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1 Departamento de Ciencias Básicas Calle Plan del Pino, Cantón Venecia, Soyapango, San Salvador, El Salvador MAQUINAS TERMICAS, REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR TERMODINÁMICA I DISCUSIÓN 5 1. Una central eléctrica de vapor de 600 MW, que se enfría mediante un río cercano, tiene una eficiencia térmica del 40%. Determine la tasa de transferencia de calor hacia el agua del río. ¿La tasa de transferencia de calor real será mayor o menor que este valor? ¿Por qué? Respuestas a) Q sal = 900 MW , b) Será menor. Porque para el caso real la turbina no es adiabática completamente al igual que la tubería que conecta a turbina con el condensador 2. Una central eléctrica de vapor recibe calor de un horno a una tasa de 280 GJ/h. cuando el vapor pasa por tubos y otros componentes las pérdidas de calor hacia el aire circundante desde el vapor se estiman en alrededor de 8 GJ/h. si el calor de desecho se transfiere al agua de enfriamiento a una tasa de 145 GJ/h, determine a) la salida de potencia neta y b) la eficiencia térmica de esta planta de potencia Respuestas a) 35.3 MW, b) 45.4% 3. Una central eléctrica de vapor con una salida de potencia de 150MW consume carbón mineral a una tasa de 60 ton/h. si el poder calorífico del carbón mineral es de 30 000 kJ/kg, determine la eficiencia global de la central Respuesta 30% 4. Un motor de automóvil consume combustible a razón de 28 L/h y entrega a las ruedas 60 kW de potencia. Si el combustible tiene un poder calorífico de 44 000 kJ/kg y una densidad de 0.8 g/cm 3 , determine la eficiencia de este motor Respuesta: 21.9% 5. Una central eléctrica de vapor alimentada con carbón mineral produce una potencia neta de 300 MW con una eficiencia térmica global de 32%. La relación gravimetrica real entre el aire y el combustible en el horno se calcula como 12 kg de aire/kg de combustible. Determine a) la cantidad de carbón que se consume durante un periodo de 24 h y b) el flujo másico de aire que fluye por el horno. 6. Se emplea un colector solar como foco caliente de una máquina de carnot cuyo foco frío esta a 300 K. la eficiencia del colector solar, ε, se define como la fracción que realmente se absorbe de la energía que llega al colector. Se relaciona con la temperatura del colector según la expresión )1300(75.175.0 T . Determinar la temperatura optima de operación del colector, es decir, la temperatura que conduce a un valor máximo de la potencia producida por la máquina de carnot. Respuesta: 358.6 K 2 7. Una bomba de calor que se utiliza para calentar una casa tiene un COP de 2.5, es decir, la bomba de calor entrega 2.5 kwh de energía a la casa por cada kwh de electricidad que consume ¿Viola esta la primera ley de la termodinámica? Explique. 8. Cuando un hombre regresa a su casa bien sellada en un día de verano, encuentra que su casa está a 32°C. Enciende el acondicionador de aire, que enfría toda la casa a 20°C en 15 minutos. Si el COP del sistema de acondicionamiento de aire es 2.5, determine la potencia que toma el acondicionador de aire. Suponga que toda la masa dentro de la casa equivale a 800 kg de aire para el cual Cv=0.72 kJ/kgC y Cp=1.0 kJ/kg°C 9. Un refrigerador domestico con un COP de 1.2 remueve calor del espacio refrigerado a una tasa de 60 kJ/min. Determine a) la potencia eléctrica que consume el refrigerador y b) la tasa de transferencia de calor hacia el aire de la cocina. Respuestas: a) 0.83 kW, b) 110 kJ/min 10. Un acondicionador de aire remueve calor en régimen permanente desde un hogar a una tasa de 750 kJ/min mientras consume potencia eléctrica a una tasa de 6kW. Determine a) el COP de este acondicionador de aire b) la tasa de transferencia de calor hacia el aire exterior Respuestas: a)2.08, b)1110 kJ/min 11. Un refrigerador domestico que tiene una entrada de potencia de 450 W y un COP de 2.5 enfriara 5 sandias a 8°C, de 10 kg cada una . Si las frutas están inicialmente a 20°C, determine cuanto tardara el refrigerador en enfriarlas. Las sandias se pueden considerar como agua cuyo calor especifico es de 4.2 kJ/kg.C ¿su respuesta es real u optimista? Explique por qué 12. Determine el COP de una bomba de calor que suministra energía a una casa a una tasa de 8000 kJ/h por cada kW de potencia eléctrica que consume, así como la tasa de absorción de energía desde el aire exterior. 13. Una casa que fue calentada mediante calentadores de resistencia eléctrica consumió 1200 kWh de energía eléctrica en un mes invernal. Si en cambio esta casa se hubiera calentado mediante una bomba de calor que tiene un COP promedio de 2.4, determine cuánto dinero habría ahorrado el dueño de la casa ese mes. Suponga un precio de 8.5 ctvs. de dólar por kWh para la electricidad 14. Se usa una bomba de calor para mantener una casa a una temperatura constante de 23°C. la casa pierde calor hacia el aire exterior a través de las paredes y las ventanas a una razón de 60 000 kJ/h, mientras que la energía generada dentro de la casa por las personas, las luces y los aparatos domésticos es de 4000 kJ/h. Para un COP de 2.5, determine la potencia necesaria para la operación de la bomba de calor. Solución: 6.22 kW 3 15. Un refrigerador usa refrigerante 134a como fluido de trabajo y opera en el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor fig. 2. El refrigerante entra al evaporador a 120 kPa con una calidad del 30% y sale como vapor saturado. A la salida del compresor adiabático la temperatura tiene un valor de 60°C, si el compresor consume 450 W de potencia. (Nota: Tomar en cuenta que a la salida del condensador se tiene líquido saturado). Se le pide determinar: a) El flujo másico del refrigerante R//7.3 x10 -3 kg/s b) El COP del refrigerador R// 2.4 c) Calor rechazado al aire de la cocina R// 1.54 kW 16. Una bomba de calor con refrigerante 134a como fluido de trabajo se usa para mantener un espacio caliente absorbiendo calor de agua caliente proveniente de un pozo. Vamos asumir que el agua proveniente del pozo, tiene un calor especifico constante de C=4.18 kJ/kg.K. dicha agua entra al evaporador a 50°C a razón de 0.065 kg/s y sale a 40°C. el refrigerante entra al evaporador a 20°C con una calidad del 15% y sale a la misma presión como vapor saturado. Si el compresor consume 1.2 kW de potencia, determine: a) El flujo másico de refrigerante R// 1.71x10 -2 kg/s b) La tasa de suministro de calor al espacio que se va acondicionar R//3.9 kJ c) El COP R// 3.25 4
