Fundamentos de termodinámica técnica

Michael J. Moran, Howard N. Shapiro

Chapter 10

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Y BOMBA DE CALOR - all with Video Answers

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Chapter Questions

Problem 1

Un ciclo de Carnot de refrigeración utiliza R-134a como fluido de trabajo. El refrigerante entra en estado de vapor saturado a $28^{\circ} \mathrm{C}$ en el condensador y sale líquido saturado. $\mathrm{El}$ evaporador funciona a la temperatura de $-10^{\circ} \mathrm{C}$. Determine, en $\mathrm{kJ}$ por $\mathrm{kg}$ de flujo de refrigerante:
(a) El trabajo consumido por el compresor.
(b) El trabajo desarrollado por la turbina.
(c) El calor absorbido por el refrigerante a su paso por el evaporador.
¿Cuál es el coeficiente de operación del ciclo?

Gordon Ayadju

Gordon Ayadju

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Problem 2

El R-22 es el fluido de trabajo de un ciclo de Carnot de refrigeración para el que la temperatura del evaporador es $0^{\circ} \mathrm{C}$. En el condensador entra vapor saturado a $40^{\circ} \mathrm{C}$, y sale líquido saturado a la misma temperatura. El flujo másico es de $3 \mathrm{~kg} / \mathrm{min}$. Determine:
(a) El calor transferido al refrigerante a su paso por el evaporador, en kW.
(b) La potencia neta absorbida por el ciclo, en $\mathrm{kW}$.
(c) El coeficiente de operación.

Gordon Ayadju

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Problem 3

Un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, opera en situación estacionaria con R-134a como fluido de trabajo. En el compresor entra vapor saturado a $-10^{\circ} \mathrm{C}$ y del condensador sale líquido saturado a $28^{\circ} \mathrm{C}$. El flujo másico es $5 \mathrm{~kg} / \mathrm{min}$. Determine:
(a) La potencia del compresor en $\mathrm{kW}$.
(b) La capacidad de refrigeración, en ton.
(c) El coeficiente de operación.

Gordon Ayadju

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Problem 4

Modifique el ciclo del problema 10.3 considerando que el vapor saturado está a 1,6 bar y que el líquido saturado deja el condensador a 9 bar. Conteste a las mismas cuestiones que en el problema 10.3.

Gordon Ayadju

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Problem 5

En el compresor de un sistema ideal de refrigeración entra R 134a en estado de vapor saturado a $-16^{\circ} \mathrm{C}$ con un flujo volumétrico de $1 \mathrm{~m}^3 / \mathrm{min}$. El refrigerante deja el condensador a $36^{\circ} \mathrm{C}$ y 10 bar. Determine:
(a) La potencia del compresor, en $\mathrm{kW}$.
(b) La capacidad de refrigeración, en ton.
(c) El coeficiente de operación.

Gordon Ayadju

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Problem 6

En un ciclo ideal de refrigeración por compresión el fluido de trabajo es amoníaco. La temperatura en el evaporador es $-20^{\circ} \mathrm{C}$ y la presión en el condensador es $12 \mathrm{bar}$. En el compresor entra vapor saturado, y del condensador sale líquido saturado. El flujo másico de refrigerante es de $3 \mathrm{~kg}$ / min. Determine:
(a) El coeficiente de operación.
(b) La capacidad de refrigeración, en ton.

Gordon Ayadju

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Problem 7

Para determinar el efecto del descenso de la temperatura del evaporador sobre el funcionamiento del ciclo ideal de refrigeración por compresión, calcule de nuevo el coeficiente de operación y la capacidad de refrigeración, en ton, para el ciclo del problema 10.6 cuando en el compresor entra vapor saturado a temperaturas comprendidas entre -40 y $-10^{\circ} \mathrm{C}$.
Todas las demás condiciones son las mismas que en el problema 10.6 .

Gordon Ayadju

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Problem 8

Para determinar el efecto del incremento de presión del condensador sobre el funcionamiento de un ciclo ideal de refrigeración por compresión, calcule de nuevo el coeficiente de operación y la capacidad de refrigeración, en ton, para el ciclo del problema 10.6 considerando en el condensador presiones comprendidas entre 8 y 16 bar. El resto de condiciones son las mismas que en el problema 10.6.

Gordon Ayadju

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Problem 9

Modifiquese el ciclo del problema 10.4 asignando al compresor un rendimiento isoentrópico del $80 \%$ y haciendo que la temperatura del líquido a la salida del condensador sea $32^{\circ} \mathrm{C}$. Determine, para el ciclo modificado
(a) La potencia del compresor, en $\mathrm{kW}$.
(b) La capacidad de refrigeración, en ton.
(c) El coeficiente de operación.
(d) Las exergías destruidas en el compresor y en la válvula de expansión, en $\mathrm{kW}$, para $T_0=28^{\circ} \mathrm{C}$.

Gordon Ayadju

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Problem 10

En un sistema de refrigeración por compresión de vapor circula R-134a con un caudal de $6 \mathrm{~kg} / \mathrm{min}$. El refrigerante entra en el compresor a $-10^{\circ} \mathrm{C}$ y 1,4 bar, y sale a 7 bar. El rendimiento isoentrópico del compresor es del $67 \%$. No hay pérdida de presión del refrigerante a su paso por el condensador y evaporador. El refrigerante deja el condensador a 7 bar y $24^{\circ} \mathrm{C}$. Despreciando la transferencia de calor entre el compresor y el ambiente, determine:
(a) El coeficiente de operación.
(b) La capacidad de refrigeración, en ton.
(c) Las exergías destruidas en el compresor y en la válvula de expansión, en kW.
(d) Las variaciones de exergía de flujo especifica del refrigerante a su paso por el evaporador y condensador, respectivamente, en $\mathrm{kJ} / \mathrm{kg}$.
Tome $T_0=21^{\circ} \mathrm{C}, p_0=1$ bar.

Gordon Ayadju

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Problem 11

Un sistema de refrigeración por compresión de vapor utiliza amoníaco como fluido de trabajo. Las presiones de evaporador y condensador son de 2 y 12 bar, respectivamente. El refrigerante pasa por los intercambiadores de calor sin pérdida de presión. A la entrada y salida del compresor, las temperaturas son $-10^{\circ} \mathrm{C}$ y $140^{\circ} \mathrm{C}$, respectivamente. La transferencia de calor desde el refrigerante en el condensador es $15 \mathrm{~kW}$, y sale líquido a 12 bar y $28^{\circ} \mathrm{C}$. Si el compresor funciona adiabáticamente, determine:
(a) La potencia del compresor, en $\mathrm{kW}$.
(b) El coeficiente de operación.

Gordon Ayadju

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Problem 12

Un sistema de refrigeración por compresión de vapor tiene una capacidad de 10 ton. En el compresor entra $\mathrm{R}-134$ a sobrecalentado a $15^{\circ} \mathrm{C}$ y 4 bar y el proceso puede considerarse politrópico, con $n=1,01$. A la salida del condensador la presión es 11,6 bar y la temperatura $44^{\circ} \mathrm{C}$. El condensador es refrigerado con agua que entra a $20^{\circ} \mathrm{C}$ y sale a $30^{\circ} \mathrm{C}$ sin pérdida de presión. El calor transferido entre el condensador y el ambiente se puede considerar despreciable. Determine:
(a) El flujo másico de refrigerante, en $\mathrm{kg} / \mathrm{s}$.
(b) La potencia mecánica consumida y el calor transferido por el compresor, en $\mathrm{kW}$.
(c) El coeficiente de operación.
(d) El flujo másico del agua de refrigeración, en $\mathrm{kg} / \mathrm{s}$.
(e) La exergía destruida en el condensador y válvula de expansión, ambas como porcentaje de la potencia suministrada, para $T_0=20^{\circ} \mathrm{C}$

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Problem 13

La Fig. P10.13 muestra un sistema de refrigeración por eyección de vapor, que produce agua fría en una cámara flash. En la cámara se mantiene el vacio con el eyector de vapor, que retira el vapor generado mediante su arrastre por el chorro de baja presión y lo descarga en el condensador. La bomba de vacio retira el aire y los gases no condensables del condensador. Determine los caudales de agua fría producida y de agua de refrigeración necesaria, en $\mathrm{kg} / \mathrm{h}$, para las condiciones indicadas en la figura.

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Problem 14

Un sistema de refrigeración por compresión de vapor utiliza la configuración mostrada en la Fig. 10.8, con dos etapas de compresión y refrigeración entre las etapas. El fluido de trabajo es R-134a. En la primera etapa del compresor entra vapor saturado $\mathrm{a}-30^{\circ} \mathrm{C}$. La cámara flash y el intercambiador de contacto directo operan a 4 bar y la presión del condensador es 12 bar. En las válvulas de expansión de alta y baja presión entran corrientes de líquido saturado a 12 y 4 bar, respectivamente. Si cada compresor funciona isoentrópicamente y la capacidad de refrigeración del sistema es de 10 ton, determine:
(a) La potencia de cada compresor, en $\mathrm{kW}$.
(b) El coeficiente de operación.

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Problem 15

La Fig. P10.15 muestra el diagrama esquemático de un sistema de refrigeración por compresión de vapor con dos evaporadores, que utiliza R-134a como fluido de trabajo. Esta configuración se utiliza para producir refrigeración a dos temperaturas diferentes con un solo compresor y un único condensador. El evaporador de baja temperatura opera a $-18^{\circ} \mathrm{C}$ con vapor saturado a la salida y tiene una capacidad de refrigeración de 3 ton. El evaporador de alta temperatura produce a la salida vapor saturado a 3,2 bar y tiene una capacidad de refrigeración de 2 ton. La compresión es isoentrópica y la presión del condensador es de 10 bar. No hay pérdidas apreciables de presión en los flujos a través del condensador y los dos evaporadores, y el refrigerante deja el condensador en estado de líquido saturado a 10 bar. Calcule:
(a) El flujo másico de refrigerante en cada evaporador, en $\mathrm{kg} / \mathrm{min}$.
(b) La potencia necesaria en el compresor, en $\mathrm{kW}$.
(c) El flujo de calor transferido desde el refrigerante a su paso por el condensador, en $\mathrm{kW}$.

Khoobchandra Agrawal

Khoobchandra Agrawal

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Problem 16

Un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor se modifica incluyendo un intercambiador de calor a contracorriente, como muestra la Fig. P10.16. El R-134a deja el evaporador en estado de vapor saturado a 1,4 bar y se calienta a presión constante hasta $20^{\circ} \mathrm{C}$ antes de entrar en el compresor. Después de una compresión isoentrópica hasta 12 bar, el refrigerante pasa a través del condensador, sale de él a $44^{\circ} \mathrm{C}$ y 12 bar. A continuación el líquido pasa a través del intercambiador de calor y entra en la válvula de expansión a 12 bar. Si el flujo másico de refrigerante es de $6 \mathrm{~kg} /$ min, determine:
(a) La capacidad de refrigeración, en ton.
(b) La potencia necesaria en el compresor, en $\mathrm{kW}$.
(c) El coeficiente de operación.
Discuta las posibles ventajas y desventajas de esta configuración.

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Problem 17

Un ciclo ideal de bomba de calor por compresión de vapor, con R-134a como fluido de trabajo, proporciona 15 $\mathrm{kW}$ para mantener un local a $20^{\circ} \mathrm{C}$ cuando la temperatura exterior es $5^{\circ} \mathrm{C}$. La salida del evaporador es vapor saturado a 2,4 bar, y la salida del condensador es líquido saturado a 8 bar. Calcule:
(a) La potencia necesaria en el compresor, en $\mathrm{kW}$.
(b) El coeficiente de operación.
(c) El coeficiente de operación de una bomba de calor con ciclo de Carnot que opera entre focos a $20^{\circ} \mathrm{C}$ y $5^{\circ} \mathrm{C}$.

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Problem 18

Una bomba de calor por compresión de vapor utiliza refrigerante 134 a como fluido de trabajo. El refrigerante entra en el compresor a 2,4 bar y $0^{\circ} \mathrm{C}$, con un flujo volumétrico de $0,6 \mathrm{~m}^3 / \mathrm{min}$. La compresión hasta 9 bar y $60^{\circ} \mathrm{C}$ es adiabática, y la salida del condensador es líquido saturado a 9 bar. Determine:
(a) La potencia necesaria en el compresor, en $\mathrm{kW}$.
(b) La capacidad de calefacción del sistema, en $\mathrm{kW}$.
(c) El coeficiente de operación.
(d) El rendimiento isoentrópico del compresor.

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Problem 19

Una casa necesita una potencia de calefacción de 12 $\mathrm{kW}$, para mantener su temperatura interior en $20^{\circ} \mathrm{C}$, cuando la temperatura exterior es de $5^{\circ} \mathrm{C}$. Una bomba de calor por compresión de vapor, con R-22 como fluido de trabajo, se utiliza para proporcionar las necesidades de calefacción. Especifique las presiones adecuadas del evaporador y condensador de un ciclo que sirva para este propósito. A la salida del evaporador el refrigerante es vapor saturado y a la salida del condensador líquido saturado. Calcule:
(a) El flujo másico de refrigerante, en $\mathrm{kg} / \mathrm{min}$.
(b) La potencia del compresor, en $\mathrm{kW}$.
(c) El coeficiente de operación.

Gordon Ayadju

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Problem 20

Repita los cálculos del problema 10.19 para refrigerante 134 a como fluido de trabajo. Compárense los resultados obtenidos con los del problema 10.19 y analícelos.

Gordon Ayadju

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Problem 21

Una bomba de calor por compresión de vapor y con una potencia de calefacción de $500 \mathrm{~kJ} / \mathrm{min}$ es accionada por un ciclo de potencia con un rendimiento térmico del $25 \%$. En la bomba de calor, el R-134a se comprime desde vapor saturado a $-10^{\circ} \mathrm{C}$ hasta la presión del condensador de 10 bar. El rendimiento isoentrópico del compresor es del $80 \%$. En la válvula de expansión entra líquido a 9,6 bar y $34^{\circ} \mathrm{C}$. En el ciclo de potencia, el $80 \%$ del calor cedido se transfiere al espacio calefactado.
(a) Determine la potencia necesaria en el compresor de la bomba de calor, en $\mathrm{kW}$.
(b) Evalúe la relación entre el calor total cedido al espacio calefactado y el calor absorbido por el ciclo de potencia. Analícelo.

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Problem 22

En un ciclo Brayton ideal de refrigeración el aire entra en el compresor a $100 \mathrm{kPa}$ y $270 \mathrm{~K}$. La relación de compresión es 3, y la temperatura a la entrada de la turbina es 310 K. Determine:
(a) El trabajo neto que entra, por unidad de masa de aire, en $\mathrm{kJ} / \mathrm{kg}$.
(b) La capacidad de refrigeración, por unidad de masa de aire, en $\mathrm{kJ} / \mathrm{kg}$.
(c) El coeficiente de operación.
(d) El coeficiente de operación de un ciclo de refrigeración de Carnot que funcionase entre dos focos a $T_{\mathrm{F}}=270 \mathrm{~K}$ y $T_{\mathrm{C}}=310 \mathrm{~K}$.

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Problem 23

Considere el problema 10.22, pero incluyendo en el análisis que el compresor y la turbina tienen rendimientos isentrópicos del 80 y $88 \%$, respectivamente. Para el ciclo modificado:
(a) Determine el coeficiente de operación.
(b) Realice una contabilidad exergética de la potencia en el compresor, en $\mathrm{kJ} / \mathrm{kg}$ de aire que fluye. Analícelo. (Tome $T_0=310 \mathrm{~K}$.)

Gordon Ayadju

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Problem 24

En un ciclo Brayton ideal de refrigeración el aire entra en el compresor a $140 \mathrm{kPa}$ y $270 \mathrm{~K}$, y se comprime hasta 420 kPa. La temperatura a la entrada de la turbina es de $320 \mathrm{Ky}$ el flujo volumétrico es de $0,4 \mathrm{~m}^3 / \mathrm{s}$. Determine:
(a) El flujo másico, en $\mathrm{kg} / \mathrm{s}$
(b) La potencia neta necesaria, en $\mathrm{kW}$.
(c) La capacidad de refrigeración, en $\mathrm{kW}$.
(d) El coeficiente de operación.

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Problem 25

El ciclo Brayton de refrigeración del problema 10.22 se modifica introduciendo un intercambiador de calor regenerativo. En el ciclo modificado, el aire comprimido entra en el intercambiador de calor regenerativo a $310 \mathrm{~K}$ y se enfría hasta $280 \mathrm{~K}$, antes de entrar en la turbina. Determine, para el ciclo modificado:
(a) La temperatura más baja, en K.
(b) El trabajo neto consumido, por unidad de masa de aire, en $\mathrm{kJ} / \mathrm{kg}$.
(c) La capacidad de refrigeración, por unidad de masa de aire, en $\mathrm{kJ} / \mathrm{kg}$.
(d) El coeficiente de operación.

Gordon Ayadju

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Problem 26

Considere el problema 10.25, pero incluyendo en el análisis que el compresor y la turbina tienen un rendimiento isoentrópico del 85 y $88 \%$, respectivamente. Responda a las mismas cuestiones que en el problema 10.25.

Gordon Ayadju

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Problem 27

Represente las magnitudes calculadas en los apartados (a) a (d) del problema 10.25 frente a la relación de compresión del compresor variando de 3 a 7. Repita los cálculos para rendimientos isoentrópicos idénticos en compresor y turbina, con valores sucesivos de $95 \%, 90 \%$ y $80 \%$.

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Problem 28

Para refrigerar la cabina de un avión se extrae aire a 2 bar y $380 \mathrm{~K}$ del compresor principal. El aire extraído entra en un intercambiador de calor donde se enfría a presión constante hasta $320 \mathrm{~K}$ cediendo calor al aire ambiente. A continuación, el aire se expande adiabáticamente hasta 0,95 bar en una turbina y se descarga en la cabina. La turbina tiene un rendimiento isoentrópico del $75 \%$. Si el flujo de aire es de $1,0 \mathrm{~kg} / \mathrm{s}$, determine:
(a) La potencia desarrollada por la turbina, en $\mathrm{kW}$.
(b) El calor transferido desde el aire al ambiente, en $\mathrm{kW}$.

Gordon Ayadju

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Problem 29

Un ciclo Stirling de refrigeración, que es el inverso de un ciclo Stirling de potencia, introducido en la Sec. 9.11, funciona con aire. Al comienzo de la compresión isoterma, la presión y temperatura son $100 \mathrm{kPa}$ y $300 \mathrm{~K}$, respectivamente. La relación de compresión es 6 , y la temperatura durante la expansión isoterma es $100 \mathrm{~K}$. Determine:
(a) El calor transferido durante la expansión isoterma, en $\mathrm{kJ} / \mathrm{kg}$ de aire.
(b) La potencia neta consumida por el ciclo, en $\mathrm{kJ} / \mathrm{kg}$ de aire.
(c) El coeficiente de operación.

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