LABORATORIO N5 EVALUACIN TERMODINMICA DE UN CICLO DE REFRIGERACIN

5.1. INTRODUCCIN

El objetivo de un ciclo de refrigeracin es llevar a cabo una transferencia calor desde un depsito de menor temperatura hacia un depsito de mayor temperatura. Para ello es necesario entregar potencia, que es suministrada por una fuente externa. Los ciclos de refrigeracin operan de manera inversa a como lo hace un ciclo de potencia. Los Ciclos de Refrigeracin tambin son denominados Bombas de Calor, en vista que transfieren calor desde un depsito fro a un depsito caliente. En la refrigeracin mecnica se obtiene un enfriamiento constante mediante la circulacin de un refrigerante en un circuito cerrado, donde se evapora y se vuelve a condensar en un ciclo continuo. Si no existen prdidas, el refrigerante sirve para toda la vida til del sistema. Todo lo que se necesita para mantener el enfriamiento es un suministro continuo de energa y un mtodo para disipar el calor. Los dos tipos principales de sistemas mecnicos de refrigeracin son el sistema de compresin, empleado en los refrigeradores domsticos grandes y en la mayora de los aparatos de aire acondicionado, y el sistema de absorcin, que en la actualidad se usa sobre todo en los acondicionadores de aire por calor, aunque en el pasado tambin se empleaba en refrigeradores domsticos por calor.

5.2. OBJETIVOS

5.2.1. Objetivo General Realizar un anlisis termodinmico (continuidad, 1ra Ley, 2da Ley), bajo diferentes condiciones, en un ciclo de refrigeracin por compresin.

5.2.2. Objetivos Especficos - Determinar las propiedades en cada estado - Realizar un anlisis energtico para todo el sistema componente de una Mquina Frigorfica. - Determinar el COP, bajo diferentes condiciones de trabajo. - Realizar un anlisis de segunda Ley.

5. 3. MARCO TERICO

La Refrigeracin, proceso por el que se reduce la temperatura de un espacio determinado y se mantiene esta temperatura baja con el fin, por ejemplo, de enfriar alimentos, conservar determinadas sustancias o conseguir un ambiente agradable. El almacenamiento refrigerado de alimentos perecederos, pieles, productos farmacuticos y otros se conoce como almacenamiento en fro. La refrigeracin evita el crecimiento de bacterias e impide algunas reacciones qumicas no deseadas que pueden tener lugar a temperatura ambiente.

El uso de hielo de origen natural o artificial como refrigerante estaba muy extendido hasta poco antes de la I Guerra Mundial, cuando aparecieron los refrigeradores mecnicos y elctricos. La eficacia del hielo como refrigerante es debida a que tiene una temperatura de fusin de 0 C y para fundirse tiene que absorber una cantidad de calor equivalente a 333,1 kJ/kg. La presencia de una sal en el hielo reduce en varios grados el punto de fusin del mismo. Los alimentos que se mantienen a esta temperatura o ligeramente por encima de ella pueden conservarse durante ms tiempo.

El dixido de carbono slido, conocido como hielo seco o nieve carbnica, tambin se usa como refrigerante. A la presin atmosfrica normal no tiene fase lquida, y sublima directamente de la fase slida a la gaseosa a una temperatura de -78,5 C. La nieve carbnica es eficaz para conservar productos a bajas temperaturas mientras dura su sublimacin.

Sistemas por compresin

TL Depsito Fro

Depsito Caliente TH

QL

QH

WS

Los sistemas de compresin emplean cuatro elementos en el ciclo de refrigeracin: compresor, condensador, vlvula de expansin y evaporador. En el evaporador, el refrigerante se evapora y absorbe calor del espacio que est enfriando y de su contenido. A continuacin, el vapor pasa a un compresor movido por un motor que incrementa su presin, lo que aumenta su temperatura El gas sobrecalentado a alta presin se transforma posteriormente en lquido en un condensador refrigerado por aire o agua. Despus del condensador, el lquido pasa por una vlvula de expansin, donde su presin y temperatura se reducen hasta alcanzar las condiciones que existen en el evaporador.

Evaporador: mezcla lquidovapor es vaporizada reversible e isotrmicamente (TL), de manera de aumentar la calidad del vapor.

L12L QHHH == El calor absorbido en el evaporador corresponder a la energa desde el cuerpo que se desea enfriar hacia el fluido refrigerante.

Compresor: compresin reversible y adiabtica de la mezcla lquidovapor, hasta la condicin final de vapor saturado.

SC23C WHHH ==

Condensador: vapor saturado ingresa al condensador, donde reversible e isotrmicamente (TH), se transforma en lquido saturado.

H34H QHHH ==

Expansor: expansin reversible y adiabtica del lquido saturado. Condicin final corresponde a una mezcla lquidovapor.

SE41E WHHH == Cuidado puede ser isoentlpico ! El trabajo de eje neto obtenido del ciclo: Neto E CS S SW W W= + Balance de energa para el ciclo (reversible): E CS S H LH W W Q Q 0 = + + + =

Balance de entropa para el ciclo (reversible): 0SS LH =+

Coeficiente de Operacin: CoP

CoP = Cantidad de calor retirado / Trabajo de eje Neto

LNeto

S

QCoPW

=

Refrigerantes Para cada refrigerante existe una temperatura especfica de vaporizacin asociada con cada presin, por lo que basta controlar la presin del evaporador para obtener la temperatura deseada. En el condensador existe una relacin similar entre la presin y la temperatura. Durante muchos aos, uno de los refrigerantes ms utilizados fue el diclorodifluorometano, conocido como refrigerante-12. Este compuesto clorofluorocarbonado (CFC) sinttico se transformaba en vapor a -6,7 C a una presin de 246,2 kPa (kilopascales), y despus de comprimirse a 909,2 kPa se condensaba a 37,8 C. En los refrigeradores pequeos empleados en las viviendas para almacenar comida, el calor del condensador se disipa a la habitacin donde se sita. En los acondicionadores de aire, el calor del condensador debe disiparse al exterior o directamente al agua de refrigeracin.

En un sistema domstico de refrigeracin, el evaporador siempre se sita en un espacio aislado trmicamente. A veces, este espacio constituye todo el refrigerador. El compresor suele tener una capacidad excesiva, de forma que si funcionara continuamente producira temperaturas ms bajas de las deseadas. Para mantener el refrigerador a la temperatura adecuada, el motor que impulsa el compresor est controlado por un termostato o regulador.

Los congeladores para alimentos ultracongelados son similares a los anteriores, slo que su compresor y motor tienen que tener la potencia y tamao suficientes para manejar un mayor volumen de refrigerante con una presin menor en el evaporador. Por ejemplo, para mantener una temperatura de -23,3 C con refrigerante-12 se necesitara una presin de 132,3 kPa en el evaporador.

El refrigerante-12 y otros dos CFC, el refrigerante-11 y el refrigerante-22, eran los principales compuestos empleados en los sistemas de enfriamiento y aislamiento de los refrigeradores domsticos. Sin embargo, se ha descubierto que los CFC suponen una grave amenaza para el medio ambiente del planeta por su papel en la destruccin de la capa de ozono. Segn el Protocolo de Montreal la fabricacin de CFC deba finalizar al final de 1995. Los hidroclorofluorocarbonos, HCFC, y el metilbromuro no daan la capa de ozono pero producen gases de efecto invernadero. Los HCFC se retirarn en el 2015 y el consumo de metilbromuro se limitar en un 25% en 1998. La industria de la refrigeracin debera adoptar rpidamente otros compuestos alternativos no perjudiciales, como el metilcloroformo.

5.4. DESARROLLO

5.4.1. Inicio: Desarrollo de actividad terica explicativa de metodologas, equipos e instrumentos a utilizar

5.4.2 Procedimientos: Conformacin de grupos de trabajo de 3 o 4 personas cada uno. . Todo miembro del grupo debe realizar a lo menos una medicin.

5.4.3 Actividades: Actividad n1. Se debe encender el equipo de refrigeracin considerando:

- Abrir vlvulas de flujo del sistema. - Mediante una vlvula regulas el flujo de refrigerante segn el rotmetro. - Esperar que alcance un rgimen estacionario. - Realizar las mediciones correspondientes en cada punto del ciclo. - Realice mediciones de temperatura en el ambiente del evaporador y condensador para posterior

comparacin de con el ciclo de Carnot. Actividad n2. Repetir la actividad n1, con diferente flujo de refrigerante, segn regulacin vlvula y rotmetro. Esto debe realizar a lo menos con tres flujos distintos.

5.4.4. Equipos

Equipos de proceso - Equipo de refrigeracin

Instrumento de Medicin - Manmetros - Termocuplas - Termmetros - Rotmetro

5.5 RESULTADOS:

DEBEN SER ENTREGADOS EN UN INFORME FINAL CON LAS CARACTERSTICAS QUE SE INDICAN EN DOCUMENTO DE PRESENTACIN DE INFORMES DE TERMODINMICA.