día en hogares o sitioscomerciales para la preservación de la comida, el acondicionamiento de espaciospara el confort humano, así como también en procesos industriales para licuefacciónde gases naturales, la producción de hielo, entre otros.

La refrigeración se refiere al proceso de extracción de calor desde un espacio abaja temperatura y la transferencia de este a un sitio de más alta temperatura,

probablemente a la atmosfera, para así mantener la temperatura del lugar más bajaque sus alrededores. Esto se da a través de la aplicación de ciclos de refrigeración,donde varios componentes actuando hacen posible el proceso, ya que sin ellos latransferencia de calor no tendría esa dirección.

El ciclo por compresión a vapor es uno de los más conocidos para la refrigeraciónen general, consiste en pasar refrigerante en estado de mezcla a través de unevaporador hasta vaporizar el mismo a una baja presión y temperatura, luego secomprime el refrigerante hasta llevarlo a altas presiones y temperaturas. El refrigerantecomprimido es condensado hasta forma líquida y existe una transferencia de calorhacia los alrededores. Finalmente el refrigerante líquido pasa por la válvula de

expansión donde reduce su presión y va al evaporador para hacer el ciclonuevamente.El banco de ciclo de refrigeración por compresión de vapor presenta de manera

didáctica todos los procesos llevados a cabo para lograr la refrigeración, lo cualsignifica una herramienta importante para enfatizar el aprendizaje sobre el temamediante la ejecución de prácticas donde se aprecia el funcionamiento de suscomponentes.

EQUIPOS DELB ANCO DE CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR.



INSTRUCCIONES GENERALES PARA EL USO DEL BANCO.

No manipule el banco, a menos que el facilitador de la práctica le indiquelo contrario.

Evite consumir alimentos o bebidas cerca del banco. No coloque objetos sobre el Banco. Evite hacer contacto con la parte posterior del banco, ya que se pueden

ocasionar daños humanos o materiales. Sea prudente. CUIDA TU PATRIMONIO, CUIDA TU UNVERSIDAD, CUIDA TUS LABORATORIOS

ECUACIONES.

Calor absorbido en el evaporador(kJ/kg):

−

Trabajo de compresión (kJ/kg):

−

Calor rechazado en el condensador(kJ/kg):

−

Tasa de transferencia de calor en elcondensador (kJ/s=kW):

( −

Tasa de transferencia de calor en elevaporador (kJ/s=kW):

( −

Tasa de trabajo en el compresor(kJ/s=kW):

( − Coeficiente de rendimiento, COP(Coeffiecient of Perfomance):

Sobrecalentamiento en el evaporador(kJ/kg):

−

Sobrecalentamiento en la tubería de succión (kJ/kg):

−

Sobrecalentamiento total (kJ/kg): −

Flujo másico (kg/s):

Tasa de transferencia de calor en elcondensador (Aire) (kJ/s):

( −

Principio de conservación (Primera Ley

de la Termodinámica):

Tasa de transferencia de calor por elaire circundante en el evaporador(kJ/kg): ( −

− (−



PRACTICA NRO.1DETERMINACIÓN DEL SOBRECALENTAMIENTO

Al considerar el ciclo de Refrigeración de forma ideal, a la entrada delevaporador el refrigerante es una mezcla líquido-vapor que sale del tubo capilar,mientras que a la salida del dicho intercambiador el refrigerante se encuentra comovapor saturado.

Considerando el proceso real, se repite la suposición reflejada a la entrada delevaporador, pero a la salida del mismo el refrigerante sale como vaporsobrecalentado como consecuencia de las irreversibilidades presentes en el sistema,además de existir la necesidad de garantizar la entrada de vapor neto a la succión delcompresor o de lo contrario se afectaría directamente el funcionamiento de esteultimo.

La gran mayoría de los refrigerantes comerciales cuentan con una temperaturade saturación menor a la del ambiente para las presiones a las que se descarga el

refrigerante a la salida del panel intercambiador. Esto produce una transferencia decalor desde el ambiente (alta temperatura) hacia el refrigerante (baja temperatura),por lo que el mismo pasa de vapor saturado a vapor sobrecalentado. De igual forma,a lo largo de la tubería de succión hacia el compresor se continúa con elcalentamiento generado por la fricción.

Para este experimento, se estudian ambos casos con la finalidad de establecercomparaciones entre ambos sistemas (con vapor saturado a la salida del evaporadorvs. vapor sobrecalentado a la salida del evaporador).

PROCEDIMIENTO:

a) Se emplea el instrumento virtual Sobrecalentamiento.exe , utilizando lascondiciones para ciclo bajo capilar. Dicho instrumento virtual se encuentraespecialmente diseñado para comprender el fenómeno antes descrito.

b) Se fijan ambos ventiladores en velocidad baja (1350 RPM). Se permite alsistema trabajar por 8 minutos y medio, los cuales se pueden apreciar en el archivo.Una vez que se alcance el tiempo, encenderá el LED de color azul indicando que ya elsistema se encuentra estabilizado.

c) Se procede a obtener la misma temperatura tanto a la salida como a laentrada del evaporador (T4 = T3= 14ºC). Posteriormente, se coloca el ventilador del

evaporador en alta y al cabo de diez minutos se registran los parámetros presionandouna vez el botón “Registrar Parámetros”. Al hacer esto, se están almacenando losvalores de presión y temperatura en un archivo de Excel, un archivo para los cálculostermodinámicos considerando el ciclo como saturado simple, y en otro archivo losmismos cálculos para el ciclo sobrecalentado.

d) Luego, se cierra la válvula V-4 con la finalidad de restringir el paso derefrigerante hasta alcanzar un diferencial de temperatura de 6ºC entre la salida y la



entrada del evaporador (T4 - T3= 6ºC). Se presiona nuevamente el botón “RegistrarParámetros” para almacenar los datos.

e) Por último, se varía el flujo volumétrico de Refrigerante para evaluar lascondiciones a diferentes parámetros (Presionando “Registrar Parámetros”). Número deVeces a Registrar Parámetros: Mínimo 5 Valores

POST -PRÁCTICA:

El facilitador de la práctica entregará tres archivos en formato .tdms, quienesllevan por nombre: CicloSaturado.tdms, CicloSobrecalentado.tdms yPresionesytemperaturas.tdms.

La distribución de las columnas para cada uno de los archivos es la siguiente:

Presionesytemperaturas.tdmsNro P1 P2 P3 P4 P5 T1 T2 T3 T4 T5

CicloSaturado.tdmsNro qL Wc COPR

CicloSobrecalentado.tdmsNro qse qst qs qL Wc COPR

Recuerde que los valores de Presión vienen dados en MPa, los de Temperatura enºC y las entalpías en KJ/Kg

ACTIVIDADES:a) Tomando los valores de presión y temperatura calcule las entalpías bajo un

ciclo saturado simple y uno sobrecalentado, empleando las tablas para el R134a.b) Calcule el calor absorbido en el evaporador, el calor por compresión y el

COP para refrigeración considerando el ciclo saturado simple, basándose en lasecuaciones que se encuentran al inicio.

c) Posteriormente, calcule el sobrecalentamiento en el evaporador y en latubería de succión, para luego calcular el sobrecalentamiento total en el sistema;asimismo el calor absorbido en el evaporador, el calor por compresión y el COP para

refrigeración para el ciclo sobrecalentado.d) Compare los valores obtenidos con los valores calculados por el programa y

que se encuentran almacenados en CicloSaturado.tdms, y CicloSobrecalentado.tdmse) Establezca sus conclusiones.



PRACTICA NRO.2RECHAZO DE CALOR EN EL CONDENSADOR

La transferencia de calor desde el refrigerante hacia el medio ambiente seproduce en el condensador. El análisis de este proceso se puede realizar de dosformas: a través del análisis del refrigerante o por medio del estudio del aire queatraviesa el panel intercambiador. Durante este experimento se realizan ambosprocedimientos con la finalidad de comparar ambos procesos y evaluar los resultadosobtenidos.

PROCEDIMIENTO:

a) Se emplea el instrumento virtual Condensador.exe con las condiciones paraciclo bajo capilar.

b) Se fijan ambos ventiladores en velocidad alta (1550 RPM). Se permite al

sistema trabajar por 8 minutos y medio, los cuales se pueden apreciar en el archivo.Una vez que se alcance el tiempo, encenderá el LED de color azul indicando que ya elsistema se encuentra estabilizado.

c) Seguidamente, lea el valor de flujo volumétrico e introdúzcalo en la pestaña“Condensador (Sist. Int)”, automáticamente actualizarán los valores, ya que el softwareconvierte el valor de flujo volumétrico a flujo másico.

d) Lea inmediatamente las temperaturas de los higrómetros e introdúzcalos enlos controles numéricos de la derecha del panel.

e) Presione una vez el botón “Registrar Parámetros”f) Varíe la válvula V-4 para obtener otros valores de flujo volumétrico y repita los

pasos c), d) y e)

POST -PRÁCTICA:

El facilitador de la práctica entregará tres archivos en formato .tdms (Compatiblescon Excel). Los mismos llevan por nombre: PresionesyTemperaturas.tdms, RechazoCondensador.tdms y RechazoCondensadorMetAlt.tdms.

La distribución de las columnas para cada uno de los archivos es la siguiente:Presionesytemperaturas.tdms

Nro P1 T1 P2 T2 FlujoVolumétrico

Flujomásico

RechazoCondensador.tdmsNro h1 h2 qc Qc

RechazoCondensadorMetAlt.tdmsNro T2 T1 Qcaire



Recuerde que los valores de Presión vienen dados en MPa, los de Temperatura en ºC ylas entalpías en KJ/Kg

ACTIVIDADES:

a) Tomando los valores de presión y temperatura calcule las entalpíasconsiderando a la entrada vapor sobrecalentado y a la salida del intercambiadorlíquido sub-enfriado

b) Calcule el calor rechazado por el condensador considerando tanto elrefrigerante como el aire, recordando que Cp para el aire=1,005 KKJ/Kg.ºC

c) Compare los valores obtenidos con los valores calculados por el programa yque se encuentran almacenados en Rechazo Condensador.tdms yRechazoCondensadorMetAlt.tdms.

d) Establezca sus conclusiones.



PRACTICA NRO.3 ABSORCIÓN DE CALOR EN EL EVAPORADOR

Para mantener un espacio refrigerado, el refrigerante debe absorber calor de eseespacio de tal manera que este fluido aumente su temperatura mediante la gananciade calor sensible hasta llegar a su punto de ebullición y comience el proceso devaporización. Idealmente, este es un proceso isobárico pero que en realidad muestrauna caída de presión producto de la fricción.

El propósito de esta práctica es estudiar el proceso llevado a cabo por dichointercambiador, analizando la transferencia de calor tanto en el refrigerante como enel aire circundante, con fines comparativos.

PROCEDIMIENTO:

a) Se emplea el instrumento virtual Evaporador.exe con las condiciones para

ciclo bajo capilar.b) Se fijan ambos ventiladores en velocidad alta (1550 RPM). Se permite alsistema trabajar por 8 minutos y medio, los cuales se pueden apreciar en el archivo.Una vez que se alcance el tiempo, encenderá el LED de color azul indicando que ya elsistema se encuentra estabilizado.

c) Una vez estabilizado el sistema, lea el valor de flujo volumétrico e introdúzcaloen la pestaña “ Evaporador (Sist. Int)”. Automáticamente actualizarán los valores de qey Qe, ya que el software convierte el valor de flujo volumétrico a flujo másico.

d) Lea las temperaturas de bulbo seco y la humedad relativa medidas en loshigrómetros (tomando en cuenta que el punto 1 se presenta detrás del banco y el

punto 2 delante del mismo) e inserte los valores en los controles que se encuentran enla parte superior derecha del instrumento virtuale) Presione una vez el botón “Registrar Parámetros”f) Varíe el porcentaje de apertura de la válvula V-4 para variar el flujo

volumétrico y de esta forma obtener nuevos valores repitiendo los pasos c), d) y e)

POST -PRÁCTICA:

El facilitador de la práctica entregará tres archivos en formato .tdms (Compatiblescon Excel). Los mismos llevan por nombre: PresionesyTemperaturas.tdms,

AbsorcionEvaporador.tdms y TemperaturasdeBulboSecoyHumedadesRelativas.tdms.La distribución de las columnas para cada uno de los archivos es el siguiente:

PresionesyTemperaturas.tdms

Nro P3 T3 P4 T4 FlujoVolumétrico

FlujoMásico

AbsorcionEvaporador.tdmsNro h3 h4 qe Qe



TemperaturasdeBulboSecoyHumedadesRelativas.tdmsNro T1 T2 HR1 HR2

Nota1 : T1 y HR1 representan la Temperatura de Bublo Seco y la Humedad Relativadel aire antes de pasar a través del Evaporador. T2 y HR2 representan dichosparámetros luego de pasar a través del Intercambiador.


ACTIVIDADES:

a) Con los valores del archivo PresionesyTemperaturas.tdms, calcule,apoyándose en tablas, las entalpías para cada estado

b) Una vez calculadas las entalpías, aplique las ecuaciones correspondientes alcaso para calcular el calor absorbido y la tasa de transferencia de calor en elevaporador

c) Compare los valores obtenidos con los calculados por el software,almacenados en el archivo AbsorcionEvaporador.tdms

d) Abra el archivo TemperaturasdeBulboSecoyHumedadesRelativas.tdms. Hagalo mismo con el programa Psychtool.exe, el cual le será proporcionado por el profesor.Dicho programa no es más que una carta psicrométrica interactiva.

e) Una vez dentro del programa, presione el botón derecho de su mouse sobrecualquier punto de la carta psicrométrica. Luego seleccione la opción “Graph Setup”

f) En la opción “Dry Bulb Temperature (ºC), inserte el primer valor de T1 de latemperatura de bulbo seco registrado en el archivo. Haga lo mismo en la opción

“Relative Humidity”, con el primer valor de HR1. Presione el botón “Ok”g) En la carta Psicrométrica se desplegará un punto, cuyos valores se mostraránen la tabla que se encuentra a la izquierda del programa.

h) Copie el valor de AH, dividiendo entre 1000 para llevar gramos a kilogramos,que representa el valor de humedad específica 1 (w1). Haga lo mismo con el valor quedice Ent, el cual representa la entalpía h1.

i) Repita los pasos e), f), g) y h) para el primer valor tanto de Temperatura comode humedad relativa en el punto 2. Dichos valores representan w2 y h2respectivamente.

j) Repita la operación para cada uno de los valores que haya registrado.

k) Determine la entalpía del agua remanente (hw2) en el evaporador entrandoen las tablas termodinámicas con la temperatura de bulbo secol) Aplique la ecuación correspondiente para calcular el calor cedido por el aire.m) Establezca sus conclusiones respecto a las diferencias obtenidas por los

diferentes métodos.



PRACTICA NRO.4BALANCE DE CALOR EN EL SISTEMA

De acuerdo al principio de conservación, la energía que el refrigerante ganadurante el proceso de compresión y el proceso de vaporización debe ser igual a laenergía rechazada durante el proceso de condensación; sin embargo esto solo secumpla en el ciclo ideal ya que en la realidad se presenta un conjunto deirreversibilidades las cuales no permiten que se cumpla esta ley. El propósito de estapráctica es por lo tanto llevar a cabo el estudio del rechazo y ganancia de calor porparte del refrigerante para verificar el balance presente en el mismo.

PROCEDIMIENTO:

a) Se emplea el instrumento virtual Balance.exe con las condiciones para ciclobajo capilar.

b) Se fijan ambos ventiladores en velocidad alta (1550 RPM). Se permite alsistema trabajar por 20 minutos, los cuales se pueden apreciar en el archivo. Una vezque se alcance el tiempo, encenderá el LED de color azul indicando que ya el sistemase encuentra estabilizado.

c) Una vez estabilizado el sistema, lea el valor de flujo volumétrico e introdúzcaloen la pestaña “Balance de calor en el sistema”. Automáticamente actualizará el valorde flujo másico y el software hará los cálculos necesarios.

d) Presione una vez el botón “Registrar Parámetros”.e) Varíe la válvula V-4 para obtener otros valores de flujo volumétrico y repita el

paso c)

POST -PRÁCTICA:

El facilitador de la práctica entregará dos archivos en formato .tdms (Compatiblescon Excel). Los mismos llevan por nombre: BalancedeCalor.tdms yPresionesyTemperaturasBalancedeCalor.tdms.

La distribución de las columnas para cada uno de los archivos es la siguiente:

PresionesyTemperaturasBalancedeCalor.tdms

Nro P1 T1 P2 T2 P3 T3 P4 T4 P5 T5 FlujoVolumétrico

FlujoMásico

BalancedeCalor.tdmsNro qe qc wc Qe Qc Qw




ACTIVIDADES:

a) Ubique el archivo PresionesyTemperaturasBalancedeCalor.tdms y calcule lasentalpías correspondientes para cada punto del sistema.

b) Aplique las ecuaciones correspondientes al cálculo del calor rechazado en elcondensador, calor de compresión y el calor absorbido en el evaporador.

c) Aplique las ecuaciones correspondientes para el cálculo de las tasas detransferencia de calor en el evaporador, el condensador y el compresor.

d) Compare los valores obtenidos con los que se encuentran almacenados en elarchivo Balance de Calor.tdms.

e) Establezca sus conclusiones.



Universidad del ZuliaFacultad de IngenieríaEscuela de MecánicaLaboratorio de Termodiná

GUÍA PARA LA ELABORACIÓN DE

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INTRODUCCIÓN: En estatema de la práctica, al ig

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INFORMES DELABORATORIO DETERMODINÁMICAII.

nformes es un aspecto importante a d

se plasma la información aportada en lguaje específico de la disciplina en

imientos desarrollados, logrando así unas interesadas en los resultados arrojados en

llado el siguiente documento como mactos formales y las secciones que compon

del informe, estará regido por el Re la Universidad del Zulia.

me New Roman, Arial o Verdana tamañoeas.

hoja es tipo carta , los márgenes están da

zado: superior 3,5cm; inferior 2cm; izquie

do: superior, inferior y derecho 2cm; izquiorme de la práctica está compuesta

ción contenida en esta parte será:

ular, Título de la Práctica, Nombre de losersidad. El diseño de la misma queda a

sección se deberá expresar la pertinenciaual que el o los objetivos de la misma y

sarrollar en todo

s actividades dela descripción y

fácil comprensióndichas prácticas.

co de referencia,en los informes.

lamento para la

12, con espacio y

dos por:

do 3cm; derecho

rdo 3cm.

or las siguientes

embrete de la

autores, sección,reatividad de los

e importancia delna revisión de los



aspectos teóricos involucrados en el trabajo realizado. Debe contener una definiciónde los términos y ecuaciones de mayor interés que son utilizados en el informe.

METODOLOGÍA: Se hace referencia a los materiales y equipos utilizados, del mismomodo que la descripción de los métodos o procedimientos utilizados durante la

práctica.RESULTADOS, ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN: Esta sección presenta los resultados obtenidos

ya sea en forma de tabla, gráfica, figuras (imagen), para su posterior análisis ycomparación con lo que se espera de acuerdo con la literatura.

En cuanto a las figuras, tablas, gráficos, ecuaciones descritas en el informe debencontener numeración y estar identificadas.

CONCLUSIONES: Se detallan las ideas originales que se desprenden de la prácticaen concordancia con los resultados, además de la emisión de comentarios por parte

de los autores.REFERENCIASBIBLIOGRÁFICAS: Constituye el listado de textos, manuales de laboratorio,

sitios web, donde el formato esta dado de la siguiente manera: Texto: Autor – Año – Título – Editorial – Lugar. Sitio Web: Autor y/o institución – Título – Dirección – Fecha de acceso

Es importante acortar que la redacción se realiza de manera impersonal, es decir,en tercera persona.

La nota de la práctica depende tanto de la presentación del informe final como

de la participación en la práctica, resaltando que quien incumpla con alguna de ellasno tendrá nota de laboratorio.



REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CENGEL, Yunus. (2006).Termodinámica . Sexta edición. Editorial McGraw Hill.Colombia.

Gómez, C; González, C. (2011). Rehabilitación e instrumentación de un banco derefrigeración didáctico. Universidad del Zulia.

Wark, K; Richards, D. (2001).Termodinámica. Sexta edición. Editorial McGraw Hill,

Interamericana de España S.A.U.

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