Desarrollo de un sistema para el registro de
variables termodinámicas en un equipo de
enfriamiento
Development of a System for the Recording of Thermodynamic Variables in a
Refrigeration Equipment
Federico Roffé, Guillermo O. Lombardero, Guillermo R. Sánchez
Departamento de Física - Departamento de Ingeniería – UNNE-FACENA
Campus Av. Libertad 5470 Corrientes, Argentina
imit-bec-fro@comunidad.unne.edu.ar
Abstract— This project consisted of the design,
implementation and calibration of a system for recording
variables of the operation of a cooling equipment. It was
sought to have parameters for the analysis of efficiency and
optimal establishment of the work cycle. The measurement
system was implemented in a refrigeration circuit of the
Thermodynamics Laboratory of the FACENA-UNNE,
considering normal working conditions.
Keywords: cooling equipment, refrigeration system, duty
cycle.
Resumen— Este proyecto consistió en el diseño,
implementación y calibración de un sistema de registro de
variables del funcionamiento de un equipo de refrigeración. Se
buscó contar con parámetros para el análisis de eficiencia y
establecimiento óptimo del ciclo de trabajo. El sistema de
medición se implementó en un circuito de refrigeración del
Laboratorio de Termodinámica de la FACENA-UNNE,
teniendo en cuenta las condiciones normales de trabajo.
Palabras clave: equipo de enfriamiento, sistema de
refrigeración, ciclo de trabajo.
I. INTRODUCCIÓN
La refrigeración es un proceso que consiste en bajar o
mantener el nivel térmico de un cuerpo o un espacio. Cuando
hablamos de frío nos referimos a una menor cantidad de
calor que posee un cuerpo con respecto al ambiente que lo
contiene y que debe hablarse de mayor o menor cantidad de
calor o de mayor o menor nivel térmico (nivel que se mide
con la temperatura). Refrigerar es un proceso termodinámico
en el que se extrae calor del objeto considerado (reduciendo
su nivel térmico), y se lleva a otro, que sea capaz de admitir
esa energía térmica sin problemas. Los fluidos utilizados
para llevar la energía calorífica de un espacio a otro son
llamados refrigerantes [1] y dependiendo de los fines, la
refrigeración puede hacerse de varios modos [2].
El método normalmente utilizado para el enfriamiento de
espacios cerrados se consigue mediante los procesos de
compresión y de absorción. El tratamiento por compresión es
de estos dos el más frecuente, puesto que el procedimiento
por absorción solo se suele utilizar cuando hay una fuente de
calor residual. La refrigeración por compresión es un método
que consiste en forzar mecánicamente la circulación de un
refrigerante en un circuito cerrado dividido en dos zonas, una
de alta y otra de baja presión, con el propósito de que el
fluido absorba calor del ambiente en el evaporador (baja
presión) y lo ceda en el condensador (alta presión). Se basa
en las propiedades de ciertos refrigerantes, siendo la
principal su temperatura de vaporización que a presión
atmosférica es extremadamente baja. Los refrigerantes
utilizados comúnmente, tienen temperaturas de ebullición en
condiciones normales, alrededor de -40ºC.
El circuito de refrigeración corresponde a un arreglo
mecánico basado en los principios de la termodinámica y
mecánica de fluidos diseñado para transferir energía térmica
entre dos focos (sistemas termodinámicos capaces de
intercambiar cualquier cantidad de calor sin que cambien sus
propiedades), desplazando la energía térmica contenida en
uno de sus focos a fin de obtener una menor temperatura en
este. Estos focos intercambian energía (calor, trabajo) con el
exterior, pero nunca materia (su masa permanece intacta).
Este cometido se lleva a cabo forzando la circulación de un
fluido refrigerante por el interior de un circuito cerrado o
semicerrado de tuberías e intercambiadores de calor. La
circulación de este fluido refrigerante se realiza a través de
máquinas como compresores y/o bombas, conforme la
naturaleza y estado del refrigerante [3].
Un diagrama P-h, o diagrama de Mollier para presión
entalpía, como se puede observar en Fig. 1, es la
representación gráfica en una carta semilogarítmica en el
plano presión/entalpía de los estados posibles de un
compuesto químico, especialmente para los gases
refrigerantes, y es en ella donde se trazan y suelen estudiar
los distintos sistemas frigoríficos de refrigeración por
compresión. Por su parte, cada refrigerante tiene su propio
diagrama P-h con particularidades que lo hacen más o menos
adecuado a cada aplicación frigorífica y propiedades
exclusivas como relación temperatura/presión tanto de
saturación, mezcla, efecto refrigerante, temperatura de
descarga del compresor en función de la entropía, entre
otros.
Recibido: 12/02/21; Aceptado: 30/04/21
Creative Commons License - Attribution-NonCommercial-
NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.5.1.123.2021
Original Article
Revista elektron, Vol. 5, No. 1, pp. 7-14 (2021)
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Fig. 1. Diagrama de Mollier simplificado para un ciclo cerrado.
Una de las ventajas del diagrama P-h es la facilidad con
que se pueden realizar los cálculos de sistemas frigoríficos y
selección de componentes como evaporadores,
condensadores, compresores, dispositivos de expansión,
tuberías y accesorios, así como trazar todo tipo de sistemas
frigoríficos de una etapa, compresión múltiple, sistemas en
cascada, sistemas con recirculado por bomba y otros.
Supuesto un refrigerante que cumple con todas estas
características, el proceso en un circuito frigorífico se lleva a
cabo elevando su presión y temperatura, mediante un
compresor, hasta alcanzar la presión de condensación (punto
1 en Fig. 1). En esas condiciones el fluido atraviesa el
condensador mientras intercambia calor con el medio
exterior. Como consecuencia de la cesión de calor se
produce la condensación del fluido, que sale del condensador
y alcanza la válvula de expansión totalmente en estado
líquido (punto 2 en Fig. 1). Esta parte del proceso se puede
considerar isotérmica, ya que no varía la temperatura durante
el cambio de estado.
El dispositivo de expansión provoca una caída repentina
de la presión y la temperatura sin intercambio de calor, por
lo que esta parte del proceso se puede considerar como una
transformación adiabática o isoentálpica (punto 3 en Fig. 1).
El fluido todavía en estado líquido y a la presión de
vaporización circula por el evaporador, del cual se absorbe la
energía térmica correspondiente al calor latente de
vaporización, de forma tal que el fluido sale del evaporador
completamente en estado de vapor. La transformación se
puede considerar isotérmica por la misma razón que se dio
en el condensador. A continuación, el vapor es aspirado por
el compresor para iniciar de nuevo el ciclo (punto 4 en Fig.
1).
En el ciclo de refrigeración ideal, en los balances de
energía del equipo, se desprecia cualquier pérdida o ganancia
de calor en las tuberías, considerando que los únicos
intercambios de calor que se producen en el sistema ocurren
en el evaporador y en el condensador. Sin embargo, en el
ciclo real el fluido refrigerante sufre una ligera caída de
presión y temperatura debido a las perdidas por fricción,
sobre todo en evaporador, condensador y en las restricciones
de las válvulas de admisión y de escape. Esto hace que el
ciclo real resulte ligeramente distorsionado respecto del ciclo
ideal.
Por otro lado, el Protocolo de Kyoto hace necesario un
aumento del rigor en la aplicación y la investigación de
nuevas técnicas ya que la mayoría de los sistemas de
refrigeración y de aire acondicionado usan una considerable
cantidad de energía y por lo tanto contribuyen ya sea directa
o indirectamente al calentamiento global [4].
Considerando lo expuesto anteriormente, surge la
necesidad de desarrollar un sistema que permita analizar las
variables termodinámicas de un medio de enfriamiento, para
determinar el funcionamiento y ciclo de trabajo de un
circuito de refrigeración, permitiendo un estudio de las
magnitudes físicas y un análisis detallado de los estados.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
El trabajo se inició con una investigación bibliográfica, la
cual se centró en la búsqueda y recopilación de información
sobre circuitos de refrigeración, los sensores a utilizar, el
sistema a implementar y un medio para la adquisición y
tabulación de datos basados en la plataforma Arduino. Luego
de un análisis exhaustivo se pudo concluir en la necesidad de
definir variables de contorno. El criterio que se tomó para la
elección de las variables del sistema de medición fue el de
lograr establecer un ciclo de trabajo mediante un diagrama
de Mollier y calcular su coeficiente de desempeño (COPr).
Una vez que se definieron cuáles eran las variables se
procedió a diseñar el sistema que permitió la medición y
adquisición de información, así como su almacenamiento
para el tratamiento de los datos y sus análisis posteriores. Las
variables termodinámicas para el diseño del sistema de
medición fueron, la temperatura del gas refrigerante en
diferentes puntos del circuito de refrigeración, la humedad
relativa y temperatura a la entrada y salida del aire ambiente
interior del evaporador, y el consumo de energía del equipo.
La elección de los sensores se basó en la necesidad de las
magnitudes a medir, el rango de medición y su
disponibilidad comercial.
A. Calibración de los sensores
En primer lugar, luego de adquirir los sensores, se
practicaron pruebas a modo de testeo usando una placa
Arduino basada en el Microcontrolador Atmega 2560.
Una vez conectados estos sensores a la placa se elaboró
un programa básico en la plataforma Arduino IDE (sketch)
para ir probando uno a uno estos, así como observar y
analizar qué datos se obtenían, y si eran consistentes con las
mediciones.
Uno de los problemas al momento de tomar mediciones
era el ruido incorporado en las señales, ya que éste las hacia
variar en un cierto rango, es decir, tomando muestras
consecutivas en iguales condiciones, los datos eran
diferentes. Para solucionar este inconveniente se procedió a
establecer un método de medición que anule lo máximo
posible estas variaciones. El método consistió en trabajar
sobre el programa para disminuir la incidencia del ruido.
Esta corrección se logró tomando un número finito de
muestras y realizando su promedio estadístico.
Otro problema que surgió fue el de que los sensores
arrojaron valores de medición diferentes, siendo que dichas
mediciones se realizaban en condiciones ambientales
iguales. Estos valores eran próximos entre sí, pero no lo
suficiente para tomarlos como verdaderos. Las discrepancias
entre los valores medidos se debieron a que cada sensor
posee un pequeño corrimiento del cero de medición (offset),
y cada uno de estos corrimientos es diferente para cada
sensor.
Para corregir esta cuestión se procedió a efectuar una
calibración de los sensores mediante un parámetro de
referencia. En el caso de la medición de temperatura, por
ejemplo, se aplicó la calibración utilizando como parámetro
patrón una resistencia de platino, aprovechando su exactitud
y fiabilidad.
La calibración consistió en poner todos los sensores en
un tubo de ensayo de vidrio aislando lo máximo posible el
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ingreso de aire dentro de este, luego este tubo se sumergió en
un recipiente con hielo y agua destilada para establecer un
equilibrio térmico entre todos los sensores y marcar la
temperatura de 0° Celsius. Posteriormente se fue
incrementando la temperatura de la mezcla del recipiente con
agua caliente y batiendo por momentos todo el sistema, y así
se fueron encontrando en diferentes periodos de tiempo los
incrementos de temperatura hasta llegar a los 50°C.
Para la siguiente etapa se puso el tubo en agua hirviendo
para lograr el equilibrio térmico a los 100°C, y luego se fue
disminuyendo la temperatura con agua fría destilada
mezclada con hielo, batiendo todo el conjunto por
momentos, hasta que se alcanzó a los 50°C.
Concluido este procedimiento se logró establecer los
valores parámetros para las mediciones de los sensores. Con
estos datos se corrigió el corrimiento sobre cada uno y se
equilibró todas las medidas de temperatura.
B. Mediciones
Para medir físicamente el calentamiento de un equipo de
refrigeración se deben seguir los siguientes pasos, se
necesita conocer la temperatura a la que llega el gas al
compresor y la temperatura a la que el refrigerante ha estado
cambiando de estado.
La temperatura en la aspiración del compresor se puede
medir con un contacto en la superficie exterior del tubo de
esa zona, esto es válido porque el refrigerante apenas
absorbe energía en este tramo final, dándose como iguales
el valor de temperatura del tubo y la temperatura del
refrigerante que por él circula.
La temperatura del cambio de estado es difícil de medir,
porque se necesita un elemento de medida que directamente
ofrezca la lectura de la temperatura que tiene el refrigerante
que circula por el interior de la tubería, en este caso no se
puede hacer la medición en la superficie del tubo por el que
circula, porque en esta zona el refrigerante está adquiriendo
energía para cambiar de estado de forma violenta, si se hace
la lectura de temperatura igual que antes, el contacto nos
daría la temperatura a la que el refrigerante es capaz de
enfriar nuestro sensor pero no ofrecería la temperatura a la
que se encuentra el refrigerante realmente. La única opción
es obtener el valor de temperatura partiendo del valor de
presión en el circuito, recordando que a cada valor de este
de un refrigerante le corresponde un valor de temperatura.
En este caso se puede obtener la lectura de presión del
evaporador con un manómetro y mediante la tabla de
características del gas obtener la temperatura
correspondiente.
Una vez que se han obtenido ambos valores de
temperatura solamente se tiene que restar a la temperatura
de aspiración la temperatura de cambio de estado y el valor
obtenido tiene que estar comprendido entre 5 y 8 º C.
Para garantizar que el refrigerante llega a la aspiración
del compresor en las condiciones óptimas de
recalentamiento se puede actuar sobre distintos elementos
que de forma directa o indirecta modifican el valor de
recalentamiento, las actuaciones que se pueden realizar para
variar el grado de recalentamiento y en qué dirección se las
tendría que llevar a cabo. Estas acciones se resumen en la
siguiente tabla:
TABLA I
Acciones para Modificar el Recalentamiento
Regular el paso de
aire
Falta de aire produce un recalentamiento
bajo.
Exceso de aire produce un recalentamiento
alto.
Modificar la
cantidad de carga
del equipo
Exceso de carga tiende a tener un
recalentamiento bajo o incluso nulo.
Falta de carga tiende a tener un
recalentamiento muy alto.
Regular el paso de
refrigerante con el
expansor
Expansor muy abierto tiende a tener un
recalentamiento muy bajo.
Expansor muy cerrado tiende a tener un
recalentamiento muy alto.
La dimensión del
evaporador tiene
que ser acorde al
equipo
Evaporador grande tiende a tener un
recalentamiento muy grande.
Evaporador pequeño tiende a tener un
recalentamiento pequeño.
El estado en el que el refrigerante llega al expansor es
capaz de condicionar el funcionamiento del equipo tanto
como para llegar al extremo de que nuestro equipo
frigorífico no sea capaz de funcionar correctamente, aunque
en menor medida que el grado de recalentamiento las
condiciones que el refrigerante tiene que cumplir son
bastante estrictas para que se garantice el buen
funcionamiento del circuito frigorífico en general. Si estas
características no se cumplen en la mayoría de los casos el
único problema es que nuestro equipo rendirá mal, lo que
vendría a decirnos que consumiría mucha energía para
producir una pequeña cantidad de frío, además podría llegar
a darse, en algún caso muy extremo la completa falta de
producción de frío e incluso la avería del circuito frigorífico
si no está regulado correctamente. El correcto estado del
refrigerante en la entrada del expansor se cuantifica en
función de la cantidad de líquido (tapón de líquido) formado
antes de la expansión y del espacio de tiempo que el
refrigerante espera su turno hasta poder atravesarlo.
La formación de un tapón de líquido en la entrada del
expansor se consigue por la completa transformación del
refrigerante a lo largo del recorrido del condensador, la
finalidad es que el líquido que tiene muy poca capacidad
para comprimirse al encontrarse al expansor (que es una
obstrucción casi completa en el circuito frigorífico), quede
retenido pues no puede pasar toda la cantidad de líquido que
llega por un orificio tan pequeño. Al acumularse se termina
formando una retención en la circulación del refrigerante.
Esta retención formada por el refrigerante a la espera de
expansionarse es la encargada de mantener el desequilibrio
de presiones entre las dos partes del circuito, pues el
expansor por sí solo no tiene capacidad ni posibilidad de
generar el desequilibrio de presiones que es imprescindible
para la correcta transformación del refrigerante a lo largo
del circuito frigorífico (debe recordarse que se necesita
bajas presiones en el evaporador y altas en el condensador
para facilitar la evaporación y la condensación
respectivamente), el tapón de líquido del que se hace
mención tiene que estar dentro de unos parámetros no
siendo válido un valor de tapón cualquiera.
El efecto de la falta de tapón se traduce en la falta de esta
formación de líquido antes del expansor y esto puede
producir una serie de efectos sobre el circuito frigorífico.
Conociéndose lo que ocurre se puede valorar la importancia
que realmente tiene la falta del tapón de líquido.
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La falta de desequilibrio de presiones entre condensador
y evaporador se da cuando por alguna razón al final del
condensador no se ha conseguido que el refrigerante sea
completamente líquido, sino que se sigue tratando de
refrigerante en forma de vapor más o menos saturado, lo
que ocurriría seria que el refrigerante al encontrase en
estado vapor, tiene mucha facilidad para comprimirse,
aunque encuentre una obstrucción casi completa en el
circuito como de hecho es el expansor, el refrigerante en
forma de vapor al pasar por el expansor se comprimiría y
aumentaría su velocidad al pasar por el estrechamiento, para
producir la menor retención posible, produciéndose
simplemente una pérdida de carga debida al rozamiento del
vapor con el expansor, que es insuficiente para retener el
paso del resto del refrigerante. Al no poder retener al resto
del refrigerante, las presiones entre el condensador y el
evaporador serían prácticamente iguales, y como se expuso
anteriormente, las condiciones de presión son el elemento
más importante para que se produzcan los cambios de
estado en las diversas zonas del circuito frigorífico.
La Falta de refrigeración del compresor, se debe que al
no existir condiciones de presión propicias para el cambio
de estado el refrigerante en el condensador no se ve forzado
a cambiar de estado, lo que permitiría que el refrigerante no
ceda energía llegando al evaporador en estado gas caliente,
este gas caliente es imposible que refrigere el compresor lo
que podría producir la rotura del compresor por exceso de
calentamiento si este no está dotado de elementos de
protección.
El efecto del exceso de tapón de líquido antes del
expansor puede producir una serie de efectos sobre el
circuito frigorífico. Las altas presiones en el condensador se
darían como efecto más visible de un exceso de líquido
retenido antes del expansor, suponiendo que por alguna
razón se tiene un tapón de líquido excesivo, este tapón
indicará que se tiene mucho refrigerante esperando su turno
para pasar por el expansor. Si la cantidad de líquido es muy
grande no cabrá en el pequeño tramo de tubería que se tiene
desde la salida del condensador al expansor, por tanto, el
único lugar donde se podrá ir alojando todo el refrigerante
en su espera hasta llegar al expansor, serán las ultimas
tuberías del condensador.
Cuando se llenan de líquido las tuberías se las está
anulando para su primordial finalidad que es servir de
intercambio con el exterior para que los vapores que salen
del compresor lleguen a condensarse, al inutilizar las
tuberías se estaría haciendo el condensador más pequeño,
con lo que el refrigerante para conseguir el mismo nivel de
intercambio no tiene otra opción que elevar su temperatura
o lo que es lo mismo aumentar su presión. Cuando se tiene
presiones muy altas en la descarga al compresor le cuesta
mucho más el trasladar el refrigerante del evaporador al
condensador, y esto se traduce a su vez en un aumento de
consumo para mover la misma cantidad de refrigerante,
además si las presiones en el condensador son muy altas se
estaría aumentando las posibilidades de que el compresor se
pueda llegar a agarrotar, por no poder alcanzar presiones tan
altas.
La dificultad de conseguir una correcta regulación en un
circuito frigorífico estriba en que por un lado se necesita
que el refrigerante llegue al expansor en estado líquido, pero
por otro la cantidad de líquido no debe de ser muy grande,
la solución que se toma para poder cumplir ambas
necesidades es la de llegar a un punto intermedio de
subenfriamiento del refrigerante en la llegada al expansor.
Fig. 2. Disposición determinada para la ubicación de los sensores a través
del circuito de refrigeración. Los numerados del 1 al 6 son LM35 y el 7 y 8
los DHT22.
El punto intermedio debe de garantizar el mejor
rendimiento posible, con la seguridad de que la cantidad de
líquido que se tiene a la salida del condensador es una
cantidad correcta, a este ajuste de enfriamiento posterior al
cambio de estado se lo denomina grado de subenfriamiento.
El grado de subenfriamiento que se ha establecido como
óptimo para los equipos de aire acondicionado debe de estar
comprendido entre 5 y 8°C menos que la temperatura a la
que el refrigerante cambió de estado a lo largo del
condensador.
Para medir físicamente el grado de subenfriamiento en
cuestión es necesario conocer la temperatura a la que el
refrigerante líquido llega al expansor y la temperatura a la
que el refrigerante ha estado cambiando de estado.
Las maquinas térmicas, incluso bajo condiciones ideales
deben rechazar algo de calor hacia algún depósito que se
encuentre a baja temperatura con la finalidad de completar
su ciclo de trabajo. Es decir, ninguna maquina térmica
puede convertir todo el calor que recibe en trabajo útil. Esta
limitación de la eficiencia térmica de las maquinas térmicas
forma la base para el enunciado de Kelvin-Planck de la
segunda ley de la termodinámica, que se expresa como
sigue: “Es imposible que un dispositivo que opera en un
ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una
cantidad neta de trabajo”.
C. Sistema empleado para la toma de mediciones
Como se observa en Fig. 2 se utilizaron en total seis
sensores de temperatura LM35 y dos DHT22 a través del
circuito de refrigeración. La ubicación de cada uno de estos
sensores se determinó de manera que correspondieran a
puntos estratégicos del funcionamiento del sistema.
También se utilizó un sensor de corriente ACS-712 que se
aprovechó para tomar una medida del consumo eléctrico del
equipo.
El sensor número 1 se colocó a la entrada del compresor
y el 2 a la salida de este, para medir la temperatura de
ingreso y salida del refrigerante en esta etapa del ciclo. Los
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sensores 3 y 4, en la entrada y salida de aire del
condensador para medir la temperatura de ingreso del aire
ambiente exterior y la salida de este. El sensor 5 a la entrada
de la válvula de expansión en el lugar de alta presión, y el 6
a la salida del evaporador, zona de baja presión para medir
nuevamente las temperaturas del refrigerante. Los sensores
7 y 8 se utilizaron para medir la temperatura y humedad del
aire ambiente interior en la entrada y salida del evaporador.
Debido a la necesidad de mantener un equilibrio térmico
entre los sensores y el equipo, y para reducir pérdidas así
como errores de medición, se fabricó un acople como se
observa en Fig. 3, abarcando todos los sensores de
temperatura para el gas refrigerante en las diferentes etapas
del proceso. El acople consistió en un tubo de cobre de ½
pulgada (12.7 mm) de diámetro y de 50 milímetros de largo
prensado en uno de sus extremos para contener el sensor en
su interior, una abrazadera de chapa de cobre de 0,8
milímetros de espesor cortada con las dimensiones
necesarias para fijar el tubo a los caños del circuito de
refrigeración mediante tornillos, arandelas y tuercas.
Fig. 3. Acoples utilizados para la colocación de los sensores LM35 en el
circuito de refrigeración.
Una vez que se fijó el acople y se corroboró su correcta
posición para la medición, se cubrió a todo el conjunto con
aislante de poliestireno y se lo envolvió con cinta de
refrigeración para que quede los más aislado térmicamente
del aire del ambiente en sus proximidades.
Para conectar de manera provisoria los sensores a la placa
de Arduino se utilizó cable tipo taller de 3 por 1,5 mm², de
diferentes medidas de largo según su ubicación en el
circuito de refrigeración. Se empleó en la conexión de los
sensores 1, 2, 3 y 4 un largo total del cable de 6 metros, para
los 5, 6 y 7 un largo de 4 metros, y para el sensor 8 se
necesitaron 10 metros de cable.
Como la mayoría de los circuitos integrados, el
dispositivo LM35 tiene una capacidad limitada para manejar
cargas capacitivas grandes. Este sensor solo es capaz de
conducir 50 picoFaradios sin precauciones especiales. La
tolerancia de la capacidad se pudo mejorar con una
resistencia de 100 ohms en serie amortiguando su salida a
tierra.
Sin embargo, como con cualquier circuito lineal
conectado a los cables en un ambiente hostil, el rendimiento
se vio afectado negativamente por fuentes
electromagnéticas intensas (tales como relés, transmisores
de radio, motores con cepillos, con la formación de arcos y
transitorios), porque el cableado actúa como una antena de
recepción y las uniones internas actúan como rectificadores.
Para obtener buenas mediciones se conectó al sensor, un
condensador de derivación de 10 nanoFaradios de
alimentación a tierra y en serie una resistencia
amortiguadora, de 75 ohms en serie con 1 microFaradios
para la salida a tierra, siguiendo el esquema mostrado en Fig.
4. Mediante este procedimiento se logró estabilizar los
valores de las mediciones, y se observaron las mismas
mediciones que en pruebas sin estos cables largos.
Fig. 4. Red amortiguadora RC.
D. Visualización de las mediciones
Para visualizar las mediciones se utilizó un programa
basado en la aplicación de Parallax PLX-DAQ (Parallax
Data Acquisition Tool) que fue diseñada para realizar la
comunicación de datos entre los microcontroladores que
fabrica esta empresa y una macro en Microsoft Excel
proporcionada por esta misma.
Con esta herramienta adaptada a la plataforma de
Arduino mediante la programación se logró ir tabulando los
datos en una planilla de Excel, tomando el tiempo de cada
medición con la hora de la PC, un número de identificación
para cada muestra, las temperaturas en grados Celsius, la
humedad relativa en porcentaje, la presión del gas en el
condensador en Psi, la corriente en Amperes y la potencia en
Watts.
La adaptación entre el sketch de Arduino y la planilla de
Excel se realizó mediante una combinación de comandos de
los lenguajes de programación de cada uno, que mediante la
macro de Parallax PLX-DAQ permitió la carga de los datos
del monitor serial de Arduino IDE en las filas y columnas
correspondientes a la tabulación en cada medición.
El programa consistió en crear distintas etiquetas en
celdas consecutivas para identificar cada uno de los datos
que se iban tabulando, por lo tanto, en la primera fila en la
planilla de Excel se ubicó un encabezado para el dato que se
iba escribiendo, siguiendo un orden para poder identificar
cada valor. Aparte de los datos de las mediciones también se
tabuló el tiempo de cada medición y la presión de alta del
gas refrigerante. Cabe destacar que los nombres de cada una
de las etiquetas se fueron cambiando durante las mediciones,
para hacer más fácil su reconocimiento y uso en los cálculos
posteriores.
El procedimiento para la toma de datos nos permitió
ejecutar la macro en Excel de PLX-DAQ, y luego así generar
una planilla nueva en blanco.
Con un monitor que establece el control de comunicación
con el monitor serial de Arduino IDE, dentro de las opciones
del control se colocó la tasa de comunicación 9600 baudios
que siempre debe coincidir con la que se establece en el
programa, así como también con el puerto de conexión.
Iniciada la comunicación se arranca tabulando los datos,
en la primera fila las etiquetas de cada medición y luego los
valores medidos en cada columna correspondiente. De esta
manera, luego de cada muestra, estas se van ubicando en las
filas siguientes según el tiempo de adquisición programado y
de toma de muestras de los sensores.
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Las tomas de datos se realizaron acorde a las necesidades
de estudio. Hubo momentos en los que solo se midió la
temperatura en las diferentes etapas del circuito, y otros en
que se hacía lo mismo, pero con la entrada y salida de aire
ambiente del evaporador o la humedad.
Las mediciones de corriente y potencia se hicieron por
separado según qué era lo que se iba a estudiar. Por ejemplo,
para el cálculo de consumo de energía del equipo se
conectaba primero el sensor de corriente en serie al
compresor, luego al condensador y después al evaporador.
Se midió de esta manera para obtener cada muestra por
separado y en diferentes momentos, y así analizar cada una
de las partes en funcionamiento. Cuando se determinó la
correcta medición de cada etapa se procedió al cálculo del
consumo total del equipo.
E. Presión de saturación del gas Freón R-22
Una de las magnitudes a medir fue la presión de
saturación del gas refrigerante Freón R-22. La presión de
vapor o más comúnmente de saturación es aquella a la que a
cada temperatura las fases líquida y vapor se encuentran en
equilibrio, su valor es independiente de las cantidades de
líquido y vapor presentes mientras existan ambas. En la
situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de
líquido y vapor saturados.
Inicialmente se buscó adaptar algún sensor comercial
para este fin, pero surgieron diversos inconvenientes. Uno de
los inconvenientes fue el de encontrar un sensor adecuado
para medir en rangos de presión elevados que van de los 190
a los 450 Psi, y otro el de los elevados costos de este tipo de
sensores. Los sensores que se estudiaron para su adquisición
no se corresponden a los disponibles en la plataforma de
Arduino, sino que se comercializan para equipos industriales
y requerían de alguna adaptación. Dados todos estos
inconvenientes se buscó un método para la medición de las
altas presiones del gas refrigerante de manera indirecta.
Además, se encontró que existe una relación entre la
temperatura y la presión de saturación del gas R-22 y esta es
provista en tablas de fabricantes de refrigerantes.
Aprovechando esta propiedad se tabularon los valores de
temperatura en grados Celsius y la presión manométrica de
saturación. Luego se calculó la temperatura absoluta en
grados Kelvin, la presión absoluta de saturación en Psi
(libras/pulgadas²) y la presión absoluta de saturación en
kPascales haciendo uso de las herramientas estadísticas y las
facilidades que nos proveyó una planilla que se creó con
estos datos en Microsoft Excel.
De esta manera calculamos la presión de saturación del
gas midiendo la temperatura de salida del aire recalentado
del condensador a la presión de saturación del gas en esta
etapa del circuito. Con los valores calculados se trazó la
gráfica de presión de saturación del gas, Fig. 5, donde la
temperatura en grados Celsius son las abscisas y la presión
(abs) de saturación en Psi son las ordenadas. Para establecer
la relación matemática que vincula la temperatura en grados
Celsius y la presión (abs) de saturación del gas en Psi se
trazó una línea de tendencia sobre la gráfica y se obtuvo la
ecuación más conveniente para relacionar los datos. Esta
ecuación (1), es polinómica de grado 3 y el coeficiente de
determinación (regresión) es R² = 0,9998.
Y = 0,0002x³ + 0,0292x² + 2,3311x + 71.908
(1)
Con la ayuda de la ecuación se pudo calcular los valores
de presión de saturación del gas Freón R-22 en Psi (abs),
habiendo medido solamente la temperatura en grados Celsius
en la salida del aire del condensador.
Fig. 5. Presión de saturación del gas Freón R-22 en función de la
temperatura.
F. Coeficiente de desempeño
La eficiencia de un circuito de refrigeración se expresa
en términos del coeficiente de desempeño (COP: siglas de
coefficient of performance), el cual se denota mediante
COPr. El objetivo de un circuito de refrigeración es eliminar
calor (QL) del espacio refrigerado. Para lograr este objetivo
se requiere la entrada de trabajo (Wnetoentrada = Wne),
entonces el COP de un circuito de refrigeración se puede
expresar como:
COPr = Salida deseada / Entrada Requerida
= QL /Wne
(2)
Esta relación también se puede expresar en forma de tasa
reemplazando Wnetoentrada por el principio de
conservación de la energía de un dispositivo cíclico, que
requiere:
Wnetoentrada = QH – QL
(3)
Donde QL representa la magnitud del calor eliminado del
espacio refrigerado, y QH representa la magnitud de la
transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio
de alta temperatura.
Entonces, la relación del COP se convierte en:
COPr = QL / (QH – QL) = 1 / (QH/QL – 1)
(4)
Debe de observarse que el COPr puede ser mayor que la
unidad. Es decir, la capacidad de calor eliminada del espacio
refrigerado puede ser mayor que la cantidad de entrada de
trabajo. Esto contrasta la eficiencia térmica, la cual nunca
puede ser mayor que la unidad. Una razón para expresar la
eficiencia de un circuito de refrigeración con un término
diferente al de máquinas térmicas, es el deseo de evitar
confusiones.
III. ENSAYOS Y RESULTADOS
Con las mediciones realizadas, se procedió al
establecimiento del ciclo de trabajo del equipo, este proceso
se pudo llevar a cabo de dos maneras, uno manual mediante
el uso de las curvas Presión (P) - Entalpía (h) del gas
refrigerante Freón R-22 ya trazadas y que se encuentran
disponibles, y otra con la ayuda del programa de simulación
MollierChart.
El método manual consistió en tomar los valores
medidos por los sensores para luego ir marcando los puntos
de los estados del ciclo en una gráfica con las curvas P-h del
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gas refrigerante, de esta manera se pudo observar y analizar
las características de los ciclos en cada medición. Con los
puntos marcados y los ciclos trazados se pudo medir los
valores de entalpía correspondientes, necesarios para calcular
el coeficiente de eficiencia del circuito de refrigeración.
De otra manera se procedió al utilizar el programa
MollierChart, Fig. 6, en este caso se introdujeron las
mediciones en el simulador y este se encargó de graficar las
curvas P-h del refrigerante y de trazar el ciclo de trabajo.
Luego se pudo medir la entalpía ubicando el cursor sobre los
puntos correspondientes.
Fig. 6. Ciclo de trabajo trazado en el software en Mollier chart, con los
datos obtenidos en las mediciones realizadas.
G. Medición y establecimiento de un ciclo de trabajo
Para establecer el ciclo de trabajo del equipo se utilizó
una de las mediciones tabuladas, como se puede apreciar en
la siguiente tabla:
TABLA II
Datos Obtenidos
T1
22,48
temperatura en °C en la entrada del compresor.
T2
77,71
temperatura en °C a la salida del compresor.
T3
34,21
temperatura en °C de la toma de aire ambiente
exterior del condensador.
T4
46,2
temperatura en °C a la salida de aire recalentado
del condensador.
T5
30,79
temperatura en °C a la entrada del evaporador.
T6
11,24
temperatura en °C a la salida del evaporador.
T7
22,7
humedad relativa del ambiente en % a la entrada de
aire del evaporador.
H7
45,5
temperatura en °C en la salida de aire del
evaporador.
T8
15,22
humedad relativa % a la salida de aire del
evaporador.
H8
90,11
humedad relativa % a la salida de aire del
evaporador.
P4
263
presión de saturación del gas refrigerante en
Psi(abs).
Estas mediciones luego las cargamos en el simulador
MollierChart, y después se pueden extraer los valores de
entalpia necesarios para el cálculo del coeficiente de
desempeño, Fig. 7.
Fig. 7. Ciclo de trabajo trazado en el software en Mollier chart, con los
datos obtenidos en las mediciones realizadas.
Con los cálculos realizados se pudo obtener el coeficiente
de desempeño y este se comparó con el arrojado por el
simulador. Además, observamos que ambos valores eran
muy próximos entre sí.
QL = h4 – h2 = 415,2 – 232,2 = 183 [Kj/Kg]
(5)
W = h5 – h4 = 450,1 – 415,2 = 34,9 [Kj/Kg]
(6)
COPr = QL / W = 183 / 34,9 = 5,24
(7)
H. Consumo de energía eléctrica del equipo
Se pudo determinar el consumo eléctrico del equipo en
funcionamiento. Para esto se midió la corriente en diferentes
momentos y en diferentes lugares del circuito. Se calculó la
potencia en kWatts de cada una de ellas y luego la potencia
total consumida.
TABLA III
Mediciones Realizadas
I1
0,65
Corriente eficaz en Amperes medida en el
condensador.
I2
10,43
Corriente eficaz en Amperes medida en el
compresor.
I3
0,43
corriente eficaz en Amperes medida en el
evaporador.
Itotal
11,51
Corriente total en Amperes que se calculó.
W1
0,15
Potencia en kWatts del condensador.
W2
2,4
Potencia en kWatts del compresor.
W3
0,1
Potencia en kWatss del evaporador.
Wtotal
2,65
Potencia total en kWatts que se calculó.
Donde, Itotal se refiere a la corriente que resulta de la
adición de I1, I2 e I3. Y Wtotal se refiere a la potencia total
consumida por el equipo, que resulta de la adición de W1,
W2 y W3.
Para contrastar estos datos también se midió la corriente
en cada caso con una pinza amperométrica y un wattimetro,
y se observó una muy buena aproximación entre ambos
resultados.
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I. Análisis del funcionamiento
Para analizar el funcionamiento del equipo desde el
encendido hasta pasado un cierto tiempo en el cual se
estabiliza el ciclo, se tomaron mediciones a lo largo de este
período y se graficó para establecer un análisis de las curvas.
La observación de estos gráficos permitió la identificación
de los estados en cada parte del ciclo.
Se observó en cada serie de muestras el aumento y
disminución de la temperatura del refrigerante en cada etapa
del circuito, la variación de la temperatura del aire y de la
humedad relativa, tanto en el ambiente exterior donde está
el condensador, como en el ambiente interior donde se ubica
el evaporador. También se midió la presión de saturación
del gas en el condensador, utilizando la ecuación
polinómica para relacionar la temperatura del aire a la salida
del condensador y esta.
J. Establecimiento del ciclo de trabajo mediante las curvas
P-h del gas refrigerante Freón R-22
En este caso se trató el ciclo de trabajo mediante las
curvas P-h del refrigerante, el trabajo consistió en trazar las
zonas de funcionamiento en base a las mediciones tomadas,
y en un gráfico ya realizado con el diagrama de Mollier del
gas se iban marcando las diferentes etapas.
Se inició con la lectura de las mediciones de todos los
sensores y para la presión baja de funcionamiento del
equipo, se determinó que esta se podía suponer como
constante durante este proceso debido a su poca variación
respecto a la presión del lado de alta para su trazado en las
curvas.
El proceso consistió en observar la presión manométrica
y luego con este valor se trazó una línea recta marcando la
isobara correspondiente en el diagrama.
Una vez que se finalizó con el tratamiento de la presión
de baja del equipo se tomó lectura de la medición de la
presión de alta para ingresar en el gráfico, y después
mediante este valor se trazó la línea recta paralela al eje de
las abscisas que representa esta isobara.
Cuando finalizamos el trazado de las rectas se ubicó en el
gráfico los puntos pertenecientes al sobrecalentamiento y
subenfriamiento medidos con los sensores. Para esto se
marcó un primer punto perteneciente a la temperatura de
ingreso del refrigerante al compresor. Después se indicó un
segundo punto que establecía la temperatura del refrigerante
a la salida del compresor.
Con la temperatura a la entrada del evaporador se marcó
un tercer punto, y con la medición de la temperatura del
condensador un cuarto.
Para marcar un quinto punto se trazó una línea recta
paralela al eje de las ordenadas uniendo el quinto punto con
la recta de baja presión. Un sexto punto es el cruce de la
recta de baja presión con la curva de 100% gas.
Al terminar este proceso se obtuvo como resultado el
trazado completo del ciclo de trabajo del equipo de
enfriamiento utilizando las mediciones de los sensores y las
curvas P-h del gas Freón R-22.
Mediante este trabajo se observó que durante el ciclo
hubo un sobrecalentamiento de 12°C y un subenfriamiento
de 10,1°C.
Se calculó el coeficiente de desempeño en base a los
valores de entalpías marcados.
IV. CONCLUSIONES
Se implementó un método para la calibración de sensores
y puesta a punto de sus conexiones en el circuito de
refrigeración. Se pudo establecer un procedimiento para la
tabulación de las mediciones, mediante una planilla de
Excel utilizando el sistema basado en la plataforma Arduino.
Con las mediciones realizadas, se calculó de manera
indirecta la presión de saturación del gas refrigerante Freón
R-22 y se utilizó para el trazado del ciclo en las curvas P-h.
Se logró medir y analizar el consumo de energía eléctrica
del equipo de enfriamiento durante su funcionamiento.
Mediante los datos obtenidos durante las diferentes
mediciones, se trabajó con varios métodos para el
establecimiento del ciclo de trabajo y se logró calcular el
coeficiente de desempeño, contrastando con otras
herramientas los resultados.
El método conlleva las ventajas de cumplir con fines
didácticos y para establecer una relación con los contenidos
desarrollados durante las clases del laboratorio de
Termodinámica. También se puede resaltar que fue
realizado con un bajo costo y este no requirió de un gran
presupuesto.
Para mejorar el método sería muy bueno lograr agregar
un sensor para la captura de las presiones en los puntos
estratégicos del circuito de refrigeración y que estos se
puedan ir tabulando en conjunto a las temperaturas y los
valores de humedad. Si se lograra este agregado se podría,
además de establecer el ciclo de trabajo del equipo,
automatizar su funcionamiento para lograr mantener un
consumo y rendimientos óptimos de manera permanente.
AGRADECIMIENTOS
Federico Roffé reconoce el apoyo de la Agencia Nacional
de Promoción Científica y Tecnológica a través del PICT
2016-1056.
REFERENCIAS
[1] Yonus A. Cengel - Michael A. Boles - Termodinámica - 4ta Edición.
[2] M.M. Dominguez - A. J. Rovira de Antonio - Ed. Digital -
Maquinas Térmicas - marzo 1994.
[3] José Echegaray - Tratado elemental de termodinámica - 1868.
[4] United Nations Eviroments Programme and Ozone Secretariat.
Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer as
either adjusted and/or amended in London 1990, Copenhagen 1992,
Vienna 1995, Montreal 1997, Beijing 1999. Nairobi, Kenya: Ozone
Secretariat, United Nations Environment Programme, 2000. ISBN
9280718886 9789280718881.
[5] Ei-Awad, M. M. Validation of computerized analytical model for
evaluating natural hydrocarbon mixtures as alternative refrigerants.
Journal of Sustainable Energy and Environment. 2011. Vol. 2, p.
175-179.
[6] Y. A. Cengel - Termodinamica - Capitulo 6 - sexta edicion.
[7] American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning
Engineers, Handbook of fundamentals, Atlanta: ASHRAE 2017.
[8] E. W. Lemmon, M. L. Huber, M. O. McLinden, 2007, NIST
Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties-
REFPROP Version 8.0, User's Guide, National Institute of
Standards and Technology, Physical and Chemical Properties
Division, Boulder, Colorado 80305.
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