Question

En un sistema de enfriamiento (evaporador y condensador) instalado en una línea de producción en una empresa se almacenan 4 kg de refrigerante 134a en un recipiente de 80 L, a una presión de 160 kPa. Utilice las tablas de propiedades de estado para determinar:
la temperatura
la calidad
la entalpía del refrigerante
el volumen que ocupa la fase de gas
Si el mismo refrigerante se utiliza para enfriar un gas desconocido de un sistema Termodinámico adyacente de cilindro embolo calcule:
La temperatura final que presentará el gas desconocido a una presión final de 2 atm si la temperatura y presión inicial son de 127 o y de 5 atm respectivamente.
¿Qué tipo de trasferencia de calor ocurre en los serpentines de refrigeración del sistema de enfriamiento?

Answer 1

El refrigerante está a una temperatura de -16°C, con una calidad de 0,155, su entalpía de evaporación es de $210,18\frac{kJ}{kg}$. En las condiciones planteadas el gas desconocido enfriado terminaría a una temperatura de -113°C, lo cual nos dice que las condiciones finales son imposibles.

Explicación:

Los datos sobre la temperatura, la calidad y la entalpía del refrigerante los encontramos en las tablas del refrigerante 134A. De acuerdo a la tabla consultada, el conjunto de valores más aproximado a la situación bajo estudio es de una temperatura de -16°C para una presión de 157,38kPa.

Viendo esa misma fila, el volumen específico de la fase vapor es de 0,12542 metro cúbico por kg y el volumen específico de la fase líquida es de 0,000743 metro cúbico por kg. Por lo que la masa de gas en el tanque es:

$0,12542\frac{m^3}{kg}m_g+0,000743\frac{m^3}{kg}m_l=0,08m^3\\m_l+m_g=4kg=>m_l=4kg-m_g\\\\0,12542\frac{m^3}{kg}m_g+0,000743\frac{m^3}{kg}(4kg-m_g)=0,08m^3\\\\m_g=0,618kg$

Por lo que la calidad del refrigerante es:

$x=\frac{m_g}{m}=\frac{0,618kg}{4kg}=0,155$

Y el volumen que ocupa la fase de gas es:

$V_g=V_e.m_g=0,12542\frac{m^3}{kg}.0,618kg=0,0775m^3=77,5L$

Viendo la misma línea de la tabla tenemos una entalpía de evaporación de $210,18\frac{kJ}{kg}$, que es la que necesitamos si el sistema es de evaporador y condensador.

Ahora, si usamos ese refrigerante para enfriar un gas vamos a suponer que el refrigerante solo disminuye la energía interna del gas, por lo que el proceso es una isocora, planteando la ley de los gases ideales (sabiendo que 127°C equivalen a una temperatura absoluta de 400K) queda:

$V=\frac{nRT}{P}\\\\\frac{nRT_1}{P_1}=\frac{nRT_2}{P_2}\\\\\frac{T_1}{P_1}=\frac{T_2}{P_2}\\\\T_2=T_1\frac{P_2}{P_1}=400K\frac{2atm}{5atm}\\\\T_2=160K=-113\°C$

Esta condición constituye en principio un absurdo ya que el gas nunca puede alcanzar una temperatura menor a la del refrigerante. Se concluye que la situación final del gas es una condición imposible si solo actúa el sistema de enfriamiento bajo estudio.

El refrigerante absorve calor del gas mediante un proceso de conducción térmica.