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Laboratorio de Termodinámica 2

[Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor]

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Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP)

Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)

Guayaquil-Ecuador

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Resumen

La práctica realizada el día 16 de enero del 2015 consiste en determinar los puntos de entrada y

salida de los diferentes dispositivos usados en el ciclo (compresor, condensador, válvula de

expansión, tubo capilar y evaporador) y como líquido refrigerante el freón 134a. Analizando dichos

dispositivos se logró mediante dispositivos de medición de temperatura y presión que se encuentran

instalados a la entrada y salida de los dispositivos que operan en el ciclo de refrigeración con los

valores obtenidos se determinó potencia del compresor, el calor añadido del evaporador y el

coeficiente de perfomancia para el refrigerador COPR. Cabe recalcar que la práctica primero se

realizó usando la válvula de expansión y luego el tubo capilar, por cada dispositivo el ciclo

experimento variaciones en su presión y temperatura esto se evidencio en los datos obtenidos y

posteriormente en los resultados de la práctica.

Palabras Claves: Refrigeración, evaporador, condensador, Compresor, Refrigerante, 134a,

válvula de expansión, tubos capilares, perfomancia.

Abstract

The practice held on January 16, 2015 is to determine the points of entry and exit of the

different materials used in the cycle (compressor, condenser, expansion valve, capillary

tube and evaporator) and as Freon 134a coolant devices. Analyzing these devices was

accomplished by measuring devices for temperature and pressure that are installed at the

input and output devices that operate in the refrigeration cycle with the values obtained

compressor power, the added heat from the evaporator and the coefficient determined of

performance for refrigerator COPR. It should be noted that the practice was first performed

using the expansion valve and then the capillary tube for each device the variations in

pressure and temperature that was evident in the data obtained and subsequently on the

results of practical experiment cycle.

Keywords: Refrigeration, evaporator, condenser, compressor, refrigerant 134a, expansion

valve, capillary tubes, performance.

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Introducción

Ciclo de refrigeración:

Los sistemas de compresión emplean cuatro

elementos en el ciclo de refrigeración:

compresor, condensador, válvula de

expansión y evaporador. En el evaporador, el

refrigerante se evapora y absorbe calor del

espacio que está enfriando y de su contenido.

A continuación, el vapor pasa a un compresor

movido por un motor que incrementa su

presión, lo que aumenta su temperatura. El

gas sobrecalentado a alta presión se

transforma posteriormente en líquido en un

condensador refrigerado por aire o agua.

Después del condensador, el líquido pasa por

una válvula de expansión, donde su presión y

temperatura se reducen hasta alcanzar las

condiciones que existen en el evaporador.

Este ciclo obedece a la ley de los gases

perfectos y la relación presión-temperatura:

P·V = R·m·T

Donde P es la presión, V es volumen, m es

masa en kilos, R es la constante universal de

los gases y T la temperatura.

A fin de circular el fluido refrigerante y

optimizar su absorción de calor se utiliza un

1. El compresor absorbe el refrigerante como

un gas a baja presión y baja temperatura y lo

mueve comprimiéndolo hacia el área de alta

presión, donde el refrigerante es un gas a alta

presión y alta temperatura.

2. Al pasar por el condensador el calor del

refrigerante se disipa al ambiente. El

refrigerante se licua y sigue a alta presión).

3. De ahí, pasa a través del dispositivo

regulador de presión que separa las áreas de

alta presión y baja presión mediante una

reducción de la sección de paso. Al bajar la

presión, la temperatura de saturación del

refrigerante baja, permitiendo que absorba

calor.

Ya en el lado de baja presión, el refrigerante

llega al evaporador donde absorbe el calor del

ambiente y se evapora. De ahí pasa otra vez

al compresor cerrando el ciclo.

Diagrama T-s

Dispositivos usados:

Compresor: Es un dispositivo mecánico que

bombea el fluido refrigerante, creando una

zona de alta presión y provocando el

movimiento del refrigerante en el sistema. El

compresor es un elemento que realiza trabajo

sobre el sistema, si se realiza un análisis de

energía, considerando que es un sistema

estacionario, cuya energía potencial y cinética

son despreciable, además un proceso

adiabático (q = 0), el balance de energía se

simplifica en base a la figura 3:

w = h2 − h1 (1)

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Condensador: Generalmente es un serpentín,

de cobre con laminillas de aluminio a modo

de disipadores de calor. Es un intercambiador

y su función consiste e liberar el calor del

refrigerante al ambiente, haciendo un balance

de energía queda:

qℎ = h2 − h3 (2)

Evaporador: También es un serpentín, pero

su presentación varia. En los equipos de

acondicionamiento de aire es muy similar al

condensador, pero en los refrigeradores

domésticos suele ir oculto en las paredes del

congelador. Es otro intercambiador y su

función es que el refrigerante absorba calor

del área refrigerada. No hay trabajo (w = 0)

qL = h1 − h4 (3)

Refrigerante: Es el fluido con que funciona

el sistema dependiendo de la presión y

temperatura con que la sustancia cambia de

fase puede ser agua, amoniaco, R134a, R22,

R23, R32 entre otros. Su función consiste en

absorber calor de un lugar y disiparlo en otro,

mediante los cambios de presión inducidos.

Dispositivo regulador de presión: su función

principal se basa en restringir el paso del

fluido lo cual producirá una caída de presión,

los dispositivos que cumplen esta función en

la práctica son el tubo capilar y la válvula de

expansión, haciendo un análisis de energía.

h3 = h4 (4)

Una vez conocido de que depende el calor

absorbido y el trabajo del compresor por

libras masa, estamos en capacidad de definir

la perfomancia.

COPR =qL

w (5)

Anteriormente se definió los elementos

básicos y principales que debe tener un ciclo

de refrigeración pero a continuación de

detalla otros elementos que constituyen un

ciclo de refrigeración:

Termostato: Su función es apagar o encender

automáticamente el compresor a fin de

mantener el área refrigerada dentro de un

campo de temperaturas

Ventilador: Su función es aumentar el flujo

de aire para mejorar el intercambio de calor.

Generalmente está en el área del

condensador. Según el tipo de dispositivo que

sea, puede haber o no en el área del

evaporador

Otros elementos no siempre presentes son:

Filtro de humedad

Depósito de refrigerante liquido

Hay que distinguir en la potencia dos

magnitudes: potencia absorbida (en energía

mecánica, sea con motor eléctrico, con motor

de explosión o con turbina) y potencia de

enfriamiento o de refrigeración

En el sistema internacional de unidades la

potencia de los equipos frigoríficos se mide

en vatios (W) o en múltiplos de sus unidades.

En el sistema técnico de unidades se utiliza

para la potencia de enfriamiento la

caloría/hora, aceptada en un anexo del SI,

aunque a menudo se frigoría/hora que tiene la

misma definición que la caloría/hora y la

única diferencia es que se emplea para medir

el calor extraído, no el adoptado

En la práctica comercial americana, la

potencia de refrigeración se mide en

toneladas de refrigeración o en BTUs

La finalidad de esta práctica es hallar el

coeficiente de perfomancia para diferentes

velocidades del ventilado, sea para el tubo

capilar o la válvula de expansión; localizando

los puntos de entrada y salida de los

diferentes dispositivos usados en el ciclo y

graficando en un diagrama P-h el ciclo,

además se analizó y se comparó los

resultados obtenidos en las diferentes

pruebas.

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Equipos:

Procedimiento Experimental

Esta práctica consiste de dos procedimientos

debido a que se va analizar con dos diferentes

elementos para la caída de presión, primero:

válvula de expansión y segundo: tubo capilar.

.

Operación con la Válvula de Expansión

termostática:

Primero se colocó el interruptor de voltaje a

la posición line, después se procedió a

colocar el interruptor del amperímetro a su

escala mayor y el interruptor del vatímetro se

lo colocó en la posición OUT. Luego se

cerraron las válvulas 2 y 3 y se abrió la

válvula 1, de ahí se cerró la válvula 5

abriendo las válvulas 4 y 6, siguiendo

cerrando las válvulas 7,9,10 abriendo la

válvula 8. Después se encendieron los

ventiladores del condensador y evaporador a

la max. Velocidad, por otro lado se encendió

el compresor colocando en modo ON el

interruptor. Después de permitir la operación

de la unidad por 10 minutos se tomaron las

lecturas de los datos indicados en la tabla de

la guía la práctica. Para la toma de datos a

velocidad media y baja se repite los dos

últimos pasos, una vez configurado para

dicha velocidad. Finalmente una vez tomado

todos los datos se grafica el diagrama P-h

para cada proceso.

Operación con el tubo capilar.

Para realizar la práctica con el tubo capilar,

primero se colocó el interruptor de voltaje en

la posición LINE, el interruptor del

amperímetro en su mayor escala y el

interruptor del vatímetro en la posición OUT,

se procede a cerrar las válvulas 1 y 3

abriendo la válvula 2, continuando a cerrar

las válvulas 4 y 6 abriendo la válvula 5,

prosiguiendo a cerrar la válvula 8,9, 10 y

abriendo la válvula 7; colocando los

interruptores de los ventiladores del

condensador y del evaporador a la mayor

velocidad; se encendió la unidad colocando el

interruptor del compresor en la posición ON.

Luego de permitir la operación de la unidad

por 10 minutos con el interruptor del

ventilador en las posiciones de mayor, media

y menor velocidad, se procedió a realizar la

tomar de los respectivos datos, con lo que

finalmente se grafica el diagrama P-h (R-

134a) para cada proceso

Equipo Equipo de aire

acondicionado

didáctico

Marca Carrier

Serie CTA-76A-15450

Modelo KAN2-0050-1AA

Código ESPOL 3090

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Datos y Resultados:

Tabla #1

Válvula de expansión

Compresor Alta Media Baja

Te (°C) 22 22 22

Pe (psig) 35 40 40

Ts (°C) 54 60 61

Ps (psig) 145 165 175

Condensador Alta Media Baja

Te (°F) 120 130 132

Pe (psig) 145 135 175

Ts (°C) 40 45 47

Ps (psig) 145 135 175

Evaporador Alta Media Baja

Te (°C) 22 22 21

Pe (psig) 40 45 46

Ts (°F) 50 51 51

Ps (psig) 30 35 38

Tabla #2

Tubo Capilar

Compresor Alta Media Baja

Te (°C) 40 20 21

Pe (psig) 25 35 35

Ts (°C) 60 60 65

Ps (psig) 145 170 175

Condensador Alta Media Baja

Te (°F) 130 131 138

Pe (psig) 145 165 175

Ts (°C) 39 44 46

Ps (psig) 145 160 175

Evaporador Alta Media Baja

Te (°C) 23 22 22

Pe (psig) 30 34 36

Ts (°F) 40 42 43

Ps (psig) 25 29 30

Tabla de resultados #1

Válvula de expansión - Entalpias

(Btu/lbm)

Compresor Alta Media Baja

He 115.652 114.269 114.269

Hs 122.592 123.634 124.56

Evaporador Alta Media Baja

He 110.637 110.65 111.528

Hs 114.340 113.05 113.28

Tabla de resultados #2

Tubo Capilar - Entalpias (Btu/lbm)

Compresor Alta Media Baja

He 113.778 113.825 114.215

Hs 126.225 122.692 124.846

Evaporador Alta Media Baja

He 108.214 108.55 110.14

Hs 113.75 110.817 114.283

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Con los valores de entalpias tomados de las

tablas de vapor del refrigerante 134a para

cada dispositivo se procede a realizar el

análisis termodinámico de todo el ciclo y se

obtuvo el calor (QL), trabajo neto (W) y el

coeficiente de perfomancia (COPR)

Tabla de resultados #3

Válvula de

expansión

Alta Media Baja

QL(Btu/lbm) 4.191 3.177 1.752

W(Btu/lbm) 7.255 9.524 10.291

COPR 0.533 0.256 0.170

Tabla de resultados #4

Capilar Alta Media Baja

QL(Btu/lbm) 5.536 4.142 4.143

W(Btu/lbm) 11.446 10.631 10.631

COPR 0.488 0.255 0.389

Diagrama P-h del ciclo.

Análisis de Resultados

Al observar los resultados obtenidos se puede

Debido a los resultados obtenidos se verificó

que hubo intercambio de energía entre el

fluido (refrigerante) y la máquina, cuando el

refrigerante entró al evaporador, hubo

absorción de calor, después cuando el fluido

paso por el compresor se obtuvo un aumento

de temperatura, este fluido liberó energía en

forma de calor en la válvula de expansión se

regulo la presión y la temperatura para

llevarlo al evaporador y cerrar el ciclo

Como se puede notar en los datos obtenidos,

los datos de entalpias de la válvula de

expansión y del tubo capilar difieren en muy

poco o casi nada, por lo cual antes de obtener

los resultados de los coeficientes de

performance, pudimos deducir que variarían

muy poco uno del otro. Los valores de las

entalpias difieren bastante de los valores

ideales, debido a que las maquinas ya han

tenido un gran tiempo de uso, se puede notar

que los valores de los calores varían poco y

los trabajos mucho, además podemos notar

que con la válvula de expansión se hace

menos trabajo cuando los ventiladores están a

alta velocidad que cuando están a baja

velocidad y cuando se usó el tubo capilar

ocurrió lo contrario.

En el QL para la válvula de expansión con

alta velocidad de los ventiladores QL es

mayor que cuando la velocidad de los

ventiladores es baja. En el coeficiente de

performance en la válvula de expansión el

coeficiente de performance es proporcional a

la velocidad de los ventiladores, ocurriendo

lo contrario con tubos capilares. En la gráfica

se puede observar leves caídas de presión

donde debe ser constante idealmente, pero

hay pérdidas de presión realmente

Conclusiones y recomendaciones:

En los gráficos realizados del ciclo se puede

observar que el calentamiento como la

condensación del fluido no se dan a presión

constante, cuando deberían de serlo, se puede

notar una baja en la presión y esto se da

debido a que hay pérdidas de presión en la

conducción del refrigerante por las tuberías

de transmisión cuando se transmite desde un

elemento a otro del ciclo.

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Se pudieron comprobar experimentalmente

algunos conceptos dados en clases, como la

existencia de un aumento en la presión y por

ende en la temperatura, (ya que son

directamente proporcionales), la caída de

presión del fluido de manera isoentálpica al

pasar por la válvula de expansión o el tubo

capilar.

Se obtuvieron valores del calor añadido del

evaporador, la potencia del compresor y el

coeficiente de funcionamiento o perfomancia

para el refrigerador COP de una forma

experimental ya que los datos de presión y

temperatura se obtuvieron de dicha forma.

Como recomendación tener los debidos

implementos de vestimenta y cuidados de

seguridad al realizar la práctica, tratar de ser

rápidos y precisos en la toma de la lectura de

los datos, ya que esta se debe dar de manera

simultánea.

Ser paciente al momento de variar la

velocidad de los ventiladores del evaporador

y del condensador, ya que este se debe

estabilizar de manera adecuada antes de

proceder a la toma de los datos, para reducir

el porcentaje de los errores de los datos

correspondientes

Se puede notar que se obtuvieron valores de

perfomancia COP la cual es mayor en un tubo

capilar lo mismo que demuestra que este

dispositivo hace más eficiente el ciclo que

uno que opera entre una válvula de

expansión.

Referencias bibliográficas:

http://termoaplicadaunefm.files.wordpress

.com/2009/05/tema-i-ciclos-de-

refrigeracic3b3n-por-compresic3b3n-de-

vapor1.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%

C3%B3n_por_compresi%C3%B3n

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Anexos:

Cálculos: Se realizaron los cálculos para la válvula de expansión a velocidad alta

Evaporador:

QL = Hs − He

QL = 114.340 − 110.637 = 3.703

Compresor:

W = Hs − He

W = 122.592 − 115.652 = 6.945

Coeficiente de perfomancia:

𝐂𝐎𝐏𝐑 =efecto de enfriamiento

entrada de trabajo neto=

3.703

6.94= 0.5335

Se realiza el mismo procedimiento para calcular todos los demás resultados respectivos obtenidos y

dados en las tablas de resultados.

1. ¿Enumere alguna de las aplicaciones industriales del ciclo de refrigeración?

Sistemas de acondicionamiento de aire y refrigeradores.

2. ¿Elabore el diagrama de energía, los diagrama t-s y P-h de un ciclo de refrigeración en

cascada?

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3. ¿Explique las ventajas de un ciclo de refrigeración en cascada, con respecto al estudiado en

la práctica?

En algunas aplicaciones industriales son necesarias temperaturas moderadamente bajas, y el

intervalo de temperatura que implican es demasiado grande para que un ciclo simple de

refrigeración por compresión de vapor resulte práctico. Un gran intervalo de temperatura significa

también un gran nivel de presión en el ciclo y un pobre rendimiento en un compresor reciprocante.

Una manera de enfrentar esas situaciones es efectuar el proceso de refrigeración en etapas, es decir,

tener dos o más ciclos de refrigeración que operen en serie. Dichos ciclos reciben el nombre de

ciclos de refrigeración en cascada.

4. ¿Mencione los diferentes tipos de ciclos de refrigeración, adicionales al estudiado en la

práctica?

Sistemas de refrigeración por absorción, por medio de cámaras de vacío, refrigeración en cascada,

refrigeración en cascada de múltiples etapas