Funcionamiento De Una Bomba De Calor

INFORME LABORATORIO 4 – REFRIGERADOR Y BOMBA DE CALOR UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA TERMODINÁMICA 27/10/2014 GRUPO 16 Oscar Arnulfo Núñez Rincón – Javier Alberto Viviescas Vargas – Julián Urrutia Albrecht – Henry Andrés Mojica Mojica

INTRODUCCIÓN [Ref. 1] Una bomba de calor es un dispositivo que aplica trabajo externo para extraer una cantidad de calor QC de un foco frío y entregar calor QH a un foco caliente. La bomba está sujeta a las mismas limitaciones de la segunda ley de la termodinámica como cualquier otro motor térmico, y por lo tanto se puede calcular la máxima eficiencia a partir del ciclo de Carnot. Las bombas de calor, se caracterizan normalmente por un coeficiente de rendimiento (COP), que es el número de unidades de energía entregada al foco caliente, por unidad de trabajo de entrada. En esta práctica de laboratorio, se analizará el funcionamiento de una bomba de calor que funciona con agua y refrigerante R134A, así como las variables involucradas durante sus procesos y el rendimiento de la misma. Para esto, se tomarán mediciones de presión y temperatura (agua, entrada, y salida) durante intervalos de tiempo de 1 minuto, permitiendo analizar el proceso continuamente. OBJETIVOS [Ref. 2]  -

General Afianzar los conceptos de ciclos de refrigeración por compresión de vapor, bomba de calor, compresor

hermético, válvula de expansión, baño frío y baño caliente, medición del consumo de energía, potencia del compresor, y balance térmico del ciclo de refrigeración.  -

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Específicos Medir la presión y temperatura en el circuito y reservorios de agua a un lado del condensador y del vaporizador. Determinar la energía que se transfiere tanto al baño frío como al baño caliente, la densidad del refrigerante, flujo en el circuito de refrigeración y la eficiencia volumétrica del compresor. Medir la energía y potencia consumidas por el compresor y determinar el coeficiente de rendimiento COP del sistema.

MARCO TEÓRICO [Ref. 1] y [Ref. 2] Para la realización de la práctica, es necesario conocer algunos conceptos y modelos que permitirán calcular las variables termodinámicas deseadas así como algunos equipos utilizados. 

Compresor: Máquina que, a través de un aumento de la presión logra desplazar fluidos compresibles, como los gases. También modifica la

densidad y la temperatura del fluido compresible. 

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Condensador: Es un intercambiador térmico, en cual se pretende que el fluido que lo recorre cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor (cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de aprovechamiento) con otro medio. Vaporizador: intercambiador de calor donde se produce la transferencia de energía térmica desde un medio a ser enfriado hacia el fluido refrigerante que circula en el interior del dispositivo. Durante el proceso de evaporación, el fluido pasa del estado líquido al gaseoso. El diagrama de Moiler (h, log p) con p la presión y h la entalpia especıfica de la sustancia, se usa para describir procesos cíclicos en la tecnología empleando calor, en este caso el sistema de refrigeración de la bomba de calor.

Imagen 1. Ciclo de bomba de vapor ideal. 

La tasa de transferencia de calor Q del vaporizador y el condensador, se calcula a partir de: (1)

Donde C es el calor específico, m es la masa, ∆𝜃/∆𝑡 es la variación de la temperatura con respecto al tiempo. 

El flujo de volumen real de la sustancia en el proceso y la eficiencia del compresor pueden ser calculados a partir del flujo de calor vaporizante como: (2) Donde 𝑄̇ 𝑜 es el flujo de calor del vaporizador, 𝑉̇ es el flujo de volumen real, 𝑣 es el volumen específico del vapor y h1 y h3 son las entalpías.

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El rendimiento de una bomba de calor se mide por el coeficiente de rendimiento (COP), este se halla de la siguiente manera: (3) Donde 𝑄̇ es el flujo de calor en la parte del condensador y P es la potencia media del compresor durante la práctica.

EQUIPOS  Vaporizador y condensador.  Bomba de calor, compresor principal (Danfuss TL4G 220-240V, 50 Hz).  6 Termómetros (Rango: -10°C a 110°C, ±1°C)  Ventilador de aire caliente/frío (1700W)  Beaker alto de 2000mL  Potenciometro Phywe 13715.93.  Mangueras  Agua  Refrigerante R134A

MONTAJE

Imagen 2. Montaje experimental del laboratorio. PROCEDIMIENTO 1. Se vertió agua en los tanques de tal manera que los serpentines estuvieran totalmente inmersos. 2. En segundo lugar, se verificó que el agua del condensador no estuviese más fría que la del condensador y se midieron todas las presiones y temperaturas antes de encender la bomba de calor. 3. Por último, se encendió la bomba de calor y se registraron todos los datos del vaporizador y condensador cada minuto durante el proceso. (En nuestro caso, 13 minutos) PRESENTACIÓN DE RESULTADOS

1. En primer lugar, utilizando las ecuaciones 1, se calculan la energía transferida al baño frío 𝑞𝑜 , la energía liberada 𝑞, y el trabajo específico del compresor 𝑤. Con ayuda de las tablas termodinámicas se hallaron las entalpías y luego se realizó una regresión con el fin de obtener un dato que representara el resto de la muestra poblacional. Los resultados se muestran en la tabla 2. Tiempo (min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Total

qo (kJ/Kg) 0 183,1014 179,6972 178,613 174,4846 171,7304 168,2762 168 167,1478 166,5836 164,9194 164,9194 162,5552 2050,0282

q (kJ/Kg) 0 184,26 181,72 182,95 165,06 162,87 159,98 159,98 159,98 159,98 181,77 183,72 185,09 2067,36

W (kJ/Kg) 0 1,1586 2,0228 4,337 9,9167 11,6531 12,8034 13,6657 14,5179 16,2543 16,8506 18,8006 22,5348 144,5155

Tabla 2. Resultados de 𝑞𝑜 , 𝑞 y 𝑤. 2. En segundo lugar, se realizaron las gráficas que relacionan la densidad con la temperatura de salida del vaporizador y el condensador.

Densidad (kg/m3)

50

Densidad vs Temperatura de salida en el condensador

40 30 20 10 0 16 21 26 31 Temperatura de salida del condensador (°C)

36

Grafico 1. Densidad vs Temperatura de salida en condensador. Tabla 1. Datos experimentales del condensador y vaporizador.

Densidad (kg/m3)

30

Densidad vs Temperatura de salida en el vaporizador

𝑉̇ 𝑔 = 123𝑐𝑚3 /𝑠 Ahora, la eficiencia volumétrica compresor es: 𝑉̇ 42.5 𝛾= = = 0.35% 𝑉𝑔 123

25 20 15 10

del

5 0 0

5 10 15 Temperatura de salida del vaporizador (°C)

20

Grafico 2. Densidad vs Temperatura de salida en vaporizador. 3. Luego, se halló la transferencia de calor para el vaporizador utilizando la ecuación 1, de la siguiente forma: 𝑘𝐽 19𝐾 𝑄̇ 𝑜 = 4.18 ∗ 3.18 𝑘𝑔 ∗ 𝑘𝑔 ∗ 𝐾 780 𝑠 𝑄̇ 𝑜 = 0.324 𝑘𝐽/𝑠 De forma análoga se realiza para el condensador, obteniendo: 𝑘𝐽 17𝐾 𝑄̇ = 4.18 ∗ 3.82 𝑘𝑔 ∗ 𝑘𝑔 ∗ 𝐾 780 𝑠 𝑄̇ = −0.348 𝑘𝐽/𝑠 El volumen real del refrigerante a los 13 minutos es: 𝑣 ∗ 𝑄̇ 𝑉̇ = ℎ1 − ℎ2 Donde v a una presión de 1500 kPa es 0.01328m3/s, h1 a una presión de 150 kPa es 388.12 kJ/kg y h3 a una presión de 1500 kPa es 279.53 kJ/kg 𝑚3 ∗ 0.348 𝑘𝑗/𝑠 𝑙 𝑘𝑔 𝑉̇ = = 0.0425 𝑘𝑗 𝑘𝑗 𝑠 388.12 − 279.53 𝑘𝑔 𝑘𝑔 0.01328

Ahora el volumen de flujo geométrico es 𝑉𝑔̇ = 𝑉𝑔 𝑓, Donde 𝑉𝑔 es 5.08 𝑐𝑚3 y 𝑓 es 1450 rpm, Despejando:

4. Por último, se calculó la eficiencia COP, medida del lado del condensador ya que hace referencia al compresor, utilizando la ecuación 3. 𝑄̇ 348 𝐽/𝑠 𝐶𝑂𝑃 = = = 2.9 𝑃 120 𝐽/𝑠 ANÁLISIS DE RESULTADOS En primer lugar, hay que resaltar que tanto el compresor, como el condensador y el vaporizador, cumplieron su función pues, al finalizar la práctica, el agua del Baker del lado del vaporizador terminó fría y el del condensador caliente. Esto ocurre por la transferencia de calor del agua a los serpentines en el caso del vaporizador y de forma contrario en el condensador. En segundo lugar, se observa que a medida que avanza el tiempo, el 𝑞𝑜 disminuye, esto se da porque a medida que transcurre el tiempo, una cantidad de calor mayor se le ha suministrado ya al baño frío, por lo tanto entre más energía se le haya transferido, será más difícil seguir transfiriendo. Esto se ve reflejado en el trabajo, va aumentando cada vez que se registran los datos, siguiendo la lógica anteriormente expuesta. En tercera instancia, puede observarse que conforme aumenta la temperatura, aumenta la densidad tanto en el condensador como en el vaporizador, la justificación radica en que al aumentar la temperatura, el volumen específico disminuye ya que algunas moléculas

comienzan a cambiar de estado, al disminuir el volumen específico y sabiendo que este es el recíproco de la densidad, esta última aumenta. En cuarto lugar, analizando las transferencias de calor, el flujo de calor en el vaporizador es positivo ya que el agua le suministra calor para vaporar el fluido en su interior. Caso contrario ocurre con el condensador, es por esta razón, que el agua de lado del vaporizador terminaba con temperaturas muy bajas y la del condensador con temperaturas superiores. Por último, analizando el COP obtenido, se logran 2,9 kW de potencia de refrigeración por cada kW de potencia consumida por el compresor de la bomba de calor, aunque parezca extraño que supere la unidad, esto se debe a que en realidad se está moviendo calor usando energía, en lugar de producir calor como en el caso de las resistencias eléctricas. CONCLUSIONES - Se cumplió el objetivo de la práctica debido a que se conoció el funcionamiento de una bomba de calor, así como el comportamiento de algunas variables termodinámicas involucradas en el proceso. - La densidad y la temperatura son variables proporcionales para el caso de una bomba de calor con R134A y agua. Es decir, a medida que aumenta la temperatura, aumenta la densidad debido a la disminución en el volumen específico. - El agua en el vaporizador acabó con temperaturas muy bajas debido a la transferencia de calor hacia el dispositivo con el fin de que este cumpliera su función, por lo tanto, se

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evidencia el correcto funcionamiento del condensador y el vaporizador. La cantidad de calor que se puede bombear depende de la diferencia de temperatura entre los focos frío y caliente. Cuanto mayor sea esta diferencia, menor será el rendimiento de la máquina [3]. La presión en el vaporizador disminuye con el tiempo debido a que el volumen específico aumenta, por lo tanto la energía que tienen las moléculas por unidad de área al chocar contra las paredes es menor. Caso contrario ocurre con el condensador.

RECOMENDACIONES - Para verificar que el caudal es el calculado se debería tener un sensor de flujo volumétrico en el sistema para estar completamente seguro de cuanto líquido está pasando por el sistema en cierta cantidad de tiempo. -

El laboratorio donde se haga dicha experimentación debe contar con una temperatura lo más semejante a la cual está el sistema para evitar la pérdida de energía en forma de calor.

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Debido al número de datos y los cambios con gran sensibilidad, es conveniente realizar el experimento con un sistema de adquisición de datos electrónicos, en especial si el número de personas es reducido.

REFERENCIAS - [1] Çengel, Yunus A. Thermodynamics: an engineering approach 7th edition. McGraw-Hill. 2012 - [2] Castro, J. (s.f.). Refrigerador y Bomba de calor.https://sicuaplus. uniandes.edu.co/bbcswebdav/pid9729 31-dtcontentrid10 864935_1/courses /201 420_IME1330 L_04/bomba_de_ calor.pdf - [3] Bomba de calor. (Octubre 2014). http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_de_ calor#Rendimiento