13-8-2018
GUIA DE PRACTICA DE LABORATORIO DE REFRIGERACION LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA III
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO FACULATAD DE INGENIERÍA: ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA, INFORMATICA Y MECÁNICA ESCUELA PROFESIONAL: INGENIERIA MECANICA
TEMA: GUIA DE PRACTICA DE LABORATORIO DE REFRIGERACION CURSO: LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA III DOCENTE: ING. CHEVARRIA MAR ALVARO RODRIGO INTEGRANTES: SALAS MAMANI NEFI ARON CCARITA QQUESUALLPA FACUNDO ZAPATA MEDOZA JONATHAN ATAUCHI VALENCIA JULIO CESAR CHOQUE CHAUCA ARON JUSTO
CUSCO-PERU
133940 073140 120177 122133 124697
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Un Trabajo Presentado Para El Curso De Laboratorio Laboratorio de ingeniería mecánica III, De La Universidad Nacional San Antonio Abad Del Cusco
Ingeniería Mecánica. agosto de 2018.
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GUIA DE PRACTICA DE LABORATORIO DE REFRIGERACION El ciclo de refrigeración o bomba de calor Un refrigerador se define como una maquina como función principal es la de eliminar el calor de una región de baja temperatura. Como la energía no puede destruirse el calor tomado a una temperatura baja más cualquier otra entrada de energía deben disiparse en el espacio. Si la temperatura a la cual se disipa el calor es lo suficientemente alta como para ser útil. Mediante el diseño selectivo de los componentes, el ciclo puede optimizarse para aplicaciones de bomba de calor o refrigeración. En realidad bajo ciertas aplicaciones permiten por ejemplo en un establecimiento de productos prod uctos lácteos en el que se requiere la refrigeración para el enfriamiento y almacenamiento de la leche a la vez requiere agua caliente para el lavado de los tanques. El enunciado de clausius de la 2da ley de la termodinámica expresa que el calor no pasara de una región fría a una más caliente sin la ayuda de un agente externo una entrada de energía de alto poder calorífico. Esta entrada de energía puede ser en la forma de trabajo y funciona en el ciclo de compresión de vapor.
El ciclo de compresión de vapor La entrada de trabajo al ciclo impulsa un compresor que mantiene una presión baja en un evaporador y una presión más alta en un condensador. condensado r. La temperatura a la cual un líquido se evapora depende de la presión, por lo tanto si se introduce un fluido adecuado se evaporará una temperatura más baja en el evaporador de baja y se condensara a una temperatura más alta en el condensador de presión alta. El líquido de
2 presión alta formado en el condensador debe devolverse luego al evaporador a una velocidad controlada. Por lo tanto el ciclo simple de refrigeración de compresión de vapor tiene 4 componentes importantes:
Un evaporador en el que se toma calor a una baja temperatura a medida que un líquido se evapora a una presión baja.
Un compresor que usa una entrada de trabajo para aumentar la presión del vapor que se transfiere al condensador.
Un condensador donde se condensa el vapor de presión alta eliminando el calor en el espacio circundante.
Un dispositivo de control de flujo, que controla el flujo de retorno del líquido al evaporador y que produce la reducción de la presión.
El ciclo de refrigeración es el más interesante desde el punto de vista termodinámico. Es uno de los pocos equipos prácticos que funciona en un verdadero ciclo termodinámico e implica:
Ebullición nucleada y condensación de tipo de película.
Procesos en régimen permanente, es decir estrangulamiento, compresión e intercambio de calor.
Control de flujo.
Las propiedades termodinámicas es decir la presión, volumen especifico, temperatura, entalpia específica y entropía específica, de una sustancia pura en todas las condiciones entre liquido subenfriado y el vapor sobrecalentado.
DATOS IMPORTANTES PARA LOS CALCULOS EN EL MODULO DE GENERACION FRIO POR COMPRESION DE VAPOR A continuación, se van a presentar los materiales que se necesitan, así como una serie de datos útiles para la realización de la práctica.
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Condensador: área de la superficie del serpentín de refrigerante 0.2965 m2. La superficie de intercambio de calor consta de un tubo de cobre de 5/16″ de diámetro, por cuyo interior circula el líquido refrigerante.
Evaporador: área de la superficie del serpentín del evaporador es de 0.2160 m2 ,de construcción similar a la del condensador.
Capacidad calorífica del agua cp: 4.18 kJ/kg.K
Refrigerante R-12 Diclorodifluorometano en una cantidad aproximada de 800 gramos de carga efectiva.
Válvula de expansión: válvula manual de ajuste mediante tornillo SPORLAN.
Manómetros: 02 manómetros.
Manómetro de alta: que miden la presión de condensación a la salida del compresor.
Manómetro de baja: que miden la presión de evaporación a la entrada del compresor.
Termómetros: cuatro ubicados tanto a la salida como a la entrada del compresor como del evaporador, son de vidrio cuyo rango es de -10 a 110 °C de 251 mm.
Los valores de los flujos másicos en cada punto se detallan a continuación: PUNTO DE CAUDAL
EVAPORADOR (Kg/h)
CONDENSADOR (Kg/h)
Pto. N°1
22
22
Pto. N°2
--------
71.31
Pto. N°3
70.20
142.85
Pto. N°4
145.16
-------
La presión atmosférica en la ciudad del CUSCO es de 687 milibares, lo cual corresponde a 0.0687 MPa, datos correspondientes al servicio nacional de meteorología e hidrología (SENAMHI) CAPACIDAD EXPERIMENTAL
4 Las pruebas y experimentos que se podrán realizar en este módulo experimental están detallados a continuación con el procedimiento, así como con la respectiva teoría de cada practica a realizarse.
Nomenclatura:
Pc: Presión de condensación
Pe : Presión de evaporación
T1 : Temperatura de entrada al evaporador
T2 : Temperatura de entrada al condensador
T3 : Temperatura de salida al evaporador
T4 : Temperatura de salida al condensador
T5 : Temperatura de evaporación
T6 : Temperatura de condensación
U : Coeficiente global de transferencia de calor
Puesta en marcha del módulo experimental: 1. Cargar el tanque principal de agua de la parte posterior con un mínimo de 35 litros. 2. Accionar la bomba centrifuga para hacer circular el agua hacia la parte superior donde será distribuida tanto al condensador como al evaporador. 3. Cerrar la válvulas 3 y 4 para que ambos recintos de vidrio puedan llenarse de agua. 4. Abrir las válvulas 3 y 4, graduándolas en un numeral que indicara el caudal al cual están operando los intercambiadores. 5. Encender el circuito frigorífico dándole arranque al motor compresor hermético. 6. Dejar funcionar por espacio de 20 minutos, tiempo en el que se estabilizan los parámetros y momento en el que debemos de tomar nuestras medidas. 7. Apagar ambos interruptores y dejar todas las válvulas del circuito de aguas abierta.
5 8. Para hacer otra prueba se debe esperar un aproximado de 20 minutos, para dar tiempo de que las condiciones del refrigerante vuelvan a su estado inicial y proceder de la misma manera que el caso anterior. Las pruebas a realizarse en el módulo experimental son:
Demostración del ciclo de frigorífico por compresión de vapor 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 el exterior. Se enfría por tanto el agua 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 más alta, desprendiendo calor del agua que también pasa por la parte exterior. Se calienta por tanto el agua 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 y vuelve al evaporador. 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. El calor extraído estará dado por la relación en ambos intercambiadores por: =
Donde: : . : :
Estimación del coeficiente de rendimiento (c.o.p)
6 Se define como eficacia de la máquina, COP, la relación entre el efecto útil conseguido, Qe y el trabajo útil conseguido W. A este coeficiente de funcionamiento se le enfoca desde el punto de vista del compresor, y se le denomina COP del compresor. _ _ =
Donde: : : r
También podemos enfocar el coeficiente de funcionamiento desde el punto de vista termodinámico, para lo cual tendremos la siguiente relación:
_ _ =
−
: :
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 frio. En un condensador o evaporador, la temperatura de 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”; y la
ecuación de transmisión de calor está dada por: =
Donde: : .
7 : . : . . :
. .
=
( − ) − ( − ) ( − ) ln( ln( ) ( − )
Donde: : : :
=
( − ) − ( − ) ) ln( ln(
( − ) ) ( ( − ) )
Donde: : : :
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EXPERIMENTO N°1 UTILIZANDO FLUJOS MÁSICOS IGUALES DE AGUA TANTO EN EL CONDENSADOR COMO EN EL EVAPORADOR Este experimento se realizará usando flujos másicos de agua que serán iguales en cada una de las 3 pruebas, e irán aumentando progresivamente el flujo másico en ambos intercambiadores, siempre cuidando que el flujo másico de agua sea igual en cada una de las pruebas. Arrancar el equipo, como ya se explico en la primera parte de esta guía, en la PRUEBA N°1 se deberá colocar la válvula de cierre del evaporador (válvula N°3) en el NUMERO 1, u el condensador (válvula 4), en el NÚMERO 1, se hará funcionar el modulo por espacio de 20 minutos y se anotaran los diferentes valores en la tabla construida para dicho efecto, para hacer la segunda prueba recordar dejar 15 minutos de parada al equipo. La PRUEBA N°O2, las ubicaciones en la válvula serán como sigue NUMERO 3 en el evaporador (válvula 3), y el NUMERO 2 en el condensador (válvula 4), al cabo de 20 minutos anotar los resultados de la prueba. La PRUEBA N°03, las ubicaciones de la llave serán las siguientes numerales NUMERO 5 en el evaporador (válvula 3) y NUMERO 3 en el condensador co ndensador (válvula 4), nuevamente dejar funcionar 20 minutos y anotar los resultados en la prueba. NUMERO DE PRUEBAS DATOS RECOPILADOS
1
2
3
Pto 1
Pto 3
Pto5
Pto 1
Pto 2
Pto 3
Presión Manométrica Del Evaporador Presión Absoluta Del Evaporador Punto de caudal de agua en evaporador Temperatura de entrada evaporador Temperatura de salida evaporador Presión manométrica condensador Presión absoluta condensador Punto de caudal de agua en condensador
9 Temperatura entrada condensador Temperatura salida condensador Temperatura de evaporización Temperatura de condensación Con los datos recopilados hacer lo siguiente:
Determinar los calores extraídos en el condensador y evaporador, además de calcular la relación de compresión, hacer un grafico de calores extraídos vs relación de compresión, analizar la curva y llegar a conclusiones de esta gráfica.
Determinar los coeficientes globales de transferencia de calor tanto en el condensador como evaporador, y realizar un grafico con respecto al orden cada una de las pruebas, analice la curva y llegue a conclusiones del porqué de los resultados.
Hallar los C.O.P (Coeficiente de Performance), tanto en el C.O.P real como en el C.O.P termodinámico, realice una gráfica de los C.O.P reales con respecto a cada una de las pruebas realizadas en estricto orden, analizar la curva y dar conclusiones respectivas en cada caso.
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EXPERIMETO N° 02 UTILIZANDO FLUJOS MÁSICO VARIABLES DE AGUA TANTO EN EL CONDENSADOR COMO EN EL EVAPORADOR Este experimento se realizara usando flujos másicos de agua que irán variando mientras el flujo de uno de ellos aumenta en cada prueba el del oro intercambiador se irá reduciendo en cada una de las tres pruebas. Arrancar el equipo, como ya se explicó en la primera parte de esta guía, en la PRUEBA N° 01 se deberá de colocar las válvulas de cierre de evaporador (válvula 3) en el
NUMERO 1, y el condensador (válvula 4), en el NUMERO 3, se hará funcionar el modulo por un espacio de 20 minutos y se anotaran los diferentes valores en la tabla construida para dicho efecto, para anotar la segunda prueba recordar dejar 15 minutos de para del equipo. La prueba N°02 , las ubicaciones de la válvula serán como sigue NUMERO 3 en el
evaporador (válvula 3), y NUMERO 2 en el condensador (valvula4), al cabo de 20 minutos anotar los resultados de la prueba en la tabla respectiva. La PRUEBA N 03, las ubicaciones de llave serán en las siguientes numerales,
NUMERO 5 en el evaporador (valvula3) y NUMERO 1 en el condensador (válvula 4), nuevamente dejar funcionar 20 minutos y anotar los resultados de la prueba. NUMERO DE PRUEBAS DATOS RECOPILADOS
1
2
3
Pto1
Pto 3
Pto 5
Presión Manométrica Del Evaporador Presión Absoluta Del Evaporador Punto de caudal de agua en evaporador Temperatura de entrada evaporador
11 Temperatura de salida evaporador Presión manométrica condensador Presión absoluta condensador Punto de caudal de agua del condensador
Pto 3
Pto 2
Pto 1
Temperatura entrada condensador Temperatura salida condensador Temperatura de evaporización Temperatura de condensación Con los datos recopilados hacer lo siguiente:
Determinar los calores extraídos en el condensador y evaporador, además de calcular la relación de compresión, hacer un gráfico de calores extraídos vs relación de compresión, analizar la curva y llegar a conclusiones de esta gráfica.
Determinar los coeficientes globales de transferencia de calor tanto en el condensador como en el evaporador, y realizar un gráfico con respecto al orden cada una de las pruebas, analice la curva y llegue a una conclusión del porqué de los resultados.
Hallar los COP ( coeficientes de performance), tanto el COP real como el COP termodinámico, realice una gráfica de los COP Reales con respecto a cada una de las pruebas realizadas en estricto orden, analizar las curvas y dar las conclusiones respectivas en cada caso.
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EXPERIMETO N° 03 UTILIZANDO
FLUJO
MÁSICO
VARIABLES
DE
AGUA
EN
EL
CONDENSADOR Y MANTENIENDO UN FLUJO MASICO DE AGUA CONSTANTE EN EL EVAPORADOR Este experimento se realizara usando un flujo másico de agua que ira variando progresivamente en el condensador, es decir se irá incrementando en cada prueba, mientras el flujo del evaporador se mantendrá constante en todas las pruebas. Arrancar el equipo, como ya se explicó en la primera parte de esta guía, en la PRUEBA N° 01 se deberá de colocar las válvulas de cierre de evaporador (válvula 3) en el
NUMERO 5, y el condensador (válvula 4), en el NUMERO 1, se hará funcionar el modulo por un espacio de 20 minutos y se anotaran los diferentes valores en la tabla construida para dicho efecto, para anotar la segunda prueba recordar dejar 15 minutos de para del equipo. La prueba N°02 , las ubicaciones de la válvula serán como sigue NUMERO 5 en el evaporador (válvula 3), y NUMERO 2 en el condensador (valvula4), al cabo de 20 minutos anotar los resultados de la prueba en la tabla respectiva. La PRUEBA N 03, las ubicaciones de llave serán en las siguientes numerales,
NUMERO 5 en el evaporador (valvula3) y NUMERO 3 en el condensador (válvula 4), nuevamente dejar funcionar 20 minutos y anotar los resultados de la prueba. NUMERO DE PRUEBAS DATOS RECOPILADOS
1
2
3
Pto5
Pto5
Pto5
Presión Manométrica Del Evaporador Presión Absoluta Del Evaporador Punto de caudal de agua en evaporador
13 Temperatura de entrada evaporador Temperatura de salida evaporador Presión manométrica condensador Presión absoluta condensador Punto de caudal de agua en condensador
Pto 1
Pto 2
Pto 3
Temperatura entrada condensador Temperatura salida condensador Temperatura de evaporización Temperatura de condensación Con los datos recopilados hacer lo siguiente:
Determinar los calores extraídos en el condensador y evaporador, además de calcular la relación de compresión, hacer un gráfico de calores extraídos vs relación de compresión, analizar la curva y llegar a conclusiones de esta gráfica.
Determinar los coeficientes globales de transferencia de calor tanto en el condensador como en el evaporador, y realizar un gráfico con respecto al orden cada una de las pruebas, analice la curva y llegue a una conclusión del porqué de los resultados.
Hallar los COP ( coeficientes de performance), tanto el COP real como el COP termodinámico, realice una gráfica de los COP Reales con respecto a cada una de las pruebas realizadas en estricto orden, analizar las curvas y dar las conclusiones respectivas en cada caso.
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EXPERIMENTO N°4 UTILIZANDO FLUJOS MÁSICO VARIABLE DE AGUA EN EL EVAPORADOR Y MANTENIENDO FLUJO MASICO DE AGUA CONSTANTE EN EL CONDENSADOR Este experimento se realizará usando flujos másicos de agua que irán variando mientras el flujo de uno de ellos aumenta en cada prueba el del otro intercambiador se irá reduciendo en cada una de las 3 pruebas Arrancar el equipo, como ya se explicó en la primera parte de esta guía, en la PRUEBA N°1 se deberá colocar la válvula de cierre del evaporador (válvula N°3) en el
NUMERO 1, y el condensador (válvula 4), en el NÚMERO 3, se hará funcionar el módulo por espacio de 20 minutos y se anotaran los diferentes valores en la tabla construida para dicho efecto, para hacer la segunda prueba recordar dejar 15 minutos de parada al equipo. La PRUEBA N°O2, las ubicaciones en la válvula serán como sigue NUMERO 3 en el evaporador (válvula 3), y el NUMERO 2 en el condensador (válvula 4), al cabo de 20 minutos anotar los resultados de la prueba en la tabla respectiva. La PRUEBA N°03, las ubicaciones de la llave serán las siguientes numerales NUMERO 5 en el evaporador (válvula 3) y NUMERO 1 en el condensador (válvula 4), nuevamente dejar funcionar 20 minutos y anotar los resultados en la prueba. NUMERO DE PRUEBAS DATOS RECOPILADOS
1
2
3
Pto 1
Pto 3
Pto5
Pto 3
Pto 3
Pto 3
Presión Manométrica Del Evaporador Presión Absoluta Del Evaporador Punto de caudal de agua en evaporador Temperatura de entrada evaporador Temperatura de salida evaporador Presión manométrica condensador Presión absoluta condensador Punto de caudal de agua en condensador
15 Temperatura entrada condensador Temperatura salida condensador Temperatura de evaporización Temperatura de condensación Con los datos recopilados hacer lo siguiente:
Determinar los calores extraídos en el condensador y evaporador, además de calcular la relación de compresión, hacer un gráfico de calores extraídos vs relación de compresión, analizar la curva y llegar a conclusiones de esta gráfica.
Determinar los coeficientes globales de transferencia de calor tanto en el condensador como evaporador, y realizar un gráfico con respecto al orden cada una de las pruebas, analice la curva y llegue a conclusiones del porqué de los resultados.
Hallar los C.O.P (Coeficiente de Performance), tanto en el C.O.P real como en el C.O.P termodinámico, realice una gráfica de los C.O.P reales con respecto a cada una de las pruebas realizadas en estricto orden, analizar la curva y dar conclusiones respectivas en cada caso.
