MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN HYSYS SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
I.
OBJETIVOS Identificar y analizar las consideraciones, ecuaciones y coherencia del modelo en el sistema de refrigeración. Identificar y aplicar simuladores térmicos en sistemas de refrigeración. Analizar y evaluar el sistema de refrigeración para las variables de entrada. Graficar y analizar los resultados para las variables a determinar del sistema de refrigeración.
II.
ANTECEDENTES HYSYS es un software desarrollado por la empresa AspenTech, del cual tanto ENAP Magallanes como el Departamento de Química de la Universidad de Magallanes posee licencia de uso para su versión 3.2, en estado estacionario. HYSYS se ha mantenido durante 20 años como la alternativa líder en simulaciones relacionadas con la industria petroquímica, y en ENAP se utilizan a diario simulaciones creadas
por los ingenieros de procesos, para estimar
soluciones y planificar futuros proyectos. HYSYS es un programa de simulación de procesos químicos orientado a objetos. Posee un aspecto visual característico y trabaja sobre sistemas operativos Windows. Permite modelar sistemas complejos mediante una avanzada interfaz gráfica, que ofrece al usuario la posibilidad de armar el flowsheet de planta en una ventana llamada PFD, Process Flowsheet Diagram. Posteriormente ingresando los datos necesarios (presiones, temperaturas, composiciones, flujos y especificaciones técnicas de equipos, básicamente), se puede simular el sistema real y obtener los resultados o estimaciones adecuadas. III.
MARCO TEÓRICO REFRIGERACIÓN:
La refrigeración es un proceso que consiste en bajar o mantener el nivel de calor de un cuerpo o un espacio. Considerando que realmente el frío no existe y que debe hablarse de mayor o menor cantidad de calor o de mayor o menor nivel térmico (nivel que se mide con la temperatura), refrigerar es un proceso termodinámico en el que se extrae calor del objeto considerado (reduciendo su nivel térmico), y se lleva a otro lugar capaz de admitir esa energía térmica sin problemas o con muy pocos problemas. Las aplicaciones de refrigeración son entre muchas: La climatización de espacios habitados, para alcanzar un grado de confort térmico adecuado para la habitabilidad de un edificio. La conservación de alimentos, medicamentos u otros productos que se degraden con el calor. Como por ejemplo la producción de hielo o nieve, la mejor conservación de órganos en medicina o el transporte de alimentos perecederos. Los procesos
industriales que
requieren
reducir
la
temperatura
de
maquinarias o materiales para su correcto desarrollo. Algunos ejemplos son el mecanizado, la fabricación de plásticos, la producción de energía nuclear. La criogénesis o enfriamiento a muy bajas temperaturas empleada para licuar algunos gases o para algunas investigaciones científicas. Motores de combustión interna: en la zona de las paredes de los cilindros y en las culatas de los motores se producen temperaturas muy altas que es necesario refrigerar mediante un circuito cerrado donde una bomba envía el líquido refrigerante a las galerías que hay en el bloque motor y la culata y de allí pasa un radiador de enfriamiento y un depósito de compensación. El líquido refrigerante que se utiliza es agua destilada con unos aditivos que rebajan sensiblemente el punto de congelación para preservar al motor de sufrir averías cuando se producen temperaturas bajo cero. El modo más utilizado para el enfriamiento artificial de espacios cerrados, se consigue mediante los métodos de compresión y de absorción. Tipos de ciclos de refrigeración:
CICLO IDEAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN En este ciclo de refrigeración el refrigerante se evapora y se condensa, comprimiéndolo, alternativamente para luego volver a la fase de vapor. Está compuesto por 4 procesos:
Compresión isoentrópica en un compresor.
Disipación de calor a presión constante en un condensador.
Estrangulamiento en un dispositivo de expansión y consiguiente evaporación.
Absorción de calor a presión constante en un evaporador.
CICLO REAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR El proceso de compresión real incluye efectos de fricción, los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor lo cual puede aumentar o disminuir la entropía dependiendo de la reacción. SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN EN CASCADA Un ciclo de refrigeración en cascada consiste en efectuar el proceso de refrigeración por etapas, es decir, dos o más ciclos de refrigeración que operan en serie. En un ciclo de refrigeración de dos etapas, los ciclos se conectan por medio de un intercambiador de calor en medio, el cual sirve como evaporador para el ciclo superior y como condensador en el ciclo inferior.
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE MÚLTIPLES ETAPAS Cuando el fluido utilizado por todo el sistema de refrigeración en cascada es el mismo, el intercambiador de calor se puede sustituir por una cámara de mezclado puesto que tiene las mejores características de transferencia de calor.
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN
Cuando se tiene una fuente de energía térmica barata a unas temperaturas entre 80 y 200 °C es la refrigeración por absorción. El principio de funcionamiento es semejante al ciclo de compresión: el refrigerante absorbe calor al evaporarse y después se condensa para recomenzar el ciclo, pero la diferencia estriba en que en vez de un compresor, como su nombre indica, en estos sistemas de refrigeración el ciclo se cierra mediante la absorción del refrigerante por un medio de transporte (o absorbente) y posterior separación de la disolución por medio del calor para recomenzar el ciclo. Los ciclos de refrigeración por absorción frecuentes son:
amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH3) sirve como refrigerante y el agua (H2O) es el absorbente.
agua-bromuro de litio, donde el agua (H2O) sirve como refrigerante y el bromuro de litio (LiBr) como absorbente, siendo este sistema el que mejores rendimientos tiene, aunque tiene el inconveniente de que no puede funcionar a menos de 0 °C (temperatura de congelación del agua, el refrigerante), lo que no obsta para los sistemas de refrigeración de espacios habitados.
IV.
ELEMENTOS A UTILIZAR
V.
01 computadora personal 01 sistema operativo Windows Xp (mínimo). 01 simulador Aspen Hysys 01 multímetro digital con sonda de temperatura 01 banco sistema de refrigeración
PROCEDIMIENTO V.1.
Modelamiento en sistema de refrigeración 1. Describa el proceso: La refrigeración es un proceso, en el que se realiza un trabajo, con el fin de mover el calor de una locación y transferirlo a otra. La refrigeración puede ser usada en muchas aplicaciones como en neveras para hogares, refrigeradores industriales, soluciones de criogenia, sistemas de aire acondicionado, etc. 2. Consideraciones:
El aire de operación es a temperatura ambiente. La cámara del evaporador es pequeña, por ende opera con pequeño flujo de aire.
3. Ecuaciones:
Descripción
Ecuación
V.2. Análisis de las variables de entrada en sistema de refrigeración: 1. Toma de datos de la placa del compresor: Motor compresor Tipo Eficiencia (%) Factor de potencia (A) Refrigerante
Reciproco 0.90 0.85 R-134 a
2. Configura el multímetro en voltímetro AC y la pinza amperimétrica en amperímetro de AC, y realiza las mediciones al compresor: Motor compresor Voltaje de la línea red Intensidad de corriente
(V) (A)
224 V 0.797
3. Calcula la potencia en Hp del motor compresor: Motor compresor Potencia (hp)
178 Kw
4. Tome las especificaciones de la tubería capilar (valvula): Entrada a válvula Fracción de vapor Temperatura entrada
(ºC)
Freón 0 35 ºC
Fracción molar
1
5. Tome las especificaciones del evaporador: Entrada al evaporador Caída de presión (psi)
Freón 3 psi
Salida del evaporador Fracción de vapor Temperatura salida (ºF)
Freón 1 0.4 ºC
6. Tome las especificaciones del compresor: Entrada al compresor Presión entrada
(Psi)
Freón 1341 Psi
7. Tome las especificaciones del condensador: Salida al condensador Caída de presión
(Psi)
Freón 2 Psi
V.3. Equipos del sistema de refrigeración V.3.1. Válvula, evaporador, compresor y enfriador 1. Defina el sistema de unidades (ingles), lista de componentes y paquete de fluidos a utilizar en la simulación. Se trabaja con el sistema internacional. Las fluidos que operan en este sistema de simulación son el refrigerante R134a y el fluido refrigerado como el aire. 2. Agrega una corriente de entrada 1, y especifica sus condiciones. Fracción de vapor Temperatura Composición fracción molar 3. Agrega una corriente de salida 2. 4. Agrega una válvula, especifica las conexiones de corriente de entrada 1 y corriente de salida 2.
5. Agrega una corriente 3 y una corriente de energía Q. 6. Agrega un evaporador, especifica las conexiones de corriente de entrada 2, corriente de salida 3, y corriente de energía. Defina parámetros: Caída de presión Ingresa a la ficha worksheet y define en la corriente salida 3: Fracción vapor Temperatura salida
7. Insertamos una corriente de salida 4: 8. Agrega un compresor, especifica las conexiones de corriente de entrada 3, corriente de salida 4, y corriente de energía Q. define parámetros: Ingresa a la ficha worksheet y define en la corriente salida 4: Potencia Presión de salida (no definir ) ps
9. Agrega un enfriador (cooler), especifica las conexiones de corriente de entrada 4, corriente de salida 1, y corriente de energía Q. define parámetros: Caída de presión
10. Ingresa a la ficha performance y en plots observa la gráfica presión temperatura. 11. En el workbook observa los niveles de presión y flujo de refrigerante calculados por HYSYS, así como el resto de las propiedades que definen completamente el caso simulado. VI.
CUESTIONARIO 1. Identifique las discrepancias que ha tenido en el laboratorio y explique las causas de dichas discrepancias. Hubo confusiones cuando se armó el sistema, más que nada por un sentido de orientación, ya que el lugar de los equipos en las gráficas habían sido movidas, esto dificulto identificar el sentido del fluido refrigerante
Se desconocía la cantidad de aire de recirculación para el condensador, esto dificulto el seguir con la simulación.
2. Describa las aplicaciones prácticas del método propuesto en el experimento.
VII.
La climatización de espacios habitados La conservación de alimentos, medicamentos u otros productos que se
degraden con el calor. Los procesos industriales que requieren reducir la temperatura de
maquinarias o materiales para su correcto desarrollo. La criogénesis o enfriamiento a muy bajas temperaturas empleada para
licuar algunos gases o para algunas investigaciones científicas. Motores de combustión interna Máquinas-herramientas: Aparatos electrónicos
ANALISIS Y DISCUCIONES Los datos obtenidos en las mediciones no son exactas, ya que los instrumentos presentan mucho margen de error de medición, El estado de un equipo determina el nivel de precisión en las mediciones y el nivel de exactitud en los cálculos. Los cálculos hechos fueron realizados solo para un tipo de fluido; sin embargo, la metodología seguida es igual para cualquier otro tipo de fluido de trabajo. Cuando se procedió a hacer las medidas de presión, se encontró un manómetro defectuoso, por lo cual se tuvo que trabajar con el valor leído, aun cuando este no sea el verdadero.
VIII.
CONCLUSIONES Consideramos una temperatura de ingreso del aire a nivel ambiente, lo cual se verifico en el sistema real que así era, además la cámara donde se encontraba el evaporador era de un volumen pequeño como el sistema estudiado. Las consideraciones reales dadas, también se incluyeron dentro del proceso de simulación, con el fin de delimitar más el proceso y hacerlo más real. El simulador utilizado fue el Aspen Hysys, en el cual se pudo hacer la simulación con exito.
Las variables de entradas fueron valores reales medidos de un sistema de refrigeración del laboratorio, con lo cual al momento de simular, nos permitirá contrastar el grado de diferencia entre un proceso ideal y real. Los datos obtenidos fueron tabulados en las tablas presentadas respectivamente IX.
EFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Luis Emilio Villegas Vivar. 2007. [En línea] 4 de 12 de 2012. [Citado el: 10 Octubre de 2014.] http://www.unicrom.com/ Simulación en HYSYS de los Procesos Productivos ENAP MAGALLANES.asp.
