002 - Ciclos de Refrigeración - Problemas a Resolver

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FIME - TERMODINAMICA II – Verano 2014

Ing°

Ing° Samuel

Samuel Silva

Silva B.

B. -

- Ing.

Ing. Oscar

Oscar Crisostomo

Crisostomo G.

G. Ciclos Básicos de Refrigeración

Ciclos Básicos de Refrigeración

Jueves 13 de Febrero 2014

Facultad de Ingeniería

ecánica ! "nergía

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1.

Un refrigerador opera e Un refrigerador opera en el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor n el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor y usa refrigerantey usa refrigerante 134a como fluido de trabajo.

134a como fluido de trabajo. El condensador opera a 300 psia, y el El condensador opera a 300 psia, y el evaporador a 20 !. evaporador a 20 !. "i estuviera"i estuviera disponible un dispositivo de e#pansión adiab$tica y

disponible un dispositivo de e#pansión adiab$tica y reversible, y se usara para reversible, y se usara para e#pandir el l%&uidoe#pandir el l%&uido &ue sale del condensador, 'cu$nto mejorar%a el ()* usando este dispositivo en lugar de un

&ue sale del condensador, 'cu$nto mejorar%a el ()* usando este dispositivo en lugar de un dispositivo de estrangulación+

dispositivo de estrangulación+

Co!re"ión de #aor

FIME - TERMODINAMICA II

FIME - TERMODINAMICA II – Vera

– Verano

no

2014

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2.

Un refrigerador usa refrigerante 134a como fluido de trabajo y opera en un ciclo ideal de

refrigeración por compresión de vapor entre 0.12 y 0. -*a. El flujo m$sico del refrigerante es 0.0 /gs. -uestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las l%neas de saturación. etermine a la tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, b la tasa de recao de calor al entorno y c  el coeficiente de desempe5o.

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Ciclo Ideal de Refrigeración or

Co!re"ión de #aor

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3.

"i la v$lvula de estrangulación en el problema 2 se reemplaa por una turbina isentrópica, determine el porcentaje de aumento en el ()* y en la tasa de remoción de calor del espacio refrigerado.

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4.

Entra refrigerante 134a al compresor de un refrigerador como vapor sobrecalentado a 0.20 -*a y  ( a raón de 0. /gs, y sale a 1.2 -*a y 0 (. El refrigerante se enfr%a en el condensador a 44 ( y 1.1 -*a, y se estrangula a 0.2 -*a. espreciando cual&uier transfe rencia de calor y cual&uier ca%da de presión en las l%neas de cone#ión entre los componentes, muestre el ciclo en un diagrama T-scon respecto a las l%neas de saturación, y determine a la tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, b la eficiencia isentrópica del compresor, y c  el ()* del refrigerador.

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Ciclo Ideal de Refrigeración or

Co!re"ión de #aor

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5.

Un refrigerador comercial con refrigerante 134a como fluido de trabajo se usa para mantener el espacio refrigerado a 30 ( recaando su calor de deseco a agua de enfriamiento &ue entra al condensador a 16 ( a raón de 0.2 /gs y sale a 27 (. El refrigerante entra al condensador a 1.2 -*a y 7 ( y sale a 42 (. El estado a la entrada del compresor es de 70 /*a y 34 ( y se estima &ue el compresor gana un calor neto de 40 8 del entorno. etermine a la calidad del refrigerante a la entrada del evaporador, b la carga de refrigeración, c  el ()* del refrigerador y d  la carga de refrigeración teórica m$#ima para la misma entrada de potencia al compresor.

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#$ Entra refrigerante 134a al compresor de un refrigerador a 100 /*a y 20 ( a raón de 0. m3min y sale a 0.6 -*a. 9a eficiencia isentrópica del compresor es de 6 por ciento. El refrigerante entra a la v$lvula de estrangulación a 0. -*a y 27 ( y sale del evaporador como vapor saturado

a 27 (. -uestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las l%neas de saturación, y determine a la entrada de potencia al compresor, b la tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y c  la ca%da de presión y la tasa de ganancia de calor en la l%nea entre el evaporador y el compresor

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Ciclo Ideal de Refrigeración or

Co!re"ión de #aor

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7.

Un refrigerador usa refrigerante 134a como fluido de trabajo y opera en el ciclo ideal de

refrigeración por compresión de vapor. El refrigerante entra al evaporador a 120 /*a con una calidad de 30 por ciento y sale del compresor a 70 (. "i el compresor consume 40 8 de potencia,

determine a el flujo m$sico del refrigerante, b la presión del condensador y c  el ()* del refrigerador

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8.

El fabricante de un acondicionador de aire afirma &ue una de sus unidades tiene una relación de eficiencia energ:tica estacional ;"EE< de 17 ;=tu8. 9a unidad opera en el

ciclo normal de refrigeración por compresión de vapor, y usa refrigerante 22 como fluido de trabajo. Este "EE< es para las condiciones de operación en las &ue la temperatura de saturación del

evaporador es de > ( y la temperatura de saturación del condensador es de 4 (. 9a siguiente tabla da los datos del refrigerante 22. a ?aga un es&uema del e&uipo y trace el diagrama T-s para este acondicionador de aire. b etermine el calor absorbido por el refrigerante en el evaporador por unidad de masa del refrigerante 22, en /@/g. c  etermine el suministro de trabajo al compresor y el calor recaado en el condensador por unidad de masa del refrigerante 22 en /@/g.

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Ciclo Ideal de Refrigeración or

Co!re"ión de #aor

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.

Un refrigerador real opera en el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, con refrigerante 22 como fluido de trabajo. El refrigerante se evapora a >1 ( y se condensa a 40 (. 9a eficiencia

isentrópica del compresor es de 63 por ciento. El refrigerante tiene un sobrecalentamiento de  ( a la entrada del compresor, y un subenfriamiento de  ( a la salida del condensador. etermine a el calor &ue se &uita del espacio enfriado, y el suministro de trabajo, en /@/g, y el ()* del ciclo. etermine b los mismos par$metros si el ciclo operase en el ciclo ideal de ref rigeración por compresión de vapor, entre las mismas temperaturas de evaporación y condensación. 9as propiedades del <A22 en el caso de la operación real sonB h1 402.4C /@/g, h2 44.00 /@/g, h3 243.1C /@/g. 9as propiedades del <A 22 en el caso de la operación ideal sonB h1 3CC.04 /@/g, h2 440.1 /@/g, h3 24C.60 /@/g. DotaB estado 1, entrada al compresor estado 2, salida del compresor estado 3, salida del condensador estado 4, entrada al evaporador.

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1!.

Una bomba de calor opera en el ciclo ideal por compresión de vapor con <A134a como fluido de trabajo. Esta bomba de calor se usa para mantener un espacio a 2 ( absorbiendo calor a raón de 2. /8 de agua geot:rmica &ue fluye por el evaporador. El evaporador opera a 20 (, y el

condensador opera a 1 400 /*a. El compresor recibe trabajo igual a 20 /@ por cada /ilogramo de refrigerante &ue fluye en :l. a ?aga un diagrama del e&uipo y trace el diagrama T-s para esta bomba de calor. b etermine la tasa de transferencia de calor al espacio calentado a 2 (. c  etermine el ()* de la bomba de calor. atos del refrigerante 134aB T 20 (B hf C.3 /@/g, hg 271.7 /@/g P 1 400 /*aB hf 12.2 /@/g, hg 27.2 /@/g

.

$i"%e!a" de &o!'a" de Calor

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11. Un edificio necesita una bomba de calor de 2 toneladas para mantener el espacio interior a 2 ( cuando la temperatura e#terior es de  (. 9a bomba de calor opera en el ciclo normal de refrigeración por compresión de vapor, y usa <A134a como fluido de trabajo. 9as condiciones de operación de la bomba de calor necesitan una presión en el evaporador de 240 /*a, y una presión en el condensador de 1 700 /*a. El compresor tiene una eficiencia isentrópica de 6 por ciento. *ara el refrigerante 134a con P 1 700 /*a y s 0.C222 /@/g F G, h 26 /@/g. Hambi:n, 1 ton 211 /@min. a ibuje el e&uipo y trace el diagrama T-s para este sistema de bomba t:rmica. b etermine la potencia necesaria para operar la bomba de calor, en /8, y el ()*. 9a siguiente tabla da datos seleccionados del <A134aB

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12.

Una bomba de calor con refrigerante 134a como fluido de trabajo se usa para mantener un espacio a 2 ( absorbiendo calor de agua geot:rmica &ue entra al evaporador a 0 ( a raón de 0.07 /gs y sale a 40 (. El refrigerante entra al evaporador a 20 ( con una calidad de 23 por ciento y sale a la presión de entrada como vapor saturado. El refrigerante pierde 300 8 de calor al entorno cuando fluye por el compresor y el refrigerante sale del compresor a 1.4 -*a a la misma entrop%a &ue a la entrada. etermine a los grados de subenfriamiento del refrigerante en el

condensador y b el flujo m$sico del refrigerante, c  la carga de calentamiento y el ()* de la bomba t:rmica y d  la entrada m%nima teórica de potencia al compresor para la misma carga de calentamiento.

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13.

Entra refrigerante 134a al condensador de una bomba de calor residencial a 600 /*a y  (, a raón de 0.016 /gs, y sale a 0 /*a subenfriado en 3 (. El refrigerante entra al compresor a 200 /*a sobrecalentado en 4 (. etermine a la eficiencia isentrópica del compresor, b la tasa de suministro de calor al cuarto calentado y c  el ()* de la bomba de calor. Hambi:n determine d  el ()* y la tasa de suministro de calor al cuarto calentado si esta bomba de calor opera en el ciclo ideal por compresión de vapor entre los l%mites de presión de 200 y 600 /*a.

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14. Un sistema de refrigeración por compresión de dos etapas opera con refrigerante 134a entre los l%mites de presión de 1.4 y 0.10 -*a. El refrigerante sale del condensador como l%&uido saturado y se estrangula a una c$mara de autoevaporación a 0.4 -*a. El refrigerante &ue sale del compresor de baja presión a 0.4 -*a tambi:n se conduce a la c$mara de vaporiación instant$nea. El vapor de la c$mara de vaporiación instant$nea se comprime luego a la presión del condensador mediante el compresor de alta presión, y el l%&uido se estrangula a la presión del evaporador. "uponiendo &ue el refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y &ue ambos compresores son isentrópicos, determine a la fracción del refrigerante &ue se evapora cuando se le estrangula a la c$mara de vaporiación instant$nea, b la tasa de remoción de calor del espacio refrigerado para un flujo m$sico de 0.2 /gs a trav:s del condensador y c  el coeficiente de desempe5o.

Ciclo de Refrigeración en Ca"cada

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15. (onsidere un sistema de refrigeración en cascada de dos etapas &ue opera entre los l%mites de presión de 1.2 -pa y 200 /*a con refrigerante 134a como fluido de trabajo. El recao de calor del ciclo inferior al superior tiene lugar en un intercambiador de calor adiab$tico a contracorriente en donde las presiones en los ciclos superior e inferior son 0.4 y 0. -*a, respectivamente. En ambos ciclos el refrigerante es un l%&uido saturado a la salida del condensador y un vapor saturado a la entrada del

compresor, y la eficiencia isentrópica del compresor es de 60 por ciento. "i el flujo m$sico del refrigerante en el ciclo inferior es de 0.1 /gs, determine a el flujo m$sico del refrigerante a trav:s del ciclo superior, b la tasa de remoción del espacio refrigerado y c  el ()* de este refrigerador .

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1".

Un sistema de refrigeración por compresión de dos evaporadores utilia refrigerante 134a como fluido de trabajo. El sistema opera el evaporador 1 a 0 (, el evaporador 2 a 27.4 ( y el

condensador a 600 /*a. El refrigerante se circula por el compresor a raón de 0.1 /gs, y el

evaporador de baja temperatura sirve para una carga de enfriamiento de 6 /8. etermine la tasa de enfriamiento del evaporador de alta temperatura, la poten cia necesaria para el compresor y el ()* del sistema. El refrigerante es l%&uido saturado a la salida del condens ador, y vapor saturado a la salida de cada evaporador, y el compresor es isentrópico.

Ciclo de Refrigeración or co!re"ión de do"

e#aoradore"

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17..

Un sistema de refrigeración por compresión con dos evaporadores como el de la figura *11A71 usa refrigerante 134a como fluido de trabajo. El sistema opera el evaporador 1 a 30 psia, el

evaporador 2 a 10 psia, y el condensador a 160 psia. 9a carga de enfriamiento para el evaporador 1 es C.000 =tu, y la del evaporador 2 es de 24.000 =tu. etermine la potencia necesaria para

operar el compresor y el ()* de este sistema. El refrigerante es l%&uido saturado a la salida del condensador, y vapor saturado a la salida de cada evaporador, y el compresor es isentrópico.

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e#aoradore"

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18..

Un sistema de refrigeración en cascada de dos etapas debe dar enfriamiento a A40 ( operando el condensador de alta temperatura a 1.7 -*a. (ada etapa opera en el ciclo ideal de

refrigeración por compresión de vapor. El sistema superior de refrigeración por compresión de vapor ;I(<", por

sus siglas en ingl:s usa agua como fluido de trabajo, y opera su evaporador a  (. El ciclo inferior usa refrigerante 134J como fluido de trabajo y opera su condensador a 400 /*a. Este sistema

produce un efecto de enfriamiento de 20 /@s. etermine los flujos m$sicos de <A134a y agua en sus ciclos respectivos, y el ()* total de este sistema en cascada.

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1. Consi#ere un ciclo #e #os eta$as #e re%rigeracion en casca#a con una camara #e eva$oracion

instantanea & con re%rigerante 134 a como 'ui#o #e tra(a)o. *a tem$eratura #el eva$ora#or es #e -1!°C + la $resion #el con#ensa#or es 1"!! ,a. l re%rigerante sale #el con#ensa#or como li/ui#o satura#o + se regula a una camra #e eva$oracion instantanea /ue o$era a !.45 0a. arte #el re%rigerante se eva$ora #urante este $roceso #e eva$oracion instantanea + este va$or se mecla con el re%rigerante /ue sale #el com$resor #e (a)a $resion. *a mecla se com$rime luego asta la $resion #el con#ensa#or& me#iante el com$resor #e alta $resion. l li/ui#o en la camara #e eva$oracion instantanea se estrangula asta la $resion #el eva$ora#or + en%ria el es$acio re%rigera#o al va$oriarse en el eva$ora#or. l 'u)o masico #el re%rigerante a traves #el com$resor #e (a)a $resion es #e !.11 ,gs. Su$onien#o /ue el re%rigerante sale #el eva$ora#or como va$or satura#o& + /ue la eciencia isentro$ica es #e 8 " $ara am(os com$resores&

#etermine a6 el 'u)o masico #el re%rigerante a traves #el com$resor #e alta $resion& (6 la tasa # e

re%rigeracion suministra#a $or el sistema. c6 el CO #e este re%rigera#or. #6 la tasa #e re%rigeracion + el CO si este re%rigera#or o$erase en un ciclo #e com$resion #e va$or #e una sola eta$a entre la misma

tem$eratura #e eva$oracion + la misma $resion #el con#ensa#or& c on la misma eciencia #el com$resor + el mismo 'u)o masico /ue el calculo en el inciso a6.

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2!. sar 9ermogra%& $ara encontrar algunas $ro$ie#a#es6 ntra aire al com$resor #e

un ciclo i#eal #e re%rigeracion #e gas a 7°C + 35 ,a + a la tur(ina a 37°C + 1"! ,a. l

'u)o masico #el aire a traves #el ciclo es #e !.14 ,gs. Su$onien#o calores es$ecicos

varia(les $ara el aire& #etermine: a6 la carga #e re%rigeracion& (6 la entra#a neta #e

$otencia& + c6 el coeciente #e #esem$e;o.

Ciclo de Refrigeración de ga

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21. n ciclo #e re%rigeracion #e gas con una relacion #e $resiones #e 3 usa elio como

'ui#o #e tra(a)o& *a tem$eratura #el elio es #e -1!°C a la entra#a #el com$resor + #e

5!°C a la entra#a #e la tur(ina. Su$onien#o eciencias isentro$icas #el 8! $ara la

tur(ina como $ara el com$resor& #etermine: a6 la tem$eratura minima #el ciclo& (6 el

coeciente #e #esem$e;o + c6 el 'u)o masico #el elio $ara una carga #e re%rigeracion

#e 18 ,<.

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21. Se va mane)ar una carga #e en%riamiento #e 3" ,=>,g a ! °C me#iante un ciclo i#eal

#e re%rigeraci?n #e gas con aire como 'ui#o #e tra(a)o. l calor #e #eseco #e este ciclo

se recaa al entorno a 25°C. @ la entra#a #el com$resor& el aire esta a 85 ,a + -13°C.

Aetermine la relaci?n mnima #e $resiones $ara /ue este sistema o$ere correctamente

Ciclo de Refrigeración de ga

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22. Un sistema de refrigeración de gas &ue usa aire como fluido de trabajo tiene una relación de presiones de . El aire entra al compresor a 0 (. El aire de alta presión se enfr%a a 3 ( recaando calor al

entorno. El aire sale de la turbina a 60 ( y luego absorbe calor del espacio refrigerado antes de entrar al regenerador. El flujo m$sico de aire es de 0.4 /gs. "uponiendo eficiencias isentrópicas de 60 por ciento para el compresor y 6 por ciento para la turbina y usando calores espec%ficos constantes a temperatura ambiente, determine a la efectividad del regenerador, b la tasa de remoción de calor del espacio

refrigerado y c  el ()* del ciclo. Hambi:n determine d  la carga de refrigeración y el ()* si este sistema operase en el ciclo simple de refrigeración de gas. Use la misma temperatura dada de entrada al

compresor, la temperatura de entrada a la turbina como se calculó y las mismas eficiencias de compresor y de turbina.

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Ciclo de Refrigeración de ga

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23. "e muestra un sistema ideal de refrigeración de gas con dos etapas de compresión con

interenfriamiento &ue opera con aire &ue entra al primer compresor a C0 /*a y 16 (. (ada etapa de compresión tiene una relación de presiones de 4 y los dos interenfriadores pueden enfriar el aire a 10 (. (alcule el coeficiente de desempe5o de este sistema y la raón a la &ue debe circular el aire por este sistema para manejar una carga de enfriamiento de ,000 /@. Use calores espec%ficos constantes a temperatura ambiente.

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24. "e usa un ciclo de refrigeración de gas regenerativo con argón como fluido de trabajo para mantener un espacio a >4 (, recaando calor al aire ambiente a 0 (. El argón entra al

compresor a >30 ( con un caudal de 0.06 /gs. El ciclo tiene una relación de presiones de . 9a temperatura del argón disminuye de 1 ( a >36 ( en el regenerador. 9as eficiencias isentrópicas tanto del compresor como de la turbina son 62 por ciento. etermine a la carga de refrigeración y el ()* b el suministro m%nimo de potencia, la eficiencia de la segunda ley del ciclo y la destrucción total de e#erg%a en el ciclo. 9as propiedades del arg ón son cp 0.203 /@/g F G y k 1.77.