REFRIGERACION

CICLOS DE REFRIGERACION
1. Sistema de refrigeración por compresión de vapor
Un refrigerador como el que se muestra en la figura usa refrigerante 134ª

como fluido de trabajo y opera en un ciclo de refrigeración por compresión de
vapor con una temperatura en el evaporador de -4 ºF y una presión en el
condensador de 130 Psia, siendo el rendimiento adiabático del compresor del
84%. El flujo masico del refrigerante es 6,5 lb/min. Calcúlese a) la potencia
real suministrada al compresor, en hp b) Capacidad de refrigeración en Ton,
3
c) el COP y d) desplazamiento efectivo, en pie /min
Fuente: Yunus Cengel y Michael Boles, “Termodinámica”, cuarta edición.
3
Item P (Psia) T ºF h S (Btu/lb . V (pie /lb)
(Btu/lbm) R)
1 -5 101,02 0,2230 2,3992
2 140 118,88 0,2230
3 140 44,43
4 -5 44,43
Como primer paso se procede a colocar en la tabla los datos de presión y
temperatura que proporciona el ejercicio. Debido a que el análisis a realizar
en el ciclo es energético, se procede a determinar los valores de entalpía en
cada punto del ciclo según lo planteado teóricamente.
Para la entalpía 1 el fluido de trabajo es vapor saturado, buscado en la tabla

el valor de hg a la temperatura de -5 ºF
Para la entalpía en 2, se considera un proceso de compresión idealmente

isentrópico entre los puntos 1-2, como el punto 1 es vapor saturado se
obtiene el valor de la entropía en 1 que para este caso será igual a la
entropía en 2, lo que permitirá buscar en la tabla de vapor sobrecalentado a
la presión de 140 psia y la entropía de 0,2230 KJ/Kg.K el valor de la entalpía
(necesita interpolar).
s 1 = s 2 = 0,2230 KJ / Kg .K
Para la entalpía en 3, el fluido a cambiado de fase convirtiéndose en liquido

saturado (las causas de esta condición ya están planteadas teóricamente)
por lo que con la presión de 140 psia se determina la entalpía hf del fluido de
trabajo.
Para la entalpía en 4, el proceso en la válvula de estrangulamiento se ha

descrito como isoentalpico (condición teóricamente conocida) por lo que la
entalpía de 4 es la misma de 3.
Determinadas las entalpías, se procede a resolver las preguntas del

enunciado:
a) Para determinar la potencia real de compresión, se planta conseguir la
potencia ideal y con la eficiencia proporcionada poder calcular la potencia
real.
Se realiza el balance de energía en el compresor

h 1 m& 1 = h 2 m& como m& 1 = m& 2 = 6,5 lb /min
+ W&comp
2
Se tiene,
W&com = (h 2 − h1 ) ∗ m& ⇒ = (118,88 − 101,02 )Btu / lb ∗ 6,5lb
p W&comp /min
ref
W&comp = 116,09Btu /min ≈ 2,74hp
Se plantea la ecuación de eficiencia adiabática del compresor y se resuelve

calculando la potencia real del compresor
W& W& 116,06

η = despejado se obtiene = =
ideal W& ideal
comp real
W&real ηcomp 0,84
W& = 138,16Btu /min ≈ 3,25hp

real
b) la capacidad de refrigeración se obtiene determinado la cantidad de calor

absorbido por el evaporador (efecto refrigerante).
Inicialmente se realiza un balance de energía y masa en el evaporador para

luego determinar la cantidad de calor
h 4 m& + = h 1 m& 1 m& = m& 1 = 6,5 lb
4 Q& sum como 4 /min
Se tiene,
& = (h − h 4= )h∗ m
Qh& sum m&& = m=& (1101,02
Q&& sum
⇒ m = 6,5 lb− 44,43)Btu / lb ∗ 6,5lb /min
4m + 1 1 1
Q & como /min
4 sum 4
ref
1ton ref
Q& sum = 367,84Btu /min∗ ⇒ Cap ref = 1,84Ton ref
200Btu /min
C) Para determinar el COP es necesario aclarar que debido a que ya se

determinó la potencia real de compresión el COP a determinar se tomara en
cuenta este valor.
Q& sum 367,84Btu /min

COP = ≅ = 2,66
W& 138,16Btu /min
real
El desplazamiento efectivo es equivalente a la capacidad en flujo volumétrico

que el compresor puede comprimir
En el estado 1, v = v = 2,3992Pie 3 / lb , por tanto, el desplazamiento

1
efectivo viene dado por
V&comp = m& 3 3
comp ∗v 1 = 6,5lbm /min∗ 2,3992Pie / lbm = 15,59Pie /min
Nota: Para los siguientes ejercicios se obviara ciertos procedimientos de

manera de simplificar el análisis.
2. sistema de refrigeración en cascada.
2.- SISTEMA DE REFRIGERACION EN CASCADA

Un sistema de refrigeración como el que se muestra en la figura, en cascada
utiliza refrigerante 22 en la parte del sistema de baja temperatura y
refrigerante 134a en el circuito de alta temperatura. El circuito del refrigerante
22 funciona entre 1,1 y 5 bar. Las entalpías del vapor saturado que sale del
evaporador a -39 ºC, del vapor sobrecalentado que sale del compresor
isoentrópico a 29 ºC, y del liquido que entra al dispositivo de
estrangulamiento 0 ºC son 267,37 ; 304,16 y 78,47 respectivamente. El ciclo
ideal del circuito de refrigerante 134ª funciona entre -12 ºCy 9 bar. La
capacidad de refrigeración del evaporador de baja temperatura es de 5 Ton.
Determine a) los flujos másicos, en Kg/hr, en los dos circuitos. b) la potencia
de entrada en ambos compresores, en Kw, c) el COP del sistema en
cascada. d) Determine también el COP de un ciclo con un único circuito que
utilice refrigerante 134ª entre -40 ºC y 9 bar.

3
Item P (bar) T ºC h (Kj/Kg) S (KJ/Kg . V (M /Kg)
k)
1 1,1 -39 267,37
2 5 29 304,16
3 5 0 78,47
4 1,1
5 1,85 -12 240,15 0,9267
6 9 272,83
7 9 99,56
8 1,85 99,56
a) Se realiza el balance de energía en el intercambiador condensador-

evaporador:
h2 m2 + h8 m8 = h3 m3 + h5 m5
m8 = m5 y m 2 = m3
(h − h3 ) × m2
m = 2
5
h5 − h8
Para realizar el cálculo se necesita determinar el flujo másico en el circuito de

baja temperatura.
*
QEvap = m(h1 − h4 ) ⇒ m 2 = Q ⇒ 63300KJ / h

* *
h1 − h4 (267,37 − 78,47 )KJ / Kg

*
m 2 = 335,1Kg / h
Sustituimos el valor del flujo másico del circuito de baja temperatura para
obtenerlo en el de alta temperatura:
m5 = (
304,16 − 78,47 )× 335,1
(240,15 − 99,56 )
m 5 = 537,94Kg / h
a) Potencia en los compresores:
* *
W Comp. = m q Comp
Para el compresor de baja temperatura:

* *
(h − h1 ) ⇒ 335,1Kg / h(304,16 − 267,37 )KJ / Kg 1KW .S 1h
WCA = m 2 2
3600S
×
1KJ
*
W CA = 3,42KW
Para el compresor de alta temperatura es necesario determina la entropía en

5 y buscar interpolado la entalpía 6 a la presión correspondiente:
* *
(h − h5 ) ⇒ 537,6Kg / h(272,83 − 240,15)KJ / Kg 1KW .S 1h
WCB = m 5 6
3600S
×
1KJ
*
W CA = 4,88KW
c) Coeficiente de operación:
*
COP = Q evp ⇒ 17,58KW

*
W Total
(4,88 + 3,42)KW
COP = 2,12
3. sistema de refrigeración de múltiples etapas.
Un sistema de refrigeración por compresión de vapor ideal de dos etapas con

refrigeración intermedia regenerativo funciona con refrigerante 134ª y
presiones de 1,0 bar en el evaporador, 4,0 bar en la cámara de evaporación
instantánea y en la cámara de mezcla y 9,0 bar en el condensador. Si la
carga de refrigeración es 5 ton, determínese. a) la potencia del compresor
de baja presión, en kilovatios, b) el flujo másico que sale de la cámara de
evaporación instantánea y entra a la cámara de mezcla, en kg/min, c) la
potencia de entrada en el compresor de alta presión, en kilovatios, y d) el
COP del flujo global.
Qced
7
2
8
9 1
Qsum
3
Item P (bar) T ºC h (Kj/Kg) S (KJ/Kg . V (M /Kg)
k)
1 1 231,35 0,9394
2 4 259,50
3 4 258,08
4 9 275,35
5 9 99,56
6 4 99,56
7 4 252,32
8 4 62,00
9 1 62,00
Como premisa se tiene que la obtención de valores de entalpía en las

condiciones de saturación se realiza de forma similar al ejercicio 1.
a) Potencia en el compresor de baja presión:
W C , Baja = m1 (h2 − h1
* *
)
Se Determina el flujo másico en el sistema:
*
* Qevap 5 × (12660 )
m1 = ⇒
h1 − h9 231,35 − 62,00
*
m1 = 373,80Kg / h
Determinamos la entalpía 2 interpolado en la tabla de sobrecalentamiento a

la presión correspondiente:
s1 = s 2 = 0,9395
p 2 = 4bar ⇒ T2 = 16,4º C
h2 = 259,50KJ / Kg
* *
1KW .S 1h
W C , Baja = 373,80( 259,50 − 231,35
) 1KJ × 3600S
×
*
W C ,baja = 2,92KW
b) para determinar el flujo másico en 7 se plantea el balance de energía en la

cámara de evaporación instantánea.
h6 m6 = h7 m7 + h8 m8
m8 = m1 m6 = m8 + m7
Sustituyendo las masas:

h6 (m8 + m7 ) = h7 m7 + h8 m8
(h − h )m (99,56 − 62)KJ / Kg × 373,80Kg / h
6 8 8 ⇒
=
(252,32 − 99,56)KJ / Kg
m7
h7 − h6
m7 = 91,91Kg / h
c) para determinar la potencia en el compresor es necesario determinar la

entalpía en 3 y 4, como primer paso realizamos el balance de energía en la
cámara de mezcla:
h7 m7 + h2 m2 = h3 m3
h m +h m
h3 = 7 7 2 2
m3
Es Necesario determinar el flujo másico en 2 planteando lo siguiente:
m3 = m1 + m7 = 373,80 + 91,91
m3 = 465,71Kg / h
Sustituyendo se obtiene:
252,32 × 91,91 − 259,50 × 373,80
h3 =
465,71
h3 = 258,08KJ / Kg
Para de terminar el valor de la entalpía en 4, conocida la entapia en 3 y dado

que el proceso de 3 a 4 es isoentrópico determinamos la entropía en 3 con
sobrecalentamiento a 4 bar y luego con esa entropía se busca la entalpía en
4 a 9 bar en sobrecalentamiento (todo interpolando).
s3 = s 4
h4 = 275,35KJ / Kg
Con los valores correspondientes se calcula la potencia en el compresor:
W C ,alta = m3
*
(h4 − h3 ) ⇒
465,71Kg / h(275,35 − 258,08)KJ / Kg ×
Kw.s 1h
3600s
×
1KJ
*
W C ,alta = 2,23Kw
d) El COP viene dado por:

*
COP = Q evap 5(12660) / 3600 = 3,41

* *
⇒
W C ,baja + W C ,alta 2,92 + 2,23
COP = 3,41

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1. Sistema de refrigeración por compresión de vapor

Un refrigerador como el que se muestra en la figura usa refrigerante 134ª

Fuente: Yunus Cengel y Michael Boles, “Termodinámica”, cuarta edición.

Para la entalpía 1 el fluido de trabajo es vapor saturado, buscado en la tabla

Para la entalpía en 2, se considera un proceso de compresión idealmente

Para la entalpía en 3, el fluido a cambiado de fase convirtiéndose en liquido

Para la entalpía en 4, el proceso en la válvula de estrangulamiento se ha

Determinadas las entalpías, se procede a resolver las preguntas del

Se realiza el balance de energía en el compresor

W&comp = 116,09Btu /min ≈ 2,74hp

Se plantea la ecuación de eficiencia adiabática del compresor y se resuelve

W& W& 116,06

W& = 138,16Btu /min ≈ 3,25hp

b) la capacidad de refrigeración se obtiene determinado la cantidad de calor

Inicialmente se realiza un balance de energía y masa en el evaporador para

C) Para determinar el COP es necesario aclarar que debido a que ya se

Q& sum 367,84Btu /min

El desplazamiento efectivo es equivalente a la capacidad en flujo volumétrico

En el estado 1, v = v = 2,3992Pie 3 / lb , por tanto, el desplazamiento

efectivo viene dado por

Nota: Para los siguientes ejercicios se obviara ciertos procedimientos de

2.- SISTEMA DE REFRIGERACION EN CASCADA

Fuente: Yunus Cengel y Michael Boles, “Termodinámica”, cuarta edición.

a) Se realiza el balance de energía en el intercambiador condensador-

Para realizar el cálculo se necesita determinar el flujo másico en el circuito de

QEvap = m(h1 − h4 ) ⇒ m 2 = Q ⇒ 63300KJ / h

h1 − h4 (267,37 − 78,47 )KJ / Kg

a) Potencia en los compresores:

Para el compresor de baja temperatura:

Para el compresor de alta temperatura es necesario determina la entropía en

COP = Q evp ⇒ 17,58KW

Un sistema de refrigeración por compresión de vapor ideal de dos etapas con

Como premisa se tiene que la obtención de valores de entalpía en las

a) Potencia en el compresor de baja presión:

Determinamos la entalpía 2 interpolado en la tabla de sobrecalentamiento a

b) para determinar el flujo másico en 7 se plantea el balance de energía en la

Sustituyendo las masas:

c) para determinar la potencia en el compresor es necesario determinar la

Para de terminar el valor de la entalpía en 4, conocida la entapia en 3 y dado

Con los valores correspondientes se calcula la potencia en el compresor:

d) El COP viene dado por:

COP = Q evap 5(12660) / 3600 = 3,41

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