Diseño y construcción de tutor para observar el ciclo de refrigeración

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(1)Diseño y Construcción de Tutor para Observar el Ciclo de Refrigeración. RODRIGO SILVA PLATA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C 2003.

(2) Diseño y Construcción de Tutor para Observar el Ciclo de Refrigeración. RODRIGO SILVA PLATA. Trabajo de grado presentado a La Universidad de los Andes como requisito parcial de grado Programa de Pregrado En Ingeniería Mecánica. Asesor Rafael Guillermo Beltrán. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C 2003.

(3) IM-2003-I-44 Nota de aceptación:. Asesor.. Bogotá D.C., Mayo de 2003 iii.

(4) IM-2003-I-44. Página del lector La Universidad de los Andes requiere la firma de todas las personas que utilicen o fotocopien esta tesis. Favor firmar debajo dando nombre y dirección.. iv.

(5) IM-2003-I-44. v.

(6) IM-2003-I-44. Carta de Presentación. Bogotá, septiembre 11 de 2002. Doctor ALVARO PINILLA Director Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes. Estimado doctor Pinilla Por medio de la presente me permito poner en consideración el proyecto de grado titulado : Diseño y Construcción de Tutor para Observar el Ciclo de Refrigeración como requisito parcial de grado del programa de Pregrado en ingeniería Mecánica Agradezco su amable atención y me suscribo de Ud. Atentamente,. Rodrigo Silva P.. vi.

(7) IM-2003-I-44. Agradecimientos Deseo agradecer a todas las personas que en alguna fase de este proyecto de grado hicieron algún tipo de aporte facilitando el desarrollo del mismo. De la misma manera agradezco a quienes sus sugerencias hicieron de este un proyecto de grado útil dándole la profundidad adecuada.. vii.

(8) IM-2003-I-44. Resumen En este trabajo de grado se estudia el ciclo de refrigeración con el rigor requerido sirviendo como sustentación de la construcción de un tutor en el que mediante las mediciones de los parámetros de interés, en este caso presión y temperatura, se logra comprender el ciclo de refrigeración aparte de otros fenómenos termodinámicos que ocurren en el sistema. Para este fin se provee al usuario con teoría relevante en el tema de refrigeración detallando los procesos que se llevan a cabo en el ciclo y planteándolos en diagramas adecuados para esta tarea. Además, se incluye un capítulo en el que se describen las distintas variantes de componentes del sistema presentando criterios de selección de acuerdo a las características deseadas para una aplicación en particular. Otro punto importante tratado en este trabajo de grado es la descripción de la construcción y operación del tutor, que son temas de vital importancia para sacar provecho y al mismo tiempo evitar causar daños al tutor que son fácilmente evitables siguiendo estas instrucciones. Por último se tomaron datos para verificar los parámetros de operación del tutor y lograr una descripción real del ciclo obtenido con los componentes seleccionados para además manipular los datos para obtener indicadores de rendimiento y capacidad del sistema.. viii.

(9) IM-2003-I-44. Tabla de Contenido PÁGINA DEL LECTOR. IV. CARTA DE PRESENTACIÓN. VI. AGRADECIMIENTOS. VII. RESUMEN. VIII. TABLA DE CONTENIDO. IX. LISTA DE FIGURAS. XII. LISTA DETABLAS. XIII. INTRODUCCIÓN. 0. 1.. USO DEL DIAGRAMA LOG(P) VS H. 1. 2.. EL CICLO IDEAL SATURADO DE REFRIGERACIÓN. 3. 2.1.. EL PROCESO DE COMPRESIÓN. 5. 2.2.. EL PROCESO DE CONDENSACIÓN. 6. 2.3.. EL PROCESO DE EXPANSIÓN. 6. 2.4.. EL PROCESO DE EVAPORACIÓN. 7. 3.. SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA. 9. 3.1.. REFRIGERANTES. 9. 3.1.1.. Tipos y Familias de Refrigerantes. 10. 3.1.2.. Toxicidad e Inflamabilidad. 11. 3.1.3.. Características de rendimiento. 13. 3.1.4.. Compatibilidad y Miscibilidad en el aceite. 13. 3.1.5.. Refrigerante 134a. 14. 3.2.. COMPRESORES. 15. 3.3.. CONDENSADORES. 17. 3.3.1.. Condensadores enfriados por agua. 18. 3.3.2.. Condensadores evaporativos. 18 ix.

(10) IM-2003-I-44 3.3.3.. Condensadores enfriados por aire. 19. 3.4.. VÁLVULA DE EXPANSIÓN. 21. 3.5.. EVAPORADORES. 23. 3.5.1.. Evaporadores de tubo descubierto. 23. 3.5.2.. Evaporadores de superficie de placa. 24. 3.6.. TUBERÍAS. 26. 4.. PARÁMETROS DEL CICLO IDEAL SATURADO PLANTEADO DE ACUERDO. A LOS COMPONENTES SELECCIONADOS 4.1.. 29. PROPIEDADES FÍSICAS Y TERMODINÁMICAS DEL REFRIGERANTE EN. CADA ESTADO. 30. 5.. PARÁMETROS DEL CICLO OBTENIDO. 35. 6.. DESCRIPCIÓN DEL CICLO REAL. 38. 7.. ENSAMBLE DEL TUTOR. 40. 7.1.. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SOPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE. COMPONENTES 7.2.. INSTRUMENTOS. 40 DE. MEDICIÓN. DE. PRESIÓN,. TEMPERATURA,. CORRIENTE, Y VOLTAJE. 41. 7.3.. EVAPORADOR. 43. 7.4.. PANEL DE INSTRUMENTOS. 43. 7.5.. CONDENSADOR Y COMPRESOR. 44. 7.6.. TUBERÍAS. 45. 7.7.. CARGA DEL REFRIGERANTE. 45. 8.. OPERACIÓN DEL TUTOR. 48. 8.1.. MANTENIMIENTO. 48. CONCLUSIONES. 50. BIBLIOGRAFÍA. 52. ANEXO A DIAGRAMAS LOG(P) VS H PARA ALGUNOS REFRIGERANTES. 54. x.

(11) IM-2003-I-44 ANEXO B FICHA TÉCNICA Y TABLAS DE RENDIMIENTO Y OPERACIÓN DEL COMPRESOR TECUMSEH AZ1330 YS. 60. ANEXO C PLANOS DE TALLER DEL TUTOR. 64. xi.

(12) IM-2003-I-44. Lista de Figuras. Titulo. Página. FIGURA 1-1 DIAGRAMA LOG (P) VS H. 1. FIGURA 2-1 CICLO DE REFRIGERACIÓN SATURADO. 4. FIGURA 2-2 ESQUEMA DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN. 8. FIGURA 3-1 MOLÉCULA DE REFRIGERANTE R-134A. 14. FIGURA 3-2 COMPRESOR TECUMSEH AZ 1330 YS. 17. FIGURA 3-3 CONDENSADOR ENFRIADO POR AIRE. 21. FIGURA 3-4 EVAPORADOR DE SUPERFICIE DE PLACA.. 26. FIGURA 4-1 CICLOS SATURADO Y ESPERADO SOBRE EL DIAGRAMA LOG (P) VS H. 33. FIGURA 5-1 CICLO OBTENIDO SIN CARGA TÉRMICA INTERNA. 36. FIGURA 7-1 SOPORTE CON RUEDAS. 41. FIGURA 7-2 PANEL DE INSTRUMENTOS. 44. FIGURA 7-3 BASE DEL CONDENSADOR Y COMPRESOR. 44. FIGURA 7-4 ENSAMBLE DEL TUTOR. 47. xii.

(13) IM-2003-I-44. Lista de Tablas Titulo. Página. TABLA 3-1 PROPIEDADES DEL REFRIGERANTE R-134A. 14. TABLA 3-2 RESUMEN DE LOS COMPONENTES SELECCIONADOS. 28. TABLA 4-1 CAPACIDAD FRIGORÍFICA OBTENIDA CON EL COMPRESOR SELECCIONADO. 30. TABLA 4-2 PROPIEDADES DEL REFRIGERANTE EN CADA PUNTO DEL CICLO. 31. TABLA 4-3 DESCRIPCIÓN DE LOS PUNTOS DEL CICLO. 32. TABLA 4-4 POTENCIA APLICADA AL REFRIGERANTE POR EL COMPRESOR. 32. TABLA 4-5 PROPIEDADES DEL REFRIGERANTE PARA EL CICLO ESPERADO. 34. TABLA 5-1 PROPIEDADES DEL REFRIGERANTE EN CADA PUNTO DEL CICLO OBTENIDO. 37. xiii.

(14) IM-2003-I-44. INTRODUCCIÓN. Cuando no se tiene una formación en ingeniería, es difícil relacionar algunos fenómenos físicos que se presentan en la naturaleza. No es el caso de la fuerza de la gravedad o del principio de Arquímedes, que son fenómenos naturales cotidianos y con los cuales estamos familiarizados. Es el caso de los fenómenos termodinámicos y de transferencia de calor que se muestran en un principio de manera poco concreta y que a pesar de influir directa y constantemente en la vida pasan casi desapercibidos por los sentidos. Es probablemente por esta razón que durante el aprendizaje de temas relacionados con la termodinámica se presentan algunas dificultades de comprensión por parte de los estudiantes debido a que la materia se presenta de una forma un poco abstracta al comenzar a familiarizarse con los conceptos. Es por esto que este proyecto de grado esta enfocado en ayudar a facilitar la enseñanza y comprensión de dichos conceptos. Es interesante ver cómo con este proyecto mediante el estudio del ciclo de refrigeración se puede llegar a tener una idea clara de cada uno de los procesos que tienen lugar dentro del ciclo y que el estudio de estos procesos facilita la comprensión de muchos de los conceptos básicos adquiridos en las clases relacionadas con la termodinámica. Es por esto que para este proyecto se construyó un tutor instrumentado siguiendo el ciclo de refrigeración de forma que tanto los estudiantes como los profesores de materias relacionadas tuvieran una herramienta útil de aprendizaje y enseñanza respectivamente..

(15) IM-2003-I-44. 1. USO DEL DIAGRAMA LOG(P) VS h El ciclo de refrigeración por compresión es fácilmente identificable en los diagramas Log(P) vs h. En particular este diagrama es el más usado en temas relacionados con refrigeración y es de muy fácil lectura debido a que en éste los tipos de procesos existentes en el ciclo de refrigeración saturado siguen líneas existentes en el diagrama que son fáciles de seguir.. Figura 1-1 Diagrama Log (P) vs h. Desarrollado con el programa Coolpack Versión 1.46. La figura 1.1 muestra las líneas isotérmicas, isocóricas, e isentrópicas. Las líneas rojas son líneas de temperatura constante que dentro de la campana son paralelas a las líneas de presión constante.. Las líneas verdes son líneas de volumen. constante y por último las líneas azules corresponden a líneas de entropía 1.

(16) IM-2003-I-44 constante. Estos diagramas pueden diferir un poco de acuerdo a la fuente ya que pueden tomarse distintas temperaturas de referencia para calcular los valores de entalpía y entropía. Aunque no hay problema con el uso de distintos valores de temperatura de referencia, sí se debe tener conocimiento de la temperatura de referencia usada en la construcción del diagrama y ser siempre consistente en la fuente consultada. Los diagramas usados en este proyecto son basados en una temperatura de referencia de –40 ºC (-40ºF) que es la referencia usada por la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers). De acuerdo a lo mencionado anteriormente y a que el ciclo se compone de un proceso isentrópico, dos procesos isobáricos y un proceso isoentálpico; se pueden hallar fácilmente los puntos inicial y final de cada proceso de forma que se puede tipificar el ciclo saturado ideal.. 2.

(17) IM-2003-I-44. 2. EL CICLO IDEAL SATURADO DE REFRIGERACIÓN El ciclo de refrigeración saturado es un ciclo teórico y simplificado en el que se asumen dos afirmaciones: ·. El refrigerante que pasa por la tubería de succión justo antes de la válvula de admisión del compresor de vapor se encuentra en estado de vapor saturado a la temperatura de evaporación. Es decir, el vapor que entra al compresor tiene calidad x=1 y se encuentra a la presión y temperatura de evaporación.. ·. El refrigerante que sale del condensador y entra a la válvula de expansión es líquido saturado a la temperatura de condensación. Es decir, el líquido que entra a la válvula de expansión después de haber pasado por el condensador tiene calidad x=0 y se encuentra a la temperatura y presión de condensación.. Por otro lado el ciclo ideal de refrigeración se caracteriza por no presentar pérdidas de presión por fricción en la tubería ni en el paso por las válvulas del compresor u otros componentes del sistema. Estos supuestos son relativamente bien fundamentados ya que estas pérdidas son generalmente despreciables y los sistemas se diseñan para acercarse lo más posible a esta afirmación. Además, dichos supuestos facilitan el análisis y la comprensión en general del ciclo y permiten más tarde analizar y entender de manera clara los factores reales que desvían un poco los resultados de los teóricos ideales. Para efectos de la descripción del ciclo de refrigeración se asumirá inicialmente que el ciclo se comporta idealmente y como un ciclo saturado, como se muestra en la Figura 2.1 que corresponde al diagrama Log(P) vs h para el refrigerante 134a, siguiendo los puntos del uno al cuatro.. 3.

(18) IM-2003-I-44 Figura 2-1 Ciclo de refrigeración saturado. Desarrollado con el programa Coolpack Versión 1.46. El ciclo de refrigeración explicado de una manera simplificada consta de cuatro procesos en los cuales la masa de fluido refrigerante cambia de estado así como sus propiedades físicas y termodinámicas. Estos cuatro procesos de los que consta son: ·. El proceso de compresión. ·. El proceso de condensación. ·. El proceso de expansión. ·. El proceso de evaporación. De acuerdo a esto, se definirán cada uno de los procesos citados en ese orden.. 4.

(19) IM-2003-I-44 2.1.. EL PROCESO DE COMPRESIÓN. El proceso de compresión emplea, en la mayoría de los casos, compresores reciprocantes debido a que con ellos se logra una cabeza de bombeo lo suficientemente alta para el empleo de ciertos refrigerantes que requieren de muy alta presión para operar adecuadamente; sin embargo, en algunos casos también son usados compresores rotativos y centrífugos aunque esto depende básicamente del refrigerante usado y de los parámetros de operación. Cuando el refrigerante llega al compresor por la válvula de admisión se encuentra en estado de vapor saturado, y se debe evitar a toda costa que el refrigerante llegue al compresor en forma de mezcla líquido-vapor ya que se pueden causar daños graves al compresor. El proceso de compresión se supone adiabático e isentrópico debido a que se produce rápidamente sin permitir transferencia de calor hacia los alrededores aunque en un compresor real de refrigeración esto no es totalmente cierto y se desvía un poco de esta afirmación. Debido a que el compresor realiza trabajo sobre el refrigerante la entalpía de éste se incrementa al tiempo que lo hace la presión; sin embargo, en este proceso no se genera condensación debido al aumento en la presión sino que al contrario se genera vapor sobrecalentado debido al aumento en la temperatura y a la naturaleza isentrópica del proceso. Esto ocurre con la mayoría de los refrigerantes aunque en algunos casos es necesario permitir el sobrecalentamiento en el evaporador para no llegar a condensar el refrigerante durante el proceso. En la Figura 2.1 se puede verificar cómo se describe este proceso donde hay un aumento en la entalpía y en la presión a lo largo de una línea de entropía constante entre los puntos 1 y 2.. 5.

(20) IM-2003-I-44 2.2.. EL PROCESO DE CONDENSACIÓN. Este proceso ocurre dentro del condensador que transfiere el calor del refrigerante hacia un medio condensante. En general los condensadores se clasifican en tres tipos; enfriados con aire, enfriados con agua, o evaporativos y su selección depende principalmente del tamaño y capacidad del sistema; en el caso de los condensadores enfriados por aire se encuentran casos en los que la transferencia de calor hacia el ambiente se produce por convección forzada y en sistemas más pequeños se encuentran parrillas condensadoras que funcionan por convección libre.. Los condensadores evaporativos usan tanto aire como agua y es. principalmente el calor latente de evaporación del agua rociada el que absorbe la cantidad de calor necesaria para condensar el refrigerante. En el proceso de condensación no existe trabajo alguno pero sí hay una alta tasa de transferencia de calor. El vapor sobrecalentado que sale del compresor pasa por dos etapas. En la primera etapa pierde calor sensible y baja su temperatura hasta llegar a la temperatura de saturación a la presión condensante y en la segunda etapa pierde una cantidad de energía equivalente a su calor latente de manera que llega a ser líquido saturado.. Todo esto ocurre a la presión. condensante como se puede ver en la recta horizontal en la Figura 2.1 entre los puntos 2 y 3.. 2.3.. EL PROCESO DE EXPANSIÓN. El proceso de expansión es un proceso de estrangulamiento que ocurre en la válvula de expansión. La válvula de expansión puede ser una válvula como tal o un capilar de una longitud y diámetro calculados para producir la reducción esperada en la presión. Este proceso se supone adiabático y no hay forma de producir trabajo, por lo tanto de acuerdo a la primera ley de la termodinámica no hay cambio en la entalpía del refrigerante entre el estado final y el inicial del proceso. 6.

(21) IM-2003-I-44. Debido a que no hay cambio en la entalpía del refrigerante pero sí una caída de presión, se produce una caída en la temperatura. Este cambio en la presión siguiendo una línea de entalpía constante hace que el líquido saturado se convierta en una mezcla líquido-vapor como se puede observar en la Figura 2.1 entre los puntos 3 y 4, donde el punto 4 claramente se encuentra dentro de la campana. 2.4.. EL PROCESO DE EVAPORACIÓN. El proceso de evaporación se produce al igual que el de condensación por transferencia de calor por convección. En este proceso, a diferencia del proceso de condensación, el refrigerante a baja temperatura absorbe calor del recinto refrigerado a través de las paredes del evaporador en una cantidad igual a la diferencia de entalpías entre el estado de vapor saturado y el estado de la mezcla líquido-vapor a la calidad existente a la salida de la válvula de expansión. Este proceso ocurre con la característica de ser isobárico e isotérmico a la presión y temperatura de evaporación, es decir, sólo se utiliza el calor latente del refrigerante como materia prima de enfriamiento y cumple con las condiciones de temperatura y presión constantes ya que dentro de la campana las líneas de presión constante coinciden con las de temperatura constante como se puede ver en la Figura 2.1 entre los puntos 4 y 1. Según lo mencionado, físicamente el esquema del ciclo dónde se pueden ver los componentes se asimila a la Figura 2.2. En este diagrama se puede hacer la analogía de la localización de los puntos 1 al 4 con el diagrama Log (P) vs h ubicando los componentes que ejecutan cada uno de los procesos.. 7.

(22) IM-2003-I-44 Figura 2-2 Esquema del ciclo de Refrigeración. 8.

(23) IM-2003-I-44. 3. SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA De acuerdo a la aplicación que se tiene del sistema, en la que una gran capacidad frigorífica no es necesaria pero en cambio sí es necesario mantener unas dimensiones reducidas con los propósitos planteados, se deben seleccionar las diferentes piezas de manera que la unidad pueda ser fácilmente transportable por una sola persona dentro de la universidad. En este capítulo se explicará cómo y por qué se seleccionaron los principales componentes del sistema, es decir, los componentes que tienen un efecto directo en el ciclo. Los componentes de la estructura y dispositivos periféricos serán mencionados a medida que sea necesario hacer referencia a ellos en el transcurso del proyecto cuando se trate el tema del ensamble.. 3.1.. REFRIGERANTES. El refrigerante es el cuerpo o sustancia que absorbe calor del recinto refrigerado. Es importante indicar en este momento que se trabajará con un sistema de recirculación del refrigerante, es decir, el refrigerante es sometido a un ciclo. Esta aclaración se hace ya que como refrigerante se podría emplear por ejemplo un bloque de hielo que absorbe calor de un medio hasta llegar a un estado estable con éste a la misma temperatura; sin embargo, ésta no es la intención de este trabajo. En particular, en el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, el refrigerante es el fluido que permite el transporte de calor de un medio a otro; absorbe calor del recinto encerrado y refrigerado para luego liberarlo al medio ambiente. Este intercambio de calor se hace principalmente por el cambio de fase por el que pasa el refrigerante en los procesos de evaporación y condensación.. 9.

(24) IM-2003-I-44 Durante años se han utilizado distintos refrigerantes, y cada uno de ellos tiene diversas propiedades que los hacen ideales para distintos tipos de aplicación, por ejemplo, en algunos automóviles, la refrigeración del motor se puede hacer usando agua como refrigerante, y en otras aplicaciones en las que se requiere menor temperatura del recinto refrigerado se pueden usar refrigerantes como los fluorocarburos. Sin embargo, los refrigerantes están siempre en proceso de desarrollo debido a nuevas normas ambientales que prohíben su uso y producción. Este es el caso del refrigerante 134a que fue desarrollado como reemplazo del refrigerante 12 debido al daño que causa a la capa de ozono y al aporte que hace al efecto invernadero. Aparte de cumplir con las normas ambientales, en el proceso de selección de un refrigerante se deben tener en consideración varios aspectos: no debe ser inflamable, tóxico, ni explosivo; así mismo debe ser compatible con el tipo de lubricante usado por el equipo de compresión y con los componentes con los que tiene contacto.. 3.1.1. Tipos y Familias de Refrigerantes Los refrigerantes más comunes en la actualidad son los fluorocarburos que son refrigerantes derivados de los hidrocarburos metano y etano.. Éstos. fueron. desarrollados como resultado de una búsqueda por un refrigerante completamente seguro en reemplazo del amoniaco y el dióxido de carbono que eran los refrigerantes más populares hasta aproximadamente el año 1920, época en que los derivados del metano y etano fueron desarrollados. En los refrigerantes que pertenecen a la familia del metano se reemplazan tres o cuatro átomos de hidrógeno por átomos de cloro para obtener la base de los 10.

(25) IM-2003-I-44 refrigerantes de esta familia. En el caso de reemplazar tres átomos de hidrógeno se obtiene como base el cloroformo (CHCl3), de donde se. obtienen los. refrigerantes 21 y 22 que corresponden al reemplazo de uno y dos átomos de cloro por átomos de flúor en el cloroformo respectivamente para la obtención de dicloromonofluorometano (CHCl2F), y monoclorodifluorometano (CHClF2).. En. cuanto a los refrigerantes derivados del carbón tetracloruro (CCl4) se obtienen los refrigerantes 11, 12, 13 y 14 al reemplazar uno, dos, tres y cuatro átomos de cloro por átomos de flúor respectivamente para obtener tricloromonofluorometano (CCl3F), diclorodifluorometano (CCl2F2), monoclorotrifluorometano (CClF3), y carbontetrafluoruro (CF4). En cuanto a la familia del etano, y que se comporta de manera similar a la familia del metano, se tienen refrigerantes como el 113 y 114 que corresponden a triclorotrifluoroetano. (CCl2FCClF2). y. diclorotetrafluoroetano. (CClF2CClF2). respectivamente. El refrigerante 134a, tetrafluoroetano (CH2FCF3), pertenece a este grupo que como se puede observar posee dos átomos de carbono.. 3.1.2. Toxicidad e Inflamabilidad En general todos los fluidos son tóxicos en la medida en que no permiten el suministro de oxígeno necesario para la vida cuando se encuentran en concentraciones altas. Sin embargo existen fluidos que son tóxicos por el sólo hecho de contener agentes que atentan contra la salud.. Existe un detalle. importante y es que aunque un refrigerante sea clasificado como no tóxico en presencia de aire, los productos de su combustión sí pueden ser bastante tóxicos, aún en concentraciones muy bajas, especialmente en el caso de los fluorocarburos. Básicamente el peligro que se corre al usar refrigerantes tóxicos es relativo y se puede predecir o evitar. Éste depende de factores como el volumen del recinto, es 11.

(26) IM-2003-I-44 decir, la concentración de gases tóxicos puede llegar a ser mayor en un recinto pequeño que en uno más grande durante el mismo lapso que se presentó la fuga; también depende de la experiencia que tenga el personal para atender una emergencia y de la posibilidad de conatos de incendio cerca del sistema que contiene el refrigerante.. Además los olores particulares que despiden los. refrigerantes son fácilmente identificables por la gente permitiéndole evitar una intoxicación al advertir su presencia en el ambiente. En cuanto a la inflamabilidad, casi todos los refrigerantes usados actualmente no son inflamables ni explosivos, teniendo como excepción el amoniaco y los hidrocarburos; sin embargo, estos son usados en aplicaciones especiales bajo supervisión de personal capacitado que pueda evitar accidentes y atender una eventual emergencia. Según la ASHRAE, los fluidos refrigerantes están clasificados según su grado de toxicidad e inflamabilidad por una letra en mayúscula seguida de un número. Las letras, A y B denotan la toxicidad del refrigerante mientras los números 1, 2, y 3 denotan la inflamabilidad de la siguiente manera: ·. Clase A: Toxicidad no identificada.. ·. Clase B: Evidencia de toxicidad identificada.. ·. Clase 1: No existe propagación de la llama en aire a 18 ºC y 101 kPa.. ·. Clase 2: Bajo nivel de inflamabilidad (LFL) mayor que 0.10 kg/m3 a 21 ºC y 101 kPa y calor de combustión menor que 19000 kJ/Kg. ·. Clase 3: Altamente inflamable según definido por (LFL) menor que o igual a 0.10 kg/m3 a 21 ºC y 101 kPa o calor de combustión mayor que o igual a 19000 kJ/kg.. (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers [ASHRAE], 2002). 12.

(27) IM-2003-I-44 3.1.3. Características de rendimiento Un buen sistema de refrigeración es diseñado de forma que tenga la capacidad esperada para la aplicación y que tenga el requerimiento de potencia más bajo posible, es decir un alto coeficiente de rendimiento. Los factores principales que influyen en este aspecto son: el calor latente de vaporización, el volumen específico del vapor, y el calor específico del refrigerante tanto en estado de vapor como líquido. En la mayoría de sistemas de refrigeración se requiere que el refrigerante tenga un calor latente de vaporización bastante alto de forma que menos masa tenga que ser desplazada por el compresor haciendo que se consuma menos potencia y que a la vez puedan ser usados equipos más pequeños y por lo tanto económicos. Esto se logra ya que como la transferencia de calor se logra con el cambio de fase del refrigerante principalmente, el calor latente es el mayor indicador de la viabilidad del uso del fluido como refrigerante en cuanto a propiedades termodinámicas se refiere.. 3.1.4. Compatibilidad y Miscibilidad en el aceite En el proceso de diseño se debe tener presente que el refrigerante no debe reaccionar con el aceite con el que está en contacto. Esto debe ser cierto para las condiciones de operación del sistema, es decir, tanto a la temperatura y presión condensante como las de evaporación. La reacción entre estas sustancias puede causar la pérdida de las propiedades de alguno o ambos fluidos hecho que puede resultar en la disminución de la capacidad del sistema o incluso en daños a los elementos de éste. Además debe ser previsto que existan contaminantes tales como aire y humedad dentro del sistema, en este caso se debe asegurar que no se produzcan óxidos u. 13.

(28) IM-2003-I-44 otros compuestos que puedan atacar los componentes del sistema como los sellos, las válvulas y tubería.. 3.1.5. Refrigerante 134a Según la designación estándar de la ASHRAE, el nombre químico del refrigerante 134a es 1,1,1,2 tetrafluoroetano y su fórmula química es CH2FCF3. Su molécula se ve como se muestra en la Figura 3.1.. Figura 3-1 Molécula de refrigerante r-134a. Como se puede observar el refrigerante 134a pertenece a la familia del etano y sus propiedades físicas se muestran en la Tabla 3.1.. Tabla 3-1 Propiedades del refrigerante r-134a No.. Masa. Punto de. Punto de. Molecular evaporación Congelamiento, a 101.325. Temperatura Presión Volumen Crítica, ºC. ºC. Crítica,. Crítico,. kPa. L/kg. 4067. 1.81. kPa, ºC R134a. 102.03. -26.16. -96.6. ASHRAE, 2002. 14. 101.1.

(29) IM-2003-I-44. Sin embargo estos datos son sólo una ayuda ya que el refrigerante no trabaja bajo las condiciones asumidas en la tabla. Para obtener datos relevantes en el ciclo de refrigeración es necesario remitirse a las tablas de propiedades termodinámicas del refrigerante o a los diagramas respectivos (en el Anexo A se incluyen los diagramas Log P vs h para algunos refrigerantes de interés). En cuanto a la clasificación de inflamabilidad y toxicidad de la ASHRAE, el refrigerante 134a esta considerado en la escala A1, es decir, es seguro bajo las condiciones planteadas.. Esta condición lo hace útil en sistemas domésticos. donde en general el personal que lo opera no es calificado y no conoce procedimientos para atender emergencias ocasionadas por razones relacionadas al sistema.. Por estas razones éste ha sido el refrigerante seleccionado para. trabajar este proyecto.. 3.2.. COMPRESORES. El compresor es uno de los cinco componentes principales del sistema de refrigeración por compresión junto con el condensador, la válvula de expansión, el evaporador, y la tubería. Se puede hacer una clasificación de los compresores dependiendo del modo de operación de éstos.. Por un lado están los compresores de desplazamiento. positivo en los que el aumento en la presión del vapor es lograda mediante la reducción del volumen de la cámara de compresión al aplicar trabajo al mecanismo. En esta familia de compresores se encuentran los reciprocantes y los rotativos. El otro tipo de compresores son los centrífugos, en los que hay cambio del momento angular de un elemento mecánico rotativo al fluido aumentando su velocidad y presión.. 15.

(30) IM-2003-I-44 Para este proyecto se usará un compresor reciprocante en el que el fluido es comprimido en una cámara por el trabajo que se aplica al pistón de forma que el volumen en dicha cámara disminuye aumentando la presión del fluido refrigerante. Al seleccionar un compresor es importante tener presente que cumpla con ciertos requerimientos, que además tienen relación no sólo con el compresor sino también con el refrigerante seleccionado y el motor que lo impulsa, como lo son: ·. Máxima expectativa de vida.. ·. El máximo efecto refrigerante para un consumo mínimo de potencia.. ·. El más bajo costo posible.. ·. Un amplio margen de condiciones de operación.. ·. Un nivel de vibración y ruido aceptable.. El desempeño de una máquina se evalúa como la capacidad que tiene de lograr una tarea específica; la de un compresor es la de aumentar la presión de un fluido usando la menor cantidad posible de energía.. Es decir, la relación entre la. capacidad frigorífica y el consumo de energía. A continuación se define el factor de rendimiento que para una unidad hermética difiere un poco de una unidad abierta. FR =. Capacidad Potencia. Donde para una unidad hermética la potencia esta definida como la potencia suministrada al motor mientras que para una unidad abierta esta definida como la potencia suministrada al eje del cigüeñal. Se eligió el compresor tomando como condiciones indispensables que fuera reducido en tamaño y en capacidad, y que trabajara con algún tipo de refrigerante amigable con el medio ambiente.. 16.

(31) IM-2003-I-44 Para cumplir esta última condición se eligió trabajar con refrigerante R-134a y teniendo estas condiciones establecidas se eligió una unidad motor-compresor reciprocante de un octavo de caballo de potencia marca Tecumseh modelo AZ1330YS que trabaja a 60 Hz y 115 V. Figura 3-2 Compresor Tecumseh AZ 1330 YS. La ficha técnica y las tablas de rendimiento del compresor se encuentran en el Anexo B.. 3.3.. CONDENSADORES. En los sistemas de refrigeración el condensador es el encargado de transferir calor desde el fluido refrigerante hacia los alrededores en una cantidad igual al absorbido en el evaporador más una cantidad de energía equivalente a la suministrada en el proceso de compresión. Esto se logra gracias a que el fluido refrigerante al pasar por este proceso se encuentra a una alta temperatura, mayor a la del ambiente. El método de transferencia de calor utilizado en el condensador es conducción a través de las paredes de la tubería. por la que circula el refrigerante y. posteriormente convección con el medio al que está expuesto; en algunos casos esta convección es libre aunque en sistemas de capacidad relativamente alta por lo general la convección es forzada. 17.

(32) IM-2003-I-44. Los tipos de condensadores se pueden clasificar de acuerdo al medio en el que trabajan.. Se encuentran condensadores enfriados por agua, por aire, y. condensadores evaporativos, como se explicarán a continuación.. 3.3.1. Condensadores enfriados por agua En este tipo de condensadores, el agua que fluye en contacto con la tubería del refrigerante absorbe el calor necesario para condensar el fluido refrigerante. Las variantes que existen de este tipo de condensadores operan bajo este principio pero cambia el método por el cual es suministrada el agua. En algunos casos el refrigerante es condensado dentro de una especie de tanque que en su interior contiene una serie de tuberías por las que es circulada el agua fría, de esta manera el agua absorbe calor a través de las paredes de la tubería y el refrigerante condensado se almacena en un receptor. En otro tipo de condensadores, existen dos tuberías concéntricas y la condensación del refrigerante puede darse ya sea en la tubería interior o en el espacio entre las dos tuberías; el agua circula por la tubería restante. Por último, el agua puede ser circulada por gravedad y sin necesidad de estar confinada dentro de una tubería y simplemente estando en contacto con la tubería del refrigerante durante su caída.. 3.3.2. Condensadores evaporativos En este tipo de condensadores la condensación del refrigerante se hace dentro de un circuito de tuberías que son rociadas externamente con agua y sopladas con aire; la mayor cantidad de enfriamiento se logra por la evaporación del agua rociada aprovechando su calor latente de evaporación.. 18. La alta tasa de.

(33) IM-2003-I-44 transferencia de calor reduce la necesidad de un área grande de manera que no es obligatorio el uso de aletas de forma que la tubería se usa libre de éstas. Los materiales usados en la tubería de éstos condensadores son principalmente el acero, el cobre, y el hierro. Es práctica usual galvanizar las tuberías de materiales ferrosos para protección externa. La transferencia de calor ocurre en dos pasos, primero del refrigerante hacia la parte interior del tubo y a través de la pared del tubo y a través de la delgada capa de agua; y segundo de la capa de agua al aire. De ahí se pueden identificar claramente los métodos de transferencia de calor de convección y conducción.. 3.3.3. Condensadores enfriados por aire En los condensadores enfriados por aire, ya sea por convección forzada o libre, es el aire que pasa a través del condensador el que absorbe la cantidad de calor necesaria para condensar el fluido refrigerante. Las tuberías son comúnmente construidas en cobre, aluminio, o acero, y cada material tiene sus ventajas y desventajas. En el caso del cobre, el más costoso, se puede trabajar fácilmente y no necesita protección contra la corrosión;. el. aluminio necesita de métodos de alta precisión para la manufactura y además necesita protección especial si se tienen uniones con cobre; y por último la tubería en acero necesita protección al ambiente. En la instalación de este tipo de compresores se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones: ·. Área de flujo adecuada:. En lo posible toda el área de la cara del. condensador debe ser utilizada para la transferencia de calor.. 19.

(34) IM-2003-I-44 ·. Aire fresco: Asegurarse que el aire que pasa a través del condensador no haya circulado antes por una fuente de calor, como sería el compresor u otro tipo de maquinaria.. ·. Evitar la recirculación: Si el condensador posee un canal de circulación, asegurarse que los orificios de entrada y de salida no queden en una posición tal que el aire en la salida pueda volver a pasar por la entrada.. ·. Superficie del condensador y aire limpio: Para asegurar una buena transferencia de calor se debe tener un programa de limpieza del condensador y evitar el uso de aire que posea contaminantes que puedan adherirse a la superficie de éste.. En la selección del compresor fue tenido en cuenta principalmente la capacidad de éste de liberar la cantidad requerida de calor que fue calculada de la siguiente manera. Como la cantidad de calor liberada en el condensador es la suma del calor absorbido en el evaporador (Capacidad Frigorífica) más una cantidad equivalente a la energía absorbida en el compresor (Potencia) que para los parámetros de operación establecidos equivalen a 95W y 106W respectivamente para un total de 201W. Además se eligió del tipo enfriado por aire por convección forzada; Este condensador tiene una boca de entrada de aire de 21 cms de diámetro y el ventilador opera con un motor que trabaja a 1700 rpm. La tubería es de cobre de 3/8 in y las aletas de aluminio, esto coincide con lo mencionado anteriormente al tener estos materiales muy altos coeficientes de conducción térmica. La longitud total de tubería en la que se lleva a cabo el proceso de condensación es de 5.2m. La Figura 3.3 muestra una imagen del condensador seleccionado junto con su ventilador.. 20.

(35) IM-2003-I-44 Figura 3-3 Condensador enfriado por aire. 3.4.. VÁLVULA DE EXPANSIÓN. La válvula de expansión en un sistema de refrigeración cumple con dos funciones extremadamente importantes; la primera función que tienen es producir y mantener un diferencial de presión entre los lados de alta y baja presión del sistema y la segunda función es controlar el flujo de refrigerante de manera que el líquido que entra en el evaporador fluya en una cantidad proporcional al proceso de evaporación del sistema. Existen principalmente seis tipos de válvula de expansión, sin embargo, todas cumplen las mismas funciones. Estas válvulas están clasificadas como: válvula de expansión manual, válvula de expansión automática, válvula de expansión termostática, tubo capilar, válvula de flotador de baja presión, y válvula de flotador de alta presión. Las válvulas de expansión manual son válvulas de aguja que crean un diferencial de presión dependiendo del grado de apertura, que se ajusta manualmente. Por esta razón el uso de éste tipo de válvula no es práctico ni recomendado en ciertos sistemas que no están siendo supervisados constantemente ya que los cambios de carga del sistema y las paradas y arrancadas requieren del ajuste de ésta.. 21.

(36) IM-2003-I-44 Las válvulas de expansión automática son válvulas de aguja y diafragma que mantienen una presión constante en el evaporador aumentando o disminuyendo el flujo de refrigerante hasta el evaporador. Su uso está limitado a sistemas de baja capacidad como lo son los refrigeradores domésticos debido a que la eficiencia de este tipo de válvula no es alta cuando se requieren cargas mayores. La válvula de expansión termostática opera bajo un principio diferente al de la válvula de expansión automática. En este caso la operación de esta válvula se basa en mantener un grado constante de sobrecalentamiento en la tubería de la succión de manera que el evaporador siempre tiene la cantidad requerida de refrigerante, por esta razón y por ser económicas y versátiles son el tipo de válvula más popular en una gran cantidad de sistemas, en especial sistemas de alta capacidad debido a las desventajas que pueden tener se corrigen con la ayuda de dispositivos complementarios y variaciones que se logran con este tipo de válvula. El tubo capilar opera de la forma más sencilla y su construcción consiste simplemente de una tubería de una longitud fija y un diámetro reducido que por fricción reduce la presión del refrigerante. La manera de lograr el diferencial de presión deseado es en realidad un proceso iterativo en el que se prueban distintas longitudes y diámetros de capilar hasta llegar al diferencial de presión deseado, el problema con este proceso es que el sistema se descarga y se pierde el refrigerante al hacer cada prueba. En el proceso se debe tener en cuenta que la pérdida de presión del fluido refrigerante aumenta a medida que se disminuye el diámetro del capilar y se usa una longitud mayor, y disminuye en caso contrario. Por lo tanto se puede consultar en tablas para seleccionar una primera combinación diámetro-longitud para el capilar necesario en la tarea específica con el refrigerante requerido. En este proyecto se usará un tubo capilar como válvula de expansión. El diámetro interno del tubo es de 0.66 mm y su longitud es de 1.5 m que crea un diferencial 22.

(37) IM-2003-I-44 de presión de aproximadamente 5.6 bar (80 psi), aunque este valor es válido únicamente para el sistema operando sin carga térmica interna. En cuanto a los controladores de flotador, es suficiente mencionar que responden al nivel del líquido en el lado de alta o baja presión según sea el caso. Este tipo de válvulas posee algunas variantes que permiten controlar de manera más acorde a las necesidades de un sistema en particular dependiendo del tipo de respuesta del flotador o incluso la localización de éste.. 3.5.. EVAPORADORES. El evaporador es uno de los elementos básicos del sistema de refrigeración, en éste se logra el objetivo principal del ciclo, absorber calor de un recinto o producto. Este objetivo se logra tal y como se explicó anteriormente en el proceso de evaporación al describir el ciclo de refrigeración. Los evaporadores pueden ser clasificados de varias maneras, en este proyecto se clasificarán por el tipo de construcción; de acuerdo a este criterio se tienen tres tipos: de tubo descubierto, de superficie de placa, y con aletas.. 3.5.1. Evaporadores de tubo descubierto Estos evaporadores se fabrican principalmente de tubo de acero o de cobre dependiendo de la capacidad del sistema y del refrigerante utilizado. Como ya se ha explicado, el amoniaco corroe las piezas de cobre por lo tanto el cobre es utilizado con otro tipo de refrigerantes y para sistemas de relativamente baja capacidad; lo contrario ocurre con el acero, que puede ser usado en sistemas a base de amoniaco y en sistemas de alta capacidad.. 23.

(38) IM-2003-I-44 Este tipo de evaporadores se encuentra en distintos tipos de arreglos como serpentín plano, en trombón, ovalado, o redondo, dependiendo del uso y dimensiones del recinto refrigerado.. 3.5.2. Evaporadores de superficie de placa Este tipo de evaporadores son frecuentemente usados en sistemas de refrigeración caseros debido a la facilidad que se tiene en su limpieza. Además pueden ser adquiridos en una gran variedad de formas y dispuestos en distintos arreglos como anaqueles o recipientes. Algunos evaporadores de superficie de placa son construidos con dos placas planas de metal realzadas por embutido y luego soldadas una con otra.. El. refrigerante fluye por los conductos trazados en el proceso de embutido. También se encuentran evaporadores de superficie de placa que consisten en un tubo doblado instalado en medio de las dos placas planas que posteriormente son soldadas. Según el método de alimentación del refrigerante también se pueden clasificar los evaporadores. En el caso de los evaporadores de expansión seca, el refrigerante es suministrado en una cantidad igual a la máxima cantidad que pueda ser completamente evaporada de forma que solo llegue vapor a la tubería de succión; esto se asegura permitiendo un sobrecalentamiento de unos 5ºC al final del evaporador. De otra manera trabajan los evaporadores inundados que trabajan con refrigerante líquido para mantener humedecida toda la superficie interior del tubo y por lo tanto se logra una mayor transferencia de calor que en los evaporadores de expansión seca; en estos evaporadores se debe instalar un acumulador que sirve como receptor de líquido por efecto de la gravedad. Según esta clasificación se debe por último explicar el funcionamiento de los evaporadores sobrealimentados, en los cuales el líquido es suministrado en 24.

(39) IM-2003-I-44 considerable exceso que además puede ser vaporizado; en estos evaporadores también se instala un acumulador que separa el vapor del líquido de forma que el vapor es extraído por la tubería de succión y el líquido se recircula por el evaporador. Existen otros tipos de clasificación de los evaporadores y existen tantos tipos de evaporadores como de condensadores ya que hacen básicamente el mismo trabajo pero operan de manera opuesta. Es decir, las diferencias entre estos elementos son pequeñas y en algunos casos se pueden usar evaporadores o condensadores para desarrollar el proceso de condensación o evaporación indiferentemente. En la construcción del tutor se utilizó un evaporador de superficie de placa de expansión seca que fue doblado como muestran los planos respectivos en el Anexo C. Este evaporador posee un pequeño tramo en que el refrigerante fluye por tuberías concéntricas para la entrada y salida del evaporador y alcanza la capacidad requerida de 95 W que es la capacidad frigorífica del sistema de acuerdo a la tabla de capacidad del compresor. El área del evaporador es de 4200 cm2. Este tipo de evaporadores se consiguen en el comercio aunque en algunos casos como este es necesario doblarlos para obtener la geometría requerida (en este caso rectangular). Además del proceso de doblado, este evaporador fue encerrado en una caja de aluminio dejando una cavidad entre superficies de 3cm para aislarlo térmicamente como se puede observar en la Figura 3.4.. 25.

(40) IM-2003-I-44 Figura 3-4 Evaporador de Superficie de placa.. 3.6.. TUBERÍAS. Los materiales de la tubería en refrigeración deben ser seleccionados de acuerdo tanto a los estándares dimensionales y códigos aplicables como a la capacidad de cubrir los requerimientos de servicio como la resistencia a la corrosión, la conductividad térmica, o la fatiga mecánica. En general, los materiales más empleados en refrigeración son el cobre, el hierro, y el acero. Sin embargo otros materiales como las aleaciones de acero, de cobre, o las tuberías no metálicas cada vez encuentran más aplicación en refrigeración. Es importante señalar en la selección de materiales para tubería que en particular el cobre no es compatible con el amoniaco, y por lo tanto su uso se debe evitar en sistemas que lo usen como refrigerante. En el caso de las tuberías plásticas se puede aprovechar su flexibilidad aunque se debe diseñar de acuerdo a la presión y temperatura requerida que desafortunadamente son los parámetros en los cuales estos materiales no se destacan. En cuanto al dimensionamiento del sistema de tuberías, éste debe estar diseñado para que cumpla con las siguientes funciones básicas:. 26.

(41) IM-2003-I-44 ·. Asegurar una alimentación adecuada al evaporador o evaporadores.. ·. Dimensiones lo más pequeñas posibles que no causen una caída apreciable en la presión reduciendo la capacidad y eficiencia del sistema.. ·. Prevenir el almacenamiento o acumulación de lubricantes en cualquier componente.. ·. Proteger al compresor de la pérdida de lubricante en todo momento.. ·. Evitar la entrada de refrigerante en estado líquido al compresor durante su operación o durante el arranque.. ·. Tubería lo más económica posible.. La tubería de succión es de especial importancia en el diseño debido a que transporta refrigerante en forma de gas. En el diseño de esta tubería se debe tener en cuenta que se debe seleccionar la tubería del mínimo diámetro que no produzca pérdidas apreciables de presión y que al mismo tiempo permita una velocidad del flujo lo suficientemente alta para arrastrar el refrigerante hacia el cárter del compresor.. Este criterio no es tan importante en las tuberías de. refrigerante líquido ya que por lo general el aceite es miscible en éste y puede ser fácilmente transportado. Estos objetivos se logran seleccionando de manera adecuada el diámetro que debe ser el mínimo que cumpla dichas funciones. En la construcción del tutor se usó tubería de cobre de ¼ in y mangueras flexibles para el caso de los manómetros de alta y baja presión. Estas mangueras solo cumplen con la función de “transportar” la lectura de presión hasta el manómetro, por lo tanto su diseño no es de mucha importancia al no haber un flujo real a través de éstas. En algunos casos las tuberías además deben aislarse térmicamente ya que la transferencia de calor se hace principalmente en los otros elementos como lo son el condensador o el evaporador a menos que sea deseable la transferencia de calor a través de la tubería.. Además pueden lograrse temperaturas lo 27.

(42) IM-2003-I-44 suficientemente altas como para causar quemaduras en caso de contacto con la piel. En el tutor no fueron implementados elementos aislantes de temperatura en las tuberías ya que las temperaturas logradas no son lo suficientemente altas para causar accidentes. Sin embargo la falta de aislante causa una lenta estabilización de la temperatura y puede afectar la lectura de los datos. A continuación se muestra en la Tabla 3.2 un resumen de los componentes seleccionados con sus respectivas características.. Tabla 3-2 Resumen de los componentes seleccionados Componente. Descripción. Refrigerante. R-134a Amigable con el medio ambiente. Actualmente muy popular en sistemas pequeños como aire acondicionado de automóviles y sistemas domésticos.. Compresor. Unidad hermética motor-compresor Tecumseh AZ 1330 YS. Capacidad frigorífica nominal de 324 BTU/h (95W). Trabaja con refrigerante 134a .. Condensador. Condensador enfriado por aire por convección forzada con boca para flujo de aire de 20 cm operada por ventilador a 1700rpm. Evaporador. Evaporador de expansión seca de superficie de placa con área de 4200cm2 Encerrado en estructura de aluminio aislada térmicamente. Dimensiones antes de doblar: 1.4m x 0.3m.. Válvula. de Capilar de cobre de 1.5m de longitud, Diámetro externo 0.075”. expansión. (1.9mm) Diámetro interno 0.026” (0.66mm) .. Tubería. Tubería de cobre, diámetro nominal ¼” (6.35mm).. 28.

(43) IM-2003-I-44. 4. PARÁMETROS DEL CICLO IDEAL SATURADO PLANTEADO DE ACUERDO A LOS COMPONENTES SELECCIONADOS Los parámetros esperados con el equipo seleccionado se pueden obtener principalmente con la tabla de capacidad del compresor. Sin embargo, el sistema opera bajo distintos parámetros dependiendo de la carga térmica proporcionada al evaporador. Por esta razón los parámetros se basarán en los datos para los cuales la capacidad del sistema corresponde a la capacidad frigorífica del compresor operando en el rango de temperaturas para las que fue diseñado. Se obtiene la capacidad frigorífica lograda con el compresor de acuerdo a su ficha técnica y tabla de capacidad dependiendo de las temperaturas de condensación y evaporación.. Esta corresponde a 324 BTU/h que equivale a 95 W para las. condiciones a las que está diseñado.. Este valor corresponde para el. funcionamiento bajo los siguientes parámetros: ·. Temperatura de Condensación: 54.4 ºC (130 ºF). ·. Temperatura de Evaporación: -23.3 ºC (-10 ºF). Esto se puede verificar en la carta de rendimiento del compresor. El siguiente es el extracto de la carta de rendimiento del compresor que muestra los parámetros de operación.. 29.

(44) IM-2003-I-44 Tabla 4-1 Capacidad Frigorífica obtenida con el compresor seleccionado Capacidad Frigorífica - BTU/h (Watts) - ASHRAE Temperatura de Temperatura de Evaporación ºC (ºF) Condensación ºC (ºF) -34,4(-30) -28,9(-20) -23,3(-10) -17,8(0) 37,8(100) 208(61) 284(83) 381(111) 505(148) 43,3(110) 195(57) 272(80) 370(108) 492(144) 48,9(120) 168(49) 249(73) 347(102) 468(137) 54,4(130) 139(41) 224(66) 324(95) 444(130) 60,0(140) 117(34) 206(60) 309(90) 429(126). -12,2(10) 662(194) 644(189) 618(181) 591(173) 574(168). http://tecumseh.com.br/espanol/home_compressor.asp. Los datos mostrados anteriormente son suficientes para conocer las propiedades físicas y termodinámicas del refrigerante en cada estado si se sigue el ciclo saturado.. De hecho con ayuda del diagrama Log(P) vs h estas propiedades. pueden ser determinadas muy fácilmente teniendo en cuenta las características de cada proceso como fueron mencionadas en el capítulo pertinente.. 4.1.. PROPIEDADES FÍSICAS Y TERMODINÁMICAS DEL REFRIGERANTE. EN CADA ESTADO Como primera medida se procede a hallar las propiedades termodinámicas del vapor saturado del refrigerante R-134a a una temperatura de –23.3ºC, es decir en la tubería de succión del compresor. Estas propiedades pueden ser halladas del diagrama log P vs h para el refrigerante 134a o de las tablas del mismo. En segundo lugar se procede a hallar la temperatura a la que el refrigerante sale del compresor. Esto se hace fácilmente usando el diagrama Log(P) vs h ya que se localiza el punto en el diagrama en el que el refrigerante se encuentra en la admisión del compresor (vapor saturado a la temperatura condensante) y se toma una línea de entropía constante hasta intersecar la línea de presión constante de condensación. En este caso el valor de la temperatura en la tubería de escape del 30.

(45) IM-2003-I-44 compresor es de 63.8 ºC.. Con esta temperatura ya se pueden obtener las. propiedades del refrigerante en este punto ya que se tienen tanto el dato de temperatura como el de presión. Para obtener las propiedades del refrigerante en el estado 3, se toma la línea de temperatura condensante dentro de la campana y se desplaza hasta la posición de líquido saturado así que solo falta determinar la localización del punto 4 en el diagrama. Por último, el punto 4 se obtiene siguiendo una línea de entalpía constante hasta intersecar la línea de presión constante a la temperatura de evaporación. De esta forma se obtienen las propiedades de cada uno de los estados por los que pasa el refrigerante durante el ciclo. El resumen de las propiedades del refrigerante en cada estado se pueden observar en la Tabla 4.2.. Tabla 4-2 Propiedades del refrigerante en cada punto del ciclo Estado T [ºC] P [kPA] v [m3/kg] h [kJ/kg] s [kJ/kg.K] x. 1 -23.3 115.1 0.1678 233.3 0.936 1. 2 63.8 1470 0.0144 286.3 0.936 Gas. 3 54.4 1470 0.00092 128.4 0.454 0. 4 -23.3 115.1 0.0857 128.4 0.516 0.508. Estos datos están dados para los estados uno a cuatro como se especifica en la siguiente tabla y como se muestra en la Figura 2.1 incluido en el capítulo donde se describe el ciclo de refrigeración saturado.. 31.

(46) IM-2003-I-44 Tabla 4-3 Descripción de los puntos del ciclo Estado Descripción 1 2 3 4. Se encuentra en la tubería de succión justo antes de entrar al compresor Se encuentra justo a la salida del compresor Se encuentra justo antes de la válvula de expansión Se encuentra justo después de la válvula de expansión. Según estos datos, como ya se ha explicado, el evaporador debe tener una capacidad de 95W y. el compresor una potencia de 53W, por lo tanto el. condensador debería tener una capacidad igual a la suma de la capacidad del evaporador más la potencia del compresor, que equivale a 148W. Sin embargo, esto no se cumple ya que el dato de potencia esperada del compresor obtenido del fabricante es de 106W para los parámetros de operación seleccionados como muestra la siguiente tabla. Con este dato se altera un poco el valor de capacidad del condensador, que es la suma de la capacidad frigorífica más la potencia del motor que con los nuevos datos asciende a 201W, y se verifica que el proceso de compresión no se hace de manera isentrópica.. Tabla 4-4 Potencia aplicada al refrigerante por el compresor. Temperatura de Condensación °C (°F) 37,8(100) 43,3(110) 48,9(120) 54,4(130) 60,0(140). Potencia (Watts) - ASHRAE Temperatura de Evaporación ºC (ºF) -34,4(-30). -28,9(-20). -23,3(-10). -17,8(0). -12,2(10). 76 75 71 66 62. 91 91 89 87 85. 107 107 107 106 107. 125 125 126 126 129. 146 147 147 149 154. http://tecumseh.com.br/espanol/home_compressor.asp. 32.

(47) IM-2003-I-44. Con estos nuevos valores se obtiene un nuevo diagrama del ciclo como se muestra a continuación en la Figura 4.1 y las propiedades físicas y termodinámicas del fluido refrigerante también se alteran un poco en el punto 2 como es de esperarse y como se muestra en la Tabla 4.5.. Figura 4-1 Ciclos saturado y esperado sobre el diagrama Log (P) vs h. Desarrollado con el programa Coolpack Versión 1.46. Del diagrama anterior en el que se muestra el ciclo esperado (1-2b-3-4) sobre el ciclo ideal (1-2-3-4) se deduce que el único punto del ciclo en el diagrama que se altera debido a que el proceso de compresión no se hace de manera isentrópica es el punto 2, que se reemplaza por el punto 2b y cuyas propiedades termodinámicas se muestran a continuación en la siguiente tabla.. 33.

(48) IM-2003-I-44 Tabla 4-5 Propiedades del refrigerante para el ciclo esperado Estado T [ºC] P [kPA] v [m3/kg] h [kJ/kg] s [kJ/kg.K] x. 1 -23.3 115.1 0.1678 233.3 0.936 1. 2b 109.4 1470 0.01833 339.3 1.085 Gas. 34. 3 54.4 1470 0.00092 128.4 0.454 0. 4 -23.3 115.1 0.0857 128.4 0.516 0.508.

(49) IM-2003-I-44. 5. PARÁMETROS DEL CICLO OBTENIDO Según los datos obtenidos de las mediciones se pudo comprobar la variación de los parámetros de operación del sistema cuando se aplica una carga térmica al evaporador. Por lo tanto, se caracterizará el sistema bajo las condiciones sin carga térmica interna. Es decir, cuando la resistencia se encuentra apagada y sólo se pierde calor por convección en las paredes externas del evaporador y a través de la tubería expuesta al ambiente. Esta cantidad de calor es pequeña y el sistema alcanza estabilizarse con una temperatura interna en el recinto refrigerado casi igual a la temperatura de evaporación. Se mencionarán las temperaturas representativas del ciclo teniendo como ayuda las presiones del refrigerante para de esta forma trazar los procesos en el diagrama Log (P) vs h y con los conocimientos adquiridos previamente entender como funciona el tutor. Como ya se ha hecho anteriormente se describirá el ciclo comenzando por el proceso de compresión, más exactamente en la tubería de succión del compresor y se seguirá el orden establecido en los capítulos anteriores. Como base se tendrán las presiones de condensación y evaporación, para el caso de la presión de condensación se obtuvo un valor de 6.75 bar y la presión de evaporación uno de 1.05 bar. Estos valores ya se encuentran corregidos para presión absoluta asumiendo una presión de 0.75 bar a la altura de Bogotá ya que la presión disponible en los instrumentos es manométrica. Además de los datos de presión se obtuvieron las lecturas de temperatura para la tubería de succión, la tubería de descarga, la salida del condensador y la temperatura de evaporación.. Estas temperaturas generan el ciclo como se. muestra en el siguiente diagrama. 35.

(50) IM-2003-I-44. Figura 5-1 Ciclo obtenido sin carga térmica interna. Desarrollado con el programa Coolpack Versión 1.46. En el diagrama se pueden observar los efectos de subenfriamiento en el condensador y de sobrecalentamiento en el evaporador.. Sin embargo estas. mediciones deben tomarse solamente como una guía que a pesar de dar muy buenos resultados no son totalmente ciertas ya que las temperaturas obtenidas son aproximación de las temperaturas reales del refrigerante debido a la resistencia térmica de las paredes de la tubería o de la placa del evaporador que aunque es baja puede alterar las mediciones en una pequeña escala. En la siguiente tabla se muestran las propiedades termodinámicas del refrigerante en los cuatro puntos del ciclo.. 36.

(51) IM-2003-I-44 Tabla 5-1 Propiedades del refrigerante en cada punto del ciclo obtenido Punto T (ºC) +- 0.1 P(bar) +- 0.1 h (kJ/kg) s (kJ/kgK) 1. 3.1. 1.05. 255.2. 1.025. 2. 61.3. 6.75. 299.2. 1.031. 3. 19.9. 6.75. 76.5. 0.29. 4. -24.4. 1.10. 76.5. 0.31. En esta prueba que aproximadamente tardó ciento cincuenta minutos se obtuvo una temperatura de estabilización en el recinto refrigerado de –19.5ºC, lo que en un principio puede impresionar un poco ya que el contacto con este tipo de equipos está limitado a las neveras caseras que en realidad poseen controles de temperatura apropiados sólo para mantener frescos los alimentos mostrando sólo parcialmente la verdadera capacidad de los equipos. Con los datos mostrados en la tabla anterior se puede evaluar el coeficiente de rendimiento del sistema para la temperatura dentro del recinto refrigerado, es decir el COP del sistema a –19.5ºC haciendo el cálculo como se muestra en la siguiente fórmula.. COP =. h1 - h4 255.2 - 76.52 = = 4.06 h2 - h1 299.2 - 255.2. Esto corresponde al cociente de la diferencia de entalpías en el proceso de compresión y la diferencia de entalpías en el proceso de evaporación, es decir entre los puntos 1 y 2 y entre los puntos 4 y 1 respectivamente.. 37.

(52) IM-2003-I-44. 6. DESCRIPCIÓN DEL CICLO REAL Según lo explicado en el segundo capítulo hasta ahora se han asumido dos afirmaciones que a pesar de ser útiles y permitir un análisis suficientemente preciso, no son cien por ciento fieles a la realidad. Este capítulo tiene como fin describir el ciclo de refrigeración con más detalle con base en lo aprendido en los primeros capítulos del proyecto para de esta forma entender y relacionar los efectos que puede tener una variación en un sistema en su rendimiento o capacidad o cualquier otro aspecto. Como primera medida se asumió que el refrigerante a la salida del condensador pasaba como líquido saturado y a la entrada del condensador pasaba como vapor saturado. La verdad es que es muy difícil y no muy ventajoso diseñar un sistema que cumpla esto a cabalidad ya que los ajustes finos requieren en muchos casos de un proceso iterativo en el que se modifican las tuberías, la válvula de expansión o algún otro componente y a que las condiciones de operación varían de acuerdo a la carga térmica de que se dispone. Sin embargo el cálculo de la carga térmica se sale del alcance de éste proyecto aunque es una parte fundamental en el diseño de este tipo de sistemas. Volviendo a la descripción del ciclo, en realidad cuando el refrigerante sale del condensador se encuentra como líquido comprimido a una temperatura un poco menor a la temperatura de condensación a dicha presión y cuando el refrigerante entra al compresor se encuentra en estado de vapor sobrecalentado a una temperatura un poco mayor a la temperatura de evaporación a dicha presión; esto con el fin de asegurar que no entre líquido por las válvulas del compresor. Habiendo dicho esto, se desvirtúa la afirmación hecha unos capítulos atrás en que se describía el ciclo saturado de refrigeración.. 38. Es práctica usual permitir un.

(53) IM-2003-I-44 subenfriamiento en el condensador de unos 5ºC y un sobrecalentamiento en el evaporador igualmente de unos 5ºC. La segunda afirmación que se había planteado es que no existen pérdidas de presión ni en el evaporador ni en el condensador. Esta afirmación como es de esperarse es falsa debido a que cualquier fluido que viaja a través de una tubería sufre una caída de presión debido a la fricción. Las pérdidas debido a la fricción son pequeñas y difíciles de cuantificar ya que el refrigerante cambia de estado en el recorrido a lo largo de la tubería. Sin embargo en el caso de tener refrigerante en estado líquido, la caída de presión debido a la fricción cumple con la ecuación de Darcy-Weisbach: hl = f ×. l ×V 2 D × 2 × gn. Donde hl es la caída de presión en metros, f es el coeficiente de fricción, l es la longitud de la tubería, V es la velocidad del fluido en metros por segundo, D es el diámetro de la tubería en metros, y gn es el valor de la aceleración debido a la gravedad en metros por segundo cuadrado. Además se presentan pérdidas de presión locales como en válvulas, codos, uniones, etc. Estas pérdidas locales de presión se pueden cuantificar y sumar con las pérdidas por fricción en la tubería para conocer la caída total en la presión entre los puntos entre los que se había hecho el supuesto que no había pérdidas de presión. Sin embargo las pérdidas totales no suelen ser significativas y no suelen sobrepasar el equivalente a unos 5ºC en las temperaturas de evaporación y de condensación.. 39.

(54) IM-2003-I-44. 7. ENSAMBLE DEL TUTOR En este capítulo se explicará paso a paso el desarrollo en la construcción del tutor y se explicará cuando sea necesario los motivos por los que se eligió una opción sobre otra.. Las explicaciones se llevarán a cabo por componentes con el. propósito de darle orden y profundidad al tema teniendo en cuenta el capítulo de selección de componentes que ya fue tratado con anterioridad. 7.1.. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SOPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE. COMPONENTES Debido a la naturaleza del proyecto en que el espacio disponible es en cierta forma reducido, el diseño del soporte fue de particular importancia y sus dimensiones se plantearon de manera que los componentes del sistema tuvieran el espacio estrictamente requerido. Como primera medida se decidió dividir el sistema completo en tres niveles, en el primer nivel, comparten la base del soporte el compresor y el condensador; en el segundo nivel se encuentra el evaporador que es el componente más voluminoso del sistema; y en el tercer nivel se encuentra el panel de instrumentos y control que por su ubicación es el lugar más apropiado. En cuanto a la tubería y al tubo capilar se hizo un esfuerzo por incorporarlos al diseño del soporte haciendo un trazado paralelo a éste en la mayoría de los casos. En la construcción del soporte se usó tubo CR de 1 in calibre 16 que posteriormente fue cortado y doblado a las dimensiones establecidas y luego fue soldado como se muestra en el plano correspondiente en el Anexo C. Para el ensamble de los componentes y mejorar la robustez del sistema fue necesario perforar agujeros en los que se ensamblaron refuerzos y soportes como base de dichos componentes.. 40.

(55) IM-2003-I-44 El soporte del sistema posee ruedas de manera que pueda ser transportado con facilidad como muestra la Figura 7.1. Todas las uniones fueron soldadas con soldadura MIG y sus planos pueden ser consultados en el Anexo C.. En el. ensamble de los componentes al soporte se usaron uniones atornilladas de ¼ in aunque el ensamble se puede ver en forma detallada en el plano incluido también en el Anexo C.. Figura 7-1 Soporte con ruedas. 7.2.. INSTRUMENTOS. DE. MEDICIÓN. DE. PRESIÓN,. TEMPERATURA,. CORRIENTE, Y VOLTAJE Debido a que el sistema debe ser operado usando una carga térmica en el evaporador, de lo contrario puede llegar refrigerante en estado líquido al compresor, y a que la capacidad del sistema es un dato deseable de medir, se dispuso de terminales eléctricos para obtener las lecturas de corriente y voltaje en el panel de instrumentos de manera que se conozca la capacidad del sistema al igualarla con la potencia consumida por la resistencia eléctrica cuyos parámetros se miden con los terminales disponibles y que actúa como carga térmica según la fórmula:. 41.

(56) IM-2003-I-44. P = I rms Vrms cos(f v - f i ) Donde P es la potencia en Vatios, Irms es la corriente rms en Amperios, Vrms es el voltaje rms en Voltios y los factores φv y φi son los ángulos de fase del voltaje y la corriente respectivamente. Para operar la resistencia se dispuso de un potenciómetro de manera que la potencia entregada se pueda variar alterando los valores de voltaje y corriente a medir. Sin embargo para obtener los valores de los ángulos de fase es necesario conocer la resistencia eléctrica a la temperatura de operación, factor que es difícil de medir. Para este fin se debe ser cuidadoso en el empleo del multímetro y asegurarse que éste tenga entradas para corriente alterna AC; además deben usarse los terminales indicados en el tablero dependiendo del parámetro a medir. En cuanto a los medidores de presión, es recomendable mantenerlos desconectados en caso que no se vaya a usar el tutor por un periodo prolongado ya que puede causar pequeñas fugas que en el largo plazo descarguen el sistema. Para conectar los manómetros simplemente conecte las mangueras a las válvulas del color correspondiente. Es decir, la manguera azul con la válvula azul y la roja con la válvula roja. Para medir las temperaturas se dispuso de receptores en los que se puede introducir un termopar que al llegar a estabilizarse el sistema da lecturas precisas del refrigerante en los distintos puntos de la tubería. Debido a los altos costos de los sensores se decidió únicamente localizar los puntos de medición y con esto usar un termómetro digital disponible.. 42.