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Ejercicios de Termodinmica 1 Semestre del 2016 1

Universidad de Talca Curic; Mayo 30 de 2016Facultad de IngenieraDepartamento de Tecnologas Industriales

EJERCICIOS DE TERMODINMICA Y MQUINQS TRMICASProf.: Dr.-Ing.: Gonzalo Eugenio Salinas Salas

1.- Un ciclo Otto, opera con una mezcla de un 10% de gas de octano (C 8H18) y aire estndar. Lamezcla ingresa al ciclo con una temperatura de 17C y una presin de 0,9 bara y una cilindradade 2.000 cm3. Considerando que la relacin de compresin es 8, la temperatura de salida delproceso a volumen constante es 477C, que la potencia calorfica del combustible es 36 MJ/kg,su densidad 620 kg/m3y su rendimiento de combustin es 70%. Determine:

i. El rendimiento del cicloii. El trabajo neto desarrollado por el ciclo

iii. El consumo de combustible en gr y Liv. El valor de la presin, temperatura y caudal volumtrico al inicio de cada proceso

2.- Un ciclo Diesel, opera con una mezcla de un 25% de gas de dodecano (C12H26) y aire estndar.

La mezcla ingresa al ciclo con una temperatura de 27C y una presin de 0,90 bara y una cilin-drada de 8.000 cm3. Considerando que la relacin de compresin es 18 y la relacin de admi-sin es 4. Asumiendo una potencia calorfica del combustible es 40 MJ/kg, su densidad 910kg/m3y su rendimiento de combustin es 85%. Determine:i. El rendimiento del cicloii. El trabajo neto desarrollado por el ciclo por unidad de masa de mezcla

iii. El consumo de combustible en kg en Lvi. El valor de la presin, temperatura y caudal volumtrico al inicio de cada proceso

3.- Un ciclo Brayton o Joule opera con una mezcla de un 20% de gas de cetano (CH 6) y aire estn-dar. La mezcla ingresa al ciclo con una temperatura de 12C y una presin de: 0,95 bara, re-quiriendo el ciclo para su operacin un caudal volumtrico al ingreso de 20 m 3/s. Considerando

que la relacin de presiones es 5, la temperatura de entrada a la turbina es 1.000C, el rendi-miento del compresor es 80%,y la temperatura de salida de la turbina es 600C. Considerandouna potencia calorfica del combustible de 38 MJ/kg su densidad 5 kg/m3y su rendimiento decombustin de 75%. Determine:i. El rendimiento ideal y real del ciclo

ii. El rendimiento de la turbinaiii. El consumo de combustible en kg y m3iv. El valor de la presin, temperatura y caudal volumtrico al inicio de cada proceso ideal y real

4.- Un ciclo Rankine con recalentamiento, opera con un caudal masico de agua de 1,5 ton/hr, en-tre los siguientes lmites de presin: presin de alta: 2 MPaa, presin de baja: 0,25 MPaa.Considerando que la temperatura real de ingreso del agua a la caldera es de 405 K, que el ttu-

lo de salida ideal de la turbina es 96,666%, la potencia ideal desarrollada por la turbina es183,6 kW y su rendimiento es 92%. La caldera y recalentador operan con carbn, cuya poten-cia calorfica es 28 MJ/kg y su rendimiento de combustin e intercambio de calor es 70%. Paraesta situacin determine, empleando la notacin estndar:Determine:i. El rendimiento de la bomba

ii. Los rendimientos ideales y reales del cicloiii. El consumo mensual de combustibleiv. El valor de la presin, temperatura, titulo, entalpa y entropa, al inicio de cada proceso ideal

y real

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5.- Un ciclo Rankine con recalentamiento, opera con un caudal masico de agua de 600 gr/min,entre los siguientes lmites de presin: presin de alta 2 MPaa, presin de baja 0,25 MPaa.

Considerando que la temperatura de ingreso a la turbina son 277C, el rendimiento de la bom-ba es 50%, que el titulo real de salida de la turbina es 100%. La caldera y recalentador operancon biomasa, cuya potencia calorfica es 20 MJ/kg y su rendimiento de combustin e intercam-bio de calor es 55%. Para esta situacin determine, empleando la notacin estndar:Determine:

i.- El rendimiento de la turbinaii.- Los rendimientos ideales y reales del ciclo

iii.- El consumo semanal de combustibleiv.- Un listado que contenga los valores de: temperatura, presin, entalpa y entropa para ca-

da punto del ciclo

Recalentador

Bomba

Turbina

Caldera

Condensador

15

2 3

4

Quemador

Recalentador

Bomba

Turbina

Caldera

Condensador

15

2 3

4

Quemador

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100 V 5 cm

1 mm

8.- Un intercambiador de calor contracorriente que utilizan agua. El largo del intercambiador es 3m. Utilizando tubos de cobre de 1" de dimetro interior, con un espesor de 0,5 mm. Por su inte-rior, se depositaron incrustaciones con una conductividad trmica de 1,2 W/mC y un espesorde 1 mm. Tambin, por el exterior se producen incrustaciones, siendo la conductividad trmi-cas de estas de 3 W/mC y con un espesor de 0,5 mm. El caudal volumtrico de agua de cale-faccin que ingresa al intercambiador es 15 l/min, con una temperatura de 90C, egresandocon una temperatura de 30C. Por su parte, el agua de enfriamiento ingresa a 10C y egresa a22C. Los coeficientes peliculares son: interior 3,2 kW/m2C, exterior 1,5 kW/m2C.Determine:

i.- El cambio porcentual del flujo de calor entre un intercambiador con sus tubos incrustados,respecto de uno gemelo con sus tubos limpios

ii.- El cambio porcentual del nmero de tubos entre un intercambiador con sus tubos incrusta-dos, respecto de uno gemelo con sus tubos limpios

9.- Los motores Disel de una central trmica son refrigerados mediante agua absorbindose 500kW de flujo de energa trmica. Utilizando para ello un intercambiador de calor del tipo tubo-carcaza, de un paso y una longitud de 12 m construido con tubos de cobre de 1" de dimetrointerior y un espesor de 1 mm. Siendo los valores de los coeficientes peliculares convectivosmedios los siguientes: exterior; he= 3,6 kW/m

2C, interior; hi= 2,5 kW/m2C. Los tubos pre-

sentan incrustaciones por sarro, de un espesor en el interior de 0,5 mm y una conductividadtrmica de 7,5 W/mC y por el exterior el espesor del sarro es 1,5 mm y su conductividad tr-mica es 9 W/mC. Por su parte, el agua calefaccionadora ingresa al intercambiador a 90C y

sale de l a 30C. Por su parte, el agua refrigerante ingresa a 10C y sale de l a 43,34C. Pa-ra esta situacin, determine:i.- El nmero de tubos

ii.- El caudal de agua de refrigeracin

10.- "La Gatita", un barco portacontainer de manzanas, botado en 1967, desplaza 5283 ton, siendosu capacidad de carga 2337 ton, sus principales dimensiones son: eslora 108 m, manga 14,5m y calado 5,5 m, desarrollando una velocidad de crucero de 15 nudos, para lo cual requie-re de una potencia en el eje de propela de 3730 kW. Para lo cual utiliza un sistema de propul-sin del tipo Disel-elctrico dotado de tres motores Diesel MaK-8Z451, en serie, con un grupogenerador-motor Siemmens caractersticas tcnicas de los motores Disel son las siguientes:Tipo de motor: Disel de 2 tiemposNumero de motores: 3Numero de cilindros: 8Longitud de la carrera: 450 mmDimetro del pistn: 320 mmRelacin de compresin: 14 / 1Momento torsor efectivo: 34,5 mkNFrecuencia rotacional: 360 rpmCaudal volumtrico de combustible: 450 l/hrDensidad relativa del combustible: 0,92Potencia calorfica del combustible: 41,5 MJ/kgPorcentaje de calor cedido a la refrigeracin: 45 %

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Rendimiento mecnico de los motores Disel: 95 %Rendimiento del generador: 97 %Rendimiento del motor elctrico: 98 %Proporcin de aire: 1,15Presin atmosfrica: 0,98 baraTemperatura atmosfrica: 15CDetermine:

i.- El rendimiento de la transmisinii.- El rendimiento trmico efectivo del motor

iii.- El caudal consumido de aireiv.- El consumo especfico de combustible

11.- Un motor BMW - 801, del tipo J - Flugmotor, posee las siguientes caractersticas nominales:Tipo de motor: Otto de 4 tiemposNumero de cilindros: 14Longitud de la carrera: 156 mmDimetro del pistn: 156 mmRelacin de compresin: 7,2 / 1

A este motor se le realiza un ensayo, utilizndose para esto un freno hidrulico Junker, del tipo:GHJ - 015, evalundose los siguientes valores:

Velocidad del motor: 3000 rpmMomento Torsor efectivo: 3,8 m-kNCaudal de combustible consumido: 7,8 l/minPotencia calorfica del combustible: 42 MJ/kgDensidad relativa del combustible: 0,71Dimetro del mltiple de admisin: 15 cmVelocidad del aire en el mltiple de admisin: 40 m/sPresin atmosfrica: 0,92 baraTemperatura atmosfrica: 15CConstante de presin del diagramador: 48 kPa/mmEvale:i.- El trabajo indicado, considerando 18 particionesii.- Una tabla de valores que contenga las siguientes datos del motor: mc, be, e, ma, ra/c, ev,

Ni, em

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