Dto. de Máquinas y Motores Térmicos


Makina eta Motore Termikoetako Saila

 

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  • Máquina frigorífica 


 

 

 

 MÁQUINA FRIGORÍFICA

BOMBA DE CALOR

 

 

 

 Objeto: 

Familiarizar al alumno con las instalaciones de refrigeración. Análisis del ciclo termodinámico de refrigeración por compresión de vapor

Analizar la morfología  de una instalación de refrigeración y de sus componentes principales. Identificar los distintos elementos que conforman el circuito frigorífico  realizar un esquema de la instalación.

Cálculo del coeficiente de operación de la máquina. en distintas condiciones de funcionamiento

Material:

El ciclo de compresión del vapor.

 

La trabajo mecánico para el ciclo de compresión del vapor acciona un compresor, que mantiene baja presión en un evaporador y una presión más alta en un condensador.

La temperatura a la cual se evapora un líquido (o se condensa un vapor) depende de la presión; así pues, si se hace trabajar la máquina con un fluido adecuado, éste se evaporará a una baja temperatura en el evaporador de baja presión (tomando calor de su entorno) y se condensará a una temperatura más alta en el condensador de alta presión (desprendiendo calor a su entorno).

El líquido de alta presión formado en el condensador precisa devolverse al evaporador con un gasto controlado.

El ciclo simple de refrigeración por compresión del vapor tiene por tanto cuatro componentes:

- Un evaporador donde se absorbe el calor a una baja temperatura al evaporarse (hervir) un líquido a baja presión.

- Un compresor que utiliza una energía mecánica para aumentar la presión del vapor.

- Un condensador donde se condensa el vapor de alta presión, desprendiendo calor a sus proximidades.

- Un dispositivo reductor de presión del líquido de retorno al evaporador, y que además controla el caudal.

Descripción de la máquina

El evaporador es un cilindro vertical de vidrio con placas extremas metálicas. Un serpentín helicoidal de tubo de cobre conduce el agua a través del refrigerante contenido en el cilindro. El compresor mantiene una baja presión en el evaporador y esto causa la ebullición del refrigerante a baja temperatura, extrayendo el calor del agua y reduciendo su temperatura.

El vapor de baja presión formado en el compresor se introduce en el compresor, donde aumenta su presión y pasa al condensador. El compresor es de tipo diafragma y está directamente acoplado a un motor eléctrico.

El condensador es también un cilindro vertical de vidrio a través del cual circula el agua de refrigeración por un serpentín de tubo metálico. El vapor de alta presión procedente del compresor se condensa al transferir su calor latente al agua de enfriamiento, la cual se calienta.

El líquido saturado de alta presión se recoge en el fondo del condensador, y su nivel controla una válvula de expansión actuada por flotador. Esta válvula llega a su posición de equilibrio y descarga el líquido refrigerante de vuelta al evaporador a la misma tasa con que se forma.

Al pasar el líquido refrigerante caliente de alta presión por el asiento de la válvula, se reduce su presión hasta la presión que existe en el evaporador, descendiendo su temperatura hasta la temperatura de saturación a la presión del evaporador. La reducción de temperatura va acompañada de la formación de vapor húmedo, que se puede ver a través de la mirilla de vidrio.

Al entrar en el evaporador, el vapor y el líquido se separan, pasando el líquido al "tanque" para volver a evaporarse, mientras que el vapor se mezcla con el otro vapor que aspira el compresor.

La instrumentación correspondiente nos permite medir: la temperatura y presión del refrigerante en el condensador y evaporador, la temperatura del agua a la entrada y salida de los serpentines en el evaporador y en el condensador, y los caudales de agua en los dos serpentines.

A la salida del condensador se ha instalado una válvula de corte que puede cerrarse para demostrar el "bombeo" al condensador. En la base del evaporador está situada la válvula de carga y descarga de refrigerante. En la placa superior del condensador está instalada una válvula de seguridad para evitar sobrepresiones en su interior y para evacuar el aire que pudiera contener el sistema.

Fundamento teórico (temas previos):

El ciclo de refrigeración (o bomba de calor).

Un refrigerador puede definirse como una máquina cuya principal función es retirar calor de una región a baja temperatura. Debido a que no puede destruirse la energía, el calor tomado a una baja temperatura, mas la energía necesaria, precisan disiparse en las cercanías. Si la temperatura a la cual se disipa el calor es lo suficientemente alta para resultar útil, tal como para calefacción o a.c.s., la máquina se denomina entonces bomba térmica o bomba de calor.

El enunciado de Clausius de la Segunda Ley de la Termodinámica afirma que el calor no pasa de una región fría a otra mas caliente sin la ayuda de una "energía externa". Así pues, un refrigerador precisa de una energía recibida para poder funcionar.

Esta energía recibida podrá ser en forma de trabajo o en flujo de calor a elevada temperatura

El tipo más común de refrigerador o bomba térmica utiliza una trabajo exterior y se basa en el ciclo de compresión del vapor.

El ciclo de refrigeración es muy interesante desde el punto de vista termodinámico. Es una de las pocas plantas prácticas cuyo funcionamiento se basa en un verdadero ciclo termodinámico e incluye lo siguiente:

a) Ebullición nucleada y condensación pelicular.

b) Procesos de flujo estacionario (estrangulación, compresión e intercambio de calor)

c) Control de caudal

d) Las propiedades termodinámicas (presión, volumen específico, temperatura, entalpía específica, y entropía específica) de una sustancia pura, así como todas las condiciones entre vapor sobrecalentado y líquido subenfriado.

  • temas relacionados:

- Transmisión de calor

- Aislamiento térmico

- Ciclos frigoríficos de compresión de vapor

- Fuídos refrigerantes

- Cálculo de cargas térmicas

- Instrumentación.

Método operatorio:

Difiere según la asignatura de referencia. Se remite al alumno al guión de prácticas correspondiente

Trabajo de gabinete:

Analizar los resultados obtenidos y realizar el informe de la práctica según las normas generales de elaboración de informes de laboratorio.

Capacidad experimental:

  1. Demostración del ciclo de refrigeración por compresión de vapor

  2. Relación presión - temperatura.

  3. Demostración del bombeo al condensador.

  4. Efecto del aire en un sistema de refrigeración

  5. Efecto de las temperaturas de condensación y evaporación en la tasa de refrigeración.

  6. Estimación del coeficiente de rendimiento (c.o.p.)

  7. Determinación del coeficiente global de transmisión de calor (U) en los serpentines del condensador y evaporador.

  8. Cálculo del rendimiento volumétrico del compresor

 

Demostración del ciclo de refrigeración por compresión de vapor

Después de arrancar el aparato, dejar que se estabilice con unos caudales moderados de agua en los serpentines. Podrá examinarse el ciclo de compresión de vapor y observar lo siguiente:

1.- El compresor crea una presión baja en el evaporador y una presión más alta en el condensador

2.- En el evaporador, se produce la ebullición del refrigerante a una baja temperatura, tomando calor del agua que pasa por los serpentines. Se enfría por tanto el agua (calor sensible) y sale a menor temperatura. Observar también que hay entrada de calor del ambiente por no estar el evaporador térmicamente aislado.

3.- En el condensador, el refrigerante se condensa a una temperatura mas alta, desprendiendo calor al agua que pasa por el serpentín (calor latente del refrigerante). Se calienta por tanto el agua (calor sensible) y sale a mayor temperatura. Observar también que hay fugas de calor hacia el ambiente por no estar el condensador térmicamente aislado.

4.- El líquido en alta presión sale del condensador por la válvula de expansión controlada por flotador y vuelve al evaporador. Al pasar por la mirilla de vidrio el refrigerante es una mezcla de vapor y líquido. La temperatura del refrigerante después de la válvula de expansión es la misma que la temperatura del evaporador e inferior a la del líquido en el condensador.

Efecto de la temperatura de evaporación:

Si se reduce el caudal de agua en el serpentín del evaporador (sin alterar las condiciones en el condensador), se reducirá la presión y temperatura de evaporación. Al ocurrir esto se verá que se reduce el gasto de refrigerante observando el goteo en el condensador. Esto se debe principalmente al mayor volumen específico del refrigerante y a la menor eficacia volumétrica del compresor.

 

Efecto de la temperatura de condensación:

Si se reduce el caudal de agua en el serpentín del condensador - sin alterar las condiciones en el evaporador - aumentará la presión y temperatura de condensación. Se verá que se reduce el gasto de refrigerante debido en su mayor parte a la disminución del rendimiento volumétrico del compresor al aumentar la relación de compresión.

 

Relación presión - temperatura.

Arrancar el aparato, cerciorarse de que no hay aire en el sistema y dejar que se estabilicen las temperaturas.

Anotar la presión atmosférica.

Seleccionar una serie de presiones de evaporación y condensación (variando los caudales de agua) y anotar los valores cuando se estabilicen las condiciones.

Convertir todas las presiones manométricas a presiones absolutas y trazar un gráfico de las temperaturas de evaporación y condensación (temperaturas de saturación) en relación a las presiones absolutas. Los resultados podrán ahora compararse con la curva de saturación del refrigerante empleado.

Las discrepancias pueden atribuirse a falta de estabilidad, errores de los instrumentos y aire u otros gases en el sistema.

Demostración del bombeo al condensador.

Durante el mantenimiento de las plantas de refrigeración, particularmente cuando se cambian componentes, resulta conveniente transferir el refrigerante al condensador. Esto tiene la ventaja de que se conserva el refrigerante para volver a usarlo y podrá también evitarse la necesidad de la evacuación antes de la recarga.

Esto se puede demostrar cerrando la llave de corte en la parte inferior del condensador. Al final de la demostración debe abrirse la válvula, para que el refrigerante recobre su nivel normal.

Nota: En una planta industrial suelen montarse válvulas de corte en todos los principales componentes.

 

 

Efecto del aire en un sistema de refrigeración

Al hallarse aire presente en una planta de refrigeración, se desplazará normalmente desde el evaporador por el caudal de vapor circulante, y quedará atrapado en la parte alta del condensador.

Por varias razones, el aire hace que aumente la presión de salida del compresor, reduciendo el c.o.p.. y haciendo aumentar la potencia requerida para un servicio dado.

El aumento de la presión se debe a lo siguiente:

- La presión total en un condensador es aproximadamente igual a la suma de la presión de saturación del refrigerante y a la presión parcial del aire presente (Ley de Dalton).

- El aire tiende a desplazarse hacia las superficies de termotransferencia, formando una capa aislante que reduce el coeficiente global de transmisión de calor. Esto a su vez hace que aumente la diferencia de temperatura requerida para una tasa dada de termotransferencia, resultando en mayor presión y temperatura del refrigerante.

Se puede demostrar este efecto dejando entrar una pequeña cantidad de aire al evaporador. Se producirá un pequeño aumento transitorio en la presión del evaporador, que volverá a su valor normal al pasar el aire al condensador.

Examinando los serpentines del condensador se verá que la condensación es lenta debido a la capa de aire aislante. Al expulsar el aire, tirando del vástago de la válvula de seguridad, se hará más vigorosa la condensación y la presión del condensador se reducirá rápidamente al valor normal.

Efecto de las temperaturas de condensación y evaporación en la tasa de refrigeración.

Arrancar la máquina y ajustar el caudal de agua en el condensador a 20 g/s. Ajustar el caudal de agua en el evaporador a unos 20 g/s y dejar que se estabilicen las condiciones. Anotar todos los caudales, presiones y temperaturas en una tabla construida al efecto.

Reducir el caudal en el condensador a 4 g/s y mantener al mismo tiempo el caudal de agua en el evaporador en 20 g/s. Dejar que se estabilicen las condiciones y anotar todos los caudales, presiones y temperaturas.

Repetir el ensayo con 40 g/s en el condensador y 10 g/s en el evaporador.

Dibujar una gráfica para observar la variación del calor total transmitido en el condensador y evaporador respecto a la variación de la temperatura en el condensador.

Se verá que tanto la termotransferencia en el evaporador como en el condensador disminuye al aumentar la temperatura de condensación. Este efecto se debe mayormente a la reducción de la eficacia volumétrica del compresor. ¿ Porqué Qc > Qe ?

 

Estimación del coeficiente de rendimiento (c.o.p.)

Método y observaciones de la prueba anterior.

Se ha estimado que la pérdida de calor en el compresor es un valor típico de 18 W, por lo tanto, haciendo un balance de energía de la máquina frigorífica:

Conviene observar que esta potencia recibida no ha sido medida directamente. Se ha deducido a partir de las diversas termotransferencias medidas y termotransferencias estimadas hacia o desde las proximidades en el condensador, evaporador y compresor. Debido a que existirá algún error en cada una de estas termotransferencias, la potencia recibida estimada en el compresor estará afectada por la suma de estos errores.

Dibujar un gráfico donde se observe la variación de estos coeficientes de operación en función de la temperatura del condensador, y ajustarlos a dos rectas por el método de mínimos cuadrados. Para ello, manteniendo el caudal en el evaporador, variaremos el caudal en el condensador.

Se observará que el coeficiente de operación en ambos casos se reduce al aumentar la temperatura de condensación.. Esto podrá atribuirse mayormente al mayor trabajo específico al aumentar la relación de presión en el compresor.

Para los tres casos, calcular las entalpías del refrigerante en todos los puntos del ciclo, y dibujar el proceso de cada ciclo en el diagrama P-h adjunto (con distintos colores).

Determinación del coeficiente global de transmisión de calor (U) en los serpentines del condensador y evaporador.

El coeficiente global de transmisión de calor en un intercambiador de calor es el flujo de calor por unidad de área al existir una diferencia de temperatura de un grado entre los líquidos caliente y frío.

En un condensador o evaporador, la temperatura del refrigerante es sensiblemente constante, mientras la temperatura del agua se calienta o disminuye a su paso por los serpentines.

La diferencia de temperatura empleada en este caso es la "Media logarítmica" que viene dada por la fórmula:

Calcular el valor del coeficiente global de transmisión de calor en el condensador y evaporador para un caso concreto. Dibujar esquemáticamente para el condensador y para el evaporador, cómo varía la temperatura de ambos fluidos (refrigerante y agua) a su paso por los serpentines.

 

Cálculo del rendimiento volumétrico del compresor

Calcular el rendimiento volumétrico del compresor para un punto de funcionamiento de la máquina. Para ello habrá que hallar el gasto másico de refrigerante y su volumen específico a la entrada del compresor. Con esto podremos saber el caudal real que proporciona el compresor.

 

Datos útiles:

Caudal teórico desplazado por el compresor = 1.18 10-3 m3/s

Área superficial exterior de cada serpentín de agua = 0.032 m2

9 espiras de tubo de cobre de 6.3 mm de diámetro.

Calor transmitido hacia /desde el agua

En el condensador: mc cp (t4 - t3 )

En el evaporador: me cp (t1 - t2 )

cp agua = 4.18 kJ / kg K

Flujo de calor transmitido hacia o desde el aire ambiente (en vatios):

En el condensador: 0.8 ( ta - tc )

En el evaporador: 0.8 ( ta - te )

En el compresor: -18 W

Estos son valores experimentales hallados en condiciones de aire tranquilo.

Refrigerante: R11 Tricloro - fluorometano C Cl3 F

Práctica Virtual

Existe la posibilidad de trabajar sobre una simulación informática del comportamiento de éste equipo, de forma que el alumno pueda "jugar" con el equipo sin limitaciones, pudiendo modificar parámetros que no se podrían variar sobre el equipo real de laboratorio. No es necesario ceñirse a una sola unidad de prácticas.  Enlace al Laboratorio Virtual.

Este software está diseñado para obtener el máximo provecho al trabajo práctico en los estudios técnicos, y proporciona tanto ayuda en línea como información adicional para que el alumno pueda relacionar más estrechamente la teoría y la práctica.

 

                      

 

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José A. Millán