Jorge Enrique Patiño Pérez Jonathan Pérez Cárdenas Yeider Rolando Párraga Ibáñez Código 20101074057 Código 20101074060
Views 49 Downloads 15 File size 224KB
Jorge Enrique Patiño Pérez Jonathan Pérez Cárdenas Yeider Rolando Párraga Ibáñez
Código 20101074057 Código 20101074060 Código 20101074056
LABORATORIO REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN
Introducción La refrigeración es un fenómeno que ha sido objeto de estudio de la termodinámica, pero que nosotros a duras penas relacionábamos con el aire acondicionado y una nevera, pero que ahora mediante este informe conoceremos el trasfondo de su funcionamiento desde un punto de vista más teórico y matemático.
dispositivos tales como un evaporador, un compresor, un condensador y una válvula de estrangulamiento o expansión, que interconectados en ese mismo orden entre las regiones fría y cálida para cerrar el circuito para permitir fluir el refrigerante y se cumpla el ciclo.
Objetivo Conocer los procesos termodinámicos, la estructura física, el análisis gráfico y matemático que implica el ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Marco teórico Mediante un sistema cerrado se transfiere calor de una región fría a un entorno o región con mayor temperatura con la intención de refrigerar, que es posible mediante de la manipulación de una sustancia refrigerante el cual se evapora, se condensa y se comprime en fase de vapor de manera repetitiva, este ciclo de refrigeración es denominada por compresión de vapor. El sistema más simple y básico para la refrigeración por compresión de vapor a de constar físicamente con
Fig.1: Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor.
Para el análisis del comportamiento termodinámico de este tipo de sistema se desarrolla partiendo de un ciclo ideal donde no se tendrán cuenta las irreversibilidades de los dispositivos, transferencia de calor del ambiente, la compresión isoentrópica, etc. Básicamente el ciclo esta definido por los estados 12-3-4 de la figura 1 y 2, estipulando 4 procesos:
Proceso 1-2: El refrigerante (presión baja y temperatura alta) se comprime isentrópicamente para subir la presión requerida para el condensador; el trabajo de entrada depende de la cantidad del enfriamiento. Pero es aquí donde el ciclo de refrigeración por compresión de vapor puede ser compresión húmeda o seca dependiendo de la fase en que se encuentre el refrigerante líquido-vapor (figura 2) ó vapor sobrecalentado (figura 3, más común), respectivamente.
Fig.2: Diagrama Ts de ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor húmedo.
Proceso 2-3: El refrigerante (fase vapor, presión y temperatura alta) transfiere calor hacia la región cálida mediante la condensación a presión constante dejándolo líquido saturado.
Proceso 3-4: El refrigerante (fase líquida, presión alta y temperatura baja) es estrangula adiabáticamente y entalpía constante de modo que baje la presión y donde la sustancia es bifásica.
Proceso 4-1: El refrigerante (fase líquido-gas, presión y temperatura bajas) recibe calor de la región fría mientras su sea mayor que la temperatura de saturación del refrigerante, y así culmina el ciclo.
Fig.3: Diagrama Ts de ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor seco.
Ya para el cálculo se considera la primera ley de la termodinámica para cada uno de los procesos, sin tener en cuenta algún tipo de energía cinética ni potencial en flujo estable por tanto: 𝑞 − 𝑤 = ℎ𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − ℎ𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 Partiendo de ello, fácilmente se puede hallar la capacidad de refrigeración o calor extraído de la
región fría (por el evaporador), calor cedido (en el condensador) y trabajo neto (consumido en el compresor) para flujo estable.
aquellas particularidades depreciadas en el modelo ideal, como cambios en el flujo másico, energía cinética, etc.
𝑄̇𝑒 = 𝑚̇(ℎ1 − ℎ4 ) = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑄̇𝑐 = 𝑚̇(ℎ3 − ℎ2 ) 𝑊̇𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑚̇(ℎ2 − ℎ1 ) Y el coeficiente de operación que es la medición del desempeño del refrigerador, sería: 𝛽=
𝑄̇𝑒 𝑊̇𝑛𝑒𝑡𝑜
=
ℎ1 − ℎ4 ℎ2 − ℎ1
Pero ya al considerarlo como ciclo real hay que tener en cuenta las irreversibilidades dadas más que todos por transferencias de calor de o hacia el medio o por fricción, entre otras.
Fig.5: Diagrama Ts de ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor seco.
El compresor a pesar de ser adiabático sufre cambio en la entropía por algún efecto irreversible, eso cuenta como un efecto de compresión irreversible el cual se puede calcular a partir del rendimiento adiabático del compresor: ηcompresor =
𝑊̇𝑐𝑜𝑝 ´ ℎ2´ − ℎ1 = ℎ2 − ℎ1 𝑊̇𝑐𝑜𝑝
A raíz de que la presión suele dejarse bajar, el volumen específico se ve afectado por tanto la potencia de entrada requerida tiene que cambiar teniendo en cuenta: 𝑊̇𝑛𝑒𝑡𝑜 = ∫ 𝑣 𝑑𝑝 Fig.4: Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor seco.
Se debe hacer otra vez balance de energía a partir de la primera ley de la termodinámica para considerar
Problema Un refrigerador opera en un ciclo de por compresión de vapor seco usa refrigerante 134a como fluido de
trabajo, con una temperatura en el evaporador de -20 ºC y una presión en el condensador de 0,9 MPa, el flujo másico del refrigerante es 3,4 Kg/min, siendo el rendimiento adiabático del compresor del 73%. Calcular la potencia real dada al compresor, la capacidad de refrigeración y el coeficiente de operación. Bibliografía MORAN, Michael; SHAPIRO, Howard. Fundamentos de termodinámica técnica. Editorial Reverte. Edición 2. Barcelona, 2004. JONES, J.B.; DUGAN, R.E. Ingeniería termodinámica. Editorial Prentice Hall. 1997.