UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA

PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA, MECANICA ELECTRICA Y MECATRONICA

PRIMER EXAMEN DE FUERZA MOTRIZ TERMICA

APELLIDOS Y NOMBRE:__________________________________________________

CODIGO:_______________________

1. Se propone utilizar un suministro geotérmico de agua caliente para hacer funcionar una turbina de vapor adiabática, como se muestra en la figura. El agua a presión elevada a 1.5 MPa y 180 C, pasa por una válvula reductora de presión hacia la cámara de un evaporador instantáneo adiabático, que forma líquido y vapor a una presión de 400 kPa. El líquido se deshecha mientras que el vapor saturado alimenta a la turbina de donde sale a 10 kPa y 90% de calidad. Si la turbina debe producir 10 MW, se pide considerando un FEES:

a) Hacer una tabla indicando las entalpias en cada estado en kJ/kg.b) Determinar el flujo de vapor que pasa por la turbina, en kg/s.c) Calcular la cantidad de agua caliente que provienen de la fuente geotérmica, en

kg/s.

2. Un depósito de 25 litros, tal como se muestra en la figura e inicialmente vacío, se conecta por medio de una válvula a una línea de suministro por donde fluye aire a 20 C y 800 kPa. La válvula se abre y fluye aire al depósito hasta que la presión alcanza 600 kPa. Se pide determinar suponiendo un proceso FEUS:

a) La temperatura final, en C.b) La masa final de aire en el depósito, en kg.

3. Un flujo de 1.5 kg/s de vapor húmedo de agua a 3 bar es estrangulado obteniéndose vapor saturado. El vapor saturado es pasado por un calentador eléctrico para salir a

2 bar y 400 C. Considere despreciables los cambios de energía cinética y potencial y el calentador isobárico.

a) Determine la calidad del vapor en el estado inicial, en %.b) Determine la potencia del calentador eléctrico, en kW.

4. Se lleva a cabo una prueba en un motor ECH de 4T y alta velocidad que gira a 5000 RPM. EL aire ingresa 100 kPa y 27 C al igual que el combustible (PC = 43000 kJ/kg). La temperatura máxima alcanzada es 2100 K. El agua de refrigeración entra al motor a 21 C y sale a 43 C, a razón de 27 kg de agua por kg de combustible. El motor tiene 6 cilindros, cada uno con un diámetro interior igual a su carrera e igual a 9 cm y una relación de compresión a 7.5.

a) Calcular la relación aire-combustible.b) Determinar el flujo de combustible, en gr/s.c) Estimar la potencia entregada por el motor, en kW.d) El flujo de agua de refrigeración, en litros/min.e) La temperatura de escape, en C.

5. Se tiene un sistema de refrigeración que opera una cámara a -30 C con una diferencia terminal de temperatura de 10 C, utilizando R-134a, tal como se muestra en la figura. La carga de refrigeración en el evaporador es igual a 40 TON. La condensación se realiza a 40 C.

a) Trazar el ciclo en el diagrama p-h.b) Calcular el flujo de refrigerante, en kg/min.

c) Seleccionar los motores de accionamiento de los compresores según la tabla adjunta. Considere una eficiencia mecánica de 89%, compresores abiertos con una eficiencia de transmisión de 90% por fajas.

d) El COP del ciclo.e) Costo mensual por consumo eléctrico (24 días del mes), si el deshielo es por

defrost electric y las resistencias de descongelamiento son de 20 kW.

Nota: Considere un costo de 0.38 S/. por kW-hr.

6. Una planta textil necesita 4 kg/s de vapor de agua saturado a 2 MPa, que se extrae de la turbina de una planta de cogeneración. El vapor entra a la turbina a 8 MPa y 500 C a razón de 11 kg/s y sale a 20 kPa. El vapor extraído sale del calentador de proceso como liquido saturado, y se mezcla con el agua de alimentación a presión constante. La mezcla se bombea a la presión de la caldera. Suponiendo una eficiencia isoentropica de 88% para la turbina como para las bombas. Determine:

a) La tasa de suministro de calor de proceso, en kW.b) La producción neta de potencia, en kW.c) El factor de utilización de la planta.

Factor de Utilización: f.u.= (Wneta + Qprocesos)/Qentrada