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Documento que contiene un problema de un examen final de Termodinámica sobre un ciclo de refrigeración que utiliza amoníaco como sustancia de trabajo, la eficiencia adiabática del compresor, el coeficiente de realización, el análisis de un intercambiador de calor de flujos cruzados y la transferencia de calor necesaria para pasar 2 toneladas de agua por hora desde 0ºC hasta 200ºC.
Tipo: Apuntes
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I. DATOS INFORMATIVOS:
1. Introducción
Este trabajo trata sobre el calor el cual se transfiere energía térmica entre los cuerpos. Las
partículas de los cuerpos no están en reposo, sino que se encuentran en constante agitación.
Como consecuencia de esta agitación, los cuerpos poseen una determinada energía térmica.
La temperatura es un indicador de la energía térmica que tienen los cuerpos. De modo general
podemos decir que, a mayor temperatura, mayor energía de este tipo. Pues bien, los cuerpos
y los sistemas pueden intercambiar energía térmica_._ A esta energía térmica intercambiada se
le denomina calor. En ocasiones también se denomina calor al propio proceso de
transferencia de energía. Tenemos que tener en cuenta que el calor no es lo mismo que
temperatura.
El ciclo de refrigeración se denomina al proceso que sigue el refrigerante, empezando por
un estado inicial y terminando en el mismo estado. Circula un refrigerante que pasa por
diversos estados o condiciones, cada uno de estos cambios se denomina procesos.
Los intercambiadores de calor son dispositivos cuya función es transferir el calor de un
fluido a otro de menor temperatura. La transferencia de calor se produce a través de una placa
metálica o tubo que favorezca el intercambio entre fluidos sin que estos se mezclen.
La transferencia de calor es el proceso de propagación del calor en distintos medios.
En esta oportunidad tenemos un problema de ciclo de refrigeración, intercambiadores de
calor y transferencia de calor, que se obtiene a partir de la capacidad calorífica y representa
la dificultad con que una sustancia intercambia calor con el entorno. Es una característica de
las sustancias que forman los cuerpos y es independiente de la masa.
3. Análisis
Compresor es un equipo cuya función es comprimir el fluido de una zona de baja
presión a una zona de alta presión.
Dato: la eficiencia adiabática del compresor es el del 100%.
Ciclo de refrigeración por compresión de vapor ideal:
1 - 2: Comprensión isentrópica
2 - 3: Rechazo de calor isobárico
3 - 4: Expansión (estrangulación)
4 - 1: Absorción de calor isobárica
Determine el coeficiente de realización de este ciclo.
1
𝑠𝑎𝜏
1
𝑔
1
𝑔
2
1
2
2
Haciendo volumen de control en el mezclador:
Condensador es un equipo en la cual el refrigerante en fase gas mediante
eliminación de calor pasa a refrigerante en fase líquida.
Dato: El ambiente que rodea al condensador está a 38°C
𝐿
1
4
3 𝐶𝑂𝑁𝐷
𝑎𝑚𝑏
3 𝐶𝑂𝑁𝐷
2
3
3
3
𝑓
3
4
𝐿
𝐿
𝑐
1
2
𝑐
𝐿
Resultado del coeficiente de realización de este ciclo:
Un intercambiador de calor de flujos cruzados, con ambos fluidos con mezcla, tiene una
superficie de intercambio. A igual a 8,4m
2
; los fluidos son los siguientes: Aire, de calor
especifico 1005 Joules/kgºC. Agua, de calor especifico 4180 Joules/kgºC. El aire entra en el
intercambiador a 15ºC, a razón de 2kg/seg. El agua entra a 90ºC a razón de 0,25kg/seg. El
coeficiente global de transmisión de calor vale 250W/m
2
ºC. Determinar las temperaturas de
salida de ambos fluidos y el calor intercambiado.
Solución:
a) Temperaturas de salida de ambos fluidos
C.aire = 2 Kg/seg x 1005 J/KgºC = 2010 W/ºC (C.max )
C.agua = 0.25 Kg/seg x 4180 J/KgºC = 1045 W/ºC (C.min)
2
3.2. Calor
Se requieren 1 , 564 , 000
𝑘𝑐𝑎𝑙
ℎ
solares haciendo contacto con la superficie a una temperatura de 300°K recibiendo
energía radiante del sol por un valor de 750 w/m2 y donde el coeficiente de transferencia
por radiación es de 5.67x10-8 W/m2K4. Calcular la radicación neta ganada por cada m
2
de la superficie del área de UPN.
6.1. Transferencia de calor
4
Q = 1 .0x5.67x 10
− 8
w
𝑚 2 k
x1m
2
4
6.2. Radiación neta
Coeficiente de realización 𝛽 = 3. 5
Temperaturas de salida de ambos fluidos TC2 = 38.7 ºC y TF2 = 41.68 ºC
Calor intercambiado 53.63 KW
Cantidad de calor
Transferencia de calor
Radiación neta
Con los resultados se comprueba que la transferencia de calor por conducción es un
proceso mediante el cual fluye el calor desde una región de alta temperatura a una
región de baja temperatura dentro de un medio o entre medios diferentes en
contacto físico directo.
En este trabajo comprendí cómo funciona un ciclo de refrigeración,
específicamente el de absorción y comprensión, sus principales características y el
uso que actualmente se le puede dar a cada uno de ellos.
Los intercambiadores de calor son equipos utilizados esencialmente para el
intercambio de calor entre dos fluidos a diferentes temperaturas. También utilizan
esencialmente principios básicos de intercambio de calor, como la conducción y
convección.
Recomendamos tener los materiales necesarios para poder realizar el experimento,
contar con un equipo de seguridad personal para cada trabajador ya que así ante
cualquier problema que surja los que realizan dicho proyecto no estarán afectados.
Recomendamos tener el conocimiento básico del funcionamiento correcto de los
procesos de ciclo de refrigeración, intercambiador de calor y transferencia de calor.
