Energa y Medio Ambiente Profesor: Csar AcevedoEJERCICIOS PROPUESTOS BALANCES ENERGTICOS Y COSTOS DE ENERGA

1. A una velocidad constante de 100 km/h en condiciones de prueba en pista, el motor de cierto automvil compacto novedoso que va a salir al mercado, entrega 28,4 hp y opera con una eficiencia trmica del 26%. Si la gasolina que emplea en la prueba tiene un poder calorfico es de 18271,73 BTU/lb. a. Cuntos galones de gasolina consume en un trayecto de 250 km, considerando que se mantienen las condiciones de la prueba como constantes (velocidad, eficiencia, potencia, tipo de combustible, ambiente y ruta)b. Si el criterio mnimo de consumo de combustible para las condiciones de la prueba es de 50 km/gal, usted aceptara o rechazara el motorDatos: 1 hp = 2546,7 BTU/hDensidad gasolina=7,24 lb/gal

2. Se ha propuesto una planta de generacin mareotrmica que haga uso del gradiente de temperatura en el ocano. Segn el diseo, la potencia de salida de este sistema es de 7,5MW y operar entre 20C en la superficie del ocano y 5C a aproximadamente un kilometro de profundidad. a. Cul es la eficiencia mxima posible de este sistema b. Cunta energa trmica absorbe por hora de la superficie con esta eficiencia mxima c. Los diseadores dicen que entregando una potencia de 7,5 MW, extrae en una hora de la superficie 529,2x109 J y elimina en el fondo del ocano un calor de 482,8x109 J. A la luz de la primera y segunda ley de la Termodinmica explique si este sistema de generacin es posible.

3. Un motor diesel que acciona un generador elctrico a 1800 rpm, entrega una potencia de 65 hp en su eje operando con una eficiencia trmica del 24% y un factor de planta de 0,7.a. Asumiendo una eficiencia constante, cuantos galones de diesel consume en un aob. Cual sera la capacidad de generacin elctrica en kW, si el generador tiene una eficiencia del 90%c. Si el galn de diesel cuesta 8000 COP/gal, cuanto cuesta generar 100 kWh de energa elctricaDatos: 1 hp = 2546,7 BTU/h1 kW = 3415,179 BTU/hPCdiesel= 197 kBTU/gal

4. Para producir 90 Ton/h de vapor sobrecalentado a 450C y 2,5 MPa, una caldera quema cierta cantidad de carbn cuyo poder calorfico y precio son respectivamente 11600 BTU/lb y 200000 COP/Ton. Cuntas toneladas de carbn se queman en una hora y cuanto cuesta producir una Ton/h de vapor, si:a. El agua de alimentacin entra a una temperatura de 25C b. El agua de alimentacin entra a una temperatura de 60C c. Operando con un factor de planta de 0,67; cunto dinero se ahorra al ao, si en vez de alimentar la caldera con agua a 25C se alimenta a 60CDatos: 1 Ton = 2204,623 lb1 BTU = 1,05505 KJEficiencia de la Caldera=78%Entalpias de tablas de Spirax Sarco

5. Un campo petrolero tiene como sistema de abastecimiento de energa elctrica principal a 7 grupos electrgenos de 1400 kWe (motor a gas generador). Estos generadores utilizan gas proveniente de los pozos de produccin como combustible y su capacidad conjunta de generacin es suficiente para soportar la demanda mxima del campo (alrededor de 9 MW) y el consumo de energa que en promedio diario es de 153 MWh. Si el Heat-Rate del grupo electrgeno es de 15,165 MBTU/MWh y utiliza gas de pozo a un precio de 3,2 USD/MBTU. a. Cuntos m3 gas consume diariamente el sistema de generacinb. Cunto cuesta el combustible anual de este Campoc. Cunto cuesta generar un kWh de energa (Considere slo costos de combustible)Datos: Poder Calorfico del gas = 34 kBTU/m3Tasa de Cambio = 2400 COP/USD6. Un motor a gasolina utiliza 12000 J de calor para producir 3200 J de trabajo mecnico por ciclo. Este calor proviene de la quema de un combustible cuyo calor de combustin es de 42 kJ/kg.a. Cul es la eficiencia trmica del sistemab. Cuntos J de calor se desechan por cicloc. Cuntas libras de gasolina se queman por ciclod. Si el motor se mueve a 60 ciclos por segundo, cul es su potencia de salida en hpe. Si la temperatura media corregida de la cmara de combustin es de 400C y la temperatura ambiente es de 25C cul sera la mxima eficiencia posible de este motorDatos: 1 hp = 0,746 kW

7. Para producir una libra de vapor saturado seco a una presin de 284 PSI se requieren 1166,6 BTU cuando la temperatura del agua de alimentacin es 20C. Cunto costara anualmente el combustible para una caldera que tiene una capacidad de produccin de 2 Ton/h de vapor saturado seco (en las condiciones anteriores), operando con una eficiencia del 65% y un factor de planta de 0,68.Datos:Poder Calorfico del Fuel Oil: 17725 BTU/lbPrecio Fuel Oil: 3500 COP/galDensidad Fuel Oil: 0,978 kg/lt1 gal=3,785 lt 1 lb=0,4536 kg

8. En el diagrama T-s de un ciclo rankine ideal los valores de entalpa y entropa en cada estado son respectivamente:

Estado 1: 384,39 kJ/kg y 1,213 kJ/kg KEstado 2: 387,42 kJ/kg y 1,213 kJ/kg KEstado 3: 3.115,3 kJ/kg y 6,7428 kJ/kg KEstado 4: 2.403,2 kJ/kg y 6,7428 kJ/kg Ka. Encuentre la eficiencia trmica del ciclob. El costo de un kWh de energa generada en la turbina, si la caldera produce 7,2 Ton/h de vapor a partir de la quema de gas Datos:Poder Calorfico del gas: 1200 BTU/ft3Precio del Gas = 931 COP/m3 Desprecie prdidas en caldera, turbina, condensador y bomba1 m3 = 35,315 ft3 1 kW = 3415,179 BTU/h

9. En el condensador del ciclo de potencia anterior, el circuito de refrigeracin toma agua de una fuente cercana a una temperatura de 22C y la retorna a 28C, con el fin de que el fluido de trabajo pase de vapor hmedo a agua saturada con una temperatura de 55C. Cunto sera el caudal de agua en el sistema de refrigeracin en gal/min que debe circular? Datos:1 m3 = 264,1721 gal

10. Un sistema de generacin basado en turbina a gas produce 250 kW de Potencia Elctrica; los gases de combustin en el escape de la turbina son aprovechados en una caldera de recuperacin para producir 300 kBTU/h de vapor, el cual es empleado en el proceso productivo. Calcule el costo en COP/kWh de generacin de energa elctrica, bajo las siguientes consideraciones:

Precio del contrato de Gas: 860 COP/m3 (Poder calorfico del gas: 33,57 kBTU/m3)Precio del vapor empleado en proceso: 41 COP/kBTU (1 kW = 3415,179 BTU/h)Factor de Planta Utilizacin Energa Elctrica: 0,8 Factor de Planta Utilizacin Vapor: 0,7Eficiencia de la cmara de combustin y generador elctrico: 95% y 90% respectivamenteCalor de prdidas en la caldera de recuperacin y en la turbina: 200 kBTU/h y 120 kBTU/ h respectivamenteCostos anuales de Operacin y Mantenimiento: 70 Millones de pesosCosto de inversin: 300 millones de pesos (Tasa de retorno de la inversin esperada: 12% efectiva anual a 5 aos)