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CFGS DESARROLLO DE PROYECTOS DE INSTALACIONES TÉRMICAS Y DE FLUIDOS PÁGINA 1

RELACIÓN DE PROBLEMAS

CICLOS FRIGORÍFICOS POR COMPRESIÓN

Problema 1

Una máquina frigorífica utiliza el ciclo estándar de compresión de vapor. Produce 50 kW de refrigeración utilizando como refrigerante R-22, si su temperatura de condensación es 40°C y la de evaporación -10°C, calcular:

a. Efecto frigorífico b. Caudal de refrigerante c. Potencia de compresión d. Coeficiente de eficiencia energética e. Relación de compresión f. Caudal volumétrico de refrigerante manejado por el compresor g. Temperatura de descarga del compresor h. Coeficiente de eficiencia energética del ciclo inverso de Carnot con las mismas temperaturas de

evaporación y condensación Sol: a) 151,89 kJ/kg; b) 0,3292 kg/s; c) 12,18 kW; d) 4,105; e) 4,328; f) 77,448 m3/h; g) 64,3 ºC; h) 5,263. Problema 2

El refrigerante 134ª es el fluido de trabajo en un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor que se comunica térmicamente con un foco frío a 0ºC y un foco caliente a 26ºC. El vapor saturado entra en el compresor a 0ºC y a la salida del condensador es líquido saturado a 26ºC. El flujo másico de refriegerante es 0,08 kg/s. Determine:

a. La potencia del compresor, en kW. b. La capacidad de refrigeración, en kW. c. El coeficiente de operación o coeficiente de eficiencia energética. d. El CEE de un ciclo de refrigeración de Carnot que opera entre los focos caliente y frio a 26 y

0ºC, respectivamente.

Sol: a) 1,4 kW; b) 12,91 kW; c) COP=9,24; d) COPmax=10,5.

Problema 3

Supón que en el problema anterior, se tienen en cuenta las diferencias de temperaturas entre el refrigerante y los focos caliente y frío. El foco frío sigue a 0ºC y el foco caliente a 26ºC. En el compresor entra el vapor saturado a -10ºC. Del condensador sale líquido saturado a 9 bar. Determine para este ciclo de refrigeración con compresión de vapor:

a. La potencia del compresor, en kW. b. La capacidad de refrigeración, en kW. c. El coeficiente de operación.

Compara estos resultados con los obtenidos en el ejercicio anterior e indica a qué se deben las diferencias.

Sol: a) 2,48 kW; b) 11,34 kW; c) 4,57.

Problema 4

Teniendo en cuenta los datos del ejercicio anterior, considere ahora que el compresor tiene una eficiencia del 80%, y que el líquido sale del condensador a 30ºC. Determine para este ciclo modificado:

a. La potencia del compresor, en kW. b. La capacidad de refrigeración, en kW. c. El coeficiente de operación. d. Las exergías destruidas en el compresor y en la válvula de expansión, en kW, para To = 299 K

(26ºC).

Sol: a) 3,1 kW; b) 11,98 kW; c) 3,86; d) 0,58 y 0,39 kW.

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Problema 5

Un ciclo de Carnot de refrigeración utiliza R-134A como fluido de trabajo. El refrigerante entra en estado de vapor saturado a 28ºC en el condensador y sale líquido saturado. El evaporador funciona a la temperatura de -10ºC. Determina, en kJ por kg del 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. d. Coeficiente de operación del ciclo.

Sol: a) 25,8; b) 3,85; c) 151,94; d) 6,92.

Problema 6

Un ciclo de refrigeración por compresión opera en situación estacionaria con R-134ª como fluido de trabajo. En el compresor entra vapor saturado a -10ºC y del condensador sale líquido saturado a 28ºC. El flujo másico es 5 kg/min. Determina:

a. La potencia del compresor, en kW. b. La capacidad frigorífica, en kW. c. El coeficiente de operación.

Sol: a) 2,21 kW; b) 12,70 kW; c) 5,75. Problema 7

En el compresor de un sistema ideal de refrigeración entra R134A en estado de vapor saturado a -16ºC con un flujo volumétrico de 1 m3/min. El refrigerante deja el condensador a 36ºC y 10 bar. Determina:

a. La potencia del compresor, en kW. b. La capacidad de refrigeración, en kW. c. El CEE.

Sol: a) 5,12 kW; b) 16,84 kW; c) 3,29 Problema 8

Modifique el ciclo del problema anterior, 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 anterior. Problema 9

Modifique el ciclo del problema anterior, asignando al compresor un rendimiento isoentrópico del 80% y haciendo que la temperatura del líquido a la salida del condensador sea 32ºC. Determine, para este ciclo modificado,

a. La potencia del compresor, en kW. b. La capacidad de refrigeración, en kW. c. El coeficiente de operación. d. Las exergías destruidas en el compresor y en la válvula de expansión, en kW, para To =28ºC.

Sol: a) 3,73 kW; b) 11,97 kW; c) 3,21; d) 0,71 y 0,58 kW. Problema 10

Un sistema de refrigeración por compresión de vapor utiliza amoniaco como fluido de trabajo. Las presiones del 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 -10ºC y 140ºC, respectivamente. La transferencia de calor desde el refrigerante en el condensador es 15 kW, y sale líquido a 12 bar y 28ºC. Si el compresor funciona adiabáticamente, determine:

a. La potencia del compresor, en kW. b. El Coeficiente de Prestaciones.

Sol: a) 3,29 kW; b) 3, 56.

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Problema 11

Un sistema de refrigeración por compresión de vapor utiliza la configuración mostrada en la figura, 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 a -30ºC. 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 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 2 toneladas de refrigeración (1 tonelada = 211 kJ/min), determine:

a. La potencia de cada compresor. b. El coeficiente de operación.

Sol: a) 6,61 y 6,86 kW; b) 2,61.

Problema 12

Una bomba de calor por compresión de vapor utiliza refrigerante R134A como fluido de trabajo. El refrigerante entra en el compresor a 2,4 bar y 0ºC, con un flujo volumétrico de 0,6 m3/min. La compresión hasta 9 bar y 60ºC es adiabática, y la salida del condensador es líquido saturado a 9 bar. Determine:

a. La potencia necesaria en el compresor, en kW. b. La capacidad de calefacción del sistema, en kW. c. El coeficiente de operación. d. El rendimiento isoentrópico del compresor.

Sol: a) 5,17; b) 22,58 y 6,42; c) 4,37; d) 63,5.

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Problema 13

Una bomba de calor por compresión de vapor y con una potencia de calefacción de 500 kJ/min es accionada por un ciclo de potencia con un rendimiento térmico del 25%. En la bomba de calor, el R134A se comprime desde vapor saturado a -10ºC 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 34ºC. 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 kW. b. Evalúe la relación entre calor total cedido al espacio calefactado y el calor absorbido por el ciclo

de potencia. Analícelo. Sol: a) 1,87; b) 1,69.

Problema 14

Se necesita evacuar 150.000 kcal/h de cierta cámara frigorífica, para lo que se decide instalar un sistema de producción de frío por compresión mecánica. La temperatura de la cámara no puede superar los –3°C y el la diferencia de temperaturas a la entrada del evaporador se estima en 7°C. Se dispone de un gran caudal de agua de pozo a 15°C que piensa utilizarse como agente condensante. El fluido frigorígeno empleado es R-134a. Para el funcionamiento de dicha instalación se adquirió un compresor alternativo de 2.250 cm³ de cilindrada, el cual aspira vapor con un recalentamiento en la tubería de aspiración de 10°C. Este compresor gira a 850 r.p.m. y su rendimiento volumétrico es de 0,8 para una relación de compresión de 3,3. Calcular:

a. El grado de subenfriamiento del fluido condensado para que pueda funcionar la instalación con este compresor y si es posible su realización.

Nota: Considerar un salto máximo admisible en el agua de pozo de 5°C y un salto mínimo de temperaturas en el condensador (entre fluido refrigerante y agua de pozo) de 5°C.

Problema 15

Los datos de catálogo de un compresor son los siguientes:

• Refrigerante: R-22

• Número de cilindros: 6

• Velocidad de giro: 1740 r.p.m.

• Diámetro del cilindro: 67 mm

• Carrera: 57 mm

• Porcentaje de espacio muerto: 4.8 % Para las siguientes condiciones de operación:

• Temperatura de evaporación: 5°C

• Temperatura de condensación: 50°C

• Subenfriamiento del líquido: 3°C

• Recalentamiento del vapor: 8°C

• La potencia frigorífica que indica el catálogo es 96.4 kW y la potencia absorbida 28.9 kW. Calcular:

a) El rendimiento volumétrico teórico, b) el rendimiento volumétrico real y c) el rendimiento isentrópico o de la compresión.

Sol: a) 0,9012; b) 0,773; c) 0,6801.

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Problema 16

Los datos de catálogo del compresor SP4L220E son los siguientes:

• Refrigerante: R-134a

• Desplazamiento volumétrico: 86.1 m³/h Para las siguientes condiciones de operación:

• Temperatura de evaporación: -10°C

• Temperatura de condensación: 50°C

• Subenfriamiento del líquido: 5°C

• Recalentamiento del vapor: 10°C La potencia frigorífica que indica el catálogo es 23.7 kW y la potencia absorbida 10.0 kW. Calcular: a) La potencia frigorífica, b) el trabajo de compresión y c) el coeficiente de eficiencia energética, si pretendemos utilizar este compresor en un ciclo con las mismas temperaturas de evaporación y compresión pero sin subenfriamiento del líquido ni recalentamiento del vapor. Sol: a) 21880 kW; b) 9955 kW; c) 2,198.

Problema 17

Un compresor hermético alternativo de 4 cilindros para R-22, tiene una velocidad de giro de 29 rev/s. El diámetro de los cilindros es 87 mm y la carrera 70 mm. El rendimiento volumétrico ha sido obtenido experimentalmente en función de la relación de compresión (rc): ηvol=0.0016 rc

2 - 0.0734rc+1.0117 Sí suponemos que la temperatura de condensación es constante e igual a 40°C, calcular la potencia frigorífica para las siguientes temperaturas de evaporación: a) -20°C, b) -10°C, c) 0°C, d) 10°C Nota: Suponer ciclo estándar sin sobrecalentamiento ni subenfriamiento Sol: a) 47,18 kW; b) 81,08 kW; c)127,4 kW; d)188,8 kW.