Examen Enero 2015-1

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DEPARTAMENTO DE ENERGÍA Enero 2015 
E.P.I. de Gijón Ejercicio 1 (Puntuación: 1.25/10) 
Ingeniería Térmica Tiempo: 30 min. 
Apellidos: Nombre: UO: 
 
CUESTIÓN 1 
Establezca la relación matemática entre los coeficientes de operación de los modos calefacción y refrigeración para una bomba de 
calor ideal. Calcule el coeficiente de operación de dicha bomba de calor en modo calefacción si las temperaturas de los focos frío y 
caliente son 25ºC y 240ºC, respectivamente. 
 
Solución: 
 
 
 
 
 
CUESTIÓN 2 
Un conjunto cilindro-pistón contiene refrigerante 134a en condiciones de líquido saturado a 400 kPa. Parte del líquido se vaporiza a 
presión constante por la transferencia de 250 kJ de calor desde una fuente exterior a 100 ºC. Si en el proceso no existieron 
rozamientos. Determine: 
a) Cambio de entropía en el sistema cilindro-pistón. 
b) La entropía generada durante el proceso. 
c) Analice la reversibilidad del proceso. 
 
Solución: 
a) KkJSSistema /886,0 
b) KkJS sAlrededore /670,0 
c) El proceso es irreversible, ya que ΔSUniverso = 0,216 kJ/K >0. 
 
 
 
DEPARTAMENTO DE ENERGÍA Enero 2015 
E.P.I. de Gijón Ejercicio 2 (Puntuación: 2/10) 
Ingeniería Térmica Tiempo: 50 min. 
Apellidos: Nombre: UO: 
 
PROBLEMA 1 
Se realiza un ciclo de Rankine regenerativo con intercambiador de calor abierto (mezclador adiabático que opera a 4 MPa), al objeto 
de obtener 140 MW netos. El vapor que alimenta a la turbina de vapor está a 100 bar y 520 ºC y a 40 bar y 380 ºC se realiza la 
extracción de una cantidad de vapor (para alimentar el mezclador) tal que el agua a la salida del mezclador está en forma de líquido 
saturado. 
Si el rendimiento isentrópico de la turbina es 91.33%, las bombas empleadas son adiabáticas ideales y el condensador opera a 2 kPa, 
se pide: 
a) Diagrama de flujo y diagrama T-s del ciclo 
b) Porcentaje de vapor extraído de la turbina para alimentar el mezclador 
c) Relación de trabajos del ciclo 
d) Flujo másico de agua que recorre la caldera 
e) Rendimiento térmico del ciclo 
 
Solución: 
a) 
b) 32.67 % 
c) 1.01 % 
d) 140.22 kg/s 
e) 42.8 % 
 
DEPARTAMENTO DE ENERGÍA Enero 2015 
E.P.I. de Gijón Ejercicio 3 (Puntuación: 1.75/10) 
Ingeniería Térmica Tiempo: 40 min. 
Apellidos: Nombre: UO: 
 
PROBLEMA 2 
Se pretende utilizar un ciclo Brayton regenerativo para construir una central termoeléctrica de 1 MW de potencia neta, de acuerdo al 
esquema de la figura. El fluido de trabajo es aire estándar (calores específicos variables) que entra al compresor a 100 kPa y 300 K, y 
las condiciones de entrada a la turbina son 855.7 kPa y 1240 K. La turbina y el compresor disponibles para construir el ciclo tienen 
rendimientos isentrópicos de 0.9 y 0.8 respectivamente, mientras que el regenerador presenta una eficiencia del 65%. En esas 
condiciones, se pide: 
a) Ponga el nombre a todos los equipos del esquema de la figura y dibuje el diagrama T-s del ciclo, indicando en él los puntos 
numerados en la figura. 
b) Calcule el caudal másico de aire necesario en la instalación. 
c) Calcule la potencia térmica que es necesario aportar en la cámara de combustión. 
d) ¿Cuál es el rendimiento termodinámico del ciclo? 
e) Si el regenerador cuesta 100000 € y cada kWh recuperado en él supone un ahorro de 0.05 €, indique cuántos días debe 
funcionar la central a plena potencia para amortizar la inversión del regenerador. 
 
 
Solución: 
a) 
b) 4.70 kg/s 
c) 2786.11 kW 
d) 35.89 % 
e) 157.6 días 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DEPARTAMENTO DE ENERGÍA Enero 2015 
E.P.I. de Gijón Ejercicio 4 (Puntuación: 1.5/10) 
Ingeniería Térmica Tiempo: 30 min. 
Apellidos: Nombre: UO: 
 
CUESTIÓN 3 
Un chip de silicio de espesor despreciable se monta sobre un sustrato de aluminio (kAl=238 W/m K) y espesor eAl=8 mm mediante la 
adición entre ambos materiales de una capa de resina epoxy (k res=222 W/m K) y espesor eres=0.02 mm. Las superficies superior del 
chip e inferior del sustrato son cuadradas, de lado L=10 mm, y están refrigeradas por una corriente de aire a T∞=25 ºC que proporciona 
un coeficiente de película en las mismas h=100 W/m
2
 K. Las superficies laterales de todo el montaje están perfectamente aisladas. Si 
en régimen permanente el chip disipa 10
4
 W/m
2
, ¿podrá el chip operar por debajo de 85 ºC, que es el valor especificado por el 
fabricante como máxima temperatura de funcionamiento? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Solución: 
La temperatura en el chip es T1 = 75.08 ºC, inferior a 85 ºC, luego si podrá operar en esas condiciones 
 
 
 
 
CUESTION 4 
Una tubería horizontal de 0.1 m de diámetro exterior que transporta vapor de agua a alta presión, atraviesa un recinto en el que las 
paredes y el aire ambiental están a 23 ºC. La superficie exterior de la tubería tiene una emisividad de 0.85 y se encuentra a 171 ºC. 
Estime la pérdida de calor por unidad de longitud de la tubería considerando convección y radiación. 
DATO: =5.6710
-8
 W/m
2 
K
4
 
 
Solución: 866 W/m 
DEPARTAMENTO DE ENERGÍA Enero 2015 
E.P.I. de Gijón Ejercicio 5 (Puntuación: 2.25/10) 
Ingeniería Térmica Tiempo: 50 min. 
Apellidos: Nombre: UO: 
 
PROBLEMA 3 
Una cámara de combustión cilíndrica de acero (kacero=50 W/m K) contiene gases de combustión a T∞i =1100 K y se refrigera mediante 
una corriente de aire a T∞e =320 K. Para favorecer la refrigeración, se coloca sobre la superficie exterior de la cámara un revestimiento 
de aluminio (kAl=240 W/m K) provisto de aletas anulares del mismo material. El coeficiente de película entre los gases de combustión 
y la superficie interior de la cámara es de hi =150 W/m
2
 K, mientras que el coeficiente de película entre el aire de refrigeración y la 
superficie aleteada es de he= 100 W/m
2
 K. Considerando que el contacto entre la superficie exterior de la cámara de combustión y el 
revestimiento es perfecto y que el sistema opera en régimen permanente bajo las condiciones descritas, se pide: 
a) Temperatura en la pared exterior de la cámara si no se colocara el revestimiento. Considere que el coeficiente de película 
entre la pared exterior de la cámara y el aire de refrigeración es también he= 100 W/m
2
 K. 
b) Considerando que se coloca el revestimiento, dibuje el circuito termoeléctrico equivalente, indicando las expresiones de 
todas las resistencias térmicas, así como la nomenclatura de las temperaturas en todos los nodos y las potencias térmicas en 
todas las ramas. 
c) Efectividad de las aletas . 
d) Disipación de calor de la cámara de combustión por unidad de longitud. 
e) Disminución de la temperatura que se produce en la pared exterior de la cámara al colocar el revestimiento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Solución: 
a) 766.75 K 
b) 
c) 0.89 
d) 39.584 kW/m 
e) 378.77 K 
 
DEPARTAMENTO DE ENERGÍA Enero 2015 
E.P.I. de Gijón Ejercicio 6 (Puntuación: 1.25/10) 
Ingeniería Térmica Tiempo: 40 min. 
Apellidos: Nombre: UO: 
 
PROBLEMA 4 
Considere un tubo horizontal de pared delgada, de diámetro 0.025 m, sumergido en un contenedor cilíndrico de parafina, de diámetro 0.25 
m, que se utiliza para almacenar energía térmica latente. Inicialmente, la parafina está en estado sólido a una temperatura de 27.4 ºC, valor 
que se corresponde con su temperatura de fusión. Cuando se hace circular agua caliente a través del tubo, se transfiere calor a la parafina y 
ésta comienza a fundirse. Un flujo másico de 0.1 kg/s de agua caliente circula por el tubo a una temperatura media de 45 ºC. Suponiendo 
que la temperatura superficial del tubo se mantiene uniformemente a la temperatura de fusión de la parafina, determine el tiempo que tarda 
la parafina en fundirse por completo. 
 
DATOS: 
Propiedades de la parafina: Entalpía de fusión hf =244 kJ/kg, densidad p =770 kg/m
3
 
Propiedades del agua constantes con la temperatura:  =985 kg/m3, µ =4.67×10-4 kg/m s, k =0.653W/m K, cp =4185 J/kg K 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Solución: 
 Coeficiente de película entre el agua y el tubo = 1725.9 W/m
2
K. 
Tiempo en fundirse la parafina = 3827 s.