6-48 Una casa que fue calentada mediante calentadores de resistencia eléctrica consumió 1 200 kWh de energía eléctrica en un mes invernal. Si en cambio esta casa se hubiera calentado mediante una bomba de calor que tiene un COP promedio de 2.4, determine cuánto dinero habría ahorrado el dueño de la casa ese mes. Suponga un precio de 8.5 centavos de dólar por kWh para la electricidad. 6-50 Una bomba de calor empleada para calentar una casa opera aproximadamente una tercera parte del tiempo. La casa pierde calor a una tasa promedio de 22 000 kJ/h. Si el COP de la bomba de calor es 2.8, determine la potencia que la bomba de calor consume cuando está en operación. 6-51 Una bomba de calor es usada para mantener una casa a una temperatura constante de 23°C. La casa pierde calor a una tasa de 60 000 kJ/h mientras que la energía generada dentro de la casa por las personas, personas, las luces y los aparatos equivale a 4 000 kJ/h. Para un COP de 2.5, determine la entrada de potencia requerida para la bomba de calor. Respuesta: 6.22 kW 60 0000 00 kJ/h
6-52E Se tiene una oficina que está siendo enfriada adecuadamente por un acondicionador de aire de ventana de 12 000 Btu/h. Se decide convertir este espacio en una sala de informática mediante la instalación de varias computadoras, terminales e impresoras con una potencia potencia nominal total de 3.5 kW. La instalación tiene almacenados varios acondicionadores de aire de 4 000 Btu/h que pueden ser instalados para satisfacer los requerimientos adicionales de enfriamiento. Si se supone un factor de uso de 0.4 (es decir, sólo 40 por ciento de la potencia nominal será consumida en un momento dado) y la presencia adicional de cuatro personas, cada una generando calor a una tasa de 100 W, determine cuántos de estos acondicionadores será necesario instalar en la sala. 6-53 La carga anual de acondicionamiento de aires puta un edificio se estima en 120 000 kWh en un área donde el costo unitario de electricidad es de $0.10/kWh. Están considerados dos acondicionadores de aire para el edificio: el acondicionador A tiene un COP promedio estacional de 3.2 y cuesta $5 500 dólares, incluida la instalación; el B tiene un QOP promedio estacional de 5.0 y cuesta $7 000 dólares con instalación. Con todo lo demás igual, determine cuál acondicionador de aire es una mejor compra.
6-55 A los serpentines del evaporador colocados detrás de la sección del congelador de un refrigerador doméstico entra refrigerante 134a a 120 kPa con una calidad de 20 por ciento y sale a 120 kPa y — 20°C. 20°C. Si el compresor consume 450 W de potencia y el COP del refrigerador es 1.2, determine a) el flujo másico del refrigerante y b) la tasa del calor cedido al aire de la cocina. Respuestas: a] 0.0031 1 kg/s, b) 990 W
6-83C En un esfuerzo por conservar energía en un cictode máquina térmica, alguien sugiere incorporar un refrigerador que absorberá parte de la energía de desecho Q L y la transferirá a la fuente de energía de la máquina térmica. ¿Es esta una buena idea? Explique. 6-85C Se sabe bien que la eficiencia térmica de las máquinas térmicas se incrementa cuando crece la temperatura de la fuente de energía. En un intento por mejorar la eficiencia de una central eléctrica, alguien sugiere transferir calor de una fuente de energía disponible a un medio de mayor temperatura mediante una bomba de calor antes que la energía sea suministrada a la central. ¿Qué piensa de esta recomendación? Explique. 6-91 Un inventor afirma haber desarrollado un sistema de refrigeración que elimina calor de la región cerrada a — 12°C y que lo transfiere hacia el aire circundante a 25°C mientras mantiene un COP de 6.5. ¿Es razonable esa afirmación? ¿Por qué? 6-92 Durante un experimento realizado en una habitación a 25°C, un ayudante de laboratorio mide que un
refrigerador, el cual extrae 2 kW de potencia, ha eliminado 30 000 kJ de calor del espacio refrigerado que se mantiene a — 30°C. El tiempo de operación del refrigerador durante el experimento fue de 20 minutos. Determine si estas mediciones son razonables.
Una bomba de calor de Carnot se usará para calentar una casa y mantenerla a 20°C en invierno. Se estima que la casa pierde calor a una tasa de 82 000 kJ/h en un día en el que la temperatura exterior promedio permanece en cerca de 2°C. Si la bomba de calor consume 8 kW de potencia mientras está en operación, determine a) cuánto tiempo funciona ese día; b) los costos de calefacción totales, suponiendo un precio promedio de 8.5 centavos de dólar por kWh para la electricidad, y c) el costo de calefacción para el mismo día si se usa un calentador de resistencia en lugar de la bomba de calor. Respuestas: a) 4.19 h, b) $2.85, c) $46.47 6.99
Una máquina térmica de Carnot recibe calor de un depósito a 900°C a una tasa de 800 kJ/min y cede el calor de desecho al aire del ambiente que se halla a 27°C. Todo el trabajo que produce la máquina térmica se utiliza para impulsar un refrigerador que elimina calor del espacio refrigerado a — 5°C y lo transfiere al mismo aire ambiente a 27°C. Determine o) la tasa máxima de remoción de calor del espacio refrigerado y b) la tasa total de rechazo de calor al aire ambiente. Respuestas: a} 4 982 kJ/min, b} 5 782 kJ 6-100
6-101E Una máquina térmica de Carnot recibe calor de un depósito a 1 700°F a
una tasa de 700 Btu/min y cede el calor de desecho al aire ambiente a 80°F. Todo el trabajo que produce la máquina se usa para hacer funcionar un refrigerador que remueve calor del espacio refrigerado a 20°F y lo transfiere hacia el mismo aire ambiente a 80°F. Determine o) la tasa máxima de eliminación de calor del espacio refrigerado y b) la tasa total de rechazo de calor hacia el ambiente. Respuestas: a] 4200 Btu/min, b) 4900 Btu/min 6-102 Un refrigerador comercial que emplea refrigerante 134a como fluido de trabajo se usa para mantener el espacio refrigerado a — 35°C rechazando calor de desecho hacia el agua de enfriamiento que
entra al condensador a 18°C a una tasa de 0.25 kg/s y sale a 26°C. El refrigerante entra al condensador a 1.2 MPa y 50°C y sale a la misma presión subenfriado 5°C. Si el compresor consume 3.3 kW de potencia, determine a) el flujo másico del refrigerante, b) la carga de refrigeración, c) el COP y d) la entrada de potencia mínima al compresor para la misma carga de refrigeración.
6-103 Un acondicionador de aire que emplea refrigerante 134a como fluido de trabajo es utilizado para mantener una habitación a 26°C. Ésta gana calor por paredes y ventanas a una tasa de 250 kJ/min mientras que el calor que genera la computadora, la televisión y las luces equivale a 900 W. B refrigerante entra al compresor a 500 kPa como vapor saturado a una tasa de 100 L/min y sale a 1 200 kPa y 50°C. Detemine: o) el COP real, b) el COP máximo y c) el flujo volumdrico mínimo del refrigerante en la entrada del compresor pan las mismas condiciones de entrada y salida del compresor. Respuestas: a) 6.59, b) 37 A, c) 17.6 L/min ^
La etiqueta "Guía de energía" de un refrigerador establece que el costo del consumo de energía del refrigerador será de $74 dólares por año en uso normal si la electricidad cuesta $0.07/kWh. Si la electricidad que consume la lámpara es insignificante y el refrigerador consume 300 W cuando está funcionando, determine la fracción del tiempo que el refrigerador estará en operación. 20°C. Comúnmente los refrigeradores llevan en su interior una lámpara incandescente que proporciona iluminación, y que se enciende al abrir la puerta del refrigerador. Considere un refrigerador cuya lámpara de 40 W permanece encendida cerca de 60 h por año. Se propone remplazaría por una más eficiente que consume sólo 18 W pero cuesta $25 dólares incluida la instalación. Si el refrigerador tiene un coeficiente de desempeño de 1.3 y el costo de la electricidad es de 8 centavos de dólar por kWh, determine si el ahorro de energía de la lámpara propuesta justifica su costo. 6-109
6.110 Comúnmente
los refrigeradores llevan en su interior una lámpara incandescente que proporciona iluminación, y que se enciende al abrir la puerta del refrigerador. Considere un refrigerador cuya lámpara de 40 W permanece encendida cerca de 60 horas por año. Se propone reemplazarla por una más eficiente que consume solo 18 W pero cuesta 25$ incluida la instalación. Si el refrigerador tiene un coeficiente de desempeño de 1,3 y el costo de la electricidad es de 8 centavos de dólar por KWh, determine si el ahorro de energía de la lámpara propuesta justifica su costo.
6-112 Con frecuencia se afirma que la puerta del refrigerador
se debe abrir pocas veces y el menor tiempo posible para ahorrar energía. Considere un refrigerador doméstico cuyo volumen interior es de 0.9 m 3 y tiene una temperatura interna promedio de 4°C. En determinado momento, un tercio del espacio refrigerado es ocupado con alimentos, y en los restantes 0.6 m 3 hay aire. La temperatura y la presión promedio en la cocina son 20°C y 95 kPa, respectivamente. Además, el contenido de humedad del aire de la cocina y el refrigerador es 0.010 y 0.004 kg por kilogramo de aire, respectivamente; por lo tanto 0.006 kg de vapor de agua se condensan y remueven por cada kilogramo de aire que entra. La puerta del refrigerador se abre en promedio 8 veces al día y en cada ocasión entra aire caliente de la cocina que remplaza la mitad del volumen. de aire en el refrigerador. Si el refrigerador tiene un coeficiente de desempeño de 1.4 y el costo de la electricidad es de 7.5 centavos por kWh, determine el costo de la energía desperdiciada por año como resultado de abrir la puerta del refrigerador. ¿Cuál sería su respuesta si el aire de la cocina estuviera muy seco y, en consecuencia, se condensara una cantidad insignificante de vapor de agua en el refrigerador? ) Una bomba de calor con un COP de 2.8 se emplea para calentar una casa bien sellada. Cuando está en funcionamiento, la bomba consume 5 kW de potencia. Si la temperatura de la casa es de 7°C cuando se enciende la bomba de calor, ¿cuánto tarda la bomba de calor en aumentar a 22°C la temperatura de la casa? ¿Esta respuesta es real u optimista? Explique. Suponga que toda la masa en el interior de la casa (aire, muebles, etcétera) es equivalente a 1 500 kg de aire. Respuesta: 19.2 minutos 6-119
6-125 Dos máquinas térmicas de Carnot operan en serie. La primera recibe calor del depósito a 1 800 K y entrega el calor de desecho a otro depósito a temperatura T. La segunda recibe la energía que rechaza la primera, convierta una parte de ella en trabajo y ceda el resto a un depósito a 300 K. Si las eficiencias térmicas de ambas máquinas son iguales, determine la temperatura T. Respuesta: 735 K. 6-130 Una máquina térmica opera
entre dos depósitos a 800 y 20°C. La mitad de la salida de trabajo de la máquina térmica se emplea para accionar una bomba de calor de Carnot que extrae calor de los alrededores fríos que se hallan a 2°C y lo transfiere a una casa mantenida a 22°C. Si la casa pierde calor a una tasa de 62 000 kJ/h, determine la tasa mínima requerida de suministro de calor a la máquina térmica para mantener la casa a 22°C. Considere un ciclo de una bomba de calor de Carnot puesta en práctica en un sistema de flujo estable en la región de mezcla saturada líquido-vapor con refrigerante 134a como fluido de trabajo que fluye a una tasa de 0.264 kg/s. Se sabe que la temperatura absoluta máxima en el ciclo es 1.25 veces la temperatura absoluta mínima y que la entrada de potencia neta al ciclo es 7 kW. Si el refrigerante cambia de vapor saturado a líquido saturado durante el proceso de rechazo de calor, determine la proporción de las presiones máxima a mínima en el ciclo. 6-132
6-135 Sustituir
las lámparas incandescentes por lámparas fluorescentes reduce el consumo de energía de iluminación a una cuarta parte del consumo original. La energía consumida por las lámparas se convierte finalmente en calor, por lo tanto cambiar a iluminación fluorescente reduce también la carga de enfriamiento en el verano, pero aumenta la carga de calentamiento en invierno. Considere un edificio que se calienta mediante un horno de gas natural con una eficiencia de 80 por ciento y se enfría mediante un acondicionador de aire con un COP de 3.5. Si la electricidad cuesta $0.08/kWh y el gas natural cuesta $1.40 dólares por unidad térmica, determine si el cambio de iluminación aumentará o disminuirá el costo de la energía total del edificio a) en verano y b) en invierno. El espacio de carga de un camión equipado refrigerado cuyas dimensiones interiores son 12 X 2.3 X 3.5 m será preenfriado de 25°C a una temperatura promedio de 5°C. El camión está construido de tal manera que ocurre una ganancia de calor de transmisión a una tasa de 80 W/°C. Si la temperatura ambiente es de 25°C, determine cuánto tardará en preenfriar este camión un sistema con capacidad de refrigeración de 8kW. 6-136
6-138 Los requerimientos de agua potable de una
instalación con 20 empleados se satisfarán por medio de una fuente de agua tipo bebedero. La fuente de agua refrigerada enfría el agua de 22°C a 8°C y la suministra a una tasa de 0.4 L por hora por persona. El calor es transferido al depósito desde los alrededores a 25°C a una tasa de 45 W. Si el COP del sistema de refrigeración es de 2.9, determine en Watts el tamaño adecuado del compresor para el sistema de refrigeración de este enfriador de agua.
Un calentador eléctrico de agua tiene mas eficiencia de 90 por ciento y cuesta 390 dólares al año tenerlo en operación con un precio unitario de electricidad de $0.08/kWh. Un calentador de agua que utiliza una bomba de calor tiene un COP de 2.2 pero su instalación cuesta alrededor de $800 dólares más. Determine en cuántos años se recupera el costo diferencial del calentador de agua de bomba de calor a partir de la energía que ahorra. 6.141
El dueño de una casa intenta decidir entre un horno de gas natural con una eficiencia de 97 por ciento y una bomba de calor con fuente de tierra con un COP de 3.5. Los costos unitarios de la electricidad y el gas natural son de $0.092/kWh y $1.42/unidad térmica (1 unidad térmica = 105 500 kJ). Determine cuál sistema tendrá un menor costo de energía. 6-143)
El flujo máximo de una regadera estándar es aproximadamente 3.5 gpm (13.3 L/min) y es posible reducirlo a 2.75 gpm (10.5 L/min) si se cambia a una regadera de flujo reducido equipada con controladores de flujo. Considere una familia de cuatro individuos, cada uno toma una ducha de 6 minutos todas las mañanas. El agua de la ciudad está a 15°C y se calienta a 55°C en un calentador de pettóleo cuya eficiencia es de 65 por ciento, luego se mezcla con agua fría para templarla a 42°C en la conexión en forma de "T" de la tubería antes de ser enviada a la regadera. El precio del petróleo es de $1.20/gal y el poder calorífico es de 146 300 kJ/gal. Suponiendo un calor específico constante de 4.18 6-144
kJ/kg • °C para el agua, determine la cantidad de petróleo y de dinero ahorrado por año si las regaderas comunes se sustituyen por regaderas • de flujo reducido .
Una bomba de calor con refrigerante 134a como fluido de trabajo se emplea para mantener un espacio a 25°C mediante la absorción de calor de agua geotérmica que entra al evaporador a 50°C a una tasa de 0.065 kg/s, y sale a 40°C. El refrigerante entra al evaporador a 20°C con una calidad de 15 por ciento y sale a la misma presión como vapor saturado. Si el compresor consume 1.2 kW de potencia, determine a) el flujo másico del refrigerante, b) la tasa de suministro de calor, c) el COP y d) la entrada mínima de potencia al compresor para la misma tasa de suministro de calor. Respuestas: a) 0.0175 kg/s, b) 3.92 kW, c) 3.27, d) 0.303 kW 6-148
6-150 Una bomba de calor recibe calor de un lago que tiene una temperatura promedio en invierno de 6°C para suministrarlo a una casa que tiene una temperatura promedio de 27°C. a) Si la casa cede calor a la atmósfera a una tasa de 64 000 kJ/h, determine la potencia mínima suministrada a la bomba de calor, en kW. b) Se usa un intercambiador de calor para transferir energía del lago hacia la bomba de calor. Si la temperatura del agua del lago disminuye 5°C cuando fluye por el intercambiador de calor, determine el flujo másico mínimo del agua del lago, en kg/s. Ignore el efecto de la bomba de agua.
