Guía de laboratorio de Transferencia de calor:Cálculos de coeficientes de convención externos y calores absorbido y disipado por una Bomba de calor reversible aire - aireUNIVERSIDAD DE CARTAGENAFacultad de Ingeniería - Programa de Ingeniería Química

OBJETIVOS: Conocer y entender el funcionamiento de una bomba de calor reversible aire - aire. Identificar los componentes principales de una bomba de calor reversible aire - aire. Aplicar conocimientos relacionados a convección forzada y natural para interpretar la interacción de la bomba de calor reversible aire - aire con el entorno en el cual se desempeña. Realizar cálculos experimentales que determinen la razón de transferencia de calor de una bomba de calor reversible aire - aire con su entorno o recinto cerrado. Calcular los coeficientes de transferencia de calor externos. Conocer la eficiencia ideal de una bomba de calor reversible aire - aire.

GENERALIDADESSe denomina bomba de calor a una máquina frigorífica cuyo objetivo no consiste en enfriar un determinado recinto sino en calentarlo. En este sentido nos interesa el calor expulsado en el condensador Qc, y no el calor intercambiado en el evaporador Qf .Las bombas de calor se suelen clasificar en función de la naturaleza de las fuentes frías y calientes que utilizan para su funcionamiento: • La fuente fría puede ser aire o agua.• La fuente caliente puede ser también aire o agua.Con la combinación de estas posibles fuentes se obtienen varios tipos de bombas de calor, en cuya denominación se indica en primer lugar la naturaleza de la fuente fría y, a continuación, la fuente caliente.La eficiencia de la bomba de calor es equivalente al cociente entre lo que se desea conseguir, Qc, y lo que se debe aportar para conseguirlo, W :

COPbc=Qc

W=

Q c

Q c−Q f

; ec . (1 )

En este caso, la eficiencia aumenta cuando la temperatura que se desea alcanzar en el foco caliente es alta y cuando el salto térmico es pequeño.La bomba de calor reversible consiste en una máquina que según se desee funciona como máquina frigorífica o como bomba de calor. Este doble funcionamiento se consigue a partir de una válvula de cuatro vías la cual realiza un cambio de flujo en el recorrido del fluido refrigerante que hace el ciclo termodinámico, con la posibilidad de hacerlo circular en un sentido o, en el contrario, de forma que se pueda lograr un funcionamiento, o el contrario.

PROCEDIMIENTOA partir de la figura 3 que se presentará más adelante, establezca el primer (1) ciclo de la máquina térmica que corresponde al de refrigeración y realice los siguientes pasos:• Ubique correctamente la posición de las válvulas tal como se indica en el diagrama de la figura 3, para realizarlo. Verifiquen que estén correctas cada una de ellas.• Encienda el compresor (activando simultáneamente los dos interruptores) quien es el que proporciona la descarga y succión del fluido refrigerante para la realización del ciclo termodinámico. • Luego de aproximadamente unos 4 minutos, encienda los ventiladores ubicados en cada intercambiador de calor por independiente para apreciar y sentir el efecto de transferencia de calor en cada foco (caliente y frío).• Espere hasta que se estabilice (este en equilibrio) la máquina, que será al momento en que las presiones registradas en los manómetros de alta y baja presión no fluctúen tanto.

: Bomba de calor funcionando como Figura 2: Bomba de calor funcionando como calefactor

• Con el medidor láser de temperatura, mida las temperaturas superficiales de cada intercambiador (condensador y evaporador), y registre los datos obtenidos.Para el segundo (2) ciclo de la máquina térmica (ciclo del calentador), siga los pasos anteriormente mencionados. Finalmente, apagar el compresor bajando los dos interruptores, simultáneamente para evitar daños al mismo y cierren todas las válvulas luego que el compresor se repose después de haberse apagado.

4

V6 V5

V3 V4

V1 V2

  

 

 

Condensador, evaporador 

Filtro secador

Tanque almacenador

Compresor

Válvula de paso

Válvula de expansión 

 

2

3

1

Figura 3: Diagrama del ciclo termodinámico del proceso

CÁLCULOS EXPERIMENTALESPara calcular los calores y coeficientes de transferencia de calor por convección externos en cada intercambiador de calor (condensador y evaporador), tome en cuenta las siguientes consideraciones:• El sistema está en equilibrio.• Se encuentra trabajando a condiciones normales de presión y temperatura ambiente (1 atm y 32 ℃) para horas durante el día.• Hay transferencia de calor por convección forzada.• Las velocidades de flujo de aire en ambos ventiladores es la misma, respectivamente.• En cada intercambiador, el serpentín es un tubo cilíndrico largo.A continuación se presentan las ecuaciones a emplear para determinar la razón de transferencia de calor por convección forzada tanto en el condensador como en el evaporador:Temperatura de película del fluido(T f ):

T f=T s+T ∞

2[¿ ] [℃ ] ec . (2 ) ;dónde :{ T s=Temperaturade superficiedel tubo

T ∞=Temperaturaambiente d e l entornoT f=Temperatura de la películadel fluido

Número de Reynolds ( ℜD ):ℜD=

D ext∗Vv

ec . (3 ) ;dónde :{Dext=Diámetro externode latuberíadel serpentín (m )

V=Velocidad del flujo deairesuministrado por el ventilador (m /s )

v=Viscosidad cinemática del aire (m2/s )

Número de Nusselt (NuD ):

NuD=hext∗Dk f

ec . (4 )dónde :{hext=Coeficiente de transferencia de

calor por convección [W / (m2∗K ) ]Dext=Diámetroexterno de latubería del

serpentín (m)k f=Conductividad térmicadel fluido

[W / (m∗K ) ]

Transferencia de calos por convección según la ley de enfriamiento de Newton (Q̇conv ):

Q̇conv=hext∗Acil∗(T s−T ∞ )ec . (5 ); dónde :{hext=Coeficiente de transferenciade

calor por convección [W / (m2∗K ) ]Acil=Área superficial del cilindro

T ∞=Temperaturaambiente del entornoT s=Temperaturade superficiedel tubo