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Technical Papers28th Annual Meeting
International Institute of Ammonia Refrigeration
March 19–22, 2006
2006 Ammonia Refrigeration Conference & ExhibitionReno Hilton Resort and Casino
Reno, Nevada
ACKNOWLEDGEMENT
The success of the 28th Annual Meeting of the International Institute of AmmoniaRefrigeration is due to the quality of the technical papers in this volume and thelabor of its authors. IIAR expresses its deep appreciation to the authors, reviewers,and editors for their contributions to the ammonia refrigeration industry.
Board of Directors, International Institute of Ammonia Refrigeration
ABOUT THIS VOLUME
IIAR Technical Papers are subjected to rigorous technical peer review.
The views expressed in the papers in this volume are those of the authors, not theInternational Institute of Ammonia Refrigeration. They are not official positions ofthe Institute and are not officially endorsed.
EDITORSM. Kent Anderson, President
Chris Combs, Project CoordinatorGene Troy, P.E., Technical Director
International Institute of Ammonia Refrigeration1110 North Glebe Road
Suite 250Arlington, VA 22201
+ 1-703-312-4200 (voice)+ 1-703-312-0065 (fax)
www.iiar.org
2006 Ammonia Refrigeration Conference & ExhibitionReno Hilton Resort and Casino
Reno, Nevada
© IIAR 2006 389
Resumen
Los sistemas en cascada amoníaco-CO2 presentan una buena alternativa tanto en la parte técnicacomo en la parte económica para las aplicaciones de bajas temperaturas en los sistemas de dosetapas de compresión. El presente trabajo tiene como objetivo realizar un análisis termodinámico enun sistema en cascada utilizando el refrigerante CO2 como la primera etapa y el amoníaco como elrefrigerante de la segunda etapa para una aplicación de un sistema de congelación rápida,comparándolo con un sistema tradicional de dos etapas de compresión utilizando amoníaco comorefrigerante. La finalidad es presentar una alternativa confiable para el diseño de sistemas decongelación rápida y la difusión de este tipo de sistemas en cascada para una mejora en la seleccióndel sistema a utilizar en la industria alimenticia.
2006 IIAR Ammonia Refrigeration Conference & Exhibition, Reno, Nevada
Trabajo técnico #1
Los sistemas en cascada amoníaco-CO2, desde un análisis termodinámico y sus
aplicaciones en la refrigeración industrial
Juan Manuel Quintanar QuintanarA. Blasquez E. Refrigeración Industrial, S.A. de C.V.
México D.F.
Trabajo técnico #1 © IIAR 2006 391
Cuadro Metodológico
Los sistemas en cascada amoníaco-CO2, desde un análisis termodinámico y sus aplicaciones en la refrigeración industrial – Juan Manuel Quintanar Quintanar
392 © IIAR 2006 Trabajo técnico #1
Introducción
El uso del dióxido de carbono (CO2, R744) en sistemas de refrigeración no es nuevo,
en 1850 Alexander Twinnig propuso y patentó el uso del CO2 como refrigerante en
Inglaterra. El CO2 está en los grupos de los refrigerantes “naturales” como el
amoníaco, hidrocarburos (propano y butano) y el agua. Todos estos refrigerantes
tienen desventajas; la toxicidad del amoníaco, la flamabilidad de los hidrocarburos
y el rango de uso del agua solo hasta 32°F (0°C) que limita su aplicación.
En la refrigeración industrial a nivel mundial una de las aplicaciones más
importantes en la industria alimentaría es la congelación y un factor importante
son los tiempos de congelación a los que son sometidos los productos, por lo que
un método de generación de frió más utilizado es la compresión mecánica la cual
utiliza principalmente amoníaco como refrigerante debido a sus propiedades
termodinámicas. Sin embargo, existe una alternativa que ha sido estudiada desde
algún tiempo atrás; es el uso de otro refrigerante que por generar una ventaja en
su uso a bajas temperaturas es factible, este es el CO2.
Propiedades de CO2
Dióxido de carbono (CO2) como un refrigerante (R-744)
Las reglas del Protocolo de Montreal han ido adelante para reducir
clorofluorocarbonados (CFC’s) como refrigerantes en países industrializados, debido
al daño en la capa de ozono por dichos gases. Además, hydroclorofluorocarbonados
(HCFCs) son solamente una solución interina en países industrializados hasta el año
2020 y ciertas reglas nacionales internas en dichos países prescriben una fecha de
retirada progresiva más temprana (por ejemplo, al final del año 1999 para R22 en
Alemania).
2006 IIAR Ammonia Refrigeration Conference & Exhibition, Reno, Nevada
Trabajo técnico #1 © IIAR 2006 393
Otra desventaja ambiental respecto a estos refrigerantes es su comportamiento como
el efecto invernadero, gases en la atmósfera y éste también solicita sustitutos de CFC
y HCFC, los hidrofluorocarbonados recién creados (HFCs). Para esta razón, estos
nuevos refrigerantes son puestos en una canasta con cinco otros gases cubiertos por
el protocolo de Kioto sobre el efecto invernadero.
Esta situación ha llevado al uso de aumento de los refrigerantes “viejos” amoníaco e
hidrocarburos. Aunque ambos son con respecto al medio ambiente benigno, pueden
presentar un cierto grado de peligro local debido a su inflamabilidad y/o toxicidad.
Por lo tanto, dióxido de carbono (CO2), un refrigerante “viejo” usado en la
refrigeración industrial y marítima, fue propuesto para ser usado como un
refrigerante alternativo, principalmente debido a su no flamabilidad.
Como muestra la tabla 1, CFCs y HCFCs, amoníaco, los hidrocarburos y CO2 tienen
un potencial (ODP) de reducción de ozono del cero y un potencial de calentamiento
del planeta insignificante (GWP). En cuanto a HFCs, su ODP es cero y su GWP se
extiende unos cientos. El NH3 es inflamable a concentraciones elevadas.
Con respecto de los refrigerantes “viejos”, solamente CO2 puede competir con los
HFC’s ininflamables. Si CO2 ejerce un impacto en conjunto muy importante sobre el
calentamiento del planeta (de la orden de 63% del efecto combinado de todos gases
que tienen el efecto invernadero) son debidos a las grandes cantidades emitidas por
muchas aplicaciones industriales. Sin embargo, contrario a HFCs, su GWP es
insignificante cuando al CO2 lo aplican como un refrigerante.
Como muestra la figura 1 las fases de dióxido de carbono (R-744) y la tabla 2,
vemos las condiciones para el punto crítico y el triple punto donde encontramos las
tres fases del refrigerante, condición crítica y limitante para el dimensionamiento de
las condiciones de operación del sistema.
Los sistemas en cascada amoníaco-CO2, desde un análisis termodinámico y sus aplicaciones en la refrigeración industrial – Juan Manuel Quintanar Quintanar
394 © IIAR 2006 Trabajo técnico #1
El CO2 es comúnmente usado en sistemas híbridos o en sistemas en cascada en la
refrigeración industrial, por que sus presiones pueden ser una limitante para la
disponibilidad de los componentes del sistema.
En la figura 2, observamos el diagrama de presión - entalpía para el CO2 donde
podemos encontrar las presiones y condiciones críticas del refrigerante así como el
amplio rango de operación para un sistema de refrigeración.
Los sistemas en cascada pueden ser diseñados para diferentes aplicaciones,
expansión directa, sistemas recirculados o como sistemas secundarios.
Una de las características que distinguen a estas aplicaciones es la utilización del
sistema de producción de frío por compresión mecánica, a través del uso extensivo
de amoníaco como refrigerante en la etapa alta y al CO2 como primera etapa de
refrigeración.
La relación entre instalaciones industriales que utilizan amoníaco u otros tipos de
refrigerantes, se inclina de manera muy considerable a las primeras. Las plantas de
producción de frío que utilizan el amoníaco son por lo general de gran tamaño,
funcionan a bajas temperaturas y exigen ser sistemas flexibles en relación a
modificaciones y ampliaciones futuras, sin embargo, la aplicación de sistemas en
cascada es una alternativa que puede ser usada en aplicaciones comunes en
instalaciones industriales.
Aplicaciones en donde la parte de seguridad, costos de operación, aplicación,
ubicación, etc. nos presenta un panorama en donde refrigerantes secundarios como
el agua y las salmueras son empleadas por la industria para satisfacer las
necesidades de frío. Controlando los sistemas con un refrigerante como el amoníaco
(NH3) en un lugar seguro como el cuarto de máquinas y mandando los refrigerantes
secundarios a las cámaras y áreas de proceso donde se encuentran el mayor número
de personas. Sin embargo, para las aplicaciones a bajas temperaturas la utilización
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Trabajo técnico #1 © IIAR 2006 395
de este tipo de sistema no es tan viable por los altos costos de operación que éstas
representan.
El presente trabajo pretende realizar un análisis termodinámico de dos métodos
de producción de frió, en dos etapas de compresión, uno utilizando amoníaco en
las dos etapas y otro utilizando en la primera etapa un sistema de R-744 y en la
segunda etapa un sistema con amoníaco (R-717) realizando comparaciones
utilizando los diagramas de presión entalpía de las aplicaciones y soluciones
técnicas y económicas que sirvan como soporte para el diseño de futuros sistemas,
a manera de herramienta de análisis de proyectos, llegando a conclusiones que den
un mejoramiento en este tipo de aplicaciones.
La aplicación que tomaremos como parámetro para el presente análisis es una
aplicación de congelación con un túnel espiral, que demanda una capacidad de 90
T.R. a –40°F en la succión, con un sistema recirculado con un rango de recirculación
de 4:1 por bombas, en un sistema en dos etapas de compresión.
Sistema en cascada CO2 - amoníaco
Primero determinaremos las condiciones de operación del sistema, considerando una
aplicación de baja temperatura, con un túnel de congelación con una temperatura de
succión de –40°F y una temperatura de condensación de 90°F, con una presión de
condensación para el CO2 de +5°F, ya que depende de la presión superior a 330 psi.
Es muy importante considerar para determinar dicha presión el momento de paro
del sistema y la presión que se requiere para deshielar el evaporador. Esto debido
a que cuando el sistema es detenido, la presión empieza a incrementar por el
intercambio de temperatura con el aire ambiente. Por lo que se determina que la
presión media no debe generar un problema cuando el sistema es detenido. Cuando
utilizamos CO2 se pueden emplear varios métodos de deshielo al igual que con un
Los sistemas en cascada amoníaco-CO2, desde un análisis termodinámico y sus aplicaciones en la refrigeración industrial – Juan Manuel Quintanar Quintanar
396 © IIAR 2006 Trabajo técnico #1
sistema convencional como un externo como son paro de ciclo, natural, eléctrico,
agua o con un sistema interno como el gas caliente que presenta una mayor
eficiencia especialmente a bajas temperaturas. Por lo que debemos tener cuidado
con la presión de operación del deshielo que aproximadamente a la presión de
saturación 45 bar está en 10°C. Por lo que las válvulas de seguridad deberán
incrementar un 10 % su rango para poder trabajar en 53 bar aproximadamente.
Condiciones de operación
• Aplicación: Planta de alimentos congelados
Frigoscandia FMC - spiral freezer
Procesamiento de carne
• Sistema: Cascada CO2 / R717
• Temperaturas CO2 : –40ºF / +5ºF
• Temperaturas R717: +2ºF / +90ºF
• Capacidad a –40 F: 90 T.R.
• Tipo de sistemas: Para CO2 recirculado 4:1
Para NH3 inundado
Diagrama de flujo
En la figura 3 vemos el diagrama de flujo prototipo para un sistema en cascada NH3
– CO2 con una aplicación de baja temperatura.
Componentes
Sistema de CO2 primera etapa:
• Túnel de congelación (TC).- Tipo espiral para 8000 lbs de carne procesada, con
un requerimiento en refrigeración de 90 T.R. a una temperatura de succión en el
evaporador de –40°F y un sistema recirculado por bombas con una tasa de
recirculación de 4:1 operando con dióxido de carbono (R-744) como refrigerante.
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• Recirculador por bombas (RC).- Un recirculador por bombas horizontal con dos
bombas, una en operación y otra en stand by, con un control de nivel electrónico
compuesto con una sonda inmersa en una columna y un control que gobernara
las bombas y la línea de alimentación de líquido al recipiente.
• Compresor (CT).- Compresor tipo tornillo para operar con R-744 como
refrigerante, con un enfriamiento de aceite tipo termosifón, motor de
acoplamiento directo y de alta eficiencia y control de los parámetros de
operación en forma automática por medio de un microprocesador.
• Condensador (CD).- Condensador de placas tipo cerrado de placas de acero
inoxidable soldadas por láser para operar con gas refrigerante R-744 (CO2) y
R-717 (amoníaco líquido), para condensar en un paso, con estampado A.S.M.E.
• Válvulas y controles.- Válvulas de paso, solenoides, de expansión y accesorios
como manómetros mirillas y válvulas de seguridad para trabajar con CO2 y unas
presiones de operación de 350 psi.
Sistema de NH3 segunda etapa:
• Evaporador (ENF).- Enfriador de placas tipo cerrado de placas de acero
inoxidable soldadas por láser para operar con gas refrigerante R-717 (amoníaco
líquido), con estampado A.S.M.E.
• Recipiente acumulador de succión (ACS).- Un recipiente acumulador de succión
para la separación de fases líquida vapor y la succión del compresor de tornillo.
• Compresor (CT).- Compresor tipo tornillo para operar con R-717 como
refrigerante, con un enfriamiento de aceite tipo termosifón, motor de
acoplamiento directo y de alta eficiencia y control de los parámetros de
operación en forma automática por medio de un microprocesador.
• Condensador (CD).- Condensador evaporativo para operar con gas refrigerante
R-717, trabajando a una temperatura de condensación de 90°F y 70°F de
temperatura de bulbo húmedo.
• Recipiente de alta presión (RAP).- Recipiente de alta presión recibidor de líquido
con la capacidad de almacenar refrigerante para suministrar refrigerante
amoníaco para el enfriamiento de aceite de los compresores tornillo enfriamiento.
Los sistemas en cascada amoníaco-CO2, desde un análisis termodinámico y sus aplicaciones en la refrigeración industrial – Juan Manuel Quintanar Quintanar
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• Válvulas y controles.- Válvulas de paso, solenoides, de expansión y accesorios
como manómetros mirillas y válvulas de seguridad para trabajar con CO2 y unas
presiones de operación de 500 psi.
Diagramas de Mollier para el NH3
La figura 4 muestra el diagrama de presión – entalpía para el refrigerante amoníaco
en un sistema de cascada amoníaco (NH3) – dióxido de carbono (CO2) con los
valores en la tabla 3.
Diagramas de Mollier para el CO2
La figura 5 muestra el diagrama de presión – entalpía para el refrigerante CO2 en un
sistema de cascada amoníaco (NH3) – dióxido de carbono (CO2) con los valores en
la tabla 4.
Sistema en doble etapa de compresión con amoníaco
Se determinarán las condiciones de operación del sistema, considerando una
aplicación de baja temperatura, con un túnel de congelación a una temperatura de
succión de –40ºF y una temperatura de condensación de 90ºF, con una presión
intermedia de 15ºF utilizando como refrigerante amoníaco (R-717) en un sistema de
doble etapa de compresión.
Donde es muy importante considerar para determinar la presión intermedia se puede
realizar por un cálculo matemático:
(Po/Pd)
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Trabajo técnico #1 © IIAR 2006 399
También es importante considerar si existen aplicaciones de media temperatura, para
poder adicionar las cargas térmicas generadas por estas a este nivel de presión.
Condiciones de operación
• Aplicación: Planta de alimentos congelados
Frigoscandia FMC - spiral freezer
Procesamiento de carne
• Sistema: R717
• Temperaturas R717 : –40ºF / +15ºF/+90ºF
• Capacidad a –40ºF: 90 T.R.
Diagrama de flujo
En la figura 6 vemos el diagrama de flujo prototipo para un sistema en doble etapa
de compresión con amoníaco con una aplicación de baja temperatura.
Componentes
Sistema de NH3 primera etapa:
• Túnel de congelación(TC).- Tipo espiral para 8000 lbs de carne procesada, con
un requerimiento en refrigeración de 90 T.R. a una temperatura de succión en
el evaporador de –40ºF y un sistema recirculado por bombas con una tasa de
recirculación de 4:1 operando con amoníaco (R-717) como refrigerante.
• Recirculador por bombas (RC).- Un recirculador por bombas horizontal con dos
bombas una en operación y otra en stand by, con un control de nivel electrónico
compuesto con una sonda inmersa en una columna y un control que gobernara
las bombas y la línea de alimentación de líquido al recipiente.
• Compresor primera etapa (TC).- Compresor tipo tornillo (booster) para operar
con amoníaco (R-717) como refrigerante, con un enfriamiento de aceite tipo
termosifón, motor de acoplamiento directo y de alta eficiencia y control de los
parámetros de operación en forma automática por medio de un microprocesador.
Los sistemas en cascada amoníaco-CO2, desde un análisis termodinámico y sus aplicaciones en la refrigeración industrial – Juan Manuel Quintanar Quintanar
400 © IIAR 2006 Trabajo técnico #1
• Recipiente intercooler (ACI).- Recipiente sujeto a presión para recibir la descarga
del booster y retirar el recalentamiento del gas y separador de partículas para la
succión del compresor de segunda etapa.
• Compresor segunda etapa(CT).- Compresor tipo tornillo (segunda etapa) para
operar con amoníaco (R-717) como refrigerante, con un enfriamiento de aceite
tipo termosifón, motor de acoplamiento directo y de alta eficiencia y control de
los parámetros de operación en forma automática por medio de un
microprocesador.
• Condesador (CD).- Condensador evaporativo para operar con refrigerante
amoníaco R-717, para operar en condiciones de 90ºF de temperatura de
condensación y 70ºF en temperatura de bulbo húmedo.
• Recipiente de alta presión (RAP).- Recipiente de alta presión recibidor de líquido
con la capacidad de almacenar refrigerante para suministrar refrigerante
amoníaco para el enfriamiento de aceite de los compresores tornillo.
• Válvulas y controles.- Válvulas de paso, solenoides, de expansión y accesorios
como manómetros mirillas y válvulas de seguridad para trabajar con amoníaco
R-717.
Diagramas de Mollier
La figura 7 muestra el diagrama de presión – entalpía para el refrigerante NH3 en un
sistema de doble etapa con amoníaco (NH3) con los valores en la tabla 5.
Análisis de resultados
Sistema de doble etapa y sistema en cascada NH3-CO2
De acuerdo con el dimensionamiento de los sistemas y obtener resultado del
diagrama presión-entalpía (P-h), para el sistema de cascada NH3- CO2, figura 4 para
el ciclo de CO2 y figura 5 para el ciclo de amoníaco y la figura 7 para un sistema en
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Trabajo técnico #1 © IIAR 2006 401
doble etapa con amoníaco, se obtuvieron los datos que se muestra como análisis de
resultados (ver tablas 6 y 7).
De los cuales podemos considerar, que los dos sistemas con las mismas condiciones
de capacidad de 90 T.R. y una temperatura de succión de –40ºF, un sistema
recirculado para el lado de baja temperatura tanto en CO2 como en amoníaco,
podemos determinar que la potencia frigorífica del amoníaco es mayor que si se
utiliza CO2, por lo que esto repercute en el gasto másico de refrigerante a utilizar,
siendo mayor en el caso del CO2, afectando directamente al trabajo de compresión
debido a un requerimiento mayor en el sistema con CO2, por lo que la potencia
aplicada al compresor en este caso también es mayor. Sin embargo, el volumen del
refrigerante que tienen los dos refrigerantes en esas condiciones de –40ºF, favorece
al CO2 dando un menor volumen, por lo que favorece en el tamaño de recipientes,
equipo, tubería y accesorios del sistema.
Conclusiones
De acuerdo con la aplicación de baja temperatura y realizando el estudio de dos
alternativas de sistemas de refrigeración mecánica, podemos concluir:
• Que para aplicaciones de bajas temperaturas –40ºF o menores el sistema
en cascada amoníaco (R-717) – dióxido de carbono (R-744) es una buena
alternativa, pero no sustituto del amoníaco. Debido a las buenas propiedades de
CO2 en esas condiciones, sistemas combinados con estos refrigerantes presentan
una alternativa confiable.
• El CO2 como refrigerante debe tener consideraciones de operación como son
las presiones de trabajo, tiempo de operación, seguridad, diseñó, instalación y
operación del sistema para determinar los puntos críticos del sistema y evitar
problemas futuros.
Los sistemas en cascada amoníaco-CO2, desde un análisis termodinámico y sus aplicaciones en la refrigeración industrial – Juan Manuel Quintanar Quintanar
402 © IIAR 2006 Trabajo técnico #1
• En la actualidad nacional se cuenta con pocos elementos disponibles para el uso
con CO2 en la refrigeración industrial, así como literatura para la aplicación y uso
de este refrigerante en sistemas de producción de frió. La disponibilidad de
componentes para trabajar en altas presiones en sistemas de refrigeración es un
limitante para el uso de esta alternativa. Sin embargo a nivel mundial existen
diferentes fabricantes que tienen el interés de suministrar componentes, válvulas,
accesorios, así como equipo para el uso de este refrigerante.
• La solución que presenta el sistema en cascada NH3/CO2 ayuda a las plantas
procesadoras de alimentos a tener equipos más pequeños, de altas capacidades
y bajas temperaturas, reduciendo costos de inversión y teniendo condiciones de
congelamiento buenas tanto en tiempos como en calidades de producto.
• En respecto a seguridad los sistemas en cascada generan una disminución de
refrigerante amoníaco y controlan el uso de éste en el cuarto de máquinas.
Con lo que respecta al CO2, éste presenta menor toxicidad que el amoníaco;
controlando las condiciones de operación y evitando un incremento de presión,
el sistema es seguro.
2006 IIAR Ammonia Refrigeration Conference & Exhibition, Reno, Nevada
Trabajo técnico #1 © IIAR 2006 403
Bibliografía
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CO2 as Refrigerant. Presentación Power Point. 2004. Anónimo.
Los sistemas en cascada amoníaco-CO2, desde un análisis termodinámico y sus aplicaciones en la refrigeración industrial – Juan Manuel Quintanar Quintanar
404 © IIAR 2006 Trabajo técnico #1
Figura 1: Fases del CO2
Figura 2: Diagrama P-h para el CO2 (R-744)
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Trabajo técnico #1 © IIAR 2006 405
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Los sistemas en cascada amoníaco-CO2, desde un análisis termodinámico y sus aplicaciones en la refrigeración industrial – Juan Manuel Quintanar Quintanar
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Figura 4: Diagrama P-h para NH3 en sistema de cascada
Figura 5: Diagrama P-h para CO2 en sistema en cascada
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Trabajo técnico #1 © IIAR 2006 407
Fig
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Los sistemas en cascada amoníaco-CO2, desde un análisis termodinámico y sus aplicaciones en la refrigeración industrial – Juan Manuel Quintanar Quintanar
408 © IIAR 2006 Trabajo técnico #1
Figura 7: Diagrama P-h para NH3 en un sistema de doble etapa
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Trabajo técnico #1 © IIAR 2006 409
Tabla 1: Propiedades de los Refrigerantes
Tabla 2: Propiedades del dióxido de carbono y amoníaco
Los sistemas en cascada amoníaco-CO2, desde un análisis termodinámico y sus aplicaciones en la refrigeración industrial – Juan Manuel Quintanar Quintanar
410 © IIAR 2006 Trabajo técnico #1
Tabla 3: Valores termodinámicos del diagrama P-h
Tabla 4: Valores termodinámicos del diagrama P-h para el CO2
Tabla 5: Valores termodinámicos del diagrama P-h para el NH3
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Trabajo técnico #1 © IIAR 2006 411
Tabla 6: Datos del diagrama P-h
Tabla 7: Datos de selección de equipo
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412 © IIAR 2006 Trabajo técnico #1
Notas:
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Trabajo técnico #1 © IIAR 2006 413
Notas:
Los sistemas en cascada amoníaco-CO2, desde un análisis termodinámico y sus aplicaciones en la refrigeración industrial – Juan Manuel Quintanar Quintanar
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Notas:
2006 IIAR Ammonia Refrigeration Conference & Exhibition, Reno, Nevada