Trabajo de Maquinas Termicas Refrigerador Domestico

5/26/2018 Trabajo de Maquinas Termicas Refrigerador Domestico

UNIVERSIDAD DE LA SERENA

FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA

Trabajo de mquinastrmicas

Tema: Refrigerador domstico

Resumen

Una de las principales reas de aplicacin de la termodinmica es la refrigeracin, que es la

transferencia de calor de una regin de temperatura inferior hacia una temperatura superior.

Los dispositivos que producen la refrigeracin se llaman refrigeradores, y los ciclos en lo que

operan se denominan ciclos de refrigeracin por compresin de vapor, donde el refrigerantese evapora y condensa alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. Otros

ciclos de refrigeracin conocidos son los ciclos de refrigeracin de gas en la que el

refrigerante permanece todo el tiempo en fase gaseosa y el de absorcin de amoniaco donde

existe mezcla de amoniaco y agua en algunos procesos del ciclo.

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Introduccin

En este siguiente informe de mquinas trmicas se enfocara en el ciclo derefrigeracin domestica con el objetivo de entender mejor el funcionamientoasociando algunos conceptos tericos de termodinmica que vimos en clase, Unrefrigerador es una maquina trmica que por muchos aos ha demostrado ser muydurable y confiable. Sorpresivamente los refrigeradores usan calor para mantenerlos alimentos a bajas temperaturas.Tambin se mostrara en detalle el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor yporque en una modificacin al ciclo de Carnot inverso, donde se conocer lasetapas que influyen en este ciclo que es uno de los ms utilizados actualmente.Ocupando como referencia bibliogrfica a Fundamentos de termodinmica tcnicaEscrito por Michael J. Moran,Howard N. Yunus Cengel y Michael Boles,Termodinmica, cuarta edicin y Thermodynamics and heat powered cycles:acongnitive engineering approach de CHIH WU.

Desarrollo

Historia

Antes de la invencin de los refrigeradores para casa, la conservacin dealimentos se efectuaba en "cajas de hielo". Estos gabinetes metlicos conaislacin, presentaban un compartimiento especial para ubicar una barra de hieloque se obtena de lagos congelados o zonas nevadas. Las familias adineradasconstruan junto a sus casas, cmaras subterrneas o "casas para hielo", dondeacumular hielo invernal para disponer de el en verano. Tambin existanempresas, con bodegas para acumulacin de hielo, que lo compactaban ydespachaban a domicilio. Una vez que aparecieron los congeladores industrialescapaces de producir hielo, ya no era necesario recogerlo de zonas glidas. Estemtodo domstico de conservacin se mantuvo vigente hasta alrededor de 1935,poca en que se hicieron asequibles los refrigeradores para hogar.

Figura 1 casa y caja para hielo utilizados antiguamente

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Invencin del Refrigerador

Las cmaras frigorficas fueron inventadas antes de los refrigeradores para casa.Fueron varios los personajes que en forma independiente se involucraron paraconstruir aparatos que enfriaran aire.

En 1805, el americano Oliver Evans, present el primer sistema cerrado derefrigeracin con un principio de funcionamiento similar al que se utiliza hoy.Los avances de la tecnologa introdujeron el uso de gases cada vez ms eficientesy para 1856 el ingls Gorrie, basado en los trabajos de otros inventores, consiguiconstruir una mquina de refrigeracin mecnica para uso mdico, sin embargonunca sali al mercado.El primer frigorfico industrial fue construido y comercializado por el empresarionorteamericano Alexander Twinning en 1856. Su equipo era capaz de producirgran cantidad de hielo al da.No fue hasta 1913 que se inventaron los enfriadores construidos para usodomstico. Se instalaban en forma independiente sobre una "caja de hielo" de la

cual se aprovechaba el gabinete. El refrigerador elctrico con control automtico,sali por primera vez al mercado en 1918

En estas imgenes se muestra la evolucin del refrigerador

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Refrigerador domestico

El principio bsico usado en un refrigerador es:

La expansin de un gas reduce su temperatura.

El segundo principio para entender cmo funciona un refrigerador es la ley cero dela termodinmica que de groso modo nos dice:

Cuando dos superficies a distinta temperatura entran en contacto, la superficie queest a mayor temperatura se enfra y la superficie a menor temperatura secalienta.

Funcionamiento de la Refrigeradora Domestica

La funcin de una mquina de refrigeracin es tomar el calor del lado de baja

temperatura y expulsarlo al exterior, empleando una fuente de energa externapara mantener el proceso. Un refrigerador es una bomba de calor, impulsadageneralmente por un motor elctrico. Es asimismo posible emplear saleseutcticas o absorcin. El refrigerador funciona a base de un sistema o circuitocerrado de procesos, que opera gracias a un gas refrigerante. Este circuito, agrandes rasgos, consta de dos procesos, uno de compresin y otro dedescompresin del gas, que lo hacen pasar de estado gaseoso a lquido yviceversa. Por medio de estos dos procesos, el refrigerador es capaz de generarfro para su interior y liberar el calor a travs de la rejilla con que cuenta en la parteposterior, que tambin se denomina condensador. Para poder controlar estosprocesos, los refrigeradores cuentan con un sistema de termostato para regular el

fro de su interior, que controla el proceso de compresin del gas refrigerante.

Mquinas que componen el ciclo de refrigeraciones domestico

El refrigerador Domestico est formado por los siguientes elementos Principales:

Evaporador:Esta es la parte que absorbe el calor adentro delrefrigerador con la ayuda del refrigerante lquido evaporado.

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Condensador:Es la parte del refrigerador que condensa el refrigeranteevaporado (es decir lo cambia a su fase liquida) y reduce su temperatura.

Tubo Capilar:Gran parte del refrigerador est rodeado por una serie deuna especie de rollos intercambiadores de calor. Estos rollos llevan elrefrigerante de un lado a otro. La mayora de estos rollos estn atrs delcompresor.

El Compresor:Es un dispositivo pesado hecho de metal que es puesto enfuncionamiento por un motor y comprime el refrigerante. La principal funcindel compresor es incrementar la presin y por lo tanto la temperatura delgas refrigerante.

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El refrigerante:Es la sustancia que lleva a cabo la funcin de enfriamiento

en el refrigerador a travs de los cambios en su presin y temperatura. Elrefrigerante comnmente usado es el amoniaco o los HFCs(hidrofluorocarburos menos dainos que los antes usados CFCsclorofluorocarbonos). Antes el fren era la sustancia ms usada comorefrigerante. El lquido usado en el refrigerador tiene un punto de ebullicin

muy bajo grados centgrados.Cada refrigerante es identificado por unnombre como R-12, R-22, R-502, etc., el agua por ejemplo tiene el nombreR-718.

El Deshidratador

Un Deposito Aislado Trmicamente: La vlvula de expansin reduce lapresin sobre el refrigerante lquido

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El mecanismo bsico del funcionamiento de un refrigerador es el siguiente:

El gas refrigerante pasa a travs del compresor. Aqu el gas es comprimidoy por lo tanto la presin sobre l aumenta. La temperatura del gas

refrigerante en cambio aumenta como resultado del incremento de presiny toma la forma de vapor sobrecalentado.

La vlvula de expansin causa una repentina reduccin en la presin sobreel refrigerante. Una parte del refrigerante se evapora y se expande. Estaexpansin causa un descenso en la temperatura del refrigerante.

La evaporacin del lquido refrigerante, est presente en el evaporador, elcual absorbe el calor de los alimentos que estn en el refrigerador y por lotanto los mantiene fros. Aqu es donde interviene la ley cero de latermodinmica, el refrigerante est a una temperatura menor que los

alimentos.

El refrigerante elevo su temperatura (debido al equilibrio trmico que debiocurrir) y pasa a su fase gaseosa. El refrigerante que es ahora un gas entrade nuevo al compresor y el ciclo se repite.

Figura 1 esquema de refrigeracin

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Ciclos de refrigeracin

Como introduccin al tema de ciclos de refrigeracin por compresin de vapor, esnecesario tener presentes distintos aspectos tratados con anterioridad entermodinmica relacionados con el ciclo de Carnot inverso debido a su utilizacin

como ciclo de referencia para evaluar el desempeo de otros ciclos y en particularal ciclo de refrigeracin por compresin de vapor, haciendo las comparacionescorrespondientes para as lograr caracterizar el funcionamiento de los sistemas derefrigeracin bajo el esquema de los ciclo termodinmicos.

Ciclo de Carnot inverso

El ciclo de Carnot es totalmente reversible, permitiendo que los cuatro procesosque comprenden el ciclo puedan invertirse. El resultado es un ciclo que opera endireccin contraria a las manecillas del reloj, que se llama ciclo invertido deCarnot. Un refrigerador o bomba de calor que opera en este ciclo recibe el nombre

de refrigerador o bomba de calor de Carnot.Aunque en la prctica no es utilizado por razones que ms adelante se expondrn,sirve de referenciapara evaluar el desempeo de un dispositivo real que trabajebajo las mismas condiciones de temperatura.

Fig 2a Ciclo de Carnot inverso Fig 2b Diagrama Ts de Carnot

Considere un ciclo de Carnot invertido ejecutado dentro de la campana desaturacin de un refrigerante, como el que se muestra en la figura (2b)

1-2 Se transfiere (absorcin) calor reversiblemente desde la regin fra TL, deforma isoterma donde el refrigerante experimenta cambios de fase.

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2-3 Se comprime el refrigerante isoentrpicamente, hasta que alcanza latemperatura mxima TH.3-4 Se transfiere calor reversiblemente a la regin caliente a TH, de formaisoterma, donde el refrigerante experimenta cambios de fase (vapor a lquido).4-1 Se expande el refrigerante isoentrpicamente hasta, alcanzar la temperatura

mnima TLLos inconvenientes de un ciclo de refrigeracin de Carnot como modelo dedispositivo prctico radican en los procesos de compresin y expansin. Engeneral debe evitarse comprimir una mezcla hmeda por el dao de laspresencias de pequeas gotas liquidas puedan causar al compresor (caso anlogode las turbinas de vapor). La expansin con una turbina bajo condiciones similaresa la ya descrita es igual de perjudicial, la restriccin a las condiciones desaturacin limita la capacidad de absorber calor. Las modificaciones para evitarestos dos tipos de problemas inherentes al ciclo de Carnot conducen en la prcticaal ciclo de refrigeracin por compresin de vapor.

CICLO DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR

En el proceso de compresin de vapor se realizan modificaciones al ciclo deCarnot basados en las siguientes consideraciones:

En el proceso de compresin, el fluido de trabajo solo debe estar en la fase devapor. Para expansionar el refrigerante es recomendable utilizar un dispositivo ms

econmico y con cero mantenimientos (vlvula de estrangulamiento o tubocapilar). La temperatura de condensacin no debe limitarse a la zona de saturacin.

Muchos aspectos imprcticos asociados con el ciclo invertido de Carnot, seeliminan al evaporar el refrigerante completamente antes de que se comprima y alsustituir la turbina con un dispositivo de estrangulamiento, tal como una vlvula deexpansin o tubo capilar.

Para cada proceso, la ecuacin general de energa en rgimen estacionario porunidad de masa, despreciando la variacin de la energa cintica y potencial estdada por

La capacidad de refrigeracin, es el flujo de calor transferido en el evaporadorQ evap planteada as:

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En el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere calor,mientras que slo existe trabajo en el proceso de compresin. El coeficiente de

operacin del ciclo est dado por:

Diagramas P-H y T-S del ciclo

Para poder entender mejor lo que es el ciclo de refrigeracin por compresin devapor se analizara los diagramas de p-v y t-s, describiendo las 4 etapasnecesarias para la refrigeracin, entregando lo siguiente:

El vapor saturado en el estado 1 se comprime isotrpicamente a vaporsobrecalentado en el estado 2. El vapor refrigerante entra a un condensador, dedonde se extrae calor a presin constante hasta que el fluido se convierte enlquido saturado en el estado 3. Para que el fluido regrese a presin ms baja, seexpande adiabticamente en una vlvula o un tubo capilar hasta el estado 4. Elproceso 3-4 es una estrangulacin y h3=h4. En el estado 4, el refrigerante es unamezcla hmeda de baja calidad. Finalmente, pasa por el evaporador a presinconstante. De la fuente de baja temperatura entra calor al evaporador,convirtiendo el fluido en vapor saturado y se completa el ciclo. Observe que todo elproceso 4-1 y una gran parte del proceso 2-3 ocurren a temperatura constante.

Fig. 3 Esquema de la maquinaria y los diagramas Ts y Ph de un ciclo derefrigeracin por compresin de vapor.

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Ciclo real de refrigeracin por comprensin de vapor

Difiere de uno ideal debido a situaciones irreversibles que ocurren en varioscomponentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la friccin del fluido yla transferencia de calor hacia o desde los alrededores. El proceso de compresin

real incluye efectos de friccin, los cuales incrementan la entropa y latransferencia de calor lo cual puede aumentar o disminuir la entropa dependiendode la reaccin. En la figura 3-a se puede ver mejor la comparacin entre un cicloreal y uno ideal notndose un aumento en la entalpia.

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Implementacin en CYCLEPAD

Para la implementacin del sistema de refrigeracin domstico en cyclepadutilizaremos un sistema que requiere refrigeracin a -37C y -19C con amoniacocomo refrigerante con doble evaporador, donde la calidad del amoniaco es de 0,4

a la salida del calentador a mediados de temperatura.Para el diseo de cyclepad de refrigerador y congelador con doble evaporadorhacemos lo siguiente:

Armamos el sistema utilizando dos calentadores un condensador, uncompresor y dos vlvulas reguladoras de la siguiente manera:

Para ingresar los datos supondremos que el compresor es adiabtico eisotrpico con 100% de eficiencia, los cooler y calentadores son isobricos.

El fluido ser amoniaco con , T1 = -37 C, x1 = 1, mdot = 1 kg / s, p2 = 800kPa, x3 = 0, T4 = -19 C, y X6 = 0,4.

Se deben ingresar los datos como se muestra en las siguientes figuras:

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Figura 1

Figura 2

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Resultados obtenidos

De ciclo Display resultados propiedad los resultados son: CP = 3,39, Qdothtr 1 =301,3 kW, Qdothtr 2 = 828,2 kW, compresor de potencia de entrada = -333,4 kW,y la carga de enfriamiento = 321,2 tonelada como se muestra en la figura 3 a

continuacin.

Figura 3

Diagramas P-v y T-s

Figura 4a diagrama T-S Figura 4b diagrama P-V

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Conclusiones

Al analizar los resultados obtenidos el cyclepad se puede concluir que en eldiagrama T-S mostrado en la figura 4a entre en 1 y 2 se comprimeisotrpicamente a vapor sobrecalentado de forma muy parecida a lo mostrado

anteriormente en los diagramas de clico de refrigeracin reales, alcanzando unatemperatura mxima de 123,4C, se extrae el calor a presin constante a travsde un condensador gran parte de ello a temperatura constante luego se produceuna estrangulacin alcanzando una temperatura mnima de 37C, en dondetambin podemos concluir que al instalar otro calentador aumentamos la eficienciadel ciclo.La presin mxima que se alcanzo fue de 800 kpa y una presin mnima de 84.11kpa.Tambin podemos concluir que la utilizacin del programa para el anlisis deciclos es muy til y practico ya que con esto nos permite analizar sin dificultadciclos termodinmico pudiendo moldearlos para lo que necesitemos, ya sea ,

integrando calderas, compresores, etc. Simplificando los problemas.En el caso de este informe se pudo comprender mejor el funcionamiento de ciclode refrigeracin, sus componentes, y el ciclo en que trabaja este tipo derefrigeradores domsticos.

Referencias

Fundamentos de termodinmica tcnica Escrito por Michael J. Moran,Howard N.Shapiro

http://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_compresi%C3%B3n

http://www.inventosmodernos.cl/refrigerador.htm

Yunus Cengel y Michael Boles, Termodinmica, cuarta edicin.

THERMODYNAMICS AND HEATPOWERED CYCLES: A COGNITIVEENGINEERING APPROACH de CHIH WU.

Anexo

Diseo de en cyclepad de un refrigerador y congelador con doble evaporador.