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Anlisis de primera ley en un ciclo de refrigeracin por compresin de vapor.

Danilo Javier Aguirre Risueo, Daniel Alejandro Restrepo Barn, Andrs Zuluaga Estrada y Arturo Yepes Aranda.Departamento de Ingeniera Mecnica. Facultad de Ingeniera.Universidad de AntioquiaCalle 67 No. 53-108. Medelln, Colombia.

Resumen Se introduce brevemente el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor de agua, se analiz la unidad de refrigeracin (P.A. Hilton R-713) del laboratorio de operaciones unitarias de la universidad de Antioquia, la cual tiene como fluido de trabajo el refrigerante R134a. El anlisis experimental se bas en el uso de la primera ley de la termodinmica aplicada a los cuatro componentes fundamentales de la unidad (compresor, evaporador, condensador, vlvula de expansin), dicho anlisis se llev acabo para tres distintas posiciones del restato obteniendo resultados poco comunes en la mxima potencia trabajada para la unidad. Basado en los resultados obtenidos se llega a la conclusin que en este tipo de operaciones experimentales es necesario realizar ms repeticiones para cada posicin del restato e introducir conceptos de la segunda ley de la termodinmica.Palabras clave: Sistema de refrigeracin por compresin de vapor, unidad de refrigeracin, restato, primera ley de la termodinmica, R134a.AbstractThe refrigeration cycle by vapor compression was introduced, using the (P.A Hilton R-173) refrigeration unit, which used 134a refrigeration as work fluid. An experimental analysis conducted by the means of the first law of thermodynamics was applied to the main components of the unit (compressor, evaporator, condenser and expansion valve) for several rheostat positions, with unexpected results for the highest power positions. Based on obtained data, its concluded that more experiments are needed for each position of the rheostat, and a deeper understanding of the second law of thermodynamics is useful in order to obtain trustworthy results.Key words: Refrigeration system by steam compression, refrigeration unity, rheostat, thermodynamic first law, R134a.

Introduccin

Los sistemas de refrigeracin son hoy en da un elemento de vital importancia para adecuar el ambiente mediante la transferencia de calor entre dos zonas para llevar una de estas a condiciones de operacin necesarias para realizar algn proceso; que pueden ser climatizacin de lugares cerrados, conservacin de alimentos o productos que se degraden con el calor, entre otros. El sistema de refrigeracin por compresin de vapor es el ms comn de todos y consiste esencialmente en el aprovechamiento de trabajo mecnico para reducir la temperatura de un espacio.

El sistema funciona con lquido refrigerante como fluido de trabajo y esencialmente consta de cuatro componentes que son: compresor, evaporador, condensador y un dispositivo de expansin (vlvula de estrangulamiento o tubo capilar), en los cuales el fluido de trabajo sufre cambios de fase y estado.

Los objetivos de la investigacin son: Comprobar la primera ley de la termodinmica para el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor y cada uno de sus elementos principales, evaluar las propiedades, estados y procesos termodinmicos por los que atraviesa la sustancia de trabajo del ciclo (refrigerante R134a) y determinar el efecto de la potencia trmica variada por restato sobre los indicadores energticos de primera ley (eficiencia de primera ley de la termodinmica) del ciclo.1 La importancia de esta investigacin recae en observar como difiere el sistema real del ciclo invertido de Carnot, ya que esta diferencia afecta las eficiencias y las condiciones de operacin de cada componente del ciclo de refrigeracin. Para realizar estas observaciones hay varias limitaciones como falta de muestreos para generar un balance promedio para cada resultado, errores de medicin o desconocimiento del efecto que generan los componentes del refrigerante sobre cada proceso al asumirlo como sustancia pura.

Materiales y mtodos

El fluido de trabajo usado fue el refrigerante R134a (Tetrafluoroetano CF3CH2F) por su gran aplicacin en sistemas de refrigeracin por compresin de vapor, dado a su alta estabilidad trmica y qumica que asegura que sus fases y estados termodinmicos sean los esperados para cada proceso del ciclo de refrigeracin.

El ciclo se analiz en una unidad de refrigeracin (P.A. Hilton R-713) del laboratorio de operaciones unitarias de la Universidad de Antioquia, la unidad consta de cuatro componentes esenciales que son:

Adems de otros instrumentos que permiten la regulacin del equipo y las mediciones en distintos puntos del

Para regular la capacidad de refrigeracin del equipo se usa un restato que al cambiar su posicin variar la potencia del evaporador, en el experimento se analizaron tres posiciones de este elemento y mediante la primera ley de la termodinmica y algunos datos recopilados por los instrumentos de medicin se logr definir las fases y estados termodinmicos para seis puntos de inters donde el fluido debe cumplir las condiciones establecidas para cada proceso.

Esquema de la unidad experimentalA continuacin se anexa un esquema de la unidad de refrigeracin (Figura 1) donde estn ubicados los seis puntos de inters y la posicin de los diferentes instrumentos de medicin.

Figura 1. Esquema del sistema de refrigeracin (P.A. Hilton R-713).

Recopilacin y anlisis de datos

Para recopilar algunos datos se hicieron lecturas de los diferentes instrumentos de medicin (Tabla 1) y para definir los seis estados termodinmicos se implement un software (Engineering Equation Solver) que con dos propiedades termodinmicas define las otras propiedades necesarias para la aplicacin de la primera ley.

Tabla 1. Datos experimentales.Posicin del restato

405060

Presin del Condensador (kPa)700740790

Presin del Evaporador (kPa)206090

t1 (C)-16,6-13,4-10,4

t2 (C)54,757,859,7

t3 (C)2526,928,5

t4 (C)-22,8-17,9-13,6

t5 (C)22,122,122

t6 (C)25,727,228,2

Flujo Msico H2O (g/s)202020

Flujo Msico Refrigerante (g/s)2,535,5

Voltaje del Evaporador (Volt)455565

Corriente del Evaporador (A)4,25,16

Voltaje del Compresor (Volt)120120120

Corriente del Compresor (A)7,57,57,5

Para realizar el anlisis de la primera ley y de eficiencias primero fue necesario estudiar cada componente por separado y despus un del ciclo completo haciendo las respectivas hiptesis y aproximaciones especficas y generales que simplificaron el anlisis termodinmico.

De la ley de conservacin de la masa y la energa se deducen las siguientes ecuaciones:

(1)

(2)

Para cada uno de los elementos y el ciclo en general se hicieron las siguientes hiptesis y aproximaciones: Se desprecian los cambios de energa cintica y potencial. Sistema de flujo estacionario. El refrigerante R134a se asume como una sustancia pura. Se asume el proceso sin cadas de presin. Las tuberas son adiabticas.

A continuacin se listan las hiptesis y aproximaciones especficas para cada elemento.

Compresor: Se asume que el proceso de compresin es adiabtico.

Condensador: Se asumen prdidas de energa en forma de calor.Vlvula de expansin: Se asume ganancias o prdidas de calor dependiendo de la posicin del restato.

Balances de primera ley para los componentes y el ciclo.Todos los balances se obtuvieron a partir de la ecuacin (2) teniendo en cuenta las anteriores hiptesis y aproximaciones.

Compresor: (3)

Condensador: (4)

Vlvula de expansin: (5)

Ciclo en General: (6)

Resultados

Se us el programa Engineering Equation Solver (EES) para calcular las entalpias del refrigerante r134a.V.S: Vapor sobrecalentado.L.C: Lquido comprimido.

Tabla 2. Entalpias y estados.Posicin delrestato

Entalpias405060

h1 (kJ/kg)242,1 (V.S)243,4 (V.S)245 (V.S)

h2 (kJ/kg)291,7 (V.S)294,2 (V.S)295,3 (V.S)

h3 (kJ/kg)86,4 (L.C)89,12 (L.C)91,41 (L.C)

h4 (kJ/kg)237,1 (V.S)239,7 (V.S)33,82 (L.C)

Observacin: Observando la entalpia y la fase en el estado 4 (h4) de la Tabla 2 se puede ver como para la posicin 60 en comparacin con las posiciones 40 y 50 del restato, hay una cada de entalpia que conlleva a un cambio de fase de vapor sobrecalentado que era lo esperado a liquido comprimido, sta diferencia de entalpia puede estar asociada a un error en el sistema de refrigeracin o en la medicin de las propiedades del fluido ya que como se explicar ms adelante para un pequeo cambio de presin o temperatura se asegura una entalpia y una fase que siga el comportamiento del ciclo como en las otras dos posiciones del restato.

Utilizando el balance de la primera ley de la termodinmica se obtuvo.: Eficiencia. (%): Trabajo por unidad de tiempo del compresor. : Calor absorbido por el agua por unidad de tiempo : Transferencia de calor en la vlvula de expansin por unidad de tiempo

Tabla 3. Potencias y eficiencias.Posicin delrestato

405060

Compresor=0,124 =13,77=0,1524 =16,93=0,27665 =30,73

Condensador=0,30096 =58,66=0,42636 =69,32=0,51832 =46,22

Vlvula de expansin=0,3767=0,4515=-0,31674

Con el fin de visualizar el comportamiento de las eficiencias (Compresor, condensador), y la transferencia de calor en la vlvula de expansin, se tomaron como puntos de referencia los tres datos arrojados por los clculos realizados; con estos se procedi a realizar un ajuste de la curva haciendo uso del Polinomio de Interpolacin de Newton. Las figuras 2 y 3 muestran dicho comportamiento.

Figura 2. Eficiencias vs Posicin del restato.

Se observa en la figura que la eficiencia del condensador aumenta entre las posiciones [40 - 48] del restato alcanzando una eficiencia mxima alrededor del 70% debido a que existe un balance entre el flujo msico del refrigerante y la posicin del restato, es decir, para este caso, posiciones [40 - 60]; En 40 el flujo msico y la potencia son mnimos, as el condensador no usa toda su capacidad dando como resultado (58.66%), y en 60 el flujo msico y la potencia son mximos, pese a que la potencia es mxima el flujo msico de agua (20 g/s) no es suficiente para condensar eficientemente la cantidad de refrigerante, dando una eficiencia del (46.22%).La curva que describe el comportamiento de la eficiencia del compresor vs la posicin del restato muestra claramente el aumento de la eficiencia conforme aumenta la posicin del restato, esto se debe al aumento de flujo del refrigerante, ya que la proporcin de prdidas de energa (debido a la friccin y contacto con el ambiente) con respecto al trabajo que el compresor le realiza al fluido es menor.

Figura 3. Transferencia de calor en la vlvula.

Se observa en la figura el aumento de la ganancia de calor desde la posicin 40 a 50 del restato, luego se aprecia una prdida de calor en la posicin 60 del restato, este dato es anormal debido a que en la vlvula de expansin el fluido refrigerante debe tener una ganancia de calor, en el intento de analizar este suceso se vari mnimamente la presin o la temperatura y se procedi a calcular y graficar nuevamente la transferencia de calor en esta posicin.

Figura 4. Recalculo de la transferencia de calor en la vlvula.

En la nueva grafica se nota que con cambios de presin o temperatura tan mnimos como -0.5kPa o +0.1C respectivamente se visualiza un cambio drstico en la transferencia de calor, ya que cambia la fase del refrigerante de lquido comprimido a vapor sobrecalentado, se presume que esto puede ser ocasionado por un dao en el sistema de refrigeracin o una mala medicin de las propiedades.

Con los resultados obtenidos se realizaron los balances de energa previos.

Compresor (3)

Tabla 4. Balance de energa del compresor.Posicin del restato

405060

Balance de Energa

Condensador. (4)

Tabla 5. Balance de energa para el condensador.Posicin del restato

405060

Balance de Energa

En la tabla (5) se observa que el balance de energa no es cero (0), esto no quiere decir que la primera ley de la termodinmica no se cumpla, es decir, que todo el calor cedido por el refrigerante no es absorbido totalmente por el agua, ya que la otra parte de la energa es cedida al medio ambiente.

Vlvula de expansin. (5)

Tabla 6. Balance de energa para la vlvula de expansin.Posicin del restato

405060

Balance de Energa

Ciclo en General.De la ecuacin (6): (12)

Tabla 7. Balance de energa para el ciclo en general.Posicin del restato

405060

Balance de Energa

De acuerdo al balance realizado anteriormente se observa que la primera ley de la termodinmica se cumple para la posicin 40 y 50 del restato, sin embargo, en la posicin 60 se observa que la variacin energtica es de 0.05996 ,se presume que esto es debido a un error en la medicin de las propiedades del refrigerante. Dicho error pudo ser ocasionado como consecuencia de una falta de estabilidad (condiciones estacionarias) de la unidad de refrigeracin o a una falla de los elementos de medicin porque el refrigerante se asumi como sustancia pura cuando en realidad este pudo estar mezclado con lubricantes del compresor.. Conclusiones

Para un correcto anlisis y para obtener resultados ms confiables en este tipo de experimentos es necesario que el restato se vare en ms posiciones, ya que con solo tres modificaciones no resulta del todo fiable, adems, es necesario que se realicen ms de una repeticin por cada posicin del restato.

En las posiciones ms altas del restato se puede lograr mayor eficiencia del condensador aumentado el flujo msico de agua ya que as hay una mayor transferencia de calor.

En las posiciones ms bajas del restato la transferencia de calor del evaporador hacia el fluido de trabajo es muy poca, por lo cual la eficiencia del evaporador es muy baja.

Es correcto afirmar que la primera ley no cumple para algunos sistemas que se estudiaron y para poder realizar un anlisis ms profundo y preciso de este es necesario introducir conceptos de la segunda ley de la termodinmica.

Referencias

1. Pereira, W. Gua de laboratorio N1 en Termodinmica I, Medelln, Antioquia, 20132. engel, Y. & Boles, M. Termodinmica, 6 Edicin, Editorial McGraw-Hill, Mxico, 19973. Ingeniera Mecnica. Revista electrnica. Instrucciones a los Autores. Facultad de Ingeniera Mecnica. Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra CUJAE. 2011.4. Moreno E. Bandarra E. y Hernndez O. Propuesta de uso de control adaptativo en resfriadores de agua para usar en sistemas de refrigeracin por compresin de vapor. Revista Colombiana de Tecnologas de Avanzada. 2009, Vol. 2, n 14. [Consultado el: 15 de junio de 2013]. Disponible en: http://www.unipamplona.edu.co/unipamplona/portalIG/home_40/recursos/03_v13_18/revista_14/04112011/14.pdf ISSN 1692-7257.5. Rangel C. Anlisis de las irreversibilidades en un sistema de refrigeracin por compresin mecnica de vapor con refrigerante 134a. Tesis de maestra. Instituto Politcnico Nacional, [Consultado el: 17 de junio de 2013]. Septiembre, 2003.