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GUA DE PRCTICAS: CICLO DE REFRIGERACIN Para la realizacin del informe, se recomienda revisar la informacin del presente documento. Adems, se ha tomando como referencias: [1] la tesis Recuperacin y readecuacin del equipo de refrigeracin del Laboratorio de Termodinmica de la Escuela Politcnica Nacional, de la Ing. Catalina Vallejo (http://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/3802) y [2] el libro de Termodinmica de Yunus A. engel, Michael A. Boles, los apartados correspondientes a:

- Ciclos de refrigeracin - Ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor - Ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor

1. OBJETIVOS Evaluar el ciclo de Refrigeracin por compresin con refrigerante R-134a Establecer las principales diferencias entre el ciclo ideal y el ciclo real de refrigeracin. Identificar los sistemas y componentes mecnicos que constituyen un equipo de refrigeracin. Tomar datos reales de presiones y temperaturas a fin de calcular el coeficiente de operacin, calor absorbido y rechazado.

2. MARCO TERICO El ciclo de refrigeracin es el ciclo termodinmico que permite extraer calor de un espacio y rechazarlo hacia otro; lo que da lugar a la refrigeracin del primero (el espacio alcanza una temperatura inferior a la ambiente) y la calefaccin del segundo (el espacio alcanza una temperatura superior a la ambiente). Para esto el ciclo debe proporcionar un cuerpo a temperatura inferior a la ambiente y ponerlo en contacto con el espacio a refrigerar El ciclo de refrigeracin logra que su fluido de trabajo, un compuesto qumico llamado refrigerante con propiedades qumicas particulares, alcance temperaturas inferiores a la ambiente; al poner en contacto al refrigerante fro con el espacio a refrigerar se logra la disminucin de temperatura de ste ltimo. Este ciclo es aplicado en los sistemas de acondicionamiento de aire, refrigeracin y bombas de calor.

2.1. Ciclo de refrigeracin ideal El ciclo de refrigeracin se muestra en diagramas temperatura entropa (T-s) o presin entalpia (P-h) como indica la Figura 1

LABORATORIO DE TERMODINMICA EQUIPO DE REFRIGERACIN

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Figura 1 Ciclo ideal de refrigeracin

El ciclo de refrigeracin presenta las siguientes etapas:

1-2: Compresin isoentrpica: El refrigerante, en forma de vapor saturado, es comprimido isoentrpicamente hasta convertirse en vapor sobrecalentado.

2-3: Rechazo de calor a presin constante: El refrigerante, caliente por la compresin rechaza calor hacia el ambiente a ser calentado, primero calor sensible hasta alcanzar la saturacin y luego calor latente hasta transformarse en lquido saturado.

3-4: Expansin isoentlpica: El refrigerante sufre un proceso de expansin isoentlpico, el cual disminuye su presin y temperatura y convierte al refrigerante en una mezcla lquido vapor.

4-1: Absorcin de calor a presin constante: El refrigerante fro absorbe calor del ambiente a ser refrigerado. La mezcla lquido vapor se convierte en vapor saturado y el ciclo vuelve a iniciarse.

Cada una de las etapas anteriores se lleva a cabo en uno de los componentes principales del ciclo de refrigeracin, dichos componentes son los siguientes:

1. Compresor: Lleva a cabo la etapa 1-2 2. Condensador: La etapa 2-3 se realiza en este dispositivo 3. Dispositivo de estrangulamiento: La etapa 3-4 se lleva a cabo en este

dispositivo 4. Evaporador: La etapa 4-1 se lleva a cabo en este dispositivo

El ciclo de refrigeracin descrito anteriormente es un ciclo ideal, ya que no considera las prdidas ocasionadas por ineficiencias de los dispositivos principales adems de no considerar la presencia de componentes secundarios presentes en los equipos reales En el ciclo de refrigeracin no existe una eficiencia, debido a que no se da una transformacin energtica, sino un desempeo del ciclo, el cual se mide mediante el coeficiente de desempeo (COP). El coeficiente de desempeo es distinto para refrigeradores (cuyo objetivo es enfriar un ambiente) y bombas de calor (cuyo objetivo es calentar un ambiente).

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Para refrigeradores (COPR) es el cociente entre el calor absorbido en el evaporador y el trabajo de compresin realizado por el compresor; tanto el calor como el trabajo se determinan a partir de la diferencia de las entalpas a la entrada y a la salida de los dispositivos que llevan a cabo estos procesos

12

41

hh

hh

W

QCOP

compresor

evaporador

R

Dnde: Qevaporador = Calor absorbido por el evaporador Wcompresor = Trabajo realizado por el compresor hn = entalpa correspondiente al punto n del ciclo de refrigeracin Para bombas de calor (COPBC) es el cociente entre el calor rechazado en el condensador y el trabajo de compresin realizado por el compresor; tanto el calor como el trabajo se determinan a partir de la diferencia de las entalpas a la entrada y a la salida de los dispositivos que llevan a cabo estos procesos

12

23

hh

hh

W

QCOP

compresor

rcondensadoR

Dnde Qcondensador = Calor rechazado por el condensador

2.2. Ciclo real de refrigeracin El ciclo real de refrigeracin es el ciclo que cumple el refrigerante en un equipo real, considerando las ineficiencias de los componentes principales, transferencia de calor con el ambiente y la presencia de componentes secundarios, estas consideraciones crean desviaciones en el ciclo termodinmico ideal, dando como resultado el ciclo real de refrigeracin (Figura 2)

Figura 2 Ciclo real de refrigeracin

2.2.1. Componentes secundarios del equipo de refrigeracin 1. Tubera de aspiracin: Conecta al evaporador con el compresor 2. Tubera de descarga: Conecta el compresor con el condensador 3. Tubera de lquido: Conecta el condensador con el dispositivo de

estrangulamiento.

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4. Acumuladores de refrigerante en estado lquido y gaseoso: Almacenan refrigerante

5. Filtros deshidratadores para la lnea de succin y lquido: Diseados para proteger al compresor y vlvula de expansin de partculas y otros contaminantes. Eliminan humedad, cidos, ceras y partculas.

6. Visor de lquido: Permite apreciar el estado del refrigerante al interior del circuito y su contenido de humedad.

7. Separador de aceite: Dispositivo colocado a la salida del compresor para separar el aceite disuelto en el refrigerante y retornarlo al compresor.

8. Presostatos: Elementos de control elctrico que abren o cierran un circuito segn la presin medida.

9. Vlvulas solenoides: Vlvulas de paso electromecnicas, en las cuales la apertura o cierre de las mismas se encuentra controlada por la induccin de un campo magntico generado al energizar una bobina elctrica.

10. Medidores de presin y temperatura: Termocuplas, manmetros y presostatos 11. Contactores: Elemento electromecnico para permitir o interrumpir el paso de

corriente, donde los contactos se cambian de posicin segn se de tensin o no a una bobina

2.2.2. Desviaciones del ciclo real respecto del ciclo ideal Se procede a indicar las etapas en el ciclo real

1-2: Se lleva a cabo una compresin no isoentrpica en el compresor debido a irreversibilidades e intercambio de calor con el ambiente; en ste ingresa refrigerante en forma de vapor sobrecalentado y sale en forma de vapor sobrecalentado

2-3: Se produce un enfriamiento del refrigerante durante su paso por la tubera de descarga

3-4: Se produce el enfriamiento y condensacin del refrigerante en el condensador; este proceso ya no se realiza a presin constante para permitir el flujo del refrigerante. El refrigerante entra al condensador como vapor sobrecalentado y sale como lquido subenfriado

4-5. Se produce un subenfriamiento en el refrigerante a su paso por la tubera de lquido

5-6.: Expansin de refrigerante subenfriado en el dispositivo de estrangulamiento; de ste sale como mezcla lquido-vapor. El proceso no es totalmente isoentlpico

6-7: Absorcin de calor latente por parte del refrigerante en su paso desde el dispositivo de estrangulamiento hacia el evaporador

7-8: Absorcin de calor, latente y sensible, por parte del refrigerante en el evaporador; este proceso no se realiza a presin constante para permitir el flujo de refrigerante. El refrigerante sale del evaporador como vapor sobrecalentado

8-1: Recalentamiento del refrigerante en la tubera de absorcin para garantizar que al compresor ingrese slo vapor y nada de lquido. La presencia de refrigerante lquido en el compresor puede daarlo

El clculo del COP sigue realizndose de la forma en que se explic para el ciclo ideal.

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3. MATERIALES Y EQUIPOS

3.1. Equipo de refrigeracin El equipo de refrigeracin del laboratorio de termodinmica trabaja con refrigerante R134a y consta de los siguientes elementos 1. Tablero de mando: Este permite el encendido del equipo (Figura 3).

Figura 3 Tablero de mando

2. Tablero de control: Este permite seleccionar el tipo de sistema de refrigeracin a

usarse entre los cuatro disponibles en el laboratorio: Cmara frigorfica, aire acondicionado, banco de hielo y banco de resistencias (Figura 4)

Figura 4 Tablero de control

3. Unidad condensadora: Consta del compresor y el condensador (Figura 5)

Figura 5 Unidad condensadora

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4. Evaporador: El equipo consta de cuatro evaporadores (cada uno con su dispositivo de expansin), los cuales forman los sistemas de refrigeracin del laboratorio y se indican a continuacin:

1. Evaporador de la cmara frigorfica.(Figura 6)

Figura 6 Evaporador de cmara frigorfica

2. Evaporador del aire acondicionado.(Figura 7)

Figura 7 Evaporador de aire acondicionado

3. Evaporador del banco de hielo. (Figura 8)

Figura 8 Evaporador del banco de hielo

4. Evaporador del banco de resistencias. (Figura 9)

Figura 9 Evaporador banco de resistencias

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5. Dispositivos de estrangulamiento: A cada uno de los evaporadores le corresponde un dispositivo de estrangulamiento; en el laboratorio los hay de dos tipos:

1. Tubo capilar. (Figura 10)

Figura 10 Tubo capilar del banco de resistencias

2. Vlvula de expansin con ecualizador externo. (Figura 11)

Figura 11 Vlvula de expansin de la cmara frigorfica

En el equipo se encuentran tambin las tuberas de absorcin, descarga y lquido, as como dispositivos de control como vlvulas de paso, presostatos, manmetros y termmetros.

3.2. Software de Refrigeracin R134a 1.01 El laboratorio cuenta adems con el software Refrigeracin-R134a1.0 que tiene las siguientes funciones:

Brinda al usuario informacin general acerca de los ciclos de refrigeracin en forma textual y grfica.

Permite al usuario conocer las diferencias entre los ciclos real e ideal de refrigeracin mediante grficas didcticas de los mismos.

Permite al usuario observar el diagrama T-s del refrigerante R134a e indica las propiedades termodinmicas para cada punto del diagrama; sobre ste el programa traza un ciclo real e ideal de refrigeracin, lo cual permite determinar los valores asociados a cada etapa del mismo.

Mediante interfaz grfica el programa muestra los componentes del equipo (fotografas) que corresponden al esquema del mismo

El programa posee preguntas de evaluacin con las cuales realiza un cuestionario al usuario acerca del ciclo de refrigeracin y componentes del equipo del laboratorio.

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4. PROCEDIMIENTO 1. Energizar el equipo:

a. Activar el interruptor de cuchillas (Figura )

Figura 12 Interruptor de cuchillas

b. Colocar en ON el interruptor de palanca (Figura 12)

Figura 12 Interruptor de palanca

2. Energizar los sensores digitales para medicin de presiones y temperaturas desde el tablero de control (interruptor inferior).

3. Activar uno de los evaporadores en el tablero de control (los evaporadores son el de la cmara frigorfica, el banco de resistencias, el banco de hielo, o el evaporador para aire acondicionado)

4. Esperar a que se active la vlvula solenoide correspondiente al evaporador seleccionado.

5. Colocar en la posicin ON el selector del control MOTOR ISOLATOR en el tablero de mando.

6. Pulsar el botn MOTOR ON en el tablero de mando, lo que pone en marcha a la unidad condensadora dando inicio al ciclo de refrigeracin

7. Abrir el programa SITRAD (software de Full Gauge Controls para administracin a distancia de las instalaciones de refrigeracin y adquisicin de datos de los sensores de presin y temperatura)

8. Abrir el programa Refrigeracin-R134a1.0 9. Abrir la ventana Ciclos de refrigeracin. En ese momento la persona encargada de

la direccin de la prctica dar a los estudiantes una explicacin terica acerca del ciclo de refrigeracin, tanto real como ideal.

10. Abrir la ventana Refrigerante 134a. En ese momento la persona encargada de la direccin de la prctica dar a los estudiantes una explicacin acerca del comportamiento del refrigerante 134a apoyndose en el diagrama T-s indicado por el programa.

11. Abrir la ventana Comunicacin con el equipo. En ese momento la persona encargada de la direccin de la prctica indicar a los estudiantes como se vinculan los componentes del equipo del laboratorio con el ciclo real de refrigeracin.

12. Se procede a realizar la adquisicin de datos de presiones y temperaturas. Se registran las mediciones para poder realizar los clculos correspondientes.

13. Apagar el equipo de refrigeracin a. Pulsar el botn MOTOR OFF en el tablero de mando b. Seleccionar OFF en el selector MOTOR ISOLATOR del tablero de mando

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c. Desactivar el evaporador accionado en el tablero de control d. Desenergizar los sensores de temperatura e. Colocar en OFF en interruptor de palanca f. Desactivar el interruptor de cuchillas

5. BIBLIOGRAFA CENGEL, Y.; Termodinmica; 5 edicin; Ed. McGraw Hill; Mxico, 2007; pg. 608-616 VALLEJO, Catalina; RECUPERACIN Y READEUACIN DEL EQUIPO DE REFRIGERACIN DEL LABORATORIO DE TERMODINMICA DE LA ESCUELA POLITCNICA NACIONAL; Manual de usuario; Quito; Mayo 2011

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