OBJETIVOS

a) Identificar las partes básicas que componen el ciclo básico de refrigeración por compresión de vapor.

b) Identificar y cuantificar los flujos energéticos en el ciclo mencionado en el punto anterior.

c) Determinar el coeficiente de operación de un refrigerador.d) Conocer, a partir del análisis de un ciclo de refrigeración, algunas limitantes

que establece la segunda ley de la termodinámica.

EQUIPO Y MATERIALES NECESARIOS

2 termómetros de inmersión.1 bomba de calor PT (refrigerador).8 [l] de agua.1 cronómetro.1 agitador de plástico.

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Actividades:

Actividad 1

Del siguiente diagrama se identificaron las partes básicas que componen un ciclo de refrigeración por compresión de vapor, así como los flujos energéticos asociados.

Actividad 2

Se dibujó una representación física de la bomba de calor PT que se nos proporcionó. Se indicó la sustancia activa (refrigerante) que emplea el equipo.

Refrigerante: Tetraflouretano R-134a

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Actividad 3

De la siguiente gráfica [P-v] se dibujaron los procesos asociados al ciclo.

Actividad 4

Se establecieron las características de los medidores instalados en el dispositivo y se llenó la siguiente tabla:

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Medidor de carátula de la izquierda

Rango (-1) – 10 [bar] (-60) – 12 [°C]

Resolución 0.2 [bar] 1 [°C]

Legibilidad Excelente Excelente

Medidor de carátula de la derecha

Rango (-1) – 30 [bar] (-60) – 87 [°C]

Resolución 1 [bar] 1 [°C]

Legibilidad Excelente Excelente

Actividad 5

Se colocaron 4 litros de agua en cada recipiente del equipo y se realizaron las siguientes mediciones:

Tinicial [°C] [K]

En el evaporador 22 295.15

En el condensador 22 295.15

Actividad 6

Se puso a funcionar el dispositivo por alrededor de 10 minutos. Después se homogeneizó el fluido con ayuda del agitador y se tomaron las siguientes mediciones

Tfinal (para el agua) [°C] [K]

En el evaporador 10 283.15

En el condensador 35 308.15

Para el refrigerante

Pbaja 2 [bar] 200 000 [Pa] Tsat = 2 [°C]

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Palta 9.4 [bar] 940 000 [Pa] Tsat = 40 [°C]

{Q}evaporador 200928 [J]

{Q}condensador -217672 [J]

Actividad 7

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica para un ciclo, se determinó el trabajo y la potencia de compresor:

{W}compresor= 16 744 [J]{Ẇ}compresor= 27.906667 [W ]

Actividad 8

Se obtuvo el coeficiente de operación del dispositivo:

β= 12 [1]

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CUESTIONARIO

1. Investigue las propiedades físicas y químicas principales de la sustancia de trabajo (refrigerante) del dispositivo.

2. ¿En qué condición física la presión del sistema determina el valor de la temperatura?

En el cambio de fase.

3. ¿Por qué razón en el dispositivo, las escalas de presión y temperatura de los medidores no se presentan de forma independiente?

Porque la presión y la temperatura son proporcionales, en este caso, cuando alguna de estas dos propiedades cambia, la otra también. (Los medidores de esta práctica están escalados para el gas R134a que sirvió de refrigerante).

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4. Elabore una gráfica como la de la actividad 3, indicando el mayor número de propiedades que determinó en esta práctica para los cuatro estados principales del ciclo de refrigeración.

5. Identifique los depósitos térmicos asociados al ciclo en el dispositivo empleado.

Depósito de alta temperatura: Condensador/Enfriador.Depósito de baja temperatura: Evaporador.

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6. Haga un esquema de un refrigerador doméstico identificando los depósitos térmicos del punto anterior.

7. Con base en las actividades realizadas en la práctica, ¿cómo podría verificarse el postulado de Clausius?

Podríamos verificar el postulado analizando

Qcond+Qevap+Wcomp=0

Se cumple para el proceso de refrigeración y esto sólo es posible por el trabajo que ingresamos al sistema a través del compresor.

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Conclusiones

En la vida cotidiana, se trabajan muy frecuentemente con procesos termodinámicos de manera indirecta, es decir, están presentes en todas partes pero sin tener conocimiento de ello; un ejemplo típico es el automóvil que utilizamos para transportarnos, pero otro muy importante y qué en la mayoría de las casas está presente es el refrigerador. Este aparato funciona por medio de ciclos termodinámicos muy específicos, además de formas instrumentos que permiten medir lo que se necesita para obtener los cálculos que permiten el funcionamiento de éste. Aquí podemos ver la importancia de identificar las partes básicas que componen el ciclo básico de refrigeración por compresión de vapor, esto puede permitir el poder tener ciertas precauciones para tener un óptimo desempeño de nuestro refrigerador e inclusive, si éste falla, tener una noción de la posibilidad de la de la ruptura de alguna parte. Las partes principales que componen al ciclo básico de refrigeración son el compresor, el condensador, la válvula de estrangulamiento y el evaporador, además del gas refrigerante R134-a dentro del conducto.

Sin embargo, no basta con conocer cada una de las partes que integran el ciclo básico de refrigeración sino que también, para tener un adecuado estudio de este ciclo es necesario identificar y cuantificar los flujos energéticos asociados a cada parte de éste, además de establecer a partir de dónde se va a tomar como el principio del ciclo, lo cual nos llevaría a obtener la gráfica asociada a este proceso. Se debe tomar en cuenta en cuales lugares se absorbe energía, se libera energía o inclusive que sean adiabáticos. Podemos observar que el único que generó trabajo al sistema es el compresor, el cuál estrictamente también cedió un poco de calor puesto que éste aparato al funcionar se calienta un poco por su diseño, el cual puede ser despreciable por ser muy pequeño por lo que se considera adiabático en esta práctica, pero se debe tomar en cuenta que puede llegar a generar un errores al hacer los cálculos. Dentro de los componentes está el condensador, el cual entrega energía en forma de calor fuera del sistema, la cual la recibe el agua y el evaporador el cual quita energía al agua para el refrigerante, y por último la válvula de estrangulamiento que permite el paso del refrigerante de manera gradual; podemos apreciar que éste es el principio básico que tiene un refrigerador convencional que se utiliza en la vida cotidiana, el cual no podemos ver, pero que se encuentra dentro y esto también explica el hecho del porqué despide calor al medio ambiente y por tanto no se debe tapar esa salida de calor sino puede provocar una alteración grave al ciclo de refrigeración.

También se debe tomar en cuenta la relación que existe entre el calor del evaporador y el trabajo neto de todo el sistema, esto para poder determinar el coeficiente de operación de un refrigerador. Este se puede calcular tomando en cuenta el calor asociado a la evaporación en el ciclo, además del trabajo asociado a éste, que en este caso es el que proporciona el compresor al ser conectado a una fuente eléctrica; haciendo el cociente entre el calor entre el trabajo que entra al sistema se puede obtener este coeficiente.

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Como se ha mencionado, no es posible tener una eficiencia completa por parte del ciclo además de que se tiene que tener en cuenta que este ciclo presenta procesos irreversibles, por lo cual se debe tener cuidado con esos aspectos. Por estos motivos es necesario conocer, a partir del análisis de un ciclo de refrigeración, algunas limitantes que establece la segunda ley de la termodinámica, además de verificar que la primera ley se cumpla como es al hacer el balance de energía; por ejemplo, en el compresor que es adiabático no presentará el mismo balance energético que en la válvula, puesto que en ésta no hay diferencias de entalpías. En lo que respecta a la segunda ley, se debe tomar en cuenta las diferencias de entropías y que se debe verificar que cumplan la desigual de Clausius, con lo cual se puede comprobar que el experimento se hizo de manera óptima, esperando reducir los errores al mínimo, tanto los humanos como los de los instrumentos para poder obtener valores esperados muy cercanos a los valores obtenidos de manera teórica.

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Comentarios

En esta práctica se logró demostrar de manera experimental como funciona un ciclo de refrigeración por compresión de vapor en una bomba de calor y su funcionamiento, reafirmando así los conocimientos obtenidos durante la clase de teoría.

Se requirieron de conocimientos previos tanto analíticos como teóricos, al reconocer que en un sistema termodinámico él no puede aumentar el calor sin ayuda de trabajo externo proporcionado en este caso por un compresor que lograba cambiar la presión en el sistema proporcionando así el cambio de temperatura que se buscaba durante el experimento.

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Referencias:

Notas de clase de Principios de Termodinámica y Electromagnetismo. Profesor Rigel Gámez Leal.

Clase introductoria de laboratorio. Profesor Jaramillo Morales Gabriel Alejandro.

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