REFRIGERADOR

Objetivos:

Conocer y comprender el funcionamiento de un sistema de refrigeración básico, en un banco de prueba que asemeja un refrigerador doméstico.

Obtener los valores de potencia consumida, máximo calor disipado en el condensador y coeficiente de funcionamiento.

Marco teórico

Ciclo de refrigeración

Figura No.1. Esquema del ciclo de refrigeración.

Siguiendo el diagrama: si el líquido refrigerante en el punto A absorbe calor a presión constante, comenzará a ebullir. La evaporación tiene lugar sin que haya cambios de temperatura. A medida que se añade calor, la entalpía aumenta y entra en un estado de mezcla de vapor y líquido (región húmeda). En el punto B, la mezcla se convierte en vapor saturado, cualquier cantidad de calor que se le aplique a presión constante hace que el refrigerante entre en la región sobrecalentada indicada por el punto C.

En la evaporación, el refrigerante entra en el evaporador como una mezcla de de vapor y líquido en el punto D, entra en el evaporador dosificándose a través de la válvula de expansión termostática, que disminuye su presión y por consiguiente su temperatura según el diagrama del punto J al D. Al absorber calor en el evaporador el refrigerante empieza a ebullir hasta volverse completamente vapor llegando al punto E; sin embargo, se le aplica calor adicional hasta llegar al punto F esto es con el fin de evitar la condensación de líquido en la línea de gas para evitar daños en el compresor. Además, la válvula de expansión requiere de este calor adicional para funcionar adecuadamente.

Después de que el refrigerante se encuentra como vapor sobrecalentado, punto F, entra en el compresor para comprimirse y aumentar su presión, durante este proceso el refrigerante absorbe calor hasta lograr la entalpía y presión del punto H. El gas en estas condiciones pasa por el condensador donde se le retira el calor absorbido en la etapa de compresión y es expulsado al medio ambiente (o agua). La condensación ocurre a temperatura constante del punto H al punto J en donde es condensado en líquido totalmente y permanece a presión constante. Y de allí continua el líquido a través de la tubería hasta la válvula de expansión nuevamente para iniciar el ciclo.

Hay otros elementos adicionales que puede tener el sistema y se instalan en sistemas de aire acondicionado y refrigeración sólo con el fin de tener mayor control, como lo es el filtro secador, encargado de retener la humedad que pueda contener el sistema. La mirilla o visor de líquido nos da la indicación de presencia de humedad en el sistema y se puede ver si la cantidad de refrigerante en el sistema es el adecuado. Otro elemento adicional es el tanque acumulador de líquido que por lo general se instala en los sistemas de refrigeración con el fin de garantizar y tener una cantidad de refrigerante remanente o de reserva en el sistema.

Refrigerador

El refrigerador doméstico está compuesto de un sistema mecánico que se utiliza en ocupaciones del hogar para la preservación de productos perecederos comestibles (carnes, leche, verduras y frutas). El sistema está compuesto por cuatro elementos principales y en cada uno de ellos se lleva a cabo un proceso:

Compresor: Realiza el proceso de compresión.Condensador: Realiza el proceso de condensación.Control de flujo o tubo capilar: Realiza el proceso de expansión.Evaporador: Realiza el proceso de evaporación.

El compresor

Todo sistema mecánico está provisto de un elemento principal que hace que el líquido o fluido circule en todo el sistema para lograr que se produzca el efecto esperado. En este caso los sistemas de refrigeración tienen un elemento principal que se llama compresor, que tiene la función de succionar y comprimir el refrigerante que circula en todo el sistema. El compresor está constituido por las siguientes partes:

Cuerpo o carcasaBornes eléctricosTubos de conexión (de succión, de descarga y apéndice de carga)PistonesCilindrosBielaPlato de válvulasVálvulas de aspiración y descargaEstatorEje rotorCilindros de aspiración y descarga

El condensadorAl condensador el refrigerante llega en forma de vapor y al ir pasando por todo el serpentín, y por la acción del ventilador para refrigeradores sin escarcha, como agitador del aire del medio ambiente hace que el aire pase a través del serpentín y de esta forma convierte al refrigerante de vapor a líquido, eliminando las calorías absorbidas en el espacio donde se almacenan los productos alimenticios. Lo envía al medio ambiente a una temperatura más elevada. El condensador también es un elemento de transferencia de calor. Algunos

condensadores del refrigerador doméstico están provistos con subenfriadores para una mayor eficiencia del sistema y la eliminación de las calorías.

La capacidad de un condensador se basa en los tres factores siguientes: 1.- Superficie total de radiación formada por la del tubo y aletas.2.- temperatura del aire ambiente en que esta empleado el condensador.

3.- velocidad del aire a través del condensador.

El control de flujo refrigerante (tubo capilar)El control de flujo es un elemento del sistema que se utiliza para disminuir la presión del refrigerante y controlar el paso del mismo hacia el evaporador según las calorías que produzcan los productos a conservar. Existen diferentes tipos de controles de flujo, de uno de ellos el que se utiliza el refrigerador doméstico se llama tubo capilar. Es el mas simple de los controles de flujo del refrigerante, consiste de una tubería de longitud fija, de diámetro pequeño, instalada entre le condensador y el evaporador, que generalmente, se coloca por el lado de la tubería del líquido.

Para cualquier longitud de tubo y diámetro especificados, la resistencia del tubo es fija o constante, de modo que la razón de flujo líquido a través del tubo en cualquier instante de tiempo es proporcional al diferencial de presión que se tiene a través del mismo (diferencia entre la presión de evaporación y la presión de condensación del sistema). El tubo capilar difiere de otros los controles de flujo refrigerante, en que no cierra ni detiene el flujo

líquido hacia el evaporador durante el ciclo de paro. Cuando para el compresor, se igualan las presiones en los lados de alta y baja presión a través del tubo capilar abierto y el residuo de líquido que se tiene en el condensador pasa hacia el evaporador, de menor presión, donde permanece hasta que nuevamente se inicia el ciclo del compresor.

El evaporadorEs una superficie de transferencia de calor, en la cual se lleva acabo la evaporación del refrigerante a baja presión y temperatura. En refrigeración domestica se utiliza el evaporador de convección forzada y una turbina para absorber por un lado las calorías del producto y por el otro proporcionar aire frío hacia el mismo. Otro de convección natural utilizado en refrigeradores sin escarcha. El evaporador de convección forzada está construido por tubería en forma de serpentín y aletas que sirven para que exista mayor transferencia de calor del producto a conservar hacia el refrigerante que circula en el

serpentín.

Los elementos hasta aquí descritos están unidos a través de tuberías que hacen que se forme el sistema por el que se llevaran a cabo los procesos y ciclos de refrigeración. Dichas tuberías se distinguen de la siguiente forma:

Línea de descarga. Esta línea conduce el refrigerante a alta presión y alta temperatura de la descarga del compresor a la entrada del condensador. Trabajando el sistema tiene una temperatura mayor a la temperatura ambiente, como seguridad tiene un color rojo, se distingue de las otras líneas por ser de menor diámetro.

Línea de líquido, esta línea conduce el refrigerante en forma líquida de la salida del condensador a la entrada del control de flujo, se distingue por medio del color amarillo, la temperatura de esta línea es tibia.

Línea de succión, esta línea conduce el refrigerante de la salida del evaporador a la entrada del compresor se distingue por ser la tubería de mayor

diámetro, la temperatura de esta tubería es menor a la temperatura ambiente, por seguridad debe tener un color azul cielo.

Ciclo de refrigeraciónEl refrigerante entra al compresor como un vapor y se comprime a la presión del condensador. Sale del compresor a una temperatura relativamente alta y se enfría y condensa conforme fluye por el serpentín del condensador liberando calor hacia el medio circulante. Luego entra a un tubo capilar donde su presión y su temperatura descienden drásticamente, debido al efecto de estrangulación. El refrigerante de baja temperatura entra luego al evaporador, donde se evapora absorbiendo calor del espacio refrigerado. El ciclo se completa cuando el refrigerante sale del evaporador y vuelve a entrar al compresor.

Componentes del Banco:

Compresor: Es un Tecumseh AZ 430 DS, en si es un moto-compresor hermético reciprocante, este tipo de compresor se selecciona por la disminución de tamaño y costo, su función es succionar el vapor refrigerante y reducir la presión en el evaporador.

Condensador: Este es un tipo de condensador con aletas en los tubos y es enfriado por aire. No tiene peligro de congelación en tiempo de frio y las aspas de succión que arrastran el aire a través del condensador son muy apropiadas por establecer un flujo de aire.

Válvula de expansión: este dispositivo en el banco de pruebas es un tubo capilar, el cual tiene la longitud y el orificio adecuados para el tipo de compresor y evaporador utilizado. Para este caso, el refrigerante continua fluyendo al evaporador después de detenerse el compresor, igualando las presiones en los lados de alta y baja del sistema, lo que permite el uso de motores de bajo par de arranque.

Evaporador: Es la parte del lado de baja presión del sistema de refrigeración en la que el refrigerante liquido hierve o se evapora, absorbiendo el calor a medida que se convierte en vapor. Ya que el evaporador es pequeño hay únicamente un circuito continuo en el serpentín.

Filtro secador: este dispositivo sirve para que el interior del sistema se encuentre limpio y seco, va ubicado normalmente en la línea de liquido, donde su función principal consiste en proteger la válvula de expansión.

Mirilla de humedad: permite observar cuando el circuito se encuentra seco o húmedo, además permite ver el flujo de refrigerante, para que cumpla esta función se instala en la línea de líquido del sistema.

Manómetros: los manómetros con los que cuenta el banco permiten identificar las presiones tanto en la línea de alta como de baja presión, encontrando en la línea de baja presión manómetros antes y después del evaporador y, en la línea de alta presión se encuentran antes y después del condensador.

Medición de voltaje y amperaje: el banco cuenta con un lector de voltaje calibrado de 0 a 120 V y una varilla en la línea de corriente que permite medir el amperaje con una pinza voltiamperimétrica.

Tubo capilar

Manómetros

Condensador

Evaporador

Voltímetro

Línea de corriente

Compresor

Datos obtenidos en el Laboratorio:

Presión de salida del compresor 145 PsiTemperatura de salida del compresor 102 ºFPresión de salida del evaporador 8,7 PsiTemperatura de salida del evaporador 72 ºFVoltaje 115 VCorriente 1,7 mA

Tabla No.1. Datos obtenidos (tubo capilar)

Muestra de cálculos:

Según el diagrama empleado, p-s para el R134a, las entalpías para cada estado del proceso, son:

h1=420 kJ /kgh2=423 kJ /kg

h3=h4=255kJ /kg

Potencia consumida:W=V∗I=115V∗1,7mA=0,1955W

m=W

(h2−h1)=

0,1955W(423−420 ) kJ /kg

=6,5166∗10−5 kg /s

Tasa de remoción de calor del espacio refrigerado:

QL=m (h1−h4 )=6,5166∗10−5 kg /s(420−255)kJ /kg=0,010753 kW=10,753W

Calor disipado en el condensador:QH=m (h2−h3 )=6,5166∗10−5 kg /s (423−255 ) kJ /kg=0,010948 kW=10,948W

Coeficiente de funcionamiento del refrigerador:

CDFR=QLW

=10,753W0,1955W

=55,0026

Análisis y conclusiones:

El ciclo de refrigeración es un proceso sencillo que ha permitido simplificar la vida del ser humano, y es labor del ingeniero determinar de forma adecuada las variables inmersas en el cálculo de los aparatos empleados, para aumentar la eficiencia del ciclo.

Esta práctica de laboratorio permitió identificar los componentes de un refrigerador de uso doméstico y estudiar el ciclo de refrigeración que allí se lleva a cabo.

Para el estado 3, se adoptaron los valores de las propiedades termodinámicas para líquido saturado y no para líquido subenfriado como sucede en la realidad, debido a que no hubo la posibilidad de medir, en la práctica, el valor de la temperatura a la salida del condensador. Por este motivo los valores de las entalpías para los estados 3 y 4 se ajustan a un modelo teórico que difiere del modelo real.

La potencia consumida por el sistema fue apenas de 0,1955 W debido a que la tasa de remoción de calor también fue baja, de 10,753 W.

El coeficiente de funcionamiento del refrigerador es un parámetro que indica la cantidad de unidades de calor que puede ser extraída del espacio refrigerado por cada unidad de trabajo que ingresa al ciclo, es decir, que para el caso particular de la práctica, el refrigerador remueve 55 unidades de energía del espacio refrigerado por cada unidad de energía eléctrica que consume.

Referencias bibliográficas

[1] ÇENGEL & BOLES. Termodinámica. 4ª edición. Ed. Mc Graw Hill. México. 829 Págs.[2] JONES & DUGAN. Engineering Thermodynamics. Ed. Prentice Hall. New Jersey.[3] http://www.itc.edu.co/carreras_itc/mantenimiento/aire/ciclo.htm[4] http://virtualmat.net/moodle/file.php/16/ELEMENTOS _PROCESOS _Y _CICLOS _DEL _SISTEMA.doc

Diagrama del Refrigerante 134a, que incluye el ciclo de refrigeración observado en el laboratorio

Condensador

Tubo capilar

Evaporador 1

23

4