Copia de 1 Balotario Ejercicios 2016-2

FACULTAD DE QUÍMICA, ING. QUÍMICA E ING. AGROINDUSTRIAL AGROINDUSTRIAL DEPARTAMENTO DE PROCESOS PRIMER BALOTARIO DE EJERCICIOS DE REFRIGERACIÓN Y CONGELADO 2016-2 1. En las siguientes figuras se representa el diagrama físico de las instalaciones frigoríficas. Represente el sistema en el diagrama P-h y T-s.

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2. Una aplicación de producción de frío demanda una potencia frigorífica de 200K! su temperatura de e"aporación de#e ser -$%&' y su temperatura de condensación(%&'. )i se pretende usar en todos los casos R-22! es*uematice! grafi*ue T-s! P-h! P-"! y calcule el tra#a+o de compresión! elcalor de condensación y el coeficiente de eficiencia energ,tica en los siguientes casos a. 'iclo estn estndar dar de compre compresión sión mecni mecnica ca simple. simple. #. 'ompresión do#le directa con con enfriador intermedio! inyección inyección parcial. /Eficiencia /Eficiencia del enfriador enfriador intermedio 0!1 c. 'ompresi 'ompresión ón do#le directa directa con enfriador enfriador interme intermedio! dio! inyección inyección total. total. d. 'ompresión do#le do#le en cascada! con diferencia de $&' $&' entre las temperaturas de e"aporación y condensación de am#os am#os ciclos. e. 'ompresi 'ompresión ón simple simple con dos dos e"apora e"aporadores dores.. f. 'ompresi 'ompresión ón do#le do#le con dos dos e"apora e"aporadores dores.. 3. Un sistema de refrigeración por compresión de "apor funciona con disposición en cascada utiliando Refrigerante 3$(a. Para el ciclo inferior! el fluido de tra#a+o entra en el compresor como "apor saturado a -20&' y se comprime isentrópicamente a $%0 KPa. El lí*uido )aturado sale del intercam#iador de calor intermedio en $%0KPa! y entra en la "l"ula de e4pansión. Para el ciclo superior! el fluido de tra#a+o entra en el compresor como "apor saturado a una temperatura %&' por de#a+o de la temperatura de condensación del refrigerante inferior en el intercam#iador de calor intermedio intermedio.. El refrigera refrigerante nte se comprime comprime isoentrópicam isoentrópicamente ente a 300KPa. 300KPa. El lí*uido lí*uido )aturado )aturado luego luego entra en la "l"ula "l"ula de e4pansión a 300KPa. 5a capacidad refrigeración del sistema en cascada es de 20 toneladas. 6eterminar . 7rafi*ue el dise8o del ciclo y su representación T-s. !. 5a potencia de entrada a cada compresor. ". El coeficiente general de performance del ciclo en cascada. #. Una #om#a de calor opera en estado estacionario con refrigerante 3$(a como fluido de tra#a+o. 5os datos de funcionamiento se muestran en la figura por un día en el *ue la temperatura e4terior es de 20&'. )upongamos operación adia#tica del compresor. Para *ue la #om#a de calor! determine . la tasa de flu+o "olum,trico del refrigerante a la entrada del compresor. !. la tasa de flu+o msico de aire caliente a la casa y de aire frío en el e4terior. ". la eficiencia isentrópica del compresor. $. la potencia del compresor! en 9P. %. el coeficiente de rendimiento.

&. En la in 2! *ue es la presión en el intercam#iador de calor de contacto directo. ?apor )aturado a =0l#f>in 2 entra en la segunda etapa del compresor y se comprime adia#ticamente a 2%0l#f>in2. 'ada etapa del compresor tiene un rendimiento isoentrópico del =% @.Ao hay p,rdidas de carga importantes.El refrigerante entra comolí*uido saturado en cada "l"ula de e4pansión. 6eterminar a. El ratio de los flu+os msicos! m $>m3. #. la entrada de potencia a cada etapa del compresor! en 9P. c. el coeficiente de performance. d. Plotee cada una de las cantidades calculadas en las partes /a1 - /c 1 "ersus el rango de presiones del intercam#iador de contacto directo de calor *ue "a con un rango de presión de 20 B 200 l#f>in 2. 7rafi*ue P2 "s m$>m3! P 2 "s c y P2 "s 'CP. 6iscuta. P'%()*+ 6

P'%()*+ #

P'%()*+ &

6. Un sistema de refrigeración utilia R-22 para suministrar una capacidad frigorífica de 3=0 D a una temperatura de e"aporación de -$0&' y una presión de condensación de 3$0 DPa. 'alcular a. Potencia a#sor#ida por un sistema de compresión mecnica simple estndar. #. Potencia a#sor#ida por el ciclo mltiple de la figura! donde el enfriador intermedio opera a una presión de F0$ DPa. . Un compresor alternati"o de simple efecto y tres etapas con interenfriamiento comprime 200 m $>h de aire desde 3 #ar y 3&' hasta %0 #ar. 5a presión del interenfriamiento es la óptima teórica! aun*ue la temperatura de descarga de cada interenfriador es de $&'. En las tres etapas la compresión es politrópica con nG3!$H cG%@ y e4isten ( cilindros por etapa. El e+e motri del compresor gira a 200rpm. a. 'alcule el calor transferido en cada interenfriador. #. 6etermine la potencia total re*uerida por el compresor. c. 6etermine la eficiencia isot,rmica de la compresión en la tercera etapa. d. 'alcule el "olumen de desplaamiento de cada cilindro de la tercera etapa. . Un )istema de refrigeración de compresión de "apor *ue tra#a+a con refrigerante R3$(a es utiliado para el ser"icio de una cmara de almacenamiento de productos congelados. El sistema consta de un e"aporador! dos compresores! un condensador! un intercam#iador de calor! un depósito separador y tantas "l"ulas de e4pansión sean necesarias. El refrigerante *ue "iene del condensador al entrar al intercam#iador de calor es su#enfriado hasta 2(!2&' a costa de recalentar el "apor de refrigerante *ue sale del e"aporador. El refrigerante su#enfriado! pre"iamente e4pandido! ingresa al depósito separador y el "apor se mecla con el "apor so#recalentado del compresor de #a+a. 5a otra parte del refrigerante alimenta a los otros elementos para remo"er el calor del foco frío. El proceso de compresión tiene una eficiencia adia#tica de =(!$%@ en am#os compresores. 5as temperaturas de e"aporación y condensación son -2F!$&' y $3!$3&'! respecti"amente. 5a relación de compresión entre los compresores es de R' '; G 3!$ R'':. )e pide a. 6iagrama físico y diagrama P-h. #. Presión de succión del compresor de alta. c. ?olumen de succión de refrigerante en cada compresor. d. 5ongitud de desplaamiento en cada compresor. e. :ltura del espacio muerto de cada compresor. f. Indice de cada ciclo de compresión /D1. g. Potencia de cada compresor.

'aracterísticas A /rpm1 n /cilindros1 e /efectos1 "

c /@1 asa succionada /Kg>s1 6>5 .

'ompresor de :lta 00 2 2 0!J0 F 0!3=( 0!(

'ompresor de ;a+a J00 2 2 0!=% % 0!22( 0!F

Un ciclo estndar de compresión mecnica simple utilia R-22 como refrigerante. 5acapacidad frigorífica del e"aporador es 3=0 D a una temperatura de -$0&'. 5a presiónde condensación del refrigerante es 3%$(!3 DPa. s tarde el ciclo es re"isado parafuncionar con los mismos parmetros pero siguiendo los es*uemas /:1 y /;1 de lafigura inferior! en am#os casos la presión del depósito intermedio es (J=!3 DPa.'alcularpara el ciclo simple y para lasdos configuraciones de ciclo compresión mltiple propuestas a1 7raficar los diagramas T-s y p-h. /3pto.1 #1 5a potencia de compresión necesaria. /3!%ptos.1 c1 El coeficiente de Rendimiento 'CP. /3!%ptos.1 d1 En función a los resultados! cul de las configuraciones recomendaría. /3pto.1 Aota )uponer *ue no e4isten p,rdidas de presión en los elementos del ciclo! *ue noe4isten recalentamientos! ni su#enfriamientos en los e"aporadores y condensadores y*ue los compresores son ideales.

Un sistema ideal de refrigeración de gas con tres etapasde compresión con interenfriamiento opera con aire *ueentra 10. al primer compresor a %0 DPa y - $0 &'. 'ada compresorde este sistema tiene una relación de presiones de ! y latemperatura del aire a la salida de todos los interenfriadores es de 3% &'. 'alcule a1 5a temperatura de salida de cada compresor y a la entrada del e"aporador. /3!%ptos.1 #1 El 'CP de este sistema. Use calores específicosconstantes a temperatura am#iente./2ptos.1

11. Un sistema de refrigeración por compresión de "apor! con dosetapas de compresión y refrigeración entre las etapas. Elfluido de tra#a+o es R-3$(a. En la primera etapa del compresorentra "apor saturado a -$0&' y sale a (0&'. 5a cmara flash y el intercam#iadorde contacto directo operan a ( #ar y la presión del condensador es 32 #ar. En las "l"ulas de e4pansión dealta y #a+a presión entran corrientes de lí*uido saturado a 32y ( #ar! respecti"amente. )i am#os compresores funcionan con la misma eficiencia isoentrópicay la capacidad de refrigeración del sistema esde 30 ton! determine a1 5a potencia de cada compresor! en D. /3pto.1 #1 El coeficiente de operación. /3!%ptos.1 c1 5as dimensiones y la claridad de cada compresor si am#os giran a 3%00 rpm! y sus pistones tienen forma cuadrada. 'onsiderar *ue son de do#le efecto y *ue su eficiencia "olum,trica es de 0!F%. /3pto.1 d1 El rea del condensador />m2-K1 y del e"aporador />m 2-K1! considerando *ue la temperatura del aire presentan un salto de % y 30&'! respecti"amente. :simismo! la "elocidad del aire en el condensador es de 30000 m $>h y en el e"aporador! %000 m$>h. /2ptos.1 e1 Realiar el grfico de e*uipos y el diagrama p-h. /3pto.1

12. 5a instalación frigorífica de la figura utilia amoniaco como refrigerante! consta de dos e"aporadores *ue mantienen diferentes temperaturas de conser"ación en sendas cmaras frigoríficas. )e conocen los siguientes datos - E"aporador #a+a Potencia frigorífica L 5 ; G$0D Presión de e"aporación del refrigerante p E"ap ; G33J!(DPa - E"aporador alta Potencia frigorífica L 5 :G3% D Presión de e"aporación del refrigerante p E"ap :G3J0!3 DPa - 'ondensador Presión refrigerante en el condensador p cond  G 3%%%!$ DPa - 6epósito intermedio Presión del refrigerante p Mnt G(2J!F DPa - Torre de Refrigeración Temperatura del agua a la entrada a la torre T et G$%N' Temperatura seca del aire e4terior T :e4t G $%N' Temperatura hmeda del aire e4terior T #h !:e4t G 2% N' 9umedad relati"a aire a la salida de la torre :s G J0@ 'audal de aire seco de entrada en torre ? :e G 3%00mO>h 'ercanía de la torre / cercanía GT e T #h! :e4t 1   %N' - 'ompresores /am#os1 Rendimiento isentrópico s G0!=

)e pide a1 6i#u+ar un es*uema del diagrama p-h del refrigerante con todos los puntos de la figura colocados en ,l./3pto.1 #1 'alcular la potencia consumida por cada uno de los compresores y el 'CP de la instalación./2ptos.1 c1 'audal de agua de la #om#a del circuito de condensación./3!%ptos.1 d1 'audal de agua de reposición /e"aporado1 en la torre./3!%ptos.1 e1 Utiliar la carta psicrom,trica para ilustrar el proceso en la torre de enfriamiento. /3pto.1 Aota )uponer *ue no e4isten p,rdidas de presión en los elementos del ciclo y *ue noe4iste recalentamientos! ni su#enfriamientos.

13. Un ciclo de tur#ina de gas tiene dos etapas de compresión! con un interenfriador entre las etapas. El aire entra en la primera etapa a 300 KPa! $00 K. 5a relación de presión a tra",s de cada etapa del compresor es de % 3! y cada etapa tiene un rendimiento isoentrópico de =2@. El aire sale el interenfriador a $$0 K. 5a temperatura de ciclo m4ima es de 3%00 K! y el ciclo tiene una sola etapa de tur#ina con un rendimiento isoentrópico de =F@. El ciclo tam#i,n incluye un regenerador con una eficiencia del =0@. 'alcular / Representación es*uemtica y termodinmica T-s y P-h del proceso. /2ptos.1 !/ Temperatura en todos los puntos. /2ptos.1 "/ Eficiencia t,rmica del ciclo. /3!%ptos.1 $/ Eficiencia de segunda ley de la tur#ina. /3!%ptos.1 1#. )e desea dise8ar y e"aluar energ,ticamente la instalación frigorífica mostrada *ue funciona con el refrigerante R-3$(a. 5a instalación pertenece a un almac,n de un supermercado *ue da ser"icio a una cmara de productos frescos! cuya temperatura interior es de $&'y su potencia frigorífica es de %0K! y a una cmara de productos congelados! cuya temperatura interior es de -3%&' y su potencia frigorífica de dise8o es de $0K.

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'onsiderando *ue las humedades relati"as a mantener en el interior de las cmaras son del J0@! *ue los recalentamientos tiles en los e"aporadores y en la línea de aspiración son de %&'! el su#enfriamiento en el condensador es de 30&'! el salto de temperatura del lí*uido en intercam#iador es de &'! la p,rdida de carga en la aspiración del compresor es de 0!2% #ar  y en la descarga del compresor es de 3 #ar. 'alcular / El diagrama T-s y P-h del funcionamiento de la instalación. /3pto.1 !/ Entalpías de todos los puntos. /3!%ptos.1 "/ 'audales msicos de refrigerantes circulantes por la instalación. /3pto.1 $/ ?olumen de 6esplaamiento para una claridad de 0!0002%. /3!%ptos.1 %/ Potencia de compresión /3pto.1 / Eficiencia del intercam#iador. /3pto.1 (/ Eficiencia energ,tica del ciclo. /3pto.1 Aota 'onsiderar *ue la eficiencia isoentrópica del compresor puede e"aluarse segn la relación s G 0!=$= B 0!0$3$ r p. 1&. : partir de los siguientes parmetros de funcionamiento de la instalación - Temperatura de e"aporación 3  -20&'. - Temperatura de e"aporación 2  0&'. - Temperatura de condensación  (0&'. - Recalentamiento til en el e"aporador 3  %&'. - Recalentamiento total en aspiración de #a+a  30&'. - 7rado de su#enfriamiento en el condensador  &'. - Potencia necesaria en e"aporador 2  30 K - Eficiencia Msoentrópica  3 B 0!0$0( rp

'alcular / Entalpías en cada punto. /3!%ptos.1 !/ Potencia compresor! %F( rpm! relación 6>5 G 2. /3!%ptos.1

16. 5as configuraciones mostradas a continuación corresponden a una instalación de producción de frío *ue condensar a 3!2Pa y e"aporar a -20&' y utiliar el refrigerante R3$(a. Tener en cuenta las siguientes características - Potencia calorífica eliminada en el condensador de (% K. - Refrigerante en saturación a la salida del condenador y del e"aporador. - 'onsiderar eficiencias isentrópicas de 0! y 0!=% para los compresores de #a+a y alta presión! respecti"amente.

'alcular / El diagrama T-s y P-h del funcionamiento de la instalación. /%ptos.1 !/ 'ompletar el cuadro calculando pre"iamente los "alores de temperatura! presión! entalpías! entropía y calidad de cada uno de los puntos. /20ptos.1 "/ 'audales msicos de refrigerantes circulantes por los e*uipos y en cada uno d e los puntos. /%ptos.1 $/ Potencia de cada compresión /30ptos.1 %/ Eficiencia energ,tica de cada ciclo. /$ptos.1 / 'oeficiente politrópico para cada compresor. /%ptos.1 (/ Potencia frigorífica. /$ptos.1 / Q'ul de las configuraciones es la ms recomenda#le /%ptos.1

Aota :sumir de forma lógica los "alores *ue se crea con"eniente.

A

B

C

D

E

F

1. 5as configuraciones mostradas condensa a 3$%0 KPa utiliando el refrigerante R3$(a. Tener en cuenta las siguientes características - Relaciones de Presiones igual en todas la compresiones de $. - Refrigerante en saturación a la salida del condenador y del e"aporador. - El caudal msico de refrigerante *ue alimenta al condensador es de 0!0% Kg>s. - 'onsiderar el rendimiento isentrópico igual a 0!%.

'alcular / El diagrama P-h y de e*uipos del funcionamiento de la instalación. /(ptos.1 !/ 'ompletar el cuadro calculando pre"iamente los "alores de temperatura! presión! entalpías! entropía y calidad de cada uno de los puntos. /30ptos.1 "/ 'audales msicos de refrigerantes circulantes por los e*uipos y en cada uno d e los puntos. /2!%ptos.1 $/ Potencia frigorífica. /3!%ptos.1 %/ Potencia de cada compresión /(ptos.1 / Eficiencia energ,tica de cada ciclo. /2ptos.1 (/ 'oeficiente politrópico para cada compresor. /2ptos.1 / Q'ul de las configuraciones es la ms recomenda#le /2ptos.1 Aota :sumir de forma lógica los "alores *ue se crea con"eniente.

1. Un compresor de do#le efecto y de dos etapas aspira 0!0$= Kg>s de aire a 2&' y 0!0 #ar. 5a descarga del compresor de #a+a presión es a 0!$% #ar y entre las etapas la caída de la presión es de 0!0 #ar. El compresor de alta presión reci#e el agua desde un refrigerador intermedio a $2&' y la descarga a 3!( #ar. 5a compresión es politrópica con n G 3!% y el espacio muerto es de %@ en cada cilindro. / 6eterminar la cantidad de agua *ue ha de circular por el refrigerador intermedio si su aumento de temperatura es de F&'. /2ptos.1 !/ 6etermine la potencia del compresor. /2ptos.1 "/ 6etermine el tama8o del cilindro de #a+a presión para una "elocidad de $00 rpm y 5>6 G 3!2%. /2ptos.1