PRÁCTICA Nº 4 ESTUDIO ENERGÉTICO EN UNA INSTALACIÓN DE REFRIGERACIÓN POR EYECCIÓN DE VAPOR

Transcripción

1 PRÁCTICA Nº 4 ESTUDIO ENERGÉTICO EN UNA INSTALACIÓN DE REFRIGERACIÓN POR EYECCIÓN DE VAPOR 1.-INTRODUCCIÓN El ciclo de eyección de vapor se puede diferenciar en tres partes: termo compresión, ciclo de rankine y refrigeración de vapor por compresión del mismo. El grupo generador de vapor- condensador realiza un Ciclo de Rankine, pero este no es convencional, pues se lleva a cabo a través del eyector del aparato de la siguiente manera: El generador de vapor transforma en vapor saturado el líquido refrigerante que contiene ( transformación 1-2). Posteriormente éste se expande (transformación 2-J). Esto quiere decir que no se produce trabajo, sino aceleración del flujo m n. La termo compresión provoca que a la salida del mismo exista una presión inferior, que causa que a la cámara de mezcla entre un flujo m e proveniente del evaporador. Finalmente la mezcla se decelera aumentando su presión en el difusor. El proceso de expansión en tobera es el 2-J, el de mezcla es el de J-M-b, y el de compresión en difusor será el M-c. La salida del mismo está dentro del condensador, y la entrada procede el generador de vapor, por lo que las presiones correspondientes a la entrada y salida del mismo se conocen. Pág. 11

2 En el condensador, el calor que posee el gas se cede a un flujo de agua que circula por un serpentín incluido en el mismo condensador, volviendo a transformarse en líquido saturado el refrigerante (transformación 3-4). A la salida del condensador, la parte del líquido que nos interesa vuelve al generador de vapor, cerrándose el ciclo. Respecto al evaporador, éste extrae calor de un medio ambiente a través del líquido en su interior a baja presión que se evapora rápidamente absorbiendo ese calor (transformación a-b). Posteriormente, el fluido en forma de gas es comprimido para elevarlo de presión y llevarlo hacia el condensador. Normalmente esta compresión se realiza mecánicamente, con un equipo compresor. Sin embargo, en la refrigeración por eyección, la compresión se realiza gracias al eyector, cuyo funcionamiento ya se conoce (transformación b-m-c) y que da como resultado la salida del mismo de una cantidad superior de flujo de refrigerante. Ya en el condensador, se cede la energía robada al medio en el que se encuentra el evaporador, además de la que se ha adquirido con la compresión. ( transformación c-d ó 3-4). Finalmente, a través de una válvula de expansión isoentálpica, el refrigerante vuelve al evaporador cerrando el ciclo (transformación d-a). Pág. 12

3 2.- COMPORTAMIENTO DEL REFRIGERANTE EN EL EVAPORADOR El evaporador debe extraer energía de un medio; en este caso se le ha inmerso una resistencia eléctrica para que extraiga la energía de ésta. Además, debido a las características físicas del aparato, el evaporador intercambia con el ambiente que lo rodea una energía desconocida (Q d ). Por tanto, la energía extraída por el evaporador será: d = W e + Q d = ( hb ha ) Q e m 3.- COMPORTAMIENTO DEL REFRIGERANTE EN EL CONDENSADOR Como se ha dicho anteriormente, en el condensador el fluido refrigerante se transforma en líquido puesto que cede la energía que contiene al agua de un serpentín contenido en aquel. El equipo incorpora un fluxómetro de agua, que permite conocer la cantidad de agua que circula por el serpentín. También se muestran los valores de la temperatura de entrada y salida del agua por éste. Sabemos que la capacidad calorífica del agua, C p, es de 1kcal/kg K ( 4,18 kj/kg K), con lo que podemos conocer cuál es el calor intercambiado con ella. Existe un intercambio con el medio ambiente igual a 1, kw por cada grado de diferencia de temperaturas entre la de saturación en el condensador y el ambiente. De todo esto, se deduce que la energía total cedida por el condensador por unidad de tiempo es: Q cond = ( h 3 3 h4a ) m t = m agua C p ( t 2 te ) ( tcond t amb ) 4.- TERMOCOMPRESIÓN DEL REFRIGERANTE La relación de flujos que circulan por el evaporador y generador de vapor se puede obtener a partir del balance energético en el eyector, si la operación fuese ideal: 2 m n + hb m e = h3 h mi = m e + m a mi Se debería analizar esta termocompresión de forma individual y profunda, pero debido a la falta de tiempo no se analizará. De ese estudio se podía conocer el rendimiento de la tobera y el difusor pertenecientes a este eyector. Pág. 13

4 5.- BOMBA DE ALIMENTACIÓN La bomba de alimentación recoge el líquido que va hacia el generador de vapor, impulsándolo a una presión igual a la del generador de vapor. El trabajo que realiza la bomba por unidad de flujo que circula por ella es: w b vt ( P = η 1 P 4) b = h h 1 4 En el estudio teórico de la práctica, sólo se considerarán las variables termodinámicas. Los datos restantes (respecto al agua de refrigeración, etcétera) se estudiarán posteriormente. 6.- LÍQUIDO REFRIGERANTE EN EL GENERADOR DE VAPOR El generador de vapor calienta agua, la cual rodea al depósito de refrigerante y lo calienta también transformándolo desde las condiciones 1", a vapor saturado en las condiciones 2". La resistencia eléctrica entrega una potencia P e de 1500 W, aunque el equipo posee un termostato que desconecta a aquella en caso de exceso de temperatura del agua. La potencia entregada al vapor será: Q GV = m n ( h 2 h1) Tanto las presiones como las temperaturas de los puntos 1 y 2 las detectan los sensores del equipo. Además, éste ofrece la posibilidad de conocer las condiciones a la entrada del eyector, que son muy similares al punto 2, con lo que le llamaremos 2'. 7.-OPERACIÓN CONJUNTA Llegados a este punto, basta realizar una práctica completa teniendo en cuenta todos los factores integrantes del sistema. Pág. 14

5 El ciclo descrito por la instalación se presenta en la fig Cálculos Fijándonos en el funcionamiento del equipo, tomamos los valores de todas las presiones y temperaturas que dan los sensores. A partir de estos valores, se determinan las entalpías y entropías de todos los puntos del ciclo. Con estos datos reales, se determina: 1.- Relación de flujos m e /m n 2.- Calor total cedido por el condensador por unidad de tiempo, Q cond 3.- Flujo de refrigerante que circula por el condensador, (m t ) 4.- Flujo másico de refrigerante que circula a través del evaporador.(m e ) 5.- Flujo másico de refrigerante que circula por el generador de vapor. (m N ) 6.- Potencia calorífica suministrada por la resistencia eléctrica al evaporador (W e ). 7.- Potencia absorbida total por el evaporador Q EV 8.- Potencia absorbida por el evaporador del medio que lo rodea (Q d ) 9.- Potencia calorífica entregada al refrigerante en el generador de vapor. Q GV Potencia y rendimiento de la bomba de refrigerante 11.- Eficiencia frigorífica Eficiencia de la máquina funcionando como bomba de calor Pág. 15

6 7.2.- Valoración. Piense en la posibilidad de aprovechar calores residuales o energía solar para suministrar el calor necesario en el generador de vapor. Esto se realizará en una práctica posterior. 8.- ESTUDIO DE COSTES En este apartado, analizaremos el coste energético y económico de la instalación, en base a un dos baremos energéticos, basados en el primer y segundo principio de la termodinámica, y económico. Para valorarlos, habrá que analiza en primer lugar los costes energéticos y económicos de cada tipo de energía puesta en juego. Posteriormente, se aplicará la ecuación de coste energético: 0 = E e ve C E p v p E u vu i + C siendo las energías por unidad de tiempo, E a, E p y E u la aportada al sistema (energía eléctrica), energía perdida (en el condensador) y energía útil (evaporador) del mismo respectivamente; v a, v p y v u sus costes asociados, en base al criterio tenido en cuenta en cada caso; y finalmente C i, el coste asociado a la inversión, operación y mantenimiento del equipo. El coste energético valdrá según cada caso (el de pérdidas es igual a cero): Baremo basado en primer principio v a = v u =1; v p = 0; Baremo basado en el segundo principio v a =1; v p = 0; v u = 1- (T o /T e ), en valor absoluto. (con T o temperatura ambiental, y T e la temperatura de evaporador) Pág. 16

7 8.3.- Baremo económico. (ξ c es la de una máquina convencional, se estima en 2) v a = Y (euro/kwhe) (1h /3600 s) = Y/3600 (euro/kj) v u = ξ -1 c (kwh eléctricos/ kwh útiles) Y (euro/kwhe) 1h/3600 s = v u = ξ -1 c Y/3600 (euro/kj) v p = 0, puesto que no se va a utilizar ese calor residual Conclusiones Que resultados aparecen si la energía aportada al sistema tiene un coste cero?. Qué significa esto?. Compare estos resultados y saque conclusiones. TABLA DE DATOS DE LA PRÁCTICA PUNTO Presión (bar) Temp. (ºK) Entalpía (h) KJ/Kg) c 4 d a b Pág. 17

8

9

10

11