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Instalaciones y Máquinas Hidráulicas y Térmicas (Máster en Ingeniería Industrial )
Problemas de clase de producción de frío
Problema 1
La figura 1.A muestra el esquema de una instalación de R-134a con dos evaporadores. El evaporador de baja
temperatura suministra 180 kW de refrigeración con una temperatura de evaporación de -30°C y el
evaporador de alta suministra 200 kW a 5°C. La temperatura de condensación es 40°C. Calcular la potencia
de compresión requerida y la eficiencia energética del ciclo.
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Evaporador de alta
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Evaporador de baja
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Figura 1.A: Esquema del ciclo con dos evaporadores
Se analiza la posibilidad de suministrar las mismas potencias frigoríficas con las mismas temperaturas de
evaporación y condensación utilizando el esquema alternativo de la figura 1.B. Calcular la potencia de
compresión requerida y la eficiencia energética del ciclo.
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Compresor
de alta
Evaporador de alta
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Compresor
de baja
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Evaporador de baja
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Figura 1.B: Esquema del ciclo con dos compresores y depósito intermedio
Nota: Suponer que no existen pérdidas de presión en los elementos del ciclo, que no existen
recalentamientos, ni subenfriamientos y que los compresores son perfectos.
Resultados:
A) W
! !c = 156.3 kW
COP = 2.43
B) W
! !c = 92.14 kW
COP = 4.12
Instalaciones y Máquinas Hidráulicas y Térmicas (Máster en Ingeniería Industrial )
Problemas de clase de producción de frío
Problema 2
La instalación de refrigeración por amoniaco de la figura consta de dos evaporadores, uno (A) alimentado
por una bomba, que produce una potencia frigorífica de 75 kW y otro (B) en expansión directa, con una
válvula de expansión termostática de 5ºC, que desarrolla 125 kW de potencia frigorífica. El manómetro
colocado a la entrada al evaporador A marca 3.28 bar, la temperatura de evaporación del evaporador B es de
-20ºC y la de condensación 40ºC. Se pide:
A. Calcular el caudal que debe mover la bomba para que el título de vapor del punto 6 sea del 75%.
B. Si el rendimiento volumétrico e isentrópico de los dos compresores puede estimarse en 0.7 y 0.8
respectivamente, calcular el desplazamiento volumétrico de los compresores y el COP de la
instalación, comparándolo con el de Carnot.
C. Dibujar sobre el diagrama p-h adjunto todos los puntos de la instalación de la figura, indicando su
temperatura y entalpía
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Evaporador A
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Evaporador B
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Nota: Suponer que las pérdidas de carga por rozamiento en todos los elementos, el consumo de energía de la
bomba y el incremento de presión en la bomba de líquido son despreciables. El subenfriamiento del líquido
en el condensador es de 4ºC.
Resultados:
A) ! m! RA = 0.0792 kg/s
B) W
! !cB = 13.59 kW
W!cA = 45.37 kW
COP = 3.39
COPcarnot = 4.93
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Problemas de clase de producción de frío
Problema 3
La instalación de refrigeración por amoniaco de la figura inferior consta de dos evaporadores. La temperatura
de evaporación del evaporador de baja es -20ºC y produce una potencia frigorífica de 200 kW. Un
manómetro colocado en el evaporador de alta marca 4.15 bar y este absorbe una potencia frigorífica de 100
kW. Si temperatura de condensación es de 40ºC y se pretende que el título de vapor a la salida de los dos
evaporadores sea del 85%:
A. Calcular los caudales de refrigerante que deben mover las dos bombas de líquido.
B. Si el rendimiento volumétrico e isentrópico de los compresores puede estimarse en 0.7 y 0.8
respectivamente, calcular el desplazamiento volumétrico de los compresores y el COP de la instalación.
C. Dibujar sobre un diagrama p-h adjunto todos los puntos de la instalación de la figura inferior, anotando la
temperatura y la entalpía de cada uno de ellos.
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Nota: Suponer que las pérdidas de carga en los elementos son despreciables, no existe subenfriamiento del
líquido y el consumo de energía y el incremento de presión asociados a las bombas de líquido son
despreciables.
Resultados:
A) ! m! RB = 0.177 kg/s
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B) V
! !tB = 529 m /h
m! RA = 0.0946 kg/s
V!tA = 380 m 3 /h
COP = 3.45
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Problemas de clase de producción de frío
Problema 4
Una instalación para enfriamiento de agua desarrolla un ciclo simple de compresión mecánica con amoniaco,
utilizando un condensador de aire y una válvula de expansión termostática. Los siguientes datos fueron
medidos:
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Presión manométrica de condensación:
Presión manométrica de evaporación:
Temperatura del gas de aspiración:
Temperatura del amoniaco a la salida del condensador:
UA del evaporador:
Caudal de agua sobre el evaporador:
Temperatura del agua a la entrada al evaporador:
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Rendimiento volumétrico del compresor:
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Rendimiento isentrópico del compresor:
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๏
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1454 kPa
328.3 kPa
5°C
35°C
4032 W/K
3300 l/h
20°C
! ηv = 0.8 − 0.04 ( pc pe )
! ηv = 0.75 − 0.04 ( pc pe )
En las expresiones de los rendimientos! pc y! pe son las presiones absolutas de condensación y evaporación
respectivamente. En estas condiciones calcular:
A. Temperatura del agua a la salida del evaporador [°C].
B. Caudal de refrigerante [kg/s] y desplazamiento volumétrico del compresor [m³/h].
C. Potencia frigorífica [kW], potencia de compresión [kW] y COP de la instalación.
Para mejorar el comportamiento de la instalación se desea cambiar el condensador de aire por un
condensador de agua que consiga una nueva temperatura de condensación de 30°C, suponiendo que la
temperatura de evaporación permanece constante. Se utiliza como fluido de condensación 8000 l/h de agua
a 20°C. Calcular en esta nueva situación:
D. Nueva potencia frigorífica [kW], potencia de compresión [kW] y COP de la instalación.
E. Efectividad [%] y UA [W/K] que debe de tener el nuevo condensador de agua.
Nota: Suponer que no existe pérdida de presión por rozamiento. Y que para el caso de la condensación por
agua el subenfrimiento del líquido es nulo.
Resultados:
A) T
! ws = 7 ºC
C) Q
! ! f = 49.95 kW
V!t = 73.2 m 3 /h
W!c = 14.08 kW COP = 3.55
D) Q
! ! f = 53.84 kW
W!c = 10.56 kW
B) ! m! R = 0.045 kg/s
E) ! εc = 69.2 %
UAc = 10965 W/K
COP = 5.1
Instalaciones y Máquinas Hidráulicas y Térmicas (Máster en Ingeniería Industrial )
Problemas de clase de producción de frío
Problema 5
Durante la fase de diseño de una instalación frigorífica industrial con R-134a, se estima una temperatura de
evaporación de 5ºC, una temperatura máxima del aire exterior de 40ºC, un subenfriamiento del líquido de
5ºC y un sobrecalentamiento del vapor de 10ºC.
La potencia frigorífica necesaria es de 100 kW, se utilizará un condensador de aire con una temperatura de
condensación estimada de 50ºC, un caudal de aire de 400 m3/h por cada kW evacuado en el condensador y
un U = 40 W/(m²K). El rendimiento volumétrico e isentrópico del compresor pueden estimarse en 0.75 y
0.70 respectivamente.
Dibujar todos puntos del ciclo sobre el diagrama adjunto indicando su temperatura y su entalpía. Calcular:
A.
B.
C.
D.
Desplazamiento volumétrico [m³/h] del compresor necesario
COP de la instalación frigorífica
Efectividad [%] del condensador
Área [m²] del condensador
Finalmente el caudal de aire del condensador resulta ser 45000 m3/h, si se desea mantener la misma
temperatura de condensación, calcular:
E.
El área [m²] de condensador necesaria (la U es la misma) y la efectividad [%] del mismo.
Resultados:
A) V
! !t = 200.8 m 3 /h
B) COP
!
= 3.53
C) ! εc = 75 %
D) ! Ac = 593 m 2
E) ! εc′ = 85.5 %
Ac′ = 726 m 2