Práctica 7 Ciclo de refrigeración por la

compresión de un vapor Brigada 2

Aranzazu

Karina

Priscila

Isabel

Laboratorio de Principios de

Termodinámica y Electromagnetismo.

Práctica número 7 Ciclo de refrigeración por la compresión de

un vapor

Objetivos a) Identificar las partes que componen el ciclo básico de refrigeración por compresión de un

vapor.

b) Identificar y cuantificar los flujos energéticos en los procesos que forman el ciclo

mencionado en el punto anterior.

c) Determinar el coeficiente de operación de una bomba de calor funcionando como

refrigerador.

d) Comprender, a partir del análisis de un ciclo de refrigeración, algunas limitantes físicas

que establece la segunda ley de la termodinámica.

e) Analizar el funcionamiento de un ciclo termodinámico con un proceso irreversible, y

representarlo en el diagrama (v,P) con ayuda de la curva conocida como campana de

saturación.

Marco Teórico

Deposito térmico

Un depósito térmico es el componente del sistema de calefacción solar responsable por el

almacenaje del agua caliente. Gracias al depósito térmico, es posible consumir agua caliente

almacenada en cualquier momento, independiente del horario. El depósito térmico está fabricado

en su mayoría de acero inoxidable, aislamiento térmico progresivo en PU expandido rígido,

cubierta externa de aluminio naval y pies/cintas de acero carbono revestida con pintura

anticorrosiva

Depósito de energía térmica o foco térmico: cuerpo con una gran capacidad de energía térmica

(masa x calor específico) que puede suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin que

sufra ningún cambio de temperatura. Ejemplos: océanos, mares, la atmósfera, hornos

industriales, etc.

Depósito de energía térmica o foco térmico: cuerpo con una gran capacidad de energía térmica

(masa x calor específico) que puede suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin que

sufra ningún cambio de temperatura. Ejemplos: océanos, mares, la atmósfera, hornos industriales,

etc.

Fuente: depósito o foco que suministra energía en forma de calor.

Sumidero: depósito o foco que absorbe energía en forma de calor.5.2 Máquinas térmicas

Máquina térmica: dispositivo que convierte calor en trabajo. Las máquinas térmicas difieren

considerablemente unas de otras, pero todas se caracterizan por:

1. Reciben calor de una fuente de alta temperatura.

2. Convierten parte de este calor en trabajo.

3. Liberan calor en un sumidero de baja temperatura.

4. Operan en un ciclo. Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos suelen incluir un

fluido al y desde el cual el calor se transfiere energía mientras se somete a un ciclo: fluido

de trabajo.

BOMBAS DE CALOR

Una bomba de calor es un aparato cuyo funcionamiento se basa en la termodinámica. Consiste en

transportar energía en forma de calor de un ambiente (que puede ser aire, agua o suelo) a otro.

Este proceso se genera a través del cambio de estado de gas a líquido de un fluido refrigerante por

medio de la temperatura ambiente y con ayuda de un compresor.

Las bombas de calor son empleadas en equipos de climatización, en este caso, para aportar calor o

calentar agua sanitaria, aunque también hay bombas de calor que funcionan con un ciclo inverso,

es decir, que aportan frío al local. En esta caso estamos hablando de bomba de calor reversible

(ver más sobre la bomba de calor reversible).

La ventaja de usar la bomba de calor reside en su capacidad de suministrar más energía útil (en

forma de calor) de la que utiliza para su funcionamiento (energía eléctrica), pudiendo llegar a

producir un ahorro del 70% respecto a un sistema de calentamiento tradicional como gas,

electricidad o gasóleo.

Rendimiento o eficiencia térmica:

Obviamente 0 ≤ ε ≤1. Una máquina térmica perfecta⇒ε =1.

Coeficiente de operación

Figure 28: Operación de un refrigerador de Carnot

PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES

Los procesos se pueden clasificar en reversibles e irreversibles. El concepto de proceso reversible

nos permite reconocer, evaluar y reducir las irreversibilidades en procesos reales en la ingeniería.

Un proceso reversible es aquel que puede invertirse sin modificar el entorno, es decir, tanto el

sistema como los alrededores regresan a sus estados iniciales al final del proceso inverso. Esto sólo

es posible si el intercambio de calor y trabajo neto entre el sistema y el entorno es cero para el

proceso combinado (original e invertido). Los procesos que no son reversibles son conocidos como

irreversibles.

‰ En realidad, los procesos reversibles no suceden en la naturaleza. Son meras idealizaciones cuyo

interés se debe a: (1) son fáciles de analizar gracias a que un sistema pasa por una serie de estados

de equilibrio y (2) sirven como modelos ideales con los cuales pueden compararse los procesos

reales.

‰ Los factores que ocasionan la irreversibilidad de un proceso se llaman irreversibilidades.

Entre ellos están la fricción, la expansión libre de un gas, la mezcla de dos gases, la transferencia

de calor debida a una diferencia finita de temperaturas, la resistencia eléctrica, la deformación

inelástica de sólidos y las reacciones químicas. La presencia de cualquiera de estos efectos

produce un proceso irreversible.

ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK

“Es imposible para cualquier dispositivo que opera en un ciclo recibir calor de un solo depósito y

producir una cantidad neta de trabajo”.

Es decir, para mantenerse en operación una máquina térmica debe intercambiar calor tanto con

un sumidero de baja temperatura como con una fuente de alta temperatura.

Este enunciado también puede expresarse como: “ninguna máquina térmica puede tener una

eficiencia térmica del 100%”.

ENUNCIADO DE CLAUSIUS

“Es imposible construir un dispositivo que opera en un ciclo y cuyo único efecto sea producir la

transferencia de calor de un cuerpo de temperatura más baja a un cuerpo de temperatura más

alta”.

En definitiva, este enunciado nos dice que no es posible transferir calor de un cuerpo frío a uno

caliente sin realizar un trabajo a cambio.

η < ∞

CICLO DE CARNOT

Primer principio de Carnot: el rendimiento de una máquina térmica irreversible es siempre

menor que el rendimiento de una reversible que opera entre los mismos dos focos

térmicos.

Segundo principio de Carnot: todas las máquinas térmicas reversibles que operan entre los

mismos focos tienen el mismo rendimiento.

HIPOTESIS El alumno gracias a el sistema que se analizara en esta practica podrá identificar y saber como

funciona un ciclo de refrigeración, así como las partes que los componen y como funciona cada

una de estas.

Actividad 1 En el siguiente diagrama, identifique con sus nombres, las partes básicas que componen un ciclo

de refrigeración por compresión de vapor. Señale también los flujos energéticos asociados tanto

en forma de calor como en forma de trabajo para cada proceso. Observe que cada proceso se

realiza en un dispositivo en el cual el refrigerante tiene una entrada y una salida al menos.

Figura 1. Diagrama del ciclo de refrigeración por la compresión de un vapor.

Actividad 2 Dibuje una representación física de la bomba de calor PT que se le proporcionó, indicando las

partes básicas del ciclo de acuerdo con la actividad anterior. Identifique la sustancia activa

(refrigerante) que emplea el equipo.

Refrigerante: R134a.

Condensador-enfriador

Compresor

Evaporador

Válvula de expansión

Condensador-enfriador

Evaporador

Compresor

Válvula de Expansión

Actividad 3

En la siguiente figura, que representa una gráfica de la presión absoluta (P) en función del

volumen específico (v) para una sustancia, dibuje cómo se representarían los procesos asociados

al ciclo de la actividad anterior. No olvide indicar los cuatro estados clave, el último de cada

proceso, (del 1 al 4) que se muestran en la figura de la actividad 1.

Actividad 4 Medidor de carátula de la izquierda (color azul)

Rango -60 a 42 [°C] -1 a 10 [bar]

Resolución 1 [°C] 0.2 {bar] Legibilidad Buena Buena

Medidor de carátula de la derecha (color rojo)

Rango -60 a 87 [°C] -1 a 30 [bar]

Resolución 1 [°C] 0.2 {bar] Legibilidad Buena Buena

Actividad 5 En cada recipiente de la unidad proporcionada coloque 4 litros de agua. Mida la temperatura de

cada cantidad, ésta será su temperatura inicial.

I. En el evaporador

II. En el condensador

Actividad 6 Ponga a funcionar la unidad durante 10 minutos. Mida las temperaturas finales del agua en los dos

recipientes de plástico, no olvide homogeneizar las propiedades del agua con el agitador antes de

tomar las lecturas. Por otra parte, mida las presiones (alta y baja) del refrigerante, así como las

temperaturas de saturación correspondientes, con ayuda de los medidores instalados en el

refrigerador. Con base en los resultados obtenidos, cuantifique los flujos energéticos asociados al

evaporador y al condensador. Considere para el agua en su fase liquida

Para el agua como el sistema:

I. En el evaporador

II. En el condensador

Para el refrigerante

I. Pbaja= 3.2 [bar]= [Pa ]; Tsat= 9.9 [°C]

II. Palta= 7.8 [bar]=[Pa]; Tsat= 33 [°C]

Actividad 7 De acuerdo con la primera ley de la termodinámica para un ciclo, determine el trabajo y la

potencia en el compresor.

Actividad 8 Determine el coeficiente de operación de la unidad. No olvide anotar sus unidades coeficiente de

operación (como refrigerador).

Cuestionario

Peso molecular: 102[g/mol]

Punto de ebullición (a 1,013 bar): -26.1[°C]

Punto de congelación: -103 [°C]

Temperatura critica: 101.1 [°C]

Presión critica: 40.67 [bar abs]

Densidad critica: 508 [kg/m3]

Densidad del liquido (25°C): 1.206 [kg/m3]

Densidad del liquido (0°C): 1.293 [kg/m3]

Densidad del vapor saturado (a punto ebull.): 5.28 [kg/m3]

Presión de vapor (25°C): 6.657 [bar abs]

Presión de vapor (0°C): 2.92 [bar abs]

Calor de vaporización a punto de ebullición: 217.2 [kJ/kg]

Calor especifico del liquido (25°C)(1.013 bar): 1.44 [kJ/kg k]

Calor especifico del vapor (25°)(1.013 bar): 0.85 [kJ/kg k]

Viscosidad del líquido (25°C): 0.202 [cP]

Presión superficial (25°C): 8.09 [mN/m]

Solubilidad volumétrica refrig. (-25°C): 1192.11 [kg/m3]

Inflamabilidad: no

ODP: 0

GWP: 1300

El refrigerante determina el valor de su temperatura en las condiciones físicas del proceso 3-4

(proceso de expansión) con fase liquida en el medidor de caratula de presión y temperatura alta

(roja); y mezcla liquido-gas en el medidor de caratula de presión y temperatura baja (azul).

No se presentan separadas ya que el refrigerante que se utiliza tiene un comportamiento donde la

temperatura es proporcional a la presión que se tiene, es decir, se comportan de manera

proporcional.

El compresor y el evaporador

.

En el proceso realizado lo que se vio fue que ambos recipientes partieron de una misma

temperatura, pero al paso del proceso nos percatamos que un recipiente estaba aumentando de

temperatura y el otro de ellos estaba disminuyendo, comprobando así el postulado que establece:

“Es imposible un proceso cuyo único resultado sea la transferenciade energía en forma de

calor de un cuerpo de menor temperaturaa otro de mayor temperatura.”

Se puede cuantificar la energía en tránsito con la primera ley de la termodinámica

Q + W =

Q+W=0

Q= -W

PV= C

PV = mRT

W = -PV

W =mRTln V2/V1

CONCLUSIONES

ARANZAZU

Con esta práctica reforzamos algunos conocimientos vistos en clase. La práctica realizada se me

hizo muy didáctica, y muy ilustrativa, ya que pudimos observar como un compresor calienta y

enfría el agua, a mi parecer fue muy interesante. Es muy ilustrativa la maquina térmica mostrada

en esta práctica.

Me pareció que esta práctica además de ser ilustrativa, mostro gran parte de los conocimientos

vistos en la clase de teoría, se aprendió como sacar la eficiencia, el indicador de funcionamiento de

un refrigerador, el trabajo, entre otros.

KARINA

En esta practica aprendimos a diferenciar conceptos que a pesar de que no habían sido vistos en

teoría logramos la comprensión de estos, esta practica ha sido de las practicas que a pesar de ser

muy cortas y sencillas se aprende mucho de ellas, ya que al realizarlas utilizan varios conceptos que

son de gran ayuda en la comprensión de los ciclos de refrigeración, en lo personal a mi me agrado

bastante la practica ya que no fue difícil la realización pero los conceptos y el entendimiento de la

teoría antes explicada me quedo mejor comprendida al termino de la misma, además de que me

ayudo a una mejor comprensión del tema cuando se abordó el mismo en la clase de teoría.

PRISCILA

La realización de la práctica me ayudó mucho ya que en teoría no se había visto el tema del que

trataba por lo cual al verlo en clase ya tenía una idea clara de ha que se referían los conceptos que

se estaban tratando de ilustrarnos, lo cual no sucede ya que antes primero se veía en teoría y

después el laboratorio ayudaba a que cada uno de los conceptos quedaran claros, ahora fue al

revés y me quedó más claro el tema, fue una práctica muy rápida en su elaboración pero a la vez

muy importante y clara.

ISABEL

En esta práctica aprendí la forma en la que funciona un refrigerador, son objetos cotidianos que

no nos imaginamos la complejidad de su trabajo. Aunque en este caso fue algo muy sencillo quedo

muy bien ejemplificado, además de que se vio su aplicación relacionada con las máquinas térmicas

y la segunda ley de la termodinámica. Esta ley es la que nos condiciona el funcionamiento de cada

máquina, con lo cual me quedo más clara su representación, siempre había tenido problemas con

su relación con la entropía. De manera acertada se cumplió el propósito de la práctica.

REFERENCIAS DE consulta

http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r81887.PDF

http://www.gas-servei.com/docs/tecnicas/ref/R134A.pdf