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CICLOS DE VAPOR 10-1C ¿Por qué el ciclo de Carnot no es un modelo realista para las centrales eléctricas de vapor? El ciclo de Carnot no es un modelo realista para las plantas de energía de vapor porque (1) limita los procesos de transferencia de calor a los sistemas de dos fases para mantener las condiciones isotérmicas limitan severamente la temperatura máxima que se puede usar en el ciclo, (2) la turbina tendrá que manejar vapor con un alto contenido de humedad que causa erosión, y (3) no es práctico diseñar un compresor que maneje dos fases. 10-6C El ciclo Rankine simple 10-6C Considere un ciclo Rankine ideal simple con condiciones fijas a la entrada de la turbina. Cuál es el efecto que provoca reducir la presión del condensador en: a) La entrada de trabajo de la bomba: b) Trabajo de la turbina c) Suministro de calor d) Rechazo de calor e) Eficiencia del ciclo f) Contenido de humedad a la salida de la turbina Rta: Aumenta TODO excepto el rechazo de calor, que disminuye 10-7C Considere un ciclo Rankine ideal simple con temperatura fija a la entrada de la turbina y presión fija del condensador. Cuál es el efecto de aumentar la presión de la caldera en: a) La entrada de trabajo de la bomba: b) Trabajo de la turbina c) Suministro de calor d) Rechazo de calor e) Eficiencia del ciclo f) Contenido de humedad a la salida de la turbina Rta: Aumenta TODO excepto el rechazo de calor, que disminuye 10-8C Considere un ciclo Rankine ideal simple con presiones de la caldera y el condensador fijas. Cuál es el efecto de sobrecalentar el vapor a una temperatura más alta en a) La entrada de trabajo de la bomba: b) Trabajo de la turbina c) Suministro de calor d) Rechazo de calor e) Eficiencia del ciclo f) Contenido de humedad a la salida de la turbina Rta: a) Cte, f) disminuye. El resto: aumenta 10-9C ¿En qué difieren los ciclos reales de energía de vapor de los idealizados? Los ciclos de potencia de vapor reales difieren de los idealizados en que los ciclos reales implican fricción en varios componentes y la tubería, y la pérdida de calor en el medio circundante de estos componentes y tuberías. 10-10C 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? Rechazaríamos esta propuesta porque wturb = h1 - h2 - qout, y cualquier pérdida de calor del vapor afectará adversamente La turbina de salida de trabajo 10-11C ¿Es posible mantener una presión de 10 kPa en un condensador que se enfría mediante agua de río que entra a 20 °C? Rechazaríamos esta propuesta porque wturb = h1 - h2 - qout, y cualquier pérdida de calor del vapor afectará adversamente La turbina de salida de trabajo. 10-28C ¿Cómo cambian las siguientes cantidades cuando un ciclo Rankine simple ideal se modifica con recalentamiento? Suponga que el flujo másico se mantiene igual a) La entrada de trabajo de la bomba: b) Trabajo de la turbina c) Suministro de calor d) Rechazo de calor e) Contenido de humedad a la salida de la turbina Rta: a) Cte, f) disminuye. El resto: aumenta 10-29C 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? La eficiencia térmica del ciclo de Rankine ideal simple probablemente será mayor ya que la temperatura promedio en el calor que se agregue será mayor en este caso. 10-39C 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? Esta es una idea inteligente porque desperdiciamos poco potencial de trabajo, pero ahorramos mucho de la entrada de calor. En la regeneración, utilizamos una cantidad considerable de calor al sacrificar poco trabajo. 10-40C 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? Tienen la misma eficiencia. 10-41C ¿En qué se distinguen los calentadores abiertos de agua de alimentación de los calentadores cerrados de agua de alimentación? En los calentadores de agua de alimentación abiertos, los dos fluidos en realidad se mezclan, pero en los calentadores de agua de alimentación cerrados no hay mezcla. 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. a) Producción de trabajo en la turbina b) Calor suministrado c) Calor rechazado d) Contenido de humedad a la salida de la turbina Rta: a) Menor b) Menor c) Menor, d) Igual 10-66C ¿Cómo se define el factor de utilización €u para plantas de cogeneración? ¿Podría Pu ser igual a 1 para una planta de cogeneración que no produce potencia? El factor de utilización de una planta de cogeneración es la relación de la energía utilizada para un propósito útil comparado con el total de energía suministrada. Podría ser 1 para una planta que no produce ninguna potencia. €u=(Wneto+Qdeproceso)/Entrada total de calor €u=1-(Qsalida/Qentrada) 10-67C Considere una planta de cogeneración para la que el factor de utilización es 1. ¿La irreversibilidad asociada con este ciclo es necesariamente cero? Explique No. Una planta de cogeneración puede involucrar estrangulamiento, fricción y transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita, y todavía tiene un factor de utilización 1. 10-68C 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? Si, si el trabajo es reversible puede tener destrucción de exergía igual a 0. 10-75C En los ciclos combinados de gas-vapor, ¿cuál es la fuente de energía para el vapor? La fuente de energía del vapor es la energía residual de los gases de combustión. 10-76C ¿Por qué el ciclo combinado de gas-vapor es más eficiente que cualquiera de los ciclos operados por sí solos? Debido a que el ciclo combinado de gas y vapor aprovecha las características deseables del ciclo de gas a alta temperatura, y las de ciclo de vapor a baja temperatura, y las combina. El resultado es un ciclo más eficiente que cualquiera de los dos ciclos ejecutados por sí solos. CICLOS FRIGORÍFICOS 11-1C ¿Por qué el ciclo de Carnot invertido ejecutado dentro del domo de saturación no es un modelo realista para ciclos de refrigeración? El compresor tiene dos fases y no puede trabajar así, y además no existe un equipo que disminuya la presión isoentrópicamente dentro de la campana. 11-2C ¿Por qué estudiamos el ciclo de Carnot invertido, aunque no es un modelo realista para los ciclos de refrigeración? Porque es el ciclo con la máxima eficiencia posible, y el que se usa como parámetro para comparar las eficiencias. 11-5C ¿Por qué no se reemplaza la válvula de estrangulación por una turbina isentrópica en el ciclo ideal de refrigeración por compresión devapor? Para hacer que el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor se aproxime más al ciclo real. 11-6C Se propone usar agua en vez de refrigerante 134a como fluido de trabajo en aplicaciones de acondicionamiento de aire cuando la temperatura mínima no caiga nunca por debajo del punto de congelación. ¿Apoyaría usted esta propuesta? Explique. No es práctico diseñar refrigeración o aire acondicionado O dispositivos que implican presiones extremadamente bajas. 11-7C En un sistema de refrigeración, ¿recomendaría usted condensar el refrigerante 134a a una presión de 0.7 o de 1.0 MPa si el calor se va a rechazar a un medio de enfriamiento a 15 °C? ¿Por qué? 0,7 ya que mientras menor diferencia de temperatura, mayor es la eficiencia de las MF 11-8C ¿El área comprendida dentro de un ciclo en un diagrama T-s representa la entrada neta de trabajo para el ciclo de Carnot invertido? ¿Y para el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor? El área delimitada por la curva cíclica en un diagrama T-s representa la entrada neta de trabajo para el ciclo de Carnot invertido, Pero no así para el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor. Esto se debe a que el último ciclo contiene una irreversibilidad, por lo tanto es un proceso para el que no se conoce la ruta del proceso. 11-9C Considere dos ciclos de refrigeración por compresión de vapor. El refrigerante entra a la válvula de estrangulación como líquido saturado a 30 °C en un ciclo y como líquido subenfriado a 30 °C en el otro. La presión del evaporador para ambos ciclos es la misma. ¿Cuál ciclo piensa usted que tendrá un COP más alto? El ciclo que involucra líquido saturado a 30 ° C tendrá un COP más alto porque, a juzgar por el diagrama T-s, Requerirá una entrada de trabajo más pequeña para la misma capacidad de refrigeración. La temperatura de saturación para el caso del subenfriamiento será mayor, por lo tanto menor el rendimiento 11-10C El COP de los ciclos de refrigeración por compresión de vapor mejora cuando el refrigerante se subenfría antes de que entre a la válvula de estrangulación. ¿Se puede subenfriar indefinidamente el refrigerante para maximizar este efecto, o hay un límite inferior? Explique. La temperatura mínima a la que se puede enfriar el refrigerante antes de la aceleración es la temperatura del fregadero (el medio de enfriamiento) ya que el calor se transfiere del refrigerante al medio de enfriamiento 11-24C ¿Cómo se define la eficiencia de la segunda ley de un refrigerador que opera en el ciclo de refrigeración por compresión de vapor? Proponga dos definiciones alternas y explique cada término Eficiencia=COPr/COPcarnot Eficiencia=XQl/W Ef MF=Qrecibido/W 11-25C ¿Cómo se define la eficiencia de la segunda ley de una bomba térmica que opere en el ciclo de refrigeración por compresión de vapor? Proponga dos definiciones alternas y demuestre que cada una se puede deducir de la anterior Eficiencia=COPHP/COPcarnot Eficiencia=ExQh/W EfBC=Qentregado/W 11-26C Considere el compresor isentrópico de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor. ¿Qué son la eficiencia isoentrópica y la eficiencia de la segunda ley de este compresor? Justifique sus respuestas. ¿La eficiencia de exergía de un compresor es necesariamente igual a su eficiencia isentrópica? Explique. Eficiencia isoentrópica y de la segunda ley son 100% si el compresor es isoentrópico. La eficiencia de la segunda ley de un compresor no es necesariamente igual a su eficiencia isentrópica. Las dos definiciones son diferentes. Las dos eficiencias son generalmente cercanas pero diferentes. En el caso especial de un compresor isentrópico, los dos Las eficiencias se igualan entre sí como se demostró anteriormente. 11-35C Al seleccionar un refrigerante para cierta aplicación, ¿qué cualidades buscaría usted en el refrigerante? Las características deseables de un refrigerante son tener una presión del evaporador que esté por encima de la atmosférica, y una presión del condensador que corresponde a una temperatura de saturación por encima de la temperatura del medio 11-36C Considere un sistema de refrigeración que utiliza refrigerante 134a como fluido de trabajo. Si este refrigerador va a operar en un entorno a 30 °C, ¿cuál es la presión mínima a la que se debe comprimir el refrigerante? ¿Por qué? La presión mínima a la que se debe comprimir el refrigerante es la presión de saturación del refrigerante en 30 grados C, que es 0.771 MPa. A presiones más bajas, el refrigerante deberá condensarse a temperaturas inferiores a las temperatura del entorno, que no puede pasar. 11-40C ¿Piensa usted que un sistema de bomba de calor será más eficaz respecto a costos en Nueva York o en Miami? ¿Por qué? Un sistema de bomba de calor es más rentable en Miami debido a las bajas cargas de calefacción y las altas cargas de enfriamiento. 11-41C ¿Qué es una bomba de calor con fuente de agua? ¿Cómo se compara el COP de un sistema de bomba de calor con fuente de agua con el de un sistema de fuente de aire? Una bomba de calor de fuente de agua extrae calor del agua en lugar de aire. Las bombas de calor de fuente de agua tienen COP más altos que los sistemas de fuente de aire debido a que la temperatura del agua es más alta que la temperatura del aire. 11-63C ¿En qué se distingue el ciclo de refrigeración de gas ideal del ciclo de refrigeración de Carnot? En el ciclo ideal de refrigeración de gas, la absorción de calor y los procesos de rechazo de calor se producen a presión constante En lugar de a temperatura constante. 11-65C ¿Cómo se modifica el ciclo de refrigeración de gas ideal para enfriamiento de aviones? En el enfriamiento de aeronaves, el aire atmosférico se comprime con un compresor, se enfría con el aire circundante y se expande en una turbina. El aire frío que sale de la turbina se dirige directamente a la cabina. 11-66C En los ciclos de refrigeración de gas, ¿se puede reemplazar la turbina por una válvula de expansión como se hizo en los ciclos de refrigeración por compresión de vapor? ¿Por qué? No; porque h = h (T) para gases ideales, y la temperatura del aire no descenderá durante un proceso de estrangulamiento (h1 = h2) 11-67C ¿Cómo se logran muy bajas temperaturas en los ciclos de refrigeración de gas? A través de la regeneración. AIRE HÚMEDO 14-1C ¿Cuál es la diferencia entre aire seco y aire atmosférico? El aire atmosférico contiene vapor de agua, el aire seco no 14-2C ¿Cuál es la diferencia entre la humedad específica y la humedad relativa? Humedad específica = masa vapor / masa aire seco Humedad relativa= Presión de vapor / presión de vapor saturado 14-3C ¿El vapor de agua en el aire se puede tratar como un gas ideal? Explique. Sí, por su baja presión relativa 14-4C ¿La humedad relativa del aire saturado es necesariamente de 100 por ciento? Sí 14-5C ¿Es posible obtener aire saturado a partir de aire insaturado sin agregar humedad? Explique. Sí, enfriándolo. 14-6C Se pasa aire húmedo por una sección de enfriamiento donde se enfría y se deshumidifica. ¿Cómo cambian a) la humedad específica y b) la humedad relativa del aire durante este proceso? Disminuye la humedad específica, aumenta la humedad relativa 14-7C ¿Cómo cambiarán a) la humedad específica y b) la humedad relativa del aire contenido en un cuarto bien sellado cuando se calienta? Se mantiene igual la humedad específica, disminuye la humedad relativa 14-8C ¿Cómo cambiarán a) la humedad específica y b) la humedad relativa del aire contenido en un cuarto bien sellado cuando se enfría? Se mantiene igual la humedad específica, aumenta la humedad relativa 14-9C Considere un recipiente que contiene aire húmedo a 3 atm y cuyas paredes son permeables al vapor de agua. El aire del entorno a la presión de 1 atm contiene también algo de humedad.¿Es posible que el vapor de agua fluya desde el entorno hacia el interior del recipiente? Explique. Sí, si la presión de vapor es mayor en el exterior puede entrar 14-10C ¿Por qué las tuberías de agua fría siempre se cubren con chaquetas de barrera de vapor? Para evitar la entrada de agua que puede condensar en el exterior de los tubos. 14-19C ¿Qué es la temperatura de bulbo húmedo? La temperatura del punto de rocío es la temperatura a la que comienza la condensación cuando el aire se enfría a presión constante. 14-20C Andy y Wendy usan anteojos. En un día frío de invierno, Andy llega del frío exterior y entra a la casa tibia mientras Wendy sale. ¿Cuál par de anteojos es más probable que se empañe? Explique. De Andy. La temperatura de sus lentes puede estar por debajo del punto de rocío de la habitación, causando condensación en sus anteojos 14-21C En verano, la superficie exterior de un vaso lleno de agua con hielo frecuentemente “suda”. ¿Cómo puede explicar este “sudor”? La temperatura de la superficie exterior del vidrio puede caer por debajo de la temperatura del punto de rocío del aire circundante, provocando que la humedad en las proximidades del vidrio se condense. 14-22C En algunos climas, quitar el hielo del parabrisas de un automóvil es una tarea común en las mañanas de invierno. Explique cómo se forma el hielo en el parabrisas durante algunas noches aun cuando no haya lluvia ni nieve. Idem respuesta anterior pero con temperaturas menores a 0 grados 14-23C ¿Cuándo son idénticas las temperaturas de bulbo seco y el punto de rocío? Cuando el aire está completamente saturado (humedad relativa = 100%) 14-24C ¿Cuándo son equivalentes las temperaturas de saturación adiabática y de bulbo húmedo para aire atmosférico? Estos dos son aproximadamente iguales a las temperaturas y presiones atmosféricas. 14-33C ¿Cómo se comparan las líneas de entalpía constante y de temperatura de bulbo húmedo constante en la carta psicrométrica? Son prácticamente paralelas 14-34C ¿En qué estado en la carta psicrométrica son idénticas las temperaturas de bulbo seco, bulbo húmedo y punto de rocío? En los estados de saturación 14-35C ¿Cómo se determina en la carta psicrométrica la temperatura de punto de rocío en un estado especificado? Trazando una línea horizontal hasta el punto de saturación, esa es la temperatura de rocío 4-36C ¿Los valores de entalpía determinados en una carta psicrométrica al nivel del mar se pueden usar a mayores altitudes? No, ellos no pueden. La entalpía del aire húmedo depende de w, que depende de la presión total. 14-62C ¿Cómo cambian las humedades relativa y específica durante un proceso de calentamiento simple? Responda la misma pregunta para un proceso de enfriamiento simple. La humedad relativa disminuye durante un proceso de calentamiento simple y aumenta durante un proceso de enfriamiento simple. La humedad específica, por otro lado, permanece constante en ambos casos. 14-63C ¿Por qué un proceso de calentamiento o enfriamiento simple aparece como una línea horizontal en la carta psicrométrica? Porque no disminuye ni aumenta su humedad específica. 14-88C ¿Qué es el enfriamiento evaporativo? ¿Funcionará en climas húmedos? El enfriamiento por evaporación es el enfriamiento alcanzado cuando el agua se evapora en aire seco. No funcionará en climas húmedos. 14-89C Durante la evaporación de un cuerpo de agua al aire, ¿bajo qué condiciones será el calor latente de vaporización igual a la transferencia de calor del aire? Cuando la temperatura del agua sea de una temperatura igual a la exterior, de tal modo que no intercambie calor con el medio. 14-90C ¿Un proceso de evaporación tiene que incluir transferencia de calor? Describa un proceso que incluya transferencia tanto de calor como de masa. No necesariamente, puede evaporarse a través de trabajo. 14-96C Dos flujos de aire insaturado se mezclan adiabáticamente. Se observa que se condensa algo de humedad durante el proceso de mezclado. ¿Bajo qué condiciones será éste el caso? Esto ocurrirá cuando la línea recta que conecta los estados de las dos corrientes en el gráfico psicrométrico cruce la línea de saturación. 14-97C Considere el mezclado adiabático de dos flujos de aire. ¿El estado de la mezcla en la carta psicrométrica tiene que ser en la línea recta que conecta los dos estados? Sí 14-105C ¿Cómo funciona una torre de enfriamiento húmedo de tiro natural? El principio de funcionamiento de una torre de enfriamiento de tiro natural se basa en la flotabilidad. El aire en la torre tiene un alto contenido de humedad, y por lo tanto es más ligero que el aire exterior. Este ligero aire húmedo se eleva bajo la influencia de la flotabilidad, induciendo fluir a través de la torre. 14-106C ¿Qué es un estanque de rociado? ¿Cómo funciona en comparación con el desempeño de una torre de enfriamiento húmedo? Un estanque de rociado enfría el agua tibia rociándola en la atmósfera abierta. Requieren de 25 a 50 veces el área de una torre de refrigeración húmeda para la misma carga de refrigeración.
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