Tarea Semana 6 - Termodinámica

Tarea semana 6 Termodinámica Instituto IACC 16 de diciembre 2019

Desarrollo 

Compare los procesos entre el ciclo invertido de Carnot y los ciclos ideales y reales de compresión de vapor. Señale similitudes y diferencias entre ellos. Explique brevemente las causas de esas diferencias. Respuesta. A la salida del condensador el fluido se somete a una expansión con el fin de simplificar la instalación, por lo que se consigue por una válvula de estrangulamiento El fluido de trabajo entra en el compresor en condiciones de vapor saturado, provocando un sobrecalentamiento del mismo, esto hace necesario tener que enfriar el vapor, desde la temperatura a la salida del compresor hasta la condensación a la misma presión. Compresión no isentrópica, caracterizada por un rendimiento isentrópica inferior a la unidad Sobrecalentamiento del vapor en la parte del evaporador. Si este existe, el vapor no entra en el compresor saturado sino sobrecalentado, tiene su lado beneficioso por lo que asegura ausencia de líquido en el compresor, pero a la vez perjudicial debido a que eleva demasiado la temperatura máxima del ciclo a la salida del compresor. Sub-enfriamiento del líquido en la parte final del condensador. Pérdidas de presión a través de los conductos. Perdidas de calor en los conductos que conectan el condensador y el evaporador con el compresor y la válvula Similitudes: Utilizan presión y temperatura. Utiliza fluido de refrigeración Se ciclo opera contra las manecillas del reloj. Proceso isotérmico de condensador y evaporador Trabajan con fluidos condensables Diferencias: Ciclo Carnot: utiliza turbina, es completamente reversible, su eficiencia solo depende de las temperaturas con respecto al calor Ciclos reales: experimenta perdidas tanto de presión como de calor por medio de los conductos. El refrigerante llega al compresor ligeramente sobrecalentado, utiliza válvula de expansión, algunos efectos de la fricción que incrementa la entropía y la transferencia de calor, pueden aumentar o disminuir la entropía dependiendo de la dirección. Ciclos ideales: este ciclo es perfecto y no se consideran pérdidas de presión ni de calor, su proceso de compresión es adiabático e isentrópico. Utiliza válvula de expansión. La causa de las diferencias son que fundamentalmente en que los procesos isotérmicos en el condensador, y el evaporador pueden ser realizados en dispositivos reales. La compresión y expansión se realizarán con el refrigerante el cual muestra dos fases, por lo que se requerirán equipos especiales para manejar la situación, esto debido a la irreversibilidad de los procesos de compresión y expansión. A esto se le suma la alta concentración de líquido que dañaría las maquinas compresor y turbina.

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Realice una búsqueda en internet e identifique dos sistemas comerciales de refrigeración para uso industrial, compare sus componentes, desempeño y tipo de refrigerante utilizado. Indique cuales criterios se tomaron en cuenta para definir el uso de ese refrigerante. Respuesta. equipos cámara frigorífica, aire acondicionado (automotriz) Componentes: Cámara frigorífica: distribuidor, conductos, ventilador, termostato, válvula de escape de sobre presión cilindro de nitrógeno, válvula solenoide conducto de nitrógeno. Aire acondicionado: presostato, filtro deshidratante, válvula de expansión, condensador, compresor de aire, evaporador, conductos. Tipo de refrigerante nitrógeno líquido y R134a. El cuidado con el medio ambiente en el caso de cualquier sector industrial. Es por lo mismo que el sistema de aire acondicionado automotriz, está reemplazando el antiguo R-12 por lo que era muy destructivo sobre la capa de ozono y al efecto invernadero. Por el mencionado R-134a. Los sistemas frigoríficos que utilizan nitrógeno tienen el criterio principal por el aire que hay en la atmosfera está compuesto con un 80% aproximado de nitrógeno y es la fuente de origen del nitrógeno que se utiliza para la refrigeración, no es contaminante ni toxico, por lo que se puede liberar a la atmosfera sin problemas, por lo mencionado anteriormente. 

Un ciclo de refrigeración por compresión de vapor que usa refrigerante 134a como fluido de trabajo mantiene un condensador a 1000 KPa y el evaporador a 4°C. determine el COP de este sistema y la cantidad de potencia necesaria para proporcionar una carga de enfriamiento de 400KW. Respuesta. Tabla A-11 T1 (vapor saturado) = 4° h1 = 252,77 KJ/Kg S1 = 0,92927 KJ/Kg*K Tabla A-13 (interpolando) H 271,71 H2 282,74

S 0,9179 0,92927 0,9525

h2= 275,29 KJ/Kg P2 = 1000 KPa = 1 MPa P3 (liquido saturado) = 1000 KPa = 1 MPa h3 = 107,32 KJ/Kg tabla A-12 h3≈h4 = 107,32 KJ/Kg 𝑄𝑏 400 Qb = ṁ(h1 – h4) = ṁ = ℎ1−ℎ4 ṁ = 252,77−107,32 ṁ = 2,75 Kg/s W entrada = ṁ (h2 - h1) W entrada = 2,75 Kg/s (275,29 – 252,77) KJ/Kg W entrada = 61,93 Kw potencia necesaria 𝑄𝑏

COP = 𝑊 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

400 𝐾𝑤

COP = 61,93 𝐾𝑤

COP = 6,46 KW

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Entra refrigerante 134a al compresor de un refrigerador como vapor sobrecalentado a 0,20 MPa y -5°C a un flujo másico de 0,7 Kg/s, y sale a 1,2 MPa y 70°C. el refrigerante se enfría en el condensador a 44°C y 1,15 MPa, y se estrangula a 0,2 MPa. Depreciando cualquier transferencia de calor y cualquier caída de presión en las líneas de conexión entre los componentes, muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación, y determine:

Diagrama Ts

a. La tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor. Respuesta. Tabla A-13 T° h S P1 = 0,20 MPa -10 244,54 0,9380 h1 = 248,79 KJ/Kg T1 = -5°C -5 h1 S1 0 253,05 0,9698 S1 = 0,9539 KJ/Kg*K P2 = 1,2 MPa T2 = 70°C

h2 = 300,61 KJ/Kg

P2s = 1,2 MPa S2s = S1

h2s = 287,18 KJ/Kg

P3 = 1,15 MPa T3 = 44°C

h3 = 115,18 KJ/Kg

h 278,27 h2s 289,64

S 0,9267 0,9539 0,9614

P 1000 1150 1200

hf 107,32 hf 117,77

h4 ≈ h3 Ql = ṁ(h1 – h4) Ql = 0,7(248,79 - 115,18)

Ql = 93,52 KW

W in = ṁ(h2 -h1) W in = 0,7(300,61 – 248,79) W in = 36,27 KW

b. La eficiencia isentrópica del compresor. Respuesta. ℎ2𝑠−ℎ1 287,18−248,79 ηc = ℎ2−ℎ1 = 300,61−248,79 ηc = 74,08%

c. El COP del refrigerador. Respuesta. 𝑄𝑙 93,52 COP = 𝑊 𝑖𝑛 = 36,27 COP = 2,58