Practica refrigeracion

LABORATORIO DE MAQUINAS TÉRMICAS

EQUIPO DE REFRIGERACION

OBJETIVO.- Evaluar termodinámicamente la maquina térmica inversa por compresión mecánica de vapor ACTIVIDADES.- El alumno obtendrá y evaluara en el equipo de laboratorio su comportamiento normal y utilizando un intercambiador de calor, a diferentes condiciones de operación. EQUIPO Y MATERIAL 1 Equipo de Refrigeración “Hilton” 1 Multímetro 1 Tacómetro INTRODUCCIÓN.- Del latín refrigeratĭo, la refrigeración es la acción y efecto de refrigerar. La refrigeración consiste en extraer la energía térmica de un cuerpo para reducir su temperatura. Por las propiedades termodinámicas, dicha energía es transferida hacia otro cuerpo. Cabe destacar que el frío propiamente dicho no existe, sino que la temperatura es el reflejo de la cantidad de energía que posee un cuerpo. Aun cuando los primeros antepasados del hombre, conocieron y observaron los efectos del frío sobre sus cuerpos y sobre las cosas alrededor de ellos, fueron chinos los primeros en recolectar y almacenar hielo del invierno para la conservación de sus alimentos, empacándolo en paja o hierba seca. El hielo natural y la nieve fueron los únicos medios de refrigeración por muchos siglos. Los antiguos egipcios descubrieron que la evaporación podía causar enfriamiento, así aprendieron a colocar su vino y otros líquidos dentro de recipientes de barro colocándolos en los techos durante las noches, de tal manera que las brisas frías causaban evaporación y enfriaban el contenido. Hasta finales del siglo XIX el hielo fue un importante producto de comercio entre diferentes países que no producían hielo natural. En la década de 1900 se desarrolló la refrigeración industrial mediante el uso del ciclo mecánico, empacadoras de carne, carnicerías, cervecerías y otras industrias, empezaron a hacer uso de la refrigeración mecánica. Con el crecimiento de la industria eléctrica y del alumbrado de las casas, los refrigeradores domésticos se popularizaron, sustituyendo a las cajas de hielo, que requerían un bloque de éste diariamente. Este creciente interés en los refrigeradores domésticos, fue ayudado por motores eléctricos, de baja potencia para operar los compresores en “cajas de hielo” mecánicas. Desde 1920 estos utensilios han sido producidos en gran número y han llegado a ser una necesidad para todos. No solamente la preservación de la comida en los hogares, sino también la preservación industrial de los alimentos, es una de las más importantes y corrientes aplicaciones de la refrigeración. La preservación comercial y el transporte de comida son tan común, que sería difícil imaginar un mundo sin refrigeración. La refrigeración ha mejorado la economía de muchas áreas, al suministrar un medio de preservar los productos despachados a consumidores remotos. Ha colaborado en el desarrollo de regiones agrícolas a través de una mayor demanda para sus productos y ha ayudado a las áreas de productos lácteos y ganado similarmente. Antes de 1941 la mayoría de las llantas para automóviles, camiones y aviones se hacían de caucho natural, pero debido al estallido de la Segunda Guerra Mundial se hizo difícil el comercio de éste producto; por lo que se intensificaron las investigaciones del caucho sintético. Los científicos observaron que mediante la utilización de bajas temperaturas, algunos procesos de manufactura podrían hacer el caucho artificial más durable y resistente; así la refrigeración llegó a ser vital para otra industria. Ha habido un rápido incremento de nuevos productos desde la Segunda Guerra Mundial. La industria petroquímica, plantas textiles y la industria de procesamiento de datos son de los más grandes usuarios de los procesos de refrigeración, pues sin la ayuda de esta, muchos productos no podrían ser manufacturados o usados. Actualmente con el perfeccionamiento de la calefacción, la refrigeración y el aire acondicionado mediante la energía solar, se espera que proveerán muchas oportunidades para desarrollo de nuevos productos.

Facultad de Estudios Superiores “Aragón” UNAM Laboratorio de Maquinas Térmicas --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Equipo de Refrigeración AST (2015) P á g i n a 2 | 23

Aplicaciones de la Refrigeración.- Las aplicaciones de la refrigeración se pueden agrupar en cinco modalidades: refrigeración doméstica, refrigeración comercial, refrigeración industrial, aire acondicionado para confort y acondicionamiento de aire Industrial para procesos. Refrigeración Doméstica.- El campo de la refrigeración doméstica está limitado a refrigeradores y congeladores caseros. Debido a la gran cantidad y mercado de los mismos, ya integrados en los usos habituales del quehacer diario de la vida de las personas, la refrigeración doméstica representa una parte muy significativa de la industria de la construcción de equipos de refrigeración. Las unidades domésticas son de tamaño pequeño, teniéndose capacidades de potencia que fluctúan entre 1/5 de HP y 2 HP. Los compresores son del tipo hermético de pistones y/o rotativos; la condensación por gravedad en la parte trasera de los equipos y los evaporadores, por gravedad con circuitos impresos y/o ventilados en los últimos modelos. Los tipos de expansión por expansión directa de refrigerante o por tubo capilar.

Refrigeración Comercial.- La refrigeración comercial se refiere al diseño, instalación y mantenimiento de unidades de refrigeración del tipo que se tienen en establecimientos comerciales para su venta al público en general, con lo que también se dedican a almacenamiento, muestra y/o manipulación de productos perecederos. Una característica esencial es el mueble frigorífico, que expone el producto perecedero, que puede ser abierto, con cortina de aire y/o cerrado con puertas correderas y tapas, con temperaturas de +7/+10ºC, para frutas por ejemplo, hasta –18/–20ºC congelado con helados u otros productos. Las instalaciones que se pueden dar en este tipo de servicios es muy diverso y son intermedias entre la refrigeración comercial e industrial, pueden ser con expansión directa de refrigerante o bien con sistema indirecto de refrigeración de glicol. Los fluidos refrigerantes a usar son tipo freones y los sistemas de expansión y control pueden ser electrónicos o mecánicos; se están probando en la actualidad, instalaciones con fluidos ecológicos de gran tradición, como el amoniaco pero con inconvenientes en los locales públicos; o el dióxido de carbono que trabaja a altas presiones. Las instalaciones se suelen hacer con compresores del tipo semihermetico de tornillo o alternativo según las necesidades de refrigeración, en una central frigorífica de varios compresores, de 3 a 6 unidades por central. Refrigeración Industrial.- La refrigeración industrial son aplicaciones de refrigeración de alta, media, baja y muy baja temperatura, en compresión mecánica hasta –60ºC, que como regla general son más grandes en tamaño que las aplicaciones comerciales y la característica que las distingue es que requieren tener unos equipos de mayor potencia y con mayores seguridades que las unidades empleadas para los servicios de refrigeración comercial. Algunas aplicaciones industriales típicas son plantas de hielo, plantas almacenadoras de alimentos (carne, pescado, pollos, alimentos congelados, etc), cervecerías, lecherías y plantas industriales, tales como refinerías de petróleo, plantas químicas, etc. El refrigerante a utilizar es en una gran medida amoniaco y los sistemas de refrigeración varios, simples y dobles etapas de compresión en los sistemas de muy baja temperatura, expansión directa de refrigerante, sistema inundado de refrigerante con bomba o gravedad y sistema indirecto cerrado con glicol como fluido secundario y amoniaco en primario. También se está empezando a utilizar el dióxido de carbono como fluido secundario con amoniaco como primario. Los compresores utilizados son esencialmente de tornillo y en algún caso de desplazamiento positivo, los sistemas de condensación en las plantas de gran capacidad son a base de sistemas evaporativos y con equipos condensadores con serpentines de acero inoxidable y aletas de aluminio.



Acondicionamiento de Aire para Confort.- Cualquier sistema de acondicionamiento de aire que tiene como función primordial la comodidad de las personas, se le llama acondicionamiento de aire para confort. Se tienen instalaciones típicas de aire acondicionado para confort en casas, escuelas, oficinas, iglesias, hoteles, establecimientos comerciales, edificios públicos, fábricas, automóviles, autobuses, trenes, barcos, etc. Los sistemas de acondicionamiento de aire de confort hoy en día son elevados, desde bombas de calor con sistemas split de dos unidades a distancia, a grandes plantas de tratamiento de aire con agua como fluido enfriador, en todas ellas los sistemas de refrigeración y las bombas de calor, son elementos de un sistema frigorífico de mayor o menor medida y tamaño, con refrigerantes de acuerdo a las necesidades de temperaturas de uso y las condiciones externas del lugar de instalación. De los distintos sistemas de instalación y refrigeración, uno de los más usados en la actualidad son sistemas de VRV (refrigerante variable) con compresores tipo scroll, así como las bombas de calor aire/aire y aire/agua con calderas de apoyo y/o aportación térmica directa de caldera. Acondicionamiento de Aire Industrial.-Las aplicaciones de acondicionamiento de aire industrial son muchas y variadas. En general, las funciones de los sistemas de acondicionamiento de aire industrial son enfriamientos térmicos y procesos de humidificación/deshumidificación, de diversos tipos de materiales, con variedad de formas, pesos, temperaturas y condiciones, donde los diseños son ex profeso para ésa única aplicación y control dedicado. Entre ellos se pueden citar el secado de productos como jamones, embutidos, pieles, pescado, enfriamiento de plásticos de inyección, enfriamiento de agua de procesos térmicos, etc. Otra aplicación industrial es el acondicionamiento de los cuartos de control. De manera general los cuartos de control de las plantas de proceso requieren de aire acondicionado para enfriar los servidores de datos y sistemas computarizados de control, ya que estos equipos generan mucho calor y pueden llegar a dañarse si alcanzan altas temperaturas. En las plantas donde se trabaja con sustancias toxicas o explosivas, los sistemas de aire acondicionado son muy importantes, ya que mantiene los cuartos de control con presión positiva (mayor a la atmosférica), limpias y libres de contaminantes (esto último con filtros especiales). Si estos equipos fallan, se permitiría que entrara gas tóxico, que envenenaría a los operadores; o gas combustible, que produciría una explosión al estar en contacto con chispas eléctricas. En la industria farmacéutica y de alimentos, los sistemas de aire acondicionado, evitan que el aire de los alrededores entre a la planta y contamine las sustancias que se están procesando. Fundamentos.- Refrigerar consiste en conseguir una temperatura más baja que la del medio ambiente inmediato. En cualquier sistema práctico de refrigeración, el mantenimiento de la baja temperatura quiere la extracción de calor del cuerpo a refrigerar a baja temperatura y la cesión de este calor a una temperatura más alta. Elevación de la Temperatura de un refrigerante.- Uno de los modos obvios de enfriar un producto es ponerlo en contacto con una sustancia más fría llamada refrigerante. Los refrigerantes normalmente son sustancias liquidas aunque también pueden usarse sustancias sólidas. La cantidad de calor �� absorbida por el refrigerante en un proceso a presión constante viene dada por la fórmula: �� = �� ∆� �� = �� ⁄ � "# = "�� $�%��%� �� & �� °"⁄ � ∆( = )�%�� $�� °"�



Cambio de Estado.- El hecho de que un refrigerante necesita calor para pasar de sólido a líquido, de líquido a vapor, o de sólido a vapor, es de mucha aplicación en la refrigeración. El cambio de fase sólida a líquida se llama fusión, y el calor absorbido por el refrigerante es el Calor de Fusión. El ejemplo más notable es la fusión del hielo. La demanda de hielo continúa aumentando con el transcurso de los años. Se hace amplio uso de él en casas, restaurantes, almacenes, transportes refrigerados y usos industriales. Una ventaja del uso del hielo es que la refrigeración no requiere el uso de equipo mecánico. Una desventaja frecuente es el problema de la eliminación del agua. Otra desventaja es la imposibilidad del hielo de enfriar un producto a temperatura más baja que 0°C. El cambio de fase líquida a vapor se llama vaporización y el calor absorbido por el refrigerante en este cambio de fase se llama Calor Latente de Vaporización. Este proceso de refrigeración es el más usado debido a que tiene lugar en el ciclo de compresión de vapor. Controlando la presión a la que se realiza la vaporización, se regula la temperatura del proceso. Otro cambio de fase que puede servir para producir refrigeración es la transformación de sólido a vapor. Este proceso se llama sublimación y el calor absorbido en el proceso se conoce con el nombre de Calor de Sublimación. La característica propia de la sublimación es que la sustancia pasa directamente de la fase solida a la fase vapor, sin pasar por la fase liquida. La sublimación ocurre a presiones más bajas que el proceso combinado de fusión y vaporización. El hielo seco es el ejemplo más común del uso de la sublimación en la refrigeración. El hielo seco es el anhídrido carbónico sólido que cuando se calienta a la presión atmosférica, pasa directamente de solido a vapor. El hielo seco se sublima a -78°C, pudiendo, por tanto, mantener bajas temperaturas. El uso de hielo seco resuelve el problema de la eliminación del líquido procedente de la fusión. La cantidad de calor �� absorbida por el refrigerante en un cambio de fase viene dada por la fórmula: �� = �� ∆* �� = �� ⁄ � ∆ℎ = ,��%�� $�� & ��⁄ � Expansión de un Líquido.- La expansión de un líquido origina el descenso de su temperatura. El descenso de temperatura es ligero si la sustancia permanece en estado líquido durante la expansión, pero apreciable si la expansión se realiza dentro de la región de vapor saturado (líquido- vapor). Consideremos la expansión isoentrópica de un líquido refrigerado a una baja presión

Figura 1.- Diagrama Temperatura-Entropía mostrando la expansión de un líquido



La Figura 1 es un diagrama. temperatura-entropía mostrando las líneas de líquido saturado y de vapor saturado de cierta sustancia. En la región del líquido se han trazado varias líneas de presión constante. Si al punto 1 es el estado antes de la expansión y el 2 es el punto después de la expansión Isoentrópica, observamos que en la región del líquido el descenso de la temperatura es muy pequeño. Por otra parte, cuando la expansión se realiza dentro de la región de vapor saturado, la reducción de temperatura puede ser apreciable. Si consideramos una expansión isoentrópica de un líquido saturado a partir del punto 3 hasta el punto 4, resulta un mayor pronunciado descenso de temperatura. Sin embargo, si el proceso es irreversible y adiabático (expansión isoentálpica), se pasará desde 3 hasta 4', y la reducción de temperatura es tan grande como en el caso isoentrópico. Por lo tanto, en la expansión de un líquido en la región de vapor saturado se manifiesta un mayor descenso de temperatura. Expansión de un Gas.- Es posible una reducción de temperatura cuando un gas perfecto se expande en régimen permanente. El descenso de temperatura puede ser despreciable o pronunciado, según la forma en que se realice la expansión. El proceso de estrangulamiento adiabático es un ejemplo de expansión en flujo permanente. Como en este proceso no se realiza ningún trabajo, se considera a entalpia constante y no existe descenso de la temperatura. Si ese gas perfecto se expande realizando un trabajo, el proceso se considera a entropía constante y el descenso de temperatura es notable. El Ciclo de Carnot.- El rendimiento del Ciclo de Carnot es mayor que el de cualquier otro ciclo que trabaje entre las dos mismas fuentes de temperaturas. El Ciclo de Carnot en una máquina térmica y está representada esquemáticamente con su correspondiente diagrama temperatura-entropía en la Figura 2. La máquina térmica de Carnot recibe energía de un foco caliente a alta temperatura (Q2), convierte una porción de energía en trabajo y cede la restante a un foco frío a baja temperatura (Q1). Éste presenta cuatro procesos. Hay dos ramas reversibles adiabáticas y dos ramas reversibles isotérmicas. El ciclo de Carnot utiliza como fluido de trabajo el gas ideal.

Figura 2.- Representación en diagramas del Ciclo de Carnot

El sistema está contacto con un depósito de calor, que es una masa lo bastante grande tal que su temperatura no cambia apreciablemente cuando una cierta cantidad de calor se transfiere hacia el sistema. El sistema entonces experimenta una extensión isotérmica de 1 a 2, con una cantidad de calor absorbido Q2. En el estado 2, al sistema se le remueve del contacto con el reservorio de calor y entonces se expande hasta 3. Durante esta expansión la temperatura



disminuye a T1. El intercambio de calor durante esta parte del ciclo es Q=0. En el estado 3 el sistema se pone en contacto con un reservorio de calor a temperatura T1. Entonces el gas se comprime hasta el estado 4, expulsando calor Q1 en el proceso. Finalmente, el sistema se comprime adibáticamente de nuevo hasta el estado inicial 1. El intercambio de calor durante esta parte del ciclo es Q=0. El Ciclo Inverso de Carnot.- Hemos analizado el ciclo de Carnot aplicado a la obtención de trabajo, pero podemos también hacer que éste funcione al revés. El ciclo Inverso de Carnot es la base termodinámica del ciclo ideal de refrigeración ya que consigue el efecto inverso de la maquina térmica, porque transporta energía desde un foco frio a un foco caliente. Para realizar el ciclo de refrigeración se necesita suministrar un trabajo externo. El resultado es que el trabajo neto realizado sobre el sistema, permite al calor que se extrae de la fuente de baja temperatura sea transportado por el sistema a una fuente de alta temperatura. El diagrama esquemático y el diagrama temperatura-entropía se muestran en la figura 3.

Figura 3.- Representación en diagramas del Ciclo Inverso de Carnot

Todos los procesos del ciclo son termodinámicamente reversibles. En consecuencia, los procesos 1-2 y 3-4 son isoentrópicos. La absorción de calor del foco frio Q1 en el proceso 4-1 se realiza a temperatura constante T1 y es la operación de refrigeración y al mismo tiempo el efecto refrigerante o útil del ciclo. La expulsión de calor al foco caliente Q2 en el proceso 2-3 también se realiza a temperatura constante T2. En resumen, el ciclo tiene como misión que la energía tomada de un foco frio a baja temperatura pueda ser cedida a un foco caliente a alta temperatura Coeficiente de Funcionamiento.- Para poder evaluar el grado de bondad de un sistema de refrigeración, debe definirse en término que exprese su efectividad. Sin embargo, no se emplea la expresión “rendimiento” porque este término en termodinámica, se reserva comúnmente para comparar el aprovechamiento a la salida con respecto a la entrada. La relación de la salida a la entrada daría lugar a confusión si se aplicase a un sistema de refrigeración, porque el calor desechado en el foco caliente no es generalmente aprovechable. Por lo tanto, en refrigeración se emplea el término de “funcionamiento”. Sin embargo, el índice de funcionamiento del ciclo de refrigeración es la misma relación que el rendimiento:



-./010.23. 4. /5210-26�0.23- = 7./�08.�610-2 5309 ��6:6;- 2.3-⁄ Los dos términos que intervienen en el coeficiente de funcionamiento deben estar en las mismas unidades, es decir, el coeficiente de funcionamiento es una magnitud adimensional.

Es de desear tener el mejor coeficiente de funcionamiento posible, puesto que esto indica que una refrigeración dada necesita el menor trabajo posible. Si expresamos el coeficiente de funcionamiento en función de las temperaturas del Ciclo de Carnot, el calor puesto en juego para un proceso reversible vale <�=> = ? (� . Las áreas por debajo de la línea del proceso reversible en el diagrama temperatura-entropía representan los calores que intervienen en el ciclo de refrigeración. Las áreas rayadas de la figura 4 representan la cantidad de refrigeración lograda y el trabajo neto o suministrado.

Figura 4.- Representación en el diagrama T-s de la refrigeración útil y el trabajo neto del Ciclo Inverso de Carnot

La refrigeración útil es el calor absorbido en el proceso 4-l, o sea, el área por debajo de la línea. 4-l. El área por debajo de la línea 2-3 representa el calor cedido en el ciclo. La diferencia entre calor cedido y calor absorbido en el ciclo es el calor neto, que en un proceso cíclico es igual al trabajo neto. El área delimitada por el rectángulo l-2-3-4 representa, pues el trabajo neto. Por tanto, una expresión del coeficiente de funcionamiento del ciclo de refrigeración de Carnot es:

-./010.23. 4. /5210-26�0.23- =�@ A@ − AC�

�D − �@� A@ − AC�=

�@

�D − �@

El coeficiente de funcionamiento del ciclo de Carnot es únicamente una función de los límites de temperatura y puede variar desde 0 hasta infinito. Si T1 es pequeño, el coeficiente de funcionamiento será grande; si T1 es grande aumentará el numerador y disminuirá el denominador, con lo que por ambos lados aumentará el coeficiente de funcionamiento. Por consiguiente, el valor de T1 tiene un efecto más pronunciado sobre el coeficiente de funcionamiento que el de T2. En resumen, para tener un alto coeficiente de funcionamiento se debe: 1.- Trabajar con un T1 grande 2.- Trabajar con un T2 pequeño



En base a este análisis, podríamos suponer que podemos tener un control completo sobre las T1 y T2. Si esto fuera así, T1 podría hacerse igual a T2 y conseguiríamos que el coeficiente de funcionamiento fuese igual a infinito. Sin embargo, los sistemas de refrigeración tienen límites de temperaturas que deben de respetar. La temperatura del foco frio depende de la temperatura interior del local a se desea refrigerar y la temperatura del foco caliente depende de la temperatura ambiente. Por ejemplo, si el sistema de refrigeración debe mantener una temperatura interior de -18°C (255°K) y desprender el calor a la atmosfera a 20°C (293°K), estos son dos límites de temperatura que el ciclo tiene que respetar. Durante el proceso de cesión de calor, la temperatura del refrigerante tiene que ser superior a 293°K. Durante el proceso de refrigeración, la temperatura del refrigerante debe ser inferior a 255°K, para que pase el calor del foco frio al refrigerante. El ciclo resultante es el mostrado en la figura 5 y este ciclo no sería exactamente el llamado Ciclo de Carnot porque todos sus procesos son reversibles, y las transferencias de calor, cuando existe una diferencia de temperatura, son procesos irreversibles.

Figura 5.- Limites de temperatura impuestos al ciclo de refrigeración

La temperatura T2 debe mantenerse baja, pero no puede reducirse por debajo de 293°K. La temperatura T1 debe mantenerse alta pero no puede elevarse por encima de 255°K. Para mantener un control sobre estos diferenciales de temperatura debemos procurar hacer el ∆� tan pequeño como sea posible. La reducción del ∆� se consigue aumentando el área de transferencia de calor (A) o el coeficiente total de transmisión de calor (U) en la ecuación:

� = E F ∆�

Para disminuir ∆� hasta hacerlo cero, hay que hacer infinitos, bien a F o a E. Como el lograr valores infinitos de F y E requeririan un costo infinito, no se llega nunca a reducir el valor de ∆� al valor de cero.



Modificaciones al Ciclo Inverso de Carnot.- Aunque el ciclo representado la figura 6 tiene un buen coeficiente de funcionamiento, es necesario, por consideraciones prácticas, hacer ciertas modificaciones. Estos cambios se hacen en el proceso de compresión l-2· y en el proceso de expansión 3-4.

Figura 6.- Ciclo de refrigeración de Carnot cuando el refrigerante es un fluido condensable

Consideremos primeramente el proceso de compresión. El proceso de compresión 1-2 de la figura 6 se llama compresión húmeda, porque el proceso completo ocurre en la región de la mezcla saturada con presencia de gotitas de líquido. Cuando se utiliza un compresor de émbolo hay varias razones en contra del su uso en esta región. Una razón consiste en que el líquido refrigerante puede quedar detenido en la culata del cilindro al subir el pistón, con la posibilidad de averiar las válvulas o la culata. Aunque el punto final de la compresión, señalado como punto 2 en la figura 6, corresponde a vapor saturado, lo cual significa que no hay líquido, tal cosa no sucede en la realidad. Durante la compresión, las gotitas de líquido se vaporizan según un proceso de transferencia de calor que requiere cierto tiempo. Los compresores a alta velocidad son especialmente vulnerables a averías originadas por el líquido, a causa del poco tiempo disponible para la transferencia de calor. Al final de la compresión, el punto 2, sobre la línea de vapor saturado, representa únicamente las condiciones medias de una mezcla de vapor recalentado y líquido. Otro posible peligro de la compresión húmeda es que las gotitas de líquido pueden arrastrar el aceite de lubricación de las paredes del cilindro, acelerándose así el desgaste. A causa de las desventajas mencionadas, la compresión seca es preferible a la compresión húmeda. La compresión seca se realiza sin que existan gotitas de líquido presentes. Si el refrigerante que entra en el compresor es vapor saturado, como en la figura 7, la compresión desde el punto l al 2 se llama compresión seca. Con la compresión seca, el ciclo pierde la forma rectangular del Ciclo de Carnot. La compresión de un vapor seco termina a la temperatura del punto 2, que es superior a la temperatura de condensación. Por tanto, el refrigerante sale del compresor recalentado. La porción del ciclo por encima de la temperatura de condensación se llama triángulo de recalentamiento. El área del triángulo de recalentamiento en el diagrama Ts representa el trabajo adicional necesario para la compresión seca.



Otra modificación que se hace en el Ciclo Inverso de Carnot es en el proceso de expansión. El Ciclo Inverso de Carnot exige que la expansión se realice a entropía constante y que el trabajo que se obtiene se utilice para mover el compresor. Sin embargo, dificultades prácticas se oponen al uso de la máquina de expansión. En primer lugar, el posible trabajo que puede obtenerse con la máquina es una pequeña fracción del que debe suministrarse al compresor. En segundo lugar, surgen dificultades prácticas en la lubricación cuando un fluido de dos fases empuja al émbolo. Finalmente, la potencia recuperada raras veces justifica el costo de la máquina de expansión.

Figura 7.- Modificaciones al Ciclo Inverso de Carnot

Sin embargo, sigue siendo necesario reducir la presión del líquido en el proceso 3-4. Un estrangulamiento, tal como una válvula u otro dispositivo similar es el sistema casi universalmente usado con este fin. Si no existen cambios de energía potencial ni cinética, y si no hay transferencia de calor, el proceso es isoentálpico (h3 = h4). El proceso de estrangulamiento a entalpía constante es irreversible, y durante el proceso la entropía aumenta. El proceso de estrangulamiento se realiza entre los puntos 3 y 4 de la figura 7. Ciclo de Refrigeración Estándar por Compresión de Vapor.- Una vez que se toman en cuenta las consideraciones prácticas que modifican el Ciclo Inverso de Carnot, podemos analizar el Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor en el diagrama T-s de la figura 8. Los procesos que comprende este ciclo son los siguientes: Compresión Adiabática y Reversible (1-2).- El vapor refrigerante que sale del evaporador entra al compresor en forma de vapor saturado y se realiza una compresión seca sin que existan gotitas de líquido presentes, hasta la presión del condensador. Al comprimir el vapor refrigerante también se tiene un aumento de temperatura. Cesión Reversible de Calor a Presión Constante (2-3).- El vapor refrigerante sale del compresor a alta temperatura y presión en la zona de recalentamiento y posteriormente se condensa a presión constante. Para cambiar al estado líquido, se le debe eliminar calor. Esto se logra en el condensador, en donde el calor se transfiere del refrigerante al fluido de enfriamiento y, como resultado de ello, el refrigerante se condensa y pasa a la forma líquida.



Figura 8.- Diagrama T-s del Ciclo de Refrigeración Estándar por Compresión de Vapor

Expansión Irreversible a Entalpia Constante (3-4).- El refrigerante se encuentra en estado líquido saturado, a una presión y temperatura relativamente altas. Pasa a través de una válvula de expansión. El refrigerante pierde presión al pasar por esta restricción. La presión en el estado 4 es tan baja que se evapora una pequeña parte del refrigerante. Pero para evaporarse debe ganar calor, que toma de la parte del refrigerante que no se evaporó, y así se enfría la mezcla, produciendo la baja temperatura en el estado 4. Adición Reversible de Calor a Presión Constante (4-1).- El líquido refrigerante saturado pasa a través del evaporador cuya función es retirar calor de sus alrededores, produciendo el efecto de enfriamiento que se desea. El refrigerante hierve debido al calor que recibe del evaporador. Para cuando sale del evaporador, está vaporizado por completo.

Figura 9.- Diagrama P-h del Ciclo de Refrigeración Estándar por Compresión de Vapor



De la misma manera, podemos analizar el Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor en el diagrama P-h de la figura 9. El proceso 1-2 es la compresión isoentropica a lo largo de la línea de entropía constante desde el estado de vapor saturado a la salida del evaporador hasta la presión del condensador. El proceso 2-3 es a presión constante, con principio en la región del vapor sobrecalentado en la salida del compresor, seguido de una condensación, y es una línea horizontal. El proceso de estrangulamiento 3-4 en la válvula de expansión, es a entalpia constante, y por lo tanto, la línea representativa es vertical. Por último, el proceso de evaporación 4-1, está representado por una línea horizontal porque el flujo de refrigerante a través del evaporador se supone que es a presión constante. Representación Gráfica de las Propiedades de los Refrigerantes.- Todos los refrigerantes usados comúnmente en los sistemas por compresión de vapor presentan características similares, aunque los valores numéricos de las propiedades varíen de un refrigerante a otro. El diagrama presión-entalpia es el medio grafico más común de representar las propiedades de un refrigerante. En la refrigeración, la entalpia es una de las propiedades termodinámicas más importantes y la presión, por lo general, puede determinarse muy fácilmente. Un ejemplo se muestra en la figura 10.

Figura 10.- Diagrama presión-entalpia de un refrigerante

La presión es la ordenada y la entalpia la abscisa. Con las curvas de vapor y líquido saturados como referencia, aparecen en el diagrama las líneas de temperatura, entropía y volumen específico constantes. Las líneas de temperatura constante son horizontales en la región saturada, pues en ésta la temperatura debe corresponder con la presión de saturación. La región de líquido subenfriado está a la izquierda de la curva de líquido saturado. En esta región, las líneas de temperatura constante son prácticamente verticales. En esta región, las líneas de temperatura constante son prácticamente verticales. Por consiguiente, la temperatura de un líquido subenfriado, determina la entalpía, pero no la presión. La región del vapor sobrecalentado está a la derecha de la curva del vapor saturado. En la región del vapor sobrecalentado, las líneas de temperatura constante descienden primero lentamente hacia la derecha, y después



verticalmente. Las líneas de volumen específico constante y la de entropía se elevan hacia la derecha, en donde las primeras tienen un ángulo menor que las segundas. Una compresión reversible adiabática, la cual es isotrópica muestra un aumento de entalpia al aumentar la presión durante la compresión. Análisis del Ciclo de Refrigeración.- El análisis termodinámico del ciclo de refrigeración estándar por compresión de vapor puede realizarse fácilmente con la ayuda del diagrama presión-entalpia (ver figura 9). Este análisis comprende: el trabajo de compresión, el calor cedido, la expansión isoentálpica, el efecto refrigerante y el coeficiente de funcionamiento.

El trabajo de compresión es igual a la variación de entalpia en el proceso 1-2, es decir: *@ − *D Esta relación se deduce de la ecuación de la energía en flujo permanente, cuando las variaciones de energía cinética y potencial son despreciables: *@ − G = *D − H. Como en la compresión adiabática el calor es cero, el trabajo es igual a: H = *@ − *D. La diferencia de entalpias es negativa, lo que significa que el trabajo se realiza contra el sistema. Aun siendo el compresor de pistones en los cuales el flujo es intermitente en lugar de permanente, el proceso 1-2 representa también la acción del compresor. En la tubería, a una cierta distancia del compresor, el flujo se habrá regularizado y tenderá a hacerse permanente. El cálculo del trabajo del compresor es importante porque suele ser uno de los mayores costos del funcionamiento del sistema. El calor cedido en el condensador, es el calor que sale del refrigerante en el proceso 2-3, y vale *J − *D . Esta relación se deduce también de la ecuación de la energía en flujo permanente cuando las energías cinética y potencial y el trabajo desparecen. Su valor es negativo, lo que significa que el calor es cedido por el refrigerante. El valor del calor cedido se necesita para el cálculo de las dimensiones y del caudal necesario de líquido refrigerante en el condensador. La expansión isoentálpica en la válvula termostática, es el paso del refrigerante de la presión alta de descarga del compresor en el condensador a una presión baja debido a la succión del compresor que existe en el evaporador, si no existen cambios de energía potencial ni cinética, y si no hay transferencia de calor, el proceso es isoentálpico *J = *C. El proceso de estrangulamiento a entalpía constante es irreversible y durante el proceso la entropía aumenta. El efecto refrigerante en el evaporador, es el calor puesto en juego en el evaporador en el proceso 4-1, es decir *@ − *C. Su valor es positivo, lo que significa que el calor es absorbido por el refrigerante. El valor del calor absorbido es necesario porque precisamente este proceso es el fin o único efecto útil de todo el sistema. Uso del Intercambiador de Calor.- En la práctica, algunos sistemas de refrigeración utilizan un intercambiador de calor liquido-vapor para mejorar el ciclo de refrigeración ya que aumenta el efecto refrigerante. Este intercambiador de calor subenfría el líquido caliente que sale del condensador utilizando el vapor frio procedente del evaporador. La instalación y el correspondiente diagrama P-h están representados en la figura 11. El líquido saturado procedente del evaporador, punto 3, se enfría hasta el punto 4 usando el vapor del punto 6 que se calienta hasta el punto 1. El balance térmico es: *J − *C = *@ − *K. El efecto refrigerante es igual a *K − *L o también *@ − *J.



Figura 11.- Sistema de refrigeración con intercambiador de calor

Aunque se obtiene cierta mejora del rendimiento, las ventajas de esta modificación son estrictamente prácticas: 1.- Para una capacidad de enfriamiento determinada, existe un menor caudal de refrigerante. 2.- Aunque aumenta el efecto refrigerante, la compresión se lleva a cabo en la región de vapor sobrecalentado donde le trabajo de compresión es mayor que en la proximidad de la curva de vapor saturado. 3.- Existe menos evaporación en la tubería de líquido cuando esta es muy extensa 4.- Con el subenfriamiento del líquido que sale del condensador, se evita la presencia de burbujas de vapor que obstruyan el flujo de refrigerante a través de la válvula de expansión. 5.- Se obtiene la eliminación de pequeñas gotas de líquido refrigerante en la entrada del compresor, debido a que el vapor a la entrada del compresor esta sobrecalentado

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO.- La unidad de refrigeración de laboratorio “Hilton” fue diseñada para demostrar el funcionamiento de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor. En la figura 12 se muestra el diagrama esquemático del equipo, donde se visualizan los flujos del refrigerante (R-12) y del agua de enfriamiento del condensador. El compresor es del tipo reciprocante de dos cilindros, accionado por un motor eléctrico por medio de poleas y bandas; el condensador es enfriado por agua logrando con ello dos objetivos: primero, que sea muy compacto y segundo que pueda realizarse un balance térmico en el equipo, con bastante exactitud mediante un medidor de flujo de agua (rotámetro). Después del condensador el refrigerante llega a una válvula desviadora de tres vías que permite la operación de la unidad con o sin intercambiador de calor. Antes de entrar a la válvula de expansión se encuentra un medidor de flujo de refrigerante y posteriormente entra al evaporador en donde la carga de refrigeración se suministra mediante una resistencia eléctrica (la medición precisa de la carga de refrigeración se realiza mediante un amperímetro y un voltímetro). El equipo responde rápidamente a cambios de carga y se estabiliza en 5 minutos después de modificar las condiciones de operación. Posteriormente el líquido pasa por el intercambiador de calor que puede estar o no en operación y finalmente, llegar al compresor completándose así el ciclo. Un termómetro electrónico, por medio de termopares y cuatro escalas de medición se emplea para



la medición de las temperaturas en los diferentes puntos de interés del ciclo. La presión del evaporador se controla automáticamente con la válvula de expansión termostática, aumentando cuando la carga de refrigeración crece y la presión en el condensador es controlada por el flujo de agua de enfriamiento, decreciendo al aumentar el flujo de ésta.

Figura 12.- Diagrama Esquemático del Equipo de Refrigeración de Laboratorio Hilton



DESARROLLO DE LA PRÁCTICA 1.- Análisis Termodinámico en el Compresor 1a).- Potencia al Freno. M� /1 = N O DPQ� KR⁄ � �� S = "�� $��$��%�� = 0.15 � = ��W� �� X� YZ = ,��%�� %��%� [\]� 1b).- Calor perdido. �� ^1 = _`�� *D − *@� + M� /1b @RRR�c �� = �� ⁄ � ℎd = e��$�� <�� %��$�� \ − ℎ �& ��⁄ � ℎf = e��$�� <�� %��$�� \ − ℎ �& ��⁄ � 2.- Análisis Termodinámico en el Condensador 2a).- Calor absorbido por el refrigerante �� 6�1 = _`�� *J − *D�b @RRR�c �� = �� ⁄ � ℎf = e��$�� <�� %�� \ − ℎ �& ��⁄ � ℎg = e��$�� <�� %�� \ − ℎ �& ��⁄ � 2b).- Calor absorbido por el agua. �� 6H1 = _`�� H hDi �j − �k�b @RRR�c �� l = �� ⁄ � "#mfn = "�� $�%��%� �� = 4.186 � & �� °"⁄ � (r = (��$�� <�� %�� & ��⁄ � (s = (��$�� <�� %�� & ��⁄ � 2c).- Calor perdido. �� ^14 = �� 6H + �� 6� �� tlu = "�� v ��v�� $�� %�� t�u = "�� v ��v�� $�� %�� 3.- Análisis Termodinámico en el Evaporador 3a).- Calor Suministrado. �� w. = x.� y.� �� ,= = ,�� %��%� �� Y�$�� Y�� )= = "�� %��%� �� Y�$�� $��



3b).- Calor absorbido por el refrigerante �� 6�. = _`�� *K − *L�b @RRR�c �� = �� ⁄ � ℎz = e��$�� <�� Y�$�� \ − ℎ �& ��⁄ � ℎ{ = e��$�� <�� Y�$�� \ − ℎ �& ��⁄ � 3c).- Calor perdido. �� ^. = �� 6�. − �� w. �� |= = "�� Y�$�� t�= = "�� v ��v�� $�� Y�$�� 4.- Análisis Termodinámico en el Intercambiador de Calor (Solo en las lecturas en donde se utilizó) 4a).- Calor absorbido por el refrigerante (lado del vapor) �� 6�Q = _`�� *@ − *K�b @RRR�c �� = �� ⁄ � ℎd = e��$�� <�� %��$�� \ − ℎ �& ��⁄ � ℎ{ = e��$�� <�� Y�$�� \ − ℎ �& ��⁄ � 4b).- Calor absorbido por el refrigerante (lado del líquido) �� 6�9 = _`�� *C − *J�b @RRR�c �� = �� ⁄ � ℎ} = e��$�� Y��Y�� ~$�� \ − ℎ �& ��⁄ � ℎg = e��$�� <�� %�� \ − ℎ �& ��⁄ � 4c).- Calor perdido �� ^0 = �� 6�Q + �� 6�9 �� t�> = "�� v ��v�� $�� Y�$�� t�� = "�� v ��v�� $�� <�� 5.- Calculo de los Coeficientes de Operación 5a).- En base a la potencia absorbida por el motor eléctrico. i@ = �� w. M� �⁄ �� w. = �� %� � 3� �� M� � = x�� y�� R. Lk� �� ,Z = ,�� %��%� �� Y�� )Z = "�� %��%� �� $�� 5b).- En base a la potencia al freno. iD = �� w. M� /1� �� w. = �� %� � 3� �� M� /1 = �� %� � 1� ��



5c).- En base al ciclo ideal. iJ = *K − *L� *Dw − *@�⁄ �� ℎd = e��$�� <�� %��$�� \ − ℎ �& ��⁄ � ℎf| = e��$�� %�� %��$�� $�%� �� \ − ℎ �& ��⁄ � ℎz = e��$�� <�� Y�$�� \ − ℎ �& ��⁄ � ℎ{ = e��$�� <�� Y�$�� \ − ℎ �& ��⁄ � El punto 2s se determina del diagrama P-h considerando un proceso de compresión a entropía constante, desde la presión de succión del compresor (punto 1), hasta la presión de descarga del compresor (punto 2) (Ver figura 13) 5d).- En base a las temperaturas absolutas del ciclo inverso de Carnot. iC = �� E − ��⁄ �� (� = (��$�� %�ó� �v �� $� �� $�� °S� (� = (��$�� %�ó� �v �� $� �� v�� $�� °S� TA y TB se obtienen del diagrama P-h, donde se interceptan la presión del evaporador (TB) y la presión del condensador (TA) con la línea de vapor saturado de la campana de Gauss. (Ver figura 13)

Figura 13.- Ciclo de Refrigeración obtenido en el equipo del laboratorio

6.- Representación Gráfica de los Coeficientes de Operación (COP1 y COP2)



7.- Representación Gráfica del Comportamiento del Flujo de Refrigerante

GRÁFICAS 1. Graficar en el Diagrama P-h del refrigerante R-12, el Ciclo de Refrigeración obtenido de cada

una de las condiciones de operación (6) que se llevan a cabo en el equipo. Se recomienda que los valores obtenidos en este diagrama se utilicen para desarrollar la práctica.

2. Graficar en el Diagrama T-s del refrigerante R-12, el Ciclo de Refrigeración obtenido de cada una de las condiciones de operación (6) que se llevan a cabo en el equipo.

3. Dibujar en papel milimétrico tamaño carta, las gráficas de los incisos 6 y 7. RESULTADOS El alumno presentara una secuencia detallada de los cálculos efectuados y hará una tabla con los resultados obtenidos. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El alumno dará sus conclusiones y las recomendaciones que crea convenientes para el mejoramiento de esta práctica.



TABLA DE RESULTADOS

C o n c e p t o Símb Unid 1 2 3 4 5 6

1 Análisis Termodinámico en el Compresor

1a Potencia al Freno M� /1 �

1b Calor perdido �� ^1 �

2 Análisis Termodinámico en el Condensador

2a Calor absorbido por el refrigerante �� 6�1 �

2b Calor absorbido por el agua �� 6H1 �

2c Calor perdido �� ^14 �

3 Análisis Termodinámico en el Evaporador

3a Calor Suministrado �� w. �

3b Calor absorbido por el refrigerante �� 6�. �

3c Calor perdido �� ^. �

4 Análisis Termodinámico en el Intercambiador de Calor (Solo en las lecturas en donde se utilizó)

4a Calor absorbido por el refrigerante (lado del vapor) �� 6�Q �

4b Calor absorbido por el refrigerante (lado del líquido) �� 6�9 �

4c Calor perdido �� ^0 �

5 Calculo de los Coeficientes de Operación

5a En base a la potencia absorbida por el motor i@ ��

5b En base a la potencia al freno iD ��

5c En base al ciclo ideal iJ ��

5d En base a las temperaturas abs. ciclo inverso de Carnot iC ��

TABLAS DE ENTALPÍAS ESPECÍFICAS DEL DIAGRAMA − * �� 8⁄ �

C o n c e p t o Símb. 1 2 3 4 5 6 Entrada del compresor *@

Salida del compresor *D

Compresión isoentropica *Dw

Salida del condensador *J

Entrada válvula expansión *C

Salida válvula expansión *L

Salida del evaporador *K



TABLA DE LECTURAS

C o n c e p t o Símb. Unidad 1 2 3 4 5 6

Temperatura entrada compresor �@ °"

Temperatura salida compresor �D °"

Temperatura salida condensador �J °"

Temperatura entrada válvula expansión �C °"

Temperatura entrada evaporador �L °"

Temperatura salida evaporador �K °"

Temperatura entrada agua al condensador �k °"

Temperatura salida agua del condensador �j °"

Presión del Condensador 1 v��

Presión del evaporador . v��

Flujo de refrigerante �� ⁄

Flujo de agua en el condensador �� H �\]

Voltaje en el evaporador x. Y��

Corriente en el evaporador y. ��$

Voltaje en el motor eléctrico x� Y��

Corriente en el motor eléctrico y� ��$

Fuerza en el dinamómetro O X

Velocidad en el compresor Q1 [\]

Velocidad en el motor eléctrico Q� [\]

Intercambiador de calor ( si / no )





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