Este documento presenta cuatro ejercicios relacionados con ciclos termodinámicos de refrigeración. El primer ejercicio describe un ciclo simple ideal y pide determinar la calidad del refrigerante, el coeficiente de funcionamiento y la potencia del compresor. El segundo ejercicio describe un ciclo simple real y pide determinar tasas de remoción de calor, potencia del compresor y coeficiente de funcionamiento. El tercer ejercicio describe un ciclo de refrigeración en cascada de dos etapas e identifica variables a determinar. El cuart

2. 1. Ciclo simple ideal:
Considere un sistema de refrigeración de capacidad 300 Kj/min que opera en un
ciclo ideal con R-134ª. El refrigerante entra al compresor a 140 Kpa y se comprime
hasta 800 Kpa. Determine:
a. Calidad del refrigerante al final del proceso de estrangulamiento
b. Coeficiente de funcionamiento
c. Potencia del compresor
Suposiciones: Existen condiciones estables de operación y los cambios en la energía
cinética y potencial son despreciables.
El esquema y diagrama (T-s y P-h) para un ciclo simple ideal por compresión de vapor
es el siguiente:

3. Solución:
Datos:
Q l = 300Kj/min
&
Fluido de trabajo: R-134ª
P1=P4= 140 Kpa
P2=P3= 800 Kpa
Determine:
a) X4=?
b) COP=?
c) WComp. = ?
&
a) Valiéndonos del proceso isoentálpico en la válvula, se sabe que:
h3 = h4 = h f 4 + X 4 .hfg 4
Despejamos la calidad:
h3 − hf 4 (93.42 − 25.77 )Kj / Kg
X4 = = = 0.3217
hfg 4 210.27 Kj / Kg
Donde, las entalpías se buscan en la tabla de R-134ª saturado con la presión
correspondiente en cada punto:
h3=hf = entalpía del líquido saturado a 800 Kpa = 93.42 Kj/Kg
hf4= entalpía del líquido saturado a 140 Kpa= 25.77 Kj/Kg
hfg4= entalpía de vaporización= hg-hf= 210.27Kj/Kg
h1 − h4
b) COPREF = (A)
h2 − h1
Buscamos h1 por tabla, sería en este caso la entalpía de un vapor saturado (hg) a
0.14Mpa, obtenemos un valor de 236.04Kj/Kg. Para ahorrar tiempo buscamos también
la entropía del vapor en el mismo punto 1, es decir: S1 = Sg = 0.9322Kj/Kg.ºK
Ahora solo falta buscar la entalpía del vapor sobrecalentado, en este caso se necesitan
dos propiedades intensivas, como el ejercicio solo suministra la presión, nos valemos de
la entropía también para poder ubicar esta entalpía en la tabla.
Así pues: S2 = S1= Sg= 0.9322Kj/Kg.ºK y la presión en este punto es P2= 0.8Mpa
Ahora para ubicar la entalpía es necesario interpolar:
h (Kj/Kg) s (Kj/Kg.ºK)
264.15 0.9066
x 0.9322
273.66 0.9374
El procedimiento para interpolar es el siguiente:
264.15 − x 0.9066 − 0.9322
=
264.15 − 273.66 0.9066 − 0.9374

4. Por despeje simple, se tiene que:
x= h2=272.05Kj/Kg
Sustituyendo en la ec (A):
COP= 3.9605
c) WComp.. = m (h2 − h1 )
& &
Sea:
Qevap. = m (h1 − h4 )
& &
Despejamos el flujo másico:
&
QEvap. 300 Kj / min
m=
& = = 2.103Kg / min
h1 − h3 (236.04 − 93.42 )Kj / Kg
Finalmente, determinamos la potencia del compresor:
WComp.. = 2.103Kg / min (272.05 − 236.04) Kj / Kg = 75.74 Kj / min )
&
2.- Ciclo simple Real
Al compresor de un refrigerador entra refrigerante 134ª como vapor sobrecalentado a
0.14 Mpa y -10ºC a una tasa de 0.05 Kg/seg y sale a 0.8Mpa y 50ºC. El refrigerante se
enfría en el condensador a 26ºC y 0.72 Mpa y se estrangula a 0.15Mpa. Descarte toda
transferencia de calor y caída de presión en las líneas de conexión entre los
componentes,
y determine:
a) Tasa de remoción de calor del espacio refrigerado
b) Entrada de potencia al compresor
c) Eficiencia isoentrópica del compresor
d) Coeficiente de funcionamiento del refrigerador
Las entalpías del refrigerante en varios estados se determinan a partir de las tablas de la
siguiente manera:
P1= 0.14Mpa h1= 243.40Kj/Kg
T1= -10ºC
P2= 0.8Mpa h2= 284.39Kj/Kg
T2= 50ºC
P3= 0.72Mpa h3= hf a 26ºC = 85.75Kj/Kg = h4
T3= 26ºC
a) La tasa de remoción de calor del espacio refrigerado es:
Qevap. = m (h1 − h4 ) = 0.05 Kg / s.(243.40 − 85.75) Kj / Kg = 7.88 Kw
& &

5. h2i − h1
b) η =
h2 r − h1
Donde, la entalpía 2 ideal (h2i) se busca asumiendo que el proceso es isoentrópico.
Entramos a la tabla de vapor sobrecalentado a:
P2= 0.14Mpa h2i= 281.05Kj/Kg
s2i=s1=0.9606Kj/Kg.ºK
Sustituyendo:
281.5 − 243.40
η= = 0.919
284.39 − 243.40
c) El coeficiente de funcionamiento del refrigerador es:
7.88Kw
COPREF = = 3.84
2.05Kw
3.- Ciclo de Refrigeración en cascada de dos etapas:
Considere un sistema de refrigeración en cascada de dos etapas que opera entre los
límites de presión de 0.8 y 0.14Mpa. Cada etapa opera en un ciclo ideal de refrigeración
por compresión de vapor con R-134ª como fluido de trabajo. El rechazo de calor en el
ciclo inferior al ciclo superior sucede en un intercambiador de calor a contraflujo
adiabático, donde ambas corrientes entran aproximadamente a 0.32 Mpa. Si la tasa de
flujo másico de refrigerante en el ciclo superior es de 0.05Kg/seg, determine:
a) Tasa de flujo másico del refrigerante en el ciclo inferior
b) Tasa de eliminación de calor del espacio refrigerado
c) Entrada de potencia a l compresor
d) Coeficiente de operación
Suposiciones: Sistema de flujo estable. Energía cinética y potencial nula.
Intercambiador de calor Adiabático
El esquema y diagrama para este tipo de ciclo es:
a) Aplicamos el balance de energía en el intercambiador de calor para determinar el
flujo másico en el ciclo inferior:
∑ ment hent = ∑ msal hsal
& &

6. h2 mB + h8m A = h3mB + h5 mA
& & & &
(0.05Kg / seg )(248.66 − 93.42)Kj / Kg = mB (252.71 − 53.31) Kj / Kg ) = 0.039 Kg / s
&
b) Qevap. = mB (h1 − h4 ) = 0.039 Kg / s.(236.04 − 53.31) Kj / Kg = 7.13Kw
& &
c) WComp.. = WcompI . + WComp.. II = m A (h6 − h5 ) + mB (h2 − h1 )
& & & & &
WComp.. = 0.05 Kg / seg (267.58 − 248.66 )Kj / Kg + 0.039 Kg / seg (252.71 − 236.04 )Kj / Kg = 1.60 Kw
&
e) CDF= 7.13Kw/1.60Kw= 4.46
4.- Ciclo de Refrigeración con Doble etapa de compresión
Considere un sistema de Refrigeración ideal que utiliza R-12; del condensador sale
líquido saturado a 40ºC y se regula hasta -20ºC. A esta temperatura, el liquido y el
vapor se separan, y el líquido se regula a la temperatura de evaporación que es -40ºC. El
vapor que sale del evaporador se comprime hasta que alcanza -20ºC, después de lo cual
se mezcla con el vapor que sale de la cámara de vaporización instantánea. El vapor que
sale de la cámara de mezclado se comprime en la segunda etapa de compresión hasta
alcanzar la presión de saturación correspondiente a la temperatura de salida del
condensador. Se requiere que se extraiga el calor a una rapidez de 3 Toneladas. Se pide:
a) Potencia Neta
b) Rapidez de desprendimiento de calor
c) Demuestre si el sistema es funcional
1 9
2 3
8
7
4
5 6
Punto Temp(ºC) Presión(bar) Entalpía (Kj/Kg) Entropía(Kj/Kg.ºK) Estado
1 40 9.6065 74.59 L.Saturado
2 -20 1.5093 74.59 Mezcla
3 -20 1.5093 178.74 V.Saturado
4 -20 1.5093 17.82 L.Saturado
5 -40 0.6417 17.82 Mezcla
6 -40 0.6417 169.59 0.7274 V.Saturado
7 -20 1.5093 182.96 0.7274 V.Sobrecalent
8 1.5093 181.47 0.7225 V.Sobrecalent
9 9.6065 216.5 0.7225 V.Sobrecalent

7. Solución:
a) Potencia Neta: Se obtiene al sumar la potencia de cada compresor, para ello es
necesario buscar los flujos másicos de cada uno, y multiplicar por el trabajo
requerido.
WComp.. = WcompA. + WcompB = m A (h9 − h8 ) + m B (h7 − h6 )
& & & & & (A)
m A = m8 = m9 = m1 = m2
& & & & &
m B = m 4 = m5 = m 6 = m 7
& & & & &
&
Determino primero el mB ya que tengo la capacidad del equipo, así pues:
Qevap. = 3Toneladas = 37800 Kj / hr = 10.5 Kj / seg
&
Qevap. = m B (h6 − h5 )
& &
Despejamos el flujo másico:
&
Qevap. 10.5 Kj / seg 10.5 Kj / seg
mB =
& = = = 0.0691Kg / seg
ql (h6 − h5 ) (169.59 − 17.82)Kj / Kg
Ahora determinó el flujo másico total:
Sea
&
mB
(1 − X ) =
&
mT
Despejo el flujo másico total
&
mB
mT =
&
(1 − X )
h1 − hf 2 74.59 − 17.82
X= = = 0.3527
hfg 2 160.92
Sustituyendo nos queda:
0.069 Kg / seg
mT =
& = 0.1065 Kg / seg
(1 − 0.3527)
Sustituyendo en (A):
WComp.. = 0.1065 Kg / seg (216.5 − 181.47 )Kj / Kg + 0.0691Kg / seg (182.96 − 169.59) Kj / Kg )
&
WComp.. = 4.65 Kj / seg
&

8. b) Rapidez de desprendimiento de calor
QH . = mT (h9 − h1 ) = 0.1065Kg / s.(216.5 − 74.59) Kj / Kg = 15.11Kj / seg
& &
c) COP=?
10.5 Kj / seg
COPREF = = 2.25
4.65Kj / seg
R) Si es funcional debido a que el COP es mayor que la unidad, lo que nos demuestra
que se aprovecha más de lo que se invierte.

10. Ejercicios Propuestos
1.- Ahora intenta resolver tú este ejercicio donde se varía el flujo másico con respecto al
ejercicio 3 resuelto anteriormente, para ver qué sucede con respecto al coeficiente de
funcionamiento del equipo y de acuerdo a esto emite una conclusión al respecto:
Refrigeración en Cascada de 2 etapas:
Considere un Sistema que opera entre los límites de presión: 0.8 y 0.14 Mpa. Cada
etapa opera en un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor con R-134a
como fluido de trabajo. El rechazo de calor del ciclo inferior al ciclo superior sucede en
un intercambiador de calor a contraflujo adiabático, donde ambas corrientes entran
aproximadamente a 0.32Mpa. Si la tasa de flujo másico del refrigerante en el ciclo
superior es de 0.25Kg/s; determine:
a) La tasa de flujo másico en el ciclo inferior
b) La tasa de eliminación de calor del espacio refrigerado
2.- Al compresor de un refrigerante entra refrigerante 134ª como vapor sobrecalentado
a 0.14 Mpa y -10ºC a una tasa de 0.12 Kg/seg, y sale a 0.7Mpa y 50ºC. El refrigerante
se enfría en el condensador hasta 24ºC y 0.65Mpa, y se estrangula hasta 0.15Mpa.
Ignore toda transferencia de calor y caídas de presión en la líneas de conexión entre los
componentes, y muestre el ciclo en un diagrama T-s respecto de las líneas de saturación
y determine:
a) Tasa de remoción de calor del espacio refrigerado. Rta (19.3Kw)
b) Entrada de potencia al compresor. Rta (5.15Kw)
c) Eficiencia isoentrópica al compresor. Rta (80.7%)
d) Coeficiente de funcionamiento. Rta (3.75)
3.- Al compresor de un refrigerador entra R-134ª a 140Kpa y -10ºC y a una tasa de
0.3m3/min, y sale a 1 Mpa. La eficiencia isoentropica del compresor es de 78%. El
refrigerante entra a la válvula de estrangulamiento a 0.95 Mpa y 30ºC y sale del
evaporador como vapor saturado a -18.5ºC. Muestre el ciclo en un diagrama T-s y
determine:
a) Entrada de potencia al compresor
b) Tasa de remoción de calor del espacio refrigerado
c) Caída de presión y la tasa de ganancia de calor entre en la línea entre el
evaporador y el compresor
4.- En un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor, el refrigerante 12 sale del
evaporador a 0ºF con una entalpía de 77.550Btu/Lb y una entropía de
0.17222Btu/Lb.ºR. Las presiones en el evaporador y en el condensador son 20 y 180
Psia, respectivamente. El fluido que entra en el condensador está a 200ºF y al salir se
halla a 120ºF. La capacidad de refrigeración es 10 toneladas. Determine:
a) Gasto másico en Lb/min
b) Potencia de compresión en hp
c) Eficiencia adiabática de compresión
d) COP

11. 5.- Un sistema de refrigeración en cascada emplea refrigerante 13 en el extremo de
temperatura baja del y refrigerante 12 en el ciclo de temperatura mayor. El ciclo con el
refrigerante 13 opera entre 58.2 y 240Psia. Las entalpias del vapor saturado que sale del
evaporador a -60ºF, del vapor sobrecalentado que sale 48ºF del compresor
isoentrópico y del liquido saturado que entra a 20ºF en el dispositivo de
estrangulamiento valen: 52.39, 62.50 y 15.44 Btu/Lb, respectivamente. El ciclo ideal
con el refrigerante 12 opera entre 20 y 160 psia. La capacidad de refrigeración del
evaporador de temperatura baja es de 4 toneladas. Determine:
a) Gastos másicos en los dos ciclos
b) Potencia neta
c) COP
6.- Un sistema de refrigeración de dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo
funciona con refrigerante 12 y tiene presiones 30, 60 y 140 psia en el evaporador, en la
cámara separadora y en el condensador, respectivamente. Suponga que la compresión es
isoentrópica, que el estrangulamiento es isoentálpico y que, aparte de estas, no hay
ninguna otra pérdida. Si la capacidad de refrigeración es 5 toneladas, determine:
a) Gasto másico del evaporador
b) La potencia del compresor de presión de baja
c) Gasto másico que sale de la cámara separadora y entra a la cámara de mezclado
d) Potencia del compresor de baja
e) COP