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INSTITUTO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE Y UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO Materia: Maquinas Alumnos: Ramos Gustavo Sergio Torres Torres Mauricio Maestro: Tapia Alberto Alejandro Tema: Recopilacion de Problemas Equipo: 02 Grupo: 7MM4 Fecha de Entrega: 13 Noviembre 2019 1 INSTITUTO NACIONAL ESCUELA SUP...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

Materia: Maquinas Térmicas Alumnos: Hernández Ramos Gustavo Rodríguez Juárez Sergio Torres Torres Mauricio Maestro: Tapia Dávila Alberto Alejandro Tema: Recopilacion de Problemas

Equipo: 02 Grupo: 7MM4 Fecha de Entrega: 13 / Noviembre / 2019

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

PROBLEMARIO

PRIMER PARCIAL.............................................................................................................................................5 Motor Ciclo Otto 4 Tiempos..............................................................................................................................6 Problema 4.1..................................................................................................................................................... 6 Problema 4.2..................................................................................................................................................... 7 Problema 4.3..................................................................................................................................................... 8 Problema 4.4..................................................................................................................................................... 9 Problema 4.5...................................................................................................................................................10 Problema 4.6...................................................................................................................................................11 Problema 4.7...................................................................................................................................................13 Problema 4.8...................................................................................................................................................14 Motor Ciclo Otto 2 Tiempos............................................................................................................................15 Problema 5.1...................................................................................................................................................15 Problema 5.2...................................................................................................................................................16 Problema 5.3...................................................................................................................................................17 Problema 5.4...................................................................................................................................................18 Problema 5.5...................................................................................................................................................19 Motor Ciclo Diesel 4 Tiempos.........................................................................................................................20 Problema 6.1...................................................................................................................................................20 Problema 6.2...................................................................................................................................................21 Problema 6.3...................................................................................................................................................22 Problema 6.4...................................................................................................................................................23 Problema 6.5...................................................................................................................................................25 Problema 6.6...................................................................................................................................................26 Problema 6.7...................................................................................................................................................27 Motor Ciclo Diesel 2 Tiempos.........................................................................................................................28 Problema 7.1...................................................................................................................................................28 Problema 7.2...................................................................................................................................................31 2

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Problema 7.3...................................................................................................................................................32 Problema 7.4...................................................................................................................................................33

SEGUNDO PARCIAL......................................................................................................................................34 Ciclo Joule-Brayton (Normal).........................................................................................................................35 Problema 10.1.................................................................................................................................................35 Problema 10.2.................................................................................................................................................36 Problema 10.3.................................................................................................................................................38 Problema 10.4.................................................................................................................................................39 Problema 10.5.................................................................................................................................................40 Problema 10.6.................................................................................................................................................41 Ciclo Joule-Brayton (Regenerativo)..............................................................................................................42 Problema 10.7.................................................................................................................................................42 a)

Ciclo Normal.........................................................................................................................................42

b)

Ciclo Regenerativo...............................................................................................................................43

Problema 10.8.................................................................................................................................................45 a)

Ciclo Normal.........................................................................................................................................45

b)

Ciclo Regenerativo...............................................................................................................................46

Ciclo Joule-Brayton (Recalentamiento Intermedio)..................................................................................48 Problema 10.9.................................................................................................................................................48 a)

Ciclo Normal.........................................................................................................................................48

b)

Turbina Libre.........................................................................................................................................49

c)

Trabajo Adicional Máximo...................................................................................................................50

d)

Tabla de comparación.........................................................................................................................50

Problema 10.10...............................................................................................................................................51 a)

Ciclo Normal.........................................................................................................................................51

b)

Turbina Libre.........................................................................................................................................52

c)

Trabajo Adicional Máximo...................................................................................................................53

d)

Tabla de comparación.........................................................................................................................53

Ciclo Joule-Brayton (Refrigeracíon Intermedia)........................................................................................54 3

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Problema 10.11...............................................................................................................................................54 a)

Tabla de comparación.........................................................................................................................55

Ciclo Joule-Brayton (Mixto)............................................................................................................................56 Problema 10.12...............................................................................................................................................56 a)

Ciclo Normal.........................................................................................................................................56

b)

Ciclo Mixto.............................................................................................................................................57

c)

Tabla de Comparación........................................................................................................................58

Turborreactor (Con Movimiento)....................................................................................................................59 Problema 11.1.................................................................................................................................................59 Problema 11.2.................................................................................................................................................62 Problema 11.3.................................................................................................................................................65

TERCER PARCIAL..........................................................................................................................................67 Ciclo Rankine (Normal)....................................................................................................................................68 Problema 12.1.................................................................................................................................................68 Problema 12.2.................................................................................................................................................71 Problema 12.3.................................................................................................................................................74 Problema 12.4.................................................................................................................................................77 Ciclo Rankine (Recalentamiento Intermedio).............................................................................................80 Problema 12.5.................................................................................................................................................80 Ciclo Rankine (Regenerativo).........................................................................................................................83 Problema 12.6.................................................................................................................................................83 Turbinas de Vapor.............................................................................................................................................87 Problema 13.1.................................................................................................................................................87 Problema 13.2.................................................................................................................................................89 Problema 13.3.................................................................................................................................................91 TAREAS COMPLEMENTARIAS.......................................................................................................................92 Motor Wankel......................................................................................................................................................93 Plantas de Turbina de Gas (Joule-Brayton Mixto).....................................................................................97 Anexo 1............................................................................................................................................................97 4

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Anexo 2............................................................................................................................................................99

PRIMER PARCIAL

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Motor Ciclo Otto 4 Tiempos Problema 4.1 Se tiene un motor monocilíndrico ciclo Otto 4T, de dimensiones D = L = 16 cm., que trabaja a una velocidad n = 2500 rpm, admite aire a una Pa = 0.8 kg/cm2 y Ta = 20ºC. Quema gasolina con un poder calorífico inferior de 10,300 kcal/kg y relación estequiométrica aire-combustible At = 15.1. Si en el escape pierde 0.915 kcal, calcular: a) El trabajo útil Wu (kg-m y J). b) La eficiencia termodinámica ŋt (%). c) La potencia teórica Nt (CV y kW). d) La relación de compresión rC. Datos: PCI = 10300 kcal/kg At = 15.1 Qp = -0.915 kcal R = 2927 kg-cm/kg-°K

D = L = 16 cm n = 2500 rpm Pa = 0.8 kg/cm2 Ta = 20°C = 293°K

π D 2 L π ( 16) (16) = =3.2169 x 103 cm3 4 4 2

Va=

3.2169 x 10 (¿¿ 3) (0.8) =3 x 10−3 kg =3 g ( 2927 )( 293) PaVa =¿ ma= RTa Cc=

ma 3 x 10−3 =1.986 7 x 10−4 kg = 15.1 At

−4 Qs=Cc∗ PCI =( 1.9867 x 10 ) (10300 ) =2.0463 kcal

Qu=Qs + Qp=2.0463+(−0.915 )=1.1313 kcal

ŋ t=

Qu 1.1313 =0.5528 ( 100 )=55.28 % = Qs 2.0463

Wu=J∗Qu=427 ( 1.1313 )=483.0651 kg−m 6

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Nt=

Wu∗n (483.0651)( 2500) = =134.1847 Cv 9000 9000

Nt=

134.1847 Cv =98.6652 kw 1.36

(

r c=

1 1−ŋ t

) ( 2.5

=

1 1−0.5528

)

2.5

=7.4773

Problema 4.2 Un motor ciclo Otto 4T, monocilíndrico, trabaja en condiciones atmosféricas Ta = 30°C y Pa = 0.8 kg/cm2. Produce 46,000 kg-cm de trabajo útil a 3000 rpm. Si del motor escapan 4.5 g de gases en cada ciclo y la temperatura se abate 4.9 veces en el momento de abrirse la válvula de escape, calcular: a) El calor suministrado (en kcal). b) La potencia teórica (en Cv). c) La relación de compresión rC. Datos: m5 = 4.5x10-3 kg T5 = 4.9 (T2) Cp = 0.24 kcal/kg°K Cv = 0.17 kcal/kg°K

Ta = T1 = T2 = 30°C = 303°K Pa = 0.8 kg/cm2 Wu = 46000 kg-cm = 460 kg-m n = 3000 rpm

Nt=

Wu∗n (460 )(3000 ) =153.3333 cv = 9000 9000

Qu=

Wu 460 = =1.0772 kcal J 427

T 5=4.9 T 2 =( 4.9 ) ( 303) =1484.7 ° K −3 Qp=m 5 C v ( T 2−T 5 ) =( 4.5 x 10 ) ( 0.17 ) (303−1484.7 )=−0.9040 kcal

Qs=Qu−Qp =1.0772 — 0.9040=1.9812 kcal ŋ t=

Qu 1.0772 = =0.5437 ( 100 )=54.37 % Qs 1.9812

r c=¿

(

1 1−ŋ t

) ( 2.5

=

1 1−0.5437

) =7.110 2.5

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Problema 4.3 Se tiene un motor ciclo Otto 4T, monocilíndrico, relación carrera/diámetro (L/D = 1.15) que trabaja bajo las siguientes condiciones: Pa = 0.8 kg/cm2 y Ta = 25ºC. Sabiendo que quema 0.2 g de combustible en cada ciclo en una proporción aire-combustible At = 14.9, calcular las dimensiones del cilindro (diámetro y carrera). a) D (cm). b) L (cm). Datos: At = 14.9 Cc = 0.2g = 0.2x10-3 kg R = 2927 kg-cm/kg-°K

Ta = 25°C = 298°K Pa = 0.8 kg/cm2

λ=

L =1.15 D

→

L=1.15 D

Ma=Cc ( At )=0.2 x 10−3 ( 14.9) =2.98 x 10−3 kg −3

Va =

Va=

D=

cm

3

√

3 2 3 4 Va π D 2 L π D 1.5 D 1.5 π D → D= = = λπ 4 4 4

√ 3

maTaR (2.98 x 10 )(298 )( 2927 ) = =3249.1163 Pa 0.8

4 (3249.1163) =15.3223 cm 1.15 π

L=1.15 D=1.15 ( 15.3223) =17.6206 cm

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Problema 4.4 Se tiene un motor ciclo Otto 4T, monocilíndrico, que trabaja al nivel del mar2 y entrega una potencia teórica de 115 CV a 3000 rpm. Si del motor escapan 4 g de gases en cada ciclo y la presión disminuye 4.9 veces en el momento de abrirse la válvula de escape, calcular: a) El calor útil Qu (kcal) b) El calor perdido Qp (kcal y J) c) La eficiencia termodinámica ŋt (%) Pa = P2 = 1 kg/cm2 Ta = T2 = 30°C = 303°K Nt = 115 Cv

T5 =4.9 T2

→

Datos: n = 3000 rpm m5 = m = 4x10-3 kg Cv = 0.17 kcal/kg°K

T 5 =4.9 T 2

T 5 =4.9 T 2=4.9 ( 303 ) =1484.7° K Qp=m 5 C v ( T 2−T 5 ) =( 4 x 10−3 ) ( 0.17 )( 293 −1484.7 )=−0.8035 kcal Wu=

Nt ( 9000 ) 115 Cv ( 9000 ) =345 kg−m = 3000 n

Qu=

Wu 345 =0.8079 kcal = 427 J

Qs=Qu −Qp =0.8079−(− 0.8035 ) =1.6114 kcal

ŋt =

Qu 0.8079 = =0.5013 ( 100 )=50.13 % Qs 1.6114

Problema 4.5 Se tiene un motor ciclo Otto 4T, monocilíndrico, que trabaja a 2500 rpm en condiciones atmosféricas Ta = 22 ºC, Pa = 1.2 kg/cm2. Tiene una eficiencia termodinámica de 58%. Si la presión se incrementa 5.2 veces durante la combustión y pierde 0.83 kcal en el escape, calcular: a) El calor suministrado (en kcal). 9

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