• Categories
• Refrigeración
• Ramas de la termodinámica
• Termodinámica
• Física aplicada e interdisciplinaria
• Termodinámica atmosférica

Citation preview

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

LABORATORIO 1: Sistema de Refrigeración por compresión de Vapor – Módulo del termostato.

CURSO: Refrigeración y Congelación de Alimentos.

ALUMNAS: Artaza Condori, Ana M. Condori Huanca, Gabriela P. Tantahuillca Landeo, Pat T.

PROFESOR: Villar Estrada, James E.

GRUPO: B* (Lunes de 11 am a 1 pm)

2017-II pág. 1

I.

INTRODUCCIÓN

En el Laboratorio de ingeniería de la UNALM, se cuenta con un equipo de refrigeración por compresión de vapor para una sola temperatura de evaporación mediante una válvula de expansión. Por otra parte los componentes usados dentro de un sistema industrial o comercial son diferentes a los empleados en el equipo del laboratorio. Dado que el sistema de refrigeración del laboratorio limita el acercamiento del estudiante a una instalación típica que se emplea en procesos

industriales

(procesos

de

enfriamiento,

procesos

de

congelamiento) es que se hace necesario contar con una instalación que considere más de una temperatura de evaporación y pueda incorporar componentes comerciales de operación y control, por lo que se vio como funciona el sistema a partir de la utilización del refrigerante r-134ª.

Un sistema de refrigeración muy estudiado es el de por compresión de vapor; este consta de cuatro elementos principales: el compresor, el condensador, el dispositivo de expansión y el evaporador. Estos elementos del proceso además de desarrollar una función específica están influenciados entre sí; por lo tanto, las condiciones impuestas en el sistema deben ser adecuadas para los cuatro de lo contrario pueden afectarse las capacidades individuales, los requerimientos de potencia, elevarse el desgaste y reducirse el efecto útil refrigerante.

Un termostato es el componente de un sistema de control simple que abre o cierra un circuito eléctrico en función de la temperatura. Se emplea en los sistemas de refrigeración con el objetivo de controlar el caudal de líquido refrigerante el cual es desviado hacia el condensador.

Los objetivos del presente laboratorio fueron: 

Identificar los elementos de un sistema de refrigeración por compresión de vapor.

pág. 2



Determinar

las

presiones

de

funcionamiento

y

el

ciclo

termodinámico desarrollado por el sistema. 

Comprender el funcionamiento de los controles actuados por temperatura (termostatos)



Determinar el diferencial del termostato.

II.

MATERIALES Y MÉTODOS

2.1.

Materiales y equipos

Sistema de refrigeración por compresión de vapor  Módulo de refrigeración acoplado con termómetros digitales, refrigerante 134-a (Figura 1).  Módulo de refrigeración acoplado con termómetros digitales, refrigerante 134-a con depósitos de glicol (Figura 2).  Anemómetro.

Control actuado por temperatura  Módulo del termostato (Figura 3).  Termómetro digital.  Medios para modificar temperaturas: Agua y cubos de hielo.

Figura 1. Módulo de refrigeración acoplado con termómetros digitales, refrigerante 134-a.

pág. 3

Figura 2. Módulo de refrigeración por compresión de vapor con depósitos de glicol.

pág. 4

FOCO

TERMOSTATO

TERMÓMETRO

Figura 3. Módulo de termostato

2.2.

Métodos

Sistema de refrigeración por compresión de vapor 1. Para la identificación se procedió a reconocer los elementos del módulo con el esquema presentado en la figura 4 y estos se mencionaran en el Cuadro 1. 2. Posteriormente, se señalaron las características de los principales elementos del módulo de refrigeración, los cuales se indicarán en el Cuadro 2. 3. Luego se procedió a la identificación de llaves abiertas y cerrada para el funcionamiento del sistema con condensador enfriado por aire y evaporador en aire, reportados en el Cuadro 3. 4. Se

desarrolló

el

ciclo

termodinámico

para

tres

acondicionamientos del sistema donde se determinaron

pág. 5

presiones y temperaturas de funcionamiento para cada punto correspondiente. Estos tres fueron: (1) Módulo con refrigerante 134-a antes de prenderse el termostato, (2) Módulo con refrigerante 134-a después de prenderse en termostato y (3) Módulo con refrigerante 134-a y refrigeración con glicol. 5. Finalmente se procedió a la medición de la velocidad de aire con el anemómetro.

Control actuado por temperatura- Módulo de Termostato 1. Se identificaron las partes constituyentes del termostato en la figura 5. 2. Se ajustó el diferencial y se anotó la temperatura de prendido y apagado del foco. Estos datos se pueden ver en resultados y discusiones.

pág. 6

III.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La práctica seguida consistió en tres partes: Primero la identificación del sistema de refrigeración por compresión de vapor. Segundo, se operaron los sistemas de refrigeración que trabajan en las diferentes condiciones, explicadas anteriormente. Por último, se evaluó el módulo del termostato mediante el acondicionamiento de muestras con hielo. Los resultados obtenidos se desarrollan a continuación.

3.1.

Identificación del sistema de Refrigeración por Compresión de Vapor

Figura 4. Esquema del módulo de refrigeración.

pág. 7

En la figura 4 se observa el esquema general del módulo de refrigeración por compresión. En el Cuadro 1 se identifican los elementos de éste.

Cuadro 1: Identificación de los elementos del módulo de refrigeración. NÚMERO 1 2 3, 4, 6

ELEMENTO Compresor hermético. Trampa de líquido. Llaves de paso.

5

Filtro secador.

7

Llave

que

va

al

condensador

de

convección forzada (aire). 8

Llave que va al condensador con agua.

9

Condensador de aire.

10

Condensador de líquido.

11

Evaporador con agua.

12, 13 14

Dispositivo de expansión (tubo capilar). Evaporador por convección (aire).

15, 16

Llaves de paso.

17

Visor de líquido.

En el cuadro 2 se describen los principales elementos del sistema. Sin embargo, se debe mencionar algunos elementos preventivos que también cumplen funciones importantes en el sistema (Proaño, 2011):  Filtro secador: Filtra y detiene cualquier impureza en el circuito del sistema. Además, absorbe la humedad en el circuito después del condensador en donde actúa el material desecante (sílicagel) que previene el posible daño en el sistema.  Visor de líquido: Diagnostica el estado del refrigerante en el interior del circuito. Es instalado después del filtro secador, si se encuentra seco es color verde, si existe humedad será amarillo.

pág. 8

Cuadro 2: Características de los elementos del módulo de refrigeración. ELEMENTOS Compresor

CARACTERÍSTICAS Bombea el refrigerante a través de todo el sistema. Aumenta la presión y temperatura en el sistema al disminuir el volumen de la cámara que contiene al refrigerante. El refrigerante 134-a sale de este a presiones y temperaturas elevadas. Existen diversos tipos, se emplearon compresores herméticos (principio biela-manivela).

Condensador

Es el sistema que expulsa calor del sistema de refrigeración hacia el medio ambiente, actúa como elemento de transferencia de calor. Recibe el gas expulsado a alta presión y alta temperatura del compresor, el refrigerante se convierte en líquido saturado puro.

Válvula de expansión

Aplicado a controlar, y regular el flujo o dosificación del refrigerante, y separando los lados de alta y baja presión. Tiene como objetivo principal la correcta condensación del refrigerante en estado líquido antes de ingresar al evaporador, lo que se logra reduciendo la presión y temperatura (a entalpía constante). Existen diversos tipos.

Evaporador

Es un elemento de transferencia de calor que absorbe el calor del sistema de refrigeración, ingresa una mezcla de aproximadamente 75% líquido y 25% vapor. Convierte todo el líquido refrigerante en vapor (vapor saturado). Fuente: Castillo y Puente (2014) y Proaño (2011)

El cuadro 3 muestra el cierre y abertura de llaves en el sistema. Cuadro 3: Cierre y apertura de llaves para el funcionamiento de la disposición. DISPOSICIÓN Sistema enfriado

con

LLAVES

LLAVES

ABIERTAS

CERRADAS

3, 4, 6, 7, 16.

8, 15.

condensador

por

aire

y

evaporador en aire.

pág. 9

3.2.

Ciclo termodinámico desarrollado para el sistema

Se trabajaron con dos módulos con refrigerante 134-a, uno sólo con los elementos básicos de un sistema de refrigeración y otro con depósitos de glicol (refrigerante secundario) para un mejor funcionamiento, los resultados se muestran a continuación. En el caso del primer módulo, se analizó en dos partes: (a) Antes del funcionamiento del termostato, con once repeticiones y (b) después del funcionamiento del termostato, con tres repeticiones. Lo diagramas de P-h y T-s se presentan en el anexo 2, considerando:  Ciclo 1: módulo “antiguo” antes del funcionamiento del termostato.  Ciclo 2: módulo “antiguo” después del funcionamiento del termostato.  Ciclo 3: módulo “nuevo”. 3.2.1. Registro de datos de temperatura y presión para los módulos. a. Ciclo 1 – Primer módulo. Para esta primera parte se tomaron 11 repeticiones en las mediciones de presión y temperatura. Cuadro 4: Registro de presión y temperatura en el primer ciclo.

Punto

Presión (MPa)

1 2 3 3’ 4 5

0.101 0.905 0.886 0.861 0.101* 0.101*

Desviación Temperatura Desviación estándar (°C) estándar 0.000 0.000 0.000 0.011 -

12.80 87.96 22.85* 22.85* -26.13* -18.15

0.3725 0.9607 0.2408

Estado Sobrecalentado Sobrecalentado L. Subenfriado L. Subenfriado Mezcla Vapor saturado

*Valores corregidos para el software empleado TermoGraf® v5.7

Se ingresaron los datos promedios de presión y temperatura, algunos valores fueron corregidos automáticamente por el software y se

pág. 10

consideraron que los procesos 3 a 3’ y de 3’ a 4 son isoentálpicos. Así como presiones iguales en los puntos 4, 5 y 1. En base al software, se obtuvo el valor de la calidad en el estado 4, x4 =0.30428. b. Ciclo 2 – Primer módulo. En esta segunda parte sólo se llegaron a tomar tres repeticiones. Cuadro 5: Registro de presión y temperatura en el segundo ciclo. Punto 1 2 3 3’ 4 5

Presión Desviación Temperatura Desviación (MPa) estándar (°C) estándar 0.199 0.722 0.696 0.696 0.199 0.199*

0.0855 0.0599 0.1080 0.0786 -

23.23 81.03 23.00 23.00 -10.2025* -10.09*

8.6864 5.8943 0.0000 -

Estado Sobrecalentado Sobrecalentado Subenfriado Subenfriado Mezcla Vapor saturado

*Valores corregidos para el software empleado TermoGraf® v5.7

Se tuvieron las mismas consideraciones del ciclo anterior, observando que la variación del estado 3 al 3’ fue mínimo. Además, se tomó que el estado 5 salía como saturado ya que no podía tomar el valor de temperatura -17.2ºC, porque sería estado subenfriado y no completaría al ciclo evaluado. Para el estado 4 se obtuvo x4 = 0.22093. c. Ciclo 3 – Segundo módulo. En este módulo se tomaron seis repeticiones y se procedió de la misma manera que en los anteriores datos. Cuadro 6: Registro de presión y temperatura en el tercer ciclo. Punto 1 2 3 4 5

Presión Desviación Temperatura Desviación (Mpa) estándar (°C) estándar 0.156 1.105 1.152 0.173 0.156

0.0138 0.0082 0.0174 0.0147 -

20.82 62.77 39.18 -13.68 0.00

0.2483 0.5428 0.2483 -

Estado Sobrecalentado Sobrecalentado Subenfriado Mezcla Saturado

En este ciclo el proceso del estado 3 al 4 se consideró como isoentálpico. Y para el estado 5 se tomó la temperatura de saturación

pág. 11

0ºC con la que se halló la temperatura correspondiente. En el caso del estado 4 también se tomó el dato de presión y la temperatura se halló en función a la calidad obtenida luego del proceso isoentálpico, x4 = 0.35438. d. Procesos detectados en los ciclos de refrigeración por compresión

Se observó que el ciclo obtenido por el sistema de refrigeración por compresión de la experiencia presentó diferencias con un ciclo ideal, siendo el más cercano al ideal el ciclo 2 del módulo “antiguo”, por presentar entalpía constante en sus estados 2, 3 y 4; además de tener una de las menores variaciones entrópicas, así como por obtener una calidad menor entre los tres, es decir, se tiene más refrigerante en estado líquido a la entrada del evaporador, por lo que el efecto útil será mayor en este. En un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor, el sistema se diseña para que el refrigerante se sobrecaliente ligeramente en la entrada del compresor y así asegurar que se evapore por completo, por efecto de la fricción (Cengel y Boles, 2012). En la práctica se obtuvo que, para los tres casos, el refrigerante en el estado 1 empezó como vapor sobrecalentado.

Durante la compresión, el refrigerante aumenta la presión, lo que ocasiona también un aumento de temperatura (Cengel y Boles, 2012). Del estado 1 a 2, se comprimió politrópicamente, lo que puede influir positiva o negativamente sobre la eficiencia del sistema. Esto se analizará más adelante. De los tres ciclos se tiene que el valor de la entropía aumenta para el ciclo 1 y 2, mientras que en el ciclo 3 disminuye.

Del estado 2 a 3 ocurre la condensación, en la cual es inevitable tener una caída de presión porque dentro de las tuberías presenta fricción lo que provoca esta disminución; adicionalmente, el diseño permite que el refrigerante se llegue a subenfriar antes de entrar a la válvula de estrangulamiento (Cengel y Boles, 2012). De los ciclos se obtiene que hay una mayor variación de presión en el ciclo 3 (el cual aumentó

pág. 12

durante su operación debido a que no se rechazó gran cantidad de calor al medio ambiente). Mientras que el ciclo 1 presenta mayor caída de presión respecto al ciclo 2, con lo que se observa que el funcionamiento del termostato regula el ciclo. Adicionalmente, sólo en el ciclo 1 se presenta una caída a entalpía constante de la presión que va de 3 a 3’.

Del estado 3, o 3’, a 4 se han asumido procesos isoentálpicos para los tres casos. En este proceso, tanto presión como temperatura disminuyen debido al estrangulamiento en el cual el fluido pasa por una abertura más estrecha en su diámetro que provoca un aumento de velocidad y caída de presión, con esto se llega al estado de mezcla debido a que una cantidad del líquido se evapora adquiriendo calor latente (Proaño, 2011). Entre los ciclos, se obtiene que el ciclo 2 presenta mejor valor de calidad, al disponer de mayor proporción de líquido satura que los otros, el aprovechamiento del efecto útil será mayor durante la evaporación.

Finalmente, de 4 a 5, el refrigerante es evaporado. El calor fluye a través de las tuberías del evaporador hacia el refrigerante. Absorbe calor sensible del alrededor, aumenta su entalpía (Conesa, 2011) y así llega del estado mezcla a estado de vapor sobrecalentado. Respecto a las presiones, de los tres casos analizados, se observó una caída de presión en el primer y tercer caso, mientras que en el segundo se observa que aumenta. Pero, al respecto, Morán (2004) menciona que hay caída de presión por rozamiento y el refrigerante fluye a través de una caída de presión constante en los dos intercambiadores de calor (evaporador y condensador).

pág. 13

3.2.2. Determinación de los calores en condensador y evaporador, y COP.

Con los datos de los registros anteriores se obtienen los siguientes cuadros con datos de entalpía y entropía, que fueron hallados con el Software Termograf®, según se ingresaban los datos. Luego se realizan los cálculos correspondientes para determinar los calores absorbidos y rechazados por el evaporador y condensador, respectivamente. Cuadro 7: Datos obtenidos para los tres ciclos trabajos. Punto de estado 1 2 3 3’ 4 5

Ciclo 1 Entalpía Entropía (kJ/kg) (kJ/kg*K) 264.01 1.06121 321.29 1.07057 81.709 0.30720 81.703 0.30725 81.703 0.33244 238.755 0.9678

Ciclo 2 Entalpía Entropía (kJ/kg) (kJ/kg*K) 270.791 1.03124 316.72 1.07491 81.877 0.3083 81.877 0.3083 81.877 0.31926 242.221 0.93241

Ciclo 3 Entalpía Entropía (kJ/kg) (kJ/kg*K) 269.61 1.04624 291.816 0.9726 105.635 0.3857 105.635 0.4133 251.94 0.98392

Las ecuaciones empleadas para hallar los calores son: 𝑄𝑒̇Ciclo = (h5 – h4) 𝑄̇ 𝑐 Ciclo = (h2 – h3)

a. Calor absorbido en el evaporador por unidad de masa refrigerante. La capacidad de refrigeración de un equipo está dada por el calor absorbido en el evaporador (Ruano, 2011). Este valor se puede emplear posteriormente para realizar el cálculo de la eficiencia.  𝑄𝑒̇Ciclo 1 = 238.755 – 81.703 = 157.052 kJ/kg  𝑄𝑒̇Ciclo 2 = 242.221 – 81.8767= 160.344 kJ/kg  𝑄𝑒̇Ciclo 3 = 251.94 – 105.635 = 146.305 kJ/kg

pág. 14

De los ciclos, se observa que hay un mayor efecto útil en el ciclo 2, esto se debe principalmente al valor presentado en la calidad de la mezcla. Ya que conforme el estado a la entrada del evaporador tenga mayor proporción de agua, mayor será el efecto útil.

b. Calor rechazado en el condensador por unidad de masa refrigerante.  𝑄̇ 𝑐 Ciclo 1 = 321.29 – 81.7089 = 239.5811 kJ/kg  𝑄𝑐̇Ciclo 2 = 316.72 – 81.8767 = 234.8433 kJ/kg  𝑄𝑐̇Ciclo 3 = 291.816 – 105.635 = 186.181 kJ/kg

c. Determinación del COP en los sistemas

Se determinan los valores del COP debido a que hacen referencia a la eficiencia con la que está funcionando cada sistema de refrigeración. Un valor alto significa que el sistema está funcionando de manera eficiente (Carreño y Jadán, 2013). 𝐶𝑂𝑃𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 =

𝐵𝑒𝑛𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜 𝑚(ℎ5 − ℎ4 ) = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑚(ℎ2 − ℎ1 )

𝐶𝑂𝑃𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 1 =

(238.755 − 81.7028) = 2.7418 (321.29 − 264.01)

𝐶𝑂𝑃𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 2 =

(242.221 − 81.8767) = 3.4911 (316.72 − 270.791)

pág. 15

𝐶𝑂𝑃𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜 3 =

(251.94 − 105.635) = 6.5885 (291.816 − 269.61)

Se observa que el COP en el sistema “nuevo” es mayor que el COP del sistema “antiguo”. Analizando los beneficios, este último presenta un mayor beneficio. Debido a que en estas condiciones entra al evaporador presentado una mayor capacidad de extraer energía del foco frio (h5-h4) del primer sistema. Eicker, et al (2012) mencionan que el COP generalmente esta entre valores de 6- 11.5 en las situaciones con torre de refrigeración de compresión. Comparado con los resultados se observa que el ciclo 3 están dentro del rango. Se observa, que la temperatura de funcionamiento del evaporador del sistema de refrigeración “nuevo” está en un rango de -13.68°C 0°C y en el sistema de refrigeración “antiguo primer ciclo; en un rango de -26.13 - -18.15 °C. Según Bolagi, (2011) el COP está relacionado directamente con la temperatura, es decir, si aumenta el COP es consecuencia de un aumento de temperatura. Esta afirmación se cumple con lo hallado.

pág. 16

3.2.3. Eficiencia isentrópica Para determinar la eficiencia isentrópica, se debe considerar un proceso isentrópico. Por lo que se tomó un valor adicional de estado 2’, el cual representa el estado correspondiente para el caso de que la entropía en el estado 1 sea igual a la entropía en el estado 2 (s1 = s2), pues como se observó en el cuadro 7, los valores de entropías entre los estados 1 y 2 tienen ligeras diferencias. Obtenido este valor, se halló la entalpía que corresponde a este nuevo estado de 2’. Cuadro 8: Datos de entalpía para los estados requeridos.

Punto de estado 1 2 2'

Entalpía (kJ/kg) Ciclo 1

Ciclo 2

Ciclo 3

264.01 321.29 320.3223

270.791 316.72 310.2018

269.61 291.816 302.3491

La ecuación empleada para hallar la eficiencia en base al trabajo realizado por el compresor es la siguiente: 𝜂𝑐 =

(𝑊 𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟ó𝑝𝑖𝑐𝑜) 𝑚(ℎ2´ − ℎ1) = (𝑊 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑐𝑜) 𝑚(ℎ2 − ℎ1)

Se hallaron los valores de eficiencia para cada ciclo descrito: 𝜂𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 1 =

(320.3223 − 264.01) = 0.9831 (321.29 − 264.01)

𝜂𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 2 =

(310.2018 − 270.791) = 0.8581 (316.72 − 270.791)

𝜂𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 3 =

(302.3491 − 269.61) = 1.4743 (291.816 − 269.61)

Cengel y Boles (2012) mencionan que en el sistema, es deseable que la entropía del refrigerante durante la compresión disminuya debido a que el

pág. 17

volumen específico y su requerimiento de trabajo es menor (enfriamiento durante la compresión). 3.3.

Módulo del termostato

3.3.1. Identificación del módulo En la siguiente figura se muestra la identificación de las partes del termostato.

ESPIRAL CON LÁMINA BIMETÁLICA

LÁMINA DE COBRE REGULADOR DE ESCALA

Figura 5. Principales partes del termostato.

pág. 18

A continuación se presenta el esquema señalando las partes de un termostato y se explica su funcionamiento.

Figura 6. Termostato con bulbo: 5. Botón manual; 9. Escala de regulación; 10. Borne de fijación; 11. Racor de cable conductor. 12. Resorte principal; 14. Bornes de conexión. 15. Vástago de mando; 16. Sistema de contactos; 17. Tuerca de accionamiento; 18. Brazo de contacto; 19. Rueda de regulación del diferencial; 23. Elementos de fuelle; 25. Orificio de montaje; 26. Soporte de bulbo; 28. Tubo capilar; 29. Bulbo; 30. Tapa de bulbo; 31. Prensaestopas del bulbo capilar; 38. Conexión a tierra; 44. Vástago de regulación de la temperatura (Whitman, 2000)

3.3.2. Funcionamiento del Termostato. El resorte principal (12) se regula girando el botón manual (5) para equilibrar la presión en el interior del elemento.

pág. 19

Cuando la temperatura a nivel del bulbo se eleva, el fuelle se comprime y el vástago principal (15) se desplaza hacia lo alto hasta que la presión del resorte y la del elemento se equilibran. El vástago de mando (15) está provisto de una tuerca de accionamiento y se une a un dispositivo de regulación del diferencial (19) que juntos transmiten los movimientos del vástago de mando al sistema de contacto (16). Según Castellano (2003), el termostato es un dispositivo de control automático que permite conectar y desconectar la unidad compresora (y con ella todo el sistema) en función de la temperatura interior del frigorífico. 

Cuando la temperatura interna alcanza el valor adecuado, el termostato desconecta el sistema.



Cuando la temperatura interna aumenta por encima de los valores de tolerancia establecidos, el termostato vuelve a conectar el sistema de refrigeración.

Los frigoríficos con compartimientos separados de refrigeración y congelación poseen dos termostatos que regulan la temperatura de cada uno de éstos compartimientos. Por otro lado Whitman y Johnson (2000), muestran con más detalle el funcionamiento del Termostato. Mencionan que el mecanismo interno del termostato tiene tres conjuntos que lo componen: 

Conjunto hidráulico



Conjunto mecánico



Conjunto eléctrico

El conjunto hidráulico es responsable de sensar la temperatura y transformarla en una señal de presión que será comparada con la carga de resortes del conjunto mecánico, el cual acciona el conjunto eléctrico, abriendo o cerrando los contactos. Está compuesto por el tubo capilar, el diafragma o fuelle y la carga de gas. El conjunto mecánico está compuesto básicamente por la palanca del fuelle, resortes, tornillos de calibración, impulsor y vástago. Asimismo, la palanca solo tiene dos posiciones: para arriba o para abajo, que son definidas por la diferencia entre la temperatura del ambiente y la temperatura ajustada. De

pág. 20

esa manera se quedara arriba cuando la temperatura ambiente sea mayor que la ajustada, y abajo cuando la temperatura ambiente sea menor que la ajustada. Al girar el vástago se aplica un esfuerzo sobre los resortes, de manera que se cambia la temperatura de respuesta del termostato. Finalmente el conjunto eléctrico está compuesto por una base plástica, los terminales y los contactos eléctricos. Los terminales ligan el termostato al circuito eléctrico del equipo el cual será ligado o desligado en función del movimiento del conjunto mecánico que actúa sobre los contactos eléctricos abriendo o cerrando los mismos.

3.3.3. Cálculo del diferencial de Termostato. En el cuadro 7, se muestran los diferenciales para cada repetición, los cuales, provienen de evaluar las temperaturas de la cámara de refrigeración cuando está apagado y cuando el termostato indica que el compresor debe reiniciar el ciclo (prendido), de tal manera, que la cantidad de grados que separa estas dos mediciones de temperatura, viene a ser la cantidad de grados que el termostato permite que varíe. Cuadro 9: Diferencial del Módulo del Termostato. Temperatura

Temperatura

Δ Diferencial

Apagado (ºC)

Prendido (ºC)

Termostato (ºC)

1

17.5

22.9

5.4

2

17.3

21.9

4.6

3

16.6

22.6

6

Repetición

Según Alarcón (1998), el uso del termostato es el mecanismo destinado a abrir un circuito eléctrico debido a cambios de temperatura. La sensibilidad de un termostato es inversamente proporcional a la extensión de temperaturas que debe controlar. La regulación se caracteriza por la separación entre las temperaturas de conexión y desconexión del termostato. La sensibilidad se mide por la separación mínima que se puede obtener.

pág. 21

Alarcón (1998) menciona que existe un dispositivo o tornillo que permite ajustar el diferencial del termostato (desde el punto de parada al de puesta en marcha. La diferencia entre apertura y cierre del circuito se puede reducir a un mínimo de 2 °C y alcanzar un máximo de 8 °C. En el laboratorio, el diferencial de temperatura de encendido y apagado del termostato fue en promedio fue de 5.3 se aproxima a lo mencionado por Alarcón (1998).

IV.

CONCLUSIONES  Se identificó los principales elementos de un sistema de refrigeración por compresión de vapor (compresor, evaporador, válvula de expansión y condensador).  Se comprobó que en las tuberías siempre existe una pérdida de presión debido a la fricción del refrigerante con el material de las tuberías y sus elementos.  Se comprobó la irreversibilidad del ciclo real, debido a los cambios de presión y temperatura que no se contemplan en el ciclo ideal.  Se identificó y comprendió el funcionamiento del termostato.  El termostato se ubica en el interior de las cámaras y permite regular la temperatura en su interior, controlando el accionar del compresor.  Se obtuvo que el ciclo 2 (módulo antiguo luego del funcionamiento del termostato) tuvo un ciclo termodinámico semejante al de un ideal debido a que presentó procesos isoentálpicos, calidad en la mezcla con mayor proporción líquido y menor caída de presiones. Y, el aprovechamiento del efecto útil fue mayor para el ciclo 2.  Se obtuvo 5.4°C; 4.6°C y 6 °C de diferencial de temperatura, los cuales están dentro del rango establecido.

pág. 22

V.

CUESTIONARIO

1. ¿En qué se diferencia el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor con el ciclo real? Según Cengel (2012), en un ciclo ideal, la compresión es internamente reversible y adiabática, y en consecuencia isentrópico.

Sin embargo, el proceso de

compresión real incluirá efectos friccionantes (los cuales incrementan la entropía) y la transferencia de calor (politrópico) Algunas diferencias que existen entre un ciclo ideal y uno real son las irreversibilidades que pueden presentarse debido a las caídas de presión por la fricción del fluido (en el ciclo real) a través de tuberías y accesorios y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. En el ciclo ideal se da un proceso de compresión húmeda puesto que el proceso completo ocurre en la región de la mezcla en presencia de gotas de líquido. Una compresión húmeda no es conveniente debido a que del compresor no necesariamente va a salir refrigerante en estado de vapor saturado, sino que puede quedar refrigerante líquido (no compresible) retenido en la culata del compresor, causando así averías en las válvulas de succión y descarga. Además al ingresar líquido refrigerante al compresor éste puede arrastrar el aceite de lubricación que se encuentra entre el cilindro y el pistón, aumentando así la fricción entre estos componentes. Si el aceite de lubricación es arrastrado hacia los otros componentes del sistema de refrigeración (condensador, válvula de expansión, etc.) podría resultar perjudicial principalmente si llega al evaporador puesto que constituiría una resistencia adicional a la transferencia de calor. Por otro lado, en un ciclo real se propicia una compresión seca, procurando sobrecalentar el vapor antes de la compresión. Cabe mencionar que el grado de sobrecalentamiento no debe ser excesivo ya que ello produciría temperaturas demasiado elevadas a la salida del compresor lo cual podría provocar una disminución en la viscosidad del aceite de lubricación, volviéndolo tan líquido que se escurriría y no podría cumplir su función. Otra diferencia es que en un ciclo ideal la expansión se lleva a cabo a través de una turbina y se realiza isentrópicamente, generándose cierta cantidad de trabajo que puede ser empleado para mover el compresor. La principal función de la turbina es disminuir la presión y el trabajo que genera es insignificante en

pág. 23

comparación con el trabajo que se requiere para poner en funcionamiento al compresor. Por esta razón, en un ciclo real se reemplaza dicho elemento por un dispositivo de expansión (tubo capilar, válvula de expansión, etc), que cumple la misma función de disminuir la función pero no genera trabajo.

2. ¿Cuáles son las propiedades termofísicas del refrigerante identificado en el laboratorio?

Figura 7. Refrigerante 134ª (Dupont, 2015).

pág. 24

Figura 8. Refrigerante Glicol (Etilenglicol) (ICSC, 2005).

3. ¿Cuál es el principio de funcionamiento del termostato? Tanto los termostatos de caña como de bulbo tienen el mismo principio de funcionamiento, bien sea un tubo recto que llamamos caña o tubo capilar, con un bulbo o pequeño depósito al final, están llenos de un líquido o de un gas de alto coeficiente de dilatación, de tal forma que con los cambios de temperatura se dilatan o contrae, actuando sobre un mecanismo que mueve sus contactos sus contactos de utilización. El mecanismo de actuación puede ser un pequeño émbolo o bien una membrana. Los termostatos de caña en vez de un líquido o gas pueden contener un metal de gran coeficiente de dilatación, como es el caso del invar; ambos tipos se pueden fabricar también con mercurio (Martínez, 2003).

4. ¿Cuál es la función de la válvula solenoide? La válvula solenoide se coloca antes del dispositivo de expansión. Es una válvula que contiene en su parte superior una bovina, dentro de la cual se desliza el vástago de la válvula. Si se hace pasar una corriente eléctrica a través de un hilo conductor enrollado en un núcleo de hierro, se forma un electroimán. El núcleo puede ser atraído por el campo magnético creado al conectar la bobina y desplazado por un resorte alojado en un extremo del núcleo de hierro (Franco, 2006). Su funcionamiento es de todo o nada, no es de regulación proporcional. Cuando está activada por el campo magnético, levanta el vástago de la válvula y deja pasar el fluido. Cuando se desactiva, cesa la imanación (no hay campo magnético), el vástago cae y corta el paso del fluido refrigerante (Franco, 2006).

pág. 25

Va conectada en serie con el termostato, por decirlo de una manera práctica: el termostato deja pasar o corta la corriente a la bobina, con lo cual la válvula se abre o cierra, según las necesidades térmicas (Franco, 2006).

5. Mencione las características más resaltantes del refrigerante del módulo de refrigeración y su nombre químico. Refrigerante 134ª: Su nombre químico del refrigerante 134ª es 1, 1,1,2-tetrafluoroetano.Son de baja toxicidad, no inflamables, no corrosivos y compatibles con otros materiales. Además ofrecen las propiedades termodinámicas y físicas que les hacen ideales para una gran variedad de usos como en acondicionamiento de aire automotriz, electrodomésticos, pequeño equipo estacionario, cajas de supermercado con temperatura media, y refrigeradores industriales y comerciales. El HFC- 134a cumple con los requerimientos de los temas ambientales y de seguridad (Dupont, 2015).

Figura 9. Refrigerante Glicol.Su nombre químico es 1,2-etanodiol (ICSC, 2005).

6. ¿Qué otros sistemas de control existen en un sistema de refrigeración por compresión de vapor?

Según Alarcón (1998), existen diferentes sistemas de control, dependiendo del tipo de sistema de refrigeración que se muestra en el siguiente cuadro.

pág. 26

Cuadro 10: Sistemas de refrigeración:

Fuente: Alarcón (1998)

pág. 27

VI.

BIBLIOGRAFÍA 1. ALARCÓN C., J. 1998. Tratado Práctico de Refrigeración Automática. Editorial Alfa omega. Marcombo. 2. BOLAJI, M.A. 2011. Comparative Analysis of Performance of Three Ozone-Friends

HFC

Refrigerants

in

a

Vapour

Compression

Refrigerator. Journal of Sustainable Energy & Environment 2:61-64. 3. CARREÑO B., P. F. y JADÁN L., C. M. 2013. Estudio del comportamiento termodinámico del refrigerante R-134ª modificando su composición química. Tesis para optar al título de Ingeniero Mecánico. Universidad Politécnica Salesiana. Cuenca (Ecuador). 4. CASTELLANO I. 2003. Proyectos e instalaciones de cocinas. Editorial Ceac. España. 5. CENGEL, Y. A. y BOLES, M. A. 2012. Termodinámica. 7ª edición. McGraw Hill/Interamericana Editores. México D.F. (México). 6. CONESA, J. A. 2011. Sistema de refrigeración por compresión. Universidad de Alicante. Alicante (España). 7. DUPONT, 2015. Revisado el 20 de octubre del 2017. Disponible en: http://www.refecol.com.ec/wp-content/uploads/2015/02/FichaTecnicaSUVA-R134a-Dupont.pdf. 8. EICKER, U., PIETRUSCHKA, D., PESCH R. 2012. Heat rejection and primary energy efficiency of solar driven absorption cooling systems. International Journal of Refrigeration. 9. FRANCO, J. 2006. Manual de refrigeración. Editorial Reverté. Primera Edición. Barcelona, España 10. GUANIPA R., G. 2010. Sistemas de refrigeración. Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda. Coro (Venezuela). 11. ICSC, 2005. Revisado el 20 de octubre del 2017. Disponible en: http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecn icas/FISQ/Ficheros/201a300/nspn0270.pdf 12. MARTÍNEZ, F. 2003. Instalaciones Eléctricas de Alumbrado e Industriales. Ediciones Paraninfo. Primera Edición. España 13. MORAN, M. 2012. Fundamentos de termodinámica técnica. 5ta. Edición. Zaragoza, ES. Editorial, Reverté.

pág. 28

14. PROAÑO F., J. P. 2011. Desarrollo y construcción de una banco de pruebas experimental de expansión del refrigerante 134a para la Facultad de Ingeniería Automotriz de la U.I.D.E. Tesis para optar al título de Ingeniero en Mecánica Automotriz. Universidad Internacional del Ecuador. Quito (Ecuador). 15. ROSAS M., N. 2013. Análisis energético de la conversión de un sistema de refrigeración doméstico con R-12 para ser utilizado con un nuevo refrigerante ecológico. Tesis para optar al grado de Maestro en Ciencias con Mención en Energética. Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima (Perú). 16. RUANO D., R. 2011. Sistemas de Refrigeración: Evaluación de la eficiencia integral. Revisado el 20 de octubre del 2017. Disponible en línea

en:

http://www.energianow.com/Articulos/sistema_refrigeracion_eficienci a.pdf 17. XIAOHONG, Y.; SHAOYUAN, L. y WENJIAN, C. 2015. Enhancedefficiency operating variables selection for vapor compression refrigeration cycle system. Computers and Chemical Engineering 80: 1-14 pp. 18. WHITMAN W, W. 2000. Tecnología de la refrigeración y aire acondicionado. Editorial Thomson. España.

pág. 29

VII.

ANEXOS

ANEXO 1. Artículo científico. PARTE Título

Objetivo

Desarrollo del tema

Método de Análisis

Resultados

1

DESARROLLO Selección de las variables de funcionamiento de eficiencia mejorada para el sistema de ciclo de refrigeración por compresión1  Es seleccionar las variables control del sistema con el método S.O.C. para mejorar la eficacia energética y disminuir las perturbaciones para el sistema.  Elaborar una función para maximizar la eficiencia energética del sistema mientras se satisface la demanda de confort térmico. Con el análisis detallado de las variables operativas se seleccionan las variables operativas candidatas. Por otro lado, para diseñar el controlador del sistema ,existen variables control y variables manipuladas que no sólo afectan al rendimiento del sistema de control sino en el funcionamiento de la planta en general y los costos El método S.O.C. selecciona razonablemente variables control óptimo de sistemas. Su procedimiento es: Paso 1: Definir la función objetivo del sistema y detallar la restricciones para el funcionamiento. Paso 2: Determinar los grados operacionales de libertad y perturbaciones del sistema. Paso 3: Resolver el problema de optimización bajo perturbaciones; Paso 4: Seleccione las variables control óptimos bajo las variables control candidatos. Basadas en auto-optimización control (SOC). Se toma en consideración el efecto sobre la función objetivo,hay restricciones con desigualdades(rangos) para el funcionamiento óptimo:  el grado de sobrecalentamiento del evaporador.  la temperatura del refrigerante a la entrada del evaporador.  la temperatura de evaporación.  el grado de subenfriamiento del condensador.  la apertura de la válvula de expansión.  la presión de evaporación y condensación.  el caudal másico del refrigerante. Hay dos tipos de métodos:  Las combinaciones óptimas de las variables de operación como variable control auto-optimización utilizando el método de pérdida media en el peor de los casos.  Las combinaciones óptimas de las variables de operación como variable control auto-optimización utilizando la pérdida media. 4. CV1 = 1.0099P c - 0.0247T cri + 0.9945P e + 0.0565T ESH CV2 = 0.9163P c + 0.4123T cri + 0.1601P e + 0.3517T ESH CV3 = 0.7862P c - 0.0508T cri + 0.0938P e + 0.3800T ESH La pérdida media es = (10-3 ) 0.03635 5. CV1 = -62.618P c - 5.307T cri - 83.613T cao + 32.176P e + 8.649T ESH CV2 = 51.393P c + 4.578T cri + 67.448T cao - 23.965P e - 0.6986T ESH CV3 = 484.09P c 38.24T + cri + 617.48T cao - 231.9P e - 62.428T ESH La pérdida media es= (10-3 ) 0,0355

Xiaohong Yin, Shaoyuan Li, Wenjian Cai (2015)

pág. 30

Conclusiones

6. CV1 = 0.8043P c - 0.4875T cri + 6.7606P e + 0.6218T eri + 2.8301T ero + 0.0986T ESH CV2 = -0.3532P c + 0.7066T cri + 0.4024P e - 0.1516T eri + 0.1675T ero - 0.0133T ESH CV3 = 0.9107P c + 0.1793T cri - 5.5121P e + 0.5413T eri 2.3396T ero + 0.0105T ESH La pérdida media es = (10-3 ) 0,0354 7. CV1 = 1.5565P c - 67.8303T cri - 9.5512P e + 13.9774T eri 80.0186T ero - 37.5297T ESH - 1.6148T EAO CV2 = 5.7377P c - 42.661T cri + 13.355P e - 16.223T eri - 50.856T ero + 17.699T ESH - 0.5658T EAO CV3 = -2.6726P c + 49.217T cri + 30.360P e + 9.6702T eri + 56.308T ero - 8.3247T ESH + 1.8440T EAO La pérdida media es = (10-3 ) 0,0354  Las mejores combinaciones óptimas de las variables de operación son las ecuaciones 4, 5, 6, 7.  Las combinaciones óptimas de las variables de operación tienen una pérdida media mínima de (10-3) 0,0354.

pág. 31

ANEXO 2. Diagramas P-h y T-s del sistema antes del funcionamiento del Termostato.

Figura 10. Diagrama P- h para el primer ciclo, refrigerante R-134a.

pág. 32

Figura 11. Diagrama T- s para el primer ciclo, refrigerante R-134a.

pág. 33

Figura 12. Diagrama P- h para el segundo ciclo, refrigerante R-134a.

pág. 34

Figura 13. Diagrama T- s para el segundo ciclo, refrigerante R-134a.

pág. 35

Figura 14. Diagrama P- h para el tercer ciclo, refrigerante R-134a.

pág. 36

Figura 15. Diagrama T- s para el tercer ciclo, refrigerante R-134a.

pág. 37