Ciclo de refrigeración. 1 Introducción Un ciclo de refrigeración inicia con un fluido de trabajo el cual es comprimido hasta alcanzar un nivel superior de temperatura dado, posteriormente el fluido se enfría al ceder energía calorífica a un reservorio de alta temperatura, generalmente el ambiente, por lo cual se condensa, luego experimenta una expansión durante la cual arriba a la zona de dos fases, por último el fluido de trabajo se evapora, con lo cual retira calor de un reservorio de baja temperatura y completa la función del refrigerante. En la refrigeración, la obtención de frío depende del trabajo que se suministra al sistema y por lo tanto implica un consumo de energía y esta a su vez representa costos. El estudio energético y exergético, permite analizar la disponibilidad de la energía y las irreversibilidades del sistema en cada proceso. Con lo anterior, se pueden localizar los procesos en donde existe mayor destrucción de exergía y en qué grado, y de la misma manera si algún elemento del sistema necesita mantenimiento o reemplazo.
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Ciclo de refrigeración.
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Introducción
Un ciclo de refrigeración inicia con un fluido de trabajo el cual es comprimido hasta alcanzar un nivel superior de temperatura dado, posteriormente el fluido se enfría al ceder energía calorífica a un reservorio de alta temperatura, generalmente el ambiente, por lo cual se condensa, luego experimenta una expansión durante la cual arriba a la zona de dos fases, por último el fluido de trabajo se evapora, con lo cual retira calor de un reservorio de baja temperatura y completa la función del refrigerante. En la refrigeración, la obtención de frío depende del trabajo que se suministra al sistema y por lo tanto implica un consumo de energía y esta a su vez representa costos. El estudio energético y exergético, permite analizar la disponibilidad de la energía y las irreversibilidades del sistema en cada proceso. Con lo anterior, se pueden localizar los procesos en donde existe mayor destrucción de exergía y en qué grado, y de la misma manera si algún elemento del sistema necesita mantenimiento o reemplazo.
Ciclo de refrigeración.
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Resumen
En el presente trabajo se presenta la teoría básica sobre el tema de refrigeración por compresión de vapor, los procesos y etapas del ciclo como lo son la Compresión isentrópica en un compresor, rechazo de calor a presión constante en un condensador, estrangulamiento en un dispositivo de expansión, en este caso una válvula de expansión, absorción de calor a presión constante en un evaporador. Los elementos que integran el equipo de refrigeración, antes ya mencionados, son presentados en un esquema general para dar más detalle de su acoplamiento. Se realiza un análisis exergético y energético en ciclos de refrigeración por compresión de vapor usando el refrigerante Freón-12, se consideran las caídas de presión en el evaporador y condensador y se cuantifican las irreversibilidades del sistema de refrigeración por compresión de vapor, tanto para el ciclo real como para el ciclo ideal. Luego se analizan los datos del procedimiento, los cuales se muestran en tablas para una mejor comprensión y se hacen las conclusiones respectivas.
Ciclo de refrigeración.
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Objetivo
Usando el refrigerante Freón-12 (R12), aplicar el análisis termodinámico exergético y energético
a un ciclo de refrigeración real y a uno ideal para encontrar las irreversibilidades en cada proceso
Ciclo de refrigeración.
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Desarrollo
1 – Definición del problema e hipótesis
1.1- Teoría básica
Fig. 1 -Ciclo ideal de refrigeración Fig. 2 - Ciclo real de refrigeración
El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el que más se utiliza en refrigeradores,
sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor, este se compone de cuatro
componentes básico:
1-2 Compresión isentrópica en un compresor
2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador
3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión
4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador
Proceso 1-2
El refrigerante entra al compresor como vapor saturado y se comprime isentrópicamente hasta
alcanzar la temperatura del condensador, la temperatura del refrigerante aumenta mediante este
proceso hasta una temperatura muy encima de la temperatura ambiente.
Proceso 2-3
Ciclo de refrigeración.
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El refrigerante entra al condensador como vapor sobrecalentado y sale como liquido saturado,
como resultado el refrigerante rechaza calor al ambiente pero su temperatura aun se mantiene
por encima de la temperatura ambiente, este proceso se da a presión constante.
Proceso 3-4
El refrigerante como liquido saturado se estrangula hasta la temperatura del evaporador al pasarlo
por la válvula de expansión, aquí la temperatura desciende por debajo de la temperatura
ambiente
Proceso 4-1
El refrigerante entra al evaporador como vapor húmedo de baja calidad y se evapora por
completo, absorbiendo calor del espacio refrigerado, sale del compresor como vapor saturado y
vuelve a entrar al compresor, de manera que el ciclo se repite nuevamente.
Fig.3 diagrama presión entalpia para el proceso ideal
1.2 - Definición del problema
1.2.1 Planteamiento del problema
Se sabe que un ciclo ideal difiere de uno real debido a las irreversibilidades presentes en este
último, por tanto se espera que al comparar los procesos ideales y reales estos valores serán
distintos.
Ciclo de refrigeración.
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1.2.2 Hipótesis
Los valores de las irreversibilidades en el ciclo ideal serán menores que en el ciclo real
1.2.3- Precisión requerida
Las presiones utilizadas se leerán hasta los enteros (en las conversiones a pascales se usan
decimales) y las temperaturas hasta las cifras decimales. Se considera que los instrumentos
utilizados no arrogan lecturas confiables debido a su larga vida de uso y al mantenimiento que se
les ha dado, por tanto es posible esperar datos muy alejados del ciclo ideal.
1.2.4- Aproximaciones por introducir
Suposiciones:
No se tienen caídas de presión en el evaporador y en el condensador (cambio de fase a
temperatura constante).
En el compresor, no se tiene intercambio de calor, entre el refrigerante y el medio
ambiente (adiabático).
En la válvula de expansión, no se tiene intercambio de calor, debido a que la superficie
expuesta al ambiente es muy pequeña (adiabático).
2 - Procedimiento Experimental
2.1- Equipo
El equipo a utilizar son los componentes del ciclo ideal de refrigeración, un compresor, una válvula
de estrangulamiento, un condensador, un evaporador, una serie de manómetros y un termómetro
digital.
2.2- Acoplamiento El sistema fue montado sobre un mueble de madera diseñado especialmente durante un trabajo
de graduación (de aproximadamente 25 años) para ejemplificar el ciclo de refrigeración, el
Ciclo de refrigeración.
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sistema mismo posee acoplado una serie de manómetros en la entrada y salida de cada
dispositivo.
2.3 -Pasos del procedimiento experimental
1-Verificar las conexiones entre dispositivos
2-Verificar las conexiones eléctricas del sistema
3- Asignación de los puntos de verificación de datos en el sistema.
4- Mediciones de verificación en cada manómetro del sistema.
5-Encender el equipo
6-Realizar mediciones de temperatura y presión en la entrada y salida de cada dispositivo, los
datos son registrados en la tabla 1
Tabla 1. Datos experimentales
PUNTO T (°C) P (Kpa)
1
2
3
4
5
6
7-Con los datos obtenidos encontrar la entropía especifica (𝑠1) en tablas del refrigerante R-12
(CCL2F2) y su respetiva entalpía especifica (h) para la entrada de cada dispositivo, con la presión en
la salida y 𝑠2= 𝑠1 encontrar 2𝑠.
8-Aplicar la primera ley de la Termodinámica para cada dispositivo tanto isentrópicamente, como
con los datos reales.
9-Encontrar el coeficiente de operación (COP) y la eficiencia del compresor.
10- Comparar, analizar y sacar conclusiones de los resultados entre los ciclos ideal y real.
Ciclo de refrigeración.
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2.4 -Esquema Fig.4- Esquema general del sistema de refrigeración usado
3- Resultados
3.1 -Tabla de datos y resultados
Tabla.2 MEDICIONES EN EL LABORATORIO (ya ajustadas)
PUNTO T (°C) P (Kpa)
1 28.5 177
2 60 749
3 47.5 722
4 28 709
5 ---- 294
6 24.3 211
Tabla.3 RESUMEN DE DATOS PARA CADA PUNTO DEL PROCESO IDEAL
PUNTO T (°C) P (Kpa) P (bares) h (KJ/Kg) Isentrópica s (KJ/Kg.K)