UNIVERSIDAD DE CARABOBOFACULTAD DE INGENIERAESCUELA DE INGENIERA MECNICADEPARTAMENTO DE TERMICA Y ENERGETICALABORATORIO DE TERMICA

PRACTICA 8SISTEMAS DE REFRIGERACIN

Arvalo SabinoC.I: 20785848Cheng Teckly C.I: 00000000XXXXXXXC.I: 00000000XXXXXXXX C.I: 00000000

Junio de 2015INTRODUCCINLa refrigeracin es una tcnica que se ha desarrollado con el transcurso del tiempo y el avance de la civilizacin; como resultado de las necesidades que la misma sociedad presenta a medida que avanza la tecnologa y la invencin en diferentes campos, contribuyendo a elevar el nivel de vida de las personas. Las aplicaciones de la Refrigeracin son muy numerosas, abarcando desde la conservacin de alimentos, acondicionamiento ambiental, hasta enfriamiento de equipos, entre otros.La diversidad de equipos empleados para refrigeracin y acondicionamiento de aire es muy grande, y su funcionamiento se ajusta, en trminos generales, a ciertos procesos termodinmicos tales como: evaporacin, compresin, condensacin y expansin. Cada sistema tiene sus caractersticas particulares. Cada tipo de compresor opera segn distintos mecanismos de compresin (alternativos, rotativos, helicoidales, entre otros). Cada dispositivo de control est diseado para mantener algn parmetro de funcionamiento de un equipo entre determinados lmites, principalmente: temperaturas, presiones, entre otros fenmenos que se desea controlar. As pues, la seleccin de sistemas de Refrigeracin, dependen en gran medida de cuanta carga trmica se desea extraer, del tipo de instalacin que se requierePero algo que no se puede pasar por alto, es que en cualquier sistema de refrigeracin, se necesitan controles sobre el nivel de lquido del refrigerante y sobre la temperatura del ambiente que se est acondicionando. El control del lquido regula el flujo de refrigerante hacia el evaporador y tambin sirve como barrera de presin entre la alta presin de operacin del condensador y la presin ms baja de operacin del evaporador. Es aqu en donde el uso de tubos capilares, vlvulas de expansin, entre otros dispositivos de expansin, adquieren gran importancia para el funcionamiento adecuado de los sistemas de refrigeracin, llegando incluso a considerarlos estrictamente necesarios. Ya que estos dispositivos constituyen principalmente una restriccin colocada en el sistema, la cual hace posible que el compresor por medio de su efecto de bombeo mantenga cierta diferencia de presin, adems de controlar la velocidad de flujo del refrigerante desde el lado de alta presin hacia el de baja.En esta prctica se estudiar el comportamiento de un sistema de refrigeracin con el uso de un banco de entrenamiento de refrigeracin, se estudiar la importancia de cada elemento que integra el sistema y principalmente se analizar el funcionamiento e influencia de los dispositivos de expansin ms ampliamente usados como lo son el tubo capilar y la vlvula de expansin.

OBJETIVOSOBJETIVO GENERAL. Estudiar los sistemas de refrigeracin con dispositivos de expansin.OBJETIVOS ESPECFICOS. Estudiar a travs de ensayos e investigacin terica la funcin e influencia de un tubo capilar en un sistema de refrigeracin, como dispositivo de expansin. Estudiar a travs de ensayos e investigacin terica la funcin e influencia de una vlvula termosttica en un sistema de refrigeracin, como dispositivo de expansin. Determinar coeficiente de operacin del ciclo de refrigeracin, tanto terico como real.

MARCO TEORICORefrigeracin se entiende como el acto de enfriar un objeto para que su temperatura sea ms baja que la ambiental, o en trminos ms precisos, es un proceso termodinmico donde se extrae el calor de un cuerpo o espacio (bajando as su temperatura) y llevarlo a otro lugar donde no es importante su efecto.En la refrigeracin mecnica se obtiene un enfriamiento constante mediante la circulacin de un refrigerante en un circuito cerrado, donde se evapora y se vuelve a condensar en un ciclo continuo. Si no existen prdidas, el refrigerante sirve para toda la vida til del sistema. Todo lo que se necesita para mantener el enfriamiento es un suministro continuo de energa y un mtodo para disipar el calor.Refrigerantes son los fluidos de trabajo utilizados en los ciclos de refrigeracin, que tienen la caracterstica principal de evaporarse a bajas presiones y temperaturas y condensarse a altas presiones y temperaturas y son capaces de absorber calor de un ambiente. Para cada refrigerante existe una temperatura especfica de vaporizacin asociada con cada presin, por lo que basta controlar la presin del evaporador para obtener la temperatura deseada. En el condensador existe una relacin similar entre la presin y la temperatura.Sistemas bsicos de refrigeracin: tipos, esquema bsico y diagrama termodinmico.Los dos tipos principales de sistemas mecnicos de refrigeracin son el sistema de compresin, que es el usado para esta prctica, empleado en los refrigeradores domsticos grandes y en la mayora de los aparatos de aire acondicionado, y el sistema de absorcin, que en la actualidad se usa sobre todo en los acondicionadores de aire por calor, aunque en el pasado tambin se empleaba en refrigeradores domsticos por calor.Sistemas de absorcinEn estos sistemas, se roca agua (refrigerante) dentro de un evaporador en el que se mantiene un alto nivel de vaci. Una parte del agua se evapora muy rpidamente y enfra la cantidad restante. El vapor de agua es absorbido por una solucin de bromuro de litio existente en la cmara de absorcin. La solucin restante es despus calentada en el generador para separar dicha solucin el agua que contiene evaporndola, la cual se condensa a continuacin en el condensador y retorna al evaporador, con lo que el ciclo se completa. Como el agua se puede evaporar con ms facilidad si se pulveriza, se utiliza una bomba para hacerla circular desde la parte inferior del evaporador hasta un pulverizador situado en la parte superior. Para incrementar la absorcin que realiza el bromuro de litio, se repite la operacin anterior en un recipiente llamado absorbedor. En el ciclo mencionado anteriormente el agua se usa como refrigerante, pudiendo ser sustituido por amonaco u otro refrigerante.

Figura 1. Sistema de absorcinLa refrigeracin por absorcin se usa cada vez ms en refrigeradores para acondicionar el aire, en los que resultan adecuadas temperaturas de refrigerante entre 7 y 10 C aproximadamente.

Sistemas de compresinLos sistemas de compresin emplean cuatro elementos en el ciclo de refrigeracin: compresor, condensador, vlvula de expansin y evaporador. En el evaporador, el refrigerante se evapora y absorbe calor del espacio que est enfriando y de su contenido. A continuacin, el vapor pasa a un compresor movido por un motor que incrementa su presin, lo que aumenta su temperatura. El gas sobrecalentado a alta presin se transforma posteriormente en lquido en un condensador refrigerado por aire o agua. Despus del condensador, el lquido pasa por una vlvula de expansin, donde su presin y temperatura se reducen hasta alcanzar las condiciones que existen en el evaporador.

Figura 2. Sistema de compresinEl ciclo de Carnot invertido no es prctico para comparar el ciclo real de refrigeracin. Sin embargo es conveniente que se pudieran aproximar los procesos de suministro y disipacin de calor a temperatura constante para alcanzar el mayor valor posible del coeficiente de rendimiento. En la Figura 3 se muestra el diagrama T-s del ciclo ideal. El vapor saturado en el estado 1 se comprime isoentrpicamente a vapor sobrecalentado en el estado 2. El vapor refrigerante entra a un condensador, de donde se extrae calor a presin constante hasta que el fluido se convierte en lquido saturado en el estado 3. Para que el fluido regrese a presin ms baja, se expande adiabticamente en una vlvula o un tubo capilar hasta el estado 4. El proceso 3-4 es una estrangulacin y h3=h4. En el estado 4, el refrigerante es una mezcla hmeda de baja calidad. Finalmente, pasa por el evaporador a presin constante. De la fuente de baja temperatura entra calor al evaporador, convirtiendo el fluido en vapor saturado y se completa el ciclo. Observe que todo el proceso 4-1 y una gran parte del proceso 2-3 ocurren a temperatura constante.

Figura 3. Diagrama T-s para un ciclo de refrigeracin por compresin idealEl proceso de compresin real incluir efectos friccionantes los cuales incrementan la entropa y la transferencia de calor, lo cual puede aumentar o disminuir la entropa. En un ciclo real puede ocurrir que el refrigerante se sobrecaliente un poco en la entrada del compresor y se subenfra en la salida del condensador. Adems el compresor no es isoentrpico. Esto se observa en la Figura 4:

Figura 4. Diagrama T-s para un ciclo de refrigeracin por compresin realEn vez de la eficiencia trmica, que se toma como criterio en el anlisis de las mquinas trmicas, el estndar para la eficiencia de la energa en los procesos de refrigeracin es el Coeficiente de Operacin. Un estndar de operacin se define comnmente como el cociente de lo que se desea entre lo que debemos dar. El objetivo de un refrigerador es el extraer el calor de una regin que se halla a baja temperatura a fin de mantener esta en un valor deseado. Por tanto el coeficiente de operacin (COP) de un refrigerador se define como:

(1)Principales dispositivos del sistema de refrigeracin por compresin:Evaporador: es el intercambiador de calor donde se produce la transferencia de energa trmica desde el medio a ser enfriado hacia el fluido refrigerante que circula en el interior del dispositivo. Su nombre proviene del cambio de estado sufrido por el refrigerante al recibir esta energa, luego de una brusca expansin que reduce su temperatura. Durante el proceso de evaporacin, el fluido pasa del estado lquido al gaseoso. Se pueden clasificar como evaporadores de tubo y aleta, de tubo descubierto y de placa.Condensador: En esta unidad de transferencia de calor, el calor extrado por el evaporador y el aadido por el compresor se disipa en un medio condensante. El vapor a alta presin y temperatura que sale del compresor est sobre calentado y se retira en la lnea de descarga y la primera porcin del condensador, el vapor se condensa en lquido para continuar el ciclo. Existen tres tipos: enfriados por agua, enfriados por aire, y de inmersin. Compresor: El compresor es un aparato electro mecnico que tiene como papel elevar la presin del fluido refrigerante de la presin de evaporacin a la presin de condensacin. El refrigerante sale del evaporador, o bien como vapor saturado o ligeramente recalentado y entra en el compresor donde es comprimido. La compresin se realiza igual que en un motor de explosin, esto es por el movimiento de un pistn.El compresor necesita una energa y produce un trabajo. Este trabajo es transferido al vapor refrigerante y se le llama trabajo de compresin. A causa de este trabajo de compresin, el vapor sale del compresor a una presin distinta y la energa extra aplicada produce un fuerte recalentamiento del vaporVlvula de estrangulamiento: La misin de los elementos de expansin es la de controlar el paso de refrigerante y separar la parte de alta con la de baja. Dado que el dispositivo de expansin regula el flujo de refrigerante hacia el evaporador, su seleccin es de particular importancia para la operacin del sistema de refrigeracin. Un dispositivo de expansin mal aplicado o incorrectamente dimensionado puede causar dificultades operacionales y un funcionamiento pobre del sistema. Los diferentes tipos de elementos de expansin son: Tubo capilar, Vlvula de expansin termosttica, Vlvula de expansin automtica, Vlvula manual, Vlvula de flotador en alta presin, Vlvula de flotador en baja presin, Vlvula electrnica.Tubos CapilaresLos tubos capilares se utilizan habitualmente como elementos de expansin en pequeas instalaciones por las razones siguientes: facilidad de instalacin, bajo costo, fiabilidad (no hay piezas en movimiento), permiten la utilizacin de compresores de bajo par de arranque por el buen equilibrio de presiones. Tiene como contrapunto que debido a su rigidez no permite adaptar el caudal del refrigerante a las variaciones de carga trmica y temperatura del medio.Cuando el refrigerante lquido entra dentro del tubo capilar se produce una estrangulacin, (aumenta la velocidad y disminuye la presin) debido a esto parte del lquido se evapora al cambiar de presin. Para evitar que se evapore todo el lquido antes de entrar al evaporador se suele soldar junto con la lnea de aspiracin para evitar que robe calor del exterior. Como el tubo capilar es estrecho y muy susceptible a toparse con cualquier material extrao, se debe usar un filtro secador a su entradaVlvulas Expansin Termosttica: Estas vlvulas regulan la inyeccin de refrigerante lquido en los evaporadores. La inyeccin se controla en funcin del recalentamiento del refrigerante. Por lo tanto, las vlvulas son especialmente adecuadas para inyeccin de lquido en evaporadores "secos", en los cuales el recalentamiento a la salida del evaporador es proporcional a la carga de ste.

Figura 5. Partes de una Vlvula de Expansin TermostticaLa vlvula termosttica de expansin tiene tres funciones. Reduce la presin del refrigerante lquido que entra al evaporador para que se evapore a baja temperatura. Controla el refrigerante que entra al evaporador para que haya lquido que evaporar, en toda su superficie de evaporacin. Controla el sobrecalentamiento del gas en la salida del evaporador.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALEjercicio Prctico N 1. Ciclo bsico de refrigeracin con tubo capilar.1. Abrir y cerrar las vlvulas manuales para disponer el sistema de refrigeracin tal como se muestra en la figura 9.4 de la gua de la prctica. 2. Medir y registrar la presin en la salida del condensador y en la entrada del evaporador. Esto proporciona la presin inicial en el tubo capilar. 3. Conectar el interruptor principal de alimentacin. 4. Encender los ventiladores del condensador y del evaporador No. 1. En la posicin HIGH. 5. Arrancar el compresor y hacer funcionar el mdulo de capacitacin durante aproximadamente 10 minutos. Esto permite que el sistema se estabilice antes de tomar las mediciones. 6. Medir la presin, la temperatura y los indicadores del sistema elctrico y registrar los valores. 7. Apagar el ventilador del evaporador. Dejar que el sistema funcione durante 10 minutos para estabilizarse. Esto simular una disminucin en la carga de calor del evaporador. 8. Registrar cualquier observacin que haga con respecto a la temperatura del evaporador. 9. Medir y registrar las presiones de succin y de descarga del compresor.10. Medir y registrar las presiones en la entrada y en la salida del evaporador. 11. Medir y registrar las presiones en la entrada y en la salida del condensador. 12. Medir y registrar la temperatura de la cmara del evaporador.13. Medir y registrar las temperaturas en la entrada y en la salida del compresor.14. Medir y registrar las indicaciones del sistema elctrico.15. Apagar el ventilador del condensador.16. Apagar el compresor y el interruptor disyuntor principal. Despus de 5 minutos, observar las presiones a los dos lados del control del tubo capilar.

Ejercicio Prctico N 2. Ciclo de refrigeracin con la vlvula de expansin termosttica.1. Abrir y cerrar las vlvulas manuales para disponer el sistema de refrigeracin tal como se muestra en la figura 9.7 de la gua de la prctica.2. Conectar el interruptor principal de alimentacin. 3. Encender los ventiladores del condensador y del evaporador N 1 y ponerlos en la posicin HIGH. 4. Arrancar el compresor y hacer funcionar el mdulo de capacitacin durante aproximadamente 10 minutos. Esto permite que el sistema se estabilice antes de tomar las mediciones. 5. Medir la presin, la temperatura y los indicadores del sistema elctrico, y registrar los valores.6. Poner el ventilador del evaporador N 1 en la posicin 0FF. Dejar que el sistema funcione durante 10 minutos para estabilizarse. Esto simular una disminucin en la carga de calor del evaporador. 7. Registrar cualquier observacin que haga con respecto a la temperatura del evaporador.8. Medir y registrar las presiones de succin y de descarga del compresor.9. Medir y registrar las presiones en la entrada y en la salida del evaporador.10. Medir y registrar las presiones en la entrada y en la salida del condensador.11. Medir y registrar la temperatura de la cmara del evaporador.12. Medir y registrar la temperatura en la entrada y en la salida del compresor. 13. Medir y registrar las indicaciones del sistema elctrico. 14. Apagar el ventilador del condensador. 15. Apagar el compresor y el interruptor disyuntor principal.

Ejercicio Prctico N 3. Determinacin del coeficiente de operacin del ciclo de refrigeracin con tubo capilar y ventilador encendidoCon los valores experimentales obtenidos, determinar el coeficiente de operacin del ciclo Terico y Real. Para ello realizar:1. El diagrama terico de presin en funcin de la entalpa, utilizando las presiones de entrada y salida del compresor. 2. El coeficiente terico de operacin para el ciclo. 3. El diagrama terico de presin en funcin de la entalpa, utilizando los datos experimentales obtenidos durante el ensayo. 4. El coeficiente real de operacin para el ciclo de refrigeracin.

DESARROLLO DE LOS EJECICIOS PRCTICOSLuego de seguir el procedimiento experimental y conseguir todos los datos requeridos, se procede a tabular los resultados en la tabla 1.Tabla 1. Datos Obtenidos en el SistemaMediciones del sistemaCon tubo capilarCon vlvula de expansin termosttica

Hora: 3:05 pmCon ventiladorHora: 3:24 pmSin ventiladorHora: 3:44 pmCon ventiladorHora: 3:55 pmSin ventilador

PRESIN

Succin del compresor150 KPa70 KPa105 KPa110 KPa

Descarga del compresor850 KPa828 KPa690 KPa820 KPa

Entrada del evaporador180 KPa100 KPa130 KPa150 KPa

Salida del evaporador170 KPa80 KPa110 KPa120 KPa

Entrada del condensador793 KPa772 KPa750 KPa800 KPa

Salida del condensador793 KPa772 KPa750 KPa800 KPa

TEMPERATURA

Cmara del evaporador14 C18.3 C14 C21.5 C

Entrada del Evaporador3 C0 C2.5 C-3 C

Salida del Evaporador19.4 C3.7 C20.5 C11.7 C

Entrada del Compresor28 C27.2 C26 C28 C

Salida del Compresor33.7 C38 C29.3 C34 C

Entrada del Condensador30.2 C30.1 C29 C31 C

Salida del Condensador29.5 C30 C25.1 C30.8 C

SISTEMA ELCTRICO

Voltios130 V130 V130 V130 V

Amperios7.8 A7.2 A7.6 A7.2 A

Vatios525 W510 W520 W515 W

Adicionalmente en la tabla 2 se presentan las temperaturas obtenidas a la entrada y a la salida de cada vlvula usada en los experimentos.Tabla 2. Temperatura en VlvulasTemperatura en VlvulasCon tubo capilarCon vlvula de expansin termosttica

Con ventiladorSin ventiladorCon ventiladorSin ventilador

Entrada28 C28 C29 C31.5 C

Salida3.3 C0 C2.5 C-3 C

Ejercicio Prctico N 3. Determinacin del coeficiente de operacin del ciclo de refrigeracin con tubo capilar y ventilador encendido3.1. El diagrama terico de presin en funcin de la entalpa, utilizando las presiones de entrada y salida del compresor. De la tabla 1 podemos obtener los datos requeridos referentes a las presiones de entrada y salida del compresor especficamente de la operacin indicada.Presin manomtrica a la entrada del Compresor = 150 KPa.Presin manomtrica a la Salida del Compresor = 850 KPa.Para buscar los datos de entalpa referidos al refrigerante usado en esta prctica (R134a) es necesario usar presiones absolutas.

Presin absoluta a la entrada del Compresor = 150 KPa + 100 KPa = 250 KPa = P1Presin absoluta a la salida del Compresor = 850 KPa + 100 KPa = 950 KPa = P2

Figura 6. Diagrama P-h del ciclo de refrigeracinSe procede a obtener las condiciones del ciclo ideal de refrigeracin. Con la presin de baja (P1 = 250 KPa) y calidad (x = 1) obtenemos h1 y s1.

Con la presin de alta (P2 = 950 KPa) y proceso isoentrpico (s1 = s2 = 0.934 KJ/Kg*K) obtenemos h2.

Con presin de alta (P2 = 950 KPa) y calidad (x = 0) obtenemos h3.

Con proceso isoentlpico (h3 = h4)

De esta manera obtenemos todos los estados completos, se realizar un resumen en la tabla 3.Tabla 3. Datos de los Estados del Ciclo IdealEstado

1234

Presin (KPa)250950950250

Entalpa (KJ/Kg) 248276105105

Calidad1-0-

Entropa (KJ/Kg*K)0.9340.934--

3.2. El coeficiente terico de operacin para el ciclo.

3.3. El diagrama terico de presin en funcin de la entalpa, utilizando los datos experimentales obtenidos durante el ensayo. A diferencia de la parte 3.1 en donde se usan slo las presiones en el compresor, en esta parte se requieren de los datos completos obtenidos de la prctica para establecer los estados del ciclo. De la tabla 1 podemos obtener los datos de la operacin indicada.Temperatura a la entrada del Compresor = 28 C = T1Presin manomtrica a la entrada del Compresor = 150 KPa = P1Temperatura a la salida del Compresor = 33.7 C = T2Presin manomtrica a la Salida del Compresor = 850 KPa = P2Temperatura a la entrada del Evaporador = 3 C = T3Presin manomtrica a la entrada del Evaporador = 180 KPa = P3Temperatura a la salida del Evaporador = 19.5 C = T4Presin manomtrica a la Salida del Evaporador = 170 KPa = P4Para buscar los datos de entalpa referidos al refrigerante usado en esta prctica (R134a) usaremos las presiones manomtricas por razones que se explicarn en el anlisis de resultados.Se procede a obtener las condiciones del ciclo ideal de refrigeracin. Estado 1:

Estado 2:

Estado 3:

Estado 4:

De esta manera obtenemos todos los estados completos, se realizar un resumen en la tabla 4.Tabla 4. Datos de los Estados del Ciclo RealEstado

1234

Presin (KPa)150850180140

Entalpa (KJ/Kg) 278269256270

3.2. El coeficiente terico de operacin para el ciclo.

ANLISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

RECOMENDACIONESBIBLIOGRAFA1 Puebla, Jorge Alberto (2005). Manual de Buenas Prcticas en Refrigeracin. FONDOIN2 Disponible en internet: http://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-2-ciclos-de-refrigeracion1.pdf3 Cengel, Yunus, Cimbala, Jhon (2006). Mecnica de los Fluidos. Primera edicin, McGraw-Hill.4 Mataix, Claudio (2009). Turbomquinas Hidrulicas, Segunda edicin. Editorial ICAI, Madrid. 5 Disponible en internet: http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-152.htm