GUIA DE EJERCICIOS N° 9. FUNDAMENTOS DE PROCESOS INDUSTRIALES

INGENIERIA CIVIL INDUSTRIAL

CICLOS DE POTENCIA Y REFRIGERACION

PROFESOR: RAUL P. MOLINA C.

I. CICLOS DE POTENCIA

1. El fluido de trabajo de un ciclo Rankine ideal es vapor de agua. A la turbina entra vapor saturado a 8,0 MPa y del condensador sale líquido saturado a la presión de 0,008 MPa. La potencia neta obtenida es 100 MW. Determínese para el ciclo:

a) El rendimiento térmicob) La relación de trabajosc) El flujo másico de vapor, en kgd) El calor absorbido, , por el fluido de trabajo a su paso por la caldera en

MW.e) El calor cedido, , por el fluido de trabajo en el condensador, en MWf) El flujo másico de agua de refrigeración en el condensador, en kg/h, si el

agua entra en el condensador a 15°C y sale a 35°C.

2. Una planta termoeléctrica funciona con vapor de agua como fluido de trabajo en un ciclo Rankine. El vapor que entra en la turbina es saturado a 6 MPa y del condensador sale líquido saturado a la presión de 7.5 kPa. La potencia neta obtenida es 120 MW. Determine para el ciclo: (a) rendimiento térmico; (b) relación de trabajos (trabajo de bomba/trabajo de turbina); (c) flujo másico de vapor; (d) calor absorbido por el fluido de trabajo a su paso por la caldera (MW); (e) calor cedido por el fluido de trabajo en el condensador (MW); (f) flujo másico de agua de refrigeración en el condensador (kg/s) si el agua entra en el condensador a 18°C y sale a 38°C. Represente el proceso en un diagrama T-s. Considere que la bomba y la turbina son reversibles.

3. En un ciclo Rankine con sobrecalentamiento y recalentamiento se utiliza vapor de agua como fluido de trabajo. El vapor entra en la primera etapa de la turbina a 8,0 MPa, 480°C y se expande hasta 0,7 MPa. Este se recalienta entonces hasta 440°C antes de entrar en la segunda etapa de la turbina, donde se expande hasta la presión del condensador de 0,008MPa. La potencia neta obtenida es 100 MW.

Determínese:a) El rendimiento térmico del ciclob) El flujo másico de vapor, en kg/hc) El flujo de calor, Q, cedido por el vapor en el condensador, en MW.

4. En una planta de potencia a vapor que opera en el ciclo Rankine, entra vapor a la turbina a 3 MPa y 350oC y es condensado en el condensador a una presión de 75 kPa. Si las eficiencias adiabáticas de la bomba y de la turbina son de 80% cada una, determine la eficiencia térmica del ciclo. ¿Cuál sería el resultado si la presión de la caldera fuese incrementada a 5 MPa?

5. En una planta de potencia de vapor que opera en un ciclo de Rankine con recalentamiento, entra vapor a la turbina de alta presión a 15 MPa y 620oC y es condensada en el condensador a una presión de 15 kPa. Si el contenido de humedad en la turbina no debe exceder del 10%, determine (a) la presión de recalentamiento, y (b) la eficiencia térmica del ciclo. ¿Cuál sería el resultado si se cambiara la tolerancia a la humedad en la turbina a 15%?

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6. Una máquina de combustión interna opera con un ciclo Diesel ideal con aire (R = 287 [J/(kg ºK)], k = 1.4). El gas se recibe a 78 [kPa] y 20 [°C], la relación de compresión es 15, la temperatura máxima y la presión máxima alcanzada por el fluido es 1500 [°C] y 3.456 [MPa] respectivamente, determine, en el SI:

a) El volumen específico del aire al final de la compresión adiabática, es decir su volumen específico mínimo.

b) El calor, referido a la unidad de masa, que se transmite al gas en el proceso a presión constante.

c)El calor, referido a la unidad de masa, cedido por el fluido en el proceso a volumen constante.

7. Se tiene un ciclo reversible Otto, en un motor que opera con 0.004 [kg] de aire como gas ideal. Se sabe que la presión máxima en el ciclo es 18 [bar] y su temperatura máxima 750 [K]. El volumen al inicio de la compresión adiabática es 0.0019 [m3] y la temperatura 20 [°C], determine:

a) La temperatura y el volumen al final de la compresión.b) La variación de entropía del inicio de la compresión hasta que alcanza la

presión máxima.

8. Suponga una máquina térmica que opera con un ciclo Otto, el cual funciona con aire como gas ideal. El gas entra (estado 1) a 100 [kPa] y 26 [°C], la relación de compresión, es decir, V1/V2 = 12 y la temperatura máxima que alcanza es 1850 [°C]. Considerando el ciclo como reversible, determine:

a) La variación de entropía especifica entre el estado que corresponde al inicio de la compresión adiabática y el que corresponde a la temperatura máxima alcanzada por el aire.

b) La eficiencia máxima que se podría tener si, entre los depósitos térmicos del problema, el ciclo que se utiliza es el de Carnot.

9. En el cilindro de un motor que opera con el ciclo reversible de Diesel en la compresión adiabática, la mezcla aire-combustible se comprime a 1/15 de su volumen inicial. Si la presión inicial (estado 1) es 100 [kPa] y su temperatura inicial es de 27 [°C], determine en el SI:

a) La temperatura y la presión al final de la compresión.b) El trabajo de compresión, suponiendo que el volumen inicial es 1 litro.

10. Para el ciclo del problema anterior, se sabe que su eficiencia es de 0.38 y que el trabajo neto que entrega es de 200 [J]. Si la masa del gas es 44 [g], determine:

a) La cantidad de calor que recibe el aire en el proceso isobárico.

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b) El cambio de la entropía y el de la entropía específica del gas durante la compresión adiabática.

11. Un ciclo Diesel que funciona con aire, en un ciclo reversible, tiene una relación de compresión r. El gas tiene una temperatura de 26 [°C] al inicio de la compresión adiabática y, al final de la misma, llega a 611 [°C] y 0.5 [m3/kg]. Si después de la expansión isobárica la temperatura que alcanza el fluido es 2500 [°C], determine para dicha expansión:

a) El volumen específico final del gas.b) El cambio de entropía específica.

12. Un ciclo Diesel reversible funciona con aire considerado como gas ideal, el cual entra a 77.000 [Pa] y 21 [°C]. La relación de compresión es 15 y la temperatura máxima que alcanza es 2000 [°C], determine en el proceso isobárico:

a) La presión del aire.b) La variación de entropía específica.

13. Un ciclo Otto tiene una relación de compresión de 8. En el proceso de admisión, el aire entra con una presión de 98 [kPa] y una temperatura de 29 [°C]. Si el aire se puede analizar como gas ideal, determine:

a) La presión y la temperatura del gas al final de la compresión adiabática.b) Si la temperatura máxima del aire es 1800 [°C], ¿Cuál es el calor, asociado

a cada unidad de masa, proporcionado al fluido de trabajo?

14. Un ciclo Otto ideal mono cilíndrico de cuatro tiempos y 60 [mm] de diámetro del pistón está limitado por los volúmenes V1 = 480 [cm³] y V2 = 120 [cm³], y por las presiones absolutas siguientes: P1 = 0.1 [MPa], P2 = 0.7 [MPa], P3 = 3.5 [MPa] y P4 = 0.5 [MPa]. Si consideramos que la sustancia de trabajo es aire como gas ideal, determine:

a) El diagrama de la presión en función del volumen, P = f (V) y la relación de compresión.

b) La temperatura del fluido al final de la compresión, si la temperatura al final del rechazo de calor al medio, a volumen constante, es 35 [°C].

c) La masa de aire.d) La variación de entropía en el proceso de la compresión.

II. CICLOS DE REFRIGERACION

15. Una industria que elabora platos preparados congelados, ocupa en su túnel de congelación, un equipo de refrigeración el cual utiliza refrigerante R-12. El calor retirado en el evaporador es de 25 (KW). El evaporador trabaja a una

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presión de 1.003 (bar). El compresor utilizado posee una eficiencia del 80 % y la entalpía ideal teórica al final de la compresión es de 370 (kj/kg). Asumiendo que el sistema se comporta de acuerdo al ciclo ideal teórico, calcular:

a) La Temperatura de condensación.b) Masa de refrigerante (kg/hr).c) Potencia real del compresor (Hp). d) Calor disipado en el condensador (Kcal/hr).

16. Un sistema de refrigeración que usa Refrigerante 12 se ha proyectado para una capacidad de refrigeración de 25 tons. El ciclo es un ciclo estándar de compresión de vapor, en el que la presión del evaporador es 2,1 (Kgf/cm2), y la presión del condensador es 9,5 (Kgf/cm2).

a) Calcular la masa de refrigerante en (Kg/hr).b) Determinar la potencia del compresor en (Hp).c) Calcular el calor cedido en el condensador en (Kcal/hr).d) Si el refrigerante es cambiado a R-22, manteniendo las mismas condiciones

de trabajo del sistema anterior, determinar la nueva potencia del compresor.

17. Se desea calcular la potencia del Compresor y Rendimiento del Condensador para una instalación frigorífica con Freon 22, con una carga térmica punta de Qe = 165.000 (kcal/hr). La temperatura de evaporación se establece en - 5 (ºC) y la de condensación en 27 (º C).

i-) Idem al anterior, pero con un calentamiento y subenfriamiento de 10 (º C).

18. Se requiere enfriar 1000 (ltr/hr) de un mosto, desde una temperatura de 23 (ºC) hasta 18 (ºC). (= 1(kg/ltr), Cp=1(kcal/kgºC)). Para ello se dispone de una unidad de refrigeración que funciona con R-22. Si la temperatura de condensación es de 50 (ºC) y la de evaporación 2 (ºC), Calcular (utilizando el ciclo de refrigeración teórico) :

a) Potencia del compresor requerido (HP).b) Capacidad del condensador (kcal/hr).c) Si inesperadamente ocurre un desperfecto en el sistema de refrigeración,

de forma tal que la temperatura de condensación se eleva en 10 (ºC), manteniéndose constante la de evaporación, para los mismos requerimientos de frío anteriores, ¿establecer si el condensador es capaz de disipar la cantidad de calor requerida.?

19.Una máquina frigorífica utiliza el ciclo estándar de compresión de vapor. Produce 50 kW de refrigeración utilizando como refrigerante R-22. Si su temperatura de condensación es 40°C y la de evaporación -10°C, calcular:

a) Efecto frigoríficob) Caudal de refrigerante

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c) Potencia de compresiónd) Coeficiente de eficiencia energéticae) Caudal volumétrico de refrigerante manejado por el compresorf) Temperatura de descarga del compresorg) Coeficiente de eficiencia energética del ciclo inverso de Carnot con las

mismas temperaturas de evaporación y condensación.

20.Un sistema de refrigeración mecánico utiliza R-134a como refrigerante. Este sistema opera en el condensador (lado de alta presión) con una presión de 900 kPa y en el evaporador con 200 kPa. El liquido refrigerante sé subenfria en 10 (ºC) y los vapores salen sobrecalentados en 5 (ºC). La carga de enfriamiento para este sistema es de 5 tons de refrigeración.

a) Determine la energía térmica removida en el condensador.b) Calcule la capacidad del compresor, suponiendo una eficiencia del 85%.c) Calcule el COP.

21.Al compresor de un refrigerador entra refrigerante R-134a como vapor sobrecalentado a 0.14 MPa y -10ºC a una tasa de 0.05 kg/s, y sale a 0.8 MPa y 50 ºC. El refrigerante se enfría en el condensador a 26ºC y 0.72 MPa, y se estrangula a 0.15 MPa. En estas condiciones, determinar:

a) Capacidad de refrigeración (en kW)b) La potencia suministrada al compresor (en HP)c) El coeficiente de operación del refrigerador.

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