REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

Unidad curricular: Laboratorio de Termodinámica II

PRÁCTICA DE CICLO DE

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD DEL ZULIA

Facultad de Ingeniería

Escuela de Mecánica

Unidad curricular: Laboratorio de Termodinámica II

PRÁCTICA 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 sitios

comerciales para la preservación de la comida, el acondicionamiento de espacios para el confort humano, así como también en procesos industriales para licuefacción de gases naturales, la producción de hielo, entre otros.

La refrigeración se refiere al proceso de extracción de calor desde un espacio a baja 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 baja que 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 la transferencia de calor no tendría esa dirección.

El ciclo por compresión a vapor es uno de los más conocidos para la refrigeración en general, consiste en pasar refrigerante en estado de mezcla a través de un evaporador hasta vaporizar el mismo a una baja presión y temperatura, luego se comprime el refrigerante hasta llevarlo a altas presiones y temperaturas. El refrigerante comprimido es condensado hasta forma líquida y existe una transferencia de calor hacia los alrededores. Finalmente el refrigerante líquido pasa por la válvula de expansión donde reduce su presión y va al evaporador para hacer el ciclo nuevamente.

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 cual significa una herramienta importante para enfatizar el aprendizaje sobre el tema mediante la ejecución de prácticas donde se aprecia el funcionamiento de sus componentes.

EQUIPOS DEL BANCO 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 indique lo 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 (Ciclo saturado) (kJ/kg):

= �� − ��

Calor rechazado en el condensador (kJ/kg):

� = �� − ��

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

= �.� (�� − ��)

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

� = �.� (�� − ��)

Potencia del 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 el condensador (Aire) (kJ/s):

�� �� = �.� �!�" �. (#� − #�)

Tasa de transferencia de calor por el aire circundante en el evaporador (kJ/kg): �� = ��� �� $(�� − ��)

− (�

− �)��%

PRACTICA NRO.1 DETERMINACIÓN DEL SOBRECALENTAMIENTO

Al considerar el ciclo de Refrigeración de forma ideal, a la entrada del

evaporador el refrigerante es una mezcla líquido-vapor que sale del tubo capilar, mientras que a la salida del dicho intercambiador el refrigerante se encuentra como vapor saturado.

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

La gran mayoría de los refrigerantes comerciales cuentan con una temperatura de 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 de calor 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 el calentamiento generado por la fricción.

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

PROCEDIMIENTO: a) Se emplea el instrumento virtual Sobrecalentamiento.exe, utilizando las

condiciones para ciclo bajo capilar. Dicho instrumento virtual se encuentra especialmente diseñado para comprender el fenómeno antes descrito.

b) Se fijan ambos ventiladores en velocidad baja (1350 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 el sistema se encuentra estabilizado.

c) Se procede a obtener la misma temperatura tanto a la salida como a la entrada del evaporador (T4 = T3= 14ºC). Posteriormente, se coloca el ventilador del evaporador en alta y al cabo de diez minutos se registran los parámetros presionando una vez el botón “Registrar Parámetros”. Al hacer esto, se están almacenando los valores de presión y temperatura en un archivo de Excel, un archivo para los cálculos termodinámicos considerando el ciclo como saturado simple, y en otro archivo los mismos cálculos para el ciclo sobrecalentado.

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

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

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

POST-PRÁCTICA: El facilitador de la práctica entregará tres archivos en formato .tdms, quienes

llevan por nombre: CicloSaturado.tdms, CicloSobrecalentado.tdms y Presionesytemperaturas.tdms.

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

Presionesytemperaturas.tdms

Nro P1 P2 P3 P4 P5 T1 T2 T3 T4 T5

CicloSaturado.tdms

Nro qL Wc COPR

CicloSobrecalentado.tdms

Nro qse qst qs qL Wc COPR

Recuerde que los valores de Presión vienen dados en MPa, los de Temperatura en ºC 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 las ecuaciones que se encuentran al inicio.

c) Posteriormente, calcule el sobrecalentamiento en el evaporador y en la tubería 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.tdms

e) Establezca sus conclusiones.

PRACTICA NRO.2 RECHAZO DE CALOR EN EL CONDENSADOR

La transferencia de calor desde el refrigerante hacia el medio ambiente se

produce en el condensador. El análisis de este proceso se puede realizar de dos formas: a través del análisis del refrigerante o por medio del estudio del aire que atraviesa el panel intercambiador. Durante este experimento se realizan ambos procedimientos con la finalidad de comparar ambos procesos y evaluar los resultados obtenidos.

PROCEDIMIENTO: a) Se emplea el instrumento virtual Condensador.exe con las condiciones para

ciclo 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 el sistema 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 software convierte el valor de flujo volumétrico a flujo másico.

d) Lea inmediatamente las temperaturas de los higrómetros e introdúzcalos en los 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 (Compatibles

con Excel). Los mismos llevan por nombre: PresionesyTemperaturas.tdms, Rechazo Condensador.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 Flujo

Volumétrico Flujo

másico

RechazoCondensador.tdms

Nro h1 h2 qc Qc

RechazoCondensadorMetAlt.tdms

Nro T2 T1 Qcaire

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

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

considerando a la entrada vapor sobrecalentado y a la salida del intercambiador líquido sub-enfriado

b) Calcule el calor rechazado por el condensador considerando tanto el refrigerante 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 y que se encuentran almacenados en Rechazo Condensador.tdms y RechazoCondensadorMetAlt.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 ese

espacio de tal manera que este fluido aumente su temperatura mediante la ganancia de calor sensible hasta llegar a su punto de ebullición y comience el proceso de vaporización. Idealmente, este es un proceso isobárico pero que en realidad muestra una caída de presión producto de la fricción.

El propósito de esta práctica es estudiar el proceso llevado a cabo por dicho intercambiador, analizando la transferencia de calor tanto en el refrigerante como en el 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 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 el sistema se encuentra estabilizado.

c) Una vez estabilizado el sistema, lea el valor de flujo volumétrico e introdúzcalo en la pestaña “Evaporador (Sist. Int)”. Automáticamente actualizarán los valores de qe y 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 los higrómetros (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 en la parte superior derecha del instrumento virtual

e) 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 (Compatibles

con 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 Flujo

Volumétrico Flujo

Másico

AbsorcionEvaporador.tdms

Nro h3 h4 qe Qe

TemperaturasdeBulboSecoyHumedadesRelativas.tdms

Nro T1 T2 HR1 HR2

Nota1: T1 y HR1 representan la Temperatura de Bulbo Seco y la Humedad Relativa del aire antes de pasar a través del Evaporador. T2 y HR2 representan dichos parámetros luego de pasar a través del Intercambiador.

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

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 al

caso para calcular el calor absorbido y la tasa de transferencia de calor en el evaporador

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

d) Abra el archivo TemperaturasdeBulboSecoyHumedadesRelativas.tdms. Haga lo 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 sobre cualquier 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 la temperatura 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 mostrarán en 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 que dice Ent, el cual representa la entalpía h1.

i) Repita los pasos e), f), g) y h) para el primer valor tanto de Temperatura como de humedad relativa en el punto 2. Dichos valores representan w2 y h2 respectivamente.

j) Repita la operación para cada uno de los valores que haya registrado. k) Determine la entalpía del agua remanente (hw2) en el evaporador entrando

en las tablas termodinámicas con la temperatura de bulbo seco l) 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.4 BALANCE DE CALOR EN EL SISTEMA

De acuerdo al principio de conservación, la energía que el refrigerante gana

durante el proceso de compresión y el proceso de vaporización debe ser igual a la energía rechazada durante el proceso de condensación; sin embargo esto solo se cumpla en el ciclo ideal ya que en la realidad se presenta un conjunto de irreversibilidades las cuales no permiten que se cumpla esta ley. El propósito de esta práctica es por lo tanto llevar a cabo el estudio del rechazo y ganancia de calor por parte del refrigerante para verificar el balance presente en el mismo.

PROCEDIMIENTO: a) Se emplea el instrumento virtual Balance.exe con las condiciones para ciclo

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

sistema trabajar por 20 minutos, los cuales se pueden apreciar en el archivo. Una vez que se alcance el tiempo, encenderá el LED de color azul indicando que ya el sistema se encuentra estabilizado.

c) Una vez estabilizado el sistema, lea el valor de flujo volumétrico e introdúzcalo en la pestaña “Balance de calor en el sistema”. Automáticamente actualizará el valor de 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 (Compatibles

con Excel). Los mismos llevan por nombre: BalancedeCalor.tdms y PresionesyTemperaturasBalancedeCalor.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 Flujo

Volumétrico Flujo

Másico

BalancedeCalor.tdms

Nro qe qc wc Qe Qc Qw

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

ACTIVIDADES: a) Ubique el archivo PresionesyTemperaturasBalancedeCalor.tdms y calcule las

entalpías correspondientes para cada punto del sistema. b) Aplique las ecuaciones correspondientes al cálculo del calor rechazado en el

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

transferencia de calor en el evaporador, el condensador y el compresor. d) Compare los valores obtenidos con los que se encuentran almacenados en el

archivo Balance de Calor.tdms. e) Establezca sus conclusiones.

Universidad del Zulia Facultad de Ingeniería Escuela de Mecánica Laboratorio de Termodinámica II

GUÍA PARA LA ELABORACIÓN DE

La elaboración de informes es un aspecto importante

Ingeniero, ya que en ellos se plasma la información aportada

campo, utilizando un leng

explicación de los procedimientos desarrollados, logrando así una fácil comprensión

por parte de otras personas interesadas en los resultados arrojados en dichas prácticas.

Por ello se ha desarrollado

donde se explican los aspectos

Aspectos Formales:

Respecto al formato d

elaboración de trabajos de la Universidad del Zulia.

� Tipo de letra: Time New Roman, Arial

medio entre líneas.

� El tamaño de la hoja es tipo

Con encabezado:

2cm.

Sin encabezado:

La estructura del informe

secciones:

PORTADA: la información contenida en esta parte será

Universidad, Unidad Curricular, Título de la Práctica, Nombre de los autores, sección,

fecha, logotipo de la Universidad. El diseño de la misma queda a creatividad de los

autores.

INTRODUCCIÓN: En esta sección se deberá

tema de la práctica, al igual

Termodinámica II

IÓN DE INFORMES DE LABORATORIO DE TERMODINÁMICA II.

La elaboración de informes es un aspecto importante a desarrollar en

ya que en ellos se plasma la información aportada en las actividades de

, utilizando un lenguaje específico de la disciplina en la descripción y

explicación de los procedimientos desarrollados, logrando así una fácil comprensión

otras personas interesadas en los resultados arrojados en dichas prácticas.

desarrollado el siguiente documento como marco de referencia,

donde se explican los aspectos formales y las secciones que componen los informes.

Respecto al formato del informe, estará regido por el Reglamento

elaboración de trabajos de la Universidad del Zulia.

Time New Roman, Arial o Verdana tamaño 12

medio entre líneas.

El tamaño de la hoja es tipo carta, los márgenes están dados por:

Con encabezado: superior 3,5cm; inferior 2cm; izquierdo 3cm; derecho

Sin encabezado: superior, inferior y derecho 2cm; izquierdo 3cm.

La estructura del informe de la práctica está compuesta por las siguientes

la información contenida en esta parte será: membrete de

Universidad, Unidad Curricular, Título de la Práctica, Nombre de los autores, sección,

fecha, logotipo de la Universidad. El diseño de la misma queda a creatividad de los

En esta sección se deberá expresar la pertinencia e importancia del

tema de la práctica, al igual que el o los objetivos de la misma y una revisión de los

.

a desarrollar en todo

las actividades de

uaje específico de la disciplina en la descripción y

explicación de los procedimientos desarrollados, logrando así una fácil comprensión

otras personas interesadas en los resultados arrojados en dichas prácticas.

como marco de referencia,

y las secciones que componen los informes.

el Reglamento para la

Verdana tamaño 12, con espacio y

están dados por:

erior 2cm; izquierdo 3cm; derecho

y derecho 2cm; izquierdo 3cm.

de la práctica está compuesta por las siguientes

membrete de la

Universidad, Unidad Curricular, Título de la Práctica, Nombre de los autores, sección,

fecha, logotipo de la Universidad. El diseño de la misma queda a creatividad de los

expresar la pertinencia e importancia del

de la misma y una revisión de los

aspectos teóricos involucrados en el trabajo realizado. Debe contener una definición

de los términos y ecuaciones de mayor interés que son utilizados en el informe.

METODOLOGÍA: Se hace referencia a los materiales y equipos utilizados, del mismo

modo 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 y

comparación con lo que se espera de acuerdo con la literatura.

En cuanto a las figuras, tablas, gráficos, ecuaciones descritas en el informe deben

contener numeración y estar identificadas.

CONCLUSIONES: Se detallan las ideas originales que se desprenden de la práctica

en concordancia con los resultados, además de la emisión de comentarios por parte

de los autores.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: 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 ellas

no 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 de

refrigeración didáctico. Universidad del Zulia.

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

Interamericana de España S.A.U.