ETER2_U2_EA_SEMB - Sergio Marquez Barrios

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Termodinámica 2 
ER-ETER2-1901-B1-001 
 
Javier Hernández Pérez 
 
Unidad 2 
Ciclos Termodinámicos 
 
Evidencia de aprendizaje 
Mi diseño es para un sistema de… 
 
SERGIO ADRIÁN MÁRQUEZ BARRIOS 
ES172011571 
Marzo, 2019 
 
 
 
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Investiga que aplicación pueden tener alguno de los ciclos vistos en la unidad 2, 
para desarrollar una aplicación por ejemplo el diseño de un refrigerador, o de un 
motor de gasolina basado en el ciclo Otto, un turbogenerador para turbinas de avión 
basados en el ciclo de Brayton. 
 
Introducción 
 
Los dispositivos cíclicos generadores de potencia, comúnmente conocidos como 
ciclos de potencia, son de gran importancia en estudios termodinámicos debido a 
que varias máquinas y sistemas se basan en su funcionamiento. En el análisis de 
estos ciclos de turbinas de gas es muy común considerar despreciable el efecto de 
la energía cinética en los dispositivos que incluyen trabajo de eje, como las turbinas, 
compresores y bombas, a diferencia de dispositivos como las toberas aceleradoras 
y difusores donde ésta es significativa, debido a su diseño para crear grandes 
cambios de velocidad. Un motor térmico o máquina térmica es un artefacto que 
convierte energía térmica en trabajo mecánico, por medio del aprovechamiento del 
gradiente de temperatura entre una “fuente” caliente y un “sumidero” frío. El calor se 
transfiere de la fuente al sumidero y, durante este proceso, algo del calor se convierte 
en trabajo por medio del aprovechamiento de las propiedades de un fluido de trabajo, 
usualmente un gas o un líquido. Así, aunque el fluido de trabajo en un ciclo ideal de 
potencia opere en un circuito cerrado, el flujo de procesos individuales que 
componen el ciclo dependen de los dispositivos individuales utilizados para ejecutar 
este ciclo. 
 
2. Desarrolla los siguientes elementos: 
 
• Tipo de aplicación. 
 
Un refrigerador funciona retirando el calor del congelador, recibiendo trabaja en el 
compresor y rechazando una cantidad de calor hacia el ambiente. Se ilustra con dos 
esquemas donde se indica en el primero el compresor y el congelador y en el 
segundo el serpentín que libera el calor al medio, es decir, en un refrigerador 
doméstico ordinario, la sustancia de operación es un líquido que circula dentro del 
sistema. El depósito a baja temperatura es la cámara fría en la que se almacenan 
los alimentos, y el depósito a alta temperatura es la habitación en que se mantiene 
la unidad. El trabajo externo es proporcionado por un motor que impulsa a la unidad. 
 
Explicado de forma más técnica, un refrigerador, en los tubos en el compartimiento 
del congelador, donde el calor es absorbido por el refrigerante, sirven como el 
 
 
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evaporador. Los serpentines detrás del refrigerador, donde el calor se disipa en el 
aire de la cocina, sirven como el condensador”. Esta descripción verbal es 
acompañada por un esquema del refrigerador doméstico común. Cabe agregar que 
antes de describir el refrigerador Cengel. Realizan una descripción del ciclo de 
refrigeración en el diagrama Entropía-Temperatura, que es uno de los más utilizados 
en las Ingenierías. 
 
Una vez analizado el ciclo se revisa el diseño del equipo, con los siguientes 
elementos: un compresor, un evaporador y un condensador con llaves eléctricas 
independientes que permiten poner en funcionamiento cada uno de estos 
dispositivos 
 
• Funcionamiento del sistema explicando sus componentes y procesos que 
necesita. 
 
1. Compresor es de tipo monofásico rotativo que funciona bajo una diferencia de 
potencial de 220 V (voltios), con una frecuencia de 60 Hz. 
2. Condensador es de aluminio y cobre de doble serpentina aletada con un 
forzador de 350 w (watt) de potencia. 
3. Válvula termostática de expansión. Funciona con un capilar de 3024 
frigorías/hora. 
4. Evaporador es de aluminio y cobre de doble serpentina aletada con un 
forzador de 350 w (watt) de potencia. 
 
Nota: El equipo produce debe producir una potencia de 50 kW de refrigeración y el 
refrigerante utilizado es el R-22, la temperatura de condensación es de 40 °C y una 
evaporación de -10°C 
 
• Explica el funcionamiento del ciclo termodinámico del que elegiste con 
diagramas P-V y S-T. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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• Presenta las fórmulas y cálculos que necesitas para conocer la eficiencia de 
tu sistema y la eficiencia de tu sistema con datos propuestos o estimados por 
ti. 
 
De acuerdo a las tablas de propiedades del gas R-22 saturado: 
Tevap= -10 °C 
Pevap= 354.9 kpa 
Tcond= 40 °C 
Pcond= 1534.1 kpa 
 
h1= 401.1 kj/jg 
h3= h4= 249.8 kj/jg 
 
Interpolando los valores para encontrar h2 con la 
entropía a la del punto 1: 
 
s2 = s1 = 1765 kj/kg.k 
 
�̇� = �̇�(ℎ� − ℎ�) ∴ �̇� =
�̇�
(�����)
=
�� ��
(���.�����.�)��/��
= 0.330 ��/� Caudal del refrigerante. 
 
�̇� = �̇�(ℎ� − ℎ�) =
�.���
��
�
(���.�����.�)��
��
= 12.14 Potencial de compasión. 
 
��� =
�̇�
�̇�
=
�� ��
��.�� ��
= 4.12 Coeficiente de eficiencia energética. 
 
�� =
�����
�����
=
����.� ���
���.� ���
= 4.32 Relación de compresión. 
 
�� = 63.5 °C calculada en la interpolación al encontrar el valor de ℎ�. 
 
COP = 
�
�����
�����
��
=
�
������.�� �
�������.�� �
��
= 5.26 
 
Conclusiones 
 
Los ciclos de potencia son sistemas muy analizados mediante conceptos 
termodinámicos elementales, debido a que muchas máquinas basan su 
funcionamiento en ellos. Sin embargo, cuando el sistema se complica, no es posible 
obtener una expresión analítica que se pueda estudiar matemáticamente para 
T(°C) s(kj/kg.k) h(kj/kg) 
60 1.756 434.9 
63.5 1.765 437.9 
70 1.782 443.6 
 
 
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obtener resultados, por lo cual es imprescindible el manejo de herramientas y 
técnicas. Así, la simulación de procesos es una herramienta imprescindible para el 
diseño y análisis de este tipo de ciclos termodinámicos, ya que permite resolver 
problemas de análisis, diseño y optimización. Habitualmente en Física la enseñanza 
del ciclo de refrigeración por compresión de vapor se realiza en forma teórica, la cual 
se complementa con la observación de la heladera doméstica o de una cámara 
industrial de refrigeración, considerando globalmente la enseñanza del tema en los 
diferentes niveles educativos. Considero que, para el caso de la UNADM en esta 
materia, en conceptos teóricos, cada equipo cuenta con sus especificaciones, ya sea 
en una etiqueta interna o en la parte posterior. Sería mucho mejor algún tipo de 
simulador o equipo demo donde se vieran todos los procesos paso a paso y tomando 
las mediciones durante y en cada una de las etapas. Lo anterior apoyaría a no quedar 
como alumnos con una idea muy abstracta y poco precisa. 
Bibliografía 
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2: 
https://unadmexico.blackboard.com/bbcswebdav/institution/DCSBA/Bloque%
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enseñanza del ciclo de refrigeracion por compresion de vapor. Revista de 
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