TERMODINAMICA TECNICA II. MEC 2250. TRABAJO FUERA DE AULA 2 Fecha De publicación 10/03/2015; Fecha de entrega 24/03/2015; Taller de evaluación 24/03/2015 1. 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? 2. 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. 3. 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. 3b) ¿Cómo cambian los resultados del problema 3 cuando se usan procesos isentrópicos en lugar de los procesos politrópicos? 4. 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. 5. Un ciclo de aire estándar con calores específicos constantes se lleva a cabo en un sistema cerrado de cilindro-émbolo, 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. 6. 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 300K 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. 7. 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. Suponga que la eficiencia isentrópica de compresión es 85 por ciento y la eficiencia isentrópica de expansión es 90 por ciento. Respuesta: 9.26 kW 8. 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. 1 TERMODINAMICA TECNICA II. MEC 2250. TRABAJO FUERA DE AULA 2 Fecha De publicación 10/03/2015; Fecha de entrega 24/03/2015; Taller de evaluación 24/03/2015 Use calores específicos constantes a temperatura ambiente. 9. 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. 10. 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 the maximum temperature and pressure that occur during the cycle, (b) the net work output, (c) the thermal efficiency, and (d) the mean effective pressure for the cycle 15. An automobile engine, which can be modeled as a four-stroke Otto cycle using cold air standard analysis, has a displacement of 5 liters, a compression ratio of 7.5, and operate at 3000 RPM. At the beginning of the compression stroke, the air is at 27 0C, 100 kPa and the maximum cycle 0 temperature is 1027 C. What is the rate at which heat is added to this cycle? Resp. 65.5 kW. 16. An air-standard Diesel cycle has a compression ratio of 18 and a cutoff ratio of 2. At the beginning of the compression process, air is at 0.1 o MPa and 27 C. Determine (a) the temperature and pressure at the end of each process of the cycle, (b) the thermal efficiency, (c) the mean effective pressure 11. ¿Cuál de los procesos de ciclo de Otto del problema 3(b) 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. 12. Calcule la destrucción de exergía por cada proceso del ciclo dual en el problema 7. 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. 13. Trácese en un diagrama T-s un ciclo de aire estándar de Otto, superponiendo después un ciclo de Diesel con las mismas condiciones de entrada, la misma cantidad de calor añadida y a la misma presión máxima durante el ciclo. Muéstrese, mediante la comparación de áreas en el dicho diagrama T-s, que el ciclo de Diesel posee una mayor eficiencia térmica que el ciclo de Otto. 14. An ideal Otto cycle has a compression ratio of 8. At the beginning of the compression process, the air is at 100 KPa and 17oC, and 800 KJ/Kg of heat is transferred to air during the constant-volume heataddition process. Accounting for the variation of specific heats of air with temperature, determine (a) 2
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