10-2E En la caldera de una máquina de Carnot de flujo estacionario entra agua como líquido saturado a 250 psia y sale con una calidad de 0.95. El vapor sale de la turbina a una presión de 40 psia. Muestre el ciclo en un diagrama T-s respecto de las líneas de saturación y de termine a) la eficiencia térmica, b) la calidad al final del proceso de rechazo de calor isotérmico y c) la salida neta de trabajo. Get solution
10-3 Un ciclo de Carnot de flujo estacionario utiliza agua como fluido de trabajo. El agua cambia de líquido saturado a vapor saturado cuando se le transfiere calor de una fuente a 250 °C. El rechazo de calor sucede a una presión de 20 kPa. Muestre el ciclo en un diagrama T-s respecto a las líneas de saturación y determine a) la eficiencia térmica, b) la cantidad de calor rechazado, y c) la salida neta de trabajo. Get solution
10-4 Repita el problema 10-3 para una presión de rechazo de calor de 10 kPa. Get solution
10-5 Considere un ciclo de Carnot de flujo estacionario con agua como fluido de trabajo. Las temperaturas máxima y mínima en el ciclo son 350 y 60 °C. La calidad del agua es 0.891 al principio del proceso de rechazo de calor y 0.1 al final. Muestre el ciclo en un diagrama T-s respecto a las líneas de saturación y determine a) la eficiencia térmica, b) la presión en la entrada de la turbina y c) la salida neta de trabajo. Get solution
10-6C ¿Cuáles son los cuatro procesos que i tegran el ciclo Rankine ideal simple? Get solution
10-7C Consid re un ciclo Ran ki ne ideal simple con con diciones fijas a la en trada de la turbina. Cuál es el efecto que pro vo ca reducir la presión del con densador en
10-8C Considere un ciclo Rankine ideal simple con temperatura fija a la entrada de la turbina y presión fija del condensa dor. Cuál es el efec to de au men tar la pre sión de la cal de ra en
10-9C Considere un ciclo Rankine ideal simple con presiones de la caldera y el condensador fijas. Cuál es el efecto de sobre calentar el vapor a una temperatura más alta en
10-10C ¿En qué difieren los ciclos reales de energía de vapor de los idealizados? Get solution
10-11C Compare las presiones a la entrada y a la salida de la caldera para ciclos a) real y b) ideal. Get solution
10-12C La entropía del vapor de agua aumenta en las turbinas reales de vapor como resultado de las irreversibilidades. En un esfuerzo por controlar el aumento de entropía, se propone enfriar el vapor de agua en la turbina haciendo circular agua de enfriamiento alrededor de la carcasa de la turbina. Se alega que esto reducirá la entropía y la entalpía del vapor a la salida de la turbina y aumentará por tanto la producción de trabajo. ¿Cómo evaluaría usted esta propuesta? Get solution
10-13C ¿Es posible mantener una presión de 10 kPa en un condensador que se enfría mediante agua de río que entra a 20 °C? Get solution
10-14 Un ingeniero ha propuesto usar un ciclo Rankine ideal simple que usa refrigerante 134a para producir trabajo con calor de un depósito de energía térmica de baja temperatura. La caldera opera a 1.6 MPa, el condensador a 0.4 MPa, y la entrada de la turbina a 80 °C. Determine el flujo másico de 134a necesario para que este ciclo produzca 750 kW de potencia, y la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
10-15 Se usa refrigerante 134a como fluido de trabajo en un ciclo Rankine ideal simple que opera la caldera a 1 400 kPa y el condensador a 10 °C. La mezcla a la salida de la turbina tiene una calidad de 98 por ciento. Determine la temperatura de entrada a la turbina, la eficiencia térmica del ciclo y la relación de trabajo de retroceso de este ciclo. Get solution
10-16 Un ciclo Rankine ideal simple que usa agua como fluido de trabajo opera su condensador a 40 °C y su caldera a 300 °C. Calcule el trabajo que produce la turbina, el calor que se suministra en la caldera, y la eficiencia térmica de este ciclo cuando el vapor entra a la turbina sin ningún sobrecalentamiento. Get solution
10-17E La turbina de una planta eléctrica de vapor que opera en un ciclo Rankine ideal simple produce 1 750 kW de potencia cuando la caldera opera a 800 psia, el condensador a 3 psia, y la temperatura a la entrada de la turbina es 900 °F. Determine la tasa de suministro de calor en la caldera, la tasa de rechazo de calor en el condensador y la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
10-18E Un ciclo Rankine ideal simple con agua como fluido de trabajo opera entre los límites de presión de 2 500 psia en la caldera y 5 psia en el condensador. ¿Cuál es la temperatura mínima necesaria a la entrada de la turbina para que la calidad del vapor que sale de la turbina no sea menor de 80 por ciento? Cuando se opera a esta temperatura, ¿cuál es la eficiencia térmica del ciclo? Get solution
10-19E Un ciclo Rankine de vapor de agua opera entre los límites de presión de 2.500 psia en la caldera y 1 psia en el condensador. La temperatura a la entrada de la turbina es de 800 °F. La eficiencia isentrópica de la turbina es de 90 por ciento, las pérdidas de la bomba son despreciables y el ciclo está diseñado para producir 1.000 kW de potencia. Calcule el flujo másico a través de la caldera, la potencia que produce la turbina, la tasa de suministro de calor en la caldera y la eficiencia térmica. Get solution
10-20E Reconsidere el problema 10-19E. ¿Cuánto error se introduciría en la eficiencia térmica si la potencia que necesita la bomba se despreciara por completo? Get solution
10-21 Considere una planta eléctrica de vapor de agua que opera en un ciclo Rankine ideal simple y tiene una producción neta de potencia de 45 MW. El vapor entra a la turbina a 7 MPa y 500 °C y se enfría en el condensador a una presión de 10 kPa mediante la circulación de agua de enfriamiento de un lago por los tubos del condensador a razón de 2.000 kg/s. Muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación y determine a) la eficiencia térmica del ciclo, b) el flujo másico del vapor y c) la elevación de temperatura del agua de enfriamiento. Respuestas: a) 38.9 por ciento, b) 36 kg/s, c) 8.4 °C Get solution
10-22 Repita el problema 10-21 suponiendo una eficiencia isentrópica de 87 por ciento tanto para la turbina como para la bomba. Respuestas: a) 33.8 por ciento, b) 41.4 kg/s, c) 10.5 °C Get solution
10-23 Un ciclo Rankine simple usa agua como fluido de trabajo. La caldera opera a 6 000 kPa y el condensador a 50 kPa. A la entrada de la turbina, la temperatura es 450 °C. La eficiencia isentrópica de la turbina es 94 por ciento, las pérdidas de presión y de bomba son despreciables, y el agua que sale del condensador está subenfriada en 6.3 °C. La caldera está diseñada para un flujo másico de 20 kg/s. Determine la tasa de adición de calor en la caldera, la potencia necesaria para operar las bombas, la potencia neta producida por el ciclo, y la eficiencia térmica. Respuestas: 59 660 kW; 122 kW; 18 050 kW; 30.3 por ciento Get solution
10-24 Mediante el uso del software EES (u otro), determine cuánto cambiaría la eficiencia térmica del ciclo en el problema 10-23 si hubiera una caída de presión de 50 kPa a través de la caldera. Get solution
10-25 Se deben calcular y comparar la producción neta de trabajo y la eficiencia térmica para los ciclos Carnot y Rankine ideal simple. El vapor de agua entra a la turbina en ambos casos a 5 MPa como vapor saturado y la presión del condensador es de 50 kPa. En el ciclo Rankine, el estado de salida del condensador es líquido saturado y en el ciclo Carnot el estado de entrada a la caldera es líquido saturado. Trace diagramas T-s para ambos ciclos. Get solution
10-26 Considere una planta termoeléctrica que quema el carbón y que produce 120 MW de potencia eléctrica. La planta opera en un ciclo Rankine ideal simple con condiciones de entrada a la turbina de 9 MPa y 550 °C, y una presión del condensador de 15 kPa. El carbón tiene un poder calorífico (energía liberada cuando se quema el combustible) de 29,300 kJ/kg. Suponiendo que 75 por ciento de esta energía se transfiere al vapor de agua en la caldera, y que el generador eléctrico tiene una eficiencia de 96 por ciento, determine a) la eficiencia total de la planta (la relación de producción neta de potencia eléctrica a entrada de energía como resultado de combustión de combustible) y b) la tasa necesaria de suministro de carbón. Respuestas: a) 28.4 por ciento, b) 51.9 t/h Get solution
10-27 En la figura P10-27 se da el esquema de una planta geotérmica de una sola cámara de vaporización instantánea, con números de estados indicados. El recurso geotérmico está disponible como líquido saturado a 230 °C. El líquido geotérmico se saca del pozo de producción a razón de 230 kg/s, y se estrangula de la cámara de vaporización instantánea a una presión de 500 kPa, mediante un proceso esencialmente isen- tálpico, al separador donde se separa el vapor resultante del líquido y se conduce a la turbina. El vapor sale de la turbina a 10 kPa con un contenido de humedad de 10 por ciento, y entra al condensador donde se condensa y se conduce a un pozo de reinyección al suelo, junto con el líquido que viene del separador. Determine a) el flujo másico del vapor a través de la turbina, b) la eficiencia isentrópica de la turbina, c) la producción de potencia por la turbina y d) la eficiencia térmica de la planta (la relación de la producción de trabajo por la turbina a la energía del fluido geotérmico relativa a las condiciones ambientales estándar). Get solution
10-28 Reconsidere el problema 10-27. Ahora se propone que el agua líquida que sale del separador se conduzca a través de otra cámara de vaporización instantánea que se mantiene a 150 kPa, y que el vapor que se produce se conduzca a una etapa de la misma turbina de presión baja. Ambos flujos de vapor salen de la turbina en el mismo estado de 10 kPa y 90 por ciento de calidad. Determine a) la temperatura del vapor a la salida de la segunda cámara de vaporización instantánea, b) la potencia que produce la etapa de la turbina de presión baja y c) la eficiencia térmica de la planta. Get solution
10-29 Reconsidere el problema 10-27. Ahora se propone que el agua líquida que viene del separador se use como fuente de calor en un ciclo binario con isobutano como fluido de trabajo. El agua líquida geotérmica sale del intercambiador de calor a 90 °C mientras que el isobutano entra a la turbina a 3.25 MPa y 145 °C y sale a 80 °C y 400 kPa. El isobutano se condensa en un condensador enfriado por aire y luego se bombea a la presión del intercambiador de calor. Suponiendo una eficiencia isentrópica de 90 por ciento para la bomba, determine a) el flujo másico del isobutano en el ciclo binario, b) la producción neta de potencia tanto por la sección donde se tiene vaporización instantánea de agua geotérmica como por la sección binaria de la planta y c) la eficiencia térmica del ciclo binario y la planta combinada. Las propiedades del isobutano se pueden obtener de EES. Get solution
10-30C ¿Cómo cambian las siguientes cantidades cuando un ciclo Rankine simple ideal se modifica con recalentamiento? Suponga que el flujo másico se mantiene igual.
10-31C ¿Hay una presión óptima para recalentar el vapor de agua en un ciclo Rankine? Explique. Get solution
10-32C Considere un ciclo Rankine ideal simple y un ciclo Rankine con tres etapas de recalentamiento. Ambos ciclos operan entre los mismos límites de presión. La temperatura máxima es 700 °C en el ciclo simple y 450 °C en el ciclo con recalentamiento. ¿Cuál ciclo piensa usted que tendrá una eficiencia térmica más alta? Get solution
10-33 Un ciclo ideal de recalentamiento Rankine con agua como fluido de trabajo opera la entrada de la turbina de alta presión a 8 000 kPa y 450 °C; la entrada de la turbina de baja presión a 500 kPa y 500 °C, y el condensador a 10 kPa. Determine el flujo másico a través de la caldera que se necesita para que este sistema produzca una potencia neta de 5 000 kW, y la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
10-34 Un ciclo Rankine ideal con recalentamiento con agua como el fluido de trabajo funciona con una presión en la caldera de 15 000 kPa, el recalentador a 2 000 kPa y el condensador a 100 kPa. La temperatura es de 450 °C a la entrada de las turbinas de alta y baja presión. El flujo másico a través del ciclo es de 1.74 kg/s. Determine la potencia usada por las bombas, la potencia producida por el ciclo, la tasa de transferencia de calor en el recalentador y la eficiencia térmica de este sistema. Get solution
10-35 Una planta termoeléctrica que usa el vapor de agua, opera en el ciclo Rankine ideal con recalentamiento. El vapor entra a la turbina de alta presión a 6 MPa y 400 °C y sale a 2 MPa. El vapor se recalienta luego a presión constante a 400 °C antes de expandirse a 20 kPa en la turbina de baja presión. Determine la producción de trabajo de la turbina, en kJ/kg, y la eficiencia térmica del ciclo. También muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación. Get solution
10-36 Reconsidere el problema 10-35. Usando software EES (u otro), resuelva este problema mediante la herramienta de ingreso de datos en ventana de diagrama de EES. Incluya los efectos de las eficiencias de la turbina y la bomba y muestre también los efectos del recalentamiento sobre la calidad de vapor a la salida de la turbina de baja presión. Grafique el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación. Explique los resultados en sus estudios paramétricos. Get solution
10-37E Considere una planta termoeléctrica de vapor de agua que opera en el ciclo Rankine con recalentamiento. La planta mantiene la entrada de la turbina de alta presión a 600 psia y 600 °F, la entrada de la turbina de baja presión a 200 psia y 600 °F, y el condensador a 10 psia. La potencia neta que produce esta planta es de 5.000 kW. Determine la tasa de adición y rechazo de calor y la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
10-38E En el problema 10-37E, ¿hay alguna ventaja en operar la sección de recalentamiento de la caldera a 100 psia en vez de 200 psia, manteniendo la misma temperatura de entrada a la turbina de baja presión? Get solution
10-39 Considere una planta termoeléctrica de vapor de agua que opera en el ciclo Rankine ideal con recalentamiento. La planta mantiene la caldera a 7.000 kPa, la sección de recalentamiento a 800 kPa, y el condensador a 10 kPa. La calidad del vapor húmedo a la salida de ambas turbinas es de 93 por ciento. Determine la temperatura a la entrada de cada turbina y la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
10-40 Una planta termoeléctrica de vapor de agua opera en un ciclo Rankine ideal con recalentamiento entre los límites de presión de 15 MPa y 10 kPa. El flujo másico de vapor a través del ciclo es 12 kg/s. El vapor entra a ambas etapas de la turbina a 500 °C. Si el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina de baja presión no debe exceder 10 por ciento, determine a) la presión a la que tiene lugar el recalentamiento, b) la tasa total de entrada de calor a la caldera y c) la eficiencia térmica del ciclo. También muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación. Get solution
10-41 Una planta termoeléctrica de vapor de agua opera en el ciclo Rankine con recalentamiento. El vapor entra a la turbina de alta presión a 12.5 MPa y 550 °C, a razón de 7.7 kg/s y sale a 2 MPa. El vapor luego se recalienta a presión constante a 450 °C antes de expandirse en la turbina de baja presión. Las eficiencias isentrópicas de la turbina y la bomba son 85 por ciento y 90 por ciento, respectivamente. El vapor sale del condensador como líquido saturado. Si el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina no debe exceder 5 por ciento, determine a) la presión de condensador, b) la producción neta de potencia y c) la eficiencia térmica Get solution
10-42C ¿Cómo cambian las siguientes cantidades cuando el ciclo Rankine ideal simple se modifica con regeneración? Suponga que el flujo másico a través de la caldera es el mismo.
10-43C Durante el proceso de regeneración se extrae algo de vapor de agua de la turbina y se usa para calentar el agua líquida que sale de la bomba. Esto no parece muy inteligente, pues el vapor extraído podría producir algo más de trabajo en la turbina. ¿Cómo justifica usted esta acción? Get solution
10-44C ¿En qué se distinguen los calentadores abiertos de agua de alimentación de los calentadores cerrados de agua de alimentación? Get solution
10-45C Considere un ciclo Rankine ideal simple y un ciclo ideal Rankine regenerativo con un calentador abierto de agua de alimentación. Los dos ciclos son muy parecidos, salvo que el agua de alimentación en el ciclo regenerativo se calienta extrayendo algo de vapor justo antes de que entre a la turbina. ¿Cómo compararía usted las eficiencias de estos ciclos? Get solution
10-46C Invente un ciclo Rankine regenerativo que tenga la misma eficiencia térmica que el ciclo Carnot. Muestre el ciclo en un diagrama T-s. Get solution
10-47E El vapor de extracción de turbina entra a un calentador abierto de agua de alimentación de un ciclo regenerativo Rankine a 20 psia y 250 °F, mientras que el agua fría de enfriamiento entra a 110 °F. Determine la relación de flujo másico de vapor de extracción a flujo másico de entrada de agua necesaria para calentar el agua de alimentación a 225 °F. Get solution
10-48 El calentador cerrado de agua de alimentación de un ciclo regenerativo Rankine debe calentar agua a 7 000 kPa desde 260 °C hasta líquido saturado. La turbina suministra a esta unidad vapor de purga a 6 000 kPa y 325 °C. Este vapor se condensa como líquido saturado antes de entrar a la bomba. Calcule la cantidad de vapor de purga necesaria para calentar 1 kg de agua de alimentación en esta unidad. Get solution
10-49E El ciclo ideal regenerativo Rankine con un calentador abierto de agua de alimentación usa agua como fluido de trabajo. La entrada a la turbina se opera a 500 psia y 600 °F, y el condensador a 5 psia. El vapor se suministra al calentador abierto de agua de alimentación a 40 psia. Determine el trabajo que produce la turbina, el trabajo que consumen las bombas, y el calor rechazado en el condensador para este ciclo por unidad de flujo a través de la caldera. Get solution
10-50E Determine el cambio en eficiencia térmica del ciclo en el problema 10-49E, cuando el vapor suministrado al calentador abierto de agua está a 60 psia en vez de 40 psia. Get solution
10-51E Reconsidere el problema 10-49E. Usando el software EES (u otro), determine la presión óptima de extracción para el calentador abierto de agua de alimentación para elevar al máximo la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
10-52 Una planta eléctrica de vapor opera en un ciclo ideal regenerativo Rankine con dos calentadores abiertos de agua de alimentación. El vapor entra a la turbina a 10 MPa y 600 °C y escapa al condensador a 5 kPa. El vapor se extrae de la turbina a 0.6 y 0.2 MPa. El agua sale de ambos calentadores de agua de alimentación como líquido saturado. El flujo másico de vapor a través de la caldera es 22 kg/s. Muestre el ciclo en un diagrama T-s y determine a) la producción neta de potencia de la planta eléctrica y b) la eficiencia térmica del ciclo. Respuestas: a) 30.5 MW, b) 47.1 por ciento Get solution
10-53 Considere una planta termoeléctrica de vapor de agua que opera en el ciclo ideal Rankine regenerativo con un calentador cerrado de agua de alimentación como se muestra en la figura. La planta mantiene la entrada a la turbina a 3.000 kPa y 350 °C, y opera el condensador a 20 kPa. Se extrae vapor a 1.000 kPa para servicio del calentador cerrado de agua de alimentación, que se descarga en un condensador después de estrangularse a la presión del condensador. Calcule el trabajo que produce la turbina, el trabajo que consume la bomba y el suministro de calor en la caldera para este ciclo, por unidad de flujo en la caldera. Get solution
10-54 Reconsidere el problema 10-53. Usando software EES (u otro), determine la presión óptima de purga para el calentador cerrado de agua de alimentación que maximice la eficiencia térmica del ciclo. Respuesta: 220 kPa Get solution
10-55 Determine la eficiencia térmica del ciclo Rankine regenerativo del problema 10-53 cuando la eficiencia isentrópica de la turbina es 90 por ciento antes y después del punto de extracción de vapor. Get solution
10-56 Determine la eficiencia térmica del ciclo Rankine regenerativo del problema 10-53 cuando la eficiencia isentrópica de la turbina antes y después del punto de extracción de vapor es 90 por ciento y el condensado del condensador se subenfría en 10 °C. Get solution
10-57 Reconsidere el problema 10-53. Usando software EES (u otro), determine cuánto calor adicional se debe suministrar a la caldera cuando la eficiencia isentrópica de la turbina antes y después del punto de extracción es 90 por ciento y hay una caída de presión de 10 kPa a través de la caldera. Get solution
10-58 Considere un ciclo Rankine ideal regenerativo de vapor de agua con dos calentadores de agua de alimentación, uno cerrado y uno abierto. El vapor entra a la turbina a 10 MPa y 600 °C y sale hacia el condensador a 10 kPa. Se extrae vapor de la turbina a 1.2 MPa para el calentador cerrado y a 0.6 MPa para el abierto. El agua de alimentación se calienta a la temperatura de condensación del vapor extraído en el calentador cerrado. El vapor extraído sale del calentador cerrado como líquido saturado, que en seguida se estrangula para conducirlo al calentador abierto. Muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación, y determine a) el flujo másico de vapor a través de la caldera para una producción neta de potencia de 400 MW y b) la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
10-59 Reconsidere el problema 10-58. Usando software EES (u otro), investigue los efectos de las eficiencias de la turbina y de la bomba cuando varían de 70 a 100 por ciento sobre el flujo másico y la eficiencia térmica. Grafique el flujo másico y la eficiencia térmica como función de la eficiencia de la turbina para eficiencias de bomba de 70, 85 y 100 por ciento, y explique los resultados. También trace el diagrama T-s para eficiencias de turbina y bomba de 85 por ciento. Get solution
10-60 Una planta termoeléctrica de vapor de agua opera en el ciclo Rankine regenerativo con recalentamiento con un calentador cerrado de agua de alimentación. El vapor entra a la turbina a 8 MPa y 500 °C a razón de 15 kg/s y se condensa en el condensador a una presión de 20 kPa. El vapor se recalienta a 3 MPa a 500 °C. Algo de vapor se extrae de la turbina de baja presión a 1.0 MPa, se condensa por completo en el calentador cerrado de agua de alimentación y se bombea a 8 MPa antes de que se mezcle con el agua de alimentación a la misma presión. Suponiendo una eficiencia isentrópica de 88 por ciento tanto para la turbina como para la bomba, determine a) la temperatura del vapor a la entrada del calentador cerrado de agua de alimentación, b) el flujo másico del vapor extraído de la turbina para el calentador cerrado de agua de alimentación, c) la producción neta de potencia y d) la eficiencia térmica. Get solution
10-61 Abajo se muestra un ciclo ideal de vapor Rankine modificado con dos calentadores cerrados de agua de alimentación. El ciclo de potencia recibe 50 kg/s de vapor a la entrada de alta presión de la turbina. Los estados de salida del calentador de agua de alimentación, para el agua de alimentación de la caldera y el vapor condensado, son los estados ideales que normalmente se suponen. La fracción de la masa que entra a la turbina de alta presión en el estado 5 que se extrae para el calentador de agua de alimentación que opera a 1 400 kPa es y = 0.1153. Use los datos de las tablas que se dan en seguida para a) Trazar el diagrama T-s para el ciclo ideal. b) Determinar la fracción de la masa, z, que se extrae para el calentador cerrado de agua de alimentación que opera a la presión de extracción de 245 kPa. c) Calcular el flujo necesario de agua de enfriamiento, en kg/s, para mantener la elevación de temperatura del agua de enfriamiento en el condensador en 10 °C. Suponga cp = 4.18 kJ/kg • K para el agua de enfriamiento. d) Determinar la producción neta de potencia y la eficiencia térmica de la planta. Get solution
10-62C ¿Cómo se puede mejorar la eficiencia según segunda ley de un ciclo Rankine ideal simple? Get solution
10-63E Calcule la destrucción de exergía en cada uno de los componentes del ciclo Rankine ideal simple del problema Get solution
10-64 Determine la destrucción de exergía correspondiente al proceso de rechazo de calor en el problema 10-21. Suponga una temperatura de fuente de 1 500 K y una temperatura de sumidero de 290 K. También determine la exergía del vapor a la salida de la caldera. Considere P0 = 100 kPa. Get solution
10-65 ¿Cuál componente del ciclo Rankine ideal con recalentamiento del problema 10-33 ofrece la mejor oportunidad para recuperar el potencial perdido de potencia? El sumidero está a 10 °C, y la fuente está a 600 °C. Get solution
10-66 Determine la destrucción de exergía asociada con cada uno de los procesos para el ciclo Rankine con recalentamiento que se describe en el problema 10-35. Suponga una temperatura de fuente de 1.500 K y una temperatura de sumidero de 295 K. Get solution
10-67 Reconsidere el problema 10-66. Usando software EES (u otro), resuelva este problema mediante la herramienta de ingreso de datos de ventana de EES. Incluya los efectos de las eficiencias de turbina y bomba para evaluar las irreversibilidades asociadas con cada uno de los procesos. Grafique el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación. Explique los resultados de sus estudios paramétricos. Get solution
10-68E ¿Cuál componente del ciclo Rankine ideal regenerativo del problema 10-49E pierde la mayor cantidad de potencial de trabajo? Este ciclo rechaza calor a un río cuya temperatura es 60 °F, y la fuente está a 800 °F. Get solution
10-69 En la figura P10-69 se da el esquema de una planta geotérmica con una sola cámara de vaporización instantánea. El recurso geotérmico está disponible como líquido saturado a 230 °C. El líquido geotérmico se saca del pozo de producción a razón de 230 kg/s y se estrangula de la cámara de vaporización instantánea a una presión de 500 kPa, mediante un proceso esencialmente isentálpico, al separador donde el vapor resultante se separa del líquido y se dirige a la turbina. El vapor sale de la turbina a 10 kPa con un contenido de humedad de 5 por ciento, y entra al condensador, donde se condensa; se conduce a un pozo de reinyección junto con el líquido que viene del separador. Determine a) la producción de potencia de la turbina y la eficiencia térmica de la planta, b) la exergía del líquido geotérmico a la salida de la cámara da vaporización instantánea, y las destrucciones de exergía y la eficiencia (exergética) según la segunda ley para c) la cámara de psia, d) la turbina y e) toda la planta. Get solution
10-70C ¿Cómo se define el factor de utilización Pu para plantas de cogeneración? ¿Podría Pu ser igual a 1 para una planta de cogeneración que no produce potencia? Get solution
10-71C Considere una planta de cogeneración para la que el factor de utilización es 1. ¿La irreversibilidad asociada con este ciclo es necesariamente cero? Explique. Get solution
10-72C Considere una planta de cogeneración para la cual el factor de utilización es 0.5. ¿La destrucción de exergía asociada con esta planta puede ser cero? Si es que sí, ¿bajo cuáles condiciones? Get solution
10-73 ¿Cuál es la diferencia entre cogeneración y regeneración? Get solution
10-74 El vapor de agua entra a la turbina de una planta de cogeneración a 7 MPa y 500 °C. Una cuarta parte del vapor se extrae de la turbina a una presión de 600 kPa para calentamiento de proceso. El vapor restante sigue expandiéndose hasta 10 kPa. El vapor extraído se condensa luego y se mezcla con el agua de alimentación a presión constante, y la mezcla se bombea a la presión de la caldera de 7 MPa. El flujo másico de vapor a través de la caldera es 30 kg/s. Despreciando cualquier caída de presión y cualquier pérdida de calor en la tubería, y suponiendo que la turbina y la bomba son isentrópicas, determine la producción neta de potencia y el factor de utilización de la planta. Get solution
10-75E Una planta grande de procesamiento de alimentos necesita 1.5 lbm/s de vapor saturado de agua o ligeramente sobrecalentado a 140 psia, que se extrae de la turbina de una planta de cogeneración. La caldera genera vapor a 800 psia y 1.000 °F a razón de 10 lbm/s, y la presión del condensador es de 2 psia. El vapor sale del calentador del proceso como líquido saturado. Luego se mezcla con el agua de alimentación a la misma presión, y esta mezcla se bombea a la presión de la caldera. Suponiendo que tanto ambas bombas como la turbina tienen eficiencias isentrópicas de 86 por ciento, determine a) la tasa de transferencia de calor a la caldera y b) la producción de potencia de la planta de cogeneración. Respuestas: a) 13.810 Btu/s, b) 4 440 kW Get solution
10-76 Se genera vapor de agua en la caldera de una planta de cogeneración a 10 MPa y 450 °C a un flujo estacionario de 5 kg/s. En operación normal, el vapor se expande en una turbina a una presión de 0.5 MPa, y luego se conduce al calentador de proceso, donde suministra el calor de proceso. El vapor sale del calentador de proceso como líquido saturado y se bombea a la presión de la caldera. En este modo operativo, no pasa vapor por el condensador, que opera a 20 kPa. a) Determine la potencia producida y la tasa de suministro de calor de proceso en este modo operativo. b) Determine la potencia producida y la tasa de suministro de calor de proceso si sólo 60 por ciento del vapor se conduce al calentador de proceso y el resto se expande a la presión del condensador. Get solution
10-77 Considere una planta eléctrica de cogeneración modificada con regeneración. El vapor de agua entra a la turbina a 9 MPa y 400 °C, y se expande a una presión de 1.6 MPa. A esta presión, 35 por ciento del vapor se extrae de la turbina, y el resto se expande a 10 kPa. Parte del vapor extraído se usa para calentar el agua de alimentación en un calentador abierto de agua de alimentación. El resto del vapor extraído se usa para calentamiento de proceso y sale del calentador de proceso como líquido saturado a 1.6 MPa. Luego se mezcla con el agua de alimentación que sale del calentador de agua de alimentación, y la mezcla se bombea a la presión de la caldera. Suponiendo que las turbinas y las bombas son isentrópicas, muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación, y determine el flujo másico de vapor a través de la caldera para una producción neta de potencia de 25 MW. Respuesta: 29.1 kg/s Get solution
10-78 Reconsidere el problema 10-77. Usando el software EES (u otro), investigue el efecto de la presión de extracción de vapor de la turbina para usarlo en el calentador de proceso y el calentador abierto de agua de alimentación sobre el flujo másico necesario. Grafique el flujo másico en la caldera como función de la presión de extracción, y explique los resultados. Get solution
10-79E Se genera vapor de agua en la caldera de una planta de cogeneración a 600 psia y 800 °F a razón de 18 lbm/s. La planta debe producir potencia al mismo tiempo que satisface las necesidades de vapor de proceso para cierta aplicación industrial. Una tercera parte del vapor que sale de la caldera se estrangula a una presión de 120 psia y se conduce al calentador de proceso. El resto del vapor se expande en una turbina isentrópica a una presión de 120 psia y también se conduce al calentador de proceso. El vapor sale del calentador de proceso a 240 °F. Despreciando el trabajo de la bomba, determine a) la potencia neta producida, b) la tasa de suministro de calor de proceso y c) el factor de utilización de esta planta. Get solution
10-80 Una ciudad grande usa un ciclo de vapor Rankine modificado con un calentador cerrado de agua de alimentación y un calentador de proceso que se muestra en seguida para suministrar a los edificios vecinos agua caliente para los sistemas de calentamiento, y potencia eléctrica. El flujo de vapor a la turbina es 100 kg/s. El vapor que entra a la turbina se extrae a 2 000 kPa, estado 5, para el calentador de agua de alimentación. El vapor que entra a la turbina se extrae a 700 kPa, estado 6, para el calentador de proceso, y sale del calentador de proceso como líquido saturado. Los estados para el agua de alimentación de la caldera y el vapor condensado que sale del calentador de agua de alimentación son los estados ideales que normalmente se suponen. El agua de proceso frío sirve como refrigerante para el condensador, y recibe el calor que se transfiere del vapor que se condensa, en el condensador. El agua de proceso se calienta más en el calentador de proceso. Use los datos de las tablas que se dan en seguida para determinar a) el diagrama T-s para el ciclo ideal, b) el flujo de agua de proceso, en kg/s, cuando el 5 por ciento del flujo másico de entrada a la turbina se extrae para el calentador de proceso, y la elevación de temperatura del agua de proceso es de 40 °C y c) la eficiencia de utilización de la planta. Get solution
10-81C En los ciclos combinados de gas-vapor, ¿cuál es la fuente de energía para el vapor? Get solution
10-82C ¿Por qué el ciclo combinado de gas-vapor es más eficiente que cualquiera de los ciclos operados por sí solos? Get solution
10-83 Considere una planta eléctrica de ciclo combinado de gas-vapor que tiene una producción neta de potencia de 450 MW. La relación de presiones del ciclo de turbina de gas es 14. El aire entra al compresor a 300 K, y a la turbina a 1.400 K. Los gases de combustión que salen de la turbina de gas se usan para calentar el vapor a 8 MPa a 400 °C en un intercambiador de calor. Los gases de combustión salen del intercambiador de calor a 460 K. Un calentador abierto de agua de alimentación incorporado al ciclo de vapor opera a una presión de 0.6 MPa. La presión del condensador es de 20 kPa. Suponiendo que todos los procesos de compresión y expansión son isentrópicos, determine a) la relación de flujos másicos de aire a vapor, b) la tasa necesaria de entrada de calor en la cámara de combustión y c) la eficiencia térmica del ciclo combinado. Get solution
10-84 Reconsidere el problema 10-83. Usando software EES (u otro), estudie los efectos de la relación de presiones del ciclo de gas al variar de 10 a 20 sobre la relación de flujo de gas a flujo de vapor y sobre la eficiencia térmica del ciclo. Grafique sus resultados como funciones de la relación de presiones del ciclo de gas, y explique los resultados. Get solution
10-85 Un ciclo de potencia combinado de gas-vapor usa un ciclo simple de turbina de gas para el ciclo de aire y un ciclo Rankine simple para el ciclo de vapor de agua. El aire atmosférico entra a la turbina de gas a 101 kPa y 20 °C, y la temperatura máxima del ciclo de gas es 1.100 °C. La relación de presiones del compresor es 8; la eficiencia isentrópica del compresor es 85 por ciento, y la eficiencia isentrópica de la turbina de gas es 90 por ciento. El flujo de gas sale del intercambiador de calor a la temperatura de saturación del vapor de agua que fluye por el intercambiador de calor a una presión de 6.000 kPa y sale a 320 °C. El condensador del ciclo de vapor opera a 20 kPa, y la eficiencia isentrópica de la turbina de vapor es 90 por ciento. Determine el flujo másico de aire a través del compresor que se necesita para que este sistema produzca 100 MW de potencia. Use calores específicos constantes a temperatura ambiente. Respuesta: 279 kg/s Get solution
10-86 Se agrega un regenerador ideal a la porción de ciclo de gas del ciclo combinado del problema 10-85. ¿Cuánto cambia esto la eficiencia de este ciclo combinado? Get solution
10-87 Determine cuáles componentes del ciclo combinado del problema 10-85 son los que más desperdician potencial de trabajo. Get solution
10-88 Considere una planta eléctrica de ciclo combinado de gas-vapor que tiene una producción neta de potencia de 280 MW. La relación de presiones del ciclo de turbina de gas es 11. El aire entra al compresor a 300 K y a la turbina a 1.100 K. Los gases de combustión que salen de la turbina de gas se usan para calentar el vapor a 5 MPa a 350 °C en un intercambiador de calor. Los gases de combustión salen del intercambiador de calor a 420 K. Un calentador abierto de agua de alimentación incorporado en el ciclo de vapor opera a una presión de 0.8 MPa. La presión del condensador es de 10 kPa. Suponiendo eficiencias isentrópicas de 100 por ciento para la bomba, 82 por ciento para el compresor y 86 por ciento para las turbinas de gas y de vapor, determine a) la relación de flujos másicos de aire a vapor, b) la tasa necesaria de entrada de calor en la cámara de combustión y c) la eficiencia térmica del ciclo combinado. Get solution
10-89 Reconsidere el problema 10-88. Usando software EES (u o tro), estudie los efectos de la relación de presiones del ciclo de gas al variar de 10 a 20 sobre la relación de flujo de gas a flujo de vapor, y sobre la eficiencia térmica del ciclo. Grafique sus resultados como funciones de la relación de presiones del ciclo de gas, y explique los resultados. Get solution
10-90 Considere un ciclo combinado de potencia de gasvapor. El ciclo de gas es un ciclo Brayton simple que tiene una relación de presiones de 7. El aire entra al compresor a 15 °C a razón de 10 kg/s, y a la turbina de gas a 950 °C. El ciclo de vapor es un ciclo Rankine con recalentamiento entre los límites de presión de 6 MPa y 10 kPa. El vapor de agua se calienta en el intercambiador de calor a razón de 1.15 kg/s por los gases de escape que salen de la turbina de gas, y los gases de escape salen del intercambiador de calor a 200 °C. El vapor sale de la turbina de alta presión a 1.0 MPa y se recalienta a 400 °C en el intercambiador de calor antes de que se expanda en la presión de baja presión. Suponiendo una eficiencia isentrópica de 80 por ciento para todas las bombas, turbinas y compresor, determine a) el contenido de humedad a la salida de la turbina de baja presión, b) la temperatura del vapor a la entrada de la turbina de alta presión y c) la producción neta de potencia y la eficiencia térmica de la planta combinada. Get solution
10-91C ¿Cuál es la diferencia entre el ciclo binario de potencia de vapor y el ciclo combinado de potencia de gas-vapor? Get solution
10-92C ¿Qué es un ciclo binario de potencia? ¿Cuál es su propósito? Get solution
10-93C ¿Por qué el vapor de agua no es un fluido ideal de trabajo para los ciclos de potencia de vapor? Get solution
10-94C ¿Por qué el mercurio es un fluido adecuado de trabajo para el ciclo “de arriba” de un ciclo binario de vapor, pero no para el ciclo “de abajo”? Get solution
10-95C Escribiendo un balance de energía para el intercambiador de calor de un ciclo binario de potencia de vapor, obtenga una expresión para la relación de flujos másicos de dos fluidos en términos de sus entalpías. Get solution
10-96 Una planta de potencia de vapor que opera en un ciclo Rankine ideal simple mantiene la caldera a 6 000 kPa, la entrada de la turbina a 600 °C, y el condensador a 50 kPa. Compare la eficiencia térmica de este ciclo cuando se opera de manera que el líquido entra a la bomba como líquido saturado contra la correspondiente al caso en que el líquido entra a la bomba 11.3 °C más frío que un líquido saturado a la presión del condensador Get solution
10-97E La planta geotérmica de producción de energía eléctrica de Stillwater, en Nevada, que inició su operación a escala comercial en 1986, está diseñada para operar con siete unidades idénticas. Cada una de estas siete unidades consiste en un par de ciclos de potencia, llamados Nivel I y Nivel II, que operan en el ciclo Rankine simple, usando un fluido orgánico como fluido de trabajo. La fuente de calor para esta planta es agua geotérmica (salmuera) que entra al vaporizador (caldera) del Nivel I de cada unidad a 325 °F y a razón de 384,286 lbm/h, dando 22.79 MBtu/h. (“M” significa “millones”). El fluido orgánico que entra al vaporizador a 202.2 °F a razón de 157,895 lbm/h, sale a 282.4 °F y 225.8 psia como vapor saturado. Este vapor saturado se expande en la turbina a 95.8 °F y 19.0 psia, y produce 1.271 kW de potencia eléctrica. Alrededor de 200 kW de esta potencia los consumen las bombas, los equipos auxiliares y los seis ventiladores del condensador. Luego se condensa el fluido orgánico de trabajo en un condensador enfriado por aire que entra al condensador a 55 °F a razón de 4,195,100 lbm/h y sale a 84.5 °F. El fluido de trabajo se bombea y se precalienta en un precalentador a 202.2 °F absorbiendo 11.14 MBtu/h de calor del agua geotérmica (que viene del vaporizador del Nivel II) que entra al precalentador a 211.8 °F y sale a 154.0 °F. Tomando el calor específico promedio del agua geotérmica como 1.03 Btu/lbm • °F, determine a) la temperatura de salida del agua geotérmica del vaporizador, b) la tasa de rechazo de calor del fluido de trabajo al aire en el condensador, c) el flujo másico del agua geotérmica en el precalentador y d) la eficiencia térmica del ciclo de Nivel I de esta planta eléctrica geotérmica. Respuestas: a) 267.4 °F, b) 29.7 MBtu/h, c) 187,120 lbm/h, d) 10.8 por ciento Get solution
10-98 Una planta termoeléctrica de vapor de agua opera en un ciclo Rankine ideal con dos etapas de recalentamiento y tiene una producción neta de potencia de 75 MW. El vapor entra en las tres etapas de la turbina en 550 °C. La presión máxima en el ciclo es 10 MPa, y la presión mínima es 30 kPa. El vapor se recalienta a 4 MPa la primera vez y a 2 MPa la segunda vez. Muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación, y determine a) la eficiencia térmica del ciclo y b) el flujo másico del vapor. Respuestas: a) 40.5 por ciento, b) 48.5 kg/s Get solution
10-99 Considere una planta termoeléctrica de vapor de agua que opera en el ciclo Rankine ideal con recalentamiento entre los límites de presión de 25 MPa y 10 kPa con una temperatura máxima de ciclo de 600 °C y un contenido de humedad de 8 por ciento a la salida de la turbina. Para una temperatura de recalentamiento de 600 °C, determine las presiones de recalentamiento del ciclo para los casos de recalentamiento a) sencillo y b) doble. Get solution
10-100 Considere una planta termoeléctrica de vapor de agua que opera en un ciclo Rankine regenerativo y tiene una producción neta de potencia de 150 MW. El vapor entra a la turbina a 10 MPa y 500 °C y al condensador a 10 kPa. La eficiencia isentrópica de la turbina es de 80 por ciento, y la de las bombas es de 95 por ciento. Se extrae vapor de la turbina a 0.5 MPa para calentar el agua de alimentación en un calentador abierto. El agua sale del calentador como líquido saturado. Muestre el ciclo en un diagrama T-s y determine a) el flujo másico de vapor a través de la caldera y b) la eficiencia térmica del ciclo. También determine la destrucción de exergía asociada con el proceso de regeneración. Suponga una temperatura de fuente de 1.300 K y una temperatura de sumidero de 303 K. Get solution
10-101 Repita el problema 10-100 suponiendo que tanto la bomba como la turbina son isentrópicas. Get solution
10-102 Considere un ciclo Rankine ideal con recalentamiento y regeneración, con un calentador abierto de agua de alimentación. La presión de la caldera es de 10 MPa, la presión del condensador es de 15 kPa, la presión del recalentador es de 1 MPa y la presión del agua de alimentación es de 0.6 MPa. El vapor entra tanto a la turbina de alta presión como a la de baja presión a 500 °C. Muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación, y determine a) la fracción de vapor que se extrae para la regeneración y b) la eficiencia térmica del ciclo. Respuestas: a) 0.144, b) 42.1 por ciento Get solution
10-103 Repita el problema 10-102 suponiendo una eficiencia isentrópica de 84 por ciento para las turbinas y 100 por ciento para las bombas. Get solution
10-104 Una planta termoeléctrica de vapor de agua que opera en el ciclo Rankine ideal regenerativo con tres calentadores de agua de enfriamiento, como se muestra en la figura, mantiene la caldera a 6.000 kPa, el condensador a 7.5 kPa, el recalentador a 800 kPa, el calentador cerrado de agua de alimentación de alta presión a 3.000 kPa, el calentador cerrado de agua de alimentación de baja presión a 1 800 kPa, y el calentador abierto de agua de alimentación a 100 kPa. La temperatura a la entrada de ambas turbinas es 500 °C. Determine las siguientes cantidades para este sistema por unidad de flujo másico a través de la caldera: a) El flujo necesario para dar servicio al calentador cerrado de agua de alimentación de alta presión. b) El flujo necesario para dar servicio al calentador cerrado de agua de alimentación de baja presión. c) El flujo necesario para dar servicio al calentador abierto de agua de alimentación. d) El flujo a través del condensador. e) El trabajo producido por la turbina de alta presión. f ) El trabajo producido por la turbina de baja presión. g) El calor suministrado en la caldera y el recalentador. h) El calor rechazado en el condensador. i) La eficiencia térmica. Get solution
10-105 Reconsidere el problema 10-104. Usando software EES (u otro), determine la presión óptima de purga para el calentador abierto de agua de alimentación que maximice la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
10-106 Se va a suministrar vapor de agua de una caldera a una turbina de alta presión cuya eficiencia isentrópica es de 75 por ciento en condiciones que se deben determinar. El vapor debe salir de la turbina de alta presión como vapor saturado a 1.4 MPa, y la turbina debe producir 1 MW de potencia. El vapor a la salida de la turbina se extrae a razón de 1 000 kg/min y se conduce a un calentador de proceso, mientras el resto del vapor se alimenta a una turbina de baja presión cuya eficiencia isentrópica es 60 por ciento. La turbina de baja presión permite que el vapor se expanda a una presión de 10 kPa y produce 0.8 MW de potencia. Determine la temperatura, la presión y el flujo de vapor a la entrada de la turbina de alta presión. Get solution
10-107 Una planta textil necesita 4 kg/s de vapor de agua saturado a 2 MPa, que se extrae de la turbina de una planta de cogeneración. El vapor entra a la turbina a 8 MPa y 500 °C a razón de 11 kg/s, y sale a 20 kPa. El vapor extraído sale del calentador de proceso como líquido saturado, y se mezcla con el agua de alimentación a presión constante. La mezcla se bombea a la presión de la caldera. Suponiendo una eficiencia isentrópica de 88 por ciento tanto para la turbina como para las bombas, determine a) la tasa de suministro de calor de proceso, b) la producción neta de potencia y c) el factor de utilización de la planta. Get solution
10-108E Entra aire atmosférico, a 14.7 psia y 80 °F, al compresor de aire de un sistema de generación eléctrica de ciclo combinado de gas-vapor. La relación de compresión del compresor de aire es 10; la temperatura máxima del ciclo es 2.100 °F, y el compresor de aire y la turbina tienen una eficiencia isentrópica de 90 por ciento. El gas sale del intercambiador de calor 50 °F más caliente que la temperatura de saturación del vapor de agua en el intercambiador de calor. La presión del vapor en el intercambiador de calor es de 800 psia, y el vapor sale del intercambiador de calor a 600 °F. La presión del condensador de vapor es de 5 psia y la eficiencia isentrópica de la turbina de vapor es de 95 por ciento. Determine la eficiencia térmica total de este ciclo combinado. Para el aire, use calores específicos constantes a temperatura ambiente. Respuesta: 46.4 por ciento Get solution
10-109E Se ha sugerido que el vapor de agua que pasa por el condensador del ciclo combinado en el problema 10-108E se dirija a los edificios durante el invierno para calentarlos. Cuando se hace esto, la presión en el sistema de calentamiento donde ahora se condensa el vapor tendrá que aumentarse a 10 psia. ¿Cómo cambia esto la eficiencia térmica total del ciclo combinado? Get solution
10-110E Durante el invierno, el sistema del problema 10-109E debe suministrar 2 _ 106 Btu/h de calor a los edificios. ¿Cuál es flujo másico de aire por el compresor de aire y la producción total de potencia eléctrica del sistema en el invierno? Respuestas: 27,340 lbm/h, 1.286 kW Get solution
10-111 El ciclo de turbina de gas de una planta eléctrica de ciclo combinado de gas-vapor tiene una relación de presiones de 12. El aire entra al compresor a 310 K y a la turbina a 1.400 K. Los gases de combustión que salen de la turbina de gas se usan para calentar el vapor a 12.5 MPa a 500 °C en un intercambiador de calor. Los gases de combustión salen del intercambiador de calor a 247 °C. El vapor se expande en una turbina de alta presión a una presión de 2.5 MPa, y se recalienta en la cámara de combustión a 550 °C antes de que se expanda en la turbina de baja presión a 10 kPa. El flujo másico de vapor es 12 kg/s. Suponiendo que todos los procesos de compresión y expansión son isentrópicos, determine a) el flujo másico de aire en el ciclo de turbina de gas, b) la tasa de adición total de calor y c) la eficiencia térmica del ciclo combinado. Respuestas: a) 154 kg/s, b) 1.44 _ 105 kJ/s, c) 59.1 por ciento Get solution
10-112 Repita el problema 10-111 suponiendo eficiencias isentrópicas de 100 por ciento para la bomba, 80 por ciento para el compresor y 85 por ciento para las turbinas de gas y de vapor. Get solution
10-113 En seguida se muestra un ciclo Rankine ideal modificado con dos calentadores cerrados de agua de alimentación y un calentador abierto de agua de alimentación. El ciclo de potencia recibe 100 kg/s de vapor a la entrada de alta presión a la turbina. Los estados de salida de agua de alimentación para el agua de alimentación de la caldera y el vapor condensado son los estados ideales que normalmente se suponen. Use los datos que se dan en las tablas siguientes para a) Trazar el diagrama T-s para el ciclo ideal. b) Determinar la fracción de la masa y extraída para el calentador abierto de agua de alimentación. c) Si, además del resultado que usted obtuvo del inciso b), la fracción de la masa que entra a la turbina de alta presión en el estado 7 extraída para el calentador de agua de enfriamiento que opera a 140 kPa es z = 0.0655, y a 1 910 kPa la fracción de extracción es w = 0.0830, determine la elevación de la temperatura del agua de enfriamiento en el condensador, en °C, cuando el caudal del agua de enfriamiento es 4 200 kg/s. Suponga cp = 4.18 kJ/kg • K para el agua de enfriamiento. d) Determine la tasa de rechazo de calor en el condensador y la eficiencia térmica de la planta. Get solution
10-114 En seguida se muestra un ciclo de vapor ideal Rankine modificado para recalentamiento, dos calentadores cerrados de agua de alimentación y un calentador de proceso. El ciclo de potencia produce 300 MW de potencia neta. Los estados del calentador de agua de alimentación para el agua de alimentación de la caldera y el vapor condensado son los estados ideales que normalmente se suponen. La fracción de la masa que entra a la turbina de alta presión en el estado 5 que se extrae para el calentador de agua de alimentación que opera a 1 400 kPa es y = 0.1160. El 15 por ciento (z = 0.15) del vapor que entra a la turbina de alta presión se extrae de la turbina de baja presión a 245 kPa para usarse en un calentador de proceso de presión constante, y este vapor se envía al calentador cerrado de agua de alimentación a 150 kPa por una trampa de vapor. Use los datos que se proporcionan en las tablas que se dan en seguida para a) Trazar el diagrama T-s para el ciclo ideal. b) Determinar la fracción de la masa, w, que se extrae para el calentador cerrado de agua de alimentación que opera a la presión de extracción de 150 kPa para el ciclo ideal. c) Determinar el flujo másico a través de la caldera, la tasa de calor de proceso suministrado y la eficiencia de utilización de esta planta de cogeneración. Get solution
10-115 Usando el software EES (u otro), investigue el efecto de la presión del condensador sobre el desempeño de un ciclo Rankine ideal simple. Las condiciones del vapor de agua a la entrada a la turbina se mantienen constantes a 10 MPa y 550 °C, mientras la presión del condensador varía de 5 a 100 kPa. Determine la eficiencia térmica del ciclo y grafíquela contra la presión del condensador y discuta los resultados. Get solution
10-116 Usando el software EES (u otro), investigue el efecto de sobrecalentar el vapor sobre el desempeño de un ciclo Rankine ideal simple. El vapor entra a la turbina a 3 MPa y sale a 10 kPa. La temperatura de entrada a la turbina se hace variar de 250 a 1.100 °C. Determine la eficiencia térmica del ciclo y grafíquela contra la temperatura de entrada de la turbina, y explique los resultados. Get solution
10-117 Usando el software EES (u otro), investigue el efecto del número de etapas de recalentamiento sobre el desempeño de un ciclo Rankine ideal. Las presiones máxima y mínima en el ciclo son 15 MPa y 10 kPa, y el vapor de agua entra a todas las etapas de la turbina a 500 °C. Para cada caso, mantenga aproximadamente la misma relación de presiones a través de cada etapa de turbina. Determine la eficiencia térmica del ciclo y grafíquela contra el número de etapas de recalentamiento 1, 2, 4 y 8, y explique los resultados. Get solution
10-118 Usando el software EES (u otro), investigue el efecto del número de etapas de regeneración sobre el desempeño de un ciclo Rankine ideal regenerativo. El vapor de agua entra a la turbina a 10 MPa y 500 °C, y al condensador a 10 kPa. Para cada caso, mantenga alrededor de la misma diferencia de temperatura entre dos etapas de regeneración cualesquiera. Determine la eficiencia térmica del ciclo y grafíquela contra el número de etapas de regeneración para 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 y 10 etapas de regeneración. Get solution
10-119 Demuestre que la eficiencia térmica de un ciclo combinado de gas-vapor para planta eléctrica hcc se puede expresar donde hg _ Wg /Qentrada y hs _ Ws /Qg ,salida son las efi cien cias térmicas de los ciclos de gas y vapor, respectivamente. Usando esta expresión, determine la eficiencia térmica de un ciclo combinado de potencia que consiste en un ciclo superior de turbina de gas con una eficiencia de 40 por ciento y un ciclo inferior de turbina de vapor con una eficiencia de 30 por ciento. Get solution
10-120 Se puede demostrar que la eficiencia térmica de una planta eléctrica de ciclo combinado de gas-vapor, hcc, se puede expresar en términos de las eficiencias térmicas de los ciclos de turbina de gas y turbina de vapor como Pruebe que el valor de hcc es mayor que el de hg o el de hs. Es decir, el ciclo combinado es más eficiente que cualquiera de los dos ciclos, de turbina de gas o de turbina de vapor, por sí solo. Get solution
10-121 Comenzando con la ecuación 10-20, demuestre que la destrucción de exergía asociada con un ciclo Rankine simple ideal se puede expresar como i _ qentrada(htér,Carnot _ htér), donde htér es la eficiencia del ciclo Rankine, y htér Carnot es la eficiencia del ciclo de Carnot, operando entre los mismos límites de temperatura. Get solution
10-122 Considere un ciclo Rankine ideal simple. Si la presión del condensador disminuye manteniendo igual el estado a la entrada de la turbina, a) la producción de trabajo de la turbina disminuirá b) la cantidad de trabajo rechazado disminuirá c) la eficiencia del ciclo disminuirá d) el contenido de humedad a la salida de la turbina disminuirá e) el consumo de trabajo de la bomba disminuirá Get solution
10-123 Considere un ciclo Rankine ideal simple con presiones fijas de la caldera y del condensador. Si se sobrecalienta el vapor a una temperatura más alta, a) la producción de trabajo por la turbina disminuirá b) la cantidad de calor rechazado disminuirá c) la eficiencia del ciclo disminuirá d) el contenido de humedad a la salida de la turbina disminuirá e) la cantidad de entrada de calor disminuirá Get solution
10-124 Considere un ciclo Rankine ideal simple con presiones fijas de la caldera y del condensador. Si el ciclo se modifica con recalentamiento, a) la producción de trabajo por la turbina disminuirá b) la cantidad de trabajo rechazado disminuirá c) el consumo de trabajo por la bomba disminuirá d) el contenido de humedad a la salida de la turbina disminuirá e) la cantidad de entrada de calor disminuirá Get solution
10-125 Considere un ciclo Rankine ideal simple con presiones fijas de la caldera y del condensador. Si el ciclo se modifica con regeneración que comprende un calentador abierto de agua de alimentación (seleccione la afirmación correcta por unidad de masa de vapor que fluye a través de la caldera). a) la producción de trabajo por la turbina disminuirá b) la cantidad de calor rechazado aumentará c) la eficiencia térmica del ciclo disminuirá d) la calidad del vapor a la salida de la turbina disminuirá e) la cantidad de entrada de calor aumentará Get solution
10-126 Considere un ciclo de Carnot de flujo estacionario con agua como fluido de trabajo, ejecutado bajo el domo de saturación, entre los límites de presión de 3 MPa y 10 kPa. El agua cambia de líquido saturado a vapor saturado durante el proceso de adición de calor. La producción neta de trabajo de este ciclo es a) 666 kJ/kg b) 888 kJ/kg c) 1 040 kJ/kg d) 1 130 kJ/kg e) 1 440 kJ/kg Get solution
10-127 Un ciclo Rankine ideal simple opera entre los límites de presión de 10 kPa y 3 MPa, con una temperatura de entrada a la turbina de 600 °C. Despreciando el trabajo de la bomba, la eficiencia del ciclo es a) 24 por ciento b) 37 por ciento c) 52 por ciento d) 63 por ciento e) 71 por ciento Get solution
10-128 Un ciclo Rankine ideal simple opera entre los límites de presión de 10 kPa y 5 MPa, con una temperatura de entrada a la turbina de 600 °C. La fracción de masa del vapor de agua que se condensa a la salida de la turbina es a) 6 por ciento b) 9 por ciento c) 12 por ciento d) 15 por ciento e) 18 por ciento Get solution
10-129 Una planta termoeléctrica de vapor de agua opera en el ciclo Rankine ideal simple, entre los límites de presión de 10 kPa y 5 MPa, con una temperatura de entrada a la turbina de 600 °C. La tasa de transferencia de calor en la caldera es 300 kJ/s. Despreciando el trabajo de la bomba, la producción de trabajo de esta planta es a) 93 kW b) 118 kW c) 190 kW d) 216 kW e) 300 kW Get solution
10-130 Considere una planta eléctrica de ciclo combinado de gas-vapor. El agua para el ciclo de vapor se calienta en un intercambiador de calor bien aislado, por los gases de escape que entran a 800 K a razón de 60 kg/s, y sale a 400 K. El agua entra al intercambiador de calor a 200 °C y 8 MPa y sale a 350 °C y 8 MPa. Si los gases de escape se tratan como aire, con calores específicos constantes a temperatura ambiente, el flujo másico de agua por el intercambiador de calor será a) 11 kg/s b) 24 kg/s c) 46 kg/s d) 53 kg/s e) 60 kg/s Get solution
10-131 Un ciclo Rankine ideal con recalentamiento opera entre los límites de presión de 10 kPa y 8 MPa, con recalentamiento que se lleva a cabo a 4 MPa. La temperatura del vapor de agua a las entradas de ambas turbinas es 500 °C, y la entalpía del vapor es 3.185 kJ/kg a la salida de la turbina de alta presión, y 2.247 kJ/kg a la salida de la turbina de baja presión. Despreciando el trabajo de la bomba, la eficiencia del ciclo es a) 29 por ciento b) 32 por ciento c) 36 por ciento d) 41 por ciento e) 49 por ciento Get solution
10-132 El agua de alimentación presurizada en una planta termoeléctrica de vapor de agua se va a calentar en un calentador ideal abierto de agua de alimentación, que opera a una presión de 2 MPa con vapor extraído de la turbina. Si la entalpía del agua de alimentación es 252 kJ/kg y la entalpía del vapor extraído es 2.810 kJ/kg, la fracción másica de vapor extraído de la turbina es a) 10 por ciento b) 14 por ciento c) 26 por ciento d) 36 por ciento e) 50 por ciento Get solution
10-133 Considere una planta termoeléctrica de va por de agua que ope ra en el ci clo Ran ki ne re ge ne ra ti vo con un ca lenta dor abier to de agua de ali men ta ción. La en tal pía del va por es 3.374 kJ/kg a la en tra da de la tur bi na, 2.797 kJ/kg en la ubi ca ción de la purga y 2.346 kJ/kg a la sa li da de la tur bi na. La producción ne ta de potencia de la planta es de 120 MW, y la frac ción de va por purgada de la tur bi na para la regeneración es 0.172. Si el trabajo de la bomba es despreciable, el flujo másico de vapor a la entrada de la turbina es a) 117 kg/s b) 126 kg/s c) 219 kg/s d) 268 kg/s e) 679 kg/s Get solution
10-134 Considere una planta eléctrica de cogeneración modificada con regeneración. El vapor de agua entra a la turbina a 6 MPa y 450 °C a razón de 20 kg/s, y se expande a una presión de 0.4 MPa. A esta presión, 60 por ciento del vapor de agua se extrae de la turbina, y el resto se expande a una presión de 10 kPa. Parte del vapor extraído se usa para calentar el agua de alimentación en un calentador abierto de agua de alimentación. El resto del vapor extraído se usa para calentamiento de proceso, y sale del calentador de proceso como líquido saturado a 0.4 MPa. Luego se mezcla con el agua de alimentación que sale del calentador de agua de alimentación, y la mezcla se bombea a la presión de la caldera. El vapor en el condensador se enfría y se condensa por el agua de enfriamiento de un río cercano, que entra al condensador adiabático a razón de 463 kg/s. 1. La producción total de potencia por la turbina es a) 17.0 MW b) 8.4 MW c) 12.2 MW d) 20.0 MW e) 3.4 MW 2. La elevación de temperatura del agua de enfriamiento del río en el condensador es a) 8.0 °C b) 5.2 °C c) 9.6 °C d) 12.9 °C e) 16.2 °C 3. El flujo másico de vapor a través del calentador de proceso es a) 1.6 kg/s b) 3.8 kg/s c) 5.2 kg/s d) 7.6 kg/s e) 10.4 kg/s 4. La tasa de calor proporcionado por el calentador de proceso por unidad de masa del vapor que pasa por él es a) 246 kJ/kg b) 893 kJ/kg c) 1 344 kJ/kg d) 1 891 kJ/kg e) 2 060 kJ/kg 5. La tasa de transferencia de calor al vapor en la caldera es a) 26.0 MJ/s b) 53.8 MJ/s c) 39.5 MJ/s d) 62.8 MJ/s e) 125.4 MJ/s Get solution
