lab 3

Universidad De La Frontera
Facultad de Ingeniería, Ciencias y Administración
Departamento de Ingeniería Mecánica

LABORATORIO 3

15 de Julio

“CICLO DE REFRIGERACION”

2013

Calculo de las propiedades del refrigerante, determinar los coeficientes de operación.

Integrantes:

Ricardo Duarte
Yanara Muñoz
Carolina Mella

Carrera:

Ingeniería Civil Eléctrica

Correo Electrónico:

c.mella03@ufromail.cl

Profesor de la Asignatura:

Nayadeth Ibacache

ÍNDICE
Pág.
Resumen……………………………………………………………………..

3

1. Introducción………………………………………………………………..... 4
2. Objetivos……………………………………………………………….......... 5
2.1 Objetivos generales………………………………………………… 5
2.2 Objetivos específicos……………………………………………….

5

3. Marco Teórico………………………………….……………………………

6

3.1 Ciclos……………………………………………………………….

6

3.2 Rendimiento y coeficiente de operación…………………………… 8
3.4 Mediciones y transformación de unidades…………………………

9

4. Desarrollo……………………………………………………………………

10

4.1 Calculo de calor y potencia de los elementos………………………

12

4.2 Calculo de los coeficientes de operación de refrigeración y
calefactor…………………………………………………………..

19

5. Conclusión…………………………………………………………………...

20

6. Bibliografía…………………………………………………………………..

21

2

Resumen
Se comenzó analizando cada punto de la maquina, determinando las fases en las que se
encontraba el fluido, parte fundamental de análisis del ciclo ya que así se simplifican los
procedimientos para determinar los valores de cada propiedad del fluido. Cuando el fluido
pasaba en los distintos puntos se observó como cambiaba su apariencia, además se lograba
observar la magnitud de sus presiones y temperaturas mediante instrumentos de medición.
Se logró identificar cuando salía aire frio y caliente dado el sistema en que se encontraba,
luego de analizar su comportamiento se trabajó sin problemas y se lograron los objetivos
que esperábamos cumplir.

3

1. Introducción
El análisis de un sistema involucra el conocimiento de las propiedades que tiene en cada
punto o proceso dentro de él y como se va transfiriendo la energía a medida que pasa de un
proceso a otro.
Para que se puedan llevar a cabo muchos sistemas emplean un fluido de trabajo que lo
recorre y al final de él completa un ciclo, recuperando las propiedades con las que comenzó
a recorrerlo.
El balance de energía al final de un proceso y comienzo del siguiente pueden ser
determinado de acuerdo al fluido con el que se está trabajando, tomando en cuenta la fase
en la que se encuentra, sus propiedades y a sus condiciones de temperatura y presión a las
que está sometido.
Se desarrollará el análisis de un ciclo de refrigeración, que emplea un fluido de trabajo,
determinando los estados que posee este en cada proceso que se lleva a cabo, ya sea los de
condensación y evaporación o en su paso a través de un compresor y una válvula de
expansión. Se incluye también el cálculo del coeficiente de operación para el ciclo, propio
de los refrigeradores y que representa la eficiencia con la que opera la máquina térmica en
estudio.

4

2. Objetivos
2.1 Objetivos generales:


Conocer cómo funciona y opera un ciclo de refrigeración.



Determinar los coeficientes de operación.

2.2 Objetivos específicos:


Determinar mediante las mediciones realizadas y las tablas correspondientes el
balance energético de un ciclo de refrigeración y las propiedades del fluido de
trabajo en cada proceso del ciclo.



Reconocer e identificar cada proceso que forma parte del ciclo de refrigeración,
entendiendo su importancia en el balance de energía y en el cálculo del coeficiente
de operación, magnitud importante para determinar su eficiencia.



Relacionar los distintos conceptos vistos en clases, como caudal. En el cálculo de
las magnitudes de trabajo en el sistema.

5

3. Marco Teórico
3.1 Ciclos.
Un sistema puede estar sometido a cambios de estado, estos son realizados a través de
procesos. Si al cabo de una serie de procesos se vuelve a las condiciones iniciales de
estado, se ha cumplido con el desarrollo de un ciclo. Entonces:
“Un sistema ha experimentado un ciclo si regresa a su estado inicial al final del proceso,
es decir, para un ciclo los estados inicial y final son idénticos”. [1]
A la serie de procesos, independiente de si cumplen con un ciclo o no, se le denomina
trayectoria y en ella se pueden ir determinando las propiedades del sistema cada vez que
sucede un proceso o cambio en su estado.
El ciclo que se analizará posteriormente será “el ciclo refrigeración”, para ello conviene
entender el comportamiento de los refrigeradores y las bombas de calor, cuya función
principal es llevar el calor desde una zona de baja temperatura a una de alta temperatura.
Este proceso es la forma inversa de lo que ocurre naturalmente con el flujo de calor, que va
desde mayor a menor temperatura hasta alcanzar un equilibrio, por esto es que para realizar
el proceso es necesario aplicar un trabajo al sistema.
Un refrigerador y una bomba de calor son dispositivos cíclicos y esencialmente lo mismo,
pero difieren en su objetivo.

6

Refrigerador: Su objetivo es mantener el espacio refrigerado a una temperatura baja
extrayendo calor de él.

Refrigerador
Espacio
Refrigerado
(frío)

Ambiente
Caliente

R
QL

QH

(salida deseada)
Wneto
(entrada requerida)

Figura 1. Esquema del funcionamiento del refrigerador.

Bomba de calor: Su objetivo es mantener un espacio calentado a alta temperatura.

Bomba de calor

Ambiente
Frío

Espacio
Caliente

BC
QH

QL

(salida deseada)
Wneto
(entrada requerida)

Figura 2. Esquema del funcionamiento del refrigerador.

Con los elementos descritos y teniendo la idea del funcionamiento del refrigerador y la
bomba de calor se puede describir el ciclo de refrigeración. Los ciclos de refrigeración
utilizan un fluido de trabajo que recorre el ciclo y a través de cada proceso va sufriendo
cambios en sus propiedades y sus fases. Son los más usados en refrigeradores, sistemas de
acondicionamiento de aire y bombas de calor.

7

Condensador

QH

2'

3

2
Zona de alta Presión

Válvula de
Expansión

Compresor
Wentrada

Zona de baja Presión

4

1
4'

QL

Evaporador

Figura 3. Esquema representativo del ciclo de refrigeración.

Entre los procesos que se llevan a cabo durante el desarrollo del ciclo (Figura 3) se tienen:
“1-2 Compresión isentrópica en un compresor.
2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.
3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión.
4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador”.

8

3.4 Rendimiento y coeficientes de operación.
Para determinar que cantidad de la energía transferida al sistema se ocupa realmente en el
desarrollo de sus procesos se utiliza el rendimiento, en una máquina térmica se denomina
también eficiencia térmica y está definida como “la fracción de la entrada de calor que se
convierte en salida de trabajo neto”.

Como:

La eficiencia térmica se puede expresar:

Esto es válido para las maquinas térmicas, en el caso de las bombas de calor y refrigeradores su
eficiencia se expresa en términos del coeficiente de operación o de desempeño.
Para el refrigerador (Figura 1) está definido como:

En el caso de la bomba de calor (Figura 2) su coeficiente de operación está dado por:

9

3.5 Mediciones y transformación de unidades.
Los instrumentos con los que contaba el ciclo para mostrar las condiciones a las que estaba
sometido eran termocuplas y manómetros para registrar temperatura y presión
respectivamente.
En el caso de la termocupla, la lectura entregaba el valor en la escala de temperatura
Fahrenheit (°F) por lo que para utilizar las tablas correspondientes al fluido de trabajo se
hace necesario transformar estos datos a escala Celsius, para ello se tiene:

Por otra parte el manómetro entregaba la presión en [psi], para ser utilizada correctamente
se debe transformar a [MPa], para ello:

4. Desarrollo

El ciclo observado está montado en un tablero, con medidores instalados para conocer la
temperatura y presión en cada punto de él, para su estudio. Este ciclo resulta ser un
refrigerador, utilizando un fluido de trabajo refrigerante. Necesita trabajo para poder llevar
calor del sumidero de baja temperatura a la fuente de alta temperatura, lo que no existe sin
que haya trabajo, ya que violaría la primera ley de la termodinámica. Este trabajo ingresa
en la bomba o compresor.
A continuación detallaremos las partes en que se descompone el ciclo estudiado, y los
puntos de los cuales podemos obtener datos.
A: Compresor

B: Condensador

C: Válvula de expansión

D: Evaporador

10

Fotografía 1. Ciclo de refrigeración con sus componentes detallados.

Lo que viene, es tomar todos los datos de los manómetros y termómetros instalados, en los
puntos señalados en la imagen para obtener una tabla con los valores obtenidos, queda de la
siguiente forma:
Punto

Presión (MPa)

B
D

0,61
0,40

Temperatura de
entrada (°C)
31,6
11,1

Temperatura de
salida (°C)
23,8
21,1

Tabla 1. Condiciones de temperatura y presión para el ciclo de refrigeración (véase figura 3 para la
observación de los puntos).

Además se aportan los siguientes datos:
- Temperatura ambiente: 20 °C
- Caudal: 0,25 PPM

11

4.1 Calculo de trabajo, potencia y calor de los elementos.
Para encontrar h2:
-

Fase en 2: Vapor

-

P2: 89 (psi) = 0.61 (MPa)

-

T2: 31.6°C

-

h2:?

Ocupando la tabla A-11:
T (°C)

P (MPa)

30

0.74490

31.6

X

32

0.78485

Tabla 2. Interpolación de datos para encontrar la fase y así determinar la entalpía.

P= 0.77 MPa y como es mayor que mi presión de dato PDATO= 0.61 MPa, entonces
hablamos de “Vapor sobrecalentado”.
Por lo tanto trabajamos con la tabla A-13 e interpolamos nuevamente:
1°
T (°C)

h 0.70 (kJ/kg)

30

200.46

31.6

X

40

207.73

Tabla 3. Interpolación para encontrar h2 en 0.70 MPa.

12

h0.70 = 202.43 (kJ/kg)
2° finalmente interpolamos para encontrar h2 :
P (MPa)

h (kJ/kg)

0.70

202.43

0.77

X

0.80

200.63
Tabla 4. Interpolación para encontrar h2.

Entonces h2 = 201.03 (kJ/kg)
Para encontrar h3:
-

Fase en 3: Líquido

-

P3: 0.61 (MPa)

-

T3°: 23.8 (°C)

-

h3:?

Ocupando la tabla A-11 tenemos :

13

T (°C)

P (MPa)

20

0.56729

23.8

X

24

0.63405

Tabla 5. Interpolación para determinar la fase a la temperatura indicada y encontrar la entalpía en ese
punto.

P = 0.63 MPa nos encontramos con un líquido comprimido pero como no existe en la tabla,
debemos aproximarlo a líquido saturado e interpolamos:
T (°C)

h (kJ/kg)

20

54.87

23.8

X

24

58.73
Tabla 6. Interpolación para determinar h3.


14

Para encontrar h4:
-

Fase en 4: Líquido

-

P4: 0.40 (MPa)

-

T4°: 11.1 (°C)

-

h4:?

Ocupando la tabla A-11 tenemos :
T (°C)

P (MPa)

8

0.39815

11.1

X

12

0.44962

Tabla 5. Interpolación para determinar la fase a la temperatura indicada y encontrar la entalpía en ese
punto.

P = 1.23 MPa nos encontramos con un líquido comprimido pero como no existe en la tabla,
debemos aproximarlo a líquido saturado e interpolamos:
T (°C)

h (kJ/kg)

8

43.50

11.1

X

12

47.26
Tabla 6. Interpolación para determinar h3.


15

Para encontrar h1:
-

Fase en 1: Vapor

-

P1: 0.40 (MPa)

-

T1°: 21.1 °C

-

h1:?

Ocupando la tabla A-11:
T (°C)

P (MPa)

20

0.56729

21.1

X

24

0.63405

Tabla 2. Interpolación de datos para encontrar la fase y así determinar la entalpía.

P= 0.58 MPa y como es mayor que mi presión de dato PDATO= 0.40 MPa, entonces
hablamos de “Vapor sobrecalentado”.
Por lo tanto trabajamos con la tabla A-13 e interpolamos nuevamente:
1°
T (°C)

h 0.50 (kJ/kg)

20

197.08

21.1

X

30

203.96

Tabla 3. Interpolación para encontrar h1 en 0.50 MPa.

16

h0.50 = 197.83 (kJ/kg)
2° finalmente interpolamos para encontrar h1 :
P (MPa)

h (kJ/kg)

0.50

197.03

0.58

X

0.60

196.57
Tabla 4. Interpolación para encontrar h2.


Ahora para encontrar QH necesitamos ocupar la formula de la primera ley fundamental de
la termodinámica:

Entre 3-2 :

Por lo tanto QSAL = QH = 142.48 (kJ/kg)

17

Entre 4-1 :

Por lo tanto QENT = QL = 150.18 (kJ/kg)

Ahora para encontrar el trabajo que existe entre el punto 1-2:

Por lo tanto WENT = 4.43 (kJ/kg)

Para encontrar la potencia, primero debemos ocupar el dato del caudal:

El caudal es:

18

Luego la potencia:
= Caudal

=

= 1.84

4.2 Calculo de los coeficientes de operación de refrigeración y calefactor.
= salida deseada/ entrada requerida =

= salida deseada/ entrada requerida =

/

= 150.18 /4.43 = 33.90

/

=

/4.43 = 32.16

19

5. Conclusión
Se logra poner en práctica lo visto en clases, relacionando los contenidos correspondientes
a ciclos, transferencia de energía, balance energético, etc. con un sistema físico que
representa el funcionamiento de un refrigerador implementado con instrumentos de medida
para conocer de antemano las condiciones de presión y temperatura a las que está sometido,
ocupando herramientas como las tablas para reconocer las demás propiedades que posee el
refrigerante utilizado.
Al analizar los datos obtenidos en la clase práctica, y haciendo uso de los procedimientos
vistos en clases se ha calculado el valor de la eficiencia de la máquina, para tener
conocimiento de cuanto es el calor extraído al medio ambiente, para que el sistema de
refrigeración tenga un optimo funcionamiento.

20

6. Bibliografía
[1] Yunus A. Cengel, Michael A. Boles. “TERMODINÁMICA”, Sexta Edición, 2009.

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