Laboratorio de Termodinámica Maquina térmica, bomba de calor y refrigerador

Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)

Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP)

Laboratorio de Termodinámica

Maquina térmica, bomba de calor y refrigerador

23/08/2020 , 2020 T1

Javier Enrique Martínez Colina

Guayaquil-Ecuador

javmcoli@espol.edu.ec

1. RESUMEN

En este informe se centrará en cómo se realiza un ciclo termodinámico en un software como lo “CYCLEPAD”, por ende, estarán vinculados los conceptos de una máquina de flujo estacionario y la segunda ley de la termodinámica enfocada en la maquina térmica que realizará el ciclo. Una máquina térmica es un dispositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que la máquina pueda funcionar de forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente, de un foco térmico) que transforma en trabajo (Teresa Martin Blas; Ana Serrano Fernández, 2009). Adicionalmente se utilizará lo que es el coeficiente de rendimiento tanto para una maquina térmica como para una bomba de calor, estos conceptos se irán evidenciando mediante la sección de resultados, los cuales permitirán entender mejor el concepto que se mostrará a continuación. Una bomba de calor es un aparato cuyo funcionamiento se basa en la termodinámica. Consiste en transportar energía en forma de calor de un ambiente (que puede ser aire, agua o suelo) a otro. Este proceso se genera a través del cambio de estado de gas a líquido de un fluido refrigerante por medio de la temperatura ambiente y con ayuda de un compresor (Arnabat, 2020). Un refrigerador es un dispositivo que extrae calor de un foco que está más frío que el ambiente (como el interior de un frigorífico, a 5°C) y lo vierte en el ambiente (a 22°C, por ejemplo). Para funcionar, un refrigerador requiere un trabajo adicional Win, que aumenta el calor de desecho Qout que se entrega al ambiente (Sanchez, 2017). 

1. EQUIPOS Y MATERIALES

1. Simulación de refrigerador (Cyclepad)
2. Simulación de tablas termodinámicas (CATT3)
3. Diapositiva de la clase
4. Thermodynamics And Heat Powered Cycles - (Malestrom)

1. RESULTADOS: DATOS OBTENIDOS Y CÁLCULOS

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1. RESULTADOS: TABLAS Y GRÁFICAS

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1. ANÁLISIS DE RESULTADOS

• Se observa que para los pares “S1 , S2” y “S3 , S4” la presión a pesar de que existe un cambio tanto en su temperatura (-30°C , 5°C) y (111°C , 45°C) respectivamente para los pares anteriormente mencionados, estos conservan su presión entre cada par (100KPa , 100KPa) y (1200KPa , 1200Kpa).
• Dado el incremento de la temperatura entre las secciones S1, S2, S3 se puede apreciar el incremento en la energía interna del ciclo con valores de 73.19KJ/Kg, 179KJ/Kg y 230. 2 KJ/Kg respectivamente. Lo contrario sucede entre las partes S4 y S1 la cual decrece la entropía con valores de 79.23KJ/Kg y 73.19KJ/Kg por el cambio de las temperaturas 45°C y -30°C reduciendo así la velocidad que las que se mueven las moléculas del fluido de estudio que en este caso es el refrigerante R-12.
• Existe un valor de trabajo el cual es negativo con un valor de -2.81KW dado por el compresor, este al ser el único sistema para este ciclo que entrega trabajo se puede ver que en el apartado “CYCLE” también presentará el mismo valor antes mencionado.
• En el apartado “CYCLE” se observa que el valor de la capacidad de refrigeración es de 1.67 ton, lo cual para una mejor interpretación se lo puede pasar a “KW” el cual da un valor de 5.8734KW.
• Se observa que para distintos valores de presión el COP va variando, como por ejemplo para el caso de los puntos de presión de 56.43KPa, 60.22KPa y 68.14KPa los cuales tienes un valor de COP igual a 17.89, 16.93, 15.17 respectivamente.
• La relación que existe en la grafica de eficiencia versus COP se concluye tienen una relación lineal, por ende, mientras un valor aumente el otro también lo hará, esto se ve reflejado con los datos mostrados a continuación. Eficiencia del compresor (15.34, 33.44, 48.47, 68.09) % tendrá un valor de (0.40, 0.82, 1.18, 1.62) de valor de COP respectivamente.

1. CONCLUSIONES

• Los cambios de temperatura del punto 1 se dan por el tipo de sistema que se tiene, lo interesante es la cambio que tiene entre el punto S4 y S1 el cual desciende hasta valores negativos, este cambio drástico se da por la válvula de estrangulamiento dado que este dispositivo de flujo estacionario permite realizar un cambio en la presión y en la temperatura significativamente, es por el cual se ve que la presión y la temperatura descienden drásticamente sin la necesidad de un dispositivo que extraiga calor del fluido.

• Para el apartado 3 se puede ver que, dentro de todo el ciclo el único dispositivo de flujo estacionario que se reflejada una potencia es el compresor, esta potencia es negativa dado que es la potencia que entrega el compresor hacia el entorno, por ende, al ser una entrega de trabajo desde la maquina hacia el entorno y no del entorno hacia la maquina este trabajo es negativo.
• En el apartado 4 se pasa a KW la capacidad de refrigeración, esto valor de 5.8734KW de capacidad de refrigeración nos dice que por cada segundo que transcurra la cantidad máxima de calor que puede tolerar para que siga en un buen funcionamiento el ciclo termodinámico es de 5.8734KJ. Es lo mismo decir que puede tolerar una cantidad de calor menor o igual que 352.404KJ por cada hora que transcurra.
• Detallando la gráfica mencionada en el apartado 5 se puede observar que conforme va aumentando la presión de ciclo de refrigeración este irá disminuyendo su COP hasta llega a un punto de COP mínimo que se da en las coordenadas (87.51KPa , 13.15), por ende se concluye es viable que el proceso se mantenga con presiones bajar para mantener un mejor COP para el ciclo.
• Dado los datos mostrados tanto en la gráfica de eficiencia versus COP como en los datos proporcionados en el apartado 6 anterior, se puede concluir que la relación que existe entre la eficiencia del compresor y el COP del ciclo es linealmente independiente, por ende, se puede concluir que un buen rendimiento podría asegura que el COP del ciclo térmico sea mejor.

1. RECOMENDACIONES

• Para entender bien los que está sucediendo es necesario que se usen la mayor cantidad de graficas posibles, así se podrá observar como se está comportando el ciclo.
• El análisis exhaustivo del comportamiento del ciclo es necesario para poder concluir cuales son las razones por la cual el fluido de trabajo hiciese o no el trabajo que debía hacer.
• Se debe tener en cuenta con que estado del fluido trabaja cada dispositivo de flujo estacionario dado que si se ponen en una ubicación donde no se lo requiere es muy propenso a que el ciclo no funciones.
• Tener en cuenta la dirección de las maquinas térmicas al momento de armar el ciclo.
• Recordar que para esta práctica las características que tienes un compresor, condensador, válvula de estrangulamiento y evaporador son adiabático, isobárico, isoentálpico e isobárico respectivamente.
• Considerar los cambios de temperatura que tiene el sistema para analizar el cambio de la energía interna del fluido de trabajo.
• Observar como es la relación de la eficiencia del compresor y el COP del ciclo, además analice como varía el COP con respecto a la presión.

Bibliografía

Arnabat, I. (17 de Abril de 2020). caloryfrio. Obtenido de caloryfrio: https://www.caloryfrio.com/calefaccion/bomba-de-calor/bomba-de-calor.html

Sanchez, J. (17 de Agosto de 2017). academia.edu. Obtenido de academia.edu: https://www.academia.edu/34196899/Refrigeradores_y_Bombas_de_Calor?auto=download

Teresa Martin Blas; Ana Serrano Fernández. (14 de Julio de 2009). upm.es. Obtenido de upm.es: http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo2p/maquinas.html

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