Post on 15-Jan-2017
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGÓN
INGENIERÍA MECÁNICA
LABORATORIO DE MÁQUINAS TÉRMICAS
Práctica no. 2: “Refrigeración”
Alumno: David Ricardo Fernández Cano Veronico
Fecha de realización:
Fecha de entrega:
Tabla de lecturas
Concepto Símbolo
Unidad 1 2 3 4 5 6
Temperatura entrada compresor T 1 °C -5 9.4 1.6 16.1 6.9 16Temperatura salida compresor T 2 °C 51.5 56.7 62 66 52.6 58.8
Temperatura salida condensador T 3 °C 33.1 33.9 36.3 34 35.6 34.2Temperatura entrada válvula de
expansiónT 4 °C 26.6 17.5 28.3 20.9 31.1 23.5
Temperatura entrada evaporador T 5 °C -23 -26.5 -12.8 -15.3 -2.6 -5.5Temperatura salida evaporador T 6 °C -10 -11.5 -7 -6.2 2.5 -3.5
Temperatura de entrada del agua al condensador
T 7 °C 24.3 24.5 21.6 20.2 24.5 19.1
Temperatura salida del agua del condensador
T 8 °C 36.2 33.8 33.6 32.4 28.4 27.7
Presión del condensador Pc bar 9 9 9 9 9 9Presión del evaporador Pe bar .8 .7 1.7 1.5 2.5 2.3Flujo de refrigerante mr g/s 3.5 3 5 4.5 7 6.75
Flujo de agua en el condensador mw L/min .7 .6 1.2 1 3.2 1.9Voltaje en el evaporador V e V 50 50 70 70 85 85
Corriente en el evaporador I e A 6.25 6.25 8.5 8.5 10.6 10.6Voltaje en el motor eléctrico V m V 127 127 127 127 127 127
Corriente en el motor eléctrico Im A 6.5 6.5 6.9 6.7 7 7Fuerza en el dinamómetro F N 8.2 8.1 9.8 9.3 10.5 10.7Velocidad en el compresor vc rpm 490 492 456 470 470 492
Velocidad en el motor eléctrico vm rpm 1715 1715 1715 1715 1645 1722Intercambiador de calor no si no si no si
Desarrollo de la práctica
1).-Análisis termodinámico del compresor
a).-Potencia al freno
W fc1=.15 (8.2N ) (2 π×1715 rpm /60 )=220.9010874W
W fc2=.15 (8.1N ) (2 π×1715 rpm/60 )=218.2071717W
W fc3=.15 (9.8N ) (2π ×1715 rpm /60 )=264.0037386W
W fc4=.15 (9.3N ) (2π ×1715rpm /60 )=250.5341601W
W fc5=.15 (10.5 N ) (2 π×1645 rpm /60 )=271.3157955W
W fc6=.15 (10.7N ) (2π ×1722 rpm /60 )=289.4255064W
2
b).- Calor perdido
Q pc1=(.0035 kg/ s (210−185 ) kJ /kg )( 1000 J1kJ )+220.901W=308.4010874W
Q pc2=(.003 kg/ s (212−194 ) kJ /kg )( 1000 J1kJ )+218.2071717W=272.2071717W
Qpc3=(.005 kg /s (221−187 ) kJ /kg )( 1000 J1kJ )+264.0037386W=434.0037386W
Qpc 4=(.0045 kg /s (223−197 ) kJ /kg )(1000 J1kJ )+250.5341601W=367.5341601W
Qpc5=(.007 kg /s (223−190 ) kJ /kg )( 1000 J1kJ )+271.3157955W=502.3157955W
Q pc6=(.00675 kg /s (223−196 ) kJ /kg )( 1000J1kJ )+289.4255064W=471.6755064W
2.- Análisis termodinámico en el condensador
a).- Calor absorbido por el refrigerante
Qarc 1=(.0035 kg /s (68−210 ) kJ /kg ) (1000 J1kJ )=−497W
Qarc 2=(.003kg /s (59−212 ) kJ /kg )( 1000 J1kJ )=−459W
Qarc 3=(.005kg /s (69−221 ) kJ /kg )( 1000 J1kJ )=−760W
Qarc 4=(.0045 kg /s (70−223 ) kJ /kg)( 1000J1kJ )=−688.5W
Qarc 5=(.007 kg/ s (72−223 ) kJ /kg ) (1000 J1kJ )=−1057W
Qarc 6=( .00675 kg/s (69−223 )kJ /kg )(1000 J1kJ )=−1039.5W
b).- Calor absorbido por el agua
Conversión de unidades del flujo de agua
3
mw 1=( .7 L/min )( 1min60 s )( m3
103L )( 997 kgm3 )=0.011631667 kg/ s
mw 2=( .6 L/min )( 1min60 s )( m3
103L )( 997 kgm3 )=0.00997 kg /s
mw 3=(1.2 L/min )( 1min60 s )( m3
103L )( 997 kgm3 )=0.01994 kg /s
mw 4=(1L/min )( 1min60 s )( m3
103 L )( 997 kgm3 )=0.016616667 kg /s
mw 5=(3.2 L/min )( 1min60 s )( m3
103L )( 997 kgm3 )=0.053173333 kg/ s
mw 6=(1.9 L/min )( 1min60 s )( m3
103L )(997 kgm3 )=0.031571667 kg /s
Calculo del calor absorbido por el agua
Qawc 1=(0.011631667 kg/ s ) ( 4.186 kJ / ( kg°C ) ) (36.2−24.3 ) °C (1000 )=579.4128643W
Qawc 2=(0.00997 kg/s ) (4.186 kJ / (kg°C )) (33.8−24.5 )°C (1000 )=388.130106W
Qawc 3=(0.01994 kg/ s ) ( 4.186 kJ /( kg °C ) ) (33.6−21.6 )° C (1000 )=1001.62608W
Qawc 4=(0.016616667 kg /s ) ( 4.186 kJ / (kg°C ) ) (32.4−20.2 )°C (1000 )=848.5998733W
Qawc 5=(0.053173333 kg /s ) ( 4.186 kJ / (kg°C ) ) (28.4−24.5 ) °C (1000 )=868.075936W
Qawc 6= (0.031571667 kg/ s) (4.186 kJ / (kg° C ) ) (19.1−27.7 ) °C (1000 )=1136.567371W
c).- Calor perdido
Qpcd1= (579.4128643−497 )W=82.41286433W
Q pcd2=(388.130106−459 )W=−70.869894W
Q pcd3=(1001.62608−760 )W=241.62608W
Q pcd 4=(848.5998733−688.5 )W=160.0998733W
Q pcd5=(868.075936−1057 )W=−188.924064W
4
Qpcd6=(1136.567371−1039.5 )W=97.06737133W
3.- Análisis termodinámico en el evaporador
a).- Calor consumido
Qse 1=(50V ) (6.25 A )=312.5W
Qse 2=(50V ) (6.25 A )=312.5W
Qse 3=(70V ) ( 8.5 A )=595W
Qse 4= (70V ) (8.5A )=595W
Qse 5=(85V ) (10.6 A )=901W
Qse 6=(85V ) (10.6 A )=901W
b).- Calor absorbido por el refrigerante
Qare 1=( .0035 kg /s ) (181−63 ) kJ /kg (1000 )=413W
Qare 2=( .003 kg /s ) (180−53 ) kJ /kg (1000 )=381W
Qare 3=( .005 kg /s ) (182−66 ) kJ /kg (1000 )=580W
Qare 4=(0.0045 kg/ s) (184−52 ) kJ /kg (1000 )=594W
Qare 5=(0.007 kg/s ) (189−65 )kJ /kg (1000 )=868W
Qare 6=(0.00675 kg /s ) (189−58 ) kJ /kg (1000 )=884.25W
c).- Calor perdido
Q pe1= (413−312.5 )W=100.5W
Qpe2= (381−312.5 )W=68.5W
Q pe3=(580−595 )W=−15W
Q pe 4=(594−595 )W=−1W
Q pe5=(868−901 )W=−33W
Q pe6=(884.25−901 )W=−16.75W
4.- Análisis termodinámico en el intercambiador de calor
5
a).- Calor absorbido por el refrigerante (lado del vapor)
Qarv2=( .003 kg/ s ) (194−180 ) kJ /kg (1000 )=42W
Qarv 4=(0.0045 kg /s ) (19 7−18 4 ) kJ /kg (1000 )=58.5W
Qarv6=( .00675 kg/ s) (19 6−18 9 ) kJ /kg (1000 )=47.25W
b).- Calor absorbido por el refrigerante (lado líquido)
Qarv 2=(.003 kg/ s) (53−59 )kJ /kg (1000 )=−18W
Qarv 4=( .0045 kg /s ) (52−70 ) kJ /kg (1000 )=−81W
Qarv6=( .0066 kg /s ) (58−69 ) kJ /kg (1000 )=−74.25W
c).- Calor perdido
Qpi 2=(42−18 )W=24W
Qpi 4= (58.5−81 )W=22.5W
Q pi 6=( 47.25−74.25 )W=−27W
5.- Cálculo de los coeficientes de operación
a).- En base a la potencia absorbida por el motor eléctrico
COP1,1=312.5/470.535=0.664137631
COP1,2=312.5/470.535=0.664137631
COP1,3=595/499.491=1.191212654
COP1,4=595/ 485.013=1.226771241
COP1,5=901/506.73=1.778067215
COP1,6=901/506.73=1.778067215
Wm1=Wm2=.57 (6.5 A ) 127V=470.535W
Wm3=.57 (6.9 A )127V=499.491W
Wm 4=.57 (6.7 A )127V=485.013W
Wm5=Wm6=.57 (7 A )127V=506.73W
6
b).- En base a la potencia al freno
COP2,1=312.5/220.9010874=1.414660306
COP2,2=312.5/218.2071717=1.432125248
COP2,3=595/264.0037386=2.253755962
COP2,4=595/250.5341601=2.374925638
COP2,5=901/271.3157955=3.320853466
COP2,6=901/289.4255064=3.113063569
c).- En base al ciclo ideal
COP3,1=(181−63 ) / (220−185 )=¿3.371428571 ¿
COP3,2=(180−53 )/(230−194 )=¿3.527777778¿
COP3,3=(182−66 )/ (211−187 )=4.833333333
COP3,4=(184−52 )/ (225−197 )=4.714285714
COP3,5=(189−65 )/ (210−190 )=6.2
COP3,6=(189−58 )/ (218−196 )=¿5.954545455¿
d).- En base a las temperaturas absolutas del ciclo de Carnot
T A1=T A2=(38+273.15 )° C=311.15° K
T A3=T A 4=T A5=T A6=(39+273.15 ) °C=312.15 °K
T B1=(−20+273.15 )° C=253.15 ° K
T B2=(−22+273.15 )° C=251.15° K
T B3= (−7+273.15 ) °C=266.15 ° K
T B4=(−8+273.15 )° C=265.15° K
T B5= (2+273.15 )° C=275.15° K
T B6= (−1+273.15 )° C=272.15 ° K
COP4,1=253.15 / (311.15−253.15 )=¿4.364655172¿
7
COP4,2=251.15/ (311.15−25 1.15 )=¿4.185833333 ¿
COP4,3=266.15 / (312.15−266 .15 )=¿5.785869565¿
COP4,4=265.15 /(312.15−2 65.15 )=¿5.641489362¿
COP4,5=275.15/ (312.15−275 .15 )=¿7.436486486 ¿
COP4,6=272.15/ (312.15−272 .15 )=¿6.80375 ¿
Cálculo de las presiones absolutas
Pc 1=Pc 2=Pc 3=Pc 4=Pc5=Pc6=(9+.78 ) ¿̄9.78 ¿̄
Pe 1=( .8+.78 ) ¿̄1.58 ¿̄
Pe 2=( .7+.78 ) ¿̄ 1.48 ¿̄
Pe 3=(1.7+.78 ) ¿̄2.48 ¿̄
Pe 4= (1.5+ .78 ) ¿̄2.28 ¿̄
Pe 5=(2.5+.78 ) ¿̄ 3.28 ¿̄
Pe 6=(2.3+.78 ) ¿̄3.08 ¿̄
6.- Representación gráfica de los coeficientes de operación COP1 y COP2
Sin intercambiador de calor:
Con intercambiador de calor:
8
7.- Representación grafica del comportamiento del flujo de refrigerante
Tabla de resultados
Concepto Símbolo Unidad 1 2 3 4 5 6
1 Análisis termodinámico en el compresor
a Potencia al freno
W fc W 220.901 218.207 264.00 4 250.534 271.31 6 289.42 6
b Calor perdido
Qpc W 308.401 272.207 434.00 4 367.534 502.31 6 471.67 6
2 Análisis termodinámico en el condensador
9
a Calor absorbido
por el refrigerante
Qarc W −497 −459 −760 −688.5 −1057 −1039.5
b Calor absorbido
por el agua
Qawc W 579.4 388.1 1001.6 848.6 868.1 1136.6
c Calor perdido
Q pcd W 82.4 -70.9 241.6 160.1 -188.9 97.1
3 Análisis termodinámico en el evaporador
a Calor suministrad
o
Qse W 312.5 312.5 595 595 901 901
b Calor absorbido
por el refrigerante
Qare W 413 381 580 594 868 884.3
c Calor perdido
Q pe W 100.5 68.5 -15 -1 -33 -16.8
4 Análisis termodinámico en el intercambiador de calor
a Calor absorbido
por el refrigerante (lado vapor)
Qarv W 42 58.5 47.25
b Calor absorbido
por el refrigerante
(lado liquido)
Qarv W -18 -81 -74.25
10
c Calor perdido
Q pi W 24 -22.5 -27
5 Calculo de los coeficientes de operación
a En base a la potencia
absorbida por el motor
COP1 .664 .664 1.191 1.227 1.78 1.78
b En base a la potencia al
freno
COP2 1.415 1.432 2.254 2.375 3.185 3.126
c En base al ciclo ideal
COP3 3.371 3.528 4.833 4.714 6.2 5.955
d En base a las
temperaturas absolutas del ciclo
inverso de Carnot
COP4 4.365 4.186 5.786 5.642 7.437 6.804
Tabla de entalpías específicas del diagrama P-H
Concepto SímboloUnidades 1 2 3 4 5 6
Entrada del compresor H 1 kJ/kg 185 194 187 197 190 196
Salida del compresor H 2 kJ/kg 210 212 221 223 223 223
11
Compresión isoentrópica H 2 s kJ/kg 220 230 211 225 210 218
Salida del condensador H 3 kJ/kg 68 59 69 70 72 69
Entrada a la válvula de expansión
H 4 kJ/kg 63 53 66 52 65 58
Salida de la válvula de expansión
H 5 kJ/kg 63 53 66 52 65 58
Salida del evaporador H 6 kJ/kg 181 180 182 184 189 189
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13
14
15
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17
18
Conclusiones y recomendaciones
De acuerdo a las gráficas obtenidas se muestra que la temperatura disminuye en el punto 4 y de igual manera en la parte de la compresión del refrigerante se observa un mayor calentamiento con el uso del intercambiador de calor; además se puede ver que en este proceso de compresión no se desarrolla a entropía constante, sino que la entropía disminuye y se tiene por entendido que esta disminución se debe a que la compresión disminuye el espacio libre en el cual se pueden distribuir las moléculas del refrigerante gaseoso.Para la realización de las graficas de presión-entalpía y temperatura-entropía no se tomaron en cuenta las lecturas de las temperaturas en el punto 5, que representa la salida de la válvula de expansión; pero si este punto se grafica se puede observar como consecuencia que la presión en el evaporador no es constante, en lugar de esto aumenta en todos los casos.Con respecto al comportamiento de la entropía en el compresor, se menciono que esta disminuye, sin embargo se presentan dos excepciones sobre esta disminución, en las lecturas 3 y 5 en las cuales aumento debido a la subida de temperatura en el punto 2 con lo cual se tiene un incremento en la agitación de las moléculas.En los cálculos de los coeficientes de operación no se observa gran diferencia entre las lectura tomadas con intercambiador de calor y las que no tienen este dispositivo, pero en la mayoría de los casos se ve que el coeficiente de operación es mayor en los casos en que se ocupa el intercambiador, aunque por poca diferencia. Los coeficientes de operación más altos se obtuvieron con base en las temperaturas del ciclo inverso de Carnot, lo cual demuestra que este es el ciclo más eficiente. Las mayores pérdidas de calor se presentaron en el compresor y también en el condensador, aunque en considerable menor medida y teniendo en cuenta los signos obtenidos en este último cálculo se deduce que en ocasiones se tuvo una gran ganancia de calor al igual que en el evaporador.La refrigeración tiene muchas aplicaciones para la civilización en la vida cotidiana de las ciudades y en las aplicaciones industriales, no solo como método para la conservación de alimentos sino como herramienta útil para mantener a cierta temperatura sustancias explosivas, para el adecuado funcionamiento de los sistemas de control computarizado, para el confort, etc., por lo tanto gracias a esta han podido prosperar un gran número de industrias y se ha conseguido el surgimiento de empresas con nuevas actividades lucrativas.
19