Este documento describe una práctica de laboratorio sobre ciclos de refrigeración. Los objetivos son identificar las partes de un ciclo de refrigeración, identificar y cuantificar los flujos de energía, determinar el coeficiente de operación y conocer las limitaciones de la segunda ley de la termodinámica. La práctica involucra el uso de una bomba de calor, mediciones de temperatura y presión, y cálculos para analizar el ciclo termodinámico.

1. 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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2. 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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3. 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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4. Medidor de carátula de la
izquierda
Rango
(-1) – 10 [bar]
(-60) – 12 [°C]
Resolución
0.2 [bar]
1 [°C]
Legibilidad
Excelente
Excelente
Rango
(-1) – 30 [bar]
(-60) – 87 [°C]
Resolución
1 [bar]
1 [°C]
Legibilidad
Excelente
Excelente
Medidor de carátula de la
derecha
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
refrigerante
Pbaja
el
2 [bar]
200 000 [Pa]
Tsat = 2 [°C]
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5. Palta
9.4 [bar]
{Q}evaporador
200928 [J]
{Q}condensador
940 000 [Pa]
Tsat = 40 [°C]
-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
Actividad 8
Se obtuvo el coeficiente de operación del dispositivo:
β= 12 [1]
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6. 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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7. 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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8. 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
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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9. 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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10. 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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11. 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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12. 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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