Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CICLOS DE POTENCIA DE GAS
9-164 Un motor de cuatro cilindros de ignición por
chispa tiene una relación de compresión de 10.5,
y cada cilindro tiene un volumen máximo de 0.4 L. Al principio
del proceso de compresión, el aire está a 98 kPa y 37 °C,
y la temperatura máxima en el ciclo es 2 100 K. Suponiendo
que el motor opera en el ciclo ideal de Otto, determine a) la
cantidad de calor suministrado por cilindro, b) la eficiencia
térmica y c) el número de revoluciones por minuto necesario
para una producción neta de potencia de 45 kW. Suponga
calores específicos variables para el aire.
9-165 Reconsidere el problema 9-164. Usando software
EES (u otro), estudie el efecto de variar la
relación de compresión de 5 a 11 sobre el trabajo neto realizado
y la eficiencia del ciclo. Trace los diagramas P-v y T-s
para el ciclo, y explique los resultados.
9-166 Un ciclo ideal de Carnot de gas usa helio como fluido
de trabajo y rechaza calor a un lago a 15 °C. Determine la
relación de presiones y la relación de compresión para el proceso
isentrópico de compresión y la temperatura mínima de
la fuente de calor para que este ciclo tenga una eficiencia térmica
de 50 por ciento. Respuestas: 5.65, 2.83, 576 K
9-167E Repita el problema 9-166 cuando el lago está a 60
°F y la eficiencia del ciclo de Carnot debe ser 60 por ciento.
9-168 Un combustible típico de hidrocarburos produce
43,000 kJ/kg de calor cuando se usa en un motor de ignición
por chispa. Determine la relación de compresión que se necesita
para que un ciclo ideal de Otto use 0.035 gramos de combustible
para producir 1 kJ de trabajo. Use calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Respuesta: 15.3
9-169 Un ciclo ideal de 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 media efectiva para el
ciclo.
9-170 Repita el problema 9-169 usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente.
9-171E Un ciclo dual ideal tiene una relación de compresión
de 14 y usa aire como fluido de trabajo. Al principio del proceso
de compresión, el aire está a 14.7 psia y 120 °F, y ocupa
un volumen de 98 pulg 3 . Durante el proceso de adición de
calor, se transfieren al aire 0.6 Btu de calor a volumen constante
y 1.1 Btu a presión constante. Usando calores específicos
constantes evaluados a temperatura ambiente, determine
la eficiencia térmica del ciclo.
9-172 Considere un ciclo Stirling ideal usando aire como
fluido de trabajo. El aire está a 350 K y 200 kPa al principio
del proceso de compresión isotérmica, y se agrega calor al
aire desde una fuente a 1.800 K en la cantidad de 900 kJ/kg.
Determine a) la presión máxima en el ciclo y b) la producción
neta de trabajo por unidad de masa de aire.
Respuestas: a) 5.873 kPa, b) 725 kJ/kg
9-173 Considere un ciclo Brayton ideal simple con aire
como fluido de trabajo. La relación de presiones del ciclo es
6, y las temperaturas mínima y máxima son 300 y 1.300 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.
Respuestas: a) 41.5 kJ/kg, b) 10.6 por ciento
9-174 Repita el problema 9-173 usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente.
9-175 Un ciclo de turbina de gas con regeneración opera
con dos etapas de compresión y dos etapas de expansión. La
relación de presiones a través de cada etapa de compresor y
de turbina es 4. El aire entra a cada etapa del compresor a
300 K, y a cada etapa de la turbina a 1.400 K. Las eficiencias
de compresor y de turbina son 78 y 86 por ciento, respectivamente,
y la efectividad del regenerador es 75 por ciento.
Determine la relación del trabajo de retroceso y la eficiencia
térmica del ciclo, suponiendo calores específicos constantes
para el aire a temperatura ambiente.
Respuestas: 0.475, 45.1 por ciento
9-176 Reconsidere el problema 9-175. Usando software
EES (u otro), estudie los efectos de variar
las eficiencias isentrópicas para el compresor y la turbina y la
efectividad del regenerador sobre el trabajo neto realizado y el
calor suministrado al ciclo para el caso de calores específicos
variables. Suponga que las eficiencias isentrópicas y la efectividad
varían de 70 a 90 por ciento. Trace el diagrama T-s para
el ciclo.
9-177 Repita el problema 9-175 usando helio como fluido
de trabajo.
9-178 Considere un ciclo ideal de turbina de gas con una
etapa de compresión y dos etapas de expansión y regeneración.
La relación de presiones a través de cada etapa de turbina
es la misma. Los gases de escape de la turbina de alta
presión entran al regenerador y luego entran a la turbina de
baja presión para expansión a la presión de entrada del compresor.
Determine la eficiencia térmica de este ciclo como
función de la relación de compresión del compresor y la relación
de temperatura de entrada a la turbina de alta presión a
la temperatura de entrada al compresor. Compare su resultado
con la eficiencia del ciclo regenerativo estándar.
9-179 Una planta de turbina de gas opera en el ciclo Brayton
regenerativo con dos etapas de recalentamiento y dos etapas de
interenfriamiento entre los límites de presión de 100 y 1 200
kPa. El fluido de trabajo es aire. El aire entra a la primera y a
la segunda etapas del compresor a 300 K y 350 K, respectivamente,
y a la primera y segunda etapas de la turbina, a 1 400
K y 1.300 K, respectivamente. Suponiendo que tanto el compresor
como la turbina tienen una eficiencia isentrópica de 80
por ciento y que el regenerador tiene una efectividad de 75 por
ciento, y usando calores específicos variables, determine a) la
relación del trabajo de retroceso y la producción neta de trabajo,
b) la eficiencia térmica y c) la eficiencia según la segunda
ley del ciclo. También determine d) las exergías en las sali-