Ciclo de refrigeración

CICLO DE REFRIGERACIÓN
1. Objetivos
1.1 Objetivo principal
Evaluar el funcionamiento de un equipo de refrigeración por compresión de vapor y
determinar su eficiencia, aplicando conceptos sobre un ciclo ideal termodinámico.
1.2
Objetivos específicos

Determinar el coeficiente de rendimiento frigorífico para el ciclo de refrigeración.

Calcular el flujo másico del refrigerante empleado en el ciclo.

Representar el ciclo de refrigeración mediante un gráfico y, además, determinar
las propiedades de cada uno de las etapas del ciclo.
2. Marco teórico
Ciclo termodinámico: es el conjunto de las transformaciones termodinámicas de un
fluido, en un sistema que retorna a las condiciones iniciales después de haber realizado
un trabajo.
Generalmente, el estudio de los ciclos termodinámicos se lleva a cabo suponiendo que
se trata de un fluido perfecto, que funciona en una máquina igualmente perfecta, es
decir, suponiendo que el ciclo está constituido por una serie de transformaciones
termodinámicas ideales, como las transformaciones adiabáticas (sin intercambio de
calor con el exterior), isobáricas (a presión constante), las isocoras (a volumen
constante) e isotérmicas (a temperatura constante). (Balzhiser, Samuels, & Eliassen ,
1974)
Actualmente existen 4 tipos de ciclos termodinámicos: ciclo de Carnot, ciclo Rankine,
ciclo diésel y ciclo Stirling.
Ciclo de Carnot: es un ciclo termodinámico que se produce en un equipo o máquina
cuando trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q₁ de una fuente de mayor
temperatura y cediendo un calor Q₂ a la de menor temperatura produciendo un trabajo
sobre el exterior. (Martín Blass & Serrano Fernández , 2014)
Máquina térmica: también llamado motor térmico; es cualquier sistema que convierte
la energía térmica o el calor en trabajo mecánico. (Connor , 2019)
Eficiencia térmica: es la relación entre el trabajo que realiza una máquina térmica y el
calor que ingresa a esta misma, a temperatura elevada. (Connor , 2019)
Máquina de Carnot: es una máquina ideal que utiliza calor para realizar un trabajo. En
ella hay un gas sobre el que se ejerce un proceso cíclico de expansión y contracción
entre dos temperaturas. Una máquina de Carnot es el procedimiento más eficaz para
producir un trabajo a partir de dos focos de temperatura.
Puede construirse a partir de un cilindro sobre el que discurre un pistón unido a una
biela que convierte el movimiento lineal del pistón en movimiento circular. El cilindro
contiene una cierta cantidad de un gas ideal y la máquina funciona intercambiando calor
entre dos fuentes de temperaturas constantes T1 < T2. Las transferencias de calor entre
las fuentes y el gas se hace isotérmicamente, es decir, manteniendo la temperatura
constante. Esta parte del proceso es, por lo tanto, reversible. El ciclo se completa con
una expansión y una compresión adiabáticas, es decir, sin intercambio de calor, por lo
que esta parte del ciclo es también reversible. (Burghardt, 1984)
Proceso reversible: cualquier proceso en el cual la dirección pueda invertirse en
cualquier punto mediante un cambio en las condiciones externas. (Balzhiser, Samuels,
& Eliassen , 1974)
Refrigerador: es un dispositivo cuyo objetivo es extraer calor de un cuerpo a una cierta
temperatura y cederlo a otro que se encuentra a una temperatura superior. Para ello
utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire u otras sustancias) que realiza
una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que pueda
funcionar de forma continua, como sucede con las máquinas térmicas. (Martín Blass &
Serrano Fernández , 2014)
Ciclo de refrigeración por compresión de vapor: consiste en forzar mecánicamente
la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado dividido en dos zonas: de alta y
baja presión, con el propósito de que el fluido absorba calor del ambiente, en el
evaporador en la zona de baja presión y lo ceda en la de alta presión, en el condensador .
Consta de cuatro procesos principales: compresión, condensación, expansión y
evaporación.
Compresor: este componente se encarga de bombear el fluido que trasiega sobre todo
el sistema para conseguir moverlo en los demás componentes. El compresor comprime
el fluido refrigerante desde una fase vapor y lo entrega como vapor sobrecalentado a su
salida. La entrada y la salida de este equipo se conocen en el ciclo como succión y
descarga. (Cabrera Cifuentes & Muñoz Muñoz , 2008)
La potencia del compresor se calcula mediante la ecuación:
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 = ℎ2 − ℎ1
Condensador: en este componente, el refrigerante proveniente del compresor, baja su
temperatura y mantiene su presión. A la salida del condensador, el refrigerante cambia
su estado termodinámico de vapor sobrecalentado a líquido saturado. (Cabrera
Cifuentes & Muñoz Muñoz , 2008)
El calor en este componente responde a la siguiente ecuación:
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 = ℎ2 − ℎ3
Válvula de expansión: es la encargada de regular el flujo de refrigerante. Su función
es bajar la presión del fluido de trabajo y con ello su temperatura. Una vez que el
refrigerante sale del condensador como líquido saturado, éste ingresa al dispositivo de
expansión para convertirlo en mezcla líquido-vapor con una calidad específica. (Cabrera
Cifuentes & Muñoz Muñoz , 2008)
Evaporador: se encarga de evaporar el refrigerante proveniente de la válvula de
expansión. La finalidad de esta evaporación es entregar al compresor fluido 100% en
forma de gas, por lo que es muy importante que el evaporador haga su función, o de lo
contrario, el compresor presentará problemas de funcionamiento. (Cabrera Cifuentes &
Muñoz Muñoz , 2008)
El calor en este componente se calcula de la siguiente manera:
𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝 = ℎ1 − ℎ4
Rendimiento frigorífico:
es el cociente entre la potencia frigorífica (Q), entre la
potencia del compresor (W comp):𝛽 =
𝑄𝐿
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝
3. Equipos, materiales e insumos
3.1 Equipos y materiales
Ítem
Denominación
Cantidad
Unidad
1
Equipo enfriador de agua
1
pza
2
Manómetros (P y T)
1
pza
3
Tablas termodinámicas
1
pza
Nota: el compresor, el condensador, la válvula de expansión y el evaporador ya se
encuentran englobados en el “Equipo enfriador de agua”.
3.2 Insumos
 Refrigerante R-134a.
4. Procedimiento

Primeramente, se repasó de forma breve la teoría necesaria para poder realizar la
práctica.

Luego, se procedió a ingresar al cuarto de equipos para poder comenzar a tomar los
datos requeridos.

Se ubicó cada uno de los componentes del ciclo de refrigeración y los respectivos
manómetros para poder registrar las propiedades de todos los estados.

Se puso el sistema en funcionamiento y se registró tanto la temperatura como la
presión para el estado 1 (entrada del refrigerante al compresor).

De igual forma, se registró la temperatura y la presión para el estado 3 (salida del
refrigerante del condensador).

Con todos los datos recopilados, se procedió a realizar los cálculos y gráficos
respectivos.
5. Medición, cálculos y resultados
5.1 Datos
La sustancia con la que se trabajó fue el refrigerante R-134a
Estado 1 (vapor saturado):
Presión [psi o Lb/pulg2]
Temperatura [ºF]
x (calidad)
19
20
1
Presión [psi o Lb/pulg2]
Temperatura [ºF]
x (calidad)
120
101
0
Estado 3 (líquido saturado):
5.2 Cálculos
𝑄̇ = 0,5 𝐻𝑃 ∗
0,7457 𝑘𝑊
= 0,3729 𝑘𝑊
1 𝐻𝑃
𝑄̇ = 0,3729 𝑘𝐽/𝑠
Estado 1 (vapor saturado):
𝑃 = 19 𝑝𝑠𝑖 ∗
𝑇=
6,8948 𝑘𝑃𝑎
= 131,001 𝑘𝑃𝑎
1 𝑝𝑠𝑖
20 − 32
= −6,67º𝐶
1,8
Se realizó una interpolación con los siguientes datos:
P = 120 kPa
P = 140 kPa
vg = 0,16212 m3/Kg
vg = 0,14014 m3/Kg
𝑚3
(120 − 140)𝑘𝑃𝑎
Kg
=
𝑚3
(130,001 − 140)𝑘𝑃𝑎
(𝑣𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,14014)
Kg
(0,16212 − 0,14014)
𝑚3
Kg
=2
𝑚3
(𝑣𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,14014)
Kg
(0,16212 − 0,14014)
𝑚3
𝑚3
0,02198
= 2𝑣𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,28028
Kg
Kg
(0,02198 + 0,28028)
𝑣𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) =
𝑚3
Kg
2
= 0,15113
𝑚3
Kg
De igual forma se calculó la entalpía específica
P = 120 kPa
hg = 236,97 kJ/Kg
P = 140 kPa
hg = 239,16 kJ/Kg
kJ
(236,97 − 239,16)
(120 − 140)𝑘𝑃𝑎
Kg
=
kJ
(130,001 − 140)𝑘𝑃𝑎 (ℎ
𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 239,16) Kg
(236,97 − 239,16)
kJ
Kg
(ℎ𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 239,16)
kJ
Kg
=2
− 2,19
kJ
kJ
= 2ℎ𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 478,32
Kg
Kg
( −2,912 + 478,32)
ℎ𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) =
2
kJ
Kg
= 238,065
kJ
Kg
Finalmente se calculó la entropía específica con otra interpolación
P = 120 kPa
sg = 0,94779 kJ/Kg*K
P = 140 kPa
sg = 0,94456 kJ/Kg*K
kJ
(0,94779 − 0,94456)
(120 − 140)𝑘𝑃𝑎
Kg ∗ K
=
kJ
(130,001 − 140)𝑘𝑃𝑎 (𝑠
𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,94456) Kg ∗ K
kJ
Kg ∗ K
=2
kJ
(𝑠𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,94456)
Kg ∗ K
(0,94779 − 0,94456)
0,00323
( 0,00323 + 1,889)
𝑠𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) =
2
kJ
kJ
= 2𝑠𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 1,889
Kg ∗ K
Kg ∗ K
kJ
Kg ∗ K
= 0,946
Estado 3 (líquido saturado):
𝑃 = 120 𝑝𝑠𝑖 ∗
6,8948 𝑘𝑃𝑎
= 827,376 𝑘𝑃𝑎
1 𝑝𝑠𝑖
kJ
Kg ∗ K
𝑇=
101 − 32
= 38,33º𝐶
1,8
Se realizó una interpolación con los siguientes datos:
vg = 0,0008458 m3/Kg
P = 800 kPa
P = 850 kPa
vg = 0,0008520 m3/Kg
𝑚3
(0,0008458 − 0,000852)
(800 − 850)𝑘𝑃𝑎
Kg
=
𝑚3
(827,376 − 850)𝑘𝑃𝑎
(𝑣𝑔(827,376𝑘𝑃𝑎) − 0,000852)
Kg
𝑚3
Kg
= 2,21
𝑚3
(𝑣𝑔(827,376𝑘𝑃𝑎) − 0,000852)
Kg
(0,0008458 − 0,000852)
− 6,2 ∗ 10−6
𝑚3
𝑚3
= 2,21𝑣𝑔(827,376𝑘𝑃𝑎) − 0,001883
Kg
Kg
(−6,2 ∗ 10−6 + 0,001883)
𝑣𝑔(827,376𝑘𝑃𝑎) =
𝑚3
Kg
2,21
= 0,0008492
𝑚3
Kg
De igual forma se calculó la entalpía específica
P = 800 kPa
hg = 95,47 kJ/Kg
P = 850 kPa
hg = 98,6 kJ/Kg
kJ
(95,47 − 98,6)
(800 − 850)𝑘𝑃𝑎
Kg
=
kJ
(827,376 − 850)𝑘𝑃𝑎 (ℎ
𝑔(827,376𝑘𝑃𝑎) − 98,6) Kg
(95,47 − 98,6)
kJ
Kg
kJ
(ℎ𝑔(827,376𝑘𝑃𝑎) − 98,6)
Kg
= 2,21
− 3,13
kJ
kJ
= 2,21ℎ𝑔(827,376𝑘𝑃𝑎) − 217,906
Kg
Kg
( −3,13 + 217,906)
ℎ𝑔(827,376𝑘𝑃𝑎) =
2,21
kJ
Kg
= 97,184
Finalmente se calculó la entropía específica con otra interpolación
P = 800 kPa
sg = 0,35404 kJ/Kg*K
P = 850 kPa
sg = 0,36413 kJ/Kg*K
kJ
Kg
kJ
(0,35404 − 0,36413)
(800 − 850)𝑘𝑃𝑎
Kg ∗ K
=
kJ
(827,376 − 850)𝑘𝑃𝑎 (𝑠
𝑔(827,376𝑘𝑃𝑎) − 0,36413) Kg ∗ K
kJ
Kg ∗ K
= 2,21
kJ
(𝑠𝑔(827,376𝑘𝑃𝑎) − 0,36413)
Kg ∗ K
(0,35404 − 0,36413)
− 0,0101
kJ
kJ
= 2, 21𝑠𝑔(827,376𝑘𝑃𝑎) − 0,805
Kg ∗ K
Kg ∗ K
( −0,0101 + 0,805)
𝑠𝑔(827,376𝑘𝑃𝑎) =
kJ
Kg ∗ K
2,21
= 0,3597
kJ
Kg ∗ K
Estado 2 (vapor sobrecalentado):
s2 = s1
s2 = 0,946 kJ/Kg*K
P2 = P3
P2 = 827,376 kPa
Con esos datos se calculó la temperatura por interpolación: 39,26 ºC
De igual forma se calculó la entalpía específica
P = 800 kPa
h = 267,29 kJ/Kg
P = 900 kPa
h = 269,26 kJ/Kg
kJ
(267,29 − 269,26)
(800 − 900)𝑘𝑃𝑎
Kg
=
kJ
(827,376 − 900)𝑘𝑃𝑎 (ℎ
(827,376𝑘𝑃𝑎) − 269,26) Kg
(267,29 − 269,26)
kJ
Kg
kJ
(ℎ(827,376𝑘𝑃𝑎) − 269,26)
Kg
= 1,377
− 1,97
kJ
kJ
= 1,377ℎ(827,376𝑘𝑃𝑎) − 370,771
Kg
Kg
( −1,97 + 370,771)
ℎ(827,376𝑘𝑃𝑎) =
1,377
kJ
Kg
= 267,829
Finalmente se calculó la entropía específica con otra interpolación
P = 800 kPa
v = 0,025621 m3/Kg
P = 900 kPa
v = 0,022683 m3/Kg
kJ
Kg
𝑚3
(800 − 900)𝑘𝑃𝑎
Kg
=
𝑚3
(827,376 − 900)𝑘𝑃𝑎
(𝑣(827,376𝑘𝑃𝑎) − 0,022683)
Kg
(0,025621 − 0,022683)
𝑚3
𝑚3
𝑚3
Kg
=
1,377
0,00258
=
1,
377𝑣
−
0,0312
(827,376𝑘𝑃𝑎)
𝑚3
Kg
Kg
(𝑣(827,376𝑘𝑃𝑎) − 0,022683)
Kg
(0,025621 − 0,022683)
(0,00258 + 0,0312)
𝑣(827,376𝑘𝑃𝑎) =
𝑚3
Kg
1,377
= 0,0245
𝑚3
Kg
Estado 4 (mezcla saturada):
h3 = h4
h4 = 97,184 kJ/Kg
T4 = T1
T4 = -6,67ºC
P4 = P1
P4 = 131,001 kPa
Se realizó una interpolación con los siguientes datos para poder conocer la calidad:
P = 120 kPa
hg = 236,97 kJ/Kg
P = 140 kPa
hg = 239,16 kJ/Kg
kJ
(236,97 − 239,16)
(120 − 140)𝑘𝑃𝑎
Kg
=
kJ
(130,001 − 140)𝑘𝑃𝑎 (ℎ
𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 239,16) Kg
(236,97 − 239,16)
kJ
Kg
(ℎ𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 239,16)
kJ
Kg
=2
− 2,19
kJ
kJ
= 2ℎ𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 478,32
Kg
Kg
( −2,912 + 478,32)
ℎ𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) =
P = 120 kPa
hf = 22,49 kJ/Kg
P = 140 kPa
hf = 27,08 kJ/Kg
2
kJ
Kg
= 238,065
kJ
Kg
kJ
(22,49 − 27,08)
(120 − 140)𝑘𝑃𝑎
Kg
=
kJ
(130,001 − 140)𝑘𝑃𝑎 (ℎ
𝑓(130,001𝑘𝑃𝑎) − 27,08) Kg
(22,49 − 27,08)
kJ
Kg
(ℎ𝑓(130,001𝑘𝑃𝑎) − 27,08)
kJ
Kg
=2
− 4,59
kJ
kJ
= 2ℎ𝑓(130,001𝑘𝑃𝑎) − 54,16
Kg
Kg
( −4,59 + 54,16)
ℎ𝑓(130,001𝑘𝑃𝑎) =
kJ
Kg
2
= 24,785
kJ
Kg
kJ
Kg
𝑥=
= 0,34
kJ
(238,065 − 24,785)
Kg
(97,184 − 24,785)
Conociendo la calidad, se calculó el volumen específico
P = 120 kPa
P = 140 kPa
vg = 0,16212 m3/Kg
vg = 0,14014 m3/Kg
𝑚3
(120 − 140)𝑘𝑃𝑎
Kg
=
𝑚3
(130,001 − 140)𝑘𝑃𝑎
(𝑣𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,14014)
Kg
(0,16212 − 0,14014)
𝑚3
Kg
=2
𝑚3
(𝑣𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,14014)
Kg
(0,16212 − 0,14014)
0,02198
𝑚3
𝑚3
= 2𝑣𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,28028
Kg
Kg
(0,02198 + 0,28028)
𝑣𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) =
2
P = 120 kPa
vf = 0,0007324 m3/Kg
P = 140 kPa
vf = 0,0007383 m3/Kg
𝑚3
Kg
= 0,15113
𝑚3
Kg
𝑚3
(120 − 140)𝑘𝑃𝑎
Kg
=
𝑚3
(130,001 − 140)𝑘𝑃𝑎
(𝑣𝑓(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,0007383)
Kg
(0,0007324 − 0,0007383)
𝑚3
Kg
=2
𝑚3
(𝑣𝑓(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,0007383)
Kg
(0,0007324 − 0,0007383)
− 5,9 ∗ 10−6
𝑚3
𝑚3
= 2𝑣𝑓(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,00148
Kg
Kg
(−5,9 ∗ 10−6 + 0,00148)
𝑣𝑓(130,001𝑘𝑃𝑎) =
𝑚3
Kg
2
𝑣 = (0,000737 + 0,34 ∗ 0,15113)
= 0,000737
𝑚3
Kg
𝑚3
𝑚3
= 0,0521
Kg
Kg
Finalmente se calculó la entropía específica con otra interpolación
P = 120 kPa
sg = 0,94779 kJ/Kg*K
P = 140 kPa
sg = 0,94456 kJ/Kg*K
kJ
(0,94779 − 0,94456)
(120 − 140)𝑘𝑃𝑎
Kg ∗ K
=
kJ
(130,001 − 140)𝑘𝑃𝑎 (𝑠
𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,94456) Kg ∗ K
kJ
Kg ∗ K
=2
kJ
(𝑠𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,94456)
Kg ∗ K
(0,94779 − 0,94456)
( 0,00323 + 1,889)
𝑠𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) =
P = 120 kPa
sf = 0,09275 kJ/Kg*K
P = 140 kPa
sf = 0,11087 kJ/Kg*K
kJ
kJ
= 2𝑠𝑔(130,001𝑘𝑃𝑎) − 1,889
Kg ∗ K
Kg ∗ K
0,00323
kJ
Kg ∗ K
2
= 0,946
kJ
Kg ∗ K
kJ
(0,09275 − 0,11087)
(120 − 140)𝑘𝑃𝑎
Kg ∗ K
=
kJ
(130,001 − 140)𝑘𝑃𝑎 (𝑠
𝑓(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,11087) Kg ∗ K
kJ
Kg ∗ K
=2
kJ
(𝑠𝑓(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,11087)
Kg ∗ K
(0,09275 − 0,11087)
− 0,01812
kJ
kJ
= 2𝑠𝑓(130,001𝑘𝑃𝑎) − 0,2217
Kg ∗ K
Kg ∗ K
(−0,01812 + 0,2217)
𝑠𝑓(130,001𝑘𝑃𝑎) =
kJ
Kg ∗ K
2
𝑠 = (0,1018 + 0,34 ∗ 0,946)
= 0,1018
kJ
Kg ∗ K
kJ
kJ
= 0,4234
Kg ∗ K
Kg ∗ K
Eficiencia y coeficiente de rendimiento del ciclo de refrigeración:
Para calcular el rendimiento del ciclo de refrigeración se usó la fórmula mencionada en el “marco
teórico”:
𝛽=
𝑄
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝
La anterior fórmula se puede reescribir de la siguiente manera:
𝐶𝑂𝑃𝑅 =
𝐶𝑂𝑃𝑅 =
𝑄𝐿
(ℎ1 − ℎ4 )
=
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 (ℎ2 − ℎ1 )
(238,065 − 97,184)𝑘𝐽/𝐾𝑔
(267,829 − 238,065)𝑘𝐽/𝐾𝑔
𝐶𝑂𝑃𝑅 = 4,73
La eficiencia se calculó con la siguiente ecuación:
𝜂=
𝜂=
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 (ℎ2 − ℎ1 )
=
𝑄𝐻
(ℎ2 − ℎ3 )
(267,829 − 238,065)𝑘𝐽/𝐾𝑔
(267,829 − 97,184)𝑘𝐽/𝐾𝑔
𝜂 = 0,18
Para calcular el flujo másico:
𝑄̇𝐻 = 𝑚̇ ∗ Δℎ
𝑚̇ =
𝑄̇𝐻
Δℎ
𝑚̇ =
𝑘𝐽
𝑠
𝑚̇ =
(238,065 − 97,184)𝑘𝐽/𝐾𝑔
0,3729
𝑚̇ = 0,00265
𝐾𝑔
𝑠
𝑄̇𝐻
ℎ1 − ℎ4
5.3 Resultados
Estado 1 (vapor saturado):
Presión
[kPa]
Temperatura
[ºC]
Volumen
3
específico [m /Kg]
Entalpía
x
Entropía
específica
(calidad)
específica
[kJ/Kg]
131,001
-6,67
0,15113
[kJ/Kg*K]
238,065
1
0,946
Estado 2 (vapor sobrecalentado):
Presión
Temperatura
Volumen
Entalpía
x
Entropía
[kPa]
[ºC]
específico [m3/Kg]
específica
(calidad)
específica
[kJ/Kg]
827,376
39,26
[kJ/Kg*K]
0,0245
267,829
no hay
0,946
Estado 3 (liquido saturado):
Presión
Temperatura
Volumen
Entalpía
x
Entropía
[kPa]
[ºC]
específico [m3/Kg]
específica
(calidad)
específica
[kJ/Kg]
827,376
38,33
[kJ/Kg*K]
0,0008492
97,184
0
0,3597
Estado 4 (mezcla saturada):
Presión
Temperatura
Volumen
Entalpía
x
Entropía
[kPa]
[ºC]
específico [m3/Kg]
específica
(calidad)
específica
[kJ/Kg]
131,001
-6,67
0,0521
Eficiencia del ciclo: 0,18 o 18%
Coeficiente de rendimiento frigorífico (COPR): 4,73
Flujo másico del refrigerante R-134a: 0,00265 Kg/s
97,184
[kJ/Kg*K]
0,34
0,4234
6. Observaciones

Al momento de registrar los datos de los manómetros, se tomaron los datos
correspondientes al refrigerante R-502, ya que este es el equivalente al refrigerante
R-134a.

Solamente se registraron las propiedades de los estados 1 y 3 ya que las de los
estados restantes se determinaron mediante el uso de tablas termodinámicas.
7. Conclusiones

Aplicando conceptos sobre las leyes de la termodinámica y los ciclos ideales, además
de usar tablas termodinámicas, se logró cuantificar no solo la eficiencia del ciclo de
refrigeración, sino también las propiedades en cada una de sus etapas.

El coeficiente de rendimiento frigorífico (COPR) del ciclo resultó 4,73, mientras que
su eficiencia fue relativamente baja (0,18).

El refrigerante R-134a fluyó a través del equipo de refrigeración a razón de 0,00265
Kg/s.

La eficiencia térmica del proceso estudiado durante la práctica resultó mucho mayor
durante la primera corrida (0,66), mientras que en la segunda corrida fue solamente
(0,25).
8. Cuestionario
 Investigue sobre el ciclo de refrigeración por compresión de vapor.
Un ciclo de refrigeración por compresión de vapor es un proceso termodinámico que se utiliza
comúnmente en sistemas de refrigeración y aire acondicionado para eliminar el calor de un
espacio y mantenerlo a una temperatura más baja. El ciclo se basa en la capacidad de ciertos
refrigerantes para cambiar de estado entre vapor y líquido a temperaturas y presiones
específicas, lo que les permite absorber calor en una zona y liberarlo en otra.
El ciclo de refrigeración por compresión de vapor se compone de varios componentes clave y
consta de cuatro etapas principales:
1. Compresión: En esta etapa, el refrigerante en estado gaseoso es succionado por un
compresor. El compresor aumenta la presión y la temperatura del refrigerante, transformándolo
en un gas caliente y altamente comprimido.
2. Condensación: El refrigerante comprimido y caliente se dirige al condensador, donde se enfría
mediante la transferencia de calor a un medio externo (generalmente aire o agua). Esto provoca
la condensación del refrigerante, cambiándolo de estado gaseoso a líquido a presión constante.
3. Expansión: El refrigerante líquido a alta presión y temperatura se envía a través de una válvula
de expansión o una válvula de estrangulación. Al pasar por esta válvula, el refrigerante
experimenta una caída repentina de presión y temperatura, lo que lo convierte en una mezcla de
líquido y vapor de baja temperatura y presión.
4. Evaporación: El refrigerante de baja presión y baja temperatura entra en el evaporador, donde
absorbe calor del entorno que se desea enfriar (por ejemplo, un espacio interior o una cámara
frigorífica). Durante este proceso, el refrigerante se evapora, convirtiéndose en vapor
nuevamente.
El ciclo se repite continuamente, con el refrigerante circulando a través de estas etapas para
mantener la temperatura deseada en el espacio a enfriar. El calor absorbido en el evaporador es
liberado en el condensador, y el proceso se mantiene mediante la acción del compresor.
El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es eficiente y ampliamente utilizado en
aplicaciones de refrigeración y aire acondicionado, ya que permite la transferencia de calor desde
el área a enfriar hacia el exterior, manteniendo así temperaturas más bajas en el interior. Además,
es un ciclo versátil que puede adaptarse a diferentes aplicaciones y condiciones de operación.
 Dibuje un esquemático del ciclo teórico de refrigeración y explique el mismo.
 En el estado 1, el refrigerante ingresa al compresor como vapor saturado, ahí aumenta
su presión y temperatura y sale como vapor sobrecalentado.
 En el estado 2, el vapor sobrecalentado ingresa al condensador; este último se
encarga de expulsar calor y por lo tanto enfriar el vapor hasta que este se convierta
en liquido saturado.
 El refrigerante ingresa como líquido comprimido a la válvula de expansión durante la
fase 3 donde baja tanto su temperatura como su presión.
 Durante la fase 4, el refrigerante ya se encuentra como mezcla saturada e ingresa al
evaporador; este absorbe calor del entorno y el refrigerante sale nuevamente como
vapor saturado para reiniciar el ciclo.
 Realice una tabla con los siguientes datos, presión, temperatura, entalpia específica,
volumen específico, para cada punto del ciclo de refrigeración teórico.
Estado 1 (vapor saturado):
Presión
Temperatura
Volumen
Entalpía
x
Entropía
[kPa]
[ºC]
específico [m3/Kg]
específica
(calidad)
específica
[kJ/Kg]
131,001
-6,67
0,15113
[kJ/Kg*K]
238,065
1
0,946
Estado 2 (vapor sobrecalentado):
Presión
Temperatura
Volumen
Entalpía
x
Entropía
[kPa]
[ºC]
específico [m3/Kg]
específica
(calidad)
específica
[kJ/Kg]
827,376
39,26
[kJ/Kg*K]
0,0245
267,829
no hay
0,946
Estado 3 (liquido saturado):
Presión
Temperatura
Volumen
Entalpía
x
Entropía
[kPa]
[ºC]
específico [m3/Kg]
específica
(calidad)
específica
[kJ/Kg]
827,376
38,33
[kJ/Kg*K]
0,0008492
97,184
0
0,3597
Estado 4 (mezcla saturada):
Presión
Temperatura
Volumen
Entalpía
x
Entropía
[kPa]
[ºC]
específico [m3/Kg]
específica
(calidad)
específica
[kJ/Kg]
131,001
-6,67
0,0521
97,184
[kJ/Kg*K]
0,34
0,4234
 Grafique el ciclo termodinámico
Temperatura vs entropía
50
Temperatura (ºC)
40
30
20
10
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
-10
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Entropía (kJ/K)
 Calcule el coeficiente de rendimiento frigorífico y el flujo másico de refrigerante
Coeficiente de rendimiento frigorífico:
𝐶𝑂𝑃𝑅 =
𝐶𝑂𝑃𝑅 =
𝑄𝐿
(ℎ1 − ℎ4 )
=
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 (ℎ2 − ℎ1 )
(238,065 − 97,184)𝑘𝐽/𝐾𝑔
(267,829 − 238,065)𝑘𝐽/𝐾𝑔
𝐶𝑂𝑃𝑅 = 4,73
Para calcular el flujo másico:
𝑄̇𝐻 = 𝑚̇ ∗ Δℎ
𝑚̇ =
𝑄̇𝐻
Δℎ
𝑚̇ =
𝑘𝐽
𝑠
𝑚̇ =
(238,065 − 97,184)𝑘𝐽/𝐾𝑔
0,3729
𝑚̇ = 0,00265
𝐾𝑔
𝑠
𝑄̇𝐻
ℎ1 − ℎ4
Bibliografía
Balzhiser, R., Samuels, M., & Eliassen , J. (1974). Termodinamica quimica para ingenieros. Prentice Hall.
Burghardt, M. (1984). Ingeniería Termodinámica. México D.F: HARLA.
Cabrera Cifuentes, G., & Muñoz Muñoz , D. (2008). Aspectos básicos de refrigeración para la industria.
México D.F: Reverté.
Connor , N. (2019). ¿Qué es la eficiencia térmica? Thermal Engineering.
Martín Blass, T., & Serrano Fernández , A. (2014). Termodinámica. Madrid: Universidad Politécnica de
Madrid.
Anexos