INTRODUCCION

Acondicionamiento de aire:

El acondicionamiento de aire es el proceso de tratamiento del mismo en un ambiente interior con el fin de establecer y mantener los estándares requeridos de “temperatura, humedad, limpieza y movimiento”. Para la mayoría de personas, sobre todo aquellas que habitan en zonas de climas tropicales acondicionamiento de aire significa “enfriamiento de aire”, pero en términos generales abarca un espectro más amplio que implica establecer una zona de confort con un clima agradable.

Enfriamiento:

Significa técnicamente la eliminación de calor, en contraste con el calentamiento, que es la adición de calor.

Refrigeración:

Es la transferencia de energía en forma de calor desde una región de temperatura inferior, hacia una zona o región de temperatura superior.

Sistema de refrigeración.

Se utilizan para mantener una región del espacio a una temperatura inferior a la del ambiente. En este caso, se usan los sistemas de refrigeración que necesitan de maquinaria para proporcionar un fluido frio para enfriar o deshumidificar.

Existen varios tipos de sistemas para la obtención de refrigeración uno de los más utilizados es el de compresión de vapor, en el cual enfocaremos nuestro análisis. En estos sistemas el fluido refrigerante circula a través de la tubería y el equipo en la dirección indicada. Hay cuatro procesos (cambios en el estado del fluido) que se efectúan a medida que el fluido pasa a través del sistema.

Equipo:

Los componentes principales del sistema son el compresor, el evaporador, el condensador y la válvula de expansión o de control de flujo. El sistema de refrigeración tiene muchos componentes adicionales como por ejemplo, válvulas, controles y tuberías, que no se describirán con gran detalle

Evaporadores: Son intercambiadores de calor que generan la transferencia de energía térmica contenida en el medio ambiente hacia un gas refrigerante a baja temperatura y en proceso de evaporación. Este medio puede ser aire o agua, se encuentran al interior de neveras, refrigeradores domésticos, cámaras de refrigeración industrial, vitrinas comerciales para alimentos y un sinfín de aplicaciones en procesos para la industria de alimentos, así como en procesos químicos. De igual manera, también se encuentran al interior una diversa gama de equipos de aire acondicionado. Es debido a esto que el evaporador tiene un diseño, tamaño y capacidad particular conforme la aplicación y carga térmica.

Clasificación:

Se pueden clasificar en dos tipos que se usan para el servicio de acondicionamiento de aire: evaporadores de expansión seca o directa, o evaporadores inundados. En los primeros, el refrigerante pasa a través de la tubería y no hay almacenamiento de refrigerante liquido en el evaporador. En el evaporador tipo inundado, se mantiene un nivel líquido refrigerante, el de uso más común y el cual se utiliza en el banco didáctico es el de expansión seca directa.

Los de expansión seca pueden ser de dos tipos: serpentines de enfriamiento de expansión seca, o enfriadoras de expansión seca. Los primeros se usan para enfriar aire y los segundos para enfriar agua u otros líquidos. Los de expansión seca están dispuestos en forma de rollo serpentina y esta aletado para producir mayor transferencia de calor en una longitud dada. El aire pasa cruzando los serpentines.

Compresores: Tiene dos funciones en el ciclo de refrigeración: en primer lugar succiona el vapor refrigerante y reduce la presión en el evaporador a un punto en el que puede ser mantenida la temperatura de evaporación deseada. En segundo lugar, el compresor eleva la presión del vapor refrigerante a un nivel lo suficientemente alto, de modo que la temperatura de saturación sea superior a la temperatura del medio enfriante disponible para la condensación del vapor refrigerante

Los de desplazamiento positivo trabajan reduciendo el volumen de un gas en el espacio confinado y con ello aumenta su temperatura en este tipo de compresores están los reciprocantes, rotatorios y de tornillos, siendo los más comunes los de tipo reciprocantes.

Compresores Reciprocantes: Se consiguen en tamaños desde potencias fraccionadas hasta algunos cientos de toneladas. Está formado por pistones, cilindros, válvulas, bielas y cigüeñal. Las válvulas de succión y descarga en general son de placa delgada, o lengüeta, que abre y cierra fácil y rápidamente. Los componentes abiertos tienen un eje al descubierto, al cual se fija externamente un motor eléctrico o impulsor. Los compresores herméticos se fabrican con el compresor y el motor dentro de una caja sellada de este modo no hay la posibilidad de pérdida del refrigerante por fugas alrededor de la fleja o el eje. En un compresor hermético, el refrigerante enfría al motor.

Control de capacidad en los Compresores: Esta se debe regular para cumplir con la demanda de carga. El control en general se obtiene a partir de una señal que se recibe en un termostato o preostato. En un compresor reciprocante pequeño, con frecuencia se hace variar la capacidad solo poniendo a trabajar y parar el compresor

Condensadores: Elimina del sistema la energía ganada en el evaporador y el compresor. El aire atmosférico o agua son los dos sumideros de calor más convenientes para desecharlo.

Condensadores: Se puede considerar el funcionamiento de un condensador dividido en tres partes fundamentales.

• El refrigerante que ingresa al condensador en forma de vapor sobrecalentado y para poder ser condensado debe eliminar el exceso de calor sensible de modo de disminuir su temperatura a la de saturación.

• Una vez lograda la temperatura de vapor saturado se produce la condensación o sea el cambio del estado de vapor a la de líquido sin variación de temperatura.

• Luego de condensado el líquido sufre un subenfriamiento para lograr reducir la reevaporación del refrigerante en la línea de líquido antes de que éste alcance el dispositivo de expansión y aumentar el efecto refrigerante neto.

Las cantidades de calor sensible que el condensador debe eliminar para enfriar el sobrecalentamiento y producir el subenfriamiento es reducida comparada con la que tiene que eliminar para condensar el vapor saturado. Para lograr esos objetivos debe utilizarse un medio más frío que puede ser el mismo aire exterior o agua reciclada y enfriada mediante una torre de enfriamiento y por ello, los condensadores pueden clasificarse en:

• Enfriados por aire• Enfriados por agua

Existen sistemas de condensación denominados condensadores evaporativos, consistentes en un serpentín aleteado situado en el interior de un recinto por el cual circula el refrigerante y en sentido a contracorriente una cortina de agua y un caudal de aire forzado por un ventilador. Su aplicación es como condensador remoto. La condensación por agua requiere caudales importantes que no suelen estar disponibles, y existen normativas locales que no autorizan la utilización de agua de red para estas aplicaciones por el importante consumo que supone, por lo que es indispensable el reciclaje del agua mediante las torres de enfriamiento. La capacidad de los condensadores se debe controlar para mantener la presión de condensación dentro de ciertos límites. Las altas presiones de condensación ocasionan mayor empleo de energía y las presiones demasiado altas pueden dañar al equipo, si por otro lado la presión es demasiado baja, el dispositivo de control de flujo no trabajara satisfactoriamente.

Dispositivos para Control de Flujo: Provoca la caída de presión del refrigerante regula también el flujo del mismo de acuerdo con la carga. Algunos de los dispositivos con los que se cuentan son el tubo capilar el cual es un tubo de diámetro muy pequeño y longitud considerable que con ello se origina la caída de presión necesaria. Válvula termostática de expansión el cual se utiliza en los evaporadores de expansión seca, estas poseen una pequeña abertura entre el asiento de la válvula y el disco, lo cual origina la caída de presión necesaria. También efectúa un excelente trabajo de regulación de flujo, de acuerdo con las necesidades.

Controles de Seguridad: Los sistemas de refrigeración incorporan varios dispositivos para proteger el equipo. Se debe determinar los dispositivos para cada sistema. A continuación se presenta una lista de algunos de los dispositivos de seguridad disponibles:

Corte por alta Presión: Detiene el compresor cuando la presión de descarga del refrigerante excede el límite de seguridad.

Corte por baja Presión: Detiene al compresor cuando la presión del refrigerante en la succión está por debajo de un límite de seguridad. Se En general se usa esto como dispositivo de seguridad por temperatura. El ajuste de presión del dispositivo corresponde a una temperatura a la cual se congelaría el agua.

Corte por baja Presión de Aceite: Detiene el compresor cuando la presión del aceite lubricante es inadecuada.

Interruptor de Flujo: Detiene al compresor cuando el flujo de agua helada, o agua del condensador son inadecuados.

Cuando el compresor se detiene en respuesta a un termostato, el refrigerante puede seguir fluyendo al evaporador debido a la diferencia de presión entre condensador y evaporador

Ciclo Ideal de Refrigeración por Compresión de Vapor:

Procesos que experimenta el fluido en un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor:

Proceso 1-2: Compresión isentrópica en un compresor.

Proceso 2-3: Rechazo de calor a presión constante en el condensador.

Proceso 3-4: Estrangulamiento en un dispositivo de expansión.

Proceso 4-1: Absorción de calor a presión constante en el evaporador.

Ciclo Real de Refrigeración por Compresión de Vapor:

Difiere de uno ideal de varias maneras, debido principalmente a las irreversibilidades que suceden en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidades son la fricción del fluido (que provoca caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores.

ESQUEMA DE UN SISTEMA DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR

DIAGRAMA TEMPERATURA - ENTROPIA

Para los casos Reales es mejor trabajar en las siguientes condiciones:

El refrigerante es sobrecalentado antes de entrar al compresor de forma de asegurar vapor al compresor.

El refrigerante condensado es subeenfriado, por lo difícil de trabajar en la condición de saturación además de reducir el efecto refrigerante.

El compresor no es isentrópico por lo que puede haber un aumento o disminución de entropía.

Breve Reseña Histórica del desarrollo de los sistemas de refrigeración modernos:

En 1902 Willis Carrier sentó las bases de la maquinaria de refrigeración moderna y al intentar aplicarla a los espacios habitados, se encontró con el problema del aumento de la humedad relativa del aire enfriado, y al estudiar cómo evitarlo, desarrolló el concepto de climatización de verano. Por aquella época un impresor norteamericano tenía serias dificultades durante el proceso de impresión, que impedían el comportamiento normal del papel, obteniendo una calidad muy pobre debido a las variaciones de temperatura, calor y humedad. Carrier se puso a investigar con tenacidad para resolver el problema: diseñó una máquina específica que controlaba la humedad por medio de tubos enfriados, dando lugar a la primera unidad de refrigeración de la historia. En 1922 Carrier lleva a cabo uno de los logros de mayor impacto en la historia de la industria: “la enfriadora centrífuga”. Este nuevo sistema de refrigeración se estrenó en 1924 en los grandes almacenes Hudson de Detroit Estados Unidos, en los cuales se instalaron tres enfriadoras centrífugas para enfriar el sótano y posteriormente el resto de la tienda. Tal fue el éxito, que inmediatamente se instalaron este tipo de máquinas en hospitales, oficinas, aeropuertos, fábricas, hoteles y grandes almacenes. La prueba de fuego llegó en 1925. A finales de 1920 propietarios de pequeñas empresas quisieron competir con las grandes distribuidoras, por lo que Carrier empezó a desarrollar máquinas pequeñas. En 1928 se fabricó un equipo de climatización doméstico que enfriaba, calentaba, limpiaba y hacía circular el aire y cuya principal aplicación era la doméstica, pero la Gran Depresión en los Estados Unidos puso punto final al aire acondicionado en los hogares. Hasta después de la Segunda Guerra Mundial las ventas de equipos domésticos no empezaron a tener importancia en empresas y hogares.

PRACTICA

1. Objetivos de la Práctica

1.1. General:Evaluar el ciclo de Refrigeración por compresión de Vapor con el refrigerante R12.

1.2. Objetivos Específicos:Visualizar el proceso de Refrigeración por compresión de refrigerante R12 bajo condiciones reales de funcionamiento.

Determinar la capacidad de Refrigeración.

Determinar la potencia del Compresor.

Determinar el coeficiente de operación del ciclo de refrigeración ideal.

Determinar el coeficiente de operación del ciclo de refrigeración experimental o real.

Determinar la eficiencia Isoentropica del Compresor

Representar de forma gráfica las condiciones de funcionamiento del ciclo.

2. Equipos y Materiales a Utilizar: a. Banco didáctico de Refrigeración por compresión de Vapor con Refrigerante R12. b. Termómetro digital de temperatura. c. Tabla de Refrigerante R 12. d. Diagrama P-h del Refrigerante 12.

e. Textos relacionados con ciclos de Refrigeración.

3. Procedimiento Experimental.

1. Arranque del banco didáctico de refrigeración por compresión de vapor de la UNEFM, esperar tiempo de estabilización.

2. Toma de muestra de la temperatura del habitáculo al inicio.

3. Toma de presiones de las líneas de alta y Baja presión.

4. Tomas de temperaturas con el termómetro digital en los cuatro puntos de muestras de las termocuplas.

5. Toma de muestra de la temperatura del habitáculo al final del proceso.

5. Ecuaciones a utilizar:

a. Coeficiente de Operación del equipo:

COP=qevaporadorwcompresor

b. Capacidad de Refrigeración

Qevaporador= mrefrig∗q evaporador

c. Potencia del compresor.

W ¿¿ compresor ¿¿=¿ mrefrig∗wcompresor¿d. Eficiencia Isoentropica del Compresor

6. Datos suministrados:

El banco de refrigeración fue construido para funcionar con un flujo másico del

Refrigerante de:

mRe frig=0 ,30 Kg /min

7. Datos a tomar y medir en la práctica:

Variable Experimental Medición UnidadesTemperatura Inicial del habitáculoPresión de AltaPresión de BajaTemperatura de Salida del EvaporadorTemperatura de Succión del compresorTemperatura de Descarga del compresorTemperatura de Salida del CondensadorTemperatura Final del Habitaculo

8. Presentación de Resultados

ηC=wcompIwcompR

=h2 S−h1h2−h1

VARIABLES CICLO IDEAL CICLO REAL

COP

QEVAPORADOR

W compresor

ɳcompresor

9. Reporte:

Datos experimentales obtenidos de la práctica. Cálculos relacionados con la obtención de los resultados. Resultados obtenidos. Graficar el ciclo de refrigeración para el refrigerante empleado basado en las condiciones

de funcionamiento del banco, en el respectivo diagrama P-h. Graficar en el mismo diagrama el ciclo de refrigeración ideal, haciendo las suposiciones

teóricas que sean necesarias, bajo las condiciones de funcionamiento del banco. Analizar las diferencias representadas en los gráficos.

Calcular los coeficientes de operación en los ciclos real e ideal; basados en las condiciones plantadas en la práctica. Analizar las diferencias o similitudes.

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

FRANCISCO DE MIRANDA

ÁREA DE TECNOLOGÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL, MECÁNICA Y PESQUERA

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA

PRACTICA

CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

COORDINACION CONVERSION DE ENERGIA