CICLO DE REFRIGERACIN

RESUMENEl siguiente proyecto consiste en el diseo y anlisis de un ciclo de refrigeracin por compresin de vapor con un tubo capilar en la seccion de estrangulamiento del sistema, utilizando el refrigerante 134a, basado en la primera ley de termodinmica. El modelo prctico realizado cumple con cada especificacin de sus unidades de procesos, de manera que se logr conocer profundamente las aplicaciones tericas de los conocimientos adquiridos en clases con base a las prcticas experimentales que se realizaron para disear el ciclo de refrigeracin. Las entalpias relacionadas en el proceso fueron estimadas para la determinacin del coeficiente de operacin o de rendimiento del ciclo propuesto. Adems, se dar una explicacin detallada del montaje y ensamblaje, en donde se especificaran los materiales y herramientas utilizados.

ABSTRACTThe next project is the design and analysis of a refrigeration cycle vapor compression with a capillary tube throttling section of the system, using the 134a refrigerant, based on the first law of thermodynamics. The performed practical model meets every specification of process units, so that was achieved thorough knowledge of the theoretical application of the knowledge gained in classes based on experimental practices that were performed to design the refrigeration cycle.The related enthalpies to the process were estimated for determining the performance coefficient of the proposed cycle. In addition, there will be a detailed explanation of mounting and assembly, where the materials and tools used were specified.

INTRODUCCINLa historia de la refrigeracin se remonta a cientos de aos atrs cuando el hielo natural proporcionaba el efecto de enfriamiento. Posteriormente se desarroll, adems del uso de la refrigeracin industrial para la preservacin de alimentos, la produccin qumica, las aplicaciones metalrgicas, entre otras, una faceta decisiva del proceso de refrigeracin: el control de la temperatura y la humedad del ambiente, que se denomina comnmente acondicionamiento de aire. Hoy en da, an se conservan las aplicaciones mencionadas con anterioridad y se mejora constantemente en el desarrollo de nuevas tcnicas como la creacin de plantas criognicas de la mano de la ciencia y la tecnologa. Para llevar a cabo todas estas actividades, es necesario un proceso mediante el cual un dispositivo retira energa de un depsito de temperatura baja para llevarlo a un depsito de temperatura alta; sin embargo, de acuerdo con la segunda ley de la termodinmica, esto es imposible de lograr a menos que se utilice trabajo. Los dispositivos capaces de producir refrigeracin se denominan refrigeradores y los ciclos en los que operan se conocen como ciclos de refrigeracin. Este ciclo aprovecha la entalpia de transformacin de las sustancias al cambiar de fase lquida a fase de vapor.El fluido de trabajo en un ciclo de refrigeracin puede permanecer en una sola fase (refrigeracin por gas) o puede aparecer en dos fases (refrigeracin por compresin de vapor).El mtodo convencional de refrigeracin, y el ms utilizado, es por compresin. Mediante energa mecnica se comprime un gas refrigerante. Al condensar, este gas emite el calor latente que antes, al evaporarse, haba absorbido el mismo refrigerante a un nivel de temperatura inferior. Los elementos principales en un ciclo de refrigeracin por compresin de vapor son el evaporador, el compresor, el condensador y la vlvula de expansin.Finalmente, la eficiencia de los refrigeradores, se denota por el coeficiente de operacin o de rendimiento (COP) o , que corresponde al cociente entre el calor absorbido en el evaporador y el trabajo suministrado al compresor.En el presente trabajo, se pretende conocer de cerca el funcionamiento de los ciclos de refrigeracin, mediante el diseo y construccin de un modelo a pequea escala, que permita conocer los parmetros termodinmicos que rigen su comportamiento. Se estimarn adems, las entalpias relacionadas en el proceso teniendo en cuenta un ciclo ideal de refrigeracin, para luego determinar el coeficiente de operacin o de rendimiento para el ciclo propuesto basndose estos valores.

OBJETIVOS

Objetivo general

Analizar y comprender el funcionamiento de un Sistema de Refrigeracin y reconocer su importancia en la vida cotidiana. Mediante conocimientos adquiridos elaborar un sistema de refrigeracin por compresin de vapor.

Objetivos especficos

Realizar el balance respectivo a cada unidad que conforma el ciclo de refrigeracin teniendo en cuenta la segunda ley de la termodinmica. Calcular la transferencia de calor en el compresor, el evaporador y el condensador Determinar el trabajo hecho por el compresor Hallar el coeficiente de operacin del ciclo de refrigeracin. Especificar cada estado del sistema global con sus respectivas propiedades termodinmicas Aprender a gestionar un proyecto optimizando costos.

MARCO TERICO

Ciclos termodinmicosLa termodinmica tiene dos de sus ms importantes reas de aplicacin a nivel de estudio de consumo, en la generacin de potencia y la refrigeracin, las cuales se realizan a travs de sistemas que operan en ciclos termodinmicos, que se pueden clasificar en dos grandes grupos: los ciclos de potencia y de refrigeracin. Dependiendo de la fase en la que se encuentre el fluido con el cual se trabaja, se pueden tambin clasificar como ciclos de gas, donde la sustancia de trabajo permanece en estado gaseoso durante todo el ciclo, y ciclos de vapor, en los cuales el fluido de trabajo existe como vapor en una parte del ciclo y como fase lquida en otra, pudiendo incluso llegar a coexistir las fases lquida y vapor en un punto determinado del mismo. Tambin se logra hacer otra distincin entre los ciclos termodinmicos tomando como criterio la reutilizacin del fluido de trabajo. Los ciclos en los que ocurre esto se denominan ciclos cerrados, en caso contrario, donde la sustancia deba ser renovada al final de cada ciclo en vez de recircularse se denominan ciclos abiertos.Los ciclos de refrigeracin, sobre los cuales se centra este trabajo, describen la continua absorcin de calor a un nivel de temperatura bajo, lo cual se logra por la evaporacin de un lquido bajo un proceso continuo a rgimen permanente. El vapor generado deber regresar a su estado lquido original para ser nuevamente evaporado. Esto se lograporunodedosmtodos,dondeenelprimerosesometeauna compresin y luego a una condensacin; mientras que en el segundo mtodo el vapor es absorbido por un lquido de baja volatilidad, a partir del cual es evaporado a alta presin.

Ciclo ideal de compresin de vaporTericamente los ciclos de refrigeracin se basaban en el ciclo de refrigeracin de Carnot sin embargo, debido a la impractibilidad en la realidad del ciclo en s , se decidi hacerles unas modificacin con el fin de tener un modelo que se ciera ms a la realidad, de ah nacido el ciclo ideal de compresin de vapor .Para este tipo de ciclo no se tienen en cuenta las irreversibilidades dentro de evaporador y condensador, no hay cada de presin por rozamiento y el refrigerante fluye a presin constante en los dos intercambiadores de calor. Si la compresin se produce sin irreversibilidades, y si tambin se desprecia la transferencia de calor al ambiente, la compresin es isentrpico. Con estas consideraciones se obtienen el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor definido por los estados 1-2s-3-4-1 en el diagrama T-s de la figura 3.El refrigerante entra al compresor en el estado 1 como vapor saturado y se comprime isentrpicamente hasta la presin del condensador. La temperatura del refrigerante aumenta durante el proceso de compresin isentrpica, hasta un valor bastante superior al de la temperatura del medio circundante. Despus el refrigerante entra en el condensador como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como liquido saturado en el estado 3, como resultado del rechazo del calor hacia los alrededores. La temperatura del refrigerante en este estado se mantendr por encima de la temperatura de los alrededores.El refrigerante lquido saturado en el estado 3 se estrangula hasta la presin del evaporador al pasarlo por una vlvula de expansin o por un tubo capilar. La temperatura del refrigerante desciende por debajo de la temperatura del espacio refrigerado durante este proceso. El refrigerante entra al evaporador en el estado 4 como vapor hmedo de baja calidad, y se evapora por completo absorbiendo calor del espacio refrigerado. El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al compresor, completando el ciclo.

Este ciclo consta de la siguiente serie de procesos:2s

Figura 3. Diagramas T-s y componentes del sistema de refrigeracin ideal de compresin de vapor

Proceso 1-2s: Compresin isentrpico del refrigerante desde el estado 1 hasta la presin del condensador en el estado 2s. Proceso 2s-3: transferencia de calor desde el refrigerante que fluye a presin constante en el condensador. El refrigerante sale como lquido en el estado 3. Proceso 3-4: proceso de estrangulacin desde el estado 3 hasta la mezcla bifsica liquido-vapor en 4. Proceso 4-1: transferencia de calor hacia el refrigerante que fluye a presin constante a travs del evaporador hasta completar el ciclo.

Los cuatro componentes asociados con el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor son dispositivos de flujo estacionario, por lo que los cuatros procesos anteriores, que integran el ciclo pueden analizarse como procesos de flujo estacionario. Los cambios en la energa cintica y potencial del refrigerante suelen ser pequeos en relacin con trminos de trabajo y transferencia de calor, y por lo tanto, pueden ignorase. Entonces la ecuacin de energa de flojo estacionario por unidad de masa se reduce a:

El condensador y el evaporador no implican ningn trabajo y el compresor puede calcularse como adiabtico. Entonces los COP pueden expresarse como:

Ciclo real de refrigeracin por compresin de vaporUn ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor, difiere de uno ideal por varias razones. Entre las ms comunes estn las irreversibilidades que suceden en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidades son la friccin del fluido (que provoca cadas de presin) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. El diagrama T-s y el esquema de un ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor se muestra en la figura 4 y 5c

Figura4. Esquema para el ciclo real de Figura5. Diagrama T-s para el ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor refrigeracin por compresin de vapor. El proceso de compresin en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabtico y, en consecuencia, isentrpico. Sin embargo, el proceso de compresin real incluir efectos friccionantes los cuales incrementan la entropa y la transferencia de calor que puede aumentar o disminuir la entropa, dependiendo de la direccin. En el caso adiabtico e irreversible la salida real puede determinarse a partir del rendimiento adiabtico del compresor planteado como:

En los ciclos ideales de refrigeracin, el fluido de trabajo sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Pero esta condicin es imposible de mantener el estado del refrigerante con tanta precisin. En lugar de eso se procura disear el sistema de manera de sobrecalentar ligeramente al refrigerante a la entrada del compresor para as garantizar evaporacin completa al momento de ingresar al compresor. Asimismo, en lnea que conecta al evaporador al compresor suele producirse cadas de presin del refrigerante y cierta ganancia de calor no deseable, trayendo como resultado un aumento en el volumen especifico del refrigerante y por ende un incremento en los requerimientos de potencia de entrada al compresor, basado en el criterio de En los ciclos ideales de refrigeracin, el fluido de trabajo sale del condensador como liquido saturado a la presin de salida del compresor. Sin embargo, es inevitable que se produzcan cadas de presin en el condensador as como en las lneas que conectan al compresor y a la vlvula de estrangulamiento, adems de la imposibilidad de mantener con precisin la regulacin del condensador para tener a la salida lquido saturado, y es indeseable enviar refrigerante a la vlvula de estrangulamiento sin condensar en su totalidad, debido a que reduce la capacidad de absorcin de calor, por lo que se considera el subenfriamiento como alternativa para disminuir la entalpa de entrada a la vlvula de estrangulamiento y en consecuencia aumentar la capacidad de absorcin de calor (efecto refrigerante).

Funcionamiento de los principales dispositivos del sistema de refrigeracin

Usualmente estos sistemas constan de cuatro dispositivos que son los que realizan los diferentes procesos que componen el ciclo. Dando lugar a la refrigeracin, a continuacin se explicara la funcin de cada dispositivo dentro del sistema

Evaporador: Se transfiere calor (absorbe) de la regin fra al refrigerante que experimenta un cambio de fase a temperatura Constante. Para que la transferencia de calor sea efectiva, la temperatura de saturacin del refrigerante debe ser menor que la temperatura de la regin fra. Condensador: El refrigerante se condensa al ceder calor a una corriente Externa al ciclo El agua y el aire atmosfrico son las sustanciales habituales utilizadas para extraer calor del condensador. Para conseguir que se transfiera calor, la temperatura de saturacin del refrigerante debe ser mayor que las temperaturas de las corrientes atmosfricas. Compresor: Para alcanzar las condiciones requeridas en el condensador logrando la liberacin del calor desde el sistema al ambiente, es necesario comprimir el refrigerante de manera de aumentar su presin y en consecuencia su temperatura (generalmente temperaturas de sobrecalentamiento), los requerimiento de potencia de entrada depende delas necesidades de enfriamiento.

Vlvula de estrangulamiento: Liberado el calor en el condensador es necesario revertir el proceso del compresor de manera de obtener bajas Temperaturas al disminuir la presin (estrangular), logrando las condiciones requeridas en el evaporador.3

Figura 2. Diagrama de los dispositivos en el sistema de refrigeracin

Se puede decir que de la prctica cotidiana sabemos que el calor fluye de regiones de alta temperatura a las de baja, sin necesidad de algn dispositivo. El proceso inverso no sucede por si solo (principio de la segunda ley de la termodinmica), para lograr transferir calor desde una zona de baja temperatura a una de alta sin violar la segunda ley requiere de dispositivos especiales conocidos como refrigeradores. Los refrigeradores son dispositivos cclicos y los fluidos de trabajo empleados en los ciclos de refrigeracin se llaman refrigerantes. En la figura se muestra de manera esquemtica un refrigerador. En este caso es la magnitud del calor extrado del espacio refrigerado a la temperatura , es la magnitud del calor liberado hacia el espacio caliente a la temperatura y , es la entrada neta de trabajo al refrigerador. Como se analiz, y representan magnitudes, y por ello son cantidades positivas.

MATERIALES

MaterialesPrecios

Compresor de pistn de 220v$ 70.000

Tuberas de cobre$ 10.000

Vlvula de suministro$ 3.000

Varilla soldadura de plata$ 2.000

Capilar para expansin$ 10.000

Visores de refrigerante$ 42.000

Manmetros$ 70.000

Termostato$ 15.000

Termmetro$ 40.000

Base de madera$ 5.000

Tuercas de bronce(4)$ 8000

Acoples de bronce$ 6.000

Frasco de pintura en aerosol$ 20.000

Filtro secador$ 10.000

Cable de poder$ 5.000

Motor ventilador$ 35.000

Frasco refrigerante$ 11.000

Total$ 392.000

PROCEDIMIENTO

Se adquiri una unidad de aire acondicionado para desarmarla y utilizar los principales dispositivos del sistema de refrigeracin (condensador, evaporador, compresor y vlvula de expansin). El ciclo se arm sobre una base de madera y se prosigui a montar cada elemento:

Se coloc la unidad (compresor de 1/10 hp de 220V) en el asentamiento de la base de madera, para ello se utiliz un taladro para atornillar los soportes del compresor. Es importante tener en cuenta que el compresor tiene 3 tubos de salida: a. Un tubo de alta que se conecta al condensador.b. Un tubo de baja que se conecta al evaporador.c. Un tubo de servicio o vlvula de servicio que permite cargar el gas y efectuar el vaco del sistema.

Se instal la parrilla de condensacin, sujetndola inicialmente con tornillos a travs de unos agujeros realizados a la base con la ayuda de un taladro, Se construy el condensador encargado de disipar el calor del sistema de refrigeracin con 4 metros de tubera de cobre se 3/8 hacindolo en forma de espiral para despus adaptarle el motor ventilador en la parte posterior sujetndolo con una base metlica atornillada, este es el encargado forzar la circulacin del aire a travs del condensador favoreciendo el cambio de estado.

De igual forma se instal el evaporador en forma de espiral con tubera de cobre de 3/8, de la misma manera que el condensador, se ajust un motor ventilador y la parrilla en la parte frontal del evaporador.

Posteriormente se tom parte de la tubera de cobre de y se cort con un cortatubo, el trozo de tubo permiti la conexin entre el condensador y el tubo de alta del compresor. En la intermediacin de la conexin se coloc el manmetro de alta presin y el visor con tubera de cobre de 3/8, para apreciar el cambio de estado.

Al final del recorrido del condensador se conect otra parte de tubera de cobre de y se instal un filtro secador en la tubera de alta presin que sirve para eliminar humedad y detener cualquier elemento que pueda obstruir el capilar dentro del sistema.

El capilar (calibre 0,31) se coloc al final de la tubera de lquido entre el filtro secador y el inicio del evaporador con soldadura de plata, para producir la expansin a una presin y temperatura baja, entrando al evaporador como un atomizador. En la salida de la tubera del evaporador se conect otra parte de tubera de cobre de , en el tubo de baja del compresor, junto con un visor de flujo. Una vez ubicado en la base se procede a soldar todas las tuberas que acoplan con el compresor, y los dems elementos del sistema con soldadura de plata. Para el aislamiento del sistema, se utiliz metro de rubatex que se coloc alrededor del tubo de retorno, sujetndolo con gutapercha; esto se hizo con el fin de evitar que cualquier gota producida por fuera del tubo, caiga sobre la base. Se le cubrieron parcialmente el evaporador, comprensor y el condensador con espuma de polietileno como aislante trmico.

Carga de refrigerante: La carga de refrigerante se dio mediante el tubo de servicio del condensador y se realiz del siguiente modo:a. Se conect la vlvula de servicio del condensador al manmetro de baja presin (azul), mediante una manguera; la bomba de vaco se conect a la manguera de servicio (amarilla).b. Se activ la bomba de vaco hasta que el manmetro de baja presin lleg a 35 psi de vaco, posteriormente, se cerr la llave del manmetro y se apag la bomba de vaco.c. La manguera de servicio (amarilla) se desconect de la bomba y se conect a la lata de refrigerante 134-a.d. Se suministr refrigerante poco a poco hasta que el manmetro de baja presin alcanz una presin de 35psi

Un cable de corriente fue conectado cuidadosamente al compresor, el cual permite el encendido del ciclo. Una de las lneas de corriente fue dirigida al termostato y un cable a su vez al chiller, el cual detecta cuando se ha alcanzado el mnimo de temperatura que puede alcanzar el sistema, evitando as el congelamiento muy continuo y haciendo que el sistema descanse entre 10 a 15 min.

Resultados y discusinComo primera medida se explicara brevemente cmo funciona el ciclo y se proceder a especificar los estados termodinmicos del sistema en cada una de las corrientes de flujo de fluido de refrigerante R-134, as como tambin se ver cuanto calor absorbi o cedi el ciclo durante su funcionamiento realizando los clculos pertinentes.

Durante el proceso tenemos molculas del refrigerante circulando por todo el ciclo y en una parte determinada sufren un cambio de estado de gas a liquido producto de la adsorcin del calor del sistema cuando empieza a refrigerar, este calor absorbido es transportado por las molculas del refrigerante hasta que llega a un lugar del ciclo donde cede el calor al aire una vez las molculas del refrigerante sueltan el calor puede iniciar de nuevo el ciclo; Dicha molcula transportadora anteriormente mencionada es la encargada de subir o bajar las temperaturas o presiones en las diferentes partes del ciclo.

Especificaciones y clculos

EstadoTemperatura (C)Presin (psia)Presin (kPa)

12148330.85

2612301585.35

3492301585.35

44948330.85

Tabla de estados

147 psia = 1 atm1 atm = 101.325 Pa

Estado .Temperatura (C)Presin (MPa)

200.5728

Datos de la tabla A.5SIP = 330.85 kPaT = 21 C 20 CP = 0.33 MPaP de saturacin > P, es vapor sobrecalentado

P (MPa)v hS

0.300.074415416.1241.78744

0.33???

0.400.054362413.9651.75844

Tabla de R-134 sobrecalentado a 20 C.

Estado .(Vapor saturado)T = 61 C P = 1585.35 kPa = 1.58535 MPa = 1.6 MPa61 C 60 C Como la temperatura y presin del estado son muy cercanas a la temperatura y presin de saturacin, se podra considerar que el R-134a se encuentra como vapor saturado:

Temperatura (C)Presin (MPa)

601.6818

Tabla de vapor saturado de R-134

Estado .(Lquido comprimido liquido saturado)T = 50 CP = 1.6 MPaTemperatura (C)Presin (MPa)

501.3180

Tabla de R-134a saturadoP > P de saturacin, es liquido comprimido

El R-134a en este estado se encuentra como lquido comprimido y tendr propiedades termodinmicas de lquido saturado a 50 C.

Estado .(Vapor sobrecalentado)T = 49 C 50 CP = 0.33 MPa

P de saturacin > P, es vapor sobrecalentado

P (MPa)v hS

0.300.083816443.2341.87547

0.33???

0.400.061812441.7511.84868

Tabla de R-134 sobrecalentado a 50 C.

Balances

CompresorBalance de Masa:

Balance de Energa:

Para tener en cuenta: El sistemas se comporta en Estado permanente flujo estable . Despreciamos la energa cintica y potencial. Despreciamos el calor cedido por el compresor al ambiente debido a que este es relativamente pequeo

Medimos el voltaje e intensidad que se utiliza en el compresor y tenemos potencia aplicada al compresor.

Intensidad. Voltaje.

Calculamos el calor cedido por el compresor al ambiente:

CondensadorBalance de Masa:

Balance de Energa:

Para tener en cuenta El sistemas se comporta en Estado permanente flujo estable . Despreciamos la energa cintica y potencia. No realiza trabajo. La cada de presin es despreciable, la presin se mantiene constante.

Se calcular el calor por unidad de masa cedido por el condensador al ambiente.

Tubo capilarBalance de Masa:

Balance de Energa:

Para tener en cuenta El sistemas se comporta en Estado permanente flujo estable Despreciamos la energa cintica y potencia. No realiza trabajo.

Se calcular el calor por unidad de masa cedido por el tubo capilar al ambiente.

EvaporadorBalance de Masa:

Balance de Energa:

Para tener en cuenta El sistemas se comporta en Estado permanente flujo estable . Despreciamos la energa cintica y potencial. No realiza trabajo. La cada de presin es despreciable, la presin se mantiene constante.

= 27.31

CONCLUSIONES

Del trabajo realizado se puede concluir que es posible la realizacin de un ciclo con un tubo capilar en la seccin de estrangulamiento del sistema, con bajos costos y con gran rendimiento usando como referencia el ciclo ideal de compresin de vapor, adems tambin es posible conocer las propiedades termodinmicas del sistema en cada una de las corrientes de flujo de fluido de refrigerante y a su vez la cantidad de calor removida de una zona a otra por el trabajo realizado por el compresor al comprimir el refrigerante.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

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