Problemas

7.21 Se tiene una corriente de vapor de agua que entra en una tobera a 800 kPa y 280 °C con una velocidad despreciable y se descarga con una presión de 525 kPa. Si se supone que el vapor experimenta en la tobera una expansión isentrópica, ¿cuál es la velocidad de salida y el área de la sección transversal en la salida de la tobera para una rapidez de flujo de 0.75 kg s-1? (7.4, 7° Edición)

7.23. Un gas entra en una tobera convergente, con una presión P1 y una velocidad despreciable, se expande isentrópicamente y se descarga en una cámara con una presión P2. Dibuje gráficas que muestren la velocidad en la garganta y la rapidez de flujo de masa como funciones de la relación de presiones P2/P1. (7.6, 7° Edición)

7.29. Una turbina de vapor trabaja adiabáticamente con un nivel de potencia de 3500 kW. El vapor entra a la turbina a 2400 kPa y 5OO °C y sale de ella como vapor saturado a 20 kPa. ¿Cuál es la velocidad del vapor a través de la turbina y cuál la eficiencia de ésta? (7.18, 7° Edición)

8.3. El vapor entra a la turbina de una planta de energía que opera con un ciclo de Rankine (figura 8.3) a 3 300 kPa, y las emisiones salen a 50 kPa. Para demostrar el efecto del sobrecalentamiento sobre el desempeño del ciclo, calcule la eficiencia térmica del ciclo y la calidad del vapor emitido de la turbina para temperaturas de vapor, a la entrada de la turbina, de 450, 550 y 650°C (8.4, 7° Edición)

8.5. Una planta de energía de vapor emplea dos turbinas adiabáticas en serie. El vapor de agua entra a la primera turbina a 650°C y 7 000 kPa y se descarga de la segunda turbina a 20 kPa. El sistema está diseñado para una salida de energía igual para las dos turbinas, con base en una eficiencia de turbina del 78 % para cada una. Determine la temperatura y la presión del vapor en su estado intermedio entre las dos turbinas. ¿Cuál es la eficiencia general de las dos turbinas juntas con respecto a la expansión isentrópica del vapor del estado inicial al final?

(8.6, 7° Edición)

8.12. Un ciclo de Diesel de aire estándar absorbe 1 500 J mol -1 de calor (etapa DA de la figura 8.10, la cual simula combustión). La presión y la temperatura al inicio de la etapa de compresión son 1 bar y 20°C y la presión al final de la etapa de compresión es 4 bar. Suponiendo que el aire sea un gas ideal para el cual Cp = (7/2)R y CV= (5/2)R, ¿cuáles son la relación de compresión y la relación de expansión del ciclo? (8.13, 7° Edición)

8.13. Calcule la eficiencia para un ciclo de turbina de gas con aire estándar (ciclo de Brayton), que opera con una relación de presión de 3. Repita para relaciones de presión de 5, 7 y 9. Tome ϒ= 1.35. (8.14, 7° Edición)

9.1. Una máquina de Carnot está acoplada a un refrigerador de Carnot dc modo que todo el trabajo producido por la máquina se utiliza en el refrigerador para la extracción del calor desde un depósito de calor a O”C, a la velocidad de 35 kJ s -1. La fuente de energía para la máquina de Carnot es un depósito de calor a 250°C. Si ambos dispositivos desechan calor al ambiente a 25”C, ¿cuánto calor absorbe la máquina de su depósito-fuente de calor?

Si el coeficiente real de desempeño del refrigerador es ω=0.6 ωCarnot y si la eficiencia térmica de la máquina es η=0.6 ηCarnot, ¿cuánto calor absorbe la máquina de su depósito-fuente de calor? (9.7, 7° Edición)

9.4. Un sistema convencional de refrigeración por compresión de vapor opera en el ciclo de la figura 9.1b. El refrigerante es agua. Dados la evaporación t = 4”C, la condensación t = 34”C, η(compresor) =0.76 y la velocidad de refrigeración = 1200 kJ s-1, determine la velocidad de circulación del refrigerante, la velocidad de transferencia de calor en el condensador, el requerimiento de energía, el coeficiente de desempeño del ciclo y el coeficiente de desempeño de un ciclo de refrigeración de Carnot que opera entre los mismo niveles de temperatura. (9.10, 7° Edición)

9.5. Un refrigerador con tetrafluoroetano (tabla 9.1, figura 9.3) como refrigerante, opera con una temperatura de evaporación de -15(°F) y una temperatura de condensación de 80(°F). El refrigerante líquido saturado del condensador fluye a través de una válvula de expansión al evaporador, del cual emerge como vapor saturado.

a) Para una velocidad de enfriamiento de 5(Btu)(s)-1, ¿cuál es la velocidad de circulación del refrigerante?

b) ¿En cuánto se debe reducir la velocidad de circulación si la válvula de estrangulamiento se remplazara por una turbina en la cual el refrigerante se expandiera isentrópicamente?

c) Suponga que el ciclo de a) se modifica por la inclusión de un intercambiador de calor a contracorriente entre el condensador y la válvula de estrangulamiento, en el cual el calor es transferido al vapor que regresa del evaporador. Si el líquido del condensador entra al intercambiador a 80(“F) y si el vapor del evaporador entra al intercambiador a -15(“F) y 10 deja a 70(“F), ¿cuál es la velocidad de circulación del refrigerante?

d) Para cada uno de a), b) y c), determine el coeficiente de desempeño para la compresión isentrópica del vapor. (9.11, 7° Edición)

9.7. Considere el ciclo de refrigeración por compresión de vapor de la figura 9.1b con tetrafluoroetano como refrigerante (tabla 9.1, figura 9.3). Si la temperatura de evaporación es 10(°F), demuestre el efecto de la temperatura de condensación sobre el coeficiente de desempeño haciendo los cálculos para las temperaturas de condensación de 60, 80, y 100(°F) (9.13, 7° Edición)

a) Suponga una compresión isentrópica del vapor.

b) Suponga una eficiencia del compresor de 75 %.

9.8. Se usa una bomba de calor para calentar una casa en invierno y enfriarla en verano. Durante el invierno, el aire del exterior sirve como una fuente de calor a baja temperatura; durante el verano, actúa como un pozo de calor a temperatura alta. La velocidad de transferencia de calor a través de las paredes y el techo de la casa es 0.75 kJ s-1 por cada °C de diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la casa, en verano e invierno. El motor de la bomba de calor está

calibrado a 1.5 kW. Determine la temperatura exterior mínima para la cual la temperatura de la casa se puede mantener a 20°C durante el invierno y la temperatura exterior máxima para la cual la casa se puede mantener a 25°C durante el verano.

(9.14, 7° Edición)