9. ciclos de refrigeracion por compresión de un vapor_lina

Guías Laboratorio de Ciencias Térmicas - Facultad de Minas – U.N.

PRACTICA 10. CICLOS DE REFRIGERACIÓN

1 OBJETIVOS

1.1 Objetivos de conocimiento

- Describir el funcionamiento de los principales componentes de un sistema de refrigeración.

- Desarrollar el modelo termodinámico del Banco del Ciclo de refrigeración del Laboratorio de Sistemas Térmicos

- Determinar la eficiencia termodinámica por primera y segunda leyes para del Banco del Ciclo de refrigeración del Laboratorio de Sistemas Térmicos.

- Realizar el análisis energético del Banco del Ciclo de refrigeración del Laboratorio de Sistemas Térmicos, considere para ello, tanto el COP, como el coeficiente de eficiencia térmica por segunda ley

1.2 Objetivos para el desarrollo de habilidades y destrezas

- Demostrar competencias en la selección, modificación y operación de la instrumentación (sensórica)

- Usar los sentidos humanos para recoger información y hacer juicios sanos de ingeniería, con el fin de formular conclusiones razonables acerca de las mediciones tomadas

1.3 Objetivos para la formación de valores

- Reconocer resultados no exitosos debido a fallas en la instrumentación, en el procedimiento de medida o debido a restricciones propias del equipo y luego ingeniar soluciones efectivas.

- Familiarizar al estudiante con los códigos de ética de las diferentes asociaciones de ingeniería en el mundo.

2 POSIBLES PREGUNTAS

A continuación se indican algunas preguntas para guiar el análisis de los registros de los datos.

¿Cuál es la diferencia entre un ciclo ideal de refrigeración y un ciclo real?

¿Qué sucede con la eficiencia energética cuando se aumenta la velocidad de los ventiladores?

¿Cómo es el transitorio (comportamiento dinámico) del ciclo de refrigeración?

3 MODELO TERMODINÁMICO DEL CICLO BOMBA DE CALOR

El desarrollo del modelo general de un ciclo de refrigeración consiste en la descripción de las leyes que satisface el objeto de estudio; esto es, la conversión de la masa y la energía en el sistema bomba de calor. Cuando se describe un objeto de estudio, se debe describir la cosa en sí, al igual que la variable de interés (ver Figura 1). En este caso la cosa en sí es el sistema de refrigeración y la variable de interés es la energía y sus transformaciones.

El objeto de estudio puede describirse a su vez desde diferentes niveles o enfoques a saber, enfoque conceptual, enfoque teórico y enfoque operativo (Ver Figura 1). En este caso, las transformaciones de energía de la bomba de calor suele verse como un ciclo de potencia y por tanto, los diagramas T-s y P-v son herramientas que nos permiten conceptualizar como se dan


las transformaciones de la energía en este sistema. La bomba de calor, como un sistema de proceso, puede describirse conceptualmente mediante los diagramas de flujo de proceso o diagramas de bloques de proceso, los cuales permiten conceptualizar sobre el funcionamiento del sistema enfatizando su intercambio energético entre los componentes del sistema (algunas conceptualizaciones análogas en otras áreas son los diagramas de cuerpo libre, los circuitos equivalentes, los diagramas de bloques).

TABLA 1. PROPUESTA METODOLÓGICA PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

LA COSA (el proceso) LA VARIABLE ( de interés)

REAL ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LA BOMBA DE CALOR

CONCEPTUAL

(Ver sección 3.1)

Descripción verbal

Diagrama de flujo de procesos

Diagrama de bloques de proceso

(ver sección 3.1.1)

Descripción verbal

Diagramas T-s y P-h


TEÓRICO o CUALITATIVO

(Ver Sección 3.2)

Balances de masa y energía


COP,


OPERATIVO o NUMERICO

(Ver Sección 3.3)

Vector solución


Valor Del COP


3.1 Modelado conceptual del análisis energético de la bomba de calor

En esta sección se realiza la descripción del sistema bomba de calor y sus transformaciones energéticas desde una mirada conceptual.

3.1.1 Descripción conceptual del sistema bomba de calor

Un ciclo termodinámico que toma calor a una cierta temperatura y descarga calor a una temperatura mayor que la anterior se le llama históricamente un ciclo bomba de calor, Ver figura 1, y según que la fuente sea un deposito frio o el medio ambiente, se le llama ciclo de refrigeración o ciclo bomba de calor

FIGURA 1. Ciclos de bombeo de calor


Los elementos mecánicos que conforman estos dos ciclos son los mismos, a saber, un compresor que mueve y comprime el fluido de trabajo, un intercambiador que toma calor de la fuente térmica, otro intercambiador que entrega calor al sumidero térmico, y una válvula de estrangulación o un tubo capilar que expande el líquido refrigerante. Ver Figura 2. Los fluidos de trabajo son similares y a veces pueden ser los mismos para los dos ciclos. En Colombia se usan prioritariamente los ciclos de refrigeración en neveras, congeladores, cuartos fríos y cavas, mientras que los ciclos bomba de calor solo se utilizan en procesos industriales que utilizan procesos a temperaturas moderadamente altas, como la deshidratación por aire caliente de vegetales (alimentos, maderas). En Medellín se utiliza para secar madera

FIGURA 2. Ciclo de refrigeración de una nevera

Adicionalmente, con el fin de climatizar confortablemente las viviendas en los países de estaciones se utilizan los dos ciclos con un mismo equipo mecánico fijo, donde se invierte el flujo en los intercambiadores para producir frio o calor en las viviendas, según que la estación sea verano o invierno. El flujo se invierte mediante una válvula inversora para no mover de su sitio los intercambiadores, ver Figura 3.

FIGURA 3. Inversión del ciclo bomba de calor

En esta práctica se trabaja con el banco Scott ubicado en el Laboratorio de máquinas y sistemas térmicos (ver Figura 4).

FIGURA 4. Banco didáctico de refrigeración Scott.


Los diagramas de flujo de procesos y de bloques de proceso del banco Scott y en general de un circuito simple de refrigeración se ilustran en la Figura 5

(a) Diagrama de flujo de procesos (b) Diagrama de bloques de proceso

FIGURA 5. Diagrama de flujo (a) y de bloques (b) de procesos

3.1.2 Descripción conceptual de la energía en el sistema bomba de calor

El ciclo convencional de refrigeración por compresión de vapor se divide en 4 procesos (ver Figura 6 y Figura 7)

1-2 Compresión adiabática de vapor saturado desde PEVAP hasta PCOND en el compresor 2-3 Enfriamiento isobárico y condensación completa a T3 > T0 en el condensador 3-4 Expansión libre (h=cte) del condensado en la válvula de estrangulamiento (o de

expansión). Pérdida de trabajo con respecto a la expansión isentrópica 3 – 5. 4-1 evaporación completa a la temperatura T1 TK (TK : temperatura del espacio

refrigerado).

FIGURA 6. Diagramas T –s, P-h. Ciclo de refrigeración convencional (R134a)

Adicionalmente, desde la segunda ley de la termodinámica es posible describir las irreversibilidades Ii generadas en los diferentes componentes del ciclo. Estos son analizados haciendo uso del diagrama T-s presentado en la Figura 7.Siendo estas irreversibilidades el área resaltada para cada uno de los elementos que se presentan en el ciclo bomba de calor.

En el compresor ocurre disipación que disminuye con la disminución de la fricción, degradación en el condensador que disminuye aumentando el área de transferencia de calor. En el dispositivo de expansión hay disipación que disminuye de dos maneras: a) Utilizando una

La descripción del sistema banco Scott deberá ser realizada por el estudiante, tal y como se detalla en los resultados

¡Recuerda usar normas ISA!


turbina en vez de la válvula (útil a bajas temperaturas), b) Disminuir al máximo T3, --subenfriando el condensador con agua,- Regenerando internamente. Y finalmente, Degradación en el evaporador que disminuye aumentando el área de transferencia de calor.

FIGURA 7: Irreversibilidades sistema de compresión [4]

3.2 Modelado teórico del análisis energético de la bomba de calor

En esta sección se realiza la descripción del sistema bomba de calor y sus transformaciones energéticas desde una mirada teórica.

3.2.1 Descripción teórica del sistema bomba de calor

Una vez definidos los sistemas de interés del banco Scott se realizan los balances de materia, de energía, de entropía y además se indica la irreversibilidad en cada uno de los sistemas que conforman el banco Scott. Para realizar los balances se tienen en cuenta los supuestos indicados en la sección 3.1.2.

Balances en el Sistema 1. El compresor (SP1).

Balance de masa

m1=m2=mref

Balance de energía

Potencia decompresión=W NETO=¿❑mref (h2−h1 )¿

Balance de entropía

mref s2−mref s1−Sgen=∆ ssist=0

Irreversibilidades

I comp=T 0 Sgen I comp=T 0 m ( s2−s1)

Balances en el Sistema 2. El condensador lado del fluido refrigerante (o de servicio) SP2

I evap

I dispexp I Comp

I Cond


Lado fluido refrigerante

Balance de masa

m2=m3=mref

Balance de energía lado fluido refrigerante (o de servicio)

−QOUT=mref ( h3−h2 )Balance de entropía

−QOUT

T 0

+mref

s2

−mref s1− Sgen=∆ ssist=0

Irreversibilidades

I cond=mref [h2−h3−T 0 ( s2−s3 ) ]

Balances en el Sistema 3. La válvula de expansión (SP3)

Balance de masa

m3=m4=mref

Balance de energía

mref (h4−h3 )=0

Balance de entropía

mref s4−mref s3− Sgen=∆ ssist=0

Irreversibilidades

I dispexp=T 0 mref ( s4−s3 )

Balances en el sistema 4. El evaporador lado fluido refrigerante (o de servicio) SP4

Lado fluido refrigerante

Balance de masa

m2=m3=mref

Balance de energía lado fluido refrigerante

Q¿=mref ( h1−h4 )Balance de entropía

Q¿

T k

+mref

s1

−mref s4−Sgen=∆ ssist=0

Irreversibilidades

I evap=mref ( 1T 1

−1

T K) .T 0 .(h1−h4)

Al considerar el sistema como un todo se tiene:


3.2.2 Descripción teórica de la energía en el sistema bomba de calor

Existen dos tipos de eficiencia térmica que pueden considerarse, la más conocida, el coeficiente de desempeño COP se obtiene a partir de la primera ley. No obstante, es posible obtener otro indicador de desempeño a partir de la segunda ley.

Análisis energético por primera ley

El desempeño de los refrigeradores y de las bombas de calor se expresa en términos del

coeficiente de desempeño (COP), el cual se define como:

COPR=Salida útil

Entradarequerida= Efecto deenfriamiento

Entrada de trabajo=

QOUT

W NETO

(6)

COPBC=Salidaútil

Entrada requerida=Efecto de calentamiento

Entrada de trabajo= Q¿

W NETO

(7)

Es así como los COP del refrigerador y la bomba de calor quedan definidos como:

COPR=Q¿

W NETO

=(h1−h4 )( h2−h1 )

(8)

COPBC=QOUT

W NETO

=(h2−h3 )(h2−h1)

(9)

Análisis energético por segunda ley

La eficiencia de una máquina térmica, a la luz de la segunda ley de la termodinámica, es una comparación, entre la eficiencia térmica real y la máxima eficiencia posible (ciclo de Carnot) bajo las mismas condiciones.

η II=Exergía recuperada

Exergía suministrada= COP

COPREV

=1−Xdestruida

X suministrada

(10)

Balance de energía del sistema bomba de calor

W NETO=Q¿−QOUT

(Qentrada−Qsalida )+(W entrada−W salida)=mref (h¿¿ salida−hentrada)¿

Balance de masa del sistema bomba de calor

m1=m2=m3=m4=mref

Balance de entropía del sistema bomba de calor

Irreversibilidades del sistema bomba de calor

I TOTAL= I dispexp+ I comp+ I cond+ I evap


La exergía total destruida (X destruida¿ durante el ciclo es igual a la suma de todas las

irreversibilidades (Ii) presentes en el mismo y la exergía suministrada (X ¿¿ suministrada)¿ es

igual a la energía total entregada al sistema. Por lo cual, la segunda ley es reescrita de la siguiente manera:

η II=1−∑ I i

W(11)

3.3 Modelado operativo del análisis energético de la bomba de calor

En esta sección se realiza la descripción del sistema bomba de calor y sus transformaciones energéticas desde una mirada operativa.

3.3.1 Descripción operativa del sistema bomba de calor

Una vez realizada la toma de datos que permitan solucionar el sistema de ecuaciones descrito en la sección 3.1.2, se recomienda presentar los datos en el vector solución y una tabla resumen de la propiedades, tal y como se ilustra en la Figura X, que permitirá realizar el análisis energético del ciclo bomba de calor.

vector solución=[ mℜ f ,Q calor , Qfrio , W neto ]Tabla de propiedades

T P h V S

1

2

3

4

3.3.2 Descripción operativa de la energía en el sistema bomba de calor

4 EXPERIMENTACIÓN

4.1 Equipos a utilizar

Banco didáctico de refrigeración de Scoot (Ver Figura 4)

4.2 Procedimiento

Ubicarse en el banco didáctico de refrigeración Scott e identificar todos los elementos que lo componen. Después de analizar el funcionamiento de cada uno de los componentes. Encender el banco de refrigeración en ciclo normal (CN) como se indica en la tabla encendido banco de

La descripción operativa consistirá en el valor del COP y de la eficiencia por segunda ley, sobra decir, que esta será realizada por los estudiantes, tal y como se indica en los resultados.

Esta Tabla deberá ser diligenciada por los estudiantes, tal y como se indica en los resultados.


refrigeración. Utilizando el tubo capilar. Registrar en la tabla 1 los valores de voltaje y corriente antes y después del encendido del compresor.-

Una vez encendido el compresor, elegir una de las tres velocidades posibles para los ventiladores y medirla con el anemómetro. Comenzar a registrar los valores de presión y temperatura en el sistema de control. Tomar estos valores en intervalos de 1 minuto por un período de 15 minutos.

4.3 Posibles casos:

- Ciclo de refrigeración con válvula de expansión- Ciclo de refrigeración con tubo capilar- Ciclo inverso; esto es, bomba de calor

5 REGISTROS

Descripción del Banco Scott y de cada uno de sus componentes.

Flujo másico de fluido refrigerante

Para encontrar la masa del fluido refrigerante, se realiza el balance en el medio ambiente (SP6).

Balances en el Sistema condensador lado medio ambiente SP6

Balance de masa

m¿=mout=maire

Balance de energía lado medio ambiente

maire (h¿aire−hout aire )=QOUT=mref (h3−h2 )

Calidad en el evaporador

Finalmente, se realiza el balance en la cámara fría (SP8), con el fin de obtener información adicional que permita encontrar la calidad en el evaporador

Balances en el Sistema evaporador lado cámara fría SP8

Balance de masa

m¿=mout=maire

Balance de energía lado medio ambiente

maire (h¿aire−hout aire )=Q¿=mref (h1−h4 )


De acuerdo con lo anterior, en la Tabla 2 se sugieren los registros que deberán tomarse durante la practica.

TABLA 2 Registros sugeridos

CICLO NORMAL (CN) BANCO DIDÁCTICO DE REFRIGERACION SCOTT

Voltaje COMP APAGADO Voltaje COMP ENCENDIDO

Corriente COMP APAGADO Corriente COMP ENCENDIDO

Velocidad del aire medio ambiente Tin aire Tout aire

Velocidad del aire cámara fría Tin aire Tout aire

Tiempo (min)

Presión ALTA Presión BAJA

TENT COND TSAL COND TENT EVAP TSAL EVAP

1

2

6 CÁLCULOS (registros transformados)

Obtener el vector solución Determinar el COPR

Evaluar las irreversibilidades presentes en cada uno de los componentes del sistema y evaluar por medio de estas la eficiencia termodinámica por segunda ley.

Dibujar los diagramas T-s y P-h con los datos

7 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES

Se debe dar respuesta a la pregunta planteada

BIBLIOGRAFÍA

[1] Y. A. C. Michael A. Boles, TERMODINAMICA, Sexta. Mexico: Mc Graw Hill.[2] Piotr A. Domanski, “Theoretical Evaluation of the Vapor Compression Cycle With a

Liquid-Line/ Suction-Line Heat Exchanger, Economizer, and Ejector.” Mar-1995.[3] Professeur L. Borel, Energetique thermodynamique, Institut of thermodynamique.

Lausanne, Francia: , 1979.[4] Pedro Rivero, Fundamentos de exergía. Medellín, Colombia: , 1980.

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