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Los ejercicios siguientes pueden desarrollarse utilizando el diagrama P-H en kg/cm2 y Kcal/kg o el diagrama P-H en bares y kJ/kg. La representación del ciclo indicado en el diagrama log P-entalpía del refrigerante HFC-R134a, correspondiente al Entrenador ACT-2/EV, se realiza después de haber medido en la instalación los valores de presión dentro de los cuales el ciclo se cumple, las temperaturas del gas en admisión y envío y la temperatura del refrigerante antes de circular por la válvula termostática. La posición de las sondas se muestra en la figura 18. La recogida de los datos se ha realizado con una temperatura ambiente de 17°C y una velocidad de rotación del compresor de 747 r.p.m.; si la temperatura ambiente y la velocidad del compresor son diferentes de dichos valores, los datos del ejercicio variarán. En los instrumentos en dotación de la instalación se leyeron los siguientes valores: Manómetro de alta presión Pa = 10 bares
- 11 bares absolutos
Manómetro de baja presión Pb= 1,4 bares - 2,4 bares absolutos
Temperatura de admisión Tl= 22 oC ,
Temperatura del líquido T3= 38,4 oC.
Con estos datos se traza el ciclo frigorífico (fig. 19) procediendo de la manera siguiente:
Se trazan las rectas: Pa = constante = 11 bares absolutos Pb = constante = 2,4 bares absolutos
A partir del punto 3 de la recta Pa = 11 bares y con temperatura T 3 = 38,4 oC se traza la vertical hasta cruzar la recta Pb = 2,4 en el punto 4. El segmento 3-4 representa el trabajo, con entalpía constante, realizado por la válvula termostática para reducir la presión así como la temperatura del líquido de 38,4 a -5°C. A partir del punto 1 que corresponde a la intersección de la recta P = constante 3,5 bares absolutos y con temperatura TI = 2,2°C, se traza la paralela a las líneas adiabáticas hasta cruzar la recta P = constante = 11 bares absolutos en el punto 2.
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El segmento 1-2, leído en la escala de la entalpía, representa el trabajo teórico de compresión realizado por el compresor para llevar el refrigerante vaporizado de la presión Pb a la presión Pa. El segmento 2-3 , leído en la escala de la entalpía, representa la cantidad de calor (por kg de refrigerante) que el gas recalentado tiene que perder para volver al estado líquido. Obsérvese que la temperatura del punto 2 es superior a la temperatura T2 medida por el termómetro (fig. 18). Esto se debe al intercambio térmico que se verifica en el interior del compresor entre el gas de envío y el de admisión, intercambio que suelen privilegiar los fabricantes de los compresores. El segmento 4-5, leído en la escala de la entalpía, representa las frigorías que absorbe el líquido del ambiente exterior para volver al estado de vapor. El segmento 5-1 representa el recalentamiento del vapor en el trecho entre la salida del evaporador hasta el compresor.
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El rendimiento del ciclo frigorífico (Energy Efficiency Ratio) se
obtiene a través del cociente entre los segmentos 4 -5 Y 1-2.
E.E.R. = hs - h4 = 396- 254 = 142 = 4 7 h2 -h) 434-404 30 '
- 24-
El E.E.R. obtenido es el rendimiento específico correspondiente a 1 kg de refrigerante que circula a través del compresor. Para el cálculo es necesario conocer los kg/h de líquido que circulan en el circuito. Este dato se mide con un caudalímetro; en nuestro caso: Q = 0,32 l/mino Por lo que: 0,32 litros/minuto' 60 = 19,2 litros/h . 1,166 kg/litro = 22,27 kglh. Ya que hay 142 kJ/kg de líquido (segmento 5-4, véase fig. 19), la instalación suministra: 22,27 kglh . 142 kJlkg = 3.162 kJIh (872,5 W).
Al mismo tiempo se deberá suministrar al compresor una energía equivalente a: 22,27 kglh . 30 kJ/kg = 668 kJ/h (185,6 W) Y el E.E.R. del ciclo vale:
E.E.R. = 3.162 = 4,7 668
valor obtenido anteriormente.
Para la determinación de la densidad del refrigerante HFC-RI34a (líquido a 40,5 oC), consultar las tablas de las propiedades termodinámicas del mismo incluidas en el apéndice.
- 25 -
Cálculo del rendimiento real total
Utilizando los vatímetros incorporados en el Entrenador, se verifica que el consumo total de la instalación es de 1.300 W; de éstos, tal como se pone de manifiesto en el ejercicio N. 6, 185,6 W se necesitan para comprimir el gas de Pb a Pa y los restantes 1.114 W sirven para vencer las resistencias mecánicas y eléctricas del compresor, las resistencias de fricción del fluido a lo largo del circuito, así como el consumo de la instalación eléctrica y del ventilador del condensador. El rendimiento real total del ciclo frigorífico resulta entonces:
E.E.R. = 872,5 = O 67 1.300 '
Nótese la fuerte reducción entre el rendimiento del ciclo indicado y el rendimiento total. Variando ahora las presiones de servicio, se pueden trazar otros ciclos frigoríficos y comparar entre sí los diagramas y los rendimientos, eligiendo el mejor ciclo para cada aplicación práctica. Dichas presiones de servicio se modifican cambiando el orificio de las válvulas termostáticas, variando el caudal de aire del ventilador, introduciendo el gas en la instalación o bien extrayéndolo de la misma.
- 26-
Cálculo de las frigorías/hora producidas por el evaporador, hecho a través del balance térmico del aire
Se procede de la manera siguiente: medir las temperaturas del aire (bulbo seco y bulbo húmedo) en la entrada y en la salida del evaporador (véase fig. n. 14); luego, anotar los valores hallados en el diagrama psicrométrico del aire. De esta forma se pueden determinar la humedad relativa del aire durante la circulación a través del evaporador y, en el caso de que haya condensación, los gramos de agua condensada por cada kilogramo de aire tratado y el volumen específico del aire en la salida del evaporador (véase fig. n. 20).
Los datos medidos son:
Te bs (bulbo seco) - 18,0 oC 11,7 oC Te bh (bulbo húmedo) -
Tu bs (bulbo seco) - 4,4 oC Tu bh (bulbo húmedo) = 3,7 oC
a la cual corresponde una humedad relativa del 35%
a la cual corresponde una humedad relativa del 60%
Con un anemómetro, medir la velocidad del aire en la salida del evaporador; después de haber calculado el promedio de los valores hallados en las diferentes partes de la salida del evaporador y haber medido la sección de las boquillas, calcular los metros cúbicos de aire por hora que salen del evaporador.
Los valores hallados son:
Vm (velocidad media) = 3,1 mIs
S (sección)
El caudal volumétrico es:
Qv = 3,1 mIs' 3.600 s . 0,009 m1 = 101,5 m3/h
- 27 -
El caudal másico es:
Qm = 101,5m3/h = 122 3k /h
O,830m3 /kg , g
El valor del volumen específico se extrae del diagrama psicrométrico en los puntos Tu bs y Tu bh.
Las kcal/h extraídas del aire son:
P = 122,3 kg/h . (33 - 15,8) kcal/kg = 2.103 kJ/h = 584,3 W
El valor obtenido es muy próximo al calculado a través del análisis del ciclo frigorífico.
Obsérvese que la detenninación de la velocidad del aire y, por consiguiente, del caudal, es difícil de establecer y a menudo conduce a resultados inexactos.
- 28-
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- 29-
Cálculo y verificación de la cantidad de agua condensada
A través de la figura 20, leyendo a la derecha de la escala, se extraen los gramos de agua condensados por el evaporador por cada kilogramo de aire que circula a su través.
Multiplicando este valor por el caudal másico del aire se extraen los gramos condensados en una hora por el evaporador.
ax = 5,8 - 4,6 = 1,2 g/kg
El caudal másico, calculado en el ejercicio N° 8, que circula a través del evaporador es:
188 kglh
Por lo tanto, la cantidad de agua condensada es:
1,2 g/kg' 188 kglh = 225,6 gIh de agua.
La verificación del valor determinado por vía analítica puede realizarse pesando el agua condensada por el evaporador y descargada en el depósito puesto en el mueble de servicio o bien extrayendo el condensado de la llave puesta debajo del evaporador (véase fig. n. 14).
Si los dos resultados encajan, las medidas realizadas para determinar el caudal de aire y las realizadas para determinar las temperaturas y las humedades de entrada y de salida del evaporador son exactas.
Si ello no verifica, las medidas son inexactas y por consiguiente deberán repetirse.
- 30-
Cálculo del rendimiento volumétrico del compresor
El rendimiento volumétriGo del compresor está dado por el cociente entre el volumen útil (V tJ y el volumen V g generado por el pistón a lo largo de su embolada:
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Sobre el volumen útil influyen la magnitud del espacio nocivo Vo y la relación de compresión (figuras 21 y 22).
fig. 21 fig. 22
- 31 -
100 O ü 90 a:: ~ w 80 :E :::> -1 70 O > O 60 ~ z w :E
50
o 40 z 1 w 2 a::
Por lo tanto, la marcha del rendimiento en función del espacio nocivo y de la relación de compresión varía según se muestra en la figura 23ab-c.
(a)
(b)
3 4 5 6 7 8 9 10 11
RAZON DE COMPRESION
Fig. 23
En realidad, sobre el rendimiento volumétrico total influyen negativamente también la dilatación que el gas aspirado sufre al entrar en contacto con las paredes calientes, el porcentaje de gas que escapa de las juntas estancas de los pistones y las dificultades que encuentra al atravesar las válvulas de admisión y envío. El volumen horario generado se calcula a partir de la cilindrada del compresor, según la fórmula siguiente:
v g = e . n . 60 . 10-6 m3/h
En nuestro caso: V = 99· (747 x ° 86)· 60· 10-6 = 381 m3/h g , ,
Nota: 0,86 es la razón entre las poleas del motor del compresor.
El número de revoluciones del compresor se calcula a través del número de revoluciones del motor eléctrico medido con el tacómetro instalado y obtenido a través de la razón entre las poleas de transmisión. Con una presión de admisión de 2,4 bares y a una temperatura de 22°C, el volumen específico del gas resulta 0,095 m3/h. Por lo tanto, V g expresado en kg/h equivale a:
3,81 = 40 lk /h 0,095 ' g
- 32-
Por medio del caudalímetro se ha podido determinar una circulación de 22,27 kglh; por lo tanto, el rendimiento volumétrico del compresor será:
= 22,27 = O 55 11 401 ' ,
Para la verificación de los intercambios térmicos y para la selección del aislamiento del compresor, el condensador" el evaporador, las tuberías, etc., proceder tal como se explica en el Manual de Refrigeración General. Para el estudio del diagrama psicrométrico, de los ciclos higrométricos correspondientes a los diferentes tipos de instalaciones de acondicionamiento, para su dimensionamiento y para la depuración del aire, consultar el Manual de Acondicionamiento de aire general.
- 33 -
Cálculo del coeficiente global de transmisión K entre el gas refrigerante y el aire en el condensador
Se miden las temperaturas del refrigerante en la entrada y en la salida, se mide la temperatura del aire antes y después de circular a través del condensador y se calcula la temperatura promedio logarítmica Tm. Se calcula la superficie del evaporador, incluyendo en la misma las aletas, los tubos horizontales y los codos de unión.
La cantidad de caloríaslhora cedida por el evaporador ya se conoce; por consiguiente, mediante la fórmula:
K= Q S~Tm
se obtiene el coeficiente global.
Se traza el ciclo frigorífico del entrenador en el diagrama presiónentalpía, tal como se hizo en la fig. 19. Para establecer exactamente los kJIh que hay que extraer del condensador, medir también la temperatura del gas caliente y llevarla a la línea de alta presión en el diagrama P-H. Este punto se identifica con el n° 2'. El segmento 2'-3 leído en la escala de la entalpía representa el calor específico que tiene que ser absorbido por el aire para obtener la completa condensación del refrigerante. Multiplicando este valor por el caudal ponderal, obtenido mediante la lectura del caudalímetro y multiplicado por el peso específico del refrigerante HFC-R134a, se halla el valor de la cantidad de calor a extraer del gas para su liquefacción. El valor de la superficie de intercambio S se obtiene a través de los datos técnicos del condensador que se muestran en la figura 12; además, es posible determinar la superficie del condensador midiendo la superficie de las aletas, de los tubos horizontales y de las curvas de unión, según lo indicado en el Manual de Refrigeración general. Queda por establecer sólo la diferencia promedio logarítmica entre el aire de refrigeración y el fluido de condensación. El esquema de intercambio, con referencia a las temperaturas, es el siguiente:
Tc Tc
Tae Tau
- 34-
donde Tc es la temperatura de condensación del refrigerante; Tae y Tau son las temperaturas del aire de entrada y de salida del condensador.
Por lo tanto, se obtiene:
~Tm = (Tc - Tae) - (Tc - Tau) In Tc-Tae
Tc-Tau
con estos datos y aplicando la fónnula:
K= Q S~Tm
se obtiene el coeficiente global K de transmisión del calor.
Por ejemplo:
Cálculo del coeficiente de intercambio ténnico K entre el gas refrigerante y el aire que circula a través del condensador. Con los instrumentos incluidos en el Entrenador se extraen los siguientes datos:
Temperatura del fluido en la entrada en el condensador - 51,8 oC
Temperatura del fluido en la salida del condensador = 438°C ,
Temperatura del aire en la entrada = 24 O oC ,
Temperatura del aire en la salida = 413°C ,
Caudal volumétrico del refrigerante = 012Vl' ,
A través del ciclo trazado en el diagrama P-H se obtiene que la variación de entalpía durante la condensación equivale a 165 kJ/kg (46 kJlkg para el enfriamiento del líquido y la condensación propiamente dicha del mismo).
Para una mejor comprensión, se supondrá que el intercambio térmico se verifique totalmente durante la fase de condensación propiamente dicha.
Con los datos que disponemos se puede trazar el siguiente gráfico:
- 35 -
51.8 "C
43.7"C
El valor de Ó Tm se calcula mediante la fórmula expresada en la pág. 42 o mediante el ábaco de Mehner indicado a continuación, en el cual:
ó TI = Tc - Tae = 31 5 - 23 = 85°C , , óT2 = Tc - Tau = 31 5 - 29 6 = 19°C , , ,
La superficie del cambiador de calor se indica en la figura n. 12 y es igual a 3,15 m2
•
El coeficiente K se calcula mediante la fórmula siguiente:
K= Q SÓTm
que a través de los datos conocidos vale:
165 . 22,27
K = 3,6 3,15·4,4
= 74 7W 1m2 .oC ,
- 36-
ÓT 1
30
25
20
1 5
10
. 9
8
7
6
5
4
3
2
1
ÓT
30
25
20
15
10
9
8
7
6
3
2
1
•
Fig. 24 - Ábaco de Mehner
- 37 -
4
1
Cálculo de las calorías/hora producidas por el intercambiador de calor, hecho a través del balance térmico del aire
Los mandos del acondicionador de aire deben hallarse en la siguiente posición (fig. 15): Selector 1: posición roja - compresor parado Selector 2: posición n. 4 Selector 3: posición izquierda, abajo Selector 4: posición derecha
Se procede de la siguiente manera: Medir las temperaturas del aire (bulbo seco y bulbo húmedo) de entrada y de salida del intercambiador de calor (véase fig. n. 14); luego, anotar los valores obtenidos en el diagrama psicrométrico del aIre. Puede determinarse así la humedad relativa del aire durante la circulación a través del intercambiador de calor.
Los datos medidos son:
Te bs (bulbo seco) = 18,6 oC
Te bh (bulbo húmedo) = 10,8 oC
Tu bs (bulbo seco) =33°C
Te bh (bulbo húmedo) = 16,6 oC
a la cual corresponde una humedad relativa del 38%
a la cual corresponde una humedad relativa del 17%
La medida de la temperatura con bulbo húmedo del aire de salida no es necessaria, ya que la transformación se lleva a cabo con humedad absoluta constante.
Con un anemómetro, medir la velocidad del aire de salida del intercambiador de calor, con la perilla de distribución del aire puesta en la parte alta, a la izquierda (véase fig. 15) Y la velocidad del ventilador en la posición n° 3; después de haber hecho un promedio de los valores hallados en las diferentes partes de la salida del intercambiador de calor y haber medido la sección de las boquillas, calcular los metros cúbicos por hora de aire que salen del intercambiador de calor.
- 38 -
Los valores hallados son:
Vm (velocidad media) = 3,1 mIs
S (sección) = 0,009 m2
El caudal volumétrico es:
Qv = 3,1 mIs' 3.600 s . 0,009 m2 = 101,5 m3/b
El caudal másico es:
Qm = 101,5m3/h = 122 3k Ih
O,830m3 I kg , g
El valor del volumen específico se extrae del diagrama psicrométrico en los puntos Te.
Las kcallh cedidas al aire son:
P = 122,3 kg/h . (46,6 - 31) kcallkg = 1.907,8 kJ/h = 530 kcallh
Obsérvese que la detemúnación de la velocidad del aire y, por consiguiente, del caudal, es dificil de establecer y a menudo conduce a resultados inexactos.
- 39-
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