An ice cream making dairy plant requires a refrigeration system that provides 4150 kW of cooling capacity at -2.00°C to cool milk and 3150 kW of cooling capacity at -28.0°C to fast chill the ice cream . The system condenser pressure is 1 .20 MPa and is an air-cooled condenser. A multi- pressure system is proposed with two compressors and two evaporators, utilising flash gas  removal and inter-cooling as  per Fig. 1. Assuming all compressors  have an isentropic efficiency of 90.5%, there is no heat transfer in connecting components/pipework, the flashtank intercooler issues saturated vapour and saturated liquid in the respective streams, there is no pressure drop in the pipework, 4.00°C of subcooling in the condenser, and 2.00°C of superheating in both evaporators and R134a* is the refrigerant, determine:

i)            The mass flow rates of the refrigerant through the evaporators and condenser . (5 marks)

ii)           The power requirements for the compressors. (5 marks)

iii)          It is proposed that the capital cost of the system could be reduced by $28,000 if two separate single-stage systems with air-cooled condensers rather than a single multi- pressure system were utilised. Assuming the lifetime of the system to be 9.0 years, the system runs 18 hrs a day with 90.0% uptime and electricity costs are $0.40/kW.hr, which is the better approach: the multi- pressure system or two independent systems? Why? (10 marks)

iv)          The cooling requirement for the high-temperature (-2.00°C) evaporator has the potential to vary through the day. Construct a model of the multi- pressure system in Matlab using the NISTref prop library and create a  figure  of  total  electrical  power  input  vs.  the  high-temperature  (-2.00°C)  evaporator  cooling  heat absorption rates from 1000 to 5000 kW. Note at a heat absorption rate of 3150 kW the total power input should be close to the value obtained in part ii). The idea is to use part iv) to check your hand calculation results so do not use part iv) as a replacement for the hand calculation answer in part ii) of the question. You must include a well-documented copy of the code you develop and utilise. (30 marks)

Q2:

Conditioned air is to be supplied to a space that requires a dewpoint of  16.00°C and 50.0% relative humidity to be maintained.  The  space  is  to  be  conditioned  by  cooling  a  mixture  of  55.0%  return  air  (by  volume)  and  outside atmospheric air at 1 atm, 38.0°C dry bulb and 38% relative humidity in a constant pressure process. The space load has a sensible heat factor of 0.720 and the coil-off temperature is 12.00°C . The flow rate to the space is 35,000 L/min. For parts i), ii), and iii) of this question utilise the psychrometric chart for your solution.

i)            Sketch the system  hardware and show the  process on a  psychrometric chart. Show the  process on the psychrometric chart for a hypothetical real cooling process over the coil and an ideal wetted cooling process over the cooling coil. (5 marks)

ii)           Determine the dew- point temperature and the volume flow rate of the mixture entering the cooling coils, the apparatus dew point (if it exists), and the coil off condition wet bulb temperature. (9 marks)

iii)          Determine the total coil cooling load. (3 marks)