INTRODUCCIÓN En nuestro día a día usamos muchos equipos que dependen de la termodinámica como base de operación, uno de estos son los refrigeradores, muy usados a nivel doméstico y también en la industria, por lo que se hace de gran importancia conocer los parámetros relacionados con el ciclo termodinámico de estas máquinas. En esta práctica veremos en funcionamiento un ciclo de refrigeración, en donde se medirán propiedades como la temperatura temp eratura y la presión, que luego lue go serán utilizadas para definir el estado del refrigerante (se usara R-22) para poder realizar los calculos ne cesarios. Regularmente los refrigeradores, como toda máquina, en algún momento fallan, debido a que alguno de los equipos en el ciclo, falla. Lo más común, es que falle por alta presión o por baja presión, dichos inconvenientes serán expuestas en esta práctica, con el propósito de definir en el diagrama termodinámico el porqué del problema.
OBJETIVOS General
Estudiar los parámetros relacionados en el ciclo termodinámico de refrigeración y las fallas más comunes, utilizando como fluido el refrigerante R-22.
Específicos
Definir el estado termodinámico en la entrada de cada equipo. Calcular las variables involucradas en el ciclo de refrigeración, como lo son el calor y el trabajo específico, la eficiencia y el coeficiente de operación. Comparar el Coeficiente de operación entre un ciclo ideal y el real.
RESUMEN En esta práctica de laboratorio se realizaran mediciones de Temperatura y Presión en un ciclo de refrigeración que consta de 4 quipos: un evaporador, un condensador, un compresor y una válvula de expansión. El fluido de refrigeración que se usara será el refrigerante R-22, asi que para definir el estado termodinámico en cada punto del ciclo, se fijan 4 puntos, uno en la entrada de cada equipo, se mide la temperatura con un termómetro y la presión con un barómetro. La medición se realizó comenzando desde la entrada del compresor el cual le aumenta la presión al fluido (isentropicamente de forma ideal), luego a la entrada del condensador se miden las mismas propiedades (P y T), y como el condensador baja la temperatura de un fluido a una presión constante, la presión de entrada en la válvula de expansión se mantiene igual, y en su salida se mide una temperatura más baja aun, que luego de entrar al evaporador aumenta, debido a que para entrar al compresor el fluido debe ser sobrecalentado. Con todo esto se logra definir el ciclo de refrigeración. Con los datos experimentales tomados se realiza un estudio completo del ciclo y se obtiene la eficiencia del compresor y el coeficiente de operación del refrigerador. Al Finalizar las mediciones de presiones y temperaturas en los 4 puntos, se hace fallar el ciclo, primero se desconecta el evaporador, lo cual lo hace fallar por baja presión, luego se mide la presión y la temperatura en la entrada y la salida de la válvula. Cuando se desconecta el condensador el ciclo falla por alta presión, sin embargo no se logra medir la presión y la temperatura en el compresor, debido a que falla y se apaga antes.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Se enciende el ciclo de refrigeración y se espera 20 minutos para que entre en régimen permanente Se mide la Temperatura y la presión en la entrada del compresor. Se mide la Temperatura y la presión en la entrada del condensador. Se mide la Temperatura y la presión en la entrada de la válvula de expansión. Se mide la Temperatura y la presión en la entrada del evaporador. Se desconecta el evaporador para hacer que falle el ciclo por baja presión. Se mide la Temperatura y la presión en la entrada y la salida de la válvula de expansión, justo en el momento de la falla 8. Se deja reposar la maquina por 15 minutos, se vuelve a encender y se espera a que entre en régimen permanente de nuevo. 9. Se desconecta el condensador para hacer que falle el ciclo por alta presión. 10. No se logra realizar la medición de esta falla debido a que el compresor se apaga antes de lo esperado.
MARCO TEÓRICO Diagrama ilustrativo del proceso 1
4 n
Evaporador ói s n a
r e
er
o p
s x
p e d
m al u
o C
Condensador vl a V
3
2 Diagrama Termodinámico Ideal
¿Qué sucede cuando se apaga el evaporador? Se puede observar en el diagrama termodinámico que si se apaga el evaporador la válvula de expansión seguiría enfriando isoentálpicamente el fluido por lo que en algún momento el fluido estará tan frío que empezara a congelar la tubería, y esto es lo que hace fallar al sistema.
¿Qué sucede cuando se apaga el condensador? Al apagar el condensador se observa claramente en el diagrama termodinámico que el compresor seguiría aumentando la presión del fluido, por lo que en algún momento la tubería podría fallar por fluencia (exceso de presión, esfuerzos normales dentro del tubo).
DATOS EXPERIMENTALES Estado h [kJ/kg] s [kJ/kg-K] T [°C] P [Mpa] P [bar] 1i 253,423 0,9129 0,6807 6,807 1 264,791 0,95206 25 0,6807 6,807 2 286,56 70,2 1,655 16,55 2s 288,56 0,95206 1,655 16,55 2i 275,322 0,9129 1,655 16,55 3i 98,44 1,655 16,55 3 90,0659 36,8 1,655 16,55 4 90,0659 10 0,6807 6,807 Tabla N°1- Valores experimentales necesarios para realizar los cálculos. Nota: Aunque el valor de
= = 0,54 (dato experimental), en los análisis de resultados se ex plicara porque se tomó el valor de 0,6807 Mpa
V [m/s] A [m2] 6 0,046 TablaN°2- Velocidad del aire y área a la salida del evaporador.
ECUACIONES Balance de masa:
∑ ṁ = ∑ ṁ
Ec.1
Balance de energía:
= ∑ ṁℎ ∑ ṁℎ Eficiencia isentrópica del compresor:
Ec.2
ᶯ = −−
Ec.3
Coeficiente de rendimiento del refrigerador:
Ideal
= −−
Ec.4
Real
= − −
Ec.5
CALCULOS Balance de masas:
ṁ = ṁ = ṁ = ṁ = ṁ 1ra Ley para cada uno de los equipos: Para el compresor (Q = 0):
̇ = ṁℎ ṁℎ = ṁ(ℎ ℎ)
̇ = 0):
Para el condensador (
Q = ṁℎ ṁℎ = ṁ(ℎ ℎ)
̇ = 0):
Para el evaporador (
Q = ṁℎ ṁℎ = ṁ(ℎ ℎ)
̇ = 0, Q = 0): 0 = ṁℎ ṁℎ → ℎ = ℎ
Para la válvula de expansión (
Definiendo estados:
Estado 2 (vapor sobrecalentado):
= 70,2 °
= 1,655
;
ℎ = 286,56 (interpolado de la tabla A.4.2SI)
Estado 3 (Líquido comprimido):
= 36,8 ° tabla A.4.1SI)
;
;
= 1,655
; Como
> → ℎ ≅ ℎ = 90,0659 (interpolado de la
Estado 4 (estado de saturado, dentro del domo):
= 10 °
;
= 0,6807
;
ℎ = ℎ = 90,0659
Estado 1 (Vapor sobrecalentado):
= 25 °
;
= 0,6807
tabla A.4.2SI)
;
(valores interpolados de la ℎ = 264,791 ; = 0,95206 .
= ): ; ℎ = 288,56 (interpolado de la tabla A.4.2SI) = = 1,655 ; = 0,95206 .
Estado 2s (Vapor sobrecalentado con
Estado 3i (estado ideal, Líquido saturado con calidad = 0):
= 43,1 ° ; = = 1,655 ; ℎ = ℎ = 98,44
Estado 1i (estado ideal, Vapor saturado con calidad = 1):
= = 0,6807 ; ℎ = ℎ = 253,423 ; = 0,9129 . Estado 2i (estado ideal, = ): = = 1,655 ; ℎ = 275,322 ; = 0,9129 .
Eficiencia adiabática del compresor: de la ecuación 3:
−264,791 = 1,09 ᶯ = −− = 288,56 286,56−264,791
Calores específicos:
q = (ℎ ℎ) = 264,79190,0659 = 174,725 q = (ℎ ℎ) = 253,42390,0659 = 163,357 q = (ℎ ℎ) = 90,0659 286,56 = 196,494 q = (ℎ ℎ) = 98,44275,322 = 176,882 Trabajo específico del compresor:
= (ℎ ℎ) = 264,791286,56 = 21,769 = (ℎ ℎ ) = 253,423275,322 = 21,889 Coeficiente de operación:
De la ecuación 4 y 5 se obtiene:
90,0659 = 7,46 = ℎℎ ℎℎ = 253,423 275,322 253,423 90,0659 = 8,03 = ℎℎ ℎℎ = 264,791 286,56 264,791 RESULTADOS
Punto Presión [Mpa] Temperatura [°C] 0,206
3
7
0,275 -10 Tabla N°3- Valores encontrados a partir de las fallas generadas (al quitar el evaporador). 4
qL qh wc COP ᶯ
c
Real
Ideal
174,725
163,357
-196,494
-176,882
-21,769
-21,899
8,03
7,46
Unidad kJ/kg
1,09
Tabla N°4- Valores encontrados a partir de las e cuaciones teóricas.
DIAGRAMA T-s DEL CICLO
ANÁLISIS DE RESULTADOS En el gráfico T-s se puede observar, que en el ciclo real el refrigerante se sobre calienta un poco a la entrada del compresor y se subenfría a la salida del condensador, además, a diferencia del ciclo ideal, la compresión no es isentrópica. Por otro lado, no se pudo calcular el flujo másico del refrigerante en el sistema, puesto que no se tenía suficiente información para ello. La velocidad y área a la salida del evaporador obtenidas en la práctica corresponden al flujo del aire que se usa como medio para el intercambio de calor con el refrigerante, por lo que no podemos usar estos valores para calcular el flujo másico del refrigerante; en todo caso, con estos datos lo que podríamos haber calculado es el flujo másico del aire que atraviesa el evaporador, pero ya que no se midieron la temperatura y presión ambiente del laboratorio que permitieran encontrar la densidad del aire considerándolo como gas ideal, no se pudo usar la ecuación que relaciona el flujo másico con el caudal debido al desconocimiento de dicha densidad, por esta razón se calcularon los calores y el trabajo por unidad de masa, teniendo en cuenta que la presión leída en 4 no coincide con la Psat a T4, cuando debería ser así, por ello se usó la presión de saturación a 10°C y no la experimental (0,54 Mpa). Desconociendo el flujo másico de refrigerante, pero suponiendo que es el mismo tanto para el ciclo real como para el ideal, al estudiar el valor de , se observa que la tasa de eliminación de calor del espacio refrigerado (en este caso aire) aumenta en un 6,5% para el ciclo real, pero la entrada de potencia al compresor para este caso, disminuye en 0,6%, lo cual es incorrecto dado que el área bajo la curva aumenta (diagrama T-s). Así mismo, para el ciclo real se obtiene una eficiencia isentrópica en el compresor mayor a la unidad, lo cual según la teoría no es posible; en este sentido, se observa que la entalpia en es mayor a la entalpía en 2, cuando debería ser al contrario. Una vez definidos los estados, fue posible también, calcular el coeficiente de rendimiento del refrigerador para ambos ciclos (real e ideal), observándose que el mismo aumenta en 7% para el caso real con respecto al ideal; así, para el caso real se logran 8,03kW de potencia de refrigeración por cada kW de potencia consumida por el compresor.
2
Para lograr las fallas más comunes que ocurren en este ciclo, se apagó el evaporador, dando como resultado una caída de la temperatura y presión tanto a la salida del condensador como a la entrada del evaporador (ver tabla N°3); esto conduce a una falla denominada “falla por baja presión”; de igual manera se apagó el condensador, y aunque por ciertos inconvenientes que se presentaron con el compresor, no se pudieron medir los valores de presión y temperatura para este caso, por lo que el preparador explico, el hecho conduce a una falla por alta presión, lo cual produciría un gran aumento de la temperatura en los puntos 1 y 2. Cabe destacar que lo expuesto anteriormente, deja en evidencia la presencia de errores, y dado que los cálculos fueron realizados cuidadosamente sin errores aparentes, se concluye que estos errores provienen de lecturas experimentales mal realizadas en el laboratorio.
CONCLUSIONES Se estudiaron los parámetros involucrados en el funcionamiento de un ciclo de refrigeración por compresión cuyo fluido de trabajo es el refrigerante R-22, al mismo tiempo que se identificaron los diferentes componentes de la máquina refrigerante que da lugar a dicho ciclo. De igual manera, se estudiaron fallas comunes como la “falla por alta presión” y la “falla por baja presión”, con lo que se pudo observar que para la primera falla citada, las temperaturas y presiones se elevan considerablemente, mientras que para la segunda falla sucede todo lo contrario, la presión y la temperatura caen abruptamente. Por otro lado, a partir de la definición de los diferentes estados termodinámicos que conforman el ciclo, fue posible calcular los calores específicos y el trabajo de entrada al compresor, así como la eficiencia isentrópica de dicho compresor y los coeficientes de operación del refrigerador, con lo cual finalmente se establecieron comparaciones entre el comportamiento real e ideal del ciclo.