LABORATORIO DE TERMODINÁMICAEQUIPO DE REFRIGERACIÓN GUÍA DE PRÁCTICAS: CICLO DE REFRIGERACIÓN Para la realización del informe, se recomienda revisar la información del presente documento. Además, se ha tomando como referencias: [1] la tesis “Recuperación y readecuación del equipo de refrigeración del Laboratorio de Termodinámica de la Escuela Politécnica Nacional, de la Ing. Catalina Vallejo” (http://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/3802) y [2] el libro de Termodinámica de Yunus A. Çengel, Michael A. Boles, los apartados correspondientes a: - Ciclos de refrigeración - Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor - Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor 1. OBJETIVOS Evaluar el ciclo de Refrigeración por compresión con refrigerante R-134a Establecer las principales diferencias entre el ciclo ideal y el ciclo real de refrigeración. Identificar los sistemas y componentes mecánicos que constituyen un equipo de refrigeración. Tomar datos reales de presiones y temperaturas a fin de calcular el coeficiente de operación, calor absorbido y rechazado. 2. MARCO TEÓRICO El ciclo de refrigeración es el ciclo termodinámico que permite extraer calor de un espacio y rechazarlo hacia otro; lo que da lugar a la refrigeración del primero (el espacio alcanza una temperatura inferior a la ambiente) y la calefacción del segundo (el espacio alcanza una temperatura superior a la ambiente). Para esto el ciclo debe proporcionar un cuerpo a temperatura inferior a la ambiente y ponerlo en contacto con el espacio a refrigerar El ciclo de refrigeración logra que su fluido de trabajo, un compuesto químico llamado refrigerante con propiedades químicas particulares, alcance temperaturas inferiores a la ambiente; al poner en contacto al refrigerante frío con el espacio a refrigerar se logra la disminución de temperatura de éste último. Este ciclo es aplicado en los sistemas de acondicionamiento de aire, refrigeración y bombas de calor. 2.1. Ciclo de refrigeración ideal El ciclo de refrigeración se muestra en diagramas temperatura entropía (T-s) o presión entalpia (P-h) como indica la Figura 1 1 Cada una de las etapas anteriores se lleva a cabo en uno de los componentes principales del ciclo de refrigeración. primero calor sensible hasta alcanzar la saturación y luego calor latente hasta transformarse en líquido saturado. dichos componentes son los siguientes: 1. Condensador: La etapa 2-3 se realiza en este dispositivo 3. sino un desempeño del ciclo. Dispositivo de estrangulamiento: La etapa 3-4 se lleva a cabo en este dispositivo 4. es comprimido isoentrópicamente hasta convertirse en vapor sobrecalentado. caliente por la compresión rechaza calor hacia el ambiente a ser calentado. 2 .Figura 1 Ciclo ideal de refrigeración El ciclo de refrigeración presenta las siguientes etapas: 1-2: Compresión isoentrópica: El refrigerante. El coeficiente de desempeño es distinto para refrigeradores (cuyo objetivo es enfriar un ambiente) y bombas de calor (cuyo objetivo es calentar un ambiente). Compresor: Lleva a cabo la etapa 1-2 2. el cual disminuye su presión y temperatura y convierte al refrigerante en una mezcla líquido – vapor. ya que no considera las pérdidas ocasionadas por ineficiencias de los dispositivos principales además de no considerar la presencia de componentes secundarios presentes en los equipos reales En el ciclo de refrigeración no existe una eficiencia. 2-3: Rechazo de calor a presión constante: El refrigerante. 3-4: Expansión isoentálpica: El refrigerante sufre un proceso de expansión isoentálpico. La mezcla líquido – vapor se convierte en vapor saturado y el ciclo vuelve a iniciarse. debido a que no se da una transformación energética. Evaporador: La etapa 4-1 se lleva a cabo en este dispositivo El ciclo de refrigeración descrito anteriormente es un ciclo ideal. el cual se mide mediante el coeficiente de desempeño (COP). en forma de vapor saturado. 4-1: Absorción de calor a presión constante: El refrigerante frío absorbe calor del ambiente a ser refrigerado. Tubería de líquido: Conecta el condensador con el dispositivo de estrangulamiento.Para refrigeradores (COPR) es el cociente entre el calor absorbido en el evaporador y el trabajo de compresión realizado por el compresor. estas consideraciones crean desviaciones en el ciclo termodinámico ideal. Tubería de descarga: Conecta el compresor con el condensador 3. Ciclo real de refrigeración El ciclo real de refrigeración es el ciclo que cumple el refrigerante en un equipo real.2. transferencia de calor con el ambiente y la presencia de componentes secundarios. 3 . considerando las ineficiencias de los componentes principales. tanto el calor como el trabajo se determinan a partir de la diferencia de las entalpías a la entrada y a la salida de los dispositivos que llevan a cabo estos procesos Q h h COPR evaporador 1 4 Wcompresor h2 h1 Dónde: Qevaporador = Calor absorbido por el evaporador Wcompresor = Trabajo realizado por el compresor hn = entalpía correspondiente al punto “n” del ciclo de refrigeración Para bombas de calor (COPBC) es el cociente entre el calor rechazado en el condensador y el trabajo de compresión realizado por el compresor. Componentes secundarios del equipo de refrigeración 1.1. tanto el calor como el trabajo se determinan a partir de la diferencia de las entalpías a la entrada y a la salida de los dispositivos que llevan a cabo estos procesos Q h h COPR condensador 3 2 Wcompresor h2 h1 Dónde Qcondensador = Calor rechazado por el condensador 2. Tubería de aspiración: Conecta al evaporador con el compresor 2. dando como resultado el ciclo real de refrigeración (Figura 2) Figura 2 Ciclo real de refrigeración 2.2. este proceso ya no se realiza a presión constante para permitir el flujo del refrigerante. Desviaciones del ciclo real respecto del ciclo ideal Se procede a indicar las etapas en el ciclo real 1-2: Se lleva a cabo una compresión no isoentrópica en el compresor debido a irreversibilidades e intercambio de calor con el ambiente. El proceso no es totalmente isoentálpico 6-7: Absorción de calor latente por parte del refrigerante en su paso desde el dispositivo de estrangulamiento hacia el evaporador 7-8: Absorción de calor. Acumuladores de refrigerante en estado líquido y gaseoso: Almacenan refrigerante 5. donde los contactos se cambian de posición según se de tensión o no a una bobina 2. Presostatos: Elementos de control eléctrico que abren o cierran un circuito según la presión medida.2. latente y sensible. en éste ingresa refrigerante en forma de vapor sobrecalentado y sale en forma de vapor sobrecalentado 2-3: Se produce un enfriamiento del refrigerante durante su paso por la tubería de descarga 3-4: Se produce el enfriamiento y condensación del refrigerante en el condensador. ceras y partículas. ácidos. este proceso no se realiza a presión constante para permitir el flujo de refrigerante. Eliminan humedad. manómetros y presostatos 11. Visor de líquido: Permite apreciar el estado del refrigerante al interior del circuito y su contenido de humedad.2.: Expansión de refrigerante subenfriado en el dispositivo de estrangulamiento. por parte del refrigerante en el evaporador. Medidores de presión y temperatura: Termocuplas. La presencia de refrigerante líquido en el compresor puede dañarlo El cálculo del COP sigue realizándose de la forma en que se explicó para el ciclo ideal. Separador de aceite: Dispositivo colocado a la salida del compresor para separar el aceite disuelto en el refrigerante y retornarlo al compresor. Contactores: Elemento electromecánico para permitir o interrumpir el paso de corriente.4. en las cuales la apertura o cierre de las mismas se encuentra controlada por la inducción de un campo magnético generado al energizar una bobina eléctrica. 9. 4 . Válvulas solenoides: Válvulas de paso electromecánicas. de éste sale como mezcla líquido-vapor. Se produce un subenfriamiento en el refrigerante a su paso por la tubería de líquido 5-6. Filtros deshidratadores para la línea de succión y líquido: Diseñados para proteger al compresor y válvula de expansión de partículas y otros contaminantes. 8. El refrigerante entra al condensador como vapor sobrecalentado y sale como líquido subenfriado 4-5. El refrigerante sale del evaporador como vapor sobrecalentado 8-1: Recalentamiento del refrigerante en la tubería de absorción para garantizar que al compresor ingrese sólo vapor y nada de líquido. 6. 7. 10. Tablero de control: Este permite seleccionar el tipo de sistema de refrigeración a usarse entre los cuatro disponibles en el laboratorio: Cámara frigorífica.3. Equipo de refrigeración El equipo de refrigeración del laboratorio de termodinámica trabaja con refrigerante R134a y consta de los siguientes elementos 1. Tablero de mando: Este permite el encendido del equipo (Figura 3). banco de hielo y banco de resistencias (Figura 4) Figura 4 Tablero de control 3. Unidad condensadora: Consta del compresor y el condensador (Figura 5) Figura 5 Unidad condensadora 5 . Figura 3 Tablero de mando 2. aire acondicionado.1. MATERIALES Y EQUIPOS 3. los cuales forman los sistemas de refrigeración del laboratorio y se indican a continuación: 1. (Figura 8) Figura 8 Evaporador del banco de hielo 4.(Figura 7) Figura 7 Evaporador de aire acondicionado 3.4. Evaporador del banco de resistencias. Evaporador del banco de hielo. Evaporador del aire acondicionado. Evaporador de la cámara frigorífica. Evaporador: El equipo consta de cuatro evaporadores (cada uno con su dispositivo de expansión).(Figura 6) Figura 6 Evaporador de cámara frigorífica 2. (Figura 9) Figura 9 Evaporador banco de resistencias 6 . 5.2. Dispositivos de estrangulamiento: A cada uno de los evaporadores le corresponde un dispositivo de estrangulamiento. 7 . descarga y líquido. lo cual permite determinar los valores asociados a cada etapa del mismo.01 El laboratorio cuenta además con el software Refrigeración-R134a1. (Figura 11) Figura 11 Válvula de expansión de la cámara frigorífica En el equipo se encuentran también las tuberías de absorción. Tubo capilar. sobre éste el programa traza un ciclo real e ideal de refrigeración. Permite al usuario observar el diagrama T-s del refrigerante R134a e indica las propiedades termodinámicas para cada punto del diagrama. 3. Permite al usuario conocer las diferencias entre los ciclos real e ideal de refrigeración mediante gráficas didácticas de los mismos. presostatos. manómetros y termómetros. Válvula de expansión con ecualizador externo.0 que tiene las siguientes funciones: Brinda al usuario información general acerca de los ciclos de refrigeración en forma textual y gráfica. así como dispositivos de control como válvulas de paso. en el laboratorio los hay de dos tipos: 1. (Figura 10) Figura 10 Tubo capilar del banco de resistencias 2. Mediante interfaz gráfica el programa muestra los componentes del equipo (fotografías) que corresponden al esquema del mismo El programa posee preguntas de evaluación con las cuales realiza un cuestionario al usuario acerca del ciclo de refrigeración y componentes del equipo del laboratorio. Software de Refrigeración R134a 1. En ese momento la persona encargada de la dirección de la práctica indicará a los estudiantes como se vinculan los componentes del equipo del laboratorio con el ciclo real de refrigeración. Abrir el programa SITRAD (software de Full Gauge Controls para administración a distancia de las instalaciones de refrigeración y adquisición de datos de los sensores de presión y temperatura) 8. 6. Activar uno de los evaporadores en el tablero de control (los evaporadores son el de la cámara frigorífica. Seleccionar OFF en el selector MOTOR ISOLATOR del tablero de mando 8 . Colocar en la posición ON el selector del control MOTOR ISOLATOR en el tablero de mando. Colocar en “ON” el interruptor de palanca (Figura 12) Figura 12 Interruptor de palanca 2. Apagar el equipo de refrigeración a. Pulsar el botón MOTOR OFF en el tablero de mando b. Abrir la ventana Ciclos de refrigeración. Abrir la ventana Comunicación con el equipo. En ese momento la persona encargada de la dirección de la práctica dará a los estudiantes una explicación acerca del comportamiento del refrigerante 134a apoyándose en el diagrama T-s indicado por el programa. Abrir la ventana Refrigerante 134a.4. lo que pone en marcha a la unidad condensadora dando inicio al ciclo de refrigeración 7. o el evaporador para aire acondicionado) 4. En ese momento la persona encargada de la dirección de la práctica dará a los estudiantes una explicación teórica acerca del ciclo de refrigeración. Se procede a realizar la adquisición de datos de presiones y temperaturas. Abrir el programa Refrigeración-R134a1. 10. 3. Pulsar el botón MOTOR ON en el tablero de mando. Energizar los sensores digitales para medición de presiones y temperaturas desde el tablero de control (interruptor inferior). 13. el banco de hielo. tanto real como ideal. Energizar el equipo: a. 12.0 9. Esperar a que se active la válvula solenoide correspondiente al evaporador seleccionado. Activar el interruptor de cuchillas (Figura ) Figura 12 Interruptor de cuchillas b. 11. PROCEDIMIENTO 1. 5. el banco de resistencias. Se registran las mediciones para poder realizar los cálculos correspondientes. México. f. Y. pág. Quito. 608-616 VALLEJO. Mayo 2011 1 9 . McGraw Hill. Manual de usuario. Catalina. 2007. d. Ed..c. BIBLIOGRAFÍA CENGEL. Desactivar el evaporador accionado en el tablero de control Desenergizar los sensores de temperatura Colocar en OFF en interruptor de palanca Desactivar el interruptor de cuchillas 5. “Termodinámica”. e. 5° edición. RECUPERACIÓN Y READEUACIÓN DEL EQUIPO DE REFRIGERACIÓN DEL LABORATORIO DE TERMODINÁMICA DE LA ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL.