1. Ciclo Rankine

La figura muestra el esquema de una central térmica que utiliza agua como fluido de trabajo y opera en régimen estacionario. En la misma se reflejan los valores de las propiedades de estado tanto del agua del ciclo como del agua de refrigeración a la entrada y salida de cada dispositivo. Para un flujo de agua del ciclo de 109 kg/s, considerando despreciables las variaciones de energía cinética y potencial, determine:

  1. El calor transferido al agua a su paso por el generador de vapor.
  2. El flujo másico del agua de refrigeración.
  3. La potencia neta desarrollada por la planta.
  4. El rendimiento térmico del ciclo.
  5. Represente el ciclo termodinámico en un diagrama T-s.

Figura:

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2. Compresor de dos etapas (isoentrópicas)

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3. Mezcla bifásica, Paletas, Trabajo, Entropía

Un depósito rígido y térmicamente aislado, contiene 3 kg de una mezcla bifásica líquido-vapor de agua a 200 kPa con un título del 84%. La mezcla se agita mediante un sistema de paletas hasta que en el tanque solo hay vapor saturado. Determine:

  1. La cantidad de energía transferida por las paletas al agua.
  2. La variación de entropía sufrida por el agua.
  3. Represente los estados inicial y final en que se encuentra el agua en los diagramas p-v y T-s.

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4. Coeficiente adiabático, Rendimiento, Ciclo de potencia

Un gas ideal de coeficiente adiabático 1,4 con un volumen específico de 0,008 m3/mol y presión de 4,20 bar, se expande adiabáticamente hasta un volumen específico de 0,025 m3/mol. Seguidamente, se somete a una compresión isoterma hasta un estado en el que recupera su volumen específico inicial. Por último, se somete a un calentamiento isócoro hasta el estado inicial. Represente en un diagrama p-V los procesos sufridos por el gas y determine:

  1. La presión p3 y la temperatura T3 del punto común de los procesos isotermo e isócoro sufridos por el gas.
  2. El rendimiento del ciclo de potencia.
  3. La variación de entropía que experimenta el gas en cada uno de los procesos.

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5. Ciclo de potencia y rendimiento

Un sistema lleva a cabo un ciclo de potencia recibiendo 1000 kJ de calor desde un foco caliente a 500 K y cediendo calor a un foco frío a 300 K. Si no hay otras transferencias de calor, determine cuál sería la entropía generada en el ciclo para cada uno de los valores de los rendimientos siguientes:

a) η = 60%

b) η = 40%

c) η = 20%

d) η = 10%

Indique cuáles son posibles, cuáles corresponden a un ciclo internamente reversible y en cuáles existen irreversibilidades.

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6. Ciclo de potencia con turbina

Tenemos un ciclo de potencia con turbina de gas, que opera en estado estacionario. Entra aire a 100 kPa y 300 K con un flujo volumétrico de 5 m3/s y sale a 640 K y 1 MPa.

En la turbina, el aire entra a 1400 K y 1 MPa y sale a 900 K y 1 kPa. El aire recibe calor en un intercambiador a una temperatura media de 1020 K.

Considerando que el compresor y la turbina son adiabáticos, despreciando los efectos de las energías cinética y potencial, y suponiendo que el aire se comporta como un gas ideal, determine:

a) La potencia neta desarrollada por el sistema.

b) El flujo de calor absorbido por el aire en el intercambiador.

c) Los rendimientos isoentrópicos del compresor y de la turbina.

d) La entropía generada por unidad de tiempo en cada dispositivo, indicando las principales causas de las irreversibilidades.

e) Represente los procesos sufridos por el aire en un diagrama T-s.

Datos: R = 8,314 KJ/(kmol.K) | M (aire) = 28,97 g/mol

Consideraciones e hipótesis:

  1. El sistema se encuentra en estado estacionario.
  2. El compresor y la turbina son adiabáticos.
  3. El intercambio de calor se efectúa a una temperatura uniforme.
  4. Se desprecian los efectos de las energías cinética y potencial.
  5. El aire se comporta como gas ideal.

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7. Rendimiento, Calor y Entropía

Un motor eléctrico que opera en estado estacionario consume 10 A con un voltaje de 220 V.

El eje gira a 1000 rpm y el momento del par en el eje es de 16 N·m.

La superficie del motor se encuentra a 47ºC y el ambiente a 20ºC.

Determine:

  1. El rendimiento del motor eléctrico.
  2. La velocidad de transferencia de calor del motor a los alrededores.
  3. La velocidad de generación de entropía del motor.
  4. La velocidad de aumento de entropía del universo.

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8. Una pizza en el frigorífico

He comprado una pizza y la he metido en un frigorífico para pizzas.

En las instrucciones del paquete de la pizza pone bien clarito que hay que mantenerla a una temperatura de -3ºC.

En régimen estacionario, el refrigerador mantiene el compartimento congelador a -3ºC tomando calor de la pizza a una razón de 1000 kJ/h.

Si el entorno del refrigerador está a 23ºC, determine la mínima potencia teórica necesaria para que funcione.

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9. Generación de Entropía

Se desea elevar la temperatura del aire confinado en un depósito rígido. El proceso lo podemos realizar transfiriendo calor desde un foco térmico, mediante transferencia de trabajo agitando el aire con un sistema de paletas o sometiéndolo simultáneamente a los dos procesos. Analice en qué condiciones el proceso se lleva a cabo:

  1. Con la máxima producción de entropía.
  2. Con la mínima producción de entropía.

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10. Intercambiador de calor

Un intercambiador de calor a contracorriente opera en estado estacionario. Una de las corrientes es de agua líquida, que entra a 10 ºC y sale a 20 ºC sin cambio apreciable de presión. La otra corriente es de R134a, que entra a 10 bar y 80 ºC, y sale a 10 bar y 20 ºC con un flujo másico de 135 kg/h. Considerando el agua como líquido incompresible con cp = 4,179 kJ/kg y que el intercambio de calor con el entorno y las variaciones de energía cinética y potencial son despreciables, determine:

  1. El caudal másico de agua líquida.
  2. La generación de entropía expresada en kW/K.

Datos de entalpía específica para el R134a:

  • Entalpía a 80ºC y 10 bar: 313,20 (kJ/kg)
  • Entalpía a 20ºC y 10 bar: 77,26 (kJ/kg)

Datos de entropía específica para el R134a:

  • Entropía a 80ºC y 10 bar: 1,0405 (kJ/kg·K)
  • Entropía a 20ºC y 10 bar0,2924 (kJ/kg·K)

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