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trabajo ciclo de refrigeracion
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2014-2
Andrea Salas,
Fernando Herrera,
Jennifer Miranda,
Melissa Serpa,
Merylinda Moreno,
Lord Güell,
Vincent Altamar.
Termodinámica Aplicada.
CICLO DE REFRIGERACIÓN
2
Contenido RESUMEN ......................................................................................................................................... 3
ABSTRACT ....................................................................................................................................... 3
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 4
OBJETIVOS ...................................................................................................................................... 5
Objetivo general .............................................................................................................................. 5
Objetivos específicos ...................................................................................................................... 5
MARCO TEÓRICO ......................................................................................................................... 6
Ciclos termodinámicos. ................................................................................................................... 6
Ciclo ideal de compresión de vapor ............................................................................................ 6
Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor .................................................................. 8
Funcionamiento de los principales dispositivos del sistema de refrigeración ........................... 10
MATERIALES ................................................................................................................................ 12
PROCEDIMIENTO ........................................................................................................................ 13
RESULTADOS Y DISCUSIÓN ..................................................................................................... 15
Especificaciones y cálculos ........................................................................................................... 16
Balances ........................................................................................................................................ 20
CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 24
RECOMENDACIONES ................................................................................................................. 25
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 26
3
RESUMEN
El siguiente proyecto consiste en el diseño y análisis de un ciclo de refrigeración por
compresión de vapor con un tubo capilar en la seccion de estrangulamiento del sistema,
utilizando el refrigerante 134a, basado en la primera ley de termodinámica. El modelo
práctico realizado cumple con cada especificación de sus unidades de procesos, de manera
que se logró conocer profundamente las aplicaciones teóricas de los conocimientos
adquiridos en clases con base a las prácticas experimentales que se realizaron para diseñar
el ciclo de refrigeración.
Las entalpias relacionadas en el proceso fueron estimadas para la determinación del
coeficiente de operación o de rendimiento del ciclo propuesto. Además, se dará una
explicación detallada del montaje y ensamblaje, en donde se especificaran los materiales y
herramientas utilizados.
ABSTRACT
The next project is the design and analysis of a refrigeration cycle vapor compression with
a capillary tube throttling section of the system, using the 134a refrigerant, based on the
first law of thermodynamics. The performed practical model meets every specification of
process units, so that was achieved thorough knowledge of the theoretical application of the
knowledge gained in classes based on experimental practices that were performed to design
the refrigeration cycle.
The related enthalpies to the process were estimated for determining the performance
coefficient of the proposed cycle. In addition, there will be a detailed explanation of
mounting and assembly, where the materials and tools used were specified.
4
INTRODUCCIÓN
La historia de la refrigeración se remonta a cientos de años atrás cuando el hielo natural
proporcionaba el efecto de enfriamiento. Posteriormente se desarrolló, además del uso de
la refrigeración industrial para la preservación de alimentos, la producción química, las
aplicaciones metalúrgicas, entre otras, una faceta decisiva del proceso de refrigeración: el
control de la temperatura y la humedad del ambiente, que se denomina comúnmente
acondicionamiento de aire. Hoy en día, aún se conservan las aplicaciones mencionadas con
anterioridad y se mejora constantemente en el desarrollo de nuevas técnicas como la
creación de plantas criogénicas de la mano de la ciencia y la tecnología.
Para llevar a cabo todas estas actividades, es necesario un proceso mediante el cual un
dispositivo retira energía de un depósito de temperatura baja para llevarlo a un depósito de
temperatura alta; sin embargo, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, esto es
imposible de lograr a menos que se utilice trabajo. Los dispositivos capaces de producir
refrigeración se denominan refrigeradores y los ciclos en los que operan se conocen como
ciclos de refrigeración. Este ciclo aprovecha la entalpia de transformación de las sustancias
al cambiar de fase líquida a fase de vapor.
El fluido de trabajo en un ciclo de refrigeración puede permanecer en una sola fase
(refrigeración por gas) o puede aparecer en dos fases (refrigeración por compresión de
vapor).El método convencional de refrigeración, y el más utilizado, es por compresión.
Mediante energía mecánica se comprime un gas refrigerante. Al condensar, este gas emite
el calor latente que antes, al evaporarse, había absorbido el mismo refrigerante a un nivel de
temperatura inferior. Los elementos principales en un ciclo de refrigeración por compresión
de vapor son el evaporador, el compresor, el condensador y la válvula de expansión.
Finalmente, la eficiencia de los refrigeradores, se denota por el coeficiente de operación o
de rendimiento (COP) o , que corresponde al cociente entre el calor absorbido en el
evaporador y el trabajo suministrado al compresor.
En el presente trabajo, se pretende conocer de cerca el funcionamiento de los ciclos de
refrigeración, mediante el diseño y construcción de un modelo a pequeña escala, que
permita conocer los parámetros termodinámicos que rigen su comportamiento. Se
estimarán además, las entalpias relacionadas en el proceso teniendo en cuenta un ciclo ideal
de refrigeración, para luego determinar el coeficiente de operación o de rendimiento para el
ciclo propuesto basándose estos valores.
5
OBJETIVOS
Objetivo general
Analizar y comprender el funcionamiento de un Sistema de Refrigeración y
reconocer su importancia en la vida cotidiana.
Mediante conocimientos adquiridos elaborar un sistema de refrigeración por
compresión de vapor.
Objetivos específicos
Realizar el balance respectivo a cada unidad que conforma el ciclo de
refrigeración teniendo en cuenta la segunda ley de la termodinámica.
Calcular la transferencia de calor en el compresor, el evaporador y el
condensador
Determinar el trabajo hecho por el compresor
Hallar el coeficiente de operación del ciclo de refrigeración.
Especificar cada estado del sistema global con sus respectivas propiedades
termodinámicas
Aprender a gestionar un proyecto optimizando costos.
6
MARCO TEÓRICO
Ciclos termodinámicos.
La termodinámica tiene dos de sus más importantes áreas de aplicación a nivel de estudio
de consumo, en la generación de potencia y la refrigeración, las cuales se realizan a
través de sistemas que operan en ciclos termodinámicos, que se pueden clasificar en dos
grandes grupos: los ciclos de potencia y de refrigeración. Dependiendo de la fase en la
que se encuentre el fluido con el cual se trabaja, se pueden también clasificar como ciclos
de gas, donde la sustancia de trabajo permanece en estado gaseoso durante todo el ciclo, y
ciclos de vapor, en los cuales el fluido de trabajo existe como vapor en una parte del ciclo
y como fase líquida en otra, pudiendo incluso llegar a coexistir las fases líquida y vapor en
un punto determinado del mismo. También se logra hacer otra distinción entre los ciclos
termodinámicos tomando como criterio la reutilización del fluido de trabajo. Los ciclos en
los que ocurre esto se denominan ciclos cerrados, en caso contrario, donde la sustancia
deba ser renovada al final de cada ciclo en vez de recircularse se denominan ciclos
abiertos.
Los ciclos de refrigeración, sobre los cuales se centra este trabajo, describen la continua
absorción de calor a un nivel de temperatura bajo, lo cual se logra por la evaporación de un
líquido bajo un proceso continuo a régimen permanente. El vapor generado deberá regresar
a su estado líquido original para ser nuevamente evaporado. Esto se
logra por uno de dos métodos, donde en el primero se somete a una compresión y luego a
una condensación; mientras que en el segundo método el vapor es absorbido por un líquido
de baja volatilidad, a partir del cual es evaporado a alta presión.
Ciclo ideal de compresión de vapor
Teóricamente los ciclos de refrigeración se basaban en el ciclo de refrigeración de Carnot
sin embargo, debido a la impractibilidad en la realidad del ciclo en sí , se decidió hacerles
unas modificación con el fin de tener un modelo que se ciñera más a la realidad, de ahí
nacido el ciclo ideal de compresión de vapor .
Para este tipo de ciclo no se tienen en cuenta las irreversibilidades dentro de evaporador y
condensador, no hay caída de presión por rozamiento y el refrigerante fluye a presión
constante en los dos intercambiadores de calor. Si la compresión se produce sin
irreversibilidades, y si también se desprecia la transferencia de calor al ambiente, la
compresión es isentrópico. Con estas consideraciones se obtienen el ciclo de refrigeración
por compresión de vapor definido por los estados 1-2s-3-4-1 en el diagrama T-s de la
figura1.
7
El refrigerante entra al compresor en el estado 1 como vapor saturado y se comprime
isentrópicamente hasta la presión del condensador. La temperatura del refrigerante aumenta
durante el proceso de compresión isentrópica, hasta un valor bastante superior al de la
temperatura del medio circundante. Después el refrigerante entra en el condensador como
vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como liquido saturado en el estado 3, como
resultado del rechazo del calor hacia los alrededores. La temperatura del refrigerante en
este estado se mantendrá por encima de la temperatura de los alrededores.
El refrigerante líquido saturado en el estado 3 se estrangula hasta la presión del evaporador
al pasarlo por una válvula de expansión o por un tubo capilar. La temperatura del
refrigerante desciende por debajo de la temperatura del espacio refrigerado durante este
proceso. El refrigerante entra al evaporador en el estado 4 como vapor húmedo de baja
calidad, y se evapora por completo absorbiendo calor del espacio refrigerado. El
refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al compresor,
completando el ciclo.
Este ciclo consta de la siguiente serie de procesos:
Figura 1. Diagramas T-s y componentes del sistema de refrigeración ideal de compresión
de vapor
Proceso 1-2s: Compresión isentrópico del refrigerante desde el estado 1 hasta la
presión del condensador en el estado 2s.
8
Proceso 2s-3: transferencia de calor desde el refrigerante que fluye a presión constante
en el condensador. El refrigerante sale como líquido en el estado 3.
Proceso 3-4: proceso de estrangulación desde el estado 3 hasta la mezcla bifásica
liquido-vapor en 4.
Proceso 4-1: transferencia de calor hacia el refrigerante que fluye a presión constante a
través del evaporador hasta completar el ciclo.
Los cuatro componentes asociados con el ciclo de refrigeración por compresión de vapor
son dispositivos de flujo estacionario, por lo que los cuatros procesos anteriores, que
integran el ciclo pueden analizarse como procesos de flujo estacionario. Los cambios en la
energía cinética y potencial del refrigerante suelen ser pequeños en relación con términos
de trabajo y transferencia de calor, y por lo tanto, pueden ignorase. Entonces la ecuación de
energía de flojo estacionario por unidad de masa se reduce a:
El condensador y el evaporador no implican ningún trabajo y el compresor puede calcularse
como adiabático. Entonces los COP pueden expresarse como:
( 2)
Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor
Un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor, difiere de uno ideal por varias
razones. Entre las más comunes están las irreversibilidades que suceden en varios
componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidades son la fricción del fluido (que
provoca caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. El
diagrama T-s y el esquema de un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor se
muestra en la figura 2 y 3.
(𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎) + (𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎) = ℎ𝑒 − ℎ𝑖
( 1)
9
Figura 2. Esquema para el ciclo real de Figura 3. Diagrama T-s para el ciclo real de
refrigeración por compresión de vapor refrigeración por compresión de vapor.
El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, en
consecuencia, isentrópico. Sin embargo, el proceso de compresión real incluirá efectos
friccionantes los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor que puede
aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. En el caso adiabático e
irreversible la salida real puede determinarse a partir del rendimiento adiabático del
compresor planteado como:
( 3)
En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del evaporador y entra al
compresor como vapor saturado. Pero esta condición es imposible de mantener el estado
del refrigerante con tanta precisión. En lugar de eso se procura diseñar el sistema de manera
de sobrecalentar ligeramente al refrigerante a la entrada del compresor para así garantizar
evaporación completa al momento de ingresar al compresor. Asimismo, en línea que
conecta al evaporador al compresor suele producirse caídas de presión del refrigerante y
cierta ganancia de calor no deseable, trayendo como resultado un aumento en el volumen
especifico del refrigerante y por ende un incremento en los requerimientos de potencia de
entrada al compresor, basado en el criterio de
En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del condensador como
liquido saturado a la presión de salida del compresor. Sin embargo, es inevitable que se
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produzcan caídas de presión en el condensador así como en las líneas que conectan al
compresor y a la válvula de estrangulamiento, además de la imposibilidad de mantener con
precisión la regulación del condensador para tener a la salida líquido saturado, y es
indeseable enviar refrigerante a la válvula de estrangulamiento sin condensar en su
totalidad, debido a que reduce la capacidad de absorción de calor, por lo que se considera el
subenfriamiento como alternativa para disminuir la entalpía de entrada a la válvula de
estrangulamiento y en consecuencia aumentar la capacidad de absorción de calor (efecto
refrigerante).
Funcionamiento de los principales dispositivos del sistema de refrigeración
Usualmente estos sistemas constan de cuatro dispositivos que son los que realizan los
diferentes procesos que componen el ciclo. Dando lugar a la refrigeración, a continuación
se explicara la función de cada dispositivo dentro del sistema
Evaporador: Se transfiere calor (absorbe) de la región fría al refrigerante que
experimenta un cambio de fase a temperatura Constante. Para que la transferencia de
calor sea efectiva, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser menor que la
temperatura de la región fría.
Condensador: El refrigerante se condensa al ceder calor a una corriente Externa al
ciclo El agua y el aire atmosférico son las sustanciales habituales utilizadas para extraer
calor del condensador. Para conseguir que se transfiera calor, la temperatura de
saturación del refrigerante debe ser mayor que las temperaturas de las corrientes
atmosféricas.
Compresor: Para alcanzar las condiciones requeridas en el condensador logrando la
liberación del calor desde el sistema al ambiente, es necesario comprimir el refrigerante
de manera de aumentar su presión y en consecuencia su temperatura (generalmente
temperaturas de sobrecalentamiento), los requerimiento de potencia de entrada depende
delas necesidades de enfriamiento.
Válvula de estrangulamiento: Liberado el calor en el condensador es necesario
revertir el proceso del compresor de manera de obtener bajas Temperaturas al
disminuir la presión (estrangular), logrando las condiciones requeridas en el
evaporador.3
11
Figura 4. Diagrama de los dispositivos en el sistema de refrigeración
Se puede decir que de la práctica cotidiana sabemos que el calor fluye de regiones de alta
temperatura a las de baja, sin necesidad de algún dispositivo. El proceso inverso no sucede
por si solo (principio de la segunda ley de la termodinámica), para lograr transferir calor
desde una zona de baja temperatura a una de alta sin violar la segunda ley requiere de
dispositivos especiales conocidos como refrigeradores.
Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo empleados en los ciclos
de refrigeración se llaman refrigerantes. En la figura 4 se muestra de manera esquemática
un refrigerador. En este caso 𝑄𝐿 es la magnitud del calor extraído del espacio refrigerado a
la temperatura 𝑇𝐿, 𝑄𝐻 es la magnitud del calor liberado hacia el espacio caliente a la
temperatura 𝑇𝐻y 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜,𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎, es la entrada neta de trabajo al refrigerador. Como se
analizó, 𝑄𝐻 y 𝑄𝐿 representan magnitudes, y por ello son cantidades positivas.
12
MATERIALES
Materiales Precios
Compresor de pistón de 220v $ 70.000
Tuberías de cobre $ 10.000
Válvula de suministro $ 3.000
Varilla soldadura de plata $ 2.000
Capilar para expansión $ 10.000
Visores de refrigerante $ 42.000
Manómetros $ 70.000
Termostato $ 15.000
Termómetro $ 40.000
Base de madera $ 5.000
Tuercas de bronce(4) $ 8000
Acoples de bronce $ 6.000
Frasco de pintura en aerosol $ 20.000
Filtro secador $ 10.000
Cable de poder $ 5.000
Motor ventilador $ 35.000
Frasco refrigerante $ 11.000
Total $ 392.000
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PROCEDIMIENTO
Se adquirió una unidad de aire acondicionado para desarmarla y utilizar los principales
dispositivos del sistema de refrigeración (condensador, evaporador, compresor y válvula
de expansión). El ciclo se armó sobre una base de madera y se prosiguió a montar cada
elemento:
Se colocó la unidad (compresor de 1/10 hp de 220V) en el asentamiento de la
base de madera, para ello se utilizó un taladro para atornillar los soportes del
compresor. Es importante tener en cuenta que el compresor tiene 3 tubos de
salida:
a. Un tubo de alta que se conecta al condensador.
b. Un tubo de baja que se conecta al evaporador.
c. Un tubo de servicio o válvula de servicio que permite cargar el gas y
efectuar el vacío del sistema.
Se instaló la parrilla de condensación, sujetándola inicialmente con tornillos a
través de unos agujeros realizados a la base con la ayuda de un taladro, Se
construyó el condensador encargado de disipar el calor del sistema de
refrigeración con 4 metros de tubería de cobre se 3/8 haciéndolo en forma de
espiral para después adaptarle el motor ventilador en la parte posterior
sujetándolo con una base metálica atornillada, este es el encargado forzar la
circulación del aire a través del condensador favoreciendo el cambio de estado.
De igual forma se instaló el evaporador en forma de espiral con tubería de cobre
de 3/8, de la misma manera que el condensador, se ajustó un motor ventilador y
la parrilla en la parte frontal del evaporador.
Posteriormente se tomó parte de la tubería de cobre de ¼ y se cortó con un
cortatubo, el trozo de tubo permitió la conexión entre el condensador y el tubo
de alta del compresor. En la intermediación de la conexión se colocó el
manómetro de alta presión y el visor con tubería de cobre de 3/8, para apreciar
el cambio de estado.
Al final del recorrido del condensador se conectó otra parte de tubería de cobre
de ¼ y se instaló un filtro secador en la tubería de alta presión que sirve para
eliminar humedad y detener cualquier elemento que pueda obstruir el capilar
dentro del sistema.
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El capilar (calibre 0,31) se colocó al final de la tubería de líquido entre el filtro
secador y el inicio del evaporador con soldadura de plata, para producir la
expansión a una presión y temperatura baja, entrando al evaporador como un
atomizador.
En la salida de la tubería del evaporador se conectó otra parte de tubería de
cobre de ¼, en el tubo de baja del compresor, junto con un visor de flujo.
Una vez ubicado en la base se procede a soldar todas las tuberías que acoplan
con el compresor, y los demás elementos del sistema con soldadura de plata.
Para el aislamiento del sistema, se utilizó ½ metro de rubatex que se colocó
alrededor del tubo de retorno, sujetándolo con gutapercha; esto se hizo con el fin
de evitar que cualquier gota producida por fuera del tubo, caiga sobre la base. Se
le cubrieron parcialmente el evaporador, comprensor y el condensador con
espuma de polietileno como aislante térmico.
Carga de refrigerante: La carga de refrigerante se dio mediante el tubo de
servicio del condensador y se realizó del siguiente modo:
a. Se conectó la válvula de servicio del condensador al manómetro de baja
presión (azul), mediante una manguera; la bomba de vacío se conectó a la
manguera de servicio (amarilla).
b. Se activó la bomba de vacío hasta que el manómetro de baja presión llegó a
35 psi de vacío, posteriormente, se cerró la llave del manómetro y se apagó
la bomba de vacío.
c. La manguera de servicio (amarilla) se desconectó de la bomba y se conectó
a la lata de refrigerante 134-a.
d. Se suministró refrigerante poco a poco hasta que el manómetro de baja
presión alcanzó una presión de 35psi
Un cable de corriente fue conectado cuidadosamente al compresor, el cual
permite el encendido del ciclo. Una de las líneas de corriente fue dirigida al
termostato y un cable a su vez al chiller, el cual detecta cuando se ha alcanzado
el mínimo de temperatura que puede alcanzar el sistema, evitando así el
congelamiento muy continuo y haciendo que el sistema descanse entre 10 a 15
min.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Como primera medida se explicara brevemente cómo funciona el ciclo y se procederá a
especificar los estados termodinámicos del sistema en cada una de las corrientes de flujo de
fluido de refrigerante R-134a, así como también se verá cuanto calor absorbió o cedió el
ciclo durante su funcionamiento realizando los cálculos pertinentes.
Durante el proceso tenemos moléculas del refrigerante circulando por todo el ciclo y en una
parte determinada sufren un cambio de estado de gas a liquido producto de la adsorción del
calor del sistema cuando empieza a refrigerar, este calor absorbido es transportado por las
moléculas del refrigerante hasta que llega a un lugar del ciclo donde cede el calor al aire
una vez las moléculas del refrigerante sueltan el calor puede iniciar de nuevo el ciclo;
Dicha molécula transportadora anteriormente mencionada es la encargada de subir o bajar
las temperaturas o presiones en las diferentes partes del ciclo.
Para poder saber la cantidad de refrigerante que se le debe colocar al ciclo se tiene que
tener en cuenta una presión o temperatura de referencia como primera medida se ve la placa
de referencia del motor para saber para qué tipo de refrigerante está construido y para
conocer la cantidad se va a la placa de características donde se encuentra el peso en gramos
que utiliza el ciclo.
Los ciclos de refrigeración en general enfrían al momento que la temperatura comienza a
descender, esto es debido al comportamiento de las moléculas cuando absorben calor como
en la evaporación o cuando ceden calor como en la condensación. El refrigerante ideal es
aquel que con poco calor logra una variación importante en la temperatura y que para
evaporar necesita absorber mucho calor y que para condensar libera poco calor.
Como las moléculas del refrigerante se evaporan demasiado rápido para poder mantener el
efecto de refrigeración del ciclo hay que tener cuidado de no tener fugas, porque al
momento de que el fluido de refrigerante pasa de estado líquido y se va evaporado pasando
al estado gaseoso se pierde en la atmosfera junto con el calor que absorbió para realizar el
cambio de estado.
16
Especificaciones y cálculos
Condensador ll
Válvula de
expansión
3
Evaporador ll
4
QHCompresor
QL
ll
1
ll
2
Wb
Estado Temperatura (°C) Presión (psia) Presión (kPa)
1 21 48 330.85
2 61 230 1585.35
3 49 230 1585.35
4 49 48 330.85
Tabla de estados.
147 psia = 1 atm
1 atm = 101.325 Pa
Estado ①.
Temperatura (°C) Presión (MPa)
20 0.5728
Datos de la tabla A.5SI
P = 330.85 kPa T = 21 °C ≅ 20 °C
P = 0.33 MPa
17
P de saturación > P, es vapor sobrecalentado
P (MPa) v (𝐦𝟑
𝐤𝐠⁄ ) h(𝐤𝐉
𝐤𝐠⁄ ) S (𝐤𝐉
𝐤𝐣 ∗ 𝐊⁄ )
0.30 0.074415 416.124 1.78744
0.33 ? ? ?
0.40 0.054362 413.965 1.75844
Tabla de R-134ª sobrecalentado a 20 °C.
𝑣1 = [(0.054362 − 0.074415)
(0.40 − 0.30)(0.33 − 0.30)] + 0.074415
𝑣1 = 0.0683991 𝑚3
𝑘𝑔⁄
ℎ1 = [(413.965 − 416.124)
(0.40 − 0.30)(0.33 − 0.30)] + 416.124
ℎ1 = 415.4763𝑘𝐽
𝑘𝑔⁄
𝑠1 = [(1.75844 − 1.78744)
(0.40 − 0.30)(0.33 − 0.30)] + 1.78744
𝑠1 = 1.77874𝑘𝐽
𝑘𝑔 ∗ 𝐾⁄
𝑢1 = ℎ1 − 𝑃1𝑣1
𝑢1 = 415.4763 − 330.85(0.0683991)
𝑢1 = 392.8464 𝑘𝐽
𝑘𝑔⁄
18
Estado ②.
(Vapor saturado)
T = 61 °C P = 1585.35 kPa = 1.58535 MPa = 1.6 MPa
61 °C ≅ 60 °C → Psat = 1.6818 MPa
Como la temperatura y presión del estado ② son muy cercanas a la temperatura y presión
de saturación, se podría considerar que el R-134a se encuentra como vapor saturado:
Temperatura (°C) Presión (MPa)
60 1.6818
Tabla de vapor saturado de R-134ª
𝑣𝑔 = 𝑣2 = 0.011462 𝑚3
𝑘𝑔⁄
ℎ𝑔 = ℎ2 = 427.130 𝑘𝐽
𝑘𝑔⁄ 𝑢2 = 427.130 − 1681.8(0.011462)
𝑠𝑔 = 𝑠2 = 1.7040 𝑘𝐽
𝑘𝑔 ∗ 𝐾⁄ 𝑢2 = 407.85 𝑘𝐽
𝑘𝑔⁄
Estado ③.
(Líquido comprimido – liquido saturado)
T = 50 °C P = 1.6 MPa
Temperatura
(°C)
Presión
(MPa)
50 1.3180
Tabla de R-134a saturado
P > P de saturación, es liquido comprimido
El R-134a en este estado se encuentra como líquido comprimido y tendrá propiedades
termodinámicas de líquido saturado a 50 °C.
19
𝑣𝑓 = 𝑣3 = 0.000908 𝑚3
𝑘𝑔⁄
ℎ𝑓 = ℎ3 = 271.830 𝑘𝐽
𝑘𝑔⁄ 𝑢3 = 271.830 − 1318(0.000908)
𝑠𝑓 = 𝑠3 = 1.2381 𝑘𝐽
𝑘𝑔 ∗ 𝐾⁄ 𝑢2 = 270.633 𝑘𝐽
𝑘𝑔⁄
Estado ④.
(Vapor sobrecalentado)
T = 49 °C ≅ 50 °C P = 0.33 MPa
Psat = 1.3180 MPa
P (MPa) v (𝐦𝟑
𝐤𝐠⁄ ) h(𝐤𝐉
𝐤𝐠⁄ ) S (𝐤𝐉
𝐤𝐣 ∗ 𝐊⁄ )
0.30 0.083816 443.234 1.87547
0.33 ? ? ?
0.40 0.061812 441.751 1.84868
Tabla de R-134ª sobrecalentado a 50 °C.
𝑣4 = [(0.061812 − 0.083816)
(0.40 − 0.30)(0.33 − 0.30)] + 0.083816
𝑣4 = 0.0772148 𝑚3
𝑘𝑔⁄
ℎ4 = [(441.751 − 443.234)
(0.40 − 0.30)(0.33 − 0.30)] + 443.234
P de saturación > P, es vapor sobrecalentado
20
ℎ1 = 442.7891𝑘𝐽
𝑘𝑔⁄
𝑠1 = [(1.75844 − 1.78744)
(0.40 − 0.30)(0.33 − 0.30)] + 1.78744
𝑠1 = 1.77874𝑘𝐽
𝑘𝑔 ∗ 𝐾⁄
𝑢1 = 442.7891 − 330.85(0.0772148)
𝑢1 = 417.3082 𝑘𝐽
𝑘𝑔⁄
Balances
Compresor
Balance de Masa:
��1 − ��2 =𝑑(𝑚𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡
Balance de Energía:
��𝑐+��1 (ℎ1 +𝑣1
2
2
+ 𝑔𝑧1) − ��2 (ℎ2 +𝑣2
2
2
+ 𝑔𝑧2) =𝑑(𝐸𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡+ 𝑊𝑐
Para tener en cuenta:
El sistemas se comporta en Estado permanente flujo estable 𝑑(𝐸𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡=
𝑑(𝑚𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡= 0.
Despreciamos la energía cinética y potencial.
Despreciamos el calor cedido por el compresor al ambiente debido a que este es
relativamente pequeño
��1 = ��2
��1(ℎ1 − ℎ2) = 𝑊𝑐
Medimos el voltaje e intensidad que se utiliza en el compresor y tenemos potencia aplicada
al compresor.
21
𝑊𝑐 = 𝐼𝑐𝑉𝑐
𝐼𝑐 Intensidad.
𝑉𝑐 Voltaje.
𝑊𝑐 = (1,3𝐴) ∗ (220𝑉) = 286
𝐽
𝑠
𝑾𝒄 = 𝟎. 𝟐𝟖𝟔
𝑲𝑱
𝒔
Calculamos el calor cedido por el compresor al ambiente:
𝑊𝑐 = ��1(ℎ2 − ℎ1)
𝑚1 =𝑊𝑐
(ℎ2 − ℎ1)
𝑚1 =0.286
𝑘𝑗𝑠𝑒𝑔
(427.130 − 415.4763)𝑘𝑗𝑘𝑔
��𝟏 = 𝟎. 𝟎𝟐𝟒𝟓𝑲𝒈
𝒔
Condensador
Balance de Masa:
��2 − ��3 =𝑑(𝑚𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡
Balance de Energía:
��𝑐𝑜+��2 (ℎ2 +𝑣2
2
2
+ 𝑔𝑧2) − ��3 (ℎ3 +𝑣3
2
2
+ 𝑔𝑧3) =𝑑(𝐸𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡+ 𝑊𝑐𝑜
Para tener en cuenta
El sistemas se comporta en Estado permanente flujo estable 𝑑(𝐸𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡=
𝑑(𝑚𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡= 0.
22
Despreciamos la energía cinética y potencia.
No realiza trabajo.
La caída de presión es despreciable, la presión se mantiene constante.
��2 = ��3
��𝑐𝑜 = ��2(ℎ3−ℎ2)
Se calcular el calor por unidad de masa cedido por el condensador al ambiente.
��𝑐𝑜 = (271.830𝐾𝐽
𝐾𝑔− 427.130
𝐾𝐽
𝐾𝑔)
��𝑐𝑜 = (−155.3𝐾𝐽
𝐾𝑔)
Tubo capilar
Balance de Masa:
��3 − ��4 =𝑑(𝑚𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡
Balance de Energía:
��𝑡𝑐+��3 (ℎ3 +𝑣3
2
2
+ 𝑔𝑧3) − ��4 (ℎ4 +𝑣4
2
2
+ 𝑔𝑧4) =𝑑(𝐸𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡+ 𝑊𝑡𝑐
Para tener en cuenta
El sistemas se comporta en Estado permanente flujo estable 𝑑(𝐸𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡=
𝑑(𝑚𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡= 0.
Despreciamos la energía cinética y potencia.
No realiza trabajo.
��3 = ��4
��𝑡𝑐 = ��3(ℎ4 − ℎ3)
Se calcular el calor por unidad de masa cedido por el tubo capilar al ambiente.
��𝑡𝑐 = (ℎ4 − ℎ3)
��𝑡𝑐 = (442.781𝐾𝐽
𝐾𝑔− 271.830
𝐾𝐽
𝐾𝑔)
23
��𝑡𝑐 = (170.951𝐾𝐽
𝐾𝑔)
Evaporador
Balance de Masa:
��4 − ��1 =𝑑(𝑚𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡
Balance de Energía:
��𝐸+��4 (ℎ4 +𝑣4
2
2
+ 𝑔𝑧4) − ��1 (ℎ1 +𝑣1
2
2
+ 𝑔𝑧1) =𝑑(𝐸𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡+ 𝑊𝐸
Para tener en cuenta
El sistemas se comporta en Estado permanente flujo estable 𝑑(𝐸𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡=
𝑑(𝑚𝑣.𝑐.)
𝑑𝑡= 0.
Despreciamos la energía cinética y potencial.
No realiza trabajo.
La caída de presión es despreciable, la presión se mantiene constante.
��1 = ��4
��𝐸 = ��1(ℎ4 − ℎ1)
��𝐸 = (ℎ4 − ℎ1)
��𝐸 = (442.7891𝐾𝐽
𝐾𝑔− 415.4763
𝐾𝐽
𝐾𝑔)
��𝐸= 27.3128𝐾𝐽
𝐾𝑔
24
CONCLUSIONES
Se logró crear un ciclo básico de refrigeración de bajo costo, compuesto
principalmente por un evaporador, un condensador, un compresor, un controlador
de flujo, para este caso se empleó una válvula de expansión. Empleando como
refrigerante el freón 134a.
Para la construcción y operación de ciclos de refrigeración por compresión de
vapor, la elección del refrigerante es de vital importancia para la consecución de los
objetivos planteados para la utilización de los mismos. El amoniaco y el R-134a son
los fluidos que generan mayores coeficientes de desempeño.
Del trabajo realizado se puede concluir que es posible la realización de un ciclo con
un tubo capilar en la sección de estrangulamiento del sistema, con bajos costos y
con gran rendimiento usando como referencia el ciclo ideal de compresión de vapor,
además también es posible conocer las propiedades termodinámicas del sistema en
cada una de las corrientes de flujo de fluido de refrigerante y a su vez la cantidad de
calor removida de una zona a otra por el trabajo realizado por el compresor al
comprimir el refrigerante.
25
RECOMENDACIONES
No utilizar mucho refrigerante debido a que puede disminuir el desempeño del
compresor, por tanto el funcionamiento e incluso dañar el compresor.
Aislar adecuadamente la parte eléctrica del sistema del agua para evitar corto
circuitos.
Si se puede utilizar más de un medidor de presión, para los 4 puntos de
sistema y conocer con mayor exactitud esta propiedad en cada estado.
Cubrir el evaporador con un material aislante que impida la condensación del
agua en contacto con el aire del ambiente.
No usar más de 5 metros en el condesado y evaporador por comodidad para
trabajar mejor
No encender y apagar bruscamente para evitar daños en el compresor; en su
defecto se recomienda el uso de un regulador de voltaje.
Desviar efectivamente, con el ventilador, el aire caliente proveniente del
condensador para evitar que se disipe al ambiente y así no tienda a ir hacia la
parte fría del ciclo de refrigeración.
En el ciclo construido, tener la precaución de encenderlo con el termostato al
máximo y apagarlo con el termostato al mínimo, y luego de unos segundos
desconectarlo de la fuente eléctrica.
Realizar las mediciones más de una vez para tener mediciones más exactas y
promediar.
26
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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[en línea] < hmantei.jimdo.com/historia-de-la-refrigeración> [consulta: 9 de junio del
2014].
2. SISTEMA DE REFRIGERACION POR COMPRECION, sistemas frigoríficos. [En
línea] < http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/17271/1/refrigeracion.pdf> [consulta: 9 de
junio del 2014].
3 .CENGEL, Yunus A. y BOLES, Michael A. Termodinamica.6a edición, México DF,
McGraw Hill ,2009.
4. MORAN, Michael J. y HOWARD,Shapiro .N. Termodinámica técnica. 2a edición.
Barcelona, Reverté.2004.
5. hmantei.jimdo.com/historia-de-la-refrigeracion
