Refri1 David Burghardt

7/23/2019 Refri1 David Burghardt

1/28

4

En la figura 12.

partes a b , se ilustra una representacin

ica del ciclo inverso de

Carnot, as como eJ diagrama

s

que corresponde al mismo. Se trata de un sistema del t i -

po de compresin mecnica de un vapor. El ndice de eficacia de un sistema de refrigera-

2 CICLO INVERSO DE CARNOT CICLO FRIGORFICO

En

el

sentido tcnico de la palabra,

refriger in

significa mantener un sistema a una tem

peratura menor que la de sus alrededores. Esto no puede suceder en forma natural, de mo

do que debe emplearse un dispositivo que permita lograr lo anterior.

Como vimos en el anlisis de los ciclos de Carnot, Captulo 7, una mquina de Car

not de ciclo inverso extrae calor de un depsito trmico a baja temperatura,

entrega

dicha energa, ms el trabajo necesario para transferir ese calor, a un depsito trmico a

alta temperatura. En este caso, el espacio refrigerado es el primer depsito.

Existen varios sistemas de refrigeracin que se utilizan en la prctica para llevar a ca

bo tal funcin; describiremos los sistemas de compresin mecnica de absorcin de

lquido,

se explicar brevemente el sistema de licuacin o licuefaccin a baja temperatu

ra de Linde

Hampson. El primero se puede- asemejar a un ciclo inverso de Carnal que

opere entre los mismos lmites de temperatura. Por lo tanto, vale la pena repasar breve

mente dicho ciclo inverso.


2/28

La siguiente cuestin importante es el tipo de sustancia de trabajo, o refrigerante que po

demos utilizar en un sistema de refrigeracin. Hay muchas opciones, como ilustra la

Tabla 12.1, pero es deseable tener una presin de entrada al compresor Que sea igualo ma

yor que la atmosfrica, de modo que el aire no se infiltre en el sistema de refrigeracin. Es

necesario, entonces, contar con una sustancia que tenga una temperatura de ebullicin

menor que la de los alrededores a la presin de la atmsfera. Si consideramos los puntos

de ebullicin de diversas sustancias a la presin atmosfrica, muchos sern temperaturas

lo suficientemente bajas, de modo que tales sustancias sirven como refrigerantes. El

amoniaco, por ejemplo, hierve a - 33.3C, yel refrigerante 12, lo hace a - 29.7C, am

bos a la presin

atm osfri ca

Si empleramos una sustancia bifsica, el diagrama Ts

correspondiente a un ciclo inverso de Carnot en un sistema de compresin de vapor, se

22 CONSIDERACIONES RELATIVAS AL REFRIGERANTE

Los subndices H L significan alta high y baja low respect.ivamente.

Como el ciclo inverso de Carnot es el mejor u ptimo posible, el COP o CF corres

pondiente a tal ciclo suele utilizarse como base de comparacin de los valores de COP ob

tenidos con otros ciclos.

En el caso de un ciclo inverso de Carnot se tiene

12.1

cin no

es

una eficiencia, sino la relacin conocida por coeficiente de funcionamiento

COP , que se define como el calor suministrado efecto deseado dividido entre el trabajo

neto realizado lo que se suministr y es lo que cuesta:

COP

en lr

W

ner.

b

igur 2 a) Esquemade un sistema de refrigeracin Que funciona con base en un ciclo

Inverso de Carnot; b) diagrama

TS

correspondiente al mencionado ciclo.

Entropa S

i:

~

tJ

ne t

~

O

1

o

E

Mquina

t-

E:\pansor

c ~ ~ p ~ O

motriz

Receptor de calor

TI

12.2

242 SISTEMAS DE REFRIGERACION. BOMBA DE CALOR


3/28

I

VI

0\

o

u

0

~

N

C

o

::J

C i

~

O

.D

CU

O

~

-

-

0\ ~ ~

f )

1

r- ~~- -

M

N - ~ - 1- - - N - -

r - r -

r- - -

~

-

~I

~~ N~ ~ U

M M- ~ r,,~~ ~

~ ~U ,.. ,t ,L. U

M,..,

Q) ; 1, , M... _ .- _

.~O

O~

: : r :

r

UU : : r : UU

< . UUUUZUUUUU

oor - \ OVVOOVc- - r - r

O : - . i V N o \ t \ N . . o O

r - O\ O\ - MM~r -OOO\ ~

~N~NNNN

\ OO- - - - - O\ \ O- C l

N N - . i O o \ 0 V o _ ; : , ,

MOO~ OOOO- I f l r - OO

-MMMMVMVVVV

r - r - oo\ Ooo~- r - r - oo

C- - OOMO\ O\ ~- N-M~

MM M- . i _ ; - . i MV ~ t

~

eo

Q)

O

o

-

.~ o o

U 5 Z 5 5 5 3 C Z C 3

--< l-- _

Consios

dCIOI1( c;tlatlvas

al

re{rlger ante 4

~ o s

- (,J

=

S S

~

o ~

r r

o s

-

s

IIJ

(,J

~ ~

c-

O

S

Q)

O

f)

e o

o

C/

,-

/

ID

O

ro

-o

ID

a.

o

-

Q..

+-

ID

-

f)

ID

e

c o

-

ID

O>


4/28

Existen algunas desventajas en el sistema que acabamos de mencionar. Primera, los

compresores de movimiento alternativo no deben operar con una mezcla de lquido y va

por saturados, pues el aceite lubricante del cilindro puede ser arrastrado o barrido du

rante el proceso de compresin. Segunda, el trabajo realizado en el expansor resultara

muy pequeo comparado con el que tiene lugar en el compresor, y el costo de dicho ex

pansor resulta innecesario. El sistema estndar de compresin de un vapor real, como se

ilustra en la figura 12.3, a) y b), resuelve estos problemas en dos modos. Primero, el

refrigerante recibe calor hasta convertirse en un vapor saturado en el estado 2, y segundo,

e proceso de expansin es un proceso de estrangulacin irreversible para el cual nica

mente se necesita una vlvula apropiada. Como sucede en el caso de ciclos de produccin

de energa mecnica en los que se utilizan sustancias bifsicas, la adicin de calor I-2) y la

cesin de calor 3-4) son procesos a presin constante. El pico de sobrecalentamiento que

se indica en la figura 12.3 b) representa el trabajo adicional necesario para la compresin

en seco, comparado con la compresin en hmedo. El rea el representa la prdida de

efecto refrigerante debida al proceso de estrangulacin irreversible, en comparacin con

el proceso de expansin a entropa constante. En la prctica, para la refrigeracin suele

emplearse un diagrama ph en vez del diagrama es que se muestra en la figura l2.3 b). El

mismo proceso se indica en un diagrama p fig. 2.4).

El primer modo de refrigeracin que utiliz el ser humano fue el contacto con trozo

de hielo. Una vez que desarroll medios ms elaborados para producir un efecto

frigorfico o de enfriamiento), expres su capacidad en trminos de una unidad accesible

12.3 FRIGORFI O POR OMPRESiN DE UN V POR

asemejara al de la figura 12.2. En este caso, el calor suministrado que proviene de la re

gin refrigerada, evaporara al fluido en 1) hasta alcanzar el estado 2. El compresor

aumentara isentrpicarnente 2-3) la presin de la mezcla hmeda hasta una temperatura

elevada, produciendo su conversin en vapor saturado. La cesin de calor 3-4) se

efectuara a una temperatura constante, hasta que el fluido se condense

l l

la forma de

lquido saturado,

y

luego el lquido entrara 4-1) al expansor a entropa constante, reali

zando ah trabajo hasta alcanzar la presin

y

la temperatura del estado l.

ntrop

s

igur 72 2 Diagrama l s correspondiente a una sustancia bifsica que funciona COr base en

el ciclo inversode Carnot

;

.

E

SISTEMAS DE REFRIGERACION BOMBA DE CALOR


5/28

Entalpa

igura

12.4 Diagrama

pn

pala el sistema de la figura 12.3 al.

:~

a :

j mplo 12.1

Un sistema de refrigeracin estndar por compresin de un vapor) produce 20 T.R.

toneladas de refrigeracin) con el empleo de R12 como refrigerante, cuando

En el Apndice se presentan diagramas

y

tablas correspondientes a diversos refrige-

rantes. Antes de proseguir con las modificaciones al ciclo estndar de compresin de va-

por analicemos el sistema del ejemplo siguiente.

12.3

derivada del efecto de fusin del hielo. El calor latente de fusin del hielo vale

334.9 kJ/kg, que es el valor usual. En la prctica se toma como unidad el efecto frigorfico

producido por una tonelada inglesa 2000 libras) de hielo, es decir, por 907.18 kg; tal efecto

es, por tanto, de 3.0384

x

10 kJ. Un sistema de refrigeracin produce un efecto

frigorifico en cierto intervalo de tiempo. Se define la tonelada de refrigeracin T.R.)

como la extraccin de 3.0384 X 10 kJ en un lapso de 24 horas. Por consiguiente,

1 TR 3.0384

x

1 kJ

3.516 kW

24

x

3600

s

a b

igura

12.3 a Croquis de un sistema simple de refrigeracin. b Diagrama

Ts

correspondiente al sistema de a.

_ . ._

b

1 \

\

=

~

t

I I

I I

I I

Mquina

motriz

Pico de

sobrecalen tam ien to

Frigorfico por compresin de un vapor 5


6/28

Podemos elevar la eficiencia del sistema de refrigeracin por compresin de vapor si su

benfriamos o comprimimos) el refrigerante desde el estado 4. El subenfr iarniento aumen

ta el efecto frigorfico, y lo anterior se logra teniendo un mayor enfriamiento que el que se

requiere en el condensador. La figura 12.5 ilustra esto, as como el incremento resultante

en el efecto de refrigeracin.

Mejoramiento del ciclo estndar

funciona entre una temperatura del condensador de 41.6C y una temperatura del

evaporador de - 25C. Determinar a) el efecto frigorfico en kJ/kg; b) la

circulacin en kg/s; e) la potencia suministrada; d) el COP o CF; e) el calor

cedido en

k W

El problema se ilustra en las figuras 12.3, a) y b), y 12.4. a). El efecto de

refrigeracin se produce en el evaporador, y realizando un balance de energa

obtenemos

q~nlr h

donde

2

hg

176.35 kJ/kg a - 25C

h

76.17 kJ/kg a 41.6C

qenrr. 176.35 - 76.17 = 100.18 kJ/kg.

b La capacidad frigorfica desarrollada es de 20 TR, de modo que

20 TR) 3.516 kW/TR)

70.32 kW

m

h

2 -

7

1

/7 1

=

70.32/100.18 0.7019 kg/s.

e) Un balance de energa para el compresor da

w = hJ 2

Como se conoce

h

2

y s

= S = 0.7121 kJ/kg K, recurriendo a las tablas de

sobrecalentamiento se tiene en

p

= 1.0 MPa que

h 3 ::::;

213.46 kJ/kg.

w

=

213.46 - 176.35

=

37.11

kJ/kg

La potencia es

W

mw = 0.7019) 37.11) = 26.05 kW

d) COP = qCnl /w

=

100.18/37.11 = 2.70.

e) El calor cedido en el condensador se calcula mediante un balance de energa

para el mismo.

qs l

=

h 3 -

=

213.46 - 76.17 = 137.29 kJ/kg

Q a J

=

m qsaJ .

=

0.7019) 137.29)

=

96.36

kW

La capacidad del compresor depende del flujo en volumen que el compresor

tiene que manejar en las condiciones de entrada. Para este ejemplo, dicho flujo

volumtrico o gasto) es

li

=

rlV

=

0.7019) 0.131 166)

0.092~ = = 92_lt_

s s

6 SISTEMAS DE REFRIGERACION BOMBA DE CALOR


7/28

Cuando analicemos lo co mpresores de ga en

l

Capuulo 15 \ eremos que el trabajo de

compresin se reduce al cl

ecrur el

proceso en etapas suce ivas de cornprevion (escalona-

12.4

SISTEM S FRIGORFI OS POR OMPRESiN

DE V POR EN S D

hs

h a 35C

69 9kJjkg

h hs

q

h

2

h ,

106.86

kJjkg

37.11 kJjkg

COP

2.88

De manera que el CF del ciclo con suben

friarniento e 6 6 7

mayor

que

el del

ciclo ideal de compresin de vapor.

En los equipos reales, el refrigerante que ale del e aperador tambin es

sobrecalcnrado

lo cual incrementa el efecto de refrigeracin, pero tambin

aumenta mucho el trabajo. El sobrecalentamiento e nece ari para el control de

la vlvula de expnsin y para cv ir r que entre al compre f refrigerante lquido.

j mplo

22

El refrigerante del Ejemplo 12.1 es subenfriado 6.6C al salir del condensador.

Determinar el nuevo efecto de refrigeracin, as como el COP o CF.

Para ubicar el estado 5 supondremos que las propiedades del lquido saturado la

temperatura de subenfriamiento, son las propiedades en el estado 5. Nuestra suposicin es

orrecta, porque la lnea de presin constante y la lnea de lquido saturado se encuentran

muy cercanas entre s y la variacin de propiedad entre ambas es muy pequea. La

in ten s i-

ficacin del enfriamiento incrementa la eficiencia del ciclo al acrecentar el efecto frigo

rfico y evitar la evaporacin del refrigerante antes de que entre a la vlvula de expansin.

ntropia

Figura

25 Diagrama

Is

que ilustra un efecto de subenfriarniento

incremento en

efecto frigorifico

ocasionado por

el subcn frirn ien to

Sistemas frtgorftcos por cornorosrn de vapor en coscada 7


8/28

igur

26 a Sisterna

de rp.fngeraCl6n concatenado de dos pasos, con condensador del tipo

indirecto o cerrado . b Diagrama

s respectivo. te DliJgrama

h

corrospondlente.

Entalpa

e

7

>

~I

c:

o

o

Entropa s

b

l a

I I

I I

Aumento en

el efecto

I I frigorfico

I

d

I

IDisminucin

I de trabajo

Vlvula

de expansin

H - C J

Condensador

indirecto

1

I

Vlvula de.51

expansin f

A DE CALOR

SISTEMAS DE REFRIGERACION. BOMB

48


9/28

Qm

igur

12.7 Sistemade refngeraclnconcatenado, de dos pasos,con condensador del uoo

directo o abierto)

1_j

vaporador

Vlvul~ ,de

sr

expansin

D

~t-D

Condensador

directo

Vlv ula

_t ~

j

de cxpansinr-ll. m2

donde p; es la presin mxima y

P

es la presin rmrurna. En la figura 12.6, partes

a), b) y e), se presenta un croquis del sistema, as como los diagramas Ts y p h que

corresponden al ciclo.

El evaporador del sistema de alta presin A.P.) sirve como condensador del de baja

presin B.P.). El diagrama Tsmuestra un mayor efecto frigorfico, rea labc produci

do por el enlace o concatenacin de los sistemas. La lnea punteada que va de 5 a

repre

senta una extensin del proceso de estrangulamiento desde la alta presin hasta la presin

del evaporador. Adems, la disminucin en el trabajo, comparado con el del funciona

miento en una sola etapa, la indica el rea 3d7

En este caso suponemos que los fluidos son iguales, de modo que es posible utilizar el

mismo diagrama Ts. Cuando se utiliza un condensador del tipo cerrado en la concatena

cin o enlace) los fluidos de los sistemas de alta

y

baja presin pueden ser distintos, caso

en el cual se utilizar el diagrama Ts correspondiente a cada sustancia. Si se emplea un

mismo fluido en todo el sistema, es comn utilizar un cambiador de calor de contacto di

recto en lugar de un condensador del tipo anterior. Los diagramas

Ts

y

ph

permanecen

iguales, pero el sistema fsico se ilustra en la figura 12.7. El gas de flasheo , en la parte

superior del cambiador trmico directo, pasa al compresor de alta presin, y el lquido sa-

12.4

1/2

P PhP

miento). Lo mismo puede decirse acerca de los sistemas de refrigeracin. En este caso, en

vez de tener un escalonamiento como en los pasos de un compresor, todo el sistema se

hace funcionar en etapas o en cascada. Esto permite la obtencin de temperaturas meno

res para la refrigeracin, con una cantidad fija de trabajo de compresin.

Las ventajas se captarn conforme analicemos el sistema. La presin ptima entre

etapas,

P

es

istem s Inqoricos por compresin de vpor en csc d

9


10/28ntaloa

Ejemplo 123

Calcular la potencia requerida por dos compresores de un sistema de refrigeracin

con amoniaco que funciona con un evaporador de 30 TR a - 30C. El sistema en

cascada utiliza un condensador de contacto directo

y

la temperatura en dicho

con la ecuacin 12.5) podemos calcular

m

l

12.6

El efecto frigorfico deseado determina el flujo en el paso o etapa de baja presin.

Por ejemplo, si se desean X toneladas de refrigeracin:

m 2h

2 hl

56X

kW

. 3.5l6X

m h h

I

12.5

turado de la parte inferior va a

la

vlvula expansora de baja presin. Este tipo de conden

sador es ms eficiente, ya que elimina toda resistencia que los tubos puedan presentar a la

transferencia de calor. El sistema abierto tambin proporciona cierto control a causa de

los cambios transitorios en el sistema, ya que permite que la proporcin de fluido en cada

etapa o lazo) se altere ligeramente. La presin intermedia,

Pi

variar un poco segn

las condiciones dadas.

Considerando ahora la cuestin de los flujos o corrientes circulantes, cmo puede

determinarse la relacin de gastos entre una etapa y la otra? La respuesta es mediante un

balance de energa para el condensador de enlace, ya sea de contacto indirecto o directo, y

que se emplee el mismo o distintos fluidos.

Energa

entrante ~ Energa saliente

m2hJ m lhs m 2h m ih

m

h3 h4

h6 hs

5

SISTEMAS DE REFRIGERACION. BOMBA DE CALOR


11/28

La potencia total es

l ol l

35.2 k

Si utilizamos una etapa de compresin, como en la figura 12.9, entonces el flujo,

determinado por la ecuacin 12.6 , ser

h 1404.6 h

1805.1 h

h

= 371.7

30 3.516

m

1404.6 _ 371.7 0.1021 kg/s

W

rit h

h , 40.9

k

y, de la misma manera, en el caso del compresor de alta

pres n

La potencia requerida en la unidad de baja presin se determina por un balance

de energa para el compresor isentrpico:

De la ecuacin 12.5 ,

. 30 3.516

= 1404.6 _ 181.5 0.0862 kg/s

Determinemos, con la ecuacin 12.6, la circulacin en el paso de baja presin:

h 1574.3

h7

=

1628.1

hs

= 371.7

h , =

181.5

= 431 kPa

h

= 1404.6

h6

=

1443.5

hg = 371.7

h

=

181.5

Ph

1554.3 kPa presin de saturacin a 40C

PI

119.5 kPa presin de saturacin a - 30C

elemento es de 40C. La figura 12.8 presenta el diagrama

p-n

correspondiente al

ejemplo, y la figura 12.7, el croquis fsico.

Es necesario calcular las intensidades de flujo en los pasos o

loops

de alta

de baja presin. Para lograr esto hay que determinar la presin intermedia.

Emplearemos las Tablas A.9 y A.IO correspondientes a las propiedades del

amonaco.

istem s frigorficos por compresin de v por en c sc d 251


12/28

Entclpia

igur 129 Diagramap n correspondienteal sistemade refngeraClnpor compresin de un

paso del Ejemplo 23

El mayor gasto operativo de los sistemas de refrigeracin por compresin de vapor, se

debe a que el trabajo el

1 7

de la energa disponible es empleado para transferir calor

desde una cierta temperatura hasta otra mayor. No obstante, el

tr jo

se transforma en

calor y es cedido por el sistema en el condensador. Para corregir este uso de la energia dis

ponible, podemos utilizar la propiedad de absorcin de gases por parte de cienos liquidos,

aprovechndola para transmitir calor desde una cierta temperatura hasta otra ms

alta

12.5

SISTEM S FRIGORFICOS POR SORCiN DE V POR

El COP muestra un notable incremento de

3 3 7

cuando se emplea el

funcionamiento concatenado o en cascada.

COP2

qcnlr 3.45

w

Dos etapas

qcnlr

=

h

h ,

=

1404.6 - l8J.5

=

1 2 2 3 1 lcJ/kg

w

h - h

2

h

7

h

6

=

354.3 kJ/kg

La potencia requerida para la compresin en una sola etapa es

J6 2 7

mayor que

la necesaria para llevar a cabo una compresin en dos etapas.

Comparar el COP o CF correspondiente a la compresin con una y con dos

etapas.

Una etapa

qcnlr

h ; h

1404.6- 371.7

=

1032.9lcJ/kg

w

h h, =

1805.1- 1404.6

=

400.5 kJ/kg

COP,

= qcnlt =

2.58

w

252



13/28

En el proceso de absorcin se observa una reaccin qumica de liberacin de calor exotr

mica). Como el vapor se condensa en otro fluido, la entalpia de dicho vapor, as como el

calor de la reaccin, tienen que ser extrados. Existen varios tipos de sistemas de refrigera

cin por absorcin de vapor, entre ellos el de amoniaco yagua, el de agua y bromuro de li

cio y el de aguay cloruro de litio. Aqu analizaremos detalladamente el sistema de amo

niaco yagua. Los otros dos utilizan el agua como refrigerante, lo cual resulta muy prcti

co en el acondicionamiento de aire donde no se necesita una temperatura menor que Oc.

Sin embargo, el sistema de amoniaco yagua es capaz de proporcionar temperaturas abajo

de OC y alcanzar temperaturas tan bajas como las del sistema por compresin de vapor

de amoniaco.

En este caso,el amoniaco es el refrigerante R y el agua es el portador P . El apor

de amoniaco es absorbido por el agua en estado lquido. La figura 12.10 muestra un cro

quis de un sistema de refrigeracin amoniaco-agua. No se incluyen otros elemento que

se encuentran en un sistema real, como el rectificador y el cambiador de calor.

Analicemos la figura l2.lO, donde una bomba sustituye al compresor para cambiar el

nivel de presin en el sistema. El trabajo de la bomba es muy pequeo, de modo que

el empleo del 10070de la energa disponible tambin es muy reducido. Comencemos con el

vapor cuando sale del generador en el estado l. Se trata entonces de vapor de amoniaco

saturado y seco a la presin mayor

P r

El amoniaco e licua en el condensador y sale como

lquido saturado, estado 2; luego pasa por una vlvula de expansin o estrangulamiento)

donde Lapresin se reduce a la presin menor

P

y sale en el estado 3. l amoniaco pasa

luego por el evaporador, absorbiendo lor de los alrededores, para salir en forma de va

por saturado en el estado 4. Este vapor fro entra luego en el absorbedor, donde se mezcla

con una solucin acuosa caliente y es condensado y absorbido. El calor de reaccin e po

sitivo en el caso del amoniaco, de modo que debemos colocar un cambiador de calor en el

absorbedor con el fin de enfriar dicha solucin caliente, mejorando a su capacidad de

Menor porcentaje

de

R

en

P

QA Calor de condensacin

calor de reaccin

Figura 1210 Sistema de refrigeracin por absorcin

vapor

po~c~~~~je

Lh

e R en P Q I

P,

r

Calor de evaporacin

Q L r ---:r-~ :,sorb~1 s l P h calor de reaccin

fecto riori rico

calor de vaporizacin)

6

P

P

t t

Bomba 9 P

t.S1 Vlvula

r t P ~ e expansin

mezcl

Generador

Sistemas fngorflcos por abso rcrn de vapor 53


14/28

12.12

No

obstante,

para el caso reversible podemos reducir esto a una ecuacin que nicamente

incluya la temperatura. Un balance de

ener

gia para el sistema nos da el resultado siguien-

te, despreciando el trabajo realizado:

Energa entrante :::: Energa saliente

Q L

QH

Qc

QA

QM

12.9

La segunda ley de la Termodinmica, cuando se aplica a un ciclo reversible. indica que la

produccin de entropa es nula, o bien, que

tlS H

6S L

tlS M

O 12.10

Si utilizamos la ecuacin que corresponde a una transferencia reversible de calor, ecua-

cin 12.7, la ecuacin 12. 10

se

convierte en

QH Q L ::: QM

Tu

TI T

M

12.11

donde

se

considera el sentido de los

flujos

de

calor.

Luego dividimos la ecuacin 12.9

entre

T :

QH Q , _ QM

T v 1 T

M

T

M

12.8

Sabemos que el coeficiente de funcionamiento es igual al efecto frigorfico dividido entre

lo que se suministra para producir dicho efecto. Esto sigue siendo

vlido,

COp Q L

QH

El COP o CF en la refrigeracin por absorcin de vapor

12.7

rss

y

la figura

12 12

da la representacin en un diagrama T s

absorcin y retirando la entalpia de condensacin y el calor de reaccin. Esta solucin

acuosa

olucin

fuerte con un

alto

porcentaje de amoniaco

R

en el agua

P,

sale del

absorbedor en el estado 6 y entr a la bomba, de donde sale la presin mayor

P

estado

7. La mezcla fria de j presin entra al generador, donde se agrega calor para extraer de

la solucin el

arnonia

o.

E te

ltimo saje en forma de vapor saturado en el estado

J

Parte

del lquido caliente,

que

ahora presenta un bajo porcentaje de amoniaco solucin dbil,

aje deJ generador en el e

tado 8,

y reduce su presin pasando por una vlvula, para salir

en el e tado

9

La

olucin

acuosa caliente entra despus al absorbedor.

Podemo calcular el mx.imo COP posible, as como el COP real en el caso de un sis-

tema de refrigeracin por absorcin de vapor. Ahora no es posible utilizar como base de

comparacin el ciclo inverso de Carnot, ya que el sistema no emplea un compresor. Ideal-

mente, la refrigeracin se efecta mediante un cambio isotrmico de calor. Aun cuando

e

10

no ucede en realidad, podemos observar que la condensacin y la evaporacin son

proce o i

otrrnicos

La

figura

12 11

representa esquemticamente el sistema en forma de diversas fuentes

y

re umideros de calor. Es posible expresar el

flujo

isotrmico de calor como

254



15/28

AS

Entropia S

AS)

T

< .:

:;

T~I

i

Te

c

i Q

t

12.13

igualamos las ecuaciones 12.11 y 12.12 :

QH Q L

QH Q L

M M

igur 2 Representacin de un sistema frigorfico por absorcin en forma de fuentes y

resumidero de calor.

Fuente de calor

Resumi-

dero de

calor

Fuente de calor

r IJ~ l

I

I

I Generador I

I I

I I

I I

I o I

I

fv

O Condensador

t . . : I

I

Bomba Q I

I

Absorbedor

I

I I

I I

I I

I

I

I Evaporador

I

I ~ .

1

Frontera

1 4

QL J del sistema

Sistemas fngorificos por absorcin de vapor 255


16/28

igur 1213 Diagrama

IX

correspondiente a una mezcla de amO18CO yagua a 544C

38

kPa

Fraccin de

concentracin

x

= =

NHJ liquidO

me/da

x

= 8

Ames de analizar el sistema frigorfico de absorcin con amoniaco, tenemos que descubrir

primero cules son las herramientas disponibles para los anlisis. El sistema es una mezcla

de amoniaco y vapor de agua. Los estados del sistema en los cuales el amoniaco y el agua

se hallan en equilibrio pueden estudiarse mediante el empleo del Diagrama S.3 del Apn-

dice. Este grfico se obtuvo para analizar las propiedades de amoniaco lquido. Siempre

que esta sustancia se halla en contacto con el agua existen

ta les

condiciones; es decir, po-

demos encontrarlas en el absorbedor, en el condensador, en la vlvula de expansin yen el

evaporador. La figura 12.13 ilustra las diversas propiedades, y las denota de manera

especfica para una temperatura de 54.4C

y

una presin de 138 kPa. La fraccin de con-

centracin del amoniaco en forma lquida, X es considerando masas en kilogramos):

quil ibrio entre v por

y

liquido

De manera que el COP ideal se puede determinar conociendo la temperatura de os divcr-

os trmino de la transferencia de calor. El COP real se determina por medio de la

ecuacin 12.8) despus de analizar el calor real transmitido en el sistema de absorcin.

12.14)

Simplificando,

Q H ; 1 1 - ; M : : Q L ; M -

y despejando QL/Q .

COPidal ~

T

M~.

T

L

T i

;H

T

M



17/28

N. del S. Para este ltimo caso puede emplearse el calificativo diabtica.

12.19

12.18

m h l

+

m

2h

2

+

=

m3h

m i

m m

_ mlh

m

h3

.

+

2

mJ

si este elemento es adiabtico, Q O,

m lh

m

2

2

h 3 = ___; ._ ...;;.._~

2

La entalpia en el estado 3, con transmisin de calor, es igual a la entalpia adiabtica,

ecuacin 12.19), ms un incremento en Q/

3

Como la fraccin de masa es la misma,

esto se representa verticalmente. Las figuras 12.14b) y 12.14c) ilustran las ecuaciones.

12.17

mlxl

m2x2 = m)x)

m i m = m 3

m lx l

m2X2

x

3 m+m2)

Podemos darnos cuenta aqu de que la concentracin de amoniaco en el estado 3 es

independiente de las consideraciones acerca de la transferencia de calor; se encuentra

determinada slo por el balance de masa en el cambiador de calor. La entalpia depende

del proceso de transferencia trmica. Un balance de energa para dicho cambiador da co-

mo resultado

12.16

y la fraccin de concentracin del vapor de amoniaco es

x

= masa de vapor de NH

masa de la mezcla

Las entalpas, hL y hv son la que corresponden a la mezcla lquida y al vapor, respectiva-

mente. De modo que conociendo [a temperatura y la presin, las dems propiedades,

b;

hL, x X , se pueden calcular directamente a partir del diagrama.

Tenemos que estar en condiciones de determinar la entalpia cuando se mezclan dos

corrientes de distinta concentracin, de manera adiabtica, o bien, con transferencia de

calor. Estos procesos se producen en los cambiadores trmicos. En a) de la figura 12.14

se representa una cmara de mezclado, y en b) y e) se tienen los diagramas hx corres-

pondientes al mezclado adiabtico y al mezclado diabtico o no adiabtico), respectiva-

mente.

La fraccin de concentracin,

x

es el porcentaje de amoniaco que se halla presente

en la corriente de entrada. Podramos considerar la conservacin de masa para el amo-

niaco, el agua o toda la mezcla. Realicemos esto para el caso del amoniaco:

12.15

X masa de NH lquido

masa de la mezcla

7

istemas frigorficos por ebsorcin de vapor


18/28

T

26.6C,

207 kPa,

0410, h -140 kJjkg

Ejemplo 7 4

Calcular la cantidad de calor transmitido en

el

generador, en el condensador y en el

absorbedor por tonelada de refrigeracin) en un sistema frigor Iico por absorcin

del

t po

amoniaco-agua cuando opera a las temperaturas siguientes. Temperatura

en el generador,

104.4C;

presin en el condensador,

1103 k Pa; pr

e

in

en el

evaporador,

27 k

Pa; temperatura en el evaporador, -

1

;

temperatura

en

e l

absorbedor, 26.6C. La figura 12.15 muestra el esquema respectivo con las

diversas temperaturas y presiones.

El

Dagrama

B3

se utilizar para localizar las

entalpas en cada punto:

Fraccin e concentracin x

e

Figura 7 74 a Diversos flujos de masa y energa que entran y salen de un cambiador de calor. b

DIagrama

hx

para una cmara adiabtica de mezclado. e Diagrama

hx

correspondiente a una c-

mara de mezclado con transferencia de calor.

Fraccin de

concentra cin

b

)

o

i

C ii

u

258

SISTEMAS DE REFRIGERACION. BOMBA DE CALOR


19/28

Para vapor de purga a p 207 kPa,

T

-1.1C xy = 0.999+ hv 1284 kJjkg

La masa de amoniaco que saje del evaporador es

l x 5) =ml.p. XS + 1 mlp. x 5

donde

mi p.

representa la masa de lquido de purga en

I

kg de mezcla,

1 0.920) =m

p

0.620) + 1 - ml.

p.

) 0.999)

ml.

p

=

0.208

Si recurrimos a la ecuacin 12.19) podemos calcular la erualpia:

hs = 0.208) -232) 1 - 0.208)1284) = 967 kJ/kg

Conocemos ya todas las entalpas necesarias, de modo que podremo calcular fa

circulacin o flujo de sustancia por tonelada de refrigeracin.

. _ . _ . _ 3.516 kW jTR

00 9

h

L

-232 kJjkg = 0.620

= -1.1 C

En el punto 5, la mezcla contiene 92.0070de NHy 8.0070de H20. El agua no

puede ser vaporizada, por lo cual ha de eliminarse. Dicha agua se conoce con el

nombre de lquido de purga I.p.). En un sistema real se tiene una tubera para

descargar este lquido. Si se desea evaluar la entalpa en el estado 5 es necesario

determinar la masa de amoniaco y de agua para despus calcular la entalpia de la

mezcla. En el caso del lquido de purga, a

p

207 kPa,

5.

p

207 kPa, T

=

J.loC,

x x4

=

x2

=0.920

2. T

=

104.4C, p

=

1103 kPa, X

=

0.920, n;

=

1580 kJ/kg

3 . T

=

104.4C, P = 1103 kPa,

x

=

0.310, hL

=

280 kJ/kg

4. P = 1103 kPa,

x4

=

x2

= 0.920

Puesto que se conocen p y X , en el diagrama se halla T 30.5C y h

L

= 84

kJ/kg.

Absorbedor

p 207 kPa

T I04.4C

igura 12.15 Esquemacorrespondiente al ejemplo 12.4.

O,

lil1

p II03kPa

p 1103 kPa

T = I04.4C

o Generador

o

/1 5

p = _07kPa

rr __ _ _~ T~i~16.6C

z cD

p =

207 k P a

T=l.IC

Evaporador

Condensador

Sistemas rrlgorrlcos por absorCin de vapor 259


20/28

Los otros sistemas de absorcin de vapor, como el de agua y bromuro de litio, se analizan

de manera similar. Una variante de inters de los sistemas de absorcin la constituye el sis

tema de tres fluidos ideado por Von-Platen y Munters. En tal sistema trinlldico no e re

quiere de bomba puesto que todo el sistema se encuentra a una presin total un forme. En

lo que convencionalmente constituye el lado de alta presin, el amoniaco soporta una pre-

Sistema frigorfico por absorcin con tres fluidos

Para determinar n I y n efectuamos el balance de la masa total y un balance

del amoniaco con respecto al generador.

a) Balance de la masa rotar mi

m

2

m

b) Balance del amoniaco: rillXI

mx tnJx

J

Sustituimos a) en b), y se despejan

y

m:

m

0.003982 kg/s

In 0.020309kg/s

y con base en a),

0.024291 kg/s

Un balance de la energa con respecto al generador dar por resultado el calor

suministrado,

o;

en dicho elemento:

Q

mlhl

mh mJh

OH 15.37 kW

El calor cedido en el absorbedor,

Q

se determina realizando un balance de

energa en el absorbedor.

Q

m

ih m h m shs

Q 12.94

kW

El calor cedido en el condensador,

le

se calcula con un balance de energa para

dicho condensador.

+

m m

Qc 5.95 kW

La comprobacin correspondiente a los flujos de calor se obtiene igualando la

energa suministrada y la cedida en el ciclo.

Q Q L Q Qc

15.37 3.516

12.94 5.95

18.89 18.89

El COP del sistema es

COP Q L 3.516

= =

228

Q 15.37 .

6 SISTEM AS

D E R EFR IG ER AC IO N BOM BA DE CALOR


21/28

La capacidad de un convertidor trmico, la potencia del motor ciel compresor, as

como la cantidad de refrigerante, deben evaluarse considerando ambas modalidades de ope

racin. La de mayor demanda determinar la capacidad del sistema. Debido a la mayor

capacidad necesaria en la calefacin, el empleo de una bomba trmica se aprovecha pri-

12.21

En

verano

el evaporador se colocar dentro de la casa,

y

el condensador, fuera. El

calor generado o existente en las habitaciones ser absorbido por el evaporador; luego el

refrigerante ser comprimido y enfriado posteriormente. El condensador tambin puede

colocarse en un estanque O un pozo de agua; si no fuera posible, el equipo de condensa

cin ser enfriado por el aire exterior. Es obvio que con algunos tubos adicionales y un

par de vlvulas, el condensador y el evaporador podran invertir sus funciones, in cambio

de lugar, dependiendo del efecto deseado. El coeficiente de funcionamiento que corres

ponde a esta modalidad de

operacin

refrigeracin

cooting

es

COP = efecto deseado=

qenlr

h h

l

e

suministro w

neL

hJ - h

12.20

La llamada om trmic o sistema de bombeo de calor es un convertidor trmico re

versible. Puede emplearse para calefaccin domstica en invierno, y para acondiciona

miento de aire fresco en el hogar durante

el

verano. Bsicamente se trata de un sistema

frigorfico por compresin de vapor provisto de una combinacin de fuente y resumidero

de calor que se instala en el exterior,

y

funciona como la primera o el segundo segn el cli

ma imperante. El compresor est diseado de acuerdo con la mayor demanda calenta

miento o enfriamiento.

Consideremos la figura

12.3 a,

que representa el sistema bsico de refrigeracin

por compresin de vapor. En

invierno

se emplear para calefaccin el calor cedido en el

condensador. Por lo general, se utilizan sistemas de calefaccin con aire caliente junto con

los convertidores reversibles. El condensador enfriado por el aire ambiente es as el cale

factor domstico. El evaporador, o sea, el absorbedor de calor que interviene en un siste

ma de refrigeracin, se coloca en el exterior de la casa. El serpentn del evaporador puede

colocarse en un pozo de agua o en una pila o estanque, en caso de ser posible; de lo contra

rio, se instalar simplemente expuesto al aire. El coeficiente de funcionamiento que

corresponde a esta modalidad de operacin calefaccin

healing

es

efecto deseado .qsal h - h 4

COP

_=~_

h

suministro

wncl. h - h

126 BOMBA TRMICA CONVERTIDOR TRMICO}

sin total de 1240 kPa. En el lado que por convencin es de baja presin, el evaporador, el

amoniaco soporta nicamente 210 kPa, y el hidrgeno, 1030 kPa. Un sello lquido separa

ambos lados, y la cada de presin del amoniaco a travs de dicho sello lquido, equivale a

un estrangulamiento. Mediante el empleo de la ley de Dalton de las presiones parciales,

puede producirse la refrigeracin aun cuando la presin total del sistema sea constante. El

suministro de calor proviene de una llama de gas aplicada al generador. El sistema se utili

za comercialmente en refrigeradores pequeos y suele conocerse por la marca Dometic de

la empresa sueca Elecrrolux .

omba trmica convertidor trrrucol 261


22/28

N.

del

S. La tecnologa revpcctiva C denomina Criogenia

Los procesos de refrigeracin que tienen por objeto la produccin de temperaturas muy

bajas, reciben el nombre de criognicos El lmite exacto a partir del cual se considera

una temperatura como criognica no se encuentra rigurosamente definido; sin embargo, di-

versas autoridades establecen que temperaturas entre 173 K

y

123 K pueden denominarse

criognicas. Para obtener tales temperaturas se utilizan sistemas frigorficos en cascada,

como los analizados anteriormente. No explicaremos aqu los detalles de un sistema tal,

sino slo sus generalidades. En el sistema en cascada se emplean distintos refrigerantes en

cada etapa, de manera que la temperatura del evaporador en el paso de temperatura ms

baja ser la adecuada al propsito deseado; por ejemplo, para la licuacin o licuefaccin

de un gas. Se usan distintos refrigerantes, y la presin a la entrada del compresor se man-

tiene siempre arriba de la presin atmosfrica; esto evita la infiltracin del aire externo,

y

signfica tambin que el volumen especfico en la entrada no ser lo suficientemente gran-

de que ocasione un aumento importante en el trabajo necesario para llevar a cabo la

compresin.

Los gases en la regin criognica se comportan de manera similar a los vapores que

analizamos en el Captulo 4. la temperatura y la presin ambientes, los gases se en-

cuentran muy sobrecalentados, lo cual explica por qu podemos utilizar la ecuacin de es-

tado del gas ideal. Un fenmeno termodinmico importante, el

efecto de Joule y Thomp-

son

se emplea con frecuencia en operaciones criognicas O de licuefaccin de gases .

27 CRIOGENIA

LICUEFACCiN

DE GASES

Un colector de radiacin solar es capaz de elevar

u

y al hacerlo el COP

aumentar en

forma notable. En lugar de operar entre 1.6C 48.9C, la bomba trmica nicamente

tiene que funcionar entre 32.2C y 48.9C. El incremento del COP oscila entre 6.8

y

19.3. Obviamente se requiere mucho menos trabajo para la misma produccin de calor.

COPA:::::T _ rr

l

mordialmente en las regiones donde la temperatura invernal no es demasiado baja. La de-

manda de acondicionamiento de aire permanente o sea, para todo el ao) ha intensifica-

do en algunos paises la aplicacin de los sistemas de bombeo trmico, aun en regiones con

muy bajas temperatura invcrnale . Otra razn de ello es que el costo del combustible se

ha elevado hasta un punto tal, que la bomba trmica resulta ahora competitiva, desde el

punto

de

vista

econmico, con los aparatos de combustin para calefaccin domstica.

El

problema 6 dar algunas respuestas interesantes a la cuestin de la economa de fun-

cionamiento de las bombas trmicas o convertidores trmicos reversibles.

Puede obtenerse gran beneficio empleando el calentamiento solar en combinacin

con un convertidor trmico para la calefaccin domstica. Consideremos el COP o

correspondiente al ciclo inverso de Carnot,

SISTEMS DE REFRIGER CION OM DEC LOR


23/28

igur

12.16 al Esquema que Ilustra la

licueaccin

de un

gas

lb

Diagrama

s para

proceso

de licuefaccin

h

Enrropa s

6

Repuesto

J

4

-_._~

Efecto de enfriamiento

3..L _.1....

segn

Joule

y

Thornpson Mezcla

_L

de lquido

y vpr

_ .

Z

Desalojo de liquido saturado

Cambiador de calor

de coruracorrente

5

Agua

de enfriamiento

Un valor positivo de

i

indica que la temperatura disminuye conforme desciende la pre

sin y de esta manera se observa un efecto de enfriamiento. Esto es vlido para casi todos

los gases a presiones

y

temperaturas ordinarias. Las excepciones las constituyen el hidr

geno el helio

y

el nen los cuales presentan un incremento de temperatura con una dismi

nucin de presin por lo cual i < O. Aun para estos gases existe una temperatura arriba

de la cual el coeficiente de Joule- Thompson cambia de negativo a positivo. Tal valor se

conoce como

temperatura de inversin

y

a sta se tiene que

i

O.

12.22

J . = a T

Un proceso de estrangulacin no produce cambio de entalpia y por tanto en el caso

de un gas ideal la temperatura permanece constante:

h

u

+ P

=eo

T

+

RT

Sin embargo en los gases reales el proceso de estrangulacin produce un cambio de tem

peratura ascendente o descendente. El coeficiente de Joule Thompson J- se define como

Cnoqerua

y

ucuelaccrn de qasos

263


24/28

1 1 0

l

S. Para abreviar, en esta part e se uva la simbolizacin siguiente: f.c.v.

ee

frigorfico por compresin de

vapor, y f.a.v ... frigorfico por absorcin de vapor.

l. Un ciclo inverso de Carnot se emplea para calentar y enfriar aire. El trabajo sumi

nistrado es de 10 kW. Si el COP

3.5 en un servicio de enfriamiento, determine a)

TT; b) el efecto frigorfico en TR); e) el COP correspondiente a una operacin

de calentamiento.

2. Un ciclo inverso de Carnot se utiliza para refrigeracin; cede 1000 kW de calor a 340 K,

y recibe calor a 250 K. Determine a) el diagrama Ts b) el COP; e) la potencia

requerida; d) el efecto frigorfico.

3. Cmo se obtiene mayor incremento en el COP de un ciclo de refrigeracin de Car

not: cambiando la temperatura del condensador o la del evaporador?

4. Un ciclo

frigortfi o por ompresin de vpor

o f.c. v.) ideal emplea R 12 Ytiene una

capacidad de 25 toneladas de refrigeracin TR). La presin del evaporador es de

0.22 MPa, y la del condensador, de 1.0 MPa. Calcule la potencia del compresor.

5. Un sistema I.c.v. ideal, en el cual se emplea R 12, funciona con una temperatura de

- 30C en el evaporador y una temperatura de salida de 50C en el condensador. El

compresor requiere 75 kW. Determine la capacidad del sistema en toneladas de refri

geracin.

6. Un refrigerador real por compresin de vapor tiene un compresor cuyas condiciones

de entrada son - 20C y 130 kPa, tiene unas condiciones de salida de 60C

y

900 kPa. El refrigerante es R 12. El lquido frigorifico entra a la vlvula de expansin a

850 kPa y sale a 160 kPa. Obtenga el COP o CF).

PRO LEM S

La utilizacin del coeficiente de Joule-Thornpson en la licuefaccin de gases fue per

feccionada por Linde y Hampson, en forma independiente. Si observamos la figura

10.4 b) advertiremos que si el gas se encontrara a una temperatura suficientemente baja y

a presin alta, el proceso de estrangulacin llevara al gas a la regin de mezcla saturada.

En ella, el vapor y

lquido podran ser separados. Dicho sistema de Linde y Hampson se

ilustra esquemticamente en la figura 12.16, parte a), y su respectivo diagrama

T s

en la

parte b).

El gas se comprime de manera isotrmica en dos etapas, de B.P. y de A.P. desde 7

ha ta 1); luego se purifica y se enfra a presin constante en un eficaz cambiador de calor a

contracorriente de 1 a 2);

gas es estrangulado en una vlvula de 2 a 3), y una parte del

mismo se licua debido al enfriamiento adicional por efecto de Joule- Thompson. El res-

1 un vapor saturado en el estado 4, pasa al cambiador de calor a contracorriente hasta

el estado 5; en 6 se agrega gas de repuesto, y la mezcla entra al compresor de S.P. en el es

tado 7.

Existen otras variantes del ciclo de licuefaccin y de los ciclos de refrigeracin en ge

neral. Sin embargo, el mtodo de anlisis, principalmente segn la primera ley de la Ter

modinmica, es el mismo en todos los casos. Los sistemas de refrigeracin reales, con sus

respectivos sistemas de control, se encuentran fuera del alcance de nuestro texto y queda

rn como temas de estudio posterior.

64

SISTEMAS DE REFRIGERACiN BOMBA DE CALOR


25/28

Suponiendo que la compresin es isentrpica, calcule (a) el flujo de refrigerante; (b)

la potencia requerida; (e) el calor cedido; (d) la eficiencia, de acuerdo con la segunda

ley de la Termodinmica.

Un sistema f.c. v. con refrigerante R 12, presenta una temperatura de condensacin

de 50C,

y

otra de evaporacin de Oe. La capacidad de refrigeracin es de 7 TR. El

lquido que sale del condensador es saturado,

y

la compresin, isentrpica. Evale

(a) la circulacin del refrigerante; (b) la potencia requerida; (e) el calor cedido; (d) el

coeficiente de funcionamiento.

12. En un sistema f.c.v. se utiliza R 12 como refrigerante. El fluido gaseoso sale del

compresor a 1200 kPa 80e. La prdida de calor durante la compresin es de

14kJ/kg. El refrigerante entra a la vlvula de expansin a 32e. El lquido sale del eva

porador

y

entra al compresor en forma de vapor saturado a - 15e. La unidad debe

producir una refrigeracin de 50 TR. Determine (a) el flujo del R 12; (b) la potencia

del compresor; (e) el COPo

13. Un sistema de refrigeracin de 15 toneladas se emplea para fabricar hielo. La tempe

ratura del agua disponible es J00e. El refrigerante R 12se emplea con lmites de tem

peratura de saturacin de - 25C y 75C: Determine (a) el COP; (b) el flujo de refri

gerante; (e) la potencia requerida; (d) la mxima cantidad de

hielo

(en

kilogrmos

que se fabrica

l

da.

4 En un sistema f .c.v. ideal se emplea un cambiador de calor con sobrecalentamiento y

subenfriamiento, teniendo el primero un valor de 10C. El

ev pordor

funciona a

30C y el condensador, a 1.4MPa. La demanda de enfriamiento es de 50TR. Si el

refrigerante es R 12, calcule (a) la circulacin o flujo; (b) el COP; (e) el efecto de

Presin de vaporizacin, 123 kPa

Presin de condensacin, 600 kPa

Temperatura del R 12 que entra a la vlvula de expansin, 20C

Temperatura del refrigerante que sale del evaporador, - 7C

7. EL compuesto R 12 entra a un compresor adiabtico en forma de vapor saturado a

- 15C, es descargado a 1.0 MPa. Si la eficiencia interna del compresor es de 700/0,

determine el trabajo real efectuado.

S Un refrigerador real por compresin de vapor tiene un motor de 1.5 kW que impulsa

al compresor. La eficiencia interna de este ltimo es de 70, y presenta una presin y

una temperatura

de

entrada de 50 kPa

y

20C, asi como una presin de descarga

de 900 kPa. La presin de salida del condensador

s

de 800 kPa, y la de la vlvula de

expansin, de 60 kPa. Determine (a) la intensidad de circulacin; (b) el COP; (e) la

capacidad frigorfica (en TR) que corresponde al R 12.

9. Una mquina de Carnot opera entre dos depsitos trmicos de 817C y 25C, respec

tivamente,

cede 25 kW en el depsito de baja temperatura. La mquina impulsa al

compresor de un sistema f.c.v. ideal que funciona dentro de los lmites de presin de

190kPa y 1.2 MPa. El refrigerante es amoniaco. Determine el COP y el flujo de tal

sustancia.

JO. Un sistema f.c.v. de 1 TR de capacidad, el cual usa R 12 como refrigerante, tiene los

siguientes datos en su ciclo:

roblem s 6


26/28

refrigeracin; d) el ubenfriarniento (en oC ; (e) la potencia requerida; f) la eficien

cia conforme a la segunda ley de la Termodinmica.

15. Igual l Problema

4

excepto que ahora el fluido es amoniaco.

16. Un sistema f.c.

v.

que emplea amoniaco, se utiliza para calefaccin domstica. El aire

debe er calentado de 7C a 30C a la presin atmosfrica. Los requisitos de bienes

lar

(o

conrorr)

exigen una circulacin del aire de 0.45

rn-/s.

La temperatura en el

evaporador es de OC, y la presin en el condensador, de J.6 MPa. Determine (a) la

inten idad de flujo del refrigerante; b) el COP; (e) la potencia requerida; (d) el cos

to, i la electricidad consumida tiene una tarifa de 0.05 (dlares) por kw-h; (e) el

costo del combustible, a razn de 0.27 (dlares) el litro, si su poder calori fico vale

3- 900 Id/li[.

17. Un isterna f.c. v. en el cual se emplea amoniaco como sustancia de trabajo, debe pro

porcionar 30 toneladas de refrigeracin a - Hie Para lograr esto, el amoniaco ope

ra entre lmites de presin de 144 kPa

y

1400 kPa. Halle: (a) la calidad del amoniaco

que entra al evaporador; b) la intensidad de circulacin; (e) el cambio de energa dis

ponible a travs del condensador si = 26C; (d) el flujo de volumen en la entrada

al condensador; (e) el dimetro del cilindro D y la carrera del pistn L, siendo

L = D, de un compresor de movimiento alternativo de doble accin a 600

rev/rnin.

Suponga que en cada revolucin el fluido se descarga por completo del cilindro.

8 Igual al Problema 17, excepto que el fluido es R 12 Y los lmites de presin son

123.7 kPa

y

1400 kPa.

19. Un sistema de refrigeracin, en cascada, con dos etapas, emplea amoniaco como sus

tancia de trabajo. El evaporador se encuentra a - 30C, y el condensador de alta pre

sin, a 1400 kPa. El condensador de enlace es de contacro directo. La carga de

enfriamiento es de lOOTR. Determine (a) la presin ptima del condensador de con

catenacin; (b) la intensidad de flujo en la etapa de alta presin; (e) la intensidad de

flujo en la etapa de baja presin; (d) el COP; Ce)la potencia requerida;

f)

la calidad

del fluido que entra al evaporador.

20. Igual al Problema 19, excepto que el fluido es R 12.

21. Para los limites de funcionamiento descritos en el Problema 19, determine lo siguien

le para un sistema de compresin de vapor de una etapa: (a) el COP; (b) la calidad

del fluido que entra al evaporador; (e) la potencia requerida.

22. Para los lmites de operacin que se describieron en el Problema 20, determine lo si

guiente: (a) el COP; (b) la calidad a la entrada al evaporador;

e

la potencia reque

rida.

23. En un sistema de refrigeracin en cascada con dos etapas, se emplea amoniaco como

sustancia de trabajo. La circulacin en la etapa de alta presin es de 0.10 kg/s. La

temperatura de saturacin en el condensador es de 36C, y la temperatura del evapo

rador, de - 40

e

El condensador de enlace es de contacto directo. Determine (a) la

presin en el condensador mencionado que corresponde a trabajo mnimo; (b) el

efecto frigorfico en toneladas; (e) el COP; (d) la potencia requerida.

24. Un sistema f.c. v de R 12 se va a emplear para calefaccin domstica. La mxima de

manda de calentamiento es para elevar la temperatura de 0.50 mJ/s de aire, a soC y la

presin atmosfrica, hasta 30e La temperatura mnima en el condensador debe er

IOC mayor que la temperatura mxima del aire. El evaporador funciona a - C

266 SISTEM S DE REFRIGER CIONBOMB DE C LOR


27/28

Evale (a) el COP; (b) el calor requerido (por tonelada de refrigeracin);

(e)

el calor

cedido en el condensador.

29 Un sistema La.v. de amoniaco se utiliza para acondicionar el aire de un edificio de

gran tamao. La demanda de enfriamiento es de 200 TR a -1.1

C.

El vapor que sale

del generador se encuentra a lI5.5C y 1241 kPa. La presin del evaporador es de

138 kPa

y

la temperatura del absorbedor, de 23.8C. Determine (a) el

flujo

de amo

niaco que se necesita; (b) el COP;

(e)

el calor requerido; (d) el gas natural a utilizar si

su poder calorfico es de 33 500

k L rri

30. En la licuefaccin de gases se observan las propiedades siguientes en el caso del nitr

geno. Ver la figura 12.16(a).

6 7

270 K

hs = h6 = h; kJlkg

=

405 kJ/kg a 100 atrn

150 K

Temperatura en el generador, 98.8C.

Presin en el condensador, 7034 kPa

Presin en el evaporador, 207 kPa

Temperatura en el evaporador, 1.6C

Temperatura en el absorbedor, 23.8

Obtenga (a) la circulacin de refrigerante; (b) la potencia requerida; (e) el COP; (d) la

eficiencia conforme a la segunda ley de la Termodinmica.

25.

Un sistema

f .c.v.,

utilizado para la calefaccin de una casa, opera entre 38C, la tem

peratura de saturacin en el condensador, y - 5C, que es la temperatura del evapo

rador.

El

fluido es

R 12

El propietario del inmueble decide aumentar la temperatura

del evaporador para mejorar la eficiencia de funcionamiento. Para una carga de ca

lentamiento de 10 kW, investigar la variacin del COP con temperaturas en el evapo

rador de - 5C, OC

y

5C. Estara usted de acuerdo con la disposicin de esa

persona?

26 Un sistema f .c.v. se emplear para calentar o enfriar el aire de una casa (acondiciona

miento ambienta). El refrigerante es

R J2 y

el sistema opera entre - 5C y

6

MPa.

La temperatura interior se mantiene a 21C, en tanto que la mayor temperatura ex

terna promedio es de 32C durante el verano, y de 5C en invierno. La prdida o ga

nancia de calor en el inmueble es de 0.33 kW (por grado de diferencia entre las tem

peraturas interior y exterior). Determine (a) la circulacin de R 12requerido para ca

lentamiento;

b)

el COP correspondiente a esta operacin; (c) el flujo que se requiere

para enfriamiento; (d) el COP correspondiente a este servicio; (e) la estacin del ao

que determina la capacidad del sistema.

27 Un sistema f.c.v. se utilizar para acondicionamiento ambiental continuo.

El

compresor puede manejar

litis de amoniaco a - 4C,

descargarlo a 1.8 MPa. De

termine (a) el COP que corresponde a calefaccin o a refrigeracin; (b) la mxima

carga posible de enfriamiento; (c) la mxima carga posible de calentamiento.

28

Una unidad de refrigeracin por amoniaco utiliza un sistema frigorfico por absor

cin de vapor (La. v.) para fines de enfriamiento. La unidad se caracteriza por las

condiciones siguientes:

roblemas

7


28/28

h

200

kJ/kg

T 8 K

h 230 kJ/kg

Determine a) la calidad de la mezcla en el estado 3 si

h

35

kJ/kg;

b) el flujo en

kilogramos por minuto) que se requiere en el estado 7 para obtener l kg de N2 li-

cuado.

31. Una bomba trmica emplea amoniaco como sustancia de trabajo

y

debe suministrar

30 kW a un edificio. La presin de descarga es de 1.8 MPa,

y

la de succin, de

300 kPa a 15C. La compresin es isentrpica. Obtenga a) la circulacin de amo

niaco en litros por segundo, segn las condiciones de entrada; b) la potencia requeri

da; e) el COP; d) la temperatura de descarga.

32. Una turbina de aire toma este fluido a 1400 kPa y 310 K, y lo expande hasta

140kPa. La eficiencia interna de la turbina es de

700 0

Yla potencia producida es de

65 kW. El aire que sale de la turbina se utilizara para refrigeracin. El espacio refrige

rado deber mantenerse a 260 K. Cul es, en toneladas, la mxima refrigeracin po

sible?

33. En un sistema f.c.v. se emplea amoniaco como sustancia de trabajo. El fluido entra

al compresor en forma de vapor saturado a - 34C,

y

sale de l a 1400 kPa

y

180C,

para entrar luego a la vlvula de expansin a una temperatura de 30C. Determine

a) la circulacin; b) el COP; c) la potencia requerida.


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Refri1 David Burghardt