Problemas de Termotecnia – 3 º Ingeniería Química
TEMA 5: CICLOS DE REFRIGERACIÓN
1. Un ciclo ideal por compresión de vapor que utiliza refrigerante 134a funciona con una temperatura temperatura en el evaporador de – 20 2 0 ºC º C y una presión en el condensador de 9 bar. El fl f lujo má sico de refrigerante refrigerante es e s 3 kg/min. kg/ min. Calcul Ca lcular: ar: a) el COP; b) la potencia frigorífica; c) el COP de una máquina de Carnot inversa que funcione entre las mismas temperaturas de evaporación evaporación y condensaci condensac ión que el ciclo real. d) repita el apartado a) para un compresor que tiene un rendimiento del 84%. Sol: Sol: a) 3.43 ; b) 6.79 k W; c) 4.6; d) 2.88.
2. Un ciclo de refrigeración por compresión de vapor que funciona con refrigerante 134a y unas presiones de 0,10 0, 10 MPa en el evaporad or y 1.2 MPa MPa en el el condensador. condensador. El f luido sale del evaporador con un sobrecalentamiento de 6.43 ºC y sale del condensador con un subenfriamiento de 4.32 ºC. º C. Calcular Calcular el COP si el rendimiento adiabático del compresor es: a) 100 %; b) 84 % Sol: a) 2.38; b) 2.00.
3. Una gran planta de refrig eración eración se va a mantener a -15 ºC y requiere refrigeración refrigeración a una relación r elación de 100 kW. El condensador de la planta va a enfriarse por medio de agua líquida, la cual experimenta un aumento de temperatura de 8 ºC cuando fluye sobre los serpentines del condensador. Suponga que la planta opera en un ciclo ideal por compresión de vapor usando refrigerante 12 en los límites de presión de 120 y 700 kPa y determi ne: a) el caudal má sico de refrigerante; b) la entrada de potencia del compresor; c) el caudal caudal má sico de agua de refrig eración; eración; d) el coefi coef iciente de operación; e) repita los enunciados b) y d) suponiendo que el compresor tiene una eficiencia adiabática del 75 % . Sol: a) 0.8783 kg/s; b) 27.20 kW; c) 3.79 kg/s; d) 3.68; e) 3 6.27 kW; 2.76.
4. Considere un sistema de refrigeració refrigeració n en cascada de dos dos etapas que opera entre los límites de presión de 0.8 y 0.14 MPa. Cada etapa opera en un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor con Freón 12. El rechazo de calor del ciclo inferior al ciclo superior sucede en un intercambiador de calor adiabático, donde ambas corrientes entran a 0.32 MPa (en la práctica el fluido de trabajo del ciclo inferior estará a una presión y temperatura más altas en el intercambiador de calor para una transferencia de calor efectiva). Si el caudal másico del refrigerante en el ciclo superior es de 0.05 kg/s, determine: a) el caudal másico má sico de refrigerante en el ciclo inferior; b) la potencia frigorí fica fica y la potencia de accionamiento del compresor; c) el coef iciente de operación. Sol: a) 0.039 kg/s; b) 5.49 k W; c) 1.36 kW; d) 4.04.
5. Considere Considere un sistema d e refrigeraci refrig eración ón por compresión de dos etapas que opera entre los límites límites de presión de 0.8 y 0.14 MPa. El fluido de trabajo es Freón 12. Éste sale del condensador como un líquido saturado y es estrangulado en dirección a una cámara de evaporación que opera a 0.32 MPa. Parte del refrigerante se evapora durante este último proceso, y este vapor se mezcla con el refrigerante que sale del compresor de baja presión. La mezcla luego se comprime hasta la presión del condensador condensador mediante el compresor de a lta presión. presión. El líquido en la cámara de evaporaci evapor ación ón se estrangula hasta la presión del evaporador de donde sale como vapor saturado. Si ambos compresores son isoentrópicos, calcule:
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a) la fracción de refrigerante que se evapora en la cámara; b) la cantidad de calor extra ído del espacio refrigerado y el trabajo del compresor; c) el coeficiente de efecto frigor ífico. Sol: a) 20 %; b) 112.6 kJ/kg; -27.86 kJ/kg; c) 4.04.
6. Considere un sistema de refrigeración en cascada de dos etapas que opera entre los límites de presión de 0.8 y 0.14 MPa. Cada etapa opera en un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor con freón 12 como fluido de trabajo. El rechazo de calor del ciclo inferior al ciclo superior sucede a contra flujo en un intercambiador de calor adiabático donde ambas corrientes entran a 0.4 MPa. Si el caudal másico del refrigerante en el ciclo superior es de 0 .12 kg/s, determine: a) el caudal másico de refrigerante en el ciclo inferior; b) la potencia frigorífica y la potencia de accionamiento del compresor; c) el coeficiente de operación. Sol: a) 0.0974 kg /s; b) 13.1 kW; 3 .23 kW; c) 4 .05.
7. En una instalación frigorífica se debe producir 1 t/h de hielo. El refriger ante utilizado es NH3 , que se evapora a - 5 ºC y se condensa a 23 ºC. El rendimiento isoentrópico del compresor es del 78 %. Para la producción de hielo y para refrigerar el condensador se dispone de agua a la temperatura ambiente T0 = 15 ºC. El caudal de agua de refrigeración es 22 t/h. Dibuje el diagrama de exergías de la instalación. Nota : la presión ambiente es de 1 atm. 8. Al compresor de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor entra R-134a saturado a 2.8 bar y sale a 50 ºC y 10 bar. El calor disipado en el condensador va al ambiente que está a T0 = 25 ºC y la región a refrigerar está a 5 ºC. Determine: a) el coef iciente de operación; b) las irreversibilidades en cada uno de los dispositivos; c) el rendimiento exergético del ciclo. d) Dibuje el diagrama de exergía de la instalación. Sol: a) 4.19; c) 30.18 %.
9. Se trata de estudiar las condiciones ideales de una planta de refr igeración por aire, que funciona según el ciclo ideal de Brayton (se despreciarán todas las pérdidas y, en particular las pérdidas en los conductos y las pérdidas internas en el compresor y la turbina). El aire entra en el compresor cuya relación de compresión vale 5, a una presión de 1bar y una temperatura de – 10 ºC. Del refrigerador, situado a la salida del compresor, sale el aire a una temperatura de +10 ºC. De allí pasa el aire a la turbina y a continuación al recinto frigorífico, de donde entra de nuevo en el compresor, repitiéndose el ciclo. Suponiendo que los calores específicos del aire son constantes, (cp = 1.005 kJ/(kg K) y ? = 1.4) calcular: a) temperatura del aire a la entrada del recinto frigor ífico; b) temperatura del aire a la salida del compresor; c) trabajo suministrado al ciclo; d) calor sustraído al recinto frigor ífico; e) coeficiente del efecto frigorí fico. Sol: a) - 94.3 ºC; b) 143.6 ºC; c) - 49.55 kJ/kg ; d) 84.72 kJ/kg; e) 1.71.
10. Una máquina frigorífica dedicada a la producción de hielo, que mantiene a – 5 ºC, funciona con aire según el ciclo inverso de Brayton (densidad media del aire: ˆ = 1.292 kg/m 3). El aire entra en el compresor a – 15 ºC y 0.88 bar, comprimiéndose hasta 5 bar y saliendo posteriormente del enfriador a 18 ºC. Si el flujo de aire es de 1250 m 3 /h y la producción de hielo se logra a partir de agua a 15 ºC, determínese: a) eficiencia de la instalación frigorífica; b) potencia requerida para el funcionamiento de la instalación; c) producción horaria de hielo.
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Datos: ? = 1.4; calor específico medio a presión constante del aire cp = 1.004 kJ/(kg K); calor latente de fusión del hielo Lf = 80 cal/g; calor específico medio del hielo chielo = 2.09 kJ/(kg K); calor específico medio del agua: cagua = 4.19 kJ/(kg K). Sol: a) 1.56; b) 23.28 kW; c) 320 kg/h.
11. En el compresor de un ciclo Brayton de refrigeración entra aire a 1 atm y 270 K, con un caudal volumétrico de 1.4 m3 /s. La relación de compresión es 3 y a la entrada de la turbina la temperatura es 300 K. Teniendo en cuenta la variación de los calores específicos del aire con la temperatura, determine: a) la potencia neta necesaria para el accionamiento de la instalación; b) la potencia frigorífica; c) el coef iciente de operación; d) repita los tres apartados anteriores para el caso de que el compresor y la turbina tengan cada uno una eficiencia isoentrópica del 80 %. Sol: a) – 33.86 kW; b) 9 1.96 kW; c) 2.72; d) - 108; 49 kW; 63.30 kW; 0.583.
12. Un ciclo de refrigeración de gas regenerativo utiliza helio como fluido de trabajo. El helio entra al compresor a 100 kPa y – 10 ºC y se comprime hasta 300 kPa. El helio se enfría a continuación hasta 20 ºC, usando agua de refrigeración. Después entra al regenerador donde se enfría aún más antes de ingresar a la turbina. El helio sale del espacio refrigerado a – 25 ºC y entra al regenerador. Suponga que tanto la turbina como el compresor son isoentrópicos y determine: a) la temperatura del helio a la entrada de la turbina; b) el coeficiente de operación del ciclo; c) la entrada neta de potencia requerida para un caudal másico de 0 .3 kg/s. [Datos del helio: RHe = 2.077 kJ/(kg K), cp = 5.193 kJ/(kg K)] Sol: a) 5 º C; b) 1.67; c) 67.1 kW.
13. Un edificio requiere 200 000 kJ/h de calor para mantener el suministro interior de aire a 35 ºC cuando la temperatura exterior es de – 2.53 ºC. El calor sería proporcionado por una bomba de calor que usa refrigerante R-12. El evaporador opera a una temperatura 10 ºC menor que la del aire exterior y el condensador opera a 10 bar. El compresor tiene una eficiencia adiabática del 75 %. El fluido que sale del evaporador es un vapor saturado y el que sale del condensador es un líquido saturado. Calcular: a) presión en el evaporador; b) diferencia de temperatura mínima en el condensador entre el refrigerante y el aire caliente suministrado; c) temperatura a la salida del compresor; d) calidad del fluido que sale de la vá lvula de estrangulación; e) aumento relativo en la potencia de entrada si se usara en calefactor eléctrico en lugar de la bomba de calor. Sol: a) 2 bar; b) 6 .64 ºC; c) 63.1 º C; d) 0.328; e) 73.6 %.