Problemas termodinamica

PROBLEMAS DE TERMODINAMICA CICLO OTTO, DIESEL, JOULE BRAYTON,CARTA PSICOMETRICA, Y RANKINE. 1.- Un ciclo ideal Otto tiene una relación de compresión de 12, admite aire a 100 kPa y 20°C y se repite 1000 veces por minuto. Usando calores específicos constantes a temperatura ambiente, determine la eficiencia térmica de este ciclo y la tasa de suministro de calor si el ciclo ha de producir 200 kW de potencia. 2.- La relación de compresión de un ciclo Otto de aire estándar es 9.5. Antes del proceso de compresión isentrópica, el aire está a 100 kPa, 35°C y 600 cm 3. La temperatura al final del proceso de expansión isentrópica es de 800 K. Usando valores de calores específicos a temperatura ambiente, determine: a) La temperatura más alta y la presión más alta en el ciclo; b) la cantidad de calor transferido al fluido de trabajo, en kJ; c) la eficiencia térmica, y d) la presión media efectiva. 3.- Determine la presión media efectiva de un ciclo Otto ideal que usa aire como fluido de trabajo; su estado al inicio de la compresión es 14 psia y 60°F: su temperatura al final de la combustión es 1500°F, y su relación de compresión es 9, Use calores específicos constantes a temperatura ambiente. 4.- Un ciclo Otto ideal tiene una relación de compresión de 7. Al inicio del proceso de compresión. P1 = 90 kPa. T1 =27°C y V1 = 0.004 m3. La temperatura máxima del ciclo es 1127°C. Para cada repetición del ciclo calcule el calor rechazado y la producción neta de trabajo. También calcule la eficiencia térmica y la presión media efectiva para este ciclo. Use calores específicos constantes a temperatura ambiente. 5.- Un motor de 6 cilindros de 4L de ignición por chispa, que opera en ciclo Otto ideal toma aire a 90 kPa y 20°C. El volumen mínimo confinado es 15 por ciento del volumen máximo confinado. Cuando opera a 2500 rpm este motor produce 90 hp. Determine la tasa de adición de calor a este motor. Use calores específicos constantes a temperatura ambiente. 6.-Un ciclo ideal Otto tiene una relación de compresión de 9.2 y usa aire como fluido de trabajo. Al inicio del proceso de compresión, el aire está a 98 kPa y 27°C. La presión se duplica durante el proceso de adición de calor a volumen constante. Tomando en cuenta la variación de los calores específicos con la temperatura, determine a) la cantidad de calor

que se transfiere al aire, b) la producción neta de trabajo, c) la eficiencia térmica y d) la presión medía efectiva para el ciclo. 7.-Un ciclo Otto con una relación de compresión de 8 comienza su compresión a 94 kPa y 10°C. La temperatura máxima del ciclo es 900°C. Utilizando las suposiciones de aire estándar, determine la eficiencia térmica de este ciclo usando a) calores específicos constantes a temperatura ambiente y b) calores específicos variables. 8.-Un ciclo Diesel tiene una relación de compresión de 22 y comienza su compresión a 85 kPa y 15°C. La temperatura máxima del ciclo es 1200°C. Usando suposiciones de aire estándar, determine la eficiencia térmica de este ciclo usando a) calores específicos constantes a temperatura ambiente y calores específicos variables. 9.- Considere un motor que opera en ciclo ideal Diesel con aire como fluido de trabajo, El volumen del cilindro es de 1200 cm 3 al inicio del proceso de compresión, 75 cm 3 al final y 150 cm3 después del proceso de adición de calor. El aire está a 17°C y 100 kPa al principio del proceso de compresión. Determine a) la presión al principio del proceso de rechazo de calor, b) el trabajo neto por ciclo, en kJ, y c) la presión media efectiva. 10.- Un ciclo ideal Diesel tiene una relación de compresión de 18 y una relación de cierre de admisión de 1,5. Determine la temperatura máxima del aire y la tasa de adición de calor a este ciclo cuando produce 200 hp de potencia; el ciclo se repite 1200 veces por minuto; y el estado del aire al inicio de la compresión es 95 kPa y 17°C. Use calores específicos constantes a temperatura ambiente. 11.- Un ciclo ideal Diesel tiene una temperatura máxima de ciclo de 2 000°C y una relación de cierre de admisión de 1.2. El estado del aire al principio de la compresión es P 1 = 95 kPa y T1 = 15°C. Este ciclo se ejecuta en motor de cuatro tiempos, de ocho cilindros, con un diámetro interior de cilindro de 10 cm y una carrera de pistón de 12 cm. El volumen mínimo confinado en el cilindro es 5 por ciento del volumen máximo del cilindro. Determine la potencia que produce este motor cuando opera a 1 600 rpm. Use calores específicos constantes a temperatura ambiente. 12.- Un ciclo Diesel de aire estándar tiene una relación de compresión de 18.2. El aire esta a 80°F y 14.7 psia al inicio de proceso de compresión, y a 3000R al final del proceso de adición de calor. Tomando en cuenta las variaciones de calores específicos con la temperatura, determine a) la relación de cierre de admisión, b) el rechazo de calor por unidad de masa y c) la eficiencia térmica.

13.- Un motor ideal Diesel tiene una relación de compresión de 20 y usa aire como fluido de trabajo. El estado del aire al principio del proceso de compresión es 95 kPa y 20°C. Si la temperatura máxima en el ciclo no ha de exceder 2200 K, determine a) la eficiencia térmica y b) la presión efectiva media. Suponga calores específicos constantes para el aire a temperatura ambiente. 14.- Un motor diesel de cuatro cilindros, de dos tiempos, de 2.4 L, que opera en un ciclo ideal Diesel tiene una relación de compresión de 17 y una relación de cierre de admisión de 2.2. El aire está a 55°C y 97 kPa al principio del proceso de compresión. Usando las suposiciones de aire estándar frío, determine cuánta potencia entregará el motor a 1 500 rpm. 15.- Considere un ciclo simple Ideal Brayton con aire como fluido de trabajo. La relación de presiones del ciclo es 6, y las temperaturas mínima y máxima son 300 y 1300 K. Ahora se duplica la relación de presiones sin cambiar las temperaturas mínima y máxima del ciclo. Determine el cambio en a) la producción neta de trabajo por unidad de masa y b) la eficiencia térmica del ciclo como resultado de esta modificación. Suponga calores específicos variables para el aire. 16.-Un ciclo Brayton con una relación de presiones de 15 opera con aire que entra al compresor a 70 kPa y 0°C, y a la turbina a 600°C. Calcule el trabajo neto específico producido por este ciclo, tratando el aire como gas ideal con a) calores específicos constantes y b) calores específicos variables.

17.- Un ciclo simple ideal de Brayton con aire como fluido de trabajo tiene una relación de presiones de 10. El aire entra al compresor a 520R y a la turbina a 2000 R. Tomando en

cuenta la variación de calores específicos con la temperatura, determine a) la temperatura del aire a la salida del compresor, b) la relación de retrotrabajo y c) la eficiencia térmica. 18.- Un ciclo simple ideal Brayton opera con aire con temperaturas mínima y máxima de 27 y 727°C. Esta diseñado de modo que la presión máxima en el ciclo es 2000 kPa y la presión mínima en el ciclo es 100 kPa. Determine la producción neta de trabajo por unidad de masa de aire cada vez que este ciclo se ejecuta, y la eficiencia térmica del ciclo. Use calores específicos constantes a temperatura ambiente.

19.- Se usa aire como fluido de trabajo en un ciclo simple ideal de Brayton que tiene una relación de presiones de 12, una temperatura de entrada al compresor de 300 K y una temperatura de entrada a la turbina de 1000 K. Determine el flujo másico de aire necesario para una producción neta de potencia de 70 MW, Suponga calores específicos constantes a temperatura ambiente. 20.- Una planta eléctrica con turbina de gas opera, de una manera estacionaria, en un ciclo simple ideal de Brayton. Con aire como fluido de trabajo. El aire entra al compresor a 95 kPa y 290 K, y a la turbina a 760 kPa y 1100 K. Se transfiere calor al aire a razón de 33500 kJ/s. Determine la potencia que produce esta planta a) suponiendo calores específicos constantes a temperatura ambiente y b) tomando en cuenta las variaciones de los calores específicos con la temperatura. 21.- Usando el diagrama psicométrico, determínese: a) La humedad relativa, la humedad específica y la entalpia especifica de la mezcal en KJ por Kg de aire seco correspondientes a unas temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo de 30 y 20C.

22.- Usando el diagrama psicométrico, determínese: a)La humedad especifica, la entalpia especifica de la mezcla y la temperatura de bulbo seco de 20 °C y una humedad relativa del 60%. 23.- Usando el diagrama psicométrico, determínese: a)La temperatura del punto de rocío correspondiente a las temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo de 35 y 26C, respectivamente. 24.- El aire húmedo que un ventilador expulsa a la salida de un conducto aislado térmicamente, sale a 22 °C y 60% de humedad relativa. El cauda es de 0.5m3 . La potencia consumida por el ventilador en estado estacionario es de 13KW. Usando el diagrama psicométrico, determinese la temperatura y la humedad relativa a la entrada del conducto. 25.- El fluido de trabajo en un ciclo Rankine ideal es agua. La presion del condensador es 8 kPa y en la turbina entra vapor saturado a una presion de (a) 18 MPa, (b) 4 MPa. La potencia neta obtenida del ciclo es 100 MW. Determine para cada caso el flujo masico de vapor, en kg/h, el calor intercambiado por el fluido de trabajo a su paso por la caldera y el condensador, en kW, y el rendimiento termico. 26.- El fluido de trabajo en un ciclo Rankine ideal es agua. En la turbina entra vapor sobrecalentado a 8 MPa, y 480°C. La presion del condensador es 8 kPa. La potencia neta del ciclo es 100 MW. Determine para el ciclo: (a) El calor transferido al fluido de trabajo a su paso por el generador de vapor, en kW. (b) El rendimiento termico. (c) El flujo masico de agua de refrigeracion en el condensador, en kg/h, si el agua entra en el condensador a 15°C y sale a 35°C sin perdida de presion. 27.- El fluido de trabajo de un ciclo Rankine de vapor es agua. La presion y la temperatura en la entrada de la turbina son 1200 lbf/in2 y 1000 °F, respectivamente; la presion en el condensador es igual a 1 lbf/in2. El flujo de vapor que entra a la turbina es 1,4 x 106 lb/h. El agua de refrigeracion sufre un incremento desde 60 a 80 °F, sin perdida apreciable de carga cuando atraviesa el condensador. Determine en el ciclo: (a) La potencia neta desarrollada, en Btu/h. (b) El rendimiento termico. (c) El flujo masico del agua de refrigeracion, en lb/h.