LABORATORIO DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS III– FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS – UNA 1

Práctica 2: Refrigeración

Benítez, Larissa; Espínola, Iván; Serafini, Hugo; Serafini, Andrea; Zacarías, Fernando.

Resumen -- Las mediciones se realizaron en la unidad experimental Edibon S.A. bomba mecánica de calor R514. Se determinó la potencia teórica de la bomba de calor, la tasa de calor entregado en el condensador y el coeficiente de rendimiento de la bomba (COP) para 5 variaciones de flujo másico de agua de refrigeración. Se hicieron comparaciones de COP de ciclo real con las de ciclo teórico ideal en función al caudal másico de agua de refrigeración, observándose valores de COP ideal superiores al COP real, ambos con tendencia a aumentar conforme aumenta del caudal másico de agua de refrigeración. Se compararon diagramas de presión vs entalpía de ciclo real con las de ciclo teórico en todas las mediciones, donde se puede evidenciar el sobrecalentamiento de refrigerante R-134a a la salida del evaporador y ligero aumento a la salida de compresor.

I. INTRODUCCION

e define Refrigeración como la rama de las ciencias que estudia los procesos de reducción

y mantenimiento de la temperatura de un espacio o material por debajo de la temperatura del ambiente que lo rodea con diversos fines como conservación de materiales o acondicionamiento de entornos por requerimientos varios. [1]

S

La refrigeración mecánica por medio de vapores consiste en la producción continua de líquido frigorígeno, el cual, por vaporización, puede retirar calor del medio que se desea refrigerar. La diferencia fundamental entre este proceso y el proceso de expansión isentrópica de gases, reside en el hecho de que, tanto el calor cedido por el fluido a la fuente caliente (medio ambiente) como el retirado por el mismo de la fuente fría (medio a refrigerar) son calores latentes (calor de condensación o vaporización) en mayor medida. [2]

La refrigeración por compresión de vapor simple es un método de refrigeración que consiste en forzar mecánicamente la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado dividido en dos zonas: de alta y baja presión, con el propósito de que el fluido absorba calor del ambiente, en el evaporador en la

zona de baja presión y lo ceda en la de alta presión, en el condensador [2]

El equipo utilizado en la experiencia representa el citado ciclo y se realizó el estudio del mismo utilizando refrigerante R-134a y agua de la red como fluido de refrigeración para la bomba de calor, se busca determinar la potencia del compresor, el calor transferido y los coeficientes de rendimiento teórico y real. Además se busca realizar comparaciones en un diagrama presión vs entalpia de los ciclos teórico y real a partir de los datos obtenidos.

II. MATERIALES Y METODOLOGIA

1.1Descripción de la instalación.

Las mediciones se realizan en una instalación experimental prefabricada por Edibon S.A., España. Los principales componentes que constituyen la unidad de Refrigeración por compresión mecánica se muestran en la Figura 1.

La instalación consiste en un compresor alternativo herméticamente cerrado equipado con protección de sobrecarga térmica, donde la función principal del mismo es la de elevar la presión del refrigerante proveniente del evaporador. Un condensador de tubos concéntricos en espiral, construido de acero inoxidable, por el anular circula agua de enfriamiento, en corriente paralela al refrigerante; su función es eliminar el recalentamiento del refrigerante gaseoso proveniente del compresor, para luego condensarlo, antes de su ingreso a la válvula de expansión. Un colector de refrigerante líquido, con válvulas de aislamiento para permitir el bombeo de refrigerante. Una válvula de expansión, con control termostático y con ajuste manual de recalentamiento. Su función es controlar el caudal unitario de refrigerante al evaporador. Un evaporador, construido en acero galvanizado con cobre y aluminio, de tubos con aletas. Dispone de una bandeja colectora de goteo de condensación y ventilador de aire.

Profesores: I.Q. Juan Carlos Martinez; I. Q. Mario Smidt.

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La instrumentación del equipo consta de:

Un contador totalizador de energía (contador vatio-hora). Es utilizado junto con un temporizador para medir la potencia absorbida por el compresor.

Un medidor de caudal de agua tipo rotámetro, cuya función es medir el caudal de agua del condensador.

Un medidor de caudal de refrigerante tipo rotámetro, instalado entre el evaporador y el colector.

Termómetros digitales con resolución de 0,1 grado, con conmutador y termopares para indicar las temperaturas.

Dos manómetros, para medir las presiones del evaporador y del condensador.

Todos los componentes y los instrumentos del equipo están montados en una placa de asiento y panel de plástico reforzado con fibra de vidrio.

1.2Ensayos Realizados.

Se realizaron en total 5 ensayos variando el caudal del agua (kg/s) con el consecuente incremento en el caudal del refrigerante R-134a (kg/s).

Los datos obtenidos del equipo son: Tiempo de 1 revolución (s) Caudal de R134-A (Kg/s) Caudal de agua (Kg/s) Presión de Alta (Pa) Presión de Baja (Pa) Temperatura de entrada al compresor, T1

(ºC) Temperatura de salida del compresor, T2

(ºC) Temperatura de salida del condensador, T3

(ºC) Temperatura de entrada al evaporador, T4

(ºC) Temperatura de entrada del agua, T5 (ºC) Temperatura de salida del agua, T6 (ºC)

1.3Determinaciones Experimentales

La potencia de entrada en el compresor se mide mediante un contador vatio-hora. Este contador tiene un disco que gira mientras se consume energía. El número de revoluciones realizadas para el consumo de 1 kWh es indicado en la parte frontal del

contador. La potencia se calcula con la siguiente expresión:

(1.1)

Donde

P: es la potencia de entrada en el compresor (W)

t: es el tiempo para una revolución del disco (s)

La tasa de entrega de calor en el condensador se calcula por la expresión

(1.2)

Donde

Q: es la tasa de entrega de calor al agua en el condensador (W)

Cpw: es el calor específico medio del agua (J/g °C)

T5: es la temperatura de entrada de agua en el condensador (°C)

T6: es la temperatura de salida de agua en el condensador (°C)

El trabajo útil del compresor es calculado a partir de los datos reales por la expresión,

(1.3)

Donde

W: es trabajo útil del compresor

mR134-a: flujo másico de refrigerante R134-a

H1: Entalpia del refrigerente a la entrada del compresor

H2: Entalpia del refrigerante a la salida del compresor

El trabajo perdido es la diferencia entre la potencia teorica del compresor y el trabajo útil.

(1.4)

El coeficiente de rendimiento de la bomba de calor se calcula con la expresión

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(1.5)

El Coeficiente de rendimiento teórico se calcula a partir de los datos de entalpía donde se suponen ciclos ideales de refrigeración, esto es

(1.6)

Donde

H4: Entalpia teórica del refrigerante a la entrada del evaporador

El Coeficiente de rendimiento real se calcula a partir de los datos de entalpía donde se consideran las pérdidas de carga, pérdidas de calor, entre otras, esto es

(1.6)

Donde

H2’: Entalpia real del refrigerante a la entrada del evaporador

A partir de los datos obtenidos se pueden generar curvas de rendimiento del ciclo de refrigeración para una gama de temperaturas de la fuente de calor y de la entrega del mismo.Además comparar los ciclos prácticos e ideales en un diagrama presión-entalpía y determinar el equilibrio de energía para el condensador y el compresor.

III. RESULTADOS Y DISCUSION

En las tabla 1 se detallan los datos obtenidos de la unidad experimental, donde se hizo variar el caudal de agua que circula a través del equipo. Se observa que a medida que disminuye este caudal se produce un aumento en el caudal del refrigerante así como también en las presiones en el condensador y evaporador.

En la tabla 2 se detallan las entalpias obtenidas de forma ideal como líquido y vapor saturado y de forma real como liquido ligeramente subenfriado y vapor ligeramente sobrecalentado. También se

encuentran las entalpias de entrada y salida de agua en el condensador.

En la tabla 3 finalmente se registran los datos obtenidos en los cálculos como la potencia al compresor el cual aumenta a medida que disminuye el flujo de agua al condensador. También se registra una disminución de la transferencia de calor en el condensador como consecuencia de la disminución de agua para su refrigeración. Se cuenta al igual con datos de trabajo perdido y eficiencia del ciclo que al igual que los anteriores sufren variaciones como consecuencia de la disminución del caudal de agua en el condensador.

En los gráficos de presión en función de las entalpias se pueden comparar las diferencias entre los ciclos teórico y real para cada una de las mediciones. De esta forma se pueden apreciar los estados de líquido y vapor al momento de ingresar en el compresor y en la salida del condensador, así como la perdida de carga ocurrida en el ciclo real.

IV. CONCLUSIONES

De la tabla 3 se puede inferir sobre los resultados obtenidos, se observa como la potencia de compresor de la bomba de calor aumenta conforme se disminuye el caudal másico de agua de refrigeración, pues dicha disminución obliga al aumento del flujo de refrigerante R-134a, para compensar la variación en carga térmica y mantener las condiciones de refrigeración. Tanto el trabajo útil del compresor como el trabajo perdido disminuyen conforme se disminuye el caudal de agua de refrigeración, pues el calor transferido por el agua de refrigeración hacia el refrigerante R-134a en el condensador debería ser menor, en la tabla 3 se tiene algunas desviaciones sobre esta inferencia, probablemente por errores en la medición.

La gráfica 1 explica la tendencia de aumento de los coeficientes de eficiencia teórico y real en función de flujo másico de agua de refrigeración, las diferencias entre estos coeficientes se atribuye a las pérdidas de carga en los conductos del equipo, principalmente a través del evaporador y a las pérdidas de calor hacia el entorno.

En los gráficos 2 al 11 se comparan los ciclos de refrigeración real y teórico, donde se evidencia según los datos de presión y temperatura un sobrecalentamiento a la salida del evaporador, con ligero aumento en la presión, lo cual no corresponde

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con lo definido por la teoría, esta desviación se atribuye a errores en la medición; Así también se verifica un ligero subenfriamiento a la salida del condensador con ligera pérdida de carga.

V. REFERENCIAS

[1] Sánchez Pineda de las Infantas, M.T. Ingeniería del Frío: Teoría y Práctica. Editorial: S.A. Mundi Prensa Libros, España. 1º Edición. Año 2001

[2] Perry, R. H., Green, D. W., Maloney, J.O. Manual del Ingeniero Químico. Editorial McGraw-Hill, México. 6º Edición. Año 1992. Tomo III.

[3] Branan R. Carl, Soluciones Prácticas para el Ingeniero Químico. Editorial McGraw-Hill, México. 2º Edición. Año 2000.

Profesores: I.Q. Juan Carlos Martinez; I. Q. Mario Smidt.

VI. ANEXO

Figura 1. Esquema de la bomba de calor mecánica R514.

Tabla 1. Registros de la práctica.

Prueba Nº 1 2 3 4 5Tiempo de 1 rev. (s) 68,4 68,4 67,8 66 62,4

Caudal R134-A (Kg/s) 0,005 0,0055 0,0058 0,006 0,007Caudal agua (Kg/s) 0,04 0,03 0,02 0,01 0,004

P. de Alta (Pa) 781325 811325 851325 951325 1191325P. de Baja (Pa) 276325 286325 281325 291325 306325

T. ent. comp., T1 (ºC) 25,1 25,1 25 25 25,2T. sal. comp., T2 (ºC) 73,3 73,6 74 76,1 80,1T. sal. cond., T3 (ºC) 27,8 29 30,6 34,7 43,3T. ent. evap., T4 (ºC) -8,6 -8,3 -7,8 -6,8 -4,6T. ent. agua, T5 (ºC) 25,5 25,8 26,2 27,3 30,1T. sal. agua, T6 (ºC) 28,2 28,7 30,5 34,4 42,9

Tabla 2. Entalpías del refrigerante y agua de refrigeración.

Prueba Nº 1 2 3 4 5Rf. ent. comp., H1 (J/Kg) 424700 424700 424600 424600 424800Rf. sal. comp., H2 (J/Kg) 472400 472700 473100 475300 479500Rf. ent. evap., H4 (J/Kg) 393800 394000 394500 395400 397300

Rf. ent. real comp., H1' (J/Kg) 421500 421300 421300 421100 421000Rf. sal. real comp., H2 (J/Kg) 463900 463800 463800 464800 476500Rf. real ent. evap., H4' (J/Kg) 389100 389100 389700 390400 392100

Agua ent. cond (J/Kg) 106900 108200 109900 114500 126200Agua sal. cond (J/Kg) 118200 120300 127900 144200 179700

Tabla 3. Registro de mediciones.

Prueba Nº 1 2 3 4 5Pot. al comp, P (W) 219,298 219,298 221,239 227,273 240,385

Calor transf. cond., Q (W) 452 363 360 297 214Trab. útil del comp., W (W) 238,5 264 281,3 202,8 164,1

Trab. Perdido Wp (W) 213,5 99 78,7 94,2 49,9COP 2,06112 1,65528 1,6272 1,3068 0,89024

COPTeorico 0,6478 0,63958 0,62062 0,57594 0,50274COPReal 0,43316 0,43106 0,42645 0,41263 0,34242

Gráfico 1. Rendimiento de la bomba de calor vs flujo másico de agua de refrigeración.

Gráfico 2. Ciclo teórico de obtenido a partir de los datos de la primera medición.

Gráfico 3. Ciclo real obtenido a partir de los datos de la primera medición.

Gráfico 4. Ciclo teórico obtenido a partir de la segunda medición.

Gráfico 5. Ciclo real obtenido a partir de los datos de la segunda medición.

Gráfico 6. Ciclo teórico obtenido a partir de los datos de la tercera medición.

Gráfico 7. Ciclo real obtenido a partir de los datos de la tercera medición.

Gráfico 8. Ciclo teórico obtenido a partir de los datos de la cuarta medición.

Gráfico 9. Ciclo real obtenido a partir de los datos de la cuarta medición.

Gráfico 10. Ciclo teórico obtenido a partir de los datos de la quinta medición.

Gráfico 11. Ciclo real obtenido a partir de los datos de la quinta medición.