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Carrera de Ingeniería Industrial

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Rúbrica de la Competencia Específica 6 (ABET Student Outcome 6)

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Termodinámica Aplicada – Evaluación Laboratorio

Participante (s):

Castañeda De La Cruz, Sair Alexander Castañeda Huamaní, Fiorella Chavez Acosta, Martha Gutiérrez Ayala, Juan Agustín

Outcome

Aspectos a Evaluar

Comprende el proceso ABET SO 6.1 termodinámico, recoge datos y Desarrollo de experimentos. los organiza para obtener resultados.

Analiza los resultados, ABET SO 6.2 interpreta, describe Analiza, interpreta datos y evidencias y obtiene concluye sobre los resultados conclusiones. del experimento.

LAB. N° 4: Ciclo de Refrigeración

Sección: IV52

Fecha: 19/10/2020

Grupo:

Puntos Posibles Sobresaliente Esperado Mayor a 16 Entre 13 y 16 Ejecuta experimentos con los Ejecuta experimentos. procedimientos y métodos establecidos.

(8.10 - 10.00) Analiza los datos generados en relación con la solución de problemas y emite conclusiones.

(8.10 - 10.00)

(6.50 - 8.00) Analiza los datos generados y emite un informe.

(6.50 - 8.00)

Necesita mejora Menor a 13 No reconoce la necesidad de ejecutar experimentos.

(0.00 - 6.40) No reconoce la importancia de los datos generados del experimento.

(0.00 - 6.40)

-

Instrumento/Lab

UPC UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS Carrera de Ingeniería Industrial TERMODINÁMICA APLICADA

Laboratorio N°4: CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN OBJETIVOS: Al finalizar la parte experimental y la entrega del informe, el alumno será capaz de: • Describir un ciclo de refrigeración por compresión de vapor identificando sus componentes. • Calcular e Interpretar la velocidad de enfriamiento del ciclo de refrigeración • Determinar e interpretar el coeficiente de rendimiento del ciclo de refrigeración FUNDAMENTO TEÓRICO: El esquema mostrado contiene las etapas de un ciclo de refrigeración por compresión. Este ciclo de refrigeración es el que más se utiliza en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire, frigoríficos. En un ciclo de refrigeración por compresión hay dos ramas: una de alta presión (descarga del compresor, condensador, entrada a la válvula) y una de baja presión (salida de la válvula, evaporador, ingreso al compresor). ➢ En el evaporador, el fluido refrigerante recibe calor del cuerpo que se quiere enfriar y, por absorción del calor, cambia del estado líquido al estado de vapor ligeramente sobrecalentado. ➢ En este estado (vapor ligeramente sobrecalentado) el fluido refrigerante sale del evaporador y es succionado por el compresor que aumenta su presión, lo sobrecalienta más y lo envía al condensador. ➢ Aquí, primero el refrigerante se enfría gradualmente y luego se condensa, es decir, vuelve al estado líquido, gracias a la función de enfriamiento del agua o del aire que circulan en el condensador. ➢ Dado que en el condensador el fluido refrigerante comprimido está sometido a una presión mayor que la que se encuentra en el evaporador, para enviar el líquido al evaporador se necesita de un dispositivo que reduzca la presión del líquido desde el valor que tiene en el condensador hasta el valor que tendrá en el evaporador. Este dispositivo es la válvula de estrangulamiento o expansión. En ella, el líquido es forzado a pasar a través de un orificio muy pequeño. Para superar este obstáculo el líquido necesita de energía que es tomada del fluido mismo. En esta válvula el fluido se enfría y reduce su presión. Desde este punto, el fluido en estado líquido-vapor frío pasa a través del evaporador, iniciándose nuevamente el ciclo

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Lectura de las entalpías (kJ/kg) Se puede utilizar la tabla de propiedades termodinámicas para el Refrigerante 134aa, pero también un diagrama semilogarítmico P-h para este refrigerante, como se describe. La representación del ciclo en el diagrama P-h del fluido refrigerante R134a, se realiza después de haber leído en los instrumentos de la instalación los valores de presión dentro de los cuales el ciclo se desarrolla, las temperaturas del refrigerante en las líneas de succión (T1) y la temperatura que el fluido refrigerante tiene antes de atravesar la válvula de expansión (T3). Con estos datos, se construye el ciclo frigorífico de la manera siguiente: a) Se trazan las rectas P1 = constante y P2 = constante. b) Desde el punto 1, que corresponde a la intersección entre las rectas P 1 y T1, se traza la paralela a las líneas isentrópicas (s1 = s2), hasta cruzar la recta P2 en el punto 2. c) Interceptando la recta P2 con T3 se define el punto 3, y desde este punto se traza la vertical hasta cruzar la recta P1 en el punto 4. Los cuatro componentes asociados con el ciclo de refrigeración por compresión de vapor son dispositivos de flujo estacionario (sistemas abiertos), por lo que los cuatro procesos que integran el ciclo pueden analizarse como tales procesos. Los cambios en la energía cinética y potencial del refrigerante suelen ser pequeños en relación con los términos de trabajo y transferencia de calor y por lo tanto, pueden ignorarse. El condensador y el evaporador no implican ningún trabajo y el compresor puede calcularse como adiabático. • Capacidad de enfriamiento: • Trabajo requerido: • Calor expulsado:

Evaporador Compresor Condensador

qentrada = qL = (h5 – h4) wentrada = wcompresor = (h2 – h1) qsalida = qH = (h2 – h3)

kJ/kg kJ/kg kJ/kg

Nótese que la temperatura del punto 2 es diferente a la temperatura T2I registrada por el termómetro. Esto se debe al intercambio térmico en el interior del compresor. El segmento 4-5, leído en la escala de entalpía, representa el calor que el líquido absorbe del ambiente exterior. El segmento 5-1 representa el sobrecalentamiento del vapor mientras recorre el tramo entre la salida del evaporador y la entrada al compresor. El coeficiente de funcionamiento o rendimiento (COP) será:

𝐶𝑂𝑃 =

𝑞𝐿 𝑤𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟

Solo como referencia, la representación del ciclo de refrigeración descrito se puede representar en el diagrama T-s de la siguiente manera

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DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

D C

CONDENSADOR

EVAPORADOR

A - Lámpara piloto de presencia de tensión B - Botón de marcha 1 – Interruptor térmico diferencial 2 – Filtro deshidratador 3 – Indicador de flujo 4 – Medidor de caudal 5 – Presóstato de alta y baja presión 6 – Manómetros de alta y baja presión 7 – Condensador

a) b) c) d) e) f) g) h)

i)

C - Botón de emergencia. D - Vatímetro 8 – Acumulador 9 – Válvula de carga del refrigerante 10 – Compresor 11 – Válvula de expansión 12 – Evaporador 13 – Termómetro digital 14 – Manubrio

Antes de la puesta en marcha: Llenar el condensador con agua ; Llenar el evaporador con una mezcla de agua y de líquido anticongelante ( 1 anti /4 agua ) Abrir todos los grifos excepto el grifo by-pass de la válvula termostática. Conectar la planta a la red: 220Vac monofásica. Asegurarse que el botón de parada de emergencia no esté activado de lo contrario soltarlo Puesta en marcha Levantar la llave diferencial (1) Verifique que el presóstato de alta presión (5) no se haya activado, de lo contrario rearmarlo. Verificar que la alta presión y la baja presión sean equilibradas de lo contrario, abrir lentamente el grifo bypass de la válvula termostática hasta que las presiones se equilibren (controlar los valores de las presiones en los manómetros correspondientes), luego cerrar el grifo Oprimir el botón de marcha (B)

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DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO: j) Lea el caudal (más o menos estable) en el rotámetro. Para cambiar el caudal se debe manipular el manubrio debajo del filtro deshidratador (2) k) Tomar los datos de alta y baja presión (6) l) Leer las temperaturas de entrada y salida del compresor y entrada y salida de la válvula. Registrar los datos completando la ficha correctamente. Nota: Se deberá prestar atención a que la culata del motor del compresor no pique debido a la presencia de líquido en la línea de admisión o en la campana del compresor. Si esto ocurre, se deberá detener de inmediato el compresor y volver a ponerlo en marcha varias veces hasta que desaparezca el picado, de lo contrario, la culata del compresor podría dañarse. INFORME: Desarrolle el informe completando cada una de las partes que se indican. Debe mostrar sus cálculos. El orden, claridad de redacción y el empleo correcto de unidades es parte importante para obtener una buena calificación.

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REGISTRO DE DATOS Sección:

IV52

Integrantes: - Castañeda De La Cruz, Sair Alexander - Castañeda Huamaní, Fiorella - Chávez Acosta, Martha - Gutiérrez Ayala, Juan Agustín

1. DATOS EXPERIMENTALES:

(SO 6.1) – 3.0 p (incluye prueba oral máx. 2 puntos) CICLO DE REGRIGERACIÓN

Caudal de refrigerante (L/min)

Presión (MPa)

Temperatura (°C)

Alta

Baja

Entrada al compresor (T1)

Salida del compresor (T2I)

1.2

0.22

15.2

42.2

0.075

Salida del Entrada al condensador evaporador (T4I) (T3)

31.9

EVAPORADOR

-6.2

Salida del evaporador (T5I)

-2.1

CONDENSADOR

Temperatura inicial ( °C )

Temperatura de final ( °C )

Temperatura inicial ( °C )

Temperatura de final ( °C )

20.4

-3.7

21.6

44.6

Potencia eléctrica: 0.15 KW (Potencia del compresor) Cantidad de agua el tanque del condensador: 1.6 L Tiempo de funcionamiento: 16 min Fecha: 21/11/2020 Firma del profesor:

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DIAGRAMA SEMILOGARÍTMICO PARA EL ETILENGLICOL

2. HOJA DE RESULTADOS

(SO 6.1) – 7 p

a) Con los datos de presión y temperatura, considerando compresión isentrópica y proceso

isentálpico, encuentre en el diagrama correspondiente las entalpías del refrigerante. Escriba el estado del refrigerante en cada caso. (2 puntos) h1 = 425 kJ/ kg

(Vapor ligeramente sobrecalentado)

h2 = 450 kJ/kg

(𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜)

h3 = 248 kJ/ kg

(𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑖𝑑𝑜)

h4 = 248 kJ/kg

(Mezcla saturada)

h5 = 400 kJ/kg

( 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜 )

b) Calcule la capacidad de enfriamiento (capacidad frigorífica) en kJ/kg

𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑞𝐿 = (ℎ5 − ℎ4 ) = ( 400 − 248) = 152 kJ/kg c) Determine el trabajo del compresor en kJ/kg

𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 = (ℎ2 − ℎ1 ) = (450 − 425 ) = 25 kJ/kg d) Halle el coeficiente de funcionamiento

𝐶𝑂𝑃 =

152 kJ/kg 𝑞𝐿 = 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 25 kJ/kg

= 6.08

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e) Calcule el flujo de refrigerante Densidad (diagrama P-h) 𝑚𝑅 = 𝜌 × 𝑣 𝑚𝑅 = 1110

1𝑚3 𝑘𝑔 𝐿 𝑘𝑔 1𝑚𝑖𝑛 × × 0.075 = 0.001388 × 3 𝑚𝑖𝑛 1000𝐿 𝑠 𝑚 60𝑠

f) Calcule la potencia transmitida al refrigerante al pasar por el compresor 𝑊𝑐 = 𝑚𝑅 (ℎ2 − ℎ1 )

𝑊𝑐 = 0.001388 (450 − 425) = 0.0347 𝑘𝐽 /𝑠

g) Determine la eficiencia eléctrica del compresor 𝜂𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 =

0.0347 𝑊 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 × 100 % = 23.13 % × 100 % = 𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙 0.15

8...