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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE CIENCIA E INGENIERÍA BIOTECNOLOGÍA Ciclo Abril – Septiembre 2021 INFORME AA

EN

ALIMENTOS

Y

DATOS INFORMATIVOS. Carrera: Alimentos Asignatura: Ingeniería de procesos Docente: Ing. Manuel Guanoquiza Integrantes: Jonathan Bombon, Evelyn Chacón , Marilyn Cordones, Karol Hidalgo , Vanessa Solis.

TEMA: EJERCICIO AMONIACO COMO REFRIGERANTE OBJETIVO General • Determinar la importancia del Coeficiente de rendimiento en un ciclo de refrigeración Especifico • Identificar las entalpias mediante el diagrama de Miller de acuerdo a las temperaturas del refrigerante con respecto a la temperatura del evaporador. EJERCICIOS 1.Calcular el C.O.P. (coeficiente de rendimiento) de un ciclo de refrigeración sencillo mediante amoniaco saturado (R -717). La temperatura en el evaporador es -20 °C y la del condensador 30°C. 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = −20°𝐶 → 𝑃 = 190,74 𝐾𝑃𝑎 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 = 30°𝐶 → 𝑃 = 1168,6 𝐾𝑃𝑎 ENTALPÍA: H1: 341.769 𝑘𝐽/𝑘𝑔 H2: 1300 𝑘𝐽/𝑘𝑔 H3: 1528 𝑘𝐽/𝑘𝑔

𝐶𝑂𝑃 =

𝐶𝑂𝑃 =

𝐻2 − 𝐻1 𝐻3 − 𝐻2

1437,23 𝑘𝐽/𝑘𝑔 − 341.769 𝑘𝐽/𝑘𝑔 1528 𝑘𝐽/𝑘𝑔 − 1437,23 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝐶𝑂𝑃 = 12,068

2.Sea un sistema de refrigeración de 10 toneladas de capacidad. La presión en el evaporador es 210 kPa y en el condensador 750 kPa; el líquido refrigerante utilizado es amoniaco (R -717) en condiciones de saturación. Calcular la potencia teórica requerida por el compresor.

𝑚̇ =

𝑚̇ =

𝑞 (𝐻2 − 𝐻1)

10 𝑡𝑜𝑛𝑠( 303852 kJ/24 h) (24ℎ)(3600𝑠/ℎ)(1476,69kJ/kg − 1439,94 kJ/kg) 𝑚̇ = 0,95 𝑘𝑔/𝑠 𝑞𝑤 = 𝑚̇(𝐻3 − 𝐻2) 𝑞𝑤 = 0,95 𝑘𝑔/𝑠(1528kJ/kg − 476,69kJ/kg) 𝑞𝑤 = 998,74 𝑘𝑊

3. Una cámara de conservación de alimentos requiere un sistema de refrigeración de 15 toneladas de capacidad, operando el evaporador a -8°C y el condensador a 30°C. La refrigeración es amoniaco (R – 717) operando en condiciones de saturación. En estas condiciones, calcular a) C.O.P (Coeficiente de rendimiento) b) Caudal de refrigerante c) Flujo de calor eliminado en el condensador

ENTALPIAS H1: 341.769 𝑘𝐽/𝑘𝑔 H2: 1420 𝑘𝐽/𝑘𝑔 H3: 1640 𝑘𝐽/𝑘𝑔

a) C.O.P 𝐶𝑂𝑃 =

𝐻2 − 𝐻1 𝐻3 − 𝐻2

1452.64 𝑘𝐽/𝑘𝑔 − 341.769 𝑘𝐽/𝑘𝑔 1640 𝑘𝐽/𝑘𝑔 − 1452.64 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝐶𝑂𝑃 = 5.9290 b) CAUDAL DEL REFRIGERANTE 𝐶𝑂𝑃 =

𝑚= 𝑚=

𝑞 𝐻2 − 𝐻1

(15 𝑡𝑜𝑛)( 303852 𝐾𝐽/ 𝑡𝑜𝑛) (24ℎ)(3600 𝑠/ℎ)(1452.64 𝑘𝐽/𝑘𝑔 − 341.769 𝑘𝐽/𝑘𝑔) 𝑚 = 0.047 𝑘𝑔/𝑠

c) FLUJO DE CALOR ELIMINADO EN EL CONDENSADOR 𝑞𝑐 = 𝑚(𝐻3 − 𝐻2 ) 𝑞𝑐 = (0.047 𝑘𝑔/𝑠)( 1640 𝑘𝐽/𝑘𝑔 − 1452.64 𝑘𝐽/𝑘𝑔) 𝑞𝑐 = 61.017 𝑘𝑊 4. Repetir el problema anterior si el refrigerante se subenfría 5°C antes de la valvula de expansión y el vapor se sobrecalienta 6°C. Tevap= - 8°C Tcond= 30°C Subenfriamiento= 5°C Sobrecalentamiento= 6°C

H1=310 kJ/kg H2=1479kJ/kg H3=1657 kJ/kg a. CAUDAL DEL REFRIGERANTE 𝑚= 𝑚=

𝑞 𝐻2 − 𝐻1

(15 𝑡𝑜𝑛)( 303852 𝐾𝐽/ 𝑡𝑜𝑛) 𝑘𝐽 (24ℎ)(3600 𝑠/ℎ)(1479 − 310 𝑘𝐽/𝑘𝑔) 𝑘𝑔 𝑚 = 0.045

𝑘𝑔 𝑠

b. C. O. P COEFICIENTE 𝐶𝑂𝑃 =

𝐶𝑂𝑃 =

𝐻2 − 𝐻1 𝐻3 − 𝐻2

1479 𝑘𝐽/𝑘𝑔 − 310 𝑘𝐽/𝑘𝑔 1657 𝑘𝐽/𝑘𝑔 − 1479 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝐶𝑂𝑃 = 6.56

c. FLUJO DE CALOR ELIMINADO 𝑞𝑐 = 𝑚(𝐻3 − 𝐻2 ) 𝑞𝑐 = (0.045 𝑘𝑔/𝑠)( 1657 𝑘𝐽/𝑘𝑔 − 1479𝑘𝐽/𝑘𝑔) 𝑞𝑐 = 8.01 𝑘𝑊

Diagrama presión-entalpia del amoniaco para obtención de valores

D

C B

D1

A

A1

5. Un sistema de refrigeración por compresión de vapor que utiliza amoniaco (R -717) como refrigerante opera a una temperatura de -5 °C en el evaporador y a 40°C en el condensador. Se desea conocer la influencia de un aumento de la temperatura del evaporador hasta 5°C manteniendo la temperatura en el condensador (40°C). Calcular, en porcentaje, los cambios en: a) el efecto refrigerante por kg de refrigerante circulando b) el C.O.R (coeficiente de rendimiento) c) el calor de compresión d) los requerimientos de potencia teórica e) el flujo de calor eliminado en el condensador, previsto a causa del aumento de la temperatura en el evaporador. Mediante el diagrama se obtiene lo siguiente

DATOS 𝐻1 = 390 𝐾𝐽/𝐾𝑔 𝐻2 = 1420 𝐾𝐽/𝐾𝑔 𝐻3 = 1660 𝐾𝐽/𝐾𝑔 𝐻1+1 = 410 𝐾𝐽/𝐾𝑔 𝐻3+1 = 1680 𝐾𝐽/𝐾𝑔 a) EL EFECTO REFRIGERANTE POR KG DE REFRIGERANTE CIRCULANDO • Ciclo normal 𝑞0 = 𝐻2 − 𝐻1 𝑞0 = •

( 1420 − 390)𝐾𝐽 = 1030𝐾𝐽/𝐾𝑔 𝐾𝑔

Ciclo con aumento en el condensador hasta 45°C 𝑞0 = 𝐻2 − 𝐻1+1 𝑞0 =

( 1420 − 410)𝐾𝐽 = 1010𝐾𝐽/𝐾𝑔 𝐾𝑔

Análisis: El cambio en el efecto del refrigerante por Kg de refrigerante circulando al aumentar la temperatura hasta 45°C en el condensador es de 3.53 %

b) EL C.O.R (COEFICIENTE DE RENDIMIENTO) • Ciclo Normal 𝐻2 − 𝐻1 𝐶. 𝑂. 𝑃 = 𝐻3 − 𝐻2 𝐶. 𝑂. 𝑃 =

•

( 1420 − 390)𝐾𝐽/𝐾𝑔 = 4.29 ( 1660 − 1420)𝐾𝐽/𝐾𝑔

Ciclo con aumento en el condensador hasta 45°C

𝐶. 𝑂. 𝑃 =

𝐶. 𝑂. 𝑃 =

𝐻2 − 𝐻1+1 𝐻3+1 − 𝐻2

( 1420 − 410)𝐾𝐽/𝐾𝑔 = 3.88 ( 1680 − 1420)𝐾𝐽/𝐾𝑔

Análisis: El cambio en el Coeficiente de rendimiento al aumentar la temperatura hasta 415°C en el condensador es de 11.25% c) EL CALOR DE COMPRESIÓN 𝑞=0 ∆𝑈 = 𝑞 + 𝑊 = ∆𝑈 = 𝑊 𝑫𝒐𝒏𝒅𝒆 𝑞 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 ∆𝑈 = 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 𝑊 = 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 La variación de energía interna coincide con el trabajo, por lo tanto: •

Ciclo normal 𝑊𝑐 = 𝐻3 − 𝐻1 𝑊𝑐 =

•

( 1660 − 390 )𝐾𝐽 = 1270 𝐾𝐽/𝐾𝑔 𝐾𝑔

Ciclo con aumento en el condensador hasta 45°C 𝑊𝑐 = 𝐻3 − 𝐻1

𝑊𝑐 =

( 1680 − 410 )𝐾𝐽 = 1270 𝐾𝐽/𝐾𝑔 𝐾𝑔

Análisis: El cambio en el calor de compresión al aumentar la temperatura hasta 45°C en el condensador es de 1.05% d) LOS REQUERIMIENTOS DE POTENCIA TEÓRICA • Ciclo normal 𝑁= 𝑁=

1 𝐶𝑂𝑃

1 1 = = 0.233 𝐶𝑂𝑃 4.29

•

Ciclo aumento en el condensador hasta 45°C 1 𝑁= = 0.257 3.88 e) EL FLUJO DE CALOR ELIMINADO EN EL CONDENSADOR, PREVISTO A CAUSA DEL AUMENTO DE LA TEMPERATURA EN EL EVAPORADOR 𝐾𝐽 852 𝑡𝑜𝑛 𝑚̇ = 𝑠 (1420 − 390)𝐾𝐽/𝐾𝑔 (24ℎ)(3600 1ℎ = 0.0341 Kg/s 𝑸𝒊𝒏𝒈𝒓𝒆𝒔𝒐 = 𝑸𝒔𝒂𝒍𝒆 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝑚̇ ∗ 𝐻2 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑒 = ( 0.0341 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑒 = 56.60

𝐾𝑔 16660𝐾𝐽 )( ) 𝑠 𝐾𝑔

𝐾𝐽 𝑠 = 56.60𝐾𝑊

6.-Un sistema de refrigeración por compresión de vapor que utiliza amoniaco (R-717) como refrigerante opera a una temperatura de -2 0 °C en el evaporador y a 30°C en el condensador. Se desea calcular la influencia de un aumento de la temperatura del condensador hasta 35°C. Calcular, en porcentaje, los cambios en: a) El efecto refrigerante por kg de refrigerante circulando, b) El C.O.R (coeficiente de rendimiento), c) El calor de compresión,

d) Los requerimientos de potencia teórica, e) El flujo de calor eliminado en el condensador, previsto a causa del aumento de la temperatura en el condensador.

Figura 1. Representacion de los puntos para identificación de las entalpias correspondientes a -20°C a 30°C

Datos obtenidos: Te= -20 °C TC= 30°C H1=HD=HE=337.116 KJ/Kg H2=HA=1436.1076 KJ/Kg H3=HB=1713.8344 KJ/Kg a) Temperatura -20°C

30°C

𝑞 = 1𝑇𝑜𝑛 ∗

303852𝐾𝐽 1ℎ ∗ ∗ 3600 𝑠𝑒𝑔 1 𝑇𝑜𝑛 24ℎ

𝑞 = 3.5768 𝐾𝐽/𝑠 𝐾𝐽 3.5168 𝑠 𝑞 𝑚= = 𝐾𝐽 𝐾𝐽 𝐻2 𝐻1 1436.1076 𝐾𝑔 − 337.116 𝐾𝑔 𝑚 = 0.0032

𝐾𝑔 𝑠

𝑞𝑒 = 𝑚(𝐻2 − 𝐻1 ) 𝑞𝑒 = 0,0032

𝐾𝑔 𝐾𝐽 𝐾𝐽 (1436.1076 ) − 337.116 𝑠 𝐾𝑔 𝐾𝑔 𝐾𝑔 𝑞𝑒 = 3,51 𝑠

b) EL C.O.R (COEFICIENTE DE RENDIMIENTO) 𝐻2 − 𝐻1 𝐶𝑂𝑅 = 𝐻3 − 𝐻2 𝐶𝑂𝑅 =

𝐾𝐽 𝐾𝐽 1436.1076 𝐾𝑔 − 337.116 𝐾𝑔 𝐾𝐽 𝐾𝐽 1713.8344 𝐾𝑔 − 1436.1076 𝐾𝑔 𝐶𝑂𝑅 = 3.9570

c) 𝒒 = 𝟎 ∆ ∪= 𝑞 + 𝑤 = ∆ ∪= 𝑤 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 q= calor ∆ ∪= 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 𝑤 = 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑤𝑐 = 𝐻3 − 𝐻1 𝑤𝑐 = 1713.8344

𝐾𝐽 𝐾𝐽 − 337.116 𝐾𝑔 𝐾𝑔

𝑤𝑐 = 1376.7184

𝐾𝐽 𝐾𝑔

d) Potencia 𝑞𝑤 = 𝑚 (𝐻3 − 𝐻2 )

𝑞𝑤 = 0,0032

𝐾𝑔 𝐾𝐽 𝐾𝐽 (1713.8344 ) − 1436.1076 𝑠 𝐾𝑠 𝐾𝑔 𝑞𝑤 = 0,88 𝐾𝑤

e) EL FLUJO DE CALOR ELIMINADO EN EL CONDENSADOR, PREVISTO A CAUSA DEL AUMENTO DE LA TEMPERATURA EN EL CONDENSADOR. 𝑞𝑐 = 𝑚 (𝐻3 − 𝐻1 ) 𝑞𝑐 = 0.0032

𝐾𝑔 𝐾𝐽 𝐾𝐽 (1713,8344 − 337,116 ) 𝑠 𝐾𝑔 𝐾𝑔 𝑞𝑐 = 4,4054

Figura 1. Representacion de los puntos para identificación de las entalpias correspondientes a -20°C a 30°C Datos: Te= -20 °C TC= 35°C H1=HD=HE=362.1167 KJ/Kg H2=HA=1436.2924 KJ/Kg H3=HB=1723.4265 KJ/Kg a) Temperatura -20°C a 35°C 𝑞 = 1𝑇𝑜𝑛 ∗

303852 𝐾𝐽 1ℎ ∗ ∗ 3600 𝑠𝑒𝑔 1 𝑇𝑜𝑛 24ℎ

𝑞 = 3,5168

𝐾𝐽 𝑠

𝐾𝐽 3.5168 𝑠 𝑞 𝑚= = 𝐻2 − 𝐻1 (1436.2924 − 362.1167 𝐾𝐽 ) 𝐾𝑔 𝑚 = 0,0032

𝐾𝐽 𝑠

𝑞𝑒 = 𝑚(𝐻2 − 𝐻1 ) 𝑞𝑒 = 0.0032

𝐾𝐽 𝐾𝐽 𝐾𝐽 (1436.2924 ) − 362.1167 𝑠 𝐾𝑔 𝐾𝑔 𝑞𝑒 = 3,43

b) 𝐶𝑂𝑅 =

𝑘𝑔 𝑠

𝐻2 − 𝐻1 𝐻3 −𝐻2

𝐶𝑂𝑅 =

𝐾𝐽 𝐾𝐽 1436.2924 𝐾𝑔 − 362.1167 𝐾𝑔 𝐾𝐽 𝐾𝐽 1723.4265 𝐾𝑔 − 1436.2924 𝐾𝑔 𝐶𝑂𝑅 = 3,74

c) 𝒒 = 𝟎 ∆ ∪= 𝑞 + 𝑤 = ∆ ∪= 𝑤 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑞 = 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 ∆ ∪= 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 𝑤 = 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑤𝑐 = 𝐻3 − 𝐻1 𝐾𝐽 𝑤𝑐 = 1723.4265 − 362.1167 𝐾𝐽/𝐾𝑔 𝐾𝑔 𝐾𝐽 𝑤𝑐 = 1361.3098 𝐾𝑔 d) Potencia 𝑞𝑤 = 𝑚 (𝐻3 − 𝐻2 ) 𝐾𝐽 𝐾𝐽 𝑞𝑤 = 0,0032 (1723.4265 − 1436.2924) 𝑠 𝐾𝑔 𝑞𝑤 = 0,9188 𝐾𝑤 e) 𝒒𝒄 = 𝒎 (𝑯𝟑 − 𝑯𝟏 ) 𝑞𝑐 = 0.0032

𝐾𝐽 𝐾𝐽 (1723,4265 − 362.1167) 𝑠 𝐾𝑔

𝑞𝑐 = 4,356

𝐾𝐽 𝐾𝑔

Tabla 1. Comparación entre las temperaturas de 30 a 35°C Temperatura -20°C a 30°C -20 a 35°C

qe 𝐾𝑔 𝑠 𝐾𝑔 3,51 𝑠 3,51

COP 3.95 = 4 3.74

wc

qw 0,88 Kw

𝐾𝐽 𝐾𝑔 𝐾𝐽 0,91 Kw 1361.3098 𝐾𝑔 1376,7184

qc 𝐾𝐽 𝐾𝑔 𝐾𝐽 4,356 𝐾𝑔 4,405

Análisis de resultados: a) Según la tabla expuesta se puede decir que la diferencia en el cambio del efecto del refrigerante por kg al aumentar la temperatura se mantiene estable b) El cambio en el COP al aumentar la temperatura hasta los 35°C en el condensador es de 10.93% c) El cambio en el calor de compresión al aumentar la temperatura hasta 35°C en el condensador es de 2,25% d) el cambio en la potencia al aumentar la temperatura hasta 35°C es de 6,7% e) El flujo de calor eliminado en el condensador, previsto a causa del aumento de la temperatura en el condensador es de 2,24% CONCLUSION • El coeficiente de rendimiento en un ciclo de refrigeración es importante desde el punto de vista económico ya que un ciclo de refrigeración eficiente es el que elimina la mayor cantidad de calor si el COP excede de 1 es un rendimiento deficiente por que el ciclo en lugar de convertir el trabajo en calor, este bombea calor adicional desde una fuente de calor hacia donde se requiere calor. •

Se identificó las entalpias y los cambios de temperatura con respecto a los diferentes procesos argumentando que los porcentajes de diferencia entre las temperaturas con respecto a las potencias; cop; calor de comprensión flujo másico y el efecto refrigerante tuvo una variación mínima debido a la estabilidad del refrigerante y el tipo que se está utilizando además de su eficiencia para los diferentes procesos.