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.
-
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:
-
Demostración del ciclo de
refrigeración por compresión de vapor
-
Relación presión -
temperatura.
-
Demostración del bombeo al
condensador.
-
Efecto del aire en un
sistema de refrigeración
-
Efecto de las temperaturas de
condensación y evaporación en la tasa de refrigeración.
-
Estimación del coeficiente
de rendimiento (c.o.p.)
-
Determinación del coeficiente
global de transmisión de calor (U) en los serpentines del
condensador y evaporador.
-
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.
