UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PUEBLA

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Marina Figueroa Rubio
hace 6 años
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1 Térmica PRÁCTICA 8: Ciclo de Refrigeración por compresión de un vapor. OBJETIVO: Identificar los componentes de una unidad de refrigeración. Representar el ciclo termodinámico en diagramas P-h y Ts. Obtener las propiedades termodinámicas relevantes en ciertas partes del ciclo. Determinar las eficiencias de Carnot y real del ciclo. MATERIAL: 1 Unidad de refrigeración 2 Termómetro BASES TEÓRICAS. La utilización del frío es un proceso conocido ya desde muy antiguo; en el siglo XII los chinos utilizaban mezclas de salitre con el fin de enfriar agua; los árabes en el siglo XIII utilizaban métodos químicos de producción de frío mediante mezclas; en los siglos XVI y XVII, investigadores y autores como Boyle, Faraday (con sus experimentos sobre la vaporización del amoníaco) etc., hacen los primeros intentos prácticos de producción de frío. En 1834, Perkins desarrolla su patente de máquina frigorífica de compresión de éter y en 1835 Thilorier fabrica nieve carbónica por expansión; Tellier construyó la primera máquina de compresión con fines comerciales, Pictet desarrolla una máquina de compresión de anhídrido sulfuroso, Linde otra de amoníaco, Lindey Windhaus en la de anhídrido carbónico, Vincentla de cloruro de metilo, etc. Un capítulo aparte merece Carré, propulsor de la máquina frigorífica de absorción y Le Blanc-Cullen-Leslie la de eyección. Desde el punto de vista de sus aplicaciones, la técnica del frío reviste un gran interés dentro de la evolución industriala que obliga la continua alza de la vida. La refrigeración tiene un amplísimo campo en lo que respecta a la conservación de alimentos (Barcos congeladores de pescado en alta mar, plantas refrigeradoras de carnes y verduras), productos farmacéuticos y materias para la industria (Plantas productoras de hielo, unidades de transporte de productos congelados, barcos, aviones, trenes, camiones, etc.), en sistemas de acondicionamiento de aire 1

2 y calefacción, etc. Esto da una idea del grandísimo interés universal que reviste el frigorífico industrial desde el punto de vista económico, humano y social. Técnicas y sistemas de producción de frío Hablar de producción de frío es tanto como hablar de extracción de calor; existen diversos procedimientos que permiten su obtención, basados en el hecho de que si entre dos cuerpos existe una diferencia de temperaturas, la transmisión de calor de uno a otro se puede efectuar por conducción y radiación. Procedimientos químicos.- Están basados en el uso de determinadas mezclas y disoluciones que absorben calor del medio que las rodea; se trata de procesos no continuos, de nulo interés y aplicación prácticos, sólo aptos para determinados trabajos de laboratorio. Procedimientos físicos.- Se puede conseguir un descenso de temperatura mediante procesos físicos, como la expansión de un fluido en expansores y en válvulas de estrangulamiento, fundamento de las actuales máquinas industrial es de producción de frío; este tipo de sistemas admite la siguiente clasificación: Sistemas basados en el cambio de estado de una sustancia.-en estos sistemas interviene el calor latente del cambio de estado y se puede hacer la siguiente subdivisión: - Por fusión, en que la producción de frío, o lo que es lo mismo, la sustracción de calor a la carga a refrigerar, se utiliza para pasar a una sustancia del estado sólido al de líquido; está muy extendida la fusión del hielo, o de mezclas eutécticas, que al cambiar de estado captan calor del entorno. - Por sublimación, en que el paso se efectúa de sólido a gas mediante la adición de calor, siendo el ejemplo más representativo el anhídrido carbónico, para la producción de nieve carbónica. 2

3 - Por vaporización, en donde se engloban todos los procesos en los que un líquido pasa a fase de vapor al suministrársele una cierta cantidad de calor, pudiéndose distinguir dos casos, Circuito abierto (vaporización directa), en donde el fluido capta el calor de la carga a enfriar y una vez ha modificado su estado ya no se vuelve a utilizar; este es el caso de algunos transportes que utilizan nitrógeno como medio de producción de frío. Circuito cerrado, en que a diferencia del anterior, el fluido se recupera con vistas a ser utilizado en un proceso cíclico. Como característica general de estos métodos, hay que hacer un aporte de energía al sistema y utilizar fluidos que vaporicen a baja presión. CLASIFICACIÓN.- Las máquinas frigoríficas se pueden clasificar, según el sistema utilizado para la recogida de vapor es, en la siguiente forma: Máquinas de adsorción, en las que los vapores son captados mediante un absorbente sólido. Máquinas de absorción, en las que los vapores que se forman añadiendo calor al sistema, son absorbidos y recuperados mediante un absorbente líquido. Máquinas de compresión, en las que los vapores son aspirados y comprimidos mediante un compresor y licuados en un condensador, los compresores pueden ser de émbolo o rotativos, con o sin refrigeración intermedia. Los equipos frigoríficos a base de compresores de émbolos y funcionamiento automático, son los que se utilizan casi exclusivamente en los frigoríficos industriales. Máquinas de eyección, en las que los vapores son arrastrados por el efecto Venturi que genera el paso de otro fluido a gran velocidad. Sistemas basados en la expansión adiabática de un fluido gaseoso En estos sistemas se consigue el enfriamiento del mismo, mediante dos tipos de máquinas, 3

4 a) Para la producción de aire líquido, (efecto Joule-Thomson) b) Las máquinas refrigeradoras de aire, en las que el aire comprimido al expansionarse en un expansor (turbina o cilindro de trabajo), se enfría, realizando al mismo tiempo un trabajo, que puede ser aprovechado para la compresión del aire. Sistemas basados en la elevación de la temperatura de un fluido frigorígeno. En estos sistemas se utiliza un fluido frigorígeno (salmuera) que previamente se ha enfriado por algún tipo de procedimiento; durante el enfriamiento de la salmuera no se produce cambio de estado en la misma, ni tampoco cuando ésta capta calor del producto a enfriar, por lo que el calor eliminado de la carga lo toma la salmuera en forma de calor sensible. Coeficiente de operación (efecto frigorífico). La eficiencia de un refrigerador se obtiene en términos del coeficiente de desempeño (COP).El objetivo de un refrigerador es eliminar calor (Q) del espacio refrigerado. Para lograr este objetivo, se requiere una entrada de trabajo (W neto ). Entonces el COP de un refrigerador se puede expresar como Esta relación también se puede expresar en forma de tasa remplazando por: 4

5 Máquina de Carnot La hipotética máquina térmica que opera en el ciclo reversible de Carnot se llama Máquina Térmica de Carnot. La eficiencia térmica de cualquier máquina térmica reversible o irreversible, se determina mediante la ecuación como: Donde Q H es el calor transferido hacia la máquina térmica desde un depósito a temperatura alta T H, y Q L es el calor rechazado hacia un depósito de temperatura baja T L. Para máquinas térmicas reversibles, la relación de transferencia de calor en la relación anterior se puede reemplazar por las temperaturas absolutas de los dos depósitos, según la expresión de la ecuación anterior, la eficiencia de una máquina de Carnoto de cualquier máquina térmica reversible es: Ésta es la eficiencia máxima que puede tener una máquina térmica que opera entre los dos depósitos energía térmica a temperaturas T L y T H Coeficiente de Joule Thomson Esquema del Ciclo de Refrigeración por Compresión de un Vapor Los procesos del ciclo de refrigeración por compresión se presentan en los diagramas termo dinámicos P-h y T-s. En este ciclo, el fluido de trabajo está inicialmente saturado o es un vapor ligeramente sobrecalentado a presiones relativamente bajas (estado1); luego se le comprime hasta una presión elevada (estado 2). 5

6 El ciclo de refrigeración por compresión de vapor se compone de los siguientes procesos: 1-2 Compresión adiabática (s =cte) 2-3 Rechazo de calor a presión constante. 3-4 Expansionamiento del fluido (h=cte) 4-1 Suministro de calor a presión constante 6

7 Diagramas T-s y P-h DESARROLLO: 1. Identificar los componentes de la unidad de refrigeración. 2. Llenar las cubetas con agua hasta cubrirla espiral de cobre. 3. Encender la unidad de refrigeración. Cada tres minutos hasta los 15 minutos: Medirlas temperaturas en los puntos medios entre componentes. Medirlas presiones de los manómetros. Medirla temperatura del agua de cada cubeta 7

Esquema Resultados Tiempo T 1 T 2 T 3 T 4 T cubeta1 T cubeta2 P (azul) P (rojo) (min) 0.0 3.0 6.0 9.0 12.0 15.

8 Esquema Resultados Tiempo T 1 T 2 T 3 T 4 T cubeta1 T cubeta2 P (azul) P (rojo) (min) (Pa) (Pa) Para cada tiempo: Llenar la siguiente tabla: Punto P T Estado h s X V X L (Pa) (kj/kg) (kj/kgk) 8

9 Graficar los procesos del ciclo de refrigeración en los gráficos: P-h T-s Calcular la eficiencia De Carnot COP Obtener el coeficiente de Joule-Thomson. Análisis de resultados: CONCLUSIONES: 9

10 RECOMENDACIONES: BIBLIOGRAFÍA: _ 10

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