Problema N 9

Problema N 9.1

Una mquina de Carnot se acopla a un refrigerador de Carnot en forma tal que todo el trabajo realizado por la primera es empleado por el refrigerador para extraer calor de un depsito trmico a 270K a razn de 4 kJ/s. La fuente de energa para la mquina de Carnot es una fuente a 500K. Si ambos sistemas rechazan calor a los alrededores a 300K, cunto calor absorbe la mquina desde la fuente a 500K?

Si es el coeficiente de rendimiento real del refrigerador y la eficiencia trmica de la mquina es , cunto calor absorbe la mquina de la fuente a 500K?

Problema N 9.2

Un sistema de refrigeracin requiere 1 KW de potencia para que la razn sea igual a 3 kJ/s.

(a) Cul es el coeficiente de rendimiento?

(b) Cunto calor es rechazado por el sistema?

(c) Si el calor se rechaza a 35C, Cul es la temperatura mnima que puede mantener el sistema?

Problema N 9.3

Un sistema convencional de refrigeracin por compresin de vapor opera de acuerdo al ciclo mostrado en la figura 9.1b. Para cada uno de los siguientes conjuntos de condiciones de operacin, determine la razn de circulacin del refrigerante, la razn de transferencia de calor en el condensador, los requerimientos de potencia y los coeficientes de rendimiento, tanto del ciclo como de un ciclo de refrigeracin de Carnot, que opera en los mismos niveles de temperatura.

(a) El refrigerante es amoniaco; para la evaporacin, t = 30F; para la condensacin, t = 90F; 0.80; razn de refrigeracin = 3000 (Btu/s)

(b) El refrigerante es amoniaco; para la evaporacin, t = 0F; para la condensacin, t = 90F; 0.75; razn de refrigeracin = 1500 (Btu/s)

(c) El refrigerante es fren-12; para la evaporacin, t = 10F; para la condensacin, t = 80F; 0.77; razn de refrigeracin = 400 (Btu/s)

(d) El refrigerante es fren-12; para la evaporacin, t = 20F; para la condensacin, t = 85F; 0.80; razn de refrigeracin = 100 (Btu/s)

(e) El refrigerante es fren-12; para la evaporacin, t = -20F; para la condensacin, t = 85F; 0.80; razn de refrigeracin = 200 (Btu/s)

(f) El refrigerante es agua; para la evaporacin, t = 4C; para la condensacin, t = 30C; 0.76; razn de refrigeracin = 1000 (kJ/s).

Problema 9.4

Un refrigerador opera con fren-12 como refrigerante, con una temperatura de evaporacin igual a 14F y una temperatura de condensacin de 76F. El lquido saturado de fren-12 del condensador fluye por una vlvula de expansin hacia el evaporador, de donde sale como vapor saturado.

a) Cul es el flujo msico de fren-12, para una razn de refrigeracin de 5 Btu/s?

b) En cunto disminuira el flujo msico si la vlvula de estrangulamiento se reemplazara por una turbina, donde el fren-12 se expandiera isentrpicamente?

c) Suponga que el ciclo en a) se modifica por la inclusin, entre el condensador y la vlvula de estrangulamiento, de un intercambiador de calor a contracorriente, donde se transfiere calor al vapor que regresa del evaporador. Si el lquido del condensador entra al intercambiador a 76F y el vapor del evaporador lo hace a 14F y salen a 65F, cul es el flujo msico del fren-12?

d) Para los incisos a), b) y c), determine el coeficiente de rendimiento, cuando la compresin del vapor es isentrpica?

Problema 9.5

Un sistema de refrigeracin por compresin de vapor es convencional, salvo por la inclusin de un cambiador de calor a contracorriente para subenfriar el lquido del condensador por intercambio de calor con la corriente de vapor del evaporador. La diferencia mnima de temperatura para la transferencia de calor es de 10F. El refrigerante es amonaco, que se evapora a 22F y se condensa a 80F. El flujo de calor en el evaporador es de 2000 Btu/s. Si la eficiencia del compresor es del 75%, cul es la potencia requerida?

Cmo se compara este resultado con la potencia requerida por el compresor si el sistema opera sin el intercambiador de calor? Compare los flujos msicos del amoniaco en los dos casos.

Problema 9.6

Considere el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor de la figura 9.1b, trabajando con fren-12 como refrigerante. Si la temperatura de evaporacin es de 10F, muestre el efecto de la temperatura de condensacin sobre el coeficiente de rendimiento mediante clculos pata temperaturas de condensacin de 60F, 80F y 100F.

a) Considere isentrpica la compresin del vapor

b) Considere una eficiencia del 75% para el compresor.

Problema 9.7

Un abomba de calor se emplea para calentar una casa en el invierno y para enfriarla en el verano. Durante el invierno, al aire exterior sirve como fuente de calor a baja de temperatura; en el verano, ste acta como sumidero a alta temperatura. La transferencia de calor por las paredes y techo de la casa es de 0.75 kJ/s por cada C de diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la casa, tanto en verano como en invierno. El motor de la bomba de calor trabaja a 1.5 kW. Determine La temperatura exterior mnima con la cual se puede mantener a 20C durante el invierno, y la temperatura exterior mxima para mantener la casa a 20C durante el verano.

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