Refrigeración Presiones Múltiples - Problemas Resueltos

Refrigeración Presiones Múltiples - Problemas Resueltos

Ejemplo 4-3. Calcular la potencia necesaria para los dos compresores de un sistema de refrigeración que utiliza amoniaco con un evaporador a – 34,4ºC y 25 ton de capacidad de refrigeración. El sistema utiliza una compresión en dos etapas, con enfriamiento del vapor y separación del vapor y separación del vapor saturado. La temperatura de condensación es 32,2ºC.

Primeramente, se traza el esquema del sistema, Fig. 4-10a, y el correspondiente diagrama presión-entalpía, Fig. 4-10b. Las funciones del enfriador y del depósito separador se realizan en un único recipiente.

La presión intermedia para un rendimiento óptimo puede calcularse de la siguiente forma: 2 2 2 8 kg/cm 5 , 3 ) 70 , 12 ( ) 98 , 0 ( kg/cm 12,70 C 32,2º a saturación de presión kg/cm 0,98 C 34,4º -a saturación de presión = = = = = = i a p p p

Las entalpías de todos los puntos pueden entonces buscarse en las tablas de propiedades o en el diagrama presión-entalpía del amoniaco:

h1 = hg a – 34,4ºC = 334,1 kcal/kg

h2 = h a 3,5 kg/cm2 después de la compresión isoentrópica = 374,4 kcal/kg

h3 = hg a 3,5 kg/cm2 = 343,4 kcal/kg

h4 = h a 12,7 kg/cm2 después de la compresión isoentrópica = 387,7 kcal/kg

h5 = hf a 32,2ºC = 79,7 kcal/kg

h6 = hs = 79,7 kcal/kg

h7 = hf a 3,5 kg/cm2 = 36,9 kcal/kg

h8 = h7 = 36,9 kcal/kg

A continuación, puede calcularse el caudal en masa a través de los compresores haciendo los balances térmico y de masas.

Balance térmico en el evaporador:

[

]

Balances térmico y de masas en el enfriador de vapor: 7 7 3 3 2 2h m h m h m h m + _{s s} = + 7 2 3 y m m m m_s = = (4,24)(374,4) + m3 (79,7) = m3 (343,4) + (4,24) (36,9) m3 = 5,42 kg/min.

Potencia del compresor de baja = (4, 24 kg/min)(374,4-334,1 kcal/kg) 16 PH

Potencia del compresor de alta = 22,5HP 7 , 10 ) 4 , 343 7 , 387 ( 42 , 5 − ₌ Potencia total = 16 + 22,5 = 38,5 HP

Esta potencia puede compararse con la de un sistema de compresor único que desarrolla 25 ton a – 34,4ºC. El diagrama presión-entalpía se muestra en la Fig. 4-11.

Las entalpías son:

1 334,1 kcal/kg h = 8 , 428 2 = h kcal/kg kcal/kg 7 , 79 4 3 = h = h

[

]

El sistema con compresión en dos etapas consume 38,5 HP, es decir, 12,5% menos que el sistema de compresor único.

Ejemplo 4-4. En un sistema con amoniaco, un evaporador ha de proporcionar 20 ton de refrigeración a - 34,4ºC, y otro evaporador ha de proporcionar 40 ton a – 12,2ºC. El sistema hace la compresión en dos etapas, con enfriamiento del vapor, y está dispuesto como en la Fig. 4-12a. La temperatura de condensación es 32,2ºC. Calcular la potencia gastada por los compresores.

Solución: Trácese el diagrama presión-entalpía del ciclo como en la Fig. 4-12b. La presión de

descarga del compresor de baja y la presión de admisión del compresor de alta son iguales a la presión en el evaporador a – 12,2ºC.

A continuación, se determinan las entalpías en los puntos clave. h1 = hg a – 34,4ºC = 334,1 kcal/kg

h2 = h a 2,71 kg/cm2 después de la compresión isoentrópica = 365,0 kcal/kg

h3 = hg a – 12,2ºC = 341,6 kcal/kg

h4 = h a 12,70 kg/cm2 después de la compresión isoentrópica = 395,5 kcal/kg

h5 = hf a 32,2ºC = 79,7 kcal/kg

h6 = hs = 79,7 kcal/kg

h7 = hf a – 12,2ºC = 29,9 kcal/kg

h8 = h7 = 29,9 kcal/kg

El caudal en masa puede calcularse ahora.

[

]

1

20 ton 50,4 kcal/(min) (ton)

3, 31 kg/min 334,1 - 29,9 m = = kg/min. 31 , 3 1 2 8 7 =m =m =m = m

Probablemente, la forma más simple de calcular el caudal en masa del compresor de alta consiste en hacer balances térmicos y de masa en el evaporador de alta temperatura y en el enfriador de vapor, como se muestra en la Fig. 4-13.

Balance térmico: 7 7 3 3 2 2 016 , 2 m h m h m h h m_{s s} + + = + Balance de masas: kg/min, 31 , 3 7 2 = m = m por tanto, 3 5 m m = Sustituyendo, 79,7 m3 + 2.016 + (3,31) (3,65) = 341,6 m3 + (3,31) (29,9) Resolviendo, m3 = 11,92 kg/min Calculando la potencia,

Potencia para el compresor de baja = (3, 31 kg/min) (365 - 334,1)

10,7 kcal/(HP) (min) = 9,6 HP

Potencia para el compresor de alta = 60,1HP

10,7 341,6) -(395,5 kg/min) 92 , 11 ( =

Si un compresor sirviese a cada evaporador con compresiones de una única etapa, se consumiría más potencia.

Caudal a través del evaporador de baja = 3,96kg/min 79,7 -334,1 50,4 x 20 ₌

Caudal a través del evaporador de alta = 7,70kg/min 79,7 -341,6 50,4 x 40 =

Potencia del sistema de baja temperatura = 35,1HP 7 , 10 ) 1 , 334 8 , 428 ( 96 , 3 = −

Potencia del sistema de alta temperatura = 38,8HP 7 , 10 ) 6 , 341 5 , 395 ( 70 , 7 − ₌

Total una Etapa...73,9 HP Con el sistema de dos etapas hay un ahorro de potencia del 5,7%.