GUIA DE EJERCICIOS. CICLOS TERMODINAMICOS

Problema 1. En un ciclo termodinámico con aire inicialmente a 100 kPa, 27 C y 0,86 m3/kg, se presentan los siguientes

procesos: el proceso 1-2 es una compresión isentrópica hasta 275 kPa; el proceso 2-3 es un calentamiento a presión

constante hasta 1200 K y 1,25 m3/kg; el proceso 3-4 es un enfriamiento a volumen constante hasta 100 kPa y el proceso

4-1 es un enfriamiento a presión constante hasta el estado inicial. a) Dibuje los diagramas P-V y T-S del ciclo, b)

Determine la cantidad de calor suministrado y la producción neta de trabajo, c) Calcule la eficiencia térmica, d)

Determine la eficiencia de un motor térmico de Carnot que opere entre las temperaturas máxima y mínima del ciclo.

Problema 2. El aire a la entrada de un ciclo de Otto cuya relación de compresión es 8:1 se encuentra a 0,98 bares y 27C.

Se suministran 1430 kJ/kg de calor. Determine a) la presión y la temperatura al final de cada uno de los procesos del

ciclo; b) la eficiencia térmica; c) la presión media eficaz del ciclo; el gasto volumétrico del aire, medido a las condiciones

de comienzo de la compresión, necesario para producir 80 HP.

Problema 3. Para un ciclo Otto con 8,3 de relación de compresión y 1213 kJ/kg de suministro de calor, determine a) la

presión y la temperatura máxima del ciclo, b) la producción de trabajo neto; c) la eficiencia térmica, y d) la presión

media eficaz. Considere que la presión y la temperatura al comienzo del proceso de compresión con 0,095 MPa y 7C.

Problema 4. A un ciclo Otto de aire con una relación de compresión de 8,3 se le suministran 1456 kJ/kg de calor.

Determine: a) la disponibilidad del sistema cerrado de aire al final de la expansión isentrópica, si To=7C y Po=0,095 MPa,

y b) el cociente de esta cantidad de disponibilidad entre la salida neta de trabajo del ciclo. Considere que el aire está a

0,095 MPa y 7C al comienzo de la compresión.

Problema 5. Un ciclo diesel de aire opera con una relación de compresión de 15:1 y se le suministran 7,5 kJ de calor.

Calcule a) la presión y la temperatura al final de cada uno de los procesos del ciclo, y b) la eficiencia térmica y la presión

media eficaz del ciclo. Al inicio de la carrera de compresión el aire se encuentra a 0,95 bares y 17C y el volumen del

cilindro es 3,8 L.

Problema 6. A un ciclo diesel de aire que opera con una relación de compresión de 15:1 entra aire a 0,95 bares y 17 C y

en el proceso de suministro de calor se agregan 7,5 kJ. Determine: a) la disponibilidad del aire al final de al expansión

isentrópica, si To=17C y Po=0,95 bares, y b) el cociente de esta cantidad de disponibilidad y el trabajo del ciclo.

Considere que el volumen del cilindro es 3,8 L al inicio de la carrera de compresión.

Problema 7. Una planta de potencia de turbina de gas opera según un ciclo de aire entre 0,1 y 0,6 MPa. El aire entra al

compresor a 17C y llega a la turbina a 1080 K. Calcule; a) el trabajo, b) el calor suministrado, c) la eficiencia térmica, y d)

la relación aire combustible reuqerida en el quemador, si el combustible es n-butano (C4H10).

Problema 8. A un ciclo Brayton cuya relación de presiones es de 6:1 entra aire a 1 bar y 17 C. La turbina tiene una

temperatura límite de 1000 K y el gasto máximo es 3,5 kg/s. Determine a) el trabajo del compresor y de la turbina, b) la

eficiencia térmica, c) la producción de potencia, y d) el gasto volumétrico a la entrada del compresor, e) si la adición de

calor se efectúa mediante la quema completa de un combustible cuyo valor calorífico es 44000 kJ/kg, estime la relación

de combustible y aire empleada en el quemador.

Problema 9. Una planta de potencia de turbina de gas opera según un ciclo de aire estándar entre los límites de presión

de 1 y 64 bares. La temperatura del aire de entrada es de 22C, y la limitación de temperatura en la turbina es de 807C. Si

las eficiencias adiabáticas del compresor y la turbina son 82 y 85%, respectivamente, caclule: a) la producción neta de

trabajo, y b) la eficiencia térmica si el ciclo es ideal.

Problema 10. El ciclo de una planta de potencia de turbina de gas opera entre 827 y 27C, con una relación de presiones

de 5,2:1. Si las eficiencias adiabáticas del compresor entre el trabajo de la turbina, b) la eficiencia térmica, y c) el gasto

másico del aire requerido para obtener una potencia de 1000 kW.

Problema 11. En un generador de potencia que opera con el ciclo de

Rankine entra agua al generador de vapor a 100 bares y sale del

condensador a 0,1 bares y 45C. En el condensador circula agua de

enfriamiento a razón de 1,31x106 kg/h, sufriendo una elevación de

temperatura de 8,5 C. Determine: a) la entalpía y la entropía a la salida

de la turbina; b) la entalpía a la entrada de la turbina; c) el calor

suministrado; d) la eficiencia térmica, y e) la potencia de la turbina.

Considere que el flujo másico de vapor es de 23740 kg/h.

Problema 12. El vapor de agua que entra a una turbina de un ciclo de

Rankine se encuentra a 40 bares y 440 C, se expande en la turbina

hasta 7 bares, posteriormente se recalienta hasta 440C y finalmente

se expande hasta 0,88 bares. Determine; a) la calidad a la salida de la

turbina, y b) la eficiencia térmica,

Problema 13. En un ciclo de Rankine de 20 MW de potencia se genera

vapor a 140 bares y 560C, posteriormente hay un recalentamiento a 15

bares y 540C y se condensa el vapor a 0,06 bares. Determine; a) el calor

suministrado, b) la eficiencia térmica, c) el gasto másico del agua de

enfriamiento requerido en el condensador si el agua experimenta una

elevación de temperatura de 10C.

Problema 14. A la turbina de un ciclo de Rankine entra el agua a 120

bares y 600 C y se expande hasta 10 bares, donde una parte se extrae

hacia un intercambiador de calor abierto y el resto se expande hasta

0,08 bares. Calcule; a) la calidad a la salida de la turbina, b) la eficiencia

térmica.

Problema 15. Un refrigerador como el que se muestra en la figura usa refrigerante 134a como fluido de trabajo y opera

en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor con una temperatura en el evaporador de -4 ºF y una presión en el

condensador de 130 Psia, siendo el rendimiento adiabático del compresor del 84%. El flujo másico del refrigerante es 6,5

lb/min. Calcúlese a) la potencia real suministrada al compresor, en hp b) Capacidad de refrigeración en Ton, c) el COP y

d) desplazamiento efectivo, en pie3/min

Problema 16. Un ciclo sencillo de refrigeración que utiliza amoniaco como sustancia de trabajo, necesita mantener un

espacio refrigerado a 0°C. El ambiente que rodea al condensador está a 38°C. Considere vapor saturado a la entrada del

compresor y líquido saturado a la salida del condensador. La eficiencia adiabática del compresor es el del 100%.

Determine el coeficiente de realización de este ciclo.

Problema 17. Un sistema de refrigeración como el que se muestra en la figura, en cascada utiliza refrigerante 22 en la

parte del sistema de baja temperatura y refrigerante 134a en el circuito de alta temperatura. El circuito del refrigerante

22 funciona entre 1,1 y 5 bar. Las entalpías del vapor saturado que sale del evaporador a -39ºC, del vapor

sobrecalentado que sale del compresor isoentrópico a 29 ºC, y del líquido que entra al dispositivo de estrangulamiento

0ºC son 267,37 ; 304,16 y 78,47 respectivamente. El ciclo ideal del circuito de refrigerante 134ª funciona entre -12 ºCy 9

bar. La capacidad de refrigeración del evaporador de baja temperatura es de 5 Ton. Determine a) los flujos másicos, en

Kg/hr, en los dos circuitos. b) la potencia de entrada en ambos compresores, en Kw, c) el COP del sistema en cascada. d)

Determine también el COP de un ciclo con un único circuito que utilice refrigerante 134ª entre -40 ºC y 9 bar.

NOTA

La tonelada de refrigeración (TRF) es la unidad nominal de potencia empleada en algunos países, especialmente de

Norteamérica, para referirse a la capacidad de extracción de carga térmica (enfriamiento) de los equipos frigoríficos y de

aire acondicionado. Puede definirse como la cantidad de calor latente absorbida por la fusión de una tonelada corta de

hielo sólido puro en 24 horas; en los equipos, esto equivaldría a una potencia capaz de extraer 12.000 BTUs por hora, lo

que en el Sistema Internacional de Unidades (SI) equivale a 3517 W.

Problema 18. Un sistema de refrigeración por compresión de vapor ideal de dos etapas con refrigeración intermedia

regenerativo funciona con refrigerante 134a y presiones de 1,0 bar en el evaporador, 4,0 bar en la cámara de

evaporación instantánea y en la cámara de mezcla y 9,0 bar en el condensador. Si la carga de refrigeración es 5 ton,

determínese. a) la potencia del compresor de baja presión, en kilovatios, b) el flujo másico que sale de la cámara de

evaporación instantánea y entra a la cámara de mezcla, en kg/min, c) la potencia de entrada en el compresor de alta

presión, en kilovatios, y d) el COP del flujo global.

Problema 19. Considere un ciclo ideal de refrigeración que utiliza Freón-12 como fluido de trabajo. El ciclo está formado

por dos lazos, uno de potencia y el otro de refrigeración. Vapor saturado a 105°C deja la caldera y se expande en la

turbina a la presión del condensador. Vapor saturado a -15°C deja el evaporador y es comprimido a la presión del

condensador. La relación de flujos a través de los dos lazos es tal que la potencia producida por la turbina es justa la

potencia para mover el compresor. Líquido saturado a 45°C deja el condensador y se divide en proporciones necesarias.

Calcule:

a) La relación de flujos másicos a través de los dos lazos

b) El coeficiente de realización del ciclo en términos de la relación QL/QH