Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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CAPÍTULO 11
sistema de este tipo que usa refrigerante 134a como su fluido
refrigerante y opera el evaporador a 10.1 °C, y el condensador
a 800 kPa. Determine el COP del sistema cuando el
intercambiador de calor da un subenfriamiento de 11.3 °C
a la entrada de la válvula de estrangulación. Suponga que el
refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y que
el compresor es isentrópico. Respuesta: 5.23
11-130 Repita el problema 11-129 si el intercambiador de
calor da 21.3 °C de subenfriamiento.
11-131 Un sistema ideal de refrigeración de gas con tres etapas
de compresión con interenfriamiento opera con aire que
entra al primer compresor a 50 kPa y 30 °C. Cada compresor
de este sistema tiene una relación de presiones de 7, y la
temperatura del aire a la salida de todos los interenfriadores es
de 15 °C. Calcule el COP de este sistema. Use calores específicos
constantes a temperatura ambiente.
Q˙ H, 1
Q˙ H, 2
Q˙
H, 3
2 3 4 5 6 7
1
FIGURA P11-131
Q˙
L
8
W˙
entrada
11-132 El tubo de remolino (llamado también tubo de Ranque
o de Hirsch) es un dispositivo que produce un efecto de refrigeración
al expandir gas, por ejemplo aire, presionado, en un tubo
(en vez de una turbina como en el ciclo Brayton in-vertido). Lo
inventó y lo patentó Ranque en 1931, y lo mejoró Hirsch en
1945, y está disponible comercialmente en varios tamaños.
El tubo de remolino es simplemente un tubo circular recto
provisto de una tobera, como se muestra en la figura. El aire
comprimido a la temperatura T 1 y la presión P 1 se acelera en
la tobera expandiéndolo casi a la presión atmosférica, y se
introduce tangencialmente en el tubo a una velocidad muy
alta (típicamente supersónica), para producir un movimiento
de remolino (vórtice) dentro del tubo. El gas con este movimiento
giratorio se deja salir por el tubo de diámetro mayor
que se extiende hacia la derecha, y el flujo másico se controla
mediante una válvula colocada aproximadamente a 30
diámetros corriente abajo. Una cantidad más pequeña de aire
en la región central se deja escapar hacia la izquierda por una
pequeña abertura en el centro. Se observa que el gas que está
en la región central y escapa por la abertura central está frío,
mientras que el gas que está en la región periférica y escapa
por el tubo de diámetro mayor está caliente. Si la temperatura y
el flujo másico del aire frío son T f y ṁ f , respectivamente, la tasa
de refrigeración en el tubo de remolino se puede expresar como
Q˙ refrig., tubo remolino = m˙ ( h − h ) = m˙ c ( T −T
)
f 1 f f p 1 f
donde c p es el calor específico del gas y T 1 T f es la caída
de temperatura del gas en el tubo de remolino (el efecto de
enfriamiento). Se obtienen caídas de temperatura tan altas
como 60 °C (o 108 °F) a altas relaciones de presiones de alrededor
de 10. El coeficiente de desempeño de un tubo de remolino
se puede definir como la relación de la tasa de refrigeración
como se indica antes, con respecto a la potencia utilizada
para comprimir el gas. Va de alrededor de 0.1 a 0.15, que está
claramente inferior a los COP de los refrigeradores ordinarios
por compresión de vapor.
Este interesante fenómeno se puede explicar como sigue:
La fuerza centrífuga crea un gradiente de presión radial en el
vórtice, y así el gas en la periferia se presuriza y se calienta
por el gas que está en la región central, que, como resultado,
se enfría. Asimismo, la energía se transfiere de las capas
internas hacia las externas cuando éstas desaceleran las
capas internas debido a la viscosidad del fluido que tiende
a producir un vórtice bien definido. Estos dos efectos hacen
que la energía y, por lo tanto, la temperatura del gas en la
región central, decline. La conservación de la energía exige
que la energía del fluido en las capas externas aumente en
una cantidad equivalente.
El tubo de remolino no tiene partes móviles, y por lo
tanto es inherentemente confiable y durable. La fácil disponibilidad
de aire comprimido a presiones hasta de 10 atm en
la mayoría de instalaciones industriales hace que el tubo de
remolino resulte especialmente atractivo en tales instalaciones.
A pesar de su baja eficiencia, el tubo de remolino ha
encontrado aplicación en operaciones de enfriamiento localizado
de pequeña escala, como el enfriamiento de piezas soldadas
o componentes electrónicos críticos, enfriamiento de
agua de beber y el enfriamiento de ropas de trabajadores en
entornos calientes.
Considere un tubo de remolino que recibe aire comprimido
a 500 kPa y 300 K y suministra 25 por ciento de éste
como aire frío a 100 kPa y 278 K. El aire ambiente está a
300 K y 100 kPa, y el compresor tiene una eficiencia isentrópica
de 80 por ciento. El aire sufre una caída de presión
de 35 kPa en el posenfriador y las líneas de aire comprimido
entre el compresor y el tubo de remolino.
a) Sin realizar ningún cálculo, explique cómo se compararía
el COP del tubo de remolino con el COP de un sistema
real de refrigeración de aire basado en el ciclo Brayton
invertido para la misma relación de presiones. También
compare las temperaturas mínimas que se pueden obtener
por los dos sistemas para la misma temperatura y la misma
presión de entrada.
b) Suponiendo que el tubo de remolino es adiabático, y
usando calores específicos a temperatura ambiente, determine
la temperatura de salida del flujo de aire caliente.
c) Demuestre, con cálculos, que este proceso no viola la
segunda ley de la termodinámica.
d) Determine el coeficiente de desempeño de este sistema de
refrigeración y compárelo con el COP de un refrigerador
de Carnot.