9-1C ¿Cómo se compara, en general, la eficiencia térmica
de un ciclo ideal con la de uno de Carnot que opera entre los
mismos límites de temperatura? Get solution
9-2C ¿Qué representa el área encerrada por un ciclo en un
diagrama P-v? ¿Qué pasa en el caso de un diagrama T-s? Get solution
9-3C ¿Qué son las suposiciones de aire estándar? Get solution
9-4C ¿Cuál es la diferencia entre las suposiciones de aire
estándar y las de aire estándar frío? Get solution
9-5C ¿Cuál es la diferencia entre el volumen de espacio
libre y el volumen desplazado de los motores reciprocantes? Get solution
9-6C Defina la relación de compresión para motores reciprocantes. Get solution
9-7C ¿Cómo se define la presión media efectiva para motores
reciprocantes? Get solution
9-8C ¿La presión media efectiva en un motor de automóvil
en operación puede ser menor que la presión atmosférica? Get solution
9-9C Cuando un carro se vuelve viejo, ¿cambia su relación
de compresión? ¿Qué sucede con la presión media efectiva? Get solution
9-10C ¿Cuál es la diferencia entre los motores de encendido
por chispa y los de encendido por compresión? Get solution
9-11C Defina los siguientes términos relacionados con motores
reciprocantes: carrera, calibre, punto muerto superior y
volumen de espacio libre. Get solution
9-12E ¿Cuál es la eficiencia térmica máxima posible de un
ciclo de potencia de gas cuando se usan depósitos de energía
térmica a 940 °F y 40 °F? Get solution
9-13 Se ejecuta un ciclo de aire estándar con calores específicos
constantes en un sistema cerrado de cilindro-émbolo, y
está compuesto de los siguientes tres procesos:
1-2 Compresión isentrópica, con una relación de compresión
r = 6, T1 = 27 °C y P1 = 100 kPa.
2-3 Adición de calor a presión constante.
3-1 Rechazo de calor a volumen constante.
Suponga que el aire tiene propiedades constantes con cv = 0.718
kJ/kg _ K, cp = 1.005 kJ/kg _ K, R = 0.287 kJ/kg _ K y k = 1.4.
a) Trace los diagramas P-v y T-s para este ciclo.
b) Determine la relación de trabajo de retroceso para este
ciclo. Get solution
9-14 Se ejecuta un ciclo de aire estándar dentro de un sistema
cerrado de cilindro-émbolo, y consiste en tres procesos
como sigue:
1-2 Adición de calor con V = constante de 100 kPa y 27 °C
a 700 kPa.
2-3 Expansión isotérmica hasta que V3 = 7V2.
3-1 Rechazo de calor al estado inicial con P = constante.
Suponga que el aire tiene propiedades constantes con cv = 0.718
kJ/kg _ K, cp = 1.005 kJ/kg _ K, R = 0.287 kJ/kg _ K y k = 1.4.
a) Muestre el ciclo sobre los diagramas P-v y T-s.
b) Determine la relación de trabajo de compresión al de
expansión (relación de trabajo de retroceso).
c) Determine la eficiencia térmica del ciclo.
Respuestas: b) 0.440, c) 26.6 por ciento Get solution
9-15 Un ciclo de potencia con gas ideal se lleva a cabo dentro
de un sistema cerrado de émbolo-cilindro, y consiste en
tres procesos como sigue:
1-2 Compresión isentrópica desde una temperatura inicial de
27 °C , con una relación de compresión de 6.
2-3 Expansión isotérmica (a temperatura constante) al volumen
inicial.
3-1 Rechazo de calor a volumen constante al estado inicial.
Suponga que el gas tiene propiedades constantes con cv = 0.6
kJ/kg _ K, cp = 0.9 kJ/kg _ K, R = 0.3 kJ/kg _ K y k = 1.5.
a) Trace los diagramas P-v y T-s para el ciclo.
b) Determine la temperatura máxima del ciclo, en K.
c) Calcule el trabajo de expansión, en kJ/kg.
d) Calcule el trabajo de compresión, en kJ/kg.
e) Calcule la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
9-16 Un ciclo de aire estándar con calores específicos variables
se ejecuta en un sistema cerrado y está compuesto de los
siguientes cuatro procesos:
1-2 Compresión isentrópica de 100 kPa y 22 °C a 600 kPa
2-3 Adición de calor a v _ constante hasta 1 500 K
3-4 Expansión isentrópica hasta 100 kPa
4-1 Rechazo de calor a P _ constante hasta el estado inicial
a) Muestre el ciclo en diagramas P-v y T-s.
b) Calcule la salida neta de trabajo por unidad de masa.
c) Determine la eficiencia térmica. Get solution
9-17 Reconsidere el problema 9-16 y use el software
EES (u otro) para estudiar el efecto que produce
variar la temperatura después de la adición de calor a volumen
constante de 1 500 K hasta 2 500 K. Grafique la salida neta de
trabajo y la eficiencia térmica como función de la temperatura
máxima del ciclo. Grafique los diagramas T-s y P-v para el
ciclo cuando la máxima temperatura de éste es 1 500 K. Get solution
9-18 Un ciclo de aire estándar se ejecuta en un sistema
cerrado con 0.004 kg de aire y consiste de los siguientes tres
procesos:
1-2 Compresión isentrópica de 100 kPa y 27 °C hasta 1 MPa
2-3 Adición de calor a P _ constante en la cantidad de
2.76 kJ
3-1 Rechazo de calor a P _ c1v + c2 hasta el estado inicial
(c1 y c2 son constantes)
a) Muestre el ciclo en diagramas P-v y T-s.
b) Calcule el calor rechazado.
c) Determine la eficiencia térmica.
Suponga calores específicos constantes a temperatura ambiente.
Respuestas: b) 1.679 kJ, c) 39.2 por ciento Get solution
9-19E Un ciclo de aire estándar con calores específicos
variables se ejecuta en un sistema cerrado y se compone de
los siguientes cuatro procesos:
1-2 Adición de calor a v _ constante de 14.7 psia y 80 °F
en la cantidad de 300 Btu/lbm
2-3 Adición de calor a P _ constante hasta 3 200 R
3-4 Expansión isentrópica hasta 14.7 psia
4-1 Rechazo de calor a P _ constante hasta el estado inicial
a) Muestre el ciclo en diagramas P-v y T-s.
b) Calcule la entrada de calor total por unidad de masa.
c) Determine la eficiencia térmica.
Respuestas: b) 612.4 Btu/lbm, c) 24.2 por ciento Get solution
9-20E Repita el problema 9-19E y use calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-21 Considere un ciclo de Carnot ejecutado en un sistema
cerrado con 0.6 kg de aire. Los límites de temperatura del
ciclo son 300 y 1 100 K, y las presiones mínima y máxima
que ocurren durante el ciclo son 20 y 3.000 kPa. Suponiendo
calores específicos constantes, determine la producción neta
de trabajo por ciclo. Get solution
9-22 Considere un ciclo de Carnot ejecutado en un sistema
cerrado con aire como fluido de trabajo. La presión máxima
en el ciclo es 800 kPa y la temperatura máxima es 750 K. Si
el decremento de entropía durante el proceso de rechazo isotérmico
de calor es 0.25 kJ/kg • K, y la producción neta de trabajo
es 100 kJ/kg, determine a) la presión mínima en el ciclo,
b) el rechazo de calor en el ciclo y c) la eficiencia térmica del
ciclo. d) Si un ciclo real de máquina térmica opera entre los
mismos límites de temperatura y produce 5.200 kW de potencia
para un flujo de aire de 90 kg/s, determine la eficiencia
según la segunda ley en este ciclo. Get solution
9-23 Un ciclo de Carnot de gas ideal usa aire como fluido
de trabajo, recibe calor de un depósito térmico a 1.027 °C, se
repite 1.500 veces por minuto y tiene una relación de compresión
de 12. La relación de compresión se define como la relación
de volúmenes durante el proceso de compresión isentrópica.
Determine la temperatura máxima del depósito térmico
de baja temperatura, la eficiencia térmica del ciclo y la cantidad
de calor que se debe suministrar por ciclo si este dispositivo
ha de producir 500 kW de potencia.
Respuestas: 481 K, 63.0 por ciento, 31.8 kJ Get solution
9-24 Un dispositivo de émbolo-cilindro contiene un gas
ideal, y sufre un ciclo de potencia como sigue:
1-2 Compresión isentrópica desde una temperatura inicial
T1 = 20 °C, con una relación de compresión r = 5.
2-3 Adición de calor a presión constante.
3-1 Rechazo de calor a volumen constante.
El gas tiene calores específicos constantes con cv = 0.7 kJ/
kg • K, y R = 0.3 kJ/kg • K.
a) Trace los diagramas P-v y T-s para el ciclo.
b) Determine las interacciones de calor y trabajo para cada
proceso, en kJ/kg.
c) Determine la eficiencia térmica del ciclo.
d) Obtenga la expresión para la eficiencia térmica del ciclo
como función de la relación de compresión r y la relación
de calores específicos k. Get solution
9-25C ¿Cómo se relacionan las rpm de un motor real de cuatro
tiempos con el número de ciclos termodinámicos? ¿Cuál
sería su respuesta para un motor de dos tiempos? Get solution
9-26C ¿Cómo se comparan las eficiencias del ciclo ideal
de Otto y el ciclo de Carnot para los mismos límites de temperatura?
Explique. Get solution
9-27C ¿Cuáles son los cuatro procesos que constituyen el
ciclo de Otto ideal? Get solution
9-28C ¿Los procesos que constituyen el ciclo de Otto se
analizan como procesos de sistema cerrado o flujo estable?
¿Por qué? Get solution
9-29C ¿Cómo cambia la eficiencia térmica de un ciclo
ideal de Otto con la relación de compresión del motor y la
relación de calores específicos del fluido de trabajo? Get solution
9-30C ¿Por qué no se usan altas relaciones de compresión
en motores de ignición por chispa? Get solution
9-31C Un ciclo ideal de Otto con una relación de compresión
especificada se ejecuta usando a) aire, b) argón, c) etano
como fluido de trabajo. ¿Para cuál caso será la eficiencia térmica
la más alta? ¿Por qué? Get solution
9-32C ¿Cuál es la diferencia entre los motores de gasolina
con inyección de combustible y los motores diesel? Get solution
9-33 Un ciclo ideal de Otto tiene una relación de compresión
de 10.5, admite aire a 90 kPa y 40 °C y se repite 2 500
veces por minuto. Usando calores específicos constantes a
temperatura ambiente, determine la eficiencia térmica de este
ciclo y la tasa de suministro de calor si el ciclo ha de producir
90 kW de potencia. Get solution
9-34 Repita el problema 9-33 para una relación de compresión
de 8.5. Get solution
9-35 Alguien ha sugerido que el ciclo de Otto de aire estándar
es más preciso si los dos procesos isentrópicos se reemplazan
por procesos politrópicos con un exponente politrópico
n = 1.3. Considere un ciclo así con una relación de compresión
de 8, P1 = 95 kPa, T1 = 15 °C, y la temperatura máxima del
ciclo es 1 200 °C. Determine el calor que se transfiere a este
ciclo y que se rechaza de éste, así como la eficiencia térmica
del ciclo. Use calores específicos constantes a temperatura
ambiente. Respuestas: 835 kJ/kg, 420 kJ/kg, 49.8 por ciento. Get solution
9-36 ¿Cómo cambian los resultados del problema 9-35
cuando se usan procesos isentrópicos en lugar de los procesos
politrópicos? Get solution
9-37E Un motor de ignición de seis cilindros, cuatro tiempos,
con encendido por chispa, operando en el ciclo ideal de
Otto, toma aire a 14 psia y 65 °F, y está limitado a una temperatura
máxima de ciclo de 1 600 °F. Cada cilindro tiene un
diámetro de 3.5 pulg, y cada émbolo tiene una carrera de 3.9
pulg. El volumen mínimo confinado es 14 por ciento del volumen
máximo confinado. ¿Cuánta potencia producirá este motor
cuando opera a 2 500 rpm? Use calores específicos constantes a
temperatura ambiente. Get solution
9-38E Un motor de ignición por chispa tiene una relación
de compresión de 8, una eficiencia isentrópica de compresión de
85 por ciento y una eficiencia isentrópica de expansión de 95
por ciento. Al principio de la compresión, el aire en el cilindro
está a 13 psia y 60 °F. La temperatura máxima que se encuentra
por medición es 2.300 °F. Determine el calor suministrado
por unidad de masa, la eficiencia térmica y la presión efectiva
media de este motor cuando se modela con el ciclo de Otto.
Use calores específicos constantes a temperatura ambiente.
Respuestas: 247 Btu/lbm, 47.5 por ciento, 49.0 psia Get solution
9-39 La relación de compresión de un ciclo de Otto de aire
estándar es 9.5. Antes del proceso de compresión isentrópica,
el aire está a 100 kPa, 35 °C y 600 cm3. La temperatura al final
del proceso de expansión isentrópica es de 800 K. Usando valores
de calores específicos a temperatura ambiente, determine
a) la temperatura más alta y la presión más alta en el ciclo;
b) la cantidad de calor transferido al fluido de trabajo, en kJ;
c) la eficiencia térmica, y d) la presión media efectiva.
Respuestas: a) 1.969 K, 6.072 kPa; b) 0.59 kJ; c) 59.4 por ciento;
d) 652 kPa Get solution
9-40 Repita el problema 9-39, pero reemplace el proceso de
expansión isentrópica por un proceso de expansión politrópica
con el exponente de expansión politrópica n _ 1.35. Get solution
9-41E Un ciclo de Otto ideal con aire como fluido de trabajo
tiene una relación de compresión de 8. Las temperaturas
mínima y máxima del ciclo son 540 y 2.400 R. Teniendo en
cuenta la variación de calores específicos con la temperatura,
determine a) la cantidad de calor transferido al aire durante
el proceso de adición de calor, b) la eficiencia térmica y c) la
eficiencia térmica de un ciclo de Carnot que opera entre los
mismos límites de temperatura. Get solution
9-42E Repita el problema 9-41E usando argón como fluido
de trabajo. Get solution
9-43 Un motor de gasolina de cuatro cilindros y cuatro tiempos,
de 1.6 L, opera en ciclo de Otto con una relación de compresión
de 11. El aire está a 100 kPa y 37 °C al inicio del proceso
de compresión, y la presión máxima en el ciclo es de 8
MPa. Los procesos de compresión y expansión pueden modelarse
como politrópicos, con una constante politrópica de 1.3.
Usando calores específicos constantes a 850 K, determine a) la
temperatura al final del proceso de expansión, b) la producción
neta de trabajo y la eficiencia térmica, c) la presión media efectiva,
d) el número de revoluciones por minuto del motor para
una producción de potencia neta de 50 kW y e) el consumo
específico de combustible, en g/kWh, definido como la relación
de la masa de combustible consumido al trabajo neto producido.
La relación aire-combustible, definida como la cantidad de aire
dividida entre la cantidad de combustible admitido, es 16. Get solution
9-44 Cuando se duplica la relación de compresión de un
ciclo ideal de Otto, ¿qué sucede con la temperatura máxima y
la presión máxima del gas cuando el estado del aire al principio
de la compresión y la cantidad de adición de calor permanecen
iguales? Use calores específicos constantes a temperatura
ambiente. Get solution
9-45 En un motor de ignición por chispa, ocurre algo de
enfriamiento al expandirse el gas. Esto se puede modelar
usando un proceso politrópico en lugar del proceso isentrópico.
Determine si el exponente politrópico utilizado en este modelo
debe ser mayor o menor que el exponente isentrópico. Get solution
9-46C ¿En qué se distingue un motor diesel de uno de gasolina? Get solution
9-47C ¿En qué se distingue el ciclo ideal Diesel del ciclo
ideal de Otto? Get solution
9-48C Para una relación especificada de compresión, ¿es
más eficiente un motor diesel o uno de gasolina? Get solution
9-49C ¿Cuáles motores operan a relaciones de compresión
más alta: los motores diesel o los de gasolina? ¿Por qué? Get solution
9-50C ¿Cuál es la relación de cierre de admisión? ¿Cómo
afecta la eficiencia térmica de un ciclo Diesel? Get solution
9-51 Un ciclo Diesel ideal tiene una relación de compresión
de 20 y una relación de cierre de admisión de 1.3. Determine
la temperatura máxima del aire y la tasa de adición de calor a
este ciclo cuando produce 250 kW de potencia y el estado del
aire al inicio de la compresión es 90 kPa y 15 °C. Use calores
específicos constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-52E Un ciclo Diesel ideal tiene una temperatura máxima
de ciclo de 2.300 °F y una relación de cierre de admisión de
1.4. El estado del aire al principio de la compresión es P1
_ 14.4 psia y T1 _ 50 °F. Este ciclo se ejecuta en motor de
cuatro tiempos, de ocho cilindros, con un diámetro interior
de cilindro de 4 pulg y una carrera de pistón de 4 pulg. El
volumen mínimo confinado en el cilindro es 4.5 por ciento
del volumen máximo del cilindro. Determine la potencia que
produce este motor cuando opera a 1.800 rpm. Use calores
específicos constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-53 Un ciclo dual de aire estándar tiene una relación de
compresión de 14 y una relación de cierre de admisión de 1.2.
La relación de presiones durante el proceso de adición de calor
a volumen constante es 1.5. Determine la eficiencia térmica, la
cantidad de calor agregada y la presión y la temperatura máximas
del gas cuando se opera este ciclo a 80 kPa y 20 °C al
principio de la compresión. Use calores específicos constantes a
temperatura ambiente. Get solution
9-54 Repita el problema 9-53 si la relación de compresión
es 80 kPa y –20 °C. Get solution
9-55E Un ciclo Diesel de aire estándar tiene una relación de
compresión de 18.2. El aire está a 80 °F y 14.7 psia al inicio
del proceso de compresión, y a 3.000 R al final del proceso de
adición de calor. Tomando en cuenta las variaciones de calores
específicos con la temperatura, determine a) la relación de
cierre de admisión, b) el rechazo de calor por unidad de masa
y c) la eficiencia térmica. Get solution
9-56E Repita el problema 9-55E usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-57 Un motor ideal Diesel tiene una relación de compresión
de 20 y usa aire como fluido de trabajo. El estado del aire
al principio del proceso de compresión es 95 kPa y 20 °C. Si
la temperatura máxima en el ciclo no ha de exceder 2.200 K,
determine a) la eficiencia térmica y b) la presión efectiva media.
Suponga calores específicos constantes para el aire a temperatura
ambiente. Respuestas: a) 63.5 por ciento, b) 933 kPa Get solution
9-58 Repita el problema 9-57 pero reemplace el proceso de
expansión isentrópica por un proceso de expansión politrópica,
con el exponente politrópico n _ 1.35. Get solution
9-59 Reconsidere el problema 9-58. Usando software
EES (u otro), estudie el efecto de variar la relación
de compresión de 14 a 24. Grafique la producción neta de trabajo,
la presión media efectiva y la eficiencia térmica como
función de la relación de compresión. Trace los diagramas T-s y
P-v para el ciclo cuando la relación de compresión es 20. Get solution
9-60 Un motor diesel de cuatro cilindros, de dos tiempos, de
2.0 L, que opera en un ciclo Diesel ideal tiene una relación
de compresión de 22 y una relación de cierre de admisión de
1.8. El aire está a 70 °C y 97 kPa al principio del proceso
de compresión. Usando las suposiciones de aire estándar frío,
determine cuánta potencia entregará el motor a 2 300 rpm. Get solution
9-61 Repita el problema 9-60 usando nitrógeno como fluido
de trabajo. Get solution
9-62 Un ciclo dual de aire estándar tiene una relación de
compresión de 18 y una relación de cierre de admisión de 1.1.
La relación de presiones durante el proceso de adición de calor
a volumen constante es 1.1. Al principio de la compresión
P1 _ 90 kPa, T1 _ 18 °C y V1 _ 0.003 m3. ¿Cuánta potencia
producirá este ciclo cuando se ejecute 4.000 veces por
minuto? Use calores específicos constantes a temperatura
ambiente. Get solution
9-63 Repita el problema 9-62 si la eficiencia isentrópica
de compresión es 85 por ciento y la eficiencia isentrópica de
expansión es 90 por ciento. Respuesta: 9.26 kW Get solution
9-64E Un ciclo dual ideal tiene una relación de compresión
de 15 y una relación de cierre de admisión de 1.4. La
relación de presiones durante el proceso de adición de calor
a volumen constante es 1.1. El estado del aire al inicio de la
compresión es P1 _ 14.2 psia y T1 _ 75 °F. Calcule el trabajo
neto espe-cífico del ciclo, la adición específica de calor
y la eficiencia térmica. Use calores específicos constantes a
temperatura ambiente. Get solution
9-65 Un motor de ignición por compresión de seis cilindros,
cuatro tiempos, 3.2 L, opera en un ciclo Diesel ideal con una
relación de compresión de 19. El aire está a 95 kPa y 67 °C
al inicio del proceso de compresión y la velocidad de rotación
del motor es de 1 750 rpm. El motor usa diesel ligero con un
poder calorífico de 42,500 kJ/kg, una relación aire-combustible
de 28 y una eficiencia de combustión de 98 por ciento.
Usando calores específicos constantes a 850 K, determine
a) la temperatura máxima en el ciclo y la relación de cierre de
admisión, b) la producción neta de trabajo por ciclo y la eficiencia
térmica, c) la presión media efectiva, d) la producción
neta de potencia y e) el consumo específico de combustible,
en g/kWh, definido como la relación de la masa de combustible
consumido al trabajo neto producido.
Respuestas: a) 2.244 K, 2.36, b) 2.71 kJ, 57.4 por ciento, c) 847 kPa,
d) 39.5 kW, e) 151 g/kWh Get solution
9-66 Desarrolle una expresión para la relación de cierre de
admisión rc que la exprese en términos de qentrada/(cpT1rk_1)
para un ciclo Diesel de aire estándar. Get solution
9-67 Desarrolle una expresión para la eficiencia térmica
de un ciclo dual cuando se opera de tal manera que rc _ rp
donde rc es la relación de cierre de admisión y rp es la relación
de presiones durante el proceso de adición de calor a
volumen constante. ¿Cuál es la eficiencia térmica de un motor
así cuando la relación de compresión es 20 y rp _ 2? Get solution
9-68 ¿Cómo se puede cambiar rp en el problema 9-67 de
modo que la misma eficiencia térmica se mantenga cuando se
reduzca la relación de compresión? Get solution
9-69 Un ciclo de aire estándar, llamado ciclo dual, con
calores específicos constantes, se lleva a cabo en un sistema
cerrado de cilindro-émbolo, y está compuesto de los siguientes
cinco procesos:
1-2 Compresión isentrópica con una relación de compresión,
r = V1/V2
2-3 Adición de calor a volumen constante con una relación
de presión, rp = P3P2
3-4 Una adición de calor a presión constante con una relación
de volumen, rc = V4/V3
4-5 Expansión isentrópica mientras se realiza trabajo hasta
V5 = V1
5-1 Rechazo de calor a volumen constante, hasta el estado
inicial.
a) Trace los diagramas P-v y T-s para este ciclo.
b) Obtenga una expresión para la eficiencia térmica del ciclo
como función de k, r, rc y rp.
c) Evalúe el límite de la eficiencia cuando rp tiende a la unidad,
y compare su respuesta con la expresión para la eficiencia
del ciclo Diesel.
d) Evalúe el límite de la eficiencia cuando rc tiende a la unidad,
y compare su respuesta con la expresión para eficiencia
del ciclo de Otto.
Ciclos Stirling y Ericsson Get solution
9-70C ¿Cuál ciclo está compuesto de dos procesos isotérmicos
y dos de volumen constante? Get solution
9-71C ¿En qué se distingue el ciclo ideal Ericsson del ciclo
Carnot? Get solution
9-72C Considere los ciclos ideales de Otto, Stirling y Carnot,
operando entre los mismos límites de temperatura. ¿Cómo
compararía usted las eficiencias térmicas de estos tres ciclos? Get solution
9-73C Considere los ciclos ideales Diesel, Ericsson y Carnot
operando entre los mismos límites de temperatura. ¿Cómo
compararía usted las eficiencias térmicas de estos tres ciclos? Get solution
9-74 Considere un ciclo Ericsson ideal con aire como fluido
de trabajo, ejecutado en un sistema de flujo estacionario. El
aire está a 27 °C y 120 kPa al inicio del proceso de compresión
isotérmica, durante el cual se rechazan 150 kJ/kg
de calor. La transferencia de calor al aire ocurre a 1,200 K.
Determine a) la presión máxima en el ciclo, b) la producción
neta de trabajo por unidad de masa de aire y c) la eficiencia
térmica del ciclo.
Respuestas: a) 685 kPa, b) 450 kJ/kg, c) 75 por ciento Get solution
9-75 Un ciclo Stirling ideal opera con 1 kg de aire entre depósitos
de energía térmica a 27 °C y 527 °C. La presión máxima en
el ciclo es 2,000 kPa, y la presión mínima en el ciclo es 100 kPa.
Determine el trabajo neto que se produce cada vez que se ejecuta
este ciclo, y la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
9-76 Determine la tasa de entrada de calor externo y la
potencia producida por el ciclo Stirling del problema 9-75
cuando se repite 1 300 veces por minuto.
Respuestas: 10 020 kW, 6 264 kW Get solution
9-77 Un ciclo Ericsson opera entre depósitos de energía térmica
a 627 °C y 7 °C mientras produce 500 kW de potencia.
Determine la tasa de adición de calor a este ciclo cuando se
repite 2.000 veces por minuto. Respuesta: 726 kW Get solution
9-78 Si el ciclo del problema 9-77 se repite 3.000 veces por
minuto mientras la adición de calor por ciclo permanece igual,
¿cuánta potencia producirá el ciclo? Get solution
9-79E Un ciclo Stirling ideal lleno de aire usa un depósito de
energía a 50 °F como sumidero. El motor está diseñado de tal
manera que el volumen máximo de aire es 0.5 pies3, el volumen
mínimo de aire es 0.06 pies3, y la presión mínima es 10
psia. Se va a operar de tal manera que el motor produzca 2 Btu
de trabajo neto cuando se transfieren externamente al motor 6
Btu de calor. Determine la temperatura de la fuente de energía,
la cantidad de aire contenido en el motor, y la presión máxima
de aire durante el ciclo. Get solution
9-80E Repita el problema 9-79E si el motor se va a operar
para producir 2.5 Btu de trabajo para el mismo suministro
externo de calor. Get solution
9-81 Un ciclo Stirling con aire estándar opera con una presión
máxima de 3 600 kPa, y una presión mínima de 50 kPa.
El volumen máximo es 12 veces el mínimo, y el depósito de
baja temperatura está a 20 °C. Permita una diferencia de temperatura
de 5 °C entre los depósitos externos y el aire, cuando
sea pertinente y calcule el calor específico agregado al ciclo, y
su trabajo específico neto. Get solution
9-82 ¿Cuánto calor se almacena (y se recupera) en el regenerador
del problema 9-81? Utilice calores específicos constantes
a temperatura ambiente. Get solution
9-83C ¿Cuáles son los cuatro procesos que constituyen el
ciclo Brayton ideal simple? Get solution
9-84C Para temperaturas máxima y mínima fijas, ¿cuál es
el efecto de la relación de presiones sobre a) la eficiencia térmica
y b) la producción neta de trabajo de un ciclo Brayton
ideal simple? Get solution
9-85C ¿Qué es la relación del trabajo de retroceso? ¿Cuáles
son los valores típicos de relación del trabajo de retroceso
para ciclos de potencia de turbina de gas? Get solution
9-86C ¿Por qué son las relaciones del trabajo de retroceso
relativamente altas en los ciclos de potencia de turbina de gas? Get solution
9-87C ¿Cómo afectan las ineficiencias de la turbina y el
compresor a) la relación del trabajo de retroceso y b) la eficiencia
térmica de un ciclo de potencia de turbina de gas? Get solution
9-88E Un ciclo Brayton ideal simple con aire como fluido
de trabajo tiene una relación de presiones de 10. El aire entra
al compresor a 520 R y a la turbina a 2.000 R. Tomando en
cuenta la variación de calores específicos con la temperatura,
determine a) la temperatura del aire a la salida del compresor, b)
la relación del trabajo de retroceso y c) la eficiencia térmica. Get solution
9-89 Un ciclo Brayton simple que usa aire como fluido
de trabajo tiene una relación de presiones de 10.
Las temperaturas mínima y máxima en el ciclo son 295 y
1.240 K. Suponiendo una eficiencia isentrópica de 83 por
ciento para el compresor y 87 por ciento para la turbina, deter
mine a) la temperatura del aire a la salida de la turbina, b) la
producción neta de trabajo y c) la eficiencia térmica. Get solution
9-90 Reconsidere el problema 9-89. Usando software
EES (u otro), deje que varíen al flujo másico, la
relación de presiones, la temperatura de entrada a la turbina y
las eficiencias isentrópicas de la turbina y el compresor.
Suponga que la presión de entrada al compresor es 100 kPa.
Desarrolle una solución general para el problema aprovechando
el método de ventana de diagrama para suministrar los
datos al software EES. Get solution
9-91 Repita el problema 9-89 usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-92E Un ciclo Brayton ideal simple usa helio como fluido
de trabajo, opera con 12 psia y 60 °F a la entrada del compresor,
tiene una relación de presiones de 14, y una temperatura
máxima de ciclo de 1 300 °F. ¿Cuánta potencia producirá este
ciclo cuando el flujo de circulación del helio por el ciclo es
100 lbm/min? Use calores específicos constantes a temperatura
ambiente. Get solution
9-93E Repita el problema 9-92E cuando la eficiencia isentrópica
de la turbina es 95 por ciento. Get solution
9-94 Considere un ciclo Brayton simple que usa aire como
fluido de trabajo, tiene una relación de presiones de 12, una
temperatura máxima de ciclo de 600 °C, y la entrada al compresor
opera a 90 kPa y 15 °C. ¿Qué tendrá mayor impacto en
la relación de trabajo de retroceso: una eficiencia isentrópica
de compresor de 90 por ciento o una eficiencia isentrópica de
turbina de 90 por ciento? Use calores específicos constantes a
temperatura ambiente. Get solution
9-95 Se usa aire como fluido de trabajo en un ciclo Brayton
ideal simple que tiene una relación de presiones de 12, una
temperatura de entrada al compresor de 300 K y una temperatura
de entrada a la turbina de 1.000 K. Determine el flujo
másico de aire necesario para una producción neta de potencia
de 70 MW, suponiendo que tanto el compresor como la
turbina tienen una eficiencia isentrópica de a) 100 por ciento,
y b) 85 por ciento. Suponga calores específicos constantes a
temperatura ambiente. Get solution
9-96 Entra aire al compresor de un ciclo de potencia de turbina
de gas a 300 K y 100 kPa, y se comprime a 700 kPa y
580 K. Se transfiere calor al aire en la cantidad de 950 kJ/kg
antes de que entre a la turbina. Para una eficiencia de turbina
de 86 por ciento, determine a) la fracción de la producción de
trabajo de la turbina que se usa para accionar el compresor y
b) la eficiencia térmica. Suponga calores específicos variables
para el aire. Get solution
9-97 Repita el problema 9-96 usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-98 Un motor de avión opera en un ciclo Brayton ideal
simple con una relación de presiones de 10. Se agrega calor
al ciclo a razón de 500 kW; el aire pasa a través del motor a
razón de 1 kg/s, y el aire al principio de la compresión está
a 70 kPa y 0 °C. Determine la potencia producida por este
motor y su eficiencia térmica. Use calores específicos constantes
a temperatura ambiente. Get solution
9-99 Repita el problema 9-98 para una relación de presiones
de 15. Get solution
9-100 Una planta eléctrica de turbina de gas opera en un
ciclo Brayton simple entre los límites de presión de 100 y
2 000 kPa. El fluido de trabajo es aire, que entra al compresor
a 40 °C y una razón de 700 m3/min y sale de la turbina a 650
°C. Usando calores específicos variables para el aire y suponiendo
una eficiencia isentrópica de compresión de 85 por
ciento y una eficiencia isentrópica de turbina de 88 por ciento,
determine a) la producción neta de potencia, b) la relación del
trabajo de retroceso y c) la eficiencia térmica. Get solution
9-101 Una planta eléctrica con turbina de gas opera en el
ciclo Brayton simple entre los límites de presión de 100 y 800
kPa. El aire entra al compresor a 30 °C y sale a 330 °C a un
flujo másico de 200 kg/s. La temperatura máxima del ciclo es
1 400 K. Durante la operación del ciclo, la producción neta de
potencia se mide experimentalmente como 60 MW. Suponga
propiedades constantes para el aire a 300 K, con cv = 0.718 kJ/
kg • K, cp = 1.005 kJ/kg • K, R = 0.287 kJ/kg • K, k = 1.4.
a) Trace el diagrama T-s para el ciclo.
b) Determine la eficiencia isentrópica de la turbina para estas
condiciones de operación.
c) Determine la eficiencia térmica del ciclo. Get solution
9-102 Una planta eléctrica con turbina de gas opera en un
ciclo Brayton modificado como se muestra en la figura, con
una relación total de presiones de 8. El aire entra al compresor
a 0 °C y 100 kPa. La temperatura máxima del ciclo es 1 500
K. El compresor y las turbinas son isentrópicos. La turbina de
alta presión desarrolla sólo la suficiente potencia para operar
el compresor. Suponga propiedades constantes para el aire a
300 K, con cv = 0.718 kJ/kg • K, cp = 1.005 kJ/kg • K, R =
0.287 kJ/kg • K, k = 1.4.
a) Trace el diagrama T-s para el ciclo. Marque los estados de
referencia.
b) Determine la temperatura y la presión en el estado 4, a la
salida de la turbina de alta presión.
c) Si la producción neta de potencia es 200 MW, determine el
flujo másico del aire dentro del compresor, en kg/s. Get solution
9-103 Get solution
9-104 Get solution
9-105C Alguien asegura que a relaciones de presiones muy
altas, el uso de regeneración realmente disminuye la eficiencia
térmica de un ciclo de potencia de turbina de gas. ¿Hay algo
de verdad en esta afirmación? Explique. Get solution
9-106C Defina la efectividad de un regenerador usado en
ciclos de turbina de gas. Get solution
9-107C En un regenerador ideal, ¿el aire que sale del compresor
se calienta a a) la temperatura a la entrada de la turbina,
b) la temperatura a la salida de la turbina, c) ligeramente
arriba de la temperatura de salida de la turbina? Get solution
9-108C En 1903, Aegidius Elling, de Noruega, diseñó y construyó
una turbina de gas de 11 hp que usaba inyección de vapor
de agua entre la cámara de combustión y la turbina para enfriar
los gases de combustión a una temperatura segura para los materiales
disponibles en esa época. En la actualidad hay varias plantas
eléctricas de turbina de gas que usan inyección de vapor
de agua para aumentar la potencia y mejorar la eficiencia térmica.
Por ejemplo, se reporta que la eficiencia térmica de la
turbina de gas General Electric LM5000 aumenta de 35.8 por
ciento en operación de ciclo simple a 43 por ciento cuando se
usa inyección de vapor de agua. Explique por qué la inyección
de vapor de agua aumenta la producción de potencia y
la eficiencia de las turbinas de gas. Explique también cómo
obtendría usted el vapor de agua. Get solution
9-109 Una turbina de gas para un automóvil se diseña con un
regenerador. El aire entra al compresor de este motor a 100 kPa
y 20 °C. La relación de presiones del compresor es 8; la temperatura
máxima del ciclo es 800 °C y el flujo de aire frío sale
del regenerador 10 °C más frío que el flujo de aire caliente
a la entrada del regenerador. Suponiendo que tanto el compresor
como la turbina son isentrópicos, determine las tasas
de adición y rechazo de calor para este ciclo cuando produce
150 kW. Use calores específicos constantes a temperatura
ambiente.
un intercambiador de calor). Considere este sistema cuando
el aire entra al compresor a 100 kPa y 20 °C; la relación de
presiones del compresor es 7, la temperatura máxima del ciclo
es de 727 °C y la diferencia entre las temperaturas de aire
caliente y frío es de 6 °C en el lado del regenerador por el que
sale el flujo frío. ¿La instalación del ciclo como se muestra
en la figura es más o menos eficiente que esta instalación?
Suponga que tanto el compresor como la turbina son isentrópicos,
y use calores específicos constantes a temperatura
ambiente. Get solution
9-112E Se agrega un regenerador ideal (T3 _ T5) a un ciclo
Brayton ideal simple (vea la figura P9-109). El aire entra al
compresor de este ciclo a 16 psia y 100 °F; la relación de
presiones es 11, y la máxima temperatura del ciclo es 1 940 °F.
¿Cuál es la eficiencia térmica de este ciclo? Use calores específicos
constantes a temperatura ambiente. ¿Cuál sería la eficiencia
térmica de este ciclo sin el regenerador? Get solution
9-113E La idea de usar turbinas de gas para accionar automóviles
se concibió en la década de 1930. Importantes fabricantes
de automóviles, tales como Chrysler y Ford en Estados
Unidos y Rover en el Reino Unido, hicieron un esfuerzo
considerable de investigación en las décadas de 1940 y 1950
para desarrollar turbinas de gas para automóviles. El primer
automóvil del mundo que usó turbina de gas, el Rover Jet 1
de 200 hp, se construyó en 1950 en Inglaterra. Fue seguido
por la producción del Plymouth Sport Coupé de Chrysler en
1954, bajo el liderazgo de G. J. Huebner. Se construyeron
varios cientos de automóviles Plymouth de turbina de gas a
principios de la década de 1960, para fines de demostración,
y se prestaron a un grupo selecto de personas para obtener
experiencia de campo. Los usuarios no tenían quejas, salvo la
lenta aceleración. Pero los autos nunca se produjeron en masa
debido a los altos costos de producción (especialmente los
materiales), y el no poder cumplir con las normas del Acta de
Aire Limpio de 1966.
Un automóvil Plymouth de turbina de gas construido en
1960 tenía una temperatura de entrada a la turbina de 1,700 °F,
una relación de presiones de 4 y una efectividad del regenerador
de 0.9. Usando eficiencias isentrópicas de 80 por ciento
tanto para el compresor como para la turbina, determine la eficiencia
térmica de este automóvil. Determine también el flujo
másico de aire para una producción neta de potencia de 95 hp.
Suponga que el aire ambiente está a 540 R y 14.5 psia. Get solution
9-114 La turbina de gas 7FA fabricada por General
Electric se reporta que tiene una eficiencia de
35.9 por ciento en el modo de ciclo simple y que produce 159
MW de potencia neta. La relación de presiones es 14.7, y la
temperatura de entrada a la turbina es de 1.288 °C. El flujo
másico a través de la turbina es de 1,536,000 kg/h. Tomando
las condiciones ambientes como 30 °C y 100 kPa, determine
la eficiencia isentrópica de la turbina y del compresor. Determine
también la eficiencia térmica de este ciclo si se agrega
un regenerador con una efectividad de 65 por ciento. Get solution
9-115 Reconsidere el problema 9-114. Usando el software
EES (u otro), desarrolle una solución que
permita diferentes eficiencias isentrópicas para el compresor y
la turbina y estudie el efecto de las eficiencias isentrópicas
sobre el trabajo neto que se realiza y el calor que se suministra
al ciclo. Trace el diagrama T-s para el ciclo. Get solution
9-116 Un ciclo Brayton con regeneración que usa aire como
fluido de trabajo tiene una relación de presiones de 7. Las
temperaturas mínima y máxima en el ciclo son 310 y 1.150 K.
Suponiendo una eficiencia isentrópica de 75 por ciento para
el compresor y de 82 por ciento para la turbina, y una efectividad
de 65 por ciento para el regenerador, determine a) la
temperatura del aire a la salida de la turbina, b) la producción
neta de trabajo y c) la eficiencia térmica.
Respuestas: a) 783 K, b) 108.1 kJ/kg, c) 22.5 por ciento Get solution
9-117 Una planta eléctrica de turbina de gas opera estacionariamente
en un ciclo Brayton regenerativo ideal (P _ 100
por ciento) con aire como fluido de trabajo. El aire entra al
compresor a 95 kPa y 290 K y a la turbina a 760 kPa y 1.100
K. Se transfiere calor al aire de una fuente externa a razón
de 75,000 kJ/s. Determine la potencia que produce esta planta
a) suponiendo calores específicos constantes a temperatura
ambiente y b) tomando en cuenta la variación de los calores
específicos con la temperatura. Get solution
9-118 Entra aire al compresor de un ciclo regenerativo de
turbina de gas, a 310 K y 100 kPa, y se comprime a 900 kPa y
650 K. El regenerador tiene una efectividad de 80 por ciento,
y el aire entra a la turbina a 1.400 K. Para una eficiencia de
la turbina de 90 por ciento, determine a) la cantidad de calor
que se transfiere en el regenerador y b) la eficiencia térmica.
Suponga calores específicos variables para el aire.
Respuestas: a) 193 kJ/kg, b) 40.0 por ciento Get solution
9-119 Repita el problema 9-118 usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-120 Repita el problema 9-118 para una efectividad del
regenerador de 70 por ciento. Get solution
9-121 Desarrolle una expresión para la eficiencia térmica de
un ciclo ideal Brayton con un regenerador ideal de efectividad
100 por ciento. Use calores específicos constantes a temperatura
ambiente. Get solution
9-122C ¿Con qué modificaciones se aproximará el ciclo
simple ideal de turbina de gas al ciclo Ericsson? Get solution
9-123C Para una razón de presión específica, ¿por qué la
compresión de etapas múltiples con interenfriamiento disminuye
el trabajo del compresor, y la expansión de etapas múltiples
con recalentamiento incrementa el trabajo de la turbina? Get solution
9-124C El proceso de compresión de una sola etapa de un
ciclo Brayton ideal sin regeneración se reemplaza por un proceso
de compresión de etapas múltiples con interenfriamiento,
entre los mismos límites de presión. Como resultado de esta
modificación,
a) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual el trabajo del
compresor?
b) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la relación del
trabajo de retroceso?
c) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la eficiencia térmica? Get solution
9-125C El proceso de expansión de una sola etapa de un ciclo
Brayton ideal sin regeneración se reemplaza por un proceso de
expansión de etapas múltiples con recalentamiento, entre los
mismos límites de presión. Como resultado de la modificación,
a) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual el trabajo de la
turbina?
b) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la relación del
trabajo de retroceso?
c) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la eficiencia térmica? Get solution
9-126C Un ciclo simple ideal Brayton sin regeneración se
modifica para incorporar compresión de etapas múltiples con
interenfriamiento y expansión de etapas múltiples con recalentamiento,
sin cambiar los límites de presión ni de temperatura
del ciclo. Como resultado de estas dos modificaciones,
a) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la producción
neta de trabajo?
b) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la relación del
trabajo de retroceso?
c) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la eficiencia térmica?
d) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual el rechazo de
calor? Get solution
9-127C Un ciclo Brayton ideal simple se modifica para incorporar
compresión de etapas múltiples con interenfriamiento,
expansión de etapas múltiples con recalentamiento, y regeneración,
sin cambiar los límites de presión del ciclo. Como resultado
de estas modificaciones,
a) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la producción
neta de trabajo?
b) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la relación del
trabajo de retroceso?
c) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual la eficiencia térmica?
d) ¿Aumenta, disminuye o permanece igual el rechazo de
calor? Get solution
9-128C En un ciclo ideal de turbina de gas con interenfriamiento,
recalentamiento y regeneración, al aumentar el número
de etapas de compresión y expansión, la eficiencia térmica
del ciclo tiende a a) 100 por ciento, b) la eficiencia del
ciclo de Otto, c) la eficiencia del ciclo de Carnot. Get solution
9-129 Considere un ciclo ideal de turbina de gas con dos etapas
de compresión y dos etapas de expansión. La relación de
presiones a través de cada etapa del compresor y de la turbina
es 3. El aire entra a cada etapa del compresor a 300 K, y a cada
etapa de la turbina a 1.200 K. Determine la relación del trabajo
de retroceso y la eficiencia térmica del ciclo, suponiendo que a)
no se usa regenerador y b) se usa un regenerador con efectividad
de 75 por ciento. Use calores específicos variables. Get solution
9-130 Repita el problema 9-129, suponiendo una eficiencia
de 84 por ciento para cada etapa de compresor y una eficiencia
de 88 por ciento para cada etapa de turbina. Get solution
9-131E Una turbina de gas tiene dos etapas de compresión
ideal, expansión ideal, interenfriamiento y recalentamiento. El
aire entra al primer compresor a 13 psia y 60 °F; la relación
total de presiones (a través de todos los compresores) es 12;
la tasa total de adición de calor es 500 Btu/s, y la temperatura
del aire frío se aumenta en 50 °F en el regenerador. Calcule
la potencia producida por cada turbina, la potencia consumida
por cada compresor y la tasa de rechazo de calor. Use calores
específicos constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-132E Vuelva a trabajar el problema 9-131E, con eficiencia
isentrópica para cada compresor de 85 por ciento, y de 90
por ciento para cada turbina. Get solution
9-133 Entra aire a una turbina de gas con dos etapas de compresión
y dos etapas de expansión, a 100 kPa y 17 °C. El
sistema usa un regenerador, así como recalentamiento e interenfriamiento.
La relación de presiones a través de cada compresor
es 4; se agregan 300 kJ/kg de calor al aire en cada
cámara de combustión, y el regenerador opera perfectamente
al aumentar la temperatura del aire frío en 20 °C. Determine
la eficiencia térmica de este sistema. Suponga operaciones
isentrópicas para todas las etapas de compresor y de turbina, y
use calores específicos constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-134 Repita el problema 9-133 para el caso de tres etapas
de compresión con interenfriamiento y tres etapas de expansión
con recalentamiento. Get solution
9-135 ¿Cuánto cambiaría la eficiencia térmica del ciclo en
el problema 9-134 si la temperatura del flujo de aire frío que
sale del regenerador fuese 65 °C más baja que la temperatura
del flujo de aire caliente que entra al regenerador? Get solution
9-136C ¿Qué es la potencia de propulsión? ¿Cómo se relaciona
con el empuje? Get solution
9-137C ¿Qué es la eficiencia de propulsión? ¿Cómo se
determina? Get solution
9-138C ¿El efecto de las irreversibilidades en la turbina y el
compresor de un motor de propulsión por reacción es de reducir
a) el trabajo neto, b) el empuje o c) la tasa de consumo de
combustible? Get solution
9-139E Un motor de propulsión de un avión turbohélice
opera en una zona en que el aire está a 8 psia y _10 °F, en
un avión que vuela con una velocidad de 600 pies/s. La relación
de presiones del ciclo Brayton es 10, y la temperatura del
aire a la entrada de la turbina es de 940 °F. El diámetro de la
hélice es de 10 pies, y el flujo másico a través de la hélice es
20 veces el flujo másico a través del compresor. Determine
la fuerza de empuje generada por este sistema de propulsión.
Suponga operación ideal para todos los componentes y calores
específicos constantes a temperatura ambiente. Get solution
9-140E ¿Cuánto cambio habría en el empuje del problema si el diámetro de la hélice se redujera a 8 pies, manteniendo
el mismo flujo másico a través del compresor? Atención:
la relación de flujos másicos ya no será 20. Get solution
9-141 Un motor turbosoplador que opera en un avión que
vuela a 200 m/s a una altitud en la que el aire está a 50 kPa
y _20 °C, debe producir 50,000 N de empuje. El diámetro
de entrada de este motor es de 2.5 m; la relación de presiones
del compresor es 12, y la relación de flujos másicos es
8. Determine la temperatura del aire a la salida del soplador
necesaria para producir este empuje. Suponga operación ideal
para todos los componentes y calores específicos constantes a
temperatura ambiente. Respuesta: 233 K Get solution
9-142 Un motor de reacción pura propulsa un avión a 240
m/s a través de aire que está a 45 kPa y –13 °C. El diámetro
de entrada de éste es de 1.6 m. La relación de presiones del
compresor es 13, y la temperatura a la entrada de la turbina
es de 557 °C. Determine la velocidad a la salida de la tobera
de este motor y el empuje producido. Suponga operación ideal
para todos los componentes y calores específicos constantes a
temperatura ambiente. Get solution
9-143 Un avión con motor de propulsión por reacción vuela
con una velocidad de 320 m/s a una altitud de 9,150 m donde
las condiciones de ambiente son 32 kPa y _32 °C. La relación
de presiones a través del compresor es 12, y la temperatura a
la entrada de la turbina es de 1,400 K. El aire entra al compresor
a razón de 60 kg/s, y el combustible de motor tiene un
poder calorífico de 42,700 kJ/kg. Suponiendo operación ideal
para todos los componentes y calores específicos constantes a
temperatura ambiente, determine a) la velocidad de los gases
de escape, b) la potencia de propulsión que se desarrolla y c)
la tasa de consumo de combustible. Get solution
9-144 Repita el problema 9-143 usando una eficiencia de
compresor de 80 por ciento y una eficiencia de turbina de 85
por ciento. Get solution
9-145 Considere un avión accionado por un motor de propulsión
por reacción que tiene una relación de presiones de
9. El avión está estacionado en tierra, mantenido en posición
por sus frenos. El aire ambiente está a 7 °C y 95 kPa y entra
al motor a razón de 20 kg/s. El combustible de motor tiene un
poder calorífico de 42,700 kJ/kg, y se quema por completo
a razón de 0.5 kg/s. Despreciando el efecto del difusor y el
pequeño aumento de flujo másico a la salida del motor, así
como las ineficiencias de los componentes del motor, determine
la fuerza que se debe aplicar a los frenos para mantener
estacionado el avión. Respuesta: 19.370 N Get solution
9-146 Reconsidere el problema 9-145. En el planteamiento
del problema, reemplace el flujo másico
de entrada por un flujo volumétrico de entrada de 18.1 m3/s.
Usando el software EES (u otro), investigue el efecto de la
temperatura de entrada al compresor dentro del rango de _20
a 30 °C sobre la fuerza que se debe aplicar a los frenos para
mantener estacionado el avión. Grafique esta fuerza como
función de la temperatura del aire a la entrada al compresor. Get solution
9-147 Entra aire a 7 °C a un motor de propulsión por reacción
a razón de 16 kg/s y una velocidad de 300 m/s (relativa
al motor). El aire se calienta en la cámara de combustión a
razón de 15,000 kJ/s, y sale del motor a 427 °C. Determine el
empuje producido por este motor de propulsión por reacción.
(Sugerencia: Elija todo el motor como el sistema abierto.) Get solution
9-148 ¿Cuál de los procesos de ciclo de Otto del problema 9-36 pierde la cantidad máxima de potencial de trabajo? La
temperatura del depósito de suministro de energía es la misma
que la temperatura máxima del ciclo, y la temperatura del
sumidero de energía es la misma que la temperatura mínima
del ciclo. Get solution
9-149E Determine la destrucción de exergía asociada con
el proceso de rechazo de calor del ciclo Diesel que se describe
en el problema 9-55E, suponiendo una temperatura de la
fuente de 3.500 R y una temperatura del sumidero de 540 R.
También determine la exergía al final del proceso de expansión
isentrópica. Get solution
9-150 Calcule la destrucción de exergía por cada proceso
del ciclo dual en el problema 9-63. Suponga condiciones
atmosféricas estándar y también que la temperatura de la
fuente de energía es la misma que la temperatura máxima del
ciclo, y la temperatura del sumidero de energía es la misma
que la temperatura mínima del ciclo. Get solution
9-151 Calcule la destrucción de exergía para cada proceso
para el ciclo Stirling del problema 9-81, en kJ/kg. Get solution
9-152 Calcule la destrucción de exergía asociada con cada
uno de los procesos del ciclo Brayton descrito en el problema 9-89, suponiendo una temperatura de la fuente de 1.600 K y
una temperatura del sumidero de 310 K. Get solution
9-153 Repita el problema 9-94 usando análisis de exergía. Get solution
9-154 Determine la destrucción total de exergía asociada
con el ciclo Brayton que se describe en el problema 9-116,
suponiendo una temperatura de fuente de 1.500 K y una temperatura
de sumidero de 240 K. También determine la exergía
de los gases de escape a la salida del regenerador. Get solution
9-155 Reconsidere el problema 9-154. Usando el software
EES (u otro), investigue el efecto de variar
la relación de presiones del ciclo de 6 a 14 sobre la destrucción
total de exergía para el ciclo y la exergía de los gases de
escape a la salida del regenerador. Grafique estos resultados
como funciones de la relación de presiones. Explique los
resultados. Get solution
9-156 Calcule el potencial de trabajo perdido para cada proceso
del problema 9-135. La temperatura del depósito caliente
es la misma que la temperatura máxima del ciclo, y la temperatura
del depósito frío es la misma que la temperatura mínima
del ciclo. Get solution
9-157 Una planta eléctrica de turbina de gas opera en el ciclo
Brayton simple entre los límites de presión de 100 y 700 kPa.
El aire entra al compresor a 30 °C a razón de 12.6 kg/s, y sale
a 260 °C. Un combustible diesel con un poder calorífico de
42,000 kJ/kg se quema en la cámara de combustión con una
relación aire-combustible de 60 y una eficiencia de combustión
de 97 por ciento. Los gases de combustión salen de la cámara de
combustión y entran a la turbina, cuya eficiencia isentrópica es
de 85 por ciento. Tratando los gases de combustión como aire
y usando calores específicos constantes a 500 °C, determine a)
la eficiencia isentrópica del compresor, b) la producción neta
de potencia y la relación del trabajo de retroceso, c) la eficiencia
térmica y d) la eficiencia según la segunda ley. Get solution
9-158 Un motor moderno de cuatro cilindros, cuatro tiempos,
1.8 L, de alto número de revoluciones e ignición por compresión,
opera en el ciclo ideal dual con una relación de compresión
de 16. El aire está a 95 kPa y 70 °C al principio del proceso de
compresión, y la velocidad de rotación del motor es de 2 200
rpm. Se queman iguales cantidades de combustible a volumen
constante y a presión constante. La presión máxima permisible
en el ciclo es de 7.5 MPa, debido a limitaciones de resistencia
de materiales. Usando calores específicos constantes a 1 000
K, determine a) la temperatura máxima en el ciclo, b) la pro
ducción neta de trabajo y la eficiencia térmica, c) la presión
media efectiva y d) la producción neta de trabajo. También
determine e) la eficiencia según la segunda ley del ciclo y la
tasa de salida de exergía con los gases de escape cuando se
purgan. Get solution
9-159 Un ciclo de Otto con una relación de compresión de
7 comienza su compresión a 90 kPa y 15 °C. La temperatura
máxima del ciclo es 1 000 °C. Utilizando las suposiciones
de aire estándar, determine la eficiencia térmica de este
ciclo usando a) calores específicos constantes a temperatura
ambiente y b) calores específicos variables.
Respuestas: a) 54.1 por ciento, b) 51.0 por ciento Get solution
9-160E Un ciclo Diesel tiene una relación de compresión
de 20 y comienza su compresión a 13 psia y 45 °F. La temperatura
máxima del ciclo es 1.800 °F. Usando suposiciones
de aire estándar, determine la eficiencia térmica de este
ciclo usando a) calores específicos constantes a temperatura
ambiente y b) calores específicos variables. Get solution
9-161E Un ciclo Brayton con una relación de presiones de
12 opera con aire que entra al compresor a 13 psia y 20 °F,
y a la turbina a 1 000 °F. Calcule el trabajo neto específico
producido por este ciclo, tratando el aire como gas ideal con
a) calores específicos constantes a temperatura ambiente y b)
calores específicos variables. Get solution
9-162 Un motor diesel V-16 de cuatro tiempos, con turbocargador,
construido por GE Transportation Systems para
accionar trenes rápidos, produce 3.500 hp a 1.200 rpm. Determine
la cantidad de potencia producida por cilindro por a)
ciclo mecánico y b) ciclo termodinámico. Get solution
9-163 Considere un ciclo Brayton ideal simple que opera
entre los límites de temperatura de 300 y 1.500 K. Usando
calores específicos constantes a temperatura ambiente, determine
la relación de presiones para la cual son iguales las temperaturas
de salida del compresor y la turbina. Get solution
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. Get solution
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. Get solution
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 Get solution
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. Get solution
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 Get solution
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. Get solution
9-170 Repita el problema 9-169 usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Get solution
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 pulg3. 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. Get solution
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. Get solution
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 Get solution
9-174 Repita el problema 9-173 usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente. Get solution
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 Get solution
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. Get solution
9-177 Repita el problema 9-175 usando helio como fluido
de trabajo. Get solution
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. Get solution
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
das de la cámara de combustión (estado 6) y el regenerador
(estado 10). (Vea la figura 9-43 en el texto.) Respuestas: a)
0.523, 317 kJ/kg; b) 0.553; c) 0.704; d) 931 kJ/kg, 129 kJ/kg Get solution
9-180 Compare la eficiencia térmica de la turbina de gas de
dos etapas con regeneración, recalentamiento e interenfriamiento
a la de una turbina de gas de tres etapas con el mismo
equipo cuando a) todos los componentes operan idealmente,
b) el aire entra al primer compresor a 100 kPa y 10 °C, c) la
relación total de presiones a través de todas las etapas de compresión
es 16 y d) la temperatura máxima de ciclo es 600 °C. Get solution
9-181E El empuje específico de un sistema de propulsión de
avión es la fuerza producida por unidad de flujo másico productor
de empuje. Considere un motor de propulsión por reacción
que opera en un ambiente a 10 psia y 30 °F y propulsa
un avión con velocidad de crucero de 1.200 pies/s. Determine
el empuje específico de este motor cuando la relación de compresión
del compresor es 9 y la temperatura a la entrada de
la turbina es 700 °F. Suponga operación ideal para todos los
componentes y calores específicos constantes a temperatura
ambiente. Get solution
9-182 Las necesidades de electricidad y calor de una planta
se deben satisfacer mediante una fábrica que consiste en una
turbina de gas y un intercambiador de calor para la producción
de vapor de agua. La planta opera en un ciclo Brayton simple
entre los límites de presión de 100 y 1.000 kPa con aire como
fluido de trabajo. El aire entra al compresor a 20 °C. Los gases
de combustión salen de la turbina y entran al intercambiador
de calor a 450 °C, y salen del intercambiador de calor a 325
°C, mientras el agua líquida entra al intercambiador de calor
a 15 °C y sale a 200 °C como vapor saturado. La potencia
neta producida por el ciclo de turbina de gas es de 1 500 kW.
Suponiendo una eficiencia isentrópica del compresor de 86
por ciento y una eficiencia isentrópica de la turbina de 88 por
ciento, y usando calores específicos variables, determine a) el
flujo másico de aire, b) la relación del trabajo de retroceso
y la eficiencia térmica y c) la tasa de producción de vapor
de agua en el intercambiador de calor. También determine d)
la eficiencia de utilización de la planta de cogeneración, definida
como la relación de la energía total utilizada a la energía
suministrada a la planta. Get solution
9-183 Un avión de propulsión por reacción vuela con una
velocidad de 900 km/h a una altitud donde la temperatura y
la presión del aire son _35 °C y 40 kPa. El aire sale del difusor
a 50 kPa, con una velocidad de 15 m/s, y los gases de
combustión entran a la turbina a 450 kPa y 950 °C. La turbina
produce 500 kW de potencia que se usa totalmente en
accionar el compresor. Suponiendo una eficiencia isentrópica
de 83 por ciento para el compresor, la turbina y la tobera, y
usando calores específicos variables, determine a) la presión
de los gases de combustión a la salida de la turbina, b) el flujo
másico de aire a través del compresor, c) la velocidad de los
gases a la salida de la tobera y d) la potencia de propulsión y
la eficiencia de propulsión de este motor.
Respuestas: a) 147 kPa, b) 1.76 kg/s, c) 719 m/s, d) 206 kW,
0.156 Get solution
9-184 Un ciclo de aire estándar con calores específicos constantes
se realiza en un sistema cerrado de cilindro-émbolo, y
está compuesto de los siguientes tres procesos:
1-2 Compresión isentrópica con una relación de compresión
r = V1 = V2
2-3 Adición de calor a presión constante
3-1 Rechazo de calor a volumen constante
a) Trace los diagramas P-v y T-s para este ciclo.
b) Obtenga una expresión para la relación de trabajo de retroceso
como función de k y r.
c) Obtenga una expresión para la eficiencia térmica del ciclo
como función de k y r.
d) Determine el valor de la relación del trabajo de retroceso y
la eficiencia cuando r tiende a la unidad.
¿Qué implican sus resultados respecto al trabajo neto realizado
por el ciclo? Get solution
9-185 Un ciclo de aire estándar con calores específicos
constantes se lleva a cabo en un sistema cerrado de cilindroémbolo,
y está compuesto de los siguientes tres procesos:
1-2 Adición de calor a volumen constante
2-3 Expansión isentrópica con una relación de expansión
r = V3/V2
3-1 Rechazo de calor a presión constante
a) Trace los diagramas P-v y T-s para este ciclo.
b) Obtenga una expresión para la relación del trabajo de retroceso
como función de k y r.
c) Obtenga una expresión para la eficiencia térmica del ciclo
como función de k y r.
d) Determine el valor de la relación del trabajo de retroceso y
la eficiencia cuando r tiende a la unidad.
¿Qué implican sus resultados acerca del trabajo neto realizado
por el ciclo? Get solution
9-186 Un ciclo de aire estándar con calores específicos
constantes se lleva a cabo en un sistema cerrado de cilindroémbolo,
y está compuesto de los siguientes cuatro procesos:
1-2 Compresión isentrópica con una relación de compresión,
r = V1/V2
2-3 Adición de calor a volumen constante
3-4 Expansión isentrópica con una relación de expansión
re = V4/V3
4-1 Rechazo de calor a presión constante con una relación
de volúmenes, rp = V4/V1
a) Trace los diagramas P-v y T-s para este ciclo.
b) Obtenga una expresión para la eficiencia térmica del ciclo
como función de k, r y rp.
c) Evalúe el límite de la eficiencia cuando rp tiende a la unidad. Get solution
9-187 Reconsidere el problema 9-186. Determine la relación
del trabajo de retroceso para una relación fija de temperaturas
mínima a máxima, T1/T3, y determine el límite de la relación
cuando rp tiende a la unidad. Compare su resultado con la
expresión para la relación de trabajo de retroceso para el ciclo
de Otto para la misma relación de compresión y relación fija de
temperaturas mínima a máxima, T1/T3. Get solution
9-188 Usando software EES (u otro), determine los
efectos de la relación de compresión sobre la
producción neta de trabajo y la eficiencia térmica del ciclo
de Otto para una temperatura máxima de ciclo de 2.000 K.
Tome el fluido de trabajo como aire que está a 100 kPa y 300
K al inicio del proceso de compresión, y suponga calores
específicos variables. Varíe la relación de compresión de 6 a
15 con incrementos de 1. Tabule y grafique sus resultados
contra la relación de compresión. Get solution
9-189 Usando software EES (u otro), determine los
efectos de la relación de presión en la producción
neta de trabajo y la eficiencia térmica de un ciclo Brayton
simple para temperatura máxima de ciclo de 1.800 K.
Tome el fluido de trabajo como aire que está a 100 kPa y 300
K al inicio del proceso de compresión, y suponga calores
específicos variables. Varíe la relación de presiones de 5 a 24
con incrementos de 1. Tabule y grafique sus resultados contra
relación de presiones. ¿A qué relación de presiones se vuelve
máximo el trabajo neto? ¿A qué relación de presiones se
vuelve máxima la eficiencia térmica? Get solution
9-190 Repita el problema 9-189 suponiendo eficiencias
isentrópicas de 80 por ciento tanto para la
turbina como para el compresor. Get solution
9-191 Usando software EES (u otro), determine los
efectos de la relación de presiones, la temperatura
máxima de ciclo y las eficiencias de compresor y de turbina
sobre la producción neta de trabajo por unidad de masa y
la eficiencia térmica de un ciclo Brayton simple con aire como
fluido de trabajo. El aire está a 100 kPa y 300 K a la entrada
del compresor. También, suponga calores específicos constantes
a temperatura ambiente. Determine la producción neta de
trabajo y la eficiencia térmica para todas las combinaciones
de los siguientes parámetros, y saque conclusiones de los
resultados:
Relación de presiones: 5, 8, 14
Temperatura máxima del ciclo: 800, 1.200, 1.600 K
Eficiencia isentrópica del compresor: 80, 100 por ciento
Eficiencia isentrópica de la turbina: 80, 100 por ciento Get solution
9-192 Repita el problema 9-191 considerando la variación
de calores específicos con la temperatura. Get solution
9-193 Repita el problema 9-191 usando helio como
fluido de trabajo. Get solution
9-194 Usando software EES (u otro), determine el
efecto del número de etapas de compresión y
expansión sobre la eficiencia térmica de un ciclo Brayton ideal
regenerativo con compresión y expansión de etapas múltiples.
Suponga que la relación total de presiones del ciclo es 18, y
que el aire entra a cada etapa del compresor a 300 K y a cada
etapa de la turbina a 1.200 K. Usando calores específicos
constantes a temperatura ambiente, determine la eficiencia térmica
del ciclo variando el número de etapas de 1 a 22 en
incrementos de 3. Grafique la eficiencia térmica contra el
número de etapas. Compare sus resultados con la eficiencia de
un ciclo Ericsson que opera entre los mismos límites de temperatura. Get solution
9-195 Repita el problema 9-194 usando helio como
fluido de trabajo. Get solution
9-196 Un ciclo de Otto con aire como fluido de trabajo tiene
una relación de compresión de 10.4. En condiciones de aire
estándar, la eficiencia térmica de este ciclo es
a) 10 por ciento b) 39 por ciento c) 61 por ciento
d) 79 por ciento e) 82 por ciento Get solution
9-197 Para los límites especificados de temperaturas máxima
y mínima, el ciclo ideal con la eficiencia térmica más baja es
a) Carnot b) Stirling c) Ericsson
d ) Otto e) Las eficiencias de todos son iguales Get solution
9-198 Un ciclo de Carnot opera entre los límites de temperatura
de 300 y 2.000 K, y produce 600 kW de potencia neta.
La tasa de cambio de entropía del fluido de trabajo durante el
proceso de adición de calor es
a) 0 b) 0.300 kW/K c) 0.353 kW/K
d ) 0.261 kW/K e) 2.0 kW/K Get solution
9-199 Se comprime aire en un ciclo Diesel ideal de 2 a 0.13
L, y luego se expande durante un proceso de adición de calor
a presión constante a 0.30 L. En condiciones de aire estándar,
la eficiencia térmica de este ciclo es
a) 41 por ciento b) 59 por ciento c) 66 por ciento
d) 70 por ciento e) 78 por ciento Get solution
9-200 Se comprime gas helio en un ciclo de Otto ideal, de
20 °C y 2.5 L a 0.25 L, y su temperatura aumenta en 700 °C
adicionales durante el proceso de adición de calor. La temperatura
del helio antes del proceso de expansión es
a) 1 790 °C b) 2 060 °C c) 1 240 °C
d) 620 °C e) 820 °C Get solution
9-201 En un ciclo ideal de Otto, se comprime aire de 1.20 kg/
m3 y 2.2 L a 0.26 L, y la producción neta de trabajo del ciclo
es de 440 kJ/kg. La presión media efectiva para este ciclo es
a) 612 kPa b) 599 kPa c) 528 kPa
d) 416 kPa e) 367 kPa Get solution
9-202 En un ciclo Brayton ideal, se comprime aire de 95
kPa y 25 °C a 1 100 kPa. En condiciones de aire estándar, la
eficiencia térmica de este ciclo es
a) 45 por ciento b) 50 por ciento c) 62 por ciento
d) 73 por ciento e) 86 por ciento Get solution
9-203 Considere un ciclo Brayton ideal ejecutado entre los
límites de presión de 1.200 y 100 kPa, y los límites de temperatura
de 20 y 1.000 °C con argón como fluido de trabajo. La
producción neta de trabajo de este ciclo es
a) 68 kJ/kg b) 93 kJ/kg c) 158 kJ/kg
d) 186 kJ/kg e) 310 kJ/kg Get solution
9-204 Un ciclo Brayton ideal tiene una producción neta de
trabajo de 150 kJ/kg, y una relación del trabajo de retroceso
de 0.4. Si tanto la turbina como el compresor tuvieran una
eficiencia isentrópica de 85 por ciento, la producción neta de
trabajo del ciclo sería
a) 74 kJ/kg b) 95 kJ/kg c) 109 kJ/kg
d) 128 kJ/kg e) 177 kJ/kg Get solution
9-205 En un ciclo Brayton ideal, se comprime aire de 100
kPa y 25 °C a 1 MPa, y luego se calienta a 927 °C antes de
que entre a la turbina. En condiciones de aire estándar frío, la
temperatura del aire a la salida de la turbina es
a) 349 °C b) 426 °C c) 622 °C
d) 733 °C e) 825 °C Get solution
9-206 En un ciclo Brayton ideal con regeneración, se comprime
gas argón de 100 kPa y 25 °C a 400 kPa, y luego se
calienta a 1.200 °C antes de entrar a la turbina. La temperatura
más alta a la que se puede calentar el argón en el regenerador
es
a) 246 °C b) 846 °C c) 689 °C
d) 368 °C e) 573 °C Get solution
9-207 En un ciclo Brayton ideal con regeneración, se comprime
aire de 80 kPa y 10 °C a 400 kPa y 175 °C, se calienta
a 450 °C en el regenerador, y luego se calienta más a 1.000
°C antes de entrar a la turbina. En condiciones de aire estándar
frío, la efectividad del regenerador es
a) 33 por ciento b) 44 por ciento c) 62 por ciento
d) 77 por ciento e) 89 por ciento Get solution
9-208 Considere una turbina de gas que tiene una relación
de presiones de 6 y opera en ciclo Brayton con regeneración
entre los límites de temperatura de 20 y 900 °C. Si la relación
de calores específicos del fluido de trabajo es 1.3, la máxima
eficiencia térmica que esta turbina de gas puede tener es
a) 38 por ciento b) 46 por ciento c) 62 por ciento
d) 58 por ciento e) 97 por ciento Get solution
9-209 Un ciclo ideal de turbina con muchas etapas de compresión
y de expansión y un regenerador de efectividad 100
por ciento tiene una relación total de presiones de 10. El aire
entra a cada etapa del compresor a 290 K, y a cada etapa de
turbina a 1.200 K. La eficiencia térmica de este ciclo de turbina
de gas es
a) 36 por ciento b) 40 por ciento c) 52 por ciento
d) 64 por ciento e) 76 por ciento Get solution
9-210 Entra aire a un motor de propulsión por reacción a
320 m/s, a razón de 30 kg/s, y sale a 650 m/s en relación con
el avión. El empuje que desarrolla el motor es
a) 5 kN b) 10 kN c) 15 kN
d) 20 kN e) 26 kN
Get solution
