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ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA, UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO

15 DE JULIO DE 2015, I SEMESTRE ACADÉMICO DE 2015

TRABAJO # 2: ANÁLISIS COMPARATIVO DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN CON MEJORA DE RENDIMIENTO QUE OPERAN A BAJA TEMPERATURA

Erika Julieth Pilonieta Marín2093372

Jose Gabriel Tortello Nieto2091977

INTRODUCCIÓN

En el ciclo de compresión simple, la compresión y la expansión se producen en un solo salto, (máquinas domésticas y un gran número de equipos de carácter industrial); en estas máquinas las presiones y temperaturas (de condensación y evaporación) no difieren excesivamente.

En el proceso de compresión de vapor se realizan modificaciones al ciclo de Carnot basados en las siguientes consideraciones:

En el proceso de compresión, el fluido de trabajo solo debe estar en la fase de vapor.

Para expansionar el refrigerante es recomendable utili-zar un dispositivo más económico y con cero manteni-mientos (válvula de estrangulamiento o tubo capilar).

La temperatura de condensación no debe limitarse a la zona de saturación.

Los Sistemas de Compresión Simple, elevan la presión del sistema mediante una sola carrera de compresión. Es el más común de los sistemas de refrigeración ampliamente utilizados en refrigeradores y equipos de aire acondicionado.

El presente trabajo tiene como finalidad realizar un análisis meticuloso de los diferentes sistemas de refrigeración por compresión de vapor teniendo en cuenta el desempeño, el gasto energético y su COP. Además se realizará el respectivo gráfico y código EES para cada sistema.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Realizar un análisis comparativo de la mejora del rendimiento de diferentes sistemas de refrigeración por compresión de vapor, para luego determinar cuál es el mejor para utilizar en términos operacionales, teniendo en cuenta el gasto energético, el desempeño y el coeficiente de rendimiento (COP).

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Comparar el desempeño de un sistema de refrigeración por compresión de vapor (SRCV) de una etapa, con un SRCV con Economizador de dos etapas.

Comparar el desempeño de un SRCV de una etapa, con un SRCV con ciclo de Burbujeo de dos etapas.

Comparar el desempeño de un SRCV de una etapa, con un SRCV con Intercambiador Externo Forzado de dos etapas.

Comparar el desempeño de un SRCV de una etapa, con un SRCV con Intercambiador Externo Termosifónico de dos etapas.

Comparar el desempeño de un SRCV de una etapa, con un SRCV con ciclo Cascada de CO2 y NH3 de dos etapas.

Comparar el desempeño de un SRCV de una etapa, con un SRCV con compresor Monotornillo con tanque de Burbu-jeo de una etapa.

Ilustrar los resultados de las comparaciones anteriores por medio de gráficos y tablas.

PROCEDIMIENTO

Los requerimientos del sistema son los siguientes: CAP=30 [ kW ]T ev=−40 [° C ]T cond=45 [° C ]Refrigerante=R22

Inicialmente el análisis se hace con un sistema de refrigeración por compresión de vapor de ciclo simple, el cual presenta una etapa de compresión.

Figura 1. Montaje de componentes para el ciclo simple de una etapa

1 Copyright © 2014 by ASME

Representando los estados del refrigerante en un diagrama P-h:

Gráfica 1. Diagrama P-h para el ciclo simple de una etapa

A continuación se realiza un análisis para un sistema de refrigeración con economizador de dos etapas, el cual deberá ser comparado con el de ciclo simple anteriormente analizado.

Figura 2. Montaje del ciclo con economizador de dos etapas


Gráfica 2. Diagrama P-h para el ciclo con economizador de dos etapas

Seguidamente, se realiza un análisis para un sistema de refrigeración con ciclo de burbujeo de dos etapas, que será comparado con el de ciclo simple realizado al inicio.

Figura 3. Montaje del ciclo de burbujeo de dos etapas


Gráfica 3. Diagrama P-h para el ciclo de burbujeo de dos etapas

Luego, se realiza un análisis para un sistema de refrigeración con intercambiador externo forzado de dos etapas, para luego compararse con el de ciclo simple de una etapa.

Figura 4. Montaje del ciclo con intercambiador externo forzado de dos etapas



Gráfica 4. Montaje del ciclo con intercambiador externo forzado de dos etapas

Se realiza un nuevo análisis para un sistema de refrigeración con intercambiador externo termosifónico de dos etapas, y hacer la comparación con el de ciclo simple de una etapa.

Figura 5. Montaje del ciclo con intercambiador externo termosifónico de dos etapas


Gráfica 5. Montaje del ciclo con intercambiador externo termosifónico de dos etapas

A continuación, se realiza un análisis para un sistema de refrigeración con ciclo en cascada de dos etapas, y hacer la comparación con el de ciclo simple de una etapa.

Figura 6. Montaje del ciclo en cascada de dos etapas


Gráfica 6. Montaje del ciclo en cascada de dos etapas

Como se puede observar, la temperatura de evaporación para el NH3 debe ser menor a la temperatura de condensación para el CO2 para evitar fallar que se puedan presentar teniendo ambas temperaturas en un mismo valor.

Finalmente, se realiza un último análisis pero esta vez con un sistema de refrigeración con compresor monotornillo de una etapa de compresión, que posteriormente se comparará con el de ciclo simple de una etapa.

Figura 7. Montaje del ciclo con compresor monotornillo de una etapa de compresión



Gráfica 7. Montaje del ciclo con compresor monotornillo de una etapa de compresión

CALCULOS TIPO

Para la realización de los cálculos se utilizó el software EES.

"ANÁLISIS COMPARATIVO DE VARIOS MÉTODOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR"

"Datos Generales en Común"R$='R22'CAP=30 [KW]Te=-40 [C]Tc=45 [C]Epsilon=0,8

"Presión de Evaporación, Condensación e Intermedia"Pe=Pressure(R$;T=Te;x=0)Pc=Pressure(R$;T=Tc;x=0)Pint=sqrt(Pc*Pe)

"Análisis de Ciclo SIMPLE y ECONOMIZADOR de DOS Etapa para un Sistema de refrigeración"

"Entalpías y Entropías del Sistema"h1=Enthalpy(R$;P=Pe;x=1)s1=Entropy(R$;P=Pe;x=1)h2=Enthalpy(R$;P=Pint;s=s1)h3=Enthalpy(R$;P=Pint;x=1)s3=Entropy(R$;P=Pint;x=1)h4=Enthalpy(R$;P=Pc;s=s3)h5=Enthalpy(R$;T=Tc;x=0)h5=h6h7=Enthalpy(R$;P=Pint;x=0)h7=h8hx=Enthalpy(R$;P=Pc;s=s1)hy=h5

"Flujos másicos del sistema"mrx_dot=CAP/(h1-hy)mr1_dot=CAP/(h1-h8)

"Balance de Energía, VC"mr3_dot=mr1_dot*((h2-h8)/(h3-h5))Qc_E=mr3_dot*(h4-h5)

"Potencia que consumen los Compresores"Wc1=mr1_dot*(h2-h1)Wc2=mr3_dot*(h4-h3)

"Comparación de Gasto Energético"Wc_etapas_S=Wc1+Wc2Wc_x=mrx_dot*(hx-h1)COP_x=CAP/Wc_x "! 1 Etapa"COP1_S=CAP/Wc_etapas_S "! 2 Etapas simple"Ahorro1_S=((Wc_x-Wc_etapas_S)/Wc_x)*100

"**********************************************************************************"

"Análisis de Ciclo de BURBUJEO de DOS Etapa para un Sistema de refrigeración"

"Entalpías y Entropías del Sistema"h1_b=Enthalpy(R$;P=Pe;x=1)s1_b=Entropy(R$;P=Pe;x=1)h2_b=Enthalpy(R$;P=Pint;s=s1_b)h3_b=Enthalpy(R$;P=Pint;x=1)s3_b=Entropy(R$;P=Pint;x=1)h4_b=Enthalpy(R$;P=Pc;s=s3_b)h5_b=Enthalpy(R$;P=Pc;x=0)h6_b=h5_bh7_b=Enthalpy(R$;T=T7_b;P=Pc)h8_b=h7_b

"Cálculo de Temperatura mediante Efectividad"T5_b=TcT9_b=Temperature(R$;P=Pint;x=0)Epsilon=(T5_b-T7_b)/(T5_b-T9_b)

"Flujos Másicos del Sistema"mr1_dot_b=CAP/(h1_b-h8_b)mr5_dot_b=mr6_dot_b+mr7_dot_bmr5_dot_b=mr3_dot_bmr7_dot_b=mr1_dot_b

"Balance de Energías, Volumen de control"Qc_B=Wc1_B+Wc2_B+CAPQc_B=mr3_dot_b*(h4_b-h5_b)

"Potencia que consumen los Compresores"Wc1_B=mr1_dot_b*(h2_b-h1_b)Wc2_B=mr3_dot_b*(h4_b-h3_b)

"Comparación de Gasto Energético"Wc_etapas_B=Wc1_b+Wc2_bCOP2_B=CAP/Wc_etapas_B "! 2 Etapas, Burbujeo"Ahorro2_B=((Wc_x-Wc_etapas_B)/Wc_x)*100

"**********************************************************************************""Análisis de Ciclo con INTERCAMBIADOR EXTERNO FORZADO de DOS Etapa para un Sistema de refrigeración"


"Entalpías y Entropías del sistema"h1_f=Enthalpy(R$;P=Pe;x=1)s1_f=Entropy(R$;P=Pe;x=1)h2_f=Enthalpy(R$;P=Pint;s=s1_f)s3_f=Entropy(R$;P=Pint;h=h3_f)h4_f=Enthalpy(R$;P=Pc;s=s3_f)h5_f=Enthalpy(R$;P=Pc;x=0)h6_f=h5_fh7_f=Enthalpy(R$;P=Pc;T=T7_f)h8_f=h7_f

"Balance de Entalpías"h3_f=(mr2_dot_f/mr3_dot_f)*h2_f+(mr9_dot_f/mr3_dot_f)*h9_f

"Cálculo de temperatura mediante efectividad"Epsilon=(T5_f-T7_f)/(T5_f-T10_f)T5_f=TcT10_f=Temperature(R$;P=Pint;x=0)

"Balance de Energías, Volumen de control"Qc_F=Wc1_F+Wc2_F+CAPmr3_dot_f=Qc_F/(h4_f-h5_f)

"Flujos másicos, del balance de Energía"mr2_dot_f=CAP/(h1_f-h8_f)mr3_dot_f=mr2_dot_f+mr9_dot_fmr9_dot_f=mr6_dot_f

"Potencia que consumen los Compresores"Wc1_F=mr2_dot_f*(h2_f-h1_f)Wc2_F=mr3_dot_f*(h4_f-h3_f)

"Comparación de Gasto Energético"Wc_etapas_F=Wc1_F+Wc2_FCOP5_F=CAP/Wc_etapas_F "! 2 Etapas, Forzado"Ahorro5_F=((Wc_x-Wc_etapas_F)/Wc_x)*100

"**********************************************************************************"

"Análisis de Ciclo con INTERCAMBIADOR EXTERNO TERMOSIFÓNICO de DOS Etapa para un Sistema de refrigeración"

"Entalpías y Entropías del Sistema"h1_t=Enthalpy(R$;P=Pe;x=1)s1_t=Entropy(R$;P=Pe;x=1)h2_t=Enthalpy(R$;P=Pint;s=s1_t)s3_t=Entropy(R$;P=Pint;h=h3_t)h4_t=Enthalpy(R$;P=Pc;s=s3_t)h5_t=Enthalpy(R$;P=Pc;x=0)h6_t=h5_th7_t=Enthalpy(R$;T=T7_t;P=Pc)h8_t=h7_th9_t=Enthalpy(R$;P=Pint;x=1)

Tint=Temperature(R$;P=Pint;x=1)

"Balance de entalpías, para determinar h3_t"h3_t=(mr1_dot_t/mr3_dot_t)*h2_t+(mr9_dot_t/mr3_dot_t)*h9_t

"Cálculo de Temperatura mediante Efectividad"T5_t=TcT9_t=Temperature(R$;P=Pint;x=0)Epsilon=(T5_t-T7_t)/(T5_t-T9_t)

"Balance de Energías, Volumen de control"Qc_T=Wc1_T+Wc2_T+CAPmr3_dot_t=Qc_T/(h4_t-h5_t)

"Flujos Másicos del Sistema"mr1_dot_t=CAP/(h1_t-h8_t)mr9_dot_t=mr3_dot_t-mr1_dot_t

"Potencia que consumen los Compresores"Wc1_T=mr1_dot_t*(h2_t-h1_t)Wc2_T=mr3_dot_t*(h4_t-h3_t)

"Comparación de Gasto Energético"Wc_etapas_T=Wc1_T+Wc2_TCOP4_T=CAP/Wc_etapas_T "! 2 Etapas, Termosifónico"Ahorro4_T=((Wc_x-Wc_etapas_T)/Wc_x)*100

"**********************************************************************************

"Análisis de Ciclo con CASCADA (NH_3 - CO_2) para un Sistema de refrigeración"

"Refrigerantes"Ra$= 'R717' "NH_3"Rc$= 'R744' "CO_2"

"Temperaturas de transición de los refrigerantes"Tc2=-5 [C]Te2=-10 [C]

"Presión de Evaporación y Condensación para CO2 y NH3"Pe_c=Pressure(Rc$;T=Te;x=0) "CO_2"Pc_c=Pressure(Rc$;T=Tc2;x=0)Pe_a=Pressure(Ra$;T=Te2;x=0) "NH_3"Pc_a=Pressure(Ra$;T=Tc;x=0)

"Entalpías y Entropías, CO_2"h1c=Enthalpy(Rc$;P=Pe_c;x=1)s1c=Entropy(Rc$;P=Pe_c;x=1)h2c=Enthalpy(Rc$;P=Pc_c;s=s1c)h3c=Enthalpy(Rc$;P=Pc_c;x=0)h4c=h3c

"Entalpías y Entropías, NH_3"h5a=Enthalpy(Ra$;P=Pe_a;x=1)s5a=Entropy(Ra$;P=Pe_a;x=1)h6a=Enthalpy(Ra$;P=Pc_a;s=s5a)h7a=Enthalpy(Ra$;P=Pc_a;x=0)h8a=h7a


"Flujo másico CO_2"mrc_dot=CAP/(h1c-h4c)

"Flujo másico NH_3, del Balance de Energía sobre el sistema"mra_dot=mrc_dot*(h2c-h3c)/(h5a-h8a)

"Balance de Energías, Volumen de control"Qc_C=Wc1_c+Wc2_c+CAP

"Potencia que consumen los Compresores"Wc1_C=mrc_dot*(h2c-h1c)Wc2_C=mra_dot*(h6a-h5a)

"Comparación de Gasto Energético"Wc_etapas_C=Wc1_C+Wc2_CCOP5_C=CAP/Wc_etapas_C "! 2 Etapas, Cascada"Ahorro5_C=((Wc_x-Wc_etapas_C)/Wc_x)*100

"**********************************************************************************"

"Análisis de Ciclo con COMPRESOR DE MONOTORNILLO con tanque de burbujeo para un Sistema de refrigeración""Entalpías y Entropías del Sistema"h1_m=Enthalpy(R$;P=Pe;x=1)s1_m=Entropy(R$;P=Pe;x=1)h2_m=Enthalpy(R$;P=Pc;s=s1_m)h3_m=Enthalpy(R$;P=Pc;x=0)h4_m=h3_mh5_m=Enthalpy(R$;P=Pint;s=s1_m)h6_m=Enthalpy(R$;P=Pc;T=T6_m)h7_m=h6_m

"Cálculo de Temperatura mediante Efectividad"Epsilon=(T3_m-T6_m)/(T3_m-T8_m)T3_m=TcT8_m=Temperature(R$;P=Pint;x=0)

"Balance de Energías, Volumen de control"Qc_M=Wc_M+CAPmr2_dot_m=Qc_M/(h2_m-h3_m)

"Flujos másicos del sistema"mr1_dot_m=CAP/(h1_m-h7_m)mr2_dot_m=mr1_dot_m+mr5_dot_m

"Potencia que consume el Compresor, Eentra=Esale"Wc_M=mr2_dot_m*h2_m-(mr5_dot_m*h5_m+mr1_dot_m*h1_m)

"Comparación de Gasto Energético"COP6_M=CAP/Wc_M "!Monotornillo"Ahorro6_M=((Wc_x-Wc_M)/Wc_x)*100

CONCLUSIONES

Es más conveniente utilizar el ciclo de compresión de vapor, ya que es más fácil comprimir solo va-por y no mezcla vapor – líquido, por el daño de la presencia de humedad que puede causar al compresor y a la turbina. A su vez es más económico tener expan-sión irreversible a través de una válvula de expansión que en una turbina.

La mejora del rendimiento global del sistema se logra atacando las dos fuentes de ineficiencia: 1. Reducien-do el gas de flash (aumento del ER). 2. Reduciendo el Wc a través del interenfriamiento.

La existencia de dos compresores aumenta el costo ini-cial y aumenta también el trabajo de mantenimiento.

En los dispositivos de control de flujo del refrigerante hacia el evaporador, las válvulas de control de presión No responden adecuadamente dentro de un sistema de refrigeración como dispositivos para el centro de flujo de refrigerante al evaporador.

Los compresores de monotornillo, respecto a la efi-ciencia volumétrica cuentan con mayor rendimiento.

BIBLIOGRAFÍA


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