Ánalisis Termodinámico de un ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor

TERMODINÁMICA
FACULTAD DE INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERIA INDUSTRIAL
Tema: ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE CICLO DE REFRIGERACIÓN DE
COMPRESIÓN DE VAPOR
Curso:
Actividad:
Docente:
Termodinámica
Práctica Calificada – EF
Rafael Ángel Liza Neciosup, PhD(c)
Integrantes:
ALCA TORRES OSCAR JESÚS(N00165239)
CARRIL GIRON GIAN CARLOS(N00171222)
CHECA DOMINGUEZ JANAELVA NATHALY(N00166448)
ROJAS PEREZ ANDRE LEONARDO(N00175655)
N° de grupo:
06
Fecha de entrega:
10/07/2021
LIMA – PERÚ
2021
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TERMODINÁMICA
ÍNDICE DE CONTENIDO
1.
INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 3
2.
DESCRIPCIÓN Y DATOS DE LA MÁQUINA TÉRMICA ..................................... 4
3.
ANÁLISIS ............................................................................................................. 6
4.
RESULTADOS ................................................................................................... 13
5.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 14
CONCLUSIONES .................................................................................................. 14
RECOMENDACIONES ......................................................................................... 14
6.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 15
Pág. 2
TERMODINÁMICA
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad la refrigeración tiene una gran variedad de aplicaciones y está
inmiscuida en una serie de procesos industriales que van desde el sector alimenticio,
construcción, química, medicina e incluso tratamiento de metales, convirtiéndose así
en un proceso indispensable dentro del sector productivo. (Bonilla, S.M.; Castelo,
J.C.; Orozco, L.C. y Jácome, E.A. (2018).
El ciclo de refrigeración de compresión de vapor consiste en cuatro principales
procesos térmicos; evaporación, compresión, condensación y expansión. Hay muchas
aplicaciones donde se requiere una planta de refrigeración para satisfacer las diversas
cargas de refrigeración a diferentes temperaturas bajas. Cuando hay caso de baja
temperatura por defecto no hay aumento de la relación de presión y compresión del
ciclo. (Dhakane & Joshi, 2014).
Así mismo, la potencia mínima necesaria en la compresión es la correspondiente a
una compresión isotérmica, que es irrealizable en la práctica, pero que puede
aproximarse fraccionando la compresión en varias etapas, refrigerando el gas entre
cada etapa, de forma que el conjunto de la compresión se aproxime a la isotérmica.
(Fernández, P; 2013).
Por otro lado, la norma UNE-EN 14511 define el Coeficiente de Rendimiento COP
como el ratio entre la potencia calorífica y la potencia absorbida útil del equipo.
(Herrero, M.; 2021)
Para el cálculo del Coeficiente de desempeño del Ciclo de Refrigeración de la
fabricación de hielo que planteamos, se necesita conocer la tasa de rechazo del
refrigerador(QH), la tasa de eliminación de calor(QL), las entalpías y entropías.
El motivo de este trabajo es demostrar los resultados obtenidos de la tesis
“Fabricación de hielo y análisis de ciclos de refrigeración por compresión de vapor” de
los autores Constanza Margarita Valdés Aguilar y Cynthia Belén Rozas Roa mediante
el programa EES a través de cálculos teóricos.
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TERMODINÁMICA
2. DESCRIPCIÓN Y DATOS DE LA MÁQUINA TÉRMICA
En un refrigerador se utiliza refrigerante R717(Nh3) como fluido de trabajo, y opera
en un ciclo ideal de refrigeración por presiones de 0,188 MPa en el evaporador,
mientras 1,549 MPa en el condensador. Si el flujo másico del refrigerante es de
0.09546 kg/s.
Figura 2-1. Sistema de refrigeración por compresión de vapor.
Fuente: Valdés, C; Rozas,C (2014). Fabricación de hielo y análisis de ciclos de
refrigeración por compresión de vapor., p.52.
Este ciclo consta de 4 procesos fundamentales:
12: Compresión isentrópica
23: Condensación isobárica
34: Expansión (Estrangulación)
41: Evaporación isobárica
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TERMODINÁMICA
De los 10 ensayos de la tabla, escogimos el décimo para nuestro trabajo, en la cual
tenemos que la presión del evaporador es 188.8 kPa, la presión del condensador es
de 1549 kPa y que el flujo de masa tiene un valor de 0.09546 Kg/s .
Tabla 3-1 Variación del flujo de calor absorbido (Qabs).
Fuente: Valdés, C; Rozas, C (2014). Fabricación de hielo y análisis de ciclos de
refrigeración por compresión de vapor., p.54.
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TERMODINÁMICA
3. ANÁLISIS
 La fórmula para hallar la eliminación de calor del espacio refrigerado es:
𝑄⌞= 𝑚(𝐻1 − 𝐻4)
Donde:
Q⌞: Eliminación de calor del espacio refrigerado
m: Flujo másico
H1: Entalpía en 1
H4: Entalpía en 4
 La fórmula para hallar el calor de rechazo es:
𝑄н = 𝑚(𝐻₂ − 𝐻₃)
Donde:
Qн: Calor de rechazo
m: Flujo másico
H3: entalpía en 3
H2: entalpía en 2
 La fórmula para hallar el trabajo de entrada es:
𝑊ₑₙₜ = 𝑚(𝐻₂ − 𝐻₁)
Donde:
Wₑₙₜ: Trabajo de entrada
m: Flujo másico
H2: Entalpía en 2
H1: Entalpía en 1
 La fórmula para hallar el coeficiente de desempeño del amoniaco es:
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TERMODINÁMICA
𝑪𝑶𝑷ʀ₇₁₇ = (
𝟏
)
𝑸н ⁄ 𝑸⌞−1
Donde:
COP(ʀ-717): Coeficiente de desempeño del amoníaco
Qн: Calor de rechazo
Q⌞: Eliminación de calor del espacio refrigerado
 Para calcular la interpolación se empleo la herramienta Microsoft Excel
usando la siguiente fórmula:
𝑌 = 𝑃𝑅𝑂𝑁𝑂𝑆𝑇𝐼𝐶𝑂. 𝐿𝐼𝑁𝐸𝐴𝐿(𝑥; 𝑐𝑜𝑛𝑜𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑦; 𝑐𝑜𝑛𝑜𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑥)
Donde:
“x”: Variable independiente conocida y correspondiente al “y” a calcular.
Conocido “y”: Variables dependientes conocidas.
Conocido “x”: Variables independientes conocidas.
Ejemplo:
𝑃𝑟𝑜𝑛𝑜𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜. 𝐿𝑖𝑛𝑒𝑎𝑙 = 370.70182
Ejemplo aplicado.
Fuente: Elaboración Propia
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TERMODINÁMICA
 Estado 3
Tenemos de dato:
P3= 1549 kPa
 Estado 2
Tenemos de
dato:
P2= 1549 kPa
X3= 0
 Estado 4
 Estado 1
Tenemos de dato:
Tenemos de dato:
P4= 188.8 kPa
P1= 188.8 kPa
X1= 1
 Luego de tener los datos debemos conocer la entalpía de los estados para poder
calcular la Tasa de eliminación de calor del espacio refrigerado (QL), Tasa de rechazo
de calor del refrigerante al ambiente (QH), la entrada de potencia al compreso (WL) y el
coeficiente de desempeño (COP). Comenzamos hallando la entalpia y entropía del
estado 1; Como nuestra presión es 188,8 kPa, y tal valor no lo encontramos en la tabla
de propiedades del amoniaco (refrigerante con el cual estamos trabajando), realizamos
la interpolación entre las entalpías y entropías en vapor saturado de las presiones 180
kPa y 190 kPa.
Fuente: Gómez-Acebo, T (2010). Termodinámica Cuaderno de Tablas y
Diagramas, P.39.
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TERMODINÁMICA
P(kPa)
x
180
190
188.8
H1(KJ/Kg)
y
1416.3
1418
1417.796
Fuente: Elaboración Propia
P(kPa)
x
180
190
188.8
S1(KJ/KgK)
y
5.635
5.616
5.61828
Fuente: Elaboración Propia
Luego de interpolar obtenemos:
H1=1417,796 KJ/Kg
S1=5,61828 KJ/KgK
Además, como en este estado se encuentra en vapor saturado su calidad es 1.
 Luego en el estado 2, al ser isentrópico con el estado 1, su entropía es la misma
5,61828 KJ/KgK; la presión aquí es 1549 kPa, nos faltaría hallar la entalpía en este
estado.
Al no tener la entalpía en la tabla de propiedades del amoníaco, nuevamente tenemos
que realizar la interpolación, pero esta vez del vapor sobrecalentado de las presiones
1400 kPa y 1600 kPa y entre las temperaturas 120°C Y 140 °C ya que están dentro del
rango de nuestra entropía.
Fuente: Hadzich,M(2006).Tablas termodinámica PUCP.P.33
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TERMODINÁMICA
Interpolamos las entalpías
para las temperaturas 120°C
y 140 °C a presión 1549 kPa
Interpolamos las entropías
para las temperaturas 120°C
y 140 °C a presión 1549 kPa
1400
1600
1549
S (KJ/Kg K)
120 c
140 c
5.5836
5.7087
5.5084
5.6355
5.527576
5.654166
1400
1600
1549
H(KJ/Kg)
120 c
140 c
1703.9
1754.3
1698.5
1749.7
1699.877
1750.873
Se creó una tabla con los datos obtenidos en la
presión de 1549 kPa, para luego calcular la entalpía
correspondiente a la entropía de 5.61828 KJ/Kg*K
T(C°)
120
140
1549 (kPa)
H(KJ/Kg)
S(KJ/Kg*K)
1699.877
5.527576
1750.873
5.654166
1736.41655
5.61828
Luego de haber realizado las interpolaciones correspondientes, se obtuvo:
H2: 1736,41655 KJ/Kg
 Luego en el estado 3 al ser isobárico con el estado 2, la presión seria la misma con
1549 kPa; nos faltaría hallar la entalpía en este estado.
Fuente: Gómez-Acebo, T (2010). Termodinámica Cuaderno de Tablas y
Diagramas, P.39.
P(kPa)
x
1500
1555
1549
H3(KJ/Kg)
y
365
371,4
370,701818
Luego de interpolar se obtuvo:
H3: 370.701 KJ/Kg
Fuente: Elaboración Propia
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TERMODINÁMICA
 Por último, en el estado 4 al ser isobárico con el estado 1 la presión se mantendría con
188.8 kPa y estando en la válvula de expansión se comprende que no existe calor ni
trabajo por lo cual se llega a la siguiente conclusión:
𝑄 − 𝑊 = 𝐻4 − 𝐻3
0 − 0 = 𝐻4 − 𝐻3
𝑯𝟒 = 𝑯𝟑 = 𝟑𝟕𝟎. 𝟕𝟎𝟏 𝑲𝑱/𝑲𝒈
Al tener las entalpias H1 y H4, podemos hallar la tasa de eliminación de calor del
espacio refrigerado
La fórmula es:
𝑄̇𝐿 = 𝑚̇(𝐻1 − 𝐻4)
Aplicando tenemos:
𝑄̇𝐿 = 0.09546(1417.796 – 370.701) = 99.955 KJ/s
𝑸̇𝑳 = 99.955 KJ/s = 99.955 KW
Comenzamos a hallar el “w de entrada” del compresor, para hallarlo tenemos que
aplicar la siguiente fórmula:
𝑊̇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑚̇(𝐻2 − 𝐻1)
𝑊̇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 0.09546(1736,41655 - 1417.796) = 30.415517 KJ/s
𝑾̇𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 = 30.415517 KJ/s = 30.415517 KW
Procedemos a calcular la tasa de rechazo de calor del refrigerante al ambiente, para
hallarlo tenemos que aplicar la siguiente fórmula:
𝑄̇𝐻 = 𝑚̇(𝐻2 − 𝐻3)
Aplicando tenemos:
𝑄̇𝐻 = 0.09546(1736,41655 – 370.701) = 130.37 KJ/s
𝑸̇𝑯 = 130.37 KJ/s = 130.371 KW
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TERMODINÁMICA
Para terminar se calculó el Coeficiente de desempeño COP, para ello aplicaremos la
siguiente fórmula:
𝑪𝑶𝑷ʀ₇₁₇ = (
𝟏
)
𝑸н ⁄ 𝑸⌞−1
𝟏
𝟏
)= (
𝑪𝑶𝑷ʀ₇₁₇ = (
) = 𝟑. 𝟐𝟖𝟔𝟑
(1.304296934) − 1
(130.371⁄99.955) − 1
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TERMODINÁMICA
4. RESULTADOS
Estado 1(Evaporador a Compresor)
188.8
PRESIÓN
kPa
1417.796
Entalpía(H1)
KJ/Kg
5.61828
Entropía(S1)
KJ/Kg*K
Estado 3(Condensador a Válvula de
Expansión)
PRESIÓN
1549 kPa
Entalpía(H3)
370.701
KJ/Kg
Estado 2(Compresor a Condensador)
PRESIÓN
1549 kPa
1736,41655
Entalpía(H2)
KJ/Kg
5.61828
Entropía(S2)
Kj/Kg*k
Estado 4(Válvula de Expansión a Evaporador)
PRESIÓN
188.8 kPa
Entalpía(H4)
370.701
KJ/Kg
CÁLCULOS FINALES
Tasa de eliminación de calor del espacio refrigerado(QL) QL = m (h1 – h4)
La entrada de potencia al compresor(WL)
Wentrada = m (h2 – h1)
Tasa de rechazo de calor del refrigerante al ambiente(QH) QH = m (h2 – h3)
Coeficiente de desempeño del refrigerador(COP)
COP R=(1)/((QH/QL) - 1)
99.95561 KW
30.41552 KW
130.3711 KW
3.286336
 Luego de haber hallado las respectivas entalpías para cada estado y teniendo el flujo
másico, procedemos a reemplazar en las fórmulas para demostrar la tasa de
eliminación de calor del espacio refrigerado(QL), la entrada de potencia al
compresor(WL) y la tasa de rechazo de calor del refrigerante al ambiente(QH).
 Por último, hallamos el Coeficiente de desempeño del refrigerador (COP R)
reemplazando el QH Y QL en la fórmula obteniendo 3.2863.
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TERMODINÁMICA
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
 Acorde a los resultados obtenidos, comprobamos que los cálculos teóricos de la
tasa de eliminación de calor(QL) y la tasa de rechazo de calor(QH) se aproximan
demasiado a los resultados obtenidos de la tesis mediante el software ESS.
 De acuerdo con los resultados obtenidos en el Ciclo de Refrigeración de la
fabricación de hielo que planteamos se obtuvo un COP de 3.2863, Este
coeficiente significa que por cada vatio que se suministra al sistema se logra
extraer 3.2862 KJ de calor.
RECOMENDACIONES
 Se recomienda que cualquier artefacto que emplee el ciclo de refrigeración sea
ubicado a una distancia moderada de 15 cm de la pared o cualquier otra
superficie con el fin de que esta pueda eliminar el calor interior eficientemente.
 Se recomienda que se haga mantenimiento a cualquier dispositivo que use este
ciclo de refrigeración, esto con el fin de prolongar su vida útil a más de 15 años,
período usual del dispositivo.
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TERMODINÁMICA
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Lugo, R., Salazar, M., Ruíz, O., Zamora, J. y Torres, E. (2012). Análisis de costos
de operación de exergo económicos a un ciclo teórico de refrigeración por
compresión de vapor usando HFC-134ª. Revista Mexicana de Ingeniería
Química, Vol. 12 (No. 2), 361 – 370.
Mardones, C.C. (2016). Comparación entre los ciclos de refrigeración por
compresión de vapor y absorción mediante la primera y segunda ley de la
termodinámica en aplicaciones de climatización y refrigeración. (Tesis para
obtener el título profesional de Ingeniero Civil Mecánico). Universidad de Chile,
Santiago de Chile, Chile.
Tomás, A. T. (2010). Termodinámica, cuaderno de tablas y diagramas.
Universidad de Navarra, Navarra, España
García, I.P. (2010). Implementación de un sistema de supervisión, control y
simulación para el banco de refrigeración del AEIRNNR. (Tesis de grado previo a
la obtención del título de Ingeniero Electromecánico). Universidad Nacional de
Loja, Loja, Ecuador.
Valdés, C.M. y Rozas, C.B. (2014). Fabricación de hielo y análisis de ciclos de
refrigeración por compresión de vapor. (Seminario de título presentado en
conformidad a los requisitos para obtener el título de Ingeniero de Ejecución en
Mecánica). Universidad del Bío-Bío, Biobío, Chile.
Pardo, A.A. (2017). Estudio de un sistema de refrigeración por compresión de
vapor aplicado a la industria agroalimentaria. (Tesis para optar el título de
Ingeniero Mecánico - Eléctrico). Universidad de Piura, Piura, Perú.
Cengel, Y.A, Boles, M.A. y Mehmet, K. (2019). Introducción y Conceptos básicos.
En G. Domínguez Chávez (Ed.), México: Termodinámica (9 ed.). McGraw-Hill /
Interamericana Editores, S.A. de C.V
Van Wylen,G; Sonntag, R (1996).Fundamentos de Termodinamica. Versión SI.
Ed John Willey.
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