ESTUDIO EXPERIMENTAL DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN.

Ph.D. IE. Francisco Ernesto Moreno García 1 IEM. Arcenio Calderón Ledesma 2

Universidad Francisco de Paula Santander.E-mails:fermgarcia, arceniocle@ufps.edu.co

Abstract: This paper presents the study of the test bench for a compression refrigeration system, from a small commercial refrigerator cooling capacity is replaced its original hermetic compressor for an automotive compressor is coupled by belt toward phase electric motor. Turns is controlled by the variable speed drive responsible for maintaining continuous process and eliminate the traditional ON- OFF operation presenting commercial refrigerators. Moreover the program was designed to acquire data using LabVIEW with DAQ software 6009, where there took into account the variables of pressure and temperature in the refrigeration cycle, performing a series of experimental tests corresponding to seek ways appropriate selection for better optimization strategy considering the extraction capacity of the evaporator (Qev) and coefficient of performance (COP).

Resumen: En este artículo presenta el estudio del banco de pruebas para un sistema de refrigeración por compresión, A partir de una nevera comercial de pequeña capacidad de enfriamiento, se sustituye su compresor original de tipo hermético, por un compresor automotriz que es acoplado por una correa hacia el motor eléctrico trifásico. A su vez es controlado por el variador de velocidad encargado de mantener el proceso continuo, y así eliminar la operación tradicional ON-OFF que presentan las neveras comerciales. Por otra parte se diseñó el programa para la adquisición de datos mediante el software LabVIEW con una DAQ 6009, donde ahí tuvo en cuenta las variables de presión y temperatura en el ciclo de refrigeración, realizando una serie de pruebas experimentales correspondientes que buscan la forma de selección más adecuada para una mejor estrategia de optimización teniendo en cuenta la capacidad de extracción del evaporador (Qev) y el coeficiente de desempeño (COP).

Keywords: COP, Enthalpy, Pressure, Refrigeration System, Temperature.

1. INTRODUCCIÓN.

En la actualidad la refrigeración es una de las bases fundamentales más usadas en el mundo moderno, que involucra a nivel industrial, residencial y comercial. Hoy en día se están implementando e investigando estrategias que beneficien la optimización y desempeño del consumo

de energía. [3] El ciclo de refrigeración está constituido por cuatro dispositivos como el condensador, evaporador, válvula de expansión, tubería y el compresor. Pero el más importante de todos ellos es el compresor, que necesita a través de un movimiento rotativo para movilizar y aumentar la presión del líquido refrigerante, la cual sería el único

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dispositivo que requiere de una fuente de energía externa para su funcionamiento. [2] Generalmente los sistemas de refrigeración por compresión tales como neveras, aires acondicionados y cuartos fríos, trabajan con el tipo de control ON- OFF. El mayor problema se encuentra que cada vez que se encienda o se apague el sistema, va generar altos picos de corrientes de arranque y siempre va a funcionar a su máxima capacidad. [1] Esto se refleja en un alto consumo energético como también un mayor desgaste de las partes internas del compresor. En este proyecto se presenta la construcción de un banco de pruebas del sistema de refrigeración por compresión, que utiliza un compresor automotriz que está acoplado a un motor eléctrico trifásico a través de un sistema de polea y correa, de manera que el sistema sea de manera continua. [4][5][6] Con el software LabVIEW y el DAQ 6009 se construye la programación correspondiente, para observar las variables de presión y temperatura más importantes dentro del sistema, y así mejorar el comportamiento térmico del ciclo de refrigeración. [9][10]

2. CONCEPTOS BÁSICOS.

El ciclo de enfriamiento más utilizado para producir refrigeración mecánica es el sistema de refrigeración por compresión. En la figura 1 muestra la constitución básica de los equipos correspondientes con su respectiva tubería de interconexión tales como: dispositivo de expansión, evaporador, compresor y condensador. El refrigerante líquido, entra al dispositivo de expansión en la zona de presión de alta con su temperatura relativamente baja. Existen diversos equipos de estrangulamiento, ya que los más empleados son la válvula de expansión y

el tubo capilar, [7] este dispositivo tiene un orificio estrecho, lo que da por resultado una gran pérdida de presión al fluir refrigerante a través del mismo. El refrigerante fluye a través de la tubería del evaporador, de la zona de baja a la zona de alta presión. La sustancia que se enfría generalmente es aire o líquido, que fluye por el exterior de los tubos, al hallarse la temperatura más elevada que la del refrigerante dentro del evaporador, existiendo una transferencia de energía que se obtiene por medio de la pared del tubo. En el momento que el refrigerante se encuentre en su temperatura de saturación, absorbe la cantidad de calor suficiente que se produce a través del evaporador, permitiendo la refrigeración útil. [8] El compresor hace entrar al vapor por el lado de la succión, para luego comprimirlo aumentando la presión, llegando al proceso de la condensación. Esta presión es aproximadamente igual a la cual entró al dispositivo de expansión. Se requiere trabajo para comprimir el gas; este efecto se procede de un motor o de una máquina que mueve al compresor. [11] [12]

Fig.1. Sistema básico del ciclo de refrigeración por compresión.

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3. DISEÑO DEL BANCO EXPERIMENTAL.

3.1 Selección de la tubería.

La tubería que se utilizó para la adaptación del compresor automotriz con la nevera fue en acero inoxidable. Las grandes ventajas que tienen el banco de pruebas son la versatilidad, durabilidad y resistencia de soportar cualquier tipo de vibraciones mecánicas que puede alterar al sistema de refrigeración. El acero inoxidable tiene mayor resistencia a ruptura y a vibraciones mecánicas con respecto al cobre y el aluminio, ya que esta tubería se encuentra en contacto directo con el compresor. Debido que el acero presenta un bajo coeficiente de conductividad térmica comparado a los materiales mencionados, garantiza que el sensor de Presión esté a una temperatura ideal permitiendo un mejor desempeño de medida. La salida y la entrada del compresor tienen un diámetro exterior de 3/16” y 1/4” respectivamente, la cual evita que el refrigerante entre en estado líquido. Estos valores fueron los que se consiguió en el mercado para la unión de tuberías, existiendo la seguridad posible tal como se muestra en la figura 2.

Fig 2. Diseño en 3d de las tuberías.

Por otra parte está el diagrama P&ID, que constituye todo el sistema de equipos y tuberías que involucra dentro ciclo de refrigeración, como también la instrumentación electrónica encargado de adquirir datos que son tomados en los diferentes puntos del proceso, que van directamente conectados hacia el DAQ y el ordenador.

Fig 3. Diagrama P&ID del sistema de refrigeración por compresión.

3.2 Construcción del banco de refrigeración.

En la implementación física debe tenerse en cuenta muchos aspectos, para una mejor estabilidad, y desempeño de operación en el sistema de refrigeración. Debido a la complejidad de construcción, primeramente se caracteriza el manejo de presiones y temperaturas, para el control del fluido que circula internamente dentro del ciclo. A su vez la soldadura y la estructura total del proceso deben cumplirse con los estándares de calidad y seguridad.

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El compresor convencional que utiliza la mayoría de sistemas de refrigeración es de tipo ON-OFF. Los compresores herméticos, las cuales traen comúnmente las neveras, se encienden hasta alcanzar la temperatura deseada y se apagan cuando este se encuentra el set- point establecido, ya sea a través del termostato mecánico o digital. Con este estudio se busca mejorar la eficiencia eléctrica y mecánica, como también la instrumentación apropiada que genere un mejor rendimiento de trabajo en el ciclo de refrigeración. El primer paso a seguir es la selección del equipo a implementar, en este caso una nevera de pequeña capacidad de enfriamiento como se muestra en la foto 1.

Foto 1. Nevera de pequeña capacidad de enfriamiento.

El compresor original de la nevera se cambió por otro compresor de tipo automotriz, la cual es acoplada por medio de un sistema de polea-correa que va hacia el motor trifásico Siemens de 1HP. Asimismo la conexión de tubería que se utilizó, fue en acero inoxidable y además se colocaron válvulas mecánicas donde

van ubicado los manómetros y sensores, tanto la zona de alta como la de baja.Todas esas conexiones se realizaron con soldadura autógena por un profesional en refrigeración, para evitar porosidades y asegurar una buena adherencia. El acople total de sistema se puede ver en la Foto 2.

Foto 2. Sistema de Acople total de la nevera.

Por otra parte la instrumentación se selecciona teniendo en cuenta los parámetros principales que son: seguridad, variable del proceso, fiabilidad, resolución y costo. En los puntos más críticos y relevantes de temperatura, están ubicados a la entrada y salida del condensador, como también a la entrada y salida del evaporador, en este caso se utilizaron termopares tipo K. Asimismo para sensar las temperaturas del ambiente externo y en el gabinete de la nevera que son temperaturas que no varían, se utilizó el LM35. Para la medición de la presión de salida del compresor, se colocó el transmisor piezorresistivo MSB3000 marca DANFOSS que mide de 0 a 10 Bares, y para la presión de baja se utilizó el transmisor de presión marca Motorola MPXM2102, el cual mide de 0 a 100 kPa, que va a la salida del evaporador. La calibración de los sensores de

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temperatura se realizó en el laboratorio de instrumentación, ya que por medio de un horno, se aplicó el baño térmico, comparando las temperaturas con respecto a la salida de voltaje del acondicionador de señal. Finalmente se acomoda el motor, por lo cual produce campos electromagnéticos que afectan principalmente a los termopares, permitiendo la localización del motor un poco más lejos de la nevera. Además se fijó el variador de velocidad ALTIVAR71 a 90°, generando así una mejor transferencia de calor entre los semiconductores y aletas.

Foto 3. Banco de pruebas del sistema de refrigeración por compresión.

3.3 Diseño Electrónico.

3.3.1 Acondicionadores de señal de los sensores.

El sensor de temperatura utilizado es el termopar tipo K que tiene una sensibilidad de 41 µV/°C, la cual requiere de un amplificador de instrumentación AD 595, que ofrece una mayor exactitud y no necesita compensación con la temperatura ambiente, como también posee una alta

impedancia de entrada y un encapsulamiento eficaz que ayuda evitar la presencia de ruidos y perturbaciones indeseados.

Fig. 4. Acondicionador de temperatura para el termopar tipo K AD595.

Al realizar la linealización de la curva para el termopar tipo K, se encontró la constante de multiplicación como se aprecia en la figura 5.

Fig.5. Curva de calibración de los termopares tipo K.

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El modelo lineal que describe el comportamiento del termopar está expresado por la ecuación 1.

T ( ν )=85.185∗v+1.29 (1)

El sensor de temperatura LM35 requiere de un circuito eléctrico que permite obtener el rango máximo de operación de temperatura, dicho circuito se puede ver en la figura 6.

Fig.6. Conexión circuital del LM35.

En la figura 7 se aprecia la curva de calibración del sensor de temperatura LM35, que modela la relación lineal que existe entre el voltaje y la temperatura.

Fig.7. Curva de calibración del sensor de temperatura LM35.

El modelo lineal que describe la curva del LM35 está expresado por la ecuación 2.

T ( v )=6.77 v+3.145 (2)

El sensor de presión de alta MSB3000 marca DANFOSS tiene una salida de 4-20mA. Este instrumento generalmente se conecta en serie con una resistencia y se mide la caída de tensión que incide en ella a través de la DAQ 6009, de esta manera no es necesaria diseñar una etapa de amplificación. La resistencia seleccionada fue de 250 Ω que multiplica a la salida de la corriente del transmisor que va de 1-5V. El modelo circuital se puede apreciar en la figura 8.

Fig. 8. Conexión circuital del transmisor de presión MSB3000 DANFOSS.

En la figura 9 se aprecia la curva de calibración del sensor de presión MSB3000 DANFOSS, que modela el comportamiento lineal que existe entre el voltaje y la presión.

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Fig.9. Curva de calibración del sensor de Presión MSB 3000.

El modelo lineal que describe la curva de presión está expresado por la ecuación 3.

P (ν )=200∗ν+0.4 (3)

3.3 Programa de Monitoreo.

Para la medición de datos se realizó la programación en LabVIEW. Este programa permite el monitoreo de las temperaturas y presiones sensadas por los termopares tipo K, LM35 y los transmisor de presión. A su vez cuenta con la presencia de una ventana correspondiente llamado sistema completo que muestra todos los valores censados en el proceso por medio de indicadores numéricos, entre ellas las temperaturas que están localizadas en el domo de refrigeración, la del ambiente y al interior de la nevera. Además las presiones de baja y de alta como se ve en la figura 10.

El diagrama de bloques de la figura 11 representa la adquisición de datos con sus respectivas constantes, calculadas a partir de

la calibración obtenida.

Fig. 10. Panel principal del sistema en LabVIEW.

Fig. 11. Diagrama de bloques de la adquisición de datos del Sistema LabVIEW.

El diagrama de bloques de la figura 11 que representa la adquisición de datos con sus respectivas constantes, calculadas a partir de la calibración obtenida, muestra que el valor numérico de 85,185 representa el multiplicador del acondicionador de señal aplicado a los sensores de temperatura, que se obtuvo después de linealizar la curva de calibración y poder determinar el valor

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de la pendiente que más se ajusta a la curva. Como la señal debe ir en el indicador en °C, se multiplica la señal de entrada por el valor de la pendiente y consecutivamente por 100. A la vez el sensor de presión de alta es un transmisor electrónico que envía una señal de 4 a 20 mA, colocando una resistencia de 250Ω que ocasiona una caída de tensión de 1 a 5V, equivaliendo que 1V es igual a 200kPa y 5V a 1MPa. Por tal razón el valor de la constante debe ser de 200, ocasionando así que el indicador mida en kPa. En la figura 12 se aprecia la DAQ Assistant, encargado de configurar las entradas análogas de las 8 variables que se adquiere dentro del sistema de refrigeración. La configuración de los rangos de voltaje que se tomó fue de 10V a -10V, En Timing Settings (Ajustes de sincronización). Se programa según el tipo de dato que se va adquirir, en este caso son muestras continuas, a una velocidad de 1kHz, leyendo 1000 muestras en cada periodo de tiempo. Esta adquisición se establece por efecto para todos los demás canales, debido a la construcción interna de la tarjeta.

Fig. 12. DAQ Assistant.

Debido que el sistema está expuesto a vibraciones mecánicas generadas por el motor, el compresor y el ciclo de refrigeración en general, se implementa en diagrama de bloques del LabVIEW, un filtro pasa bajas que se ilustra en la figura 13. La herramienta muestra el tipo de filtro, la topología que se usó en este caso es un Butterworth, de orden (2) y la frecuencia de corte a 20 mHz; la cual se obtuvo de manera manual mediante el método de prueba ensayo y error.

Fig. 13. Filtro para las señales de entrada.

4. IDENTIFICACIÓN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN.

En esta etapa corresponde la realización de pruebas experimentales que ayudan determinar el trabajo de operación del sistema, donde al variar las RPM del compresor, se mide los cambios de las presiones y temperaturas. El estudio que se realizó fue aplicando la máxima velocidad al compresor, cuando este alcanza la temperatura máxima en régimen permanente la cual fue de -10 °C a la entrada del evaporador, a su vez se disminuyó la velocidad en lapsos de tiempo de dos minutos, donde se aprecia un ascenso considerable de la temperatura y una caída de presión en la salida del

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compresor. Por otro lado la capacidad de extracción de calor del evaporador Qev, se puede apreciar en la figura 14, a medida que el compresor incremente la velocidad, en este caso las revoluciones por minuto RPM, aumenta su capacidad de enfriamiento. El mayor cambio se dio entre 800 y 1000 RPM, ya que este compresor es de tipo automotriz y su diseño está construido para ese rango de velocidades, porque es el mínimo que operan los motores de combustión interna para este tipo de vehículos marca FORD. El modelo matemático que expresa para calcular Qev está representado por la ecuación 4.

Q ev=m(h1−h4) (4)

Donde

Q ev=¿Calor Retirado en el evaporador

en kJs

m=¿ Flujo másico del refrigerante en kgs

h 1−h4 = Diferencia de entalpías en el

evaporador en kJkg

A partir de esta ecuación se calcula todas las variables pertinentes que trabajan a diferentes RPM, como se ilustra la siguiente figura.

Figura 14. RPM Vs Qev.Por otra parte se habla del COP que es conocido como coeficiente de desempeño, que relaciona la potencia del compresor y la capacidad de extracción del evaporador. En la siguiente figura se ilustra el COP que aumenta de manera proporcional con las RPM, el mayor cambio ocurre entre 800 y 1000 RPM, debido a la construcción dinámica del compresor. Además este dispositivo puede trabajar hasta 6000 RPM, que generalmente recomienda trabajar en el rango de 1000 a 3000 RPM, ya que el máximo COP se encuentra a 2000 RPM y después de este punto comienza a descender. Por lo tanto partiendo del principio termodinámico de Carnot en ciclo real, la relación que describe el coeficiente de desempeño en el refrigerador, está modelado por la ecuación 5.

COP=Q evW

(5)

Donde

COP=¿ Coeficiente de desempeño del refrigerador.

Q ev=¿Calor Retirado en el evaporador

en kJs

.

W =¿ Trabajo Realizado por el

compresor en kJs

.

Como el banco de pruebas posee un motor trifásico que trabaja hasta 1660 RPM, por esta razón el comportamiento del sistema está acorde con la figura 15.

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Figura 15. COP Vs RPM.

El siguiente análisis de estudio corresponde la variación de entalpía-presión que dentro del sistema trabaja con el refrigerante R134a, que permite conocer la entalpía de cada punto en el ciclo de refrigeración. Bajo las condiciones establecidas de la caracterización del sistema, se varía la velocidad del compresor que se somete, para analizar el comportamiento dinámico de la relación P-h. En la figura 16 se apreciar el domo de refrigeración a 1660 RPM donde tiene su mayor amplitud, cuando la velocidad que se aplica al compresor, la presión y la temperatura son máximas.

Figura 16. P Vs h a 1660 RPM.

Cuadro 1. P Vs h a 1660 RPM.

En la figura 17 muestra como disminuye el domo a 498 RPM, ya que las entalpias de los diferentes puntos del sistema su valor desciende proporcionalmente con la velocidad del compresor.

Figura 17. P Vs h a 498 RPM.

Cuadro 2. P Vs h a 498 RPM.

La mayor reducción se presentó a la velocidad de 498 RPM en el compresor, debido a diferentes factores, entre ellos la construcción mecánica del compresor, el cual está diseñado para un margen

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mínimo de velocidad y que el motor eléctrico se recomienda usarlo a frecuencias mayores a 18Hz para evitar sobrecalentamiento. La siguiente etapa muestra la variación de temperatura de subenfriamiento, de manera que asciende proporcionalmente a medida que aumenta la velocidad del compresor. Para todo rango de operación, se asegura una Tsb positiva que concluye que el refrigerante R-134ª se encuentra en fase liquida.

Figura 18. Tsb Vs RPM.

En la figura 19 muestra la variación de velocidad con la temperatura de sobrecalentamiento (Tsq). Después de 1000 RPM sufre una alteración constante, permitiendo que el sistema sea estable.

Figura 19. Tsq Vs RPM.

En la temperatura del evaporador (Tev) en función de la velocidad del compresor, se describe el comportamiento del fluido sometido a diferentes velocidades, ya que después de 1000 RPM logra alcanzar la temperatura mínima debido a que el tubo capilar cumple con los requerimientos eficientes haciendo que exista optimización y desempeño en el ciclo de refrigeración.

Fig.20. Tev Vs RPM.

Finalmente en el circuito de refrigeración ubicado en la zona de alta presión que comprende la entrada y salida del condensador, el refrigerante se encuentra a una temperatura superior a la del ambiente, de manera que aumenta al incrementar las revoluciones aplicado en el compresor, por lo cual esta variable es conocida como temperatura de saturación alta o Tcd.

Fig. 21. Tcd Vs RPM.

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6. CONCLUSIONES.

Cuando aumenta la velocidad del compresor, ocasiona un incremento de capacidad de extracción de calor en el evaporador, ya que mejora la calidad de enfriamiento que circula al interior de la nevera, debido a que el mayor cambio ocurre a partir de 800 a 1000 RPM.

Al bajar la velocidad y la relación de compresión del compresor, el sistema de refrigeración presenta notoriamente un bajo consumo de energía, permitiendo que exista una alta eficiencia volumétrica dentro del sistema.

La temperatura de saturación en la zona de alta, aumenta con las revoluciones por minuto que se suministra al compresor de manera proporcional, y sigue aumentando debido a que el condensador tiene un buen rendimiento y alcanza disipar el calor, evitando que se sature. Con respecto a la temperatura de saturación en la zona de baja disminuyen al aumentar las revoluciones hasta un valor 1000 RPM, cuando alcanza este valor se mantiene constante a pesar de seguir aumentando la velocidad en el compresor, esto se debe porque el evaporador es pequeño y alcanza su máximo de disipación de frio y se satura.

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