Universidad de Oriente. Profesor: Francisco García Núcleo de Anzoátegui. Preparadora: Sharon López Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Departamento de Ingeniería Química. Tema II: Primera Ley de la termodinámica en un sistemas abiertos y Segunda Ley de la termodinámica. 1) A una tobera entra aire constantemente con 2,21Kg/m 3 y 40m/s, y sale con 0.762Kg/m 3 y 180 m/s. si el área de entrada en la tobera es 90cm 2 , determine a) la tasa de flujo de masa por la tobera y b) el área de salida de este. 2) Una bomba aumenta la presión del agua a 70kpa en la succión, hasta 700kpa en la descarga. El agua llega a ella a 15°C, pasando por una abertura de 1 cm de diámetro, y sale por una abertura de 1,5cm de diámetro. Determine la velocidad del agua en la succión y la descarga, cuando la tasa de flujo por la bomba es 0,5kg/s. ¿Cambiaran mucho esas velocidades si la temperatura en la succión aumenta hasta 40°C? 4) A una tobera entra aire constantemente a 300 kpa, 200°C y 30m/s, y sale a 100 kpa y 180 m/s. El área de entrada a la tobera es 80 cm 2 . Determine a) el flujo de masa por la tobera, b) la temperatura del aire a la salida y c) el área de salida de la tobera. Respuesta: a) 0.5304 kg/s b) 184.6°C, c) 38.7 cm 2 6) A un difusor entra refrigerante 134a, como vapor saturado a 800 kpa con una velocidad constante de 120 m/s, y sale a 900kpa y 40°C. El refrigerante gana calor a una tasa de 2Kj/s al pasar por el difusor. Si el área de salida es 80% mayor que la de entrada, determine a) la velocidad de salida y b) el flujo de masa del refrigerante. Respuesta: a) 60,8 m/s, b)1,308 Kg/s 7) Un compresor adiabático de aire procesa 10L/s a 120 kpa y 20°C, hasta 1000kpa y 300°C. Determine: a) el trabajo que requiere el compresor en Kj/kg, b) la potencia necesaria para impulsarlo, en kw. Respuesta: a) - 285.0 kJ/kg, b) - 4.068 kW 8) Por una turbina pasa un flujo estacionario de vapor de agua. Las condiciones iniciales del vapor son 10 Mpa, 450°C y 80m/s en la entrada y en la salida son 10kpa, 92% y 50m/s. El flujo de masa es 12kg/s, determine potencia desarrollada y el área de entrada a la turbina. Respuesta: 10.2 MW y 0.00447m 2 9) A un compresor adiabático entra CO 2 a 100kpa y 300K, con un flujo de 0,5 Kg/, y sale a 600 kpa y 450K. Despreciando los cambios de energía cinética, determine a)el flujo volumétrico en la entrada, b) la potencia consumida por el compresor. Respuestas: a) 0,28 m 3 /s, b) 68,8Kw 10) Una turbina de gas adiabática expande aire a 1000 kpa y 500°C hasta 100kpa y 150°C. A la turbina entra aire por una abertura de 0,2m 2 , con una velocidad promedio de 40 m/s, y sale por una abertura de 1 m 2 . Determine: a)el flujo de masa de aire por la turbina, b) la potencia que produce esa turbina. Respuesta: a) 36,1 Kg/s, b)13,3MW 11) A veces se separa una porción del vapor de agua que pasa por una turbina para calentar agua de alimentación, como se ve en la figura. Considere una turbina adiabática de vapor, con la entrada a 12.5 Mpa y 550°C, y un flujo de 20 Kg/s. Se extrae vapor de la turbina a 1000 kpa y 200°C, a una razón de 1Kg/s. El vapor de agua restante sale de la turbina a 100kpa y 100°C. Determine la potencia producida por esta turbina. Resultado:15860Kw
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Universidad de Oriente. Profesor: Francisco García Núcleo de Anzoátegui. Preparadora: Sharon LópezEscuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Departamento de Ingeniería Química.Tema II: Primera Ley de la termodinámica en un sistemas abiertos y Segunda Ley de la termodinámica.
1) A una tobera entra aire constantemente con 2,21Kg/m3 y 40m/s, y sale con 0.762Kg/m3 y 180 m/s. si el área de entrada en la tobera es 90cm2, determine a) la tasa de flujo de masa por la tobera y b) el área de salida de este.
2) Una bomba aumenta la presión del agua a 70kpa en la succión, hasta 700kpa en la descarga. El agua llega a ella a 15°C, pasando por una abertura de 1 cm de diámetro, y sale por una abertura de 1,5cm de diámetro. Determine la velocidad del agua en la succión y la descarga, cuando la tasa de flujo por la bomba es 0,5kg/s. ¿Cambiaran mucho esas velocidades si la temperatura en la succión aumenta hasta 40°C?
4) A una tobera entra aire constantemente a 300 kpa, 200°C y 30m/s, y sale a 100 kpa y 180 m/s. El área de entrada a la tobera es 80 cm2. Determine a) el flujo de masa por la tobera, b) la temperatura del aire a la salida y c) el área de salida de la tobera. Respuesta: a) 0.5304 kg/s b) 184.6°C, c) 38.7 cm2
6) A un difusor entra refrigerante 134a, como vapor saturado a 800 kpa con una velocidad constante de 120 m/s, y sale a 900kpa y 40°C. El refrigerante gana calor a una tasa de 2Kj/s al pasar por el difusor. Si el área de salida es 80% mayor que la de entrada, determine a) la velocidad de salida y b) el flujo de masa del refrigerante. Respuesta: a) 60,8 m/s, b)1,308 Kg/s 7) Un compresor adiabático de aire procesa 10L/s a 120 kpa y 20°C, hasta 1000kpa y 300°C. Determine: a) el trabajo que requiere el compresor en Kj/kg, b) la potencia necesaria para impulsarlo, en kw. Respuesta: a) - 285.0 kJ/kg, b) - 4.068 kW
8) Por una turbina pasa un flujo estacionario de vapor de agua. Las condiciones iniciales del vapor son 10 Mpa, 450°C y 80m/s en la entrada y en la salida son 10kpa, 92% y 50m/s. El flujo de masa es 12kg/s, determine potencia desarrollada y el área de entrada a la turbina. Respuesta: 10.2 MW y 0.00447m2
9) A un compresor adiabático entra CO2 a 100kpa y 300K, con un flujo de 0,5 Kg/, y sale a 600 kpa y 450K. Despreciando los cambios de energía cinética, determine a)el flujo volumétrico en la entrada, b) la potencia consumida por el compresor. Respuestas: a) 0,28 m3/s, b) 68,8Kw
10) Una turbina de gas adiabática expande aire a 1000 kpa y 500°C hasta 100kpa y 150°C. A la turbina entra aire por una abertura de 0,2m2, con una velocidad promedio de 40 m/s, y
sale por una abertura de 1 m2. Determine: a)el flujo de masa de aire por la turbina, b) la potencia que produce esa turbina. Respuesta: a) 36,1 Kg/s, b)13,3MW
11) A veces se separa una porción del vapor de agua que pasa por una turbina para calentar agua de alimentación, como se ve en la figura. Considere una turbina adiabática de vapor, con la entrada a 12.5 Mpa y 550°C, y un flujo de 20 Kg/s. Se extrae vapor de la turbina a 1000 kpa y 200°C, a una razón de 1Kg/s. El vapor de agua restante sale de la turbina a 100kpa y 100°C. Determine la potencia producida por esta turbina. Resultado:15860Kw
12) Una mezcla líquido y vapor de agua saturados, llamada vapor húmedo, fluye en una línea de suministro de vapor de agua a 2000 kpa y se estrangula hasta 100 kpa y 120°C. ¿Cuál es la calidad del vapor de agua en la línea de suministro? X= 0.957
13) Un flujo de agua caliente a 80°C entra a una cámara mezcladora a razón de 0,5 Kg/h, y se mezcla con un flujo de agua fría a 20°C. Se desea que la mezcla de la cámara salga a 42°C. Calcule el flujo de masa de agua fría. Suponga que todos los flujos están a la presión de 250 Kpa. Resultado: 0.865 Kg/h
14) Se calienta agua a 50°F y 50 psia, en una cámara, mezclándola con vapor saturado a 50 psia. Si ambos entran a la cámara mezcladora con el mismo flujo másico, determine la temperatura y la calidad del flujo que sale. Respuesta: 281°F, 0.374.
15) A un condensador de una termoeléctrica entra vapor a 20 kpa y 95% de calidad, con un flujo de masa de 20000Kg/h. Se va a enfriar con agua de un rio cercano, pasándola por los tubos ubicados en el interior del condensador. Para evitar la contaminación térmica, el agua del rio no debe tener un aumento de temperatura mayor de 10°C. Si el vapor debe salir del condensador como liquido saturado a 20 kpa. Determine el flujo de masa del agua de enfriamiento requerido. Respuesta: 297,7 Kg/s
16) Un intercambiador de calor de tubos concéntricos con pared delgada, de contraflujo, se usa para enfriar aceite (Cp= 2.20 kj/Kg.°C) de 150 a 40°C, a una razón de 2Kg/s, usando agua (Cp=4.18 kj/kg.°C), que entra a 22°C, a una razón de 1.5Kg/s. Determine la tasa de transferencia de calor en el intercambiador y la temperatura de salida del agua. Respuesta: 484 kW 17) Un tanque rígido a 2 m3 contiene aire a 100kpa y 22°C. Se conecta el tanque a una línea de suministro por medio de una válvula. En la línea de suministro fluye aire a 600 kpa y22°C. Se abre la válvula y se deja entrar aire al tanque, hasta que la presión en su interior llega a la presión de la línea de suministro, y en ese momento se cierra la válvula. Tf=77ºC. Determine: a) la masa del aire que ha entrado al tanque y b) la cantidad de transferencia de calor. Respuesta: 9.58kg, 339 KJ.
18) Un tanque rigido de 0,2 m3 contiene R-134a a 8°C. En ese estado el 70% de la masa está en fase de vapor y el resto, en fase liquida. Se conecta ese tanque, por medio de una válvula, a una línea de suministro donde fluye, de una manera estacionaria, R-134ª a 1 Mpa y 100°C. Entonces, se abre un poco la válvula y se deja entrar refrigerante al tanque. Cuando la presión en el tanque llega a 800 kpa, todo el refrigerante en el tanque está en fase de vapor. En ese momento se cierra la válvula. Determine: a) la temperatura final en el tanque, b) la masa del refrigerante que entro al tanque, y c) la transferencia de calor entre el sistema y los alrededores.
19) Un tanque rígido de 0.12 m3 contiene refrigerante 134a a 1 Mpa y de 100% de calidad. Ese tanque se conecta por medio de una válvula con una línea de suministro que condice el R-134a a 1.2Mpa y 36°C. Entonces, se abre la válvula y se deja que el refrigerante entre al tanque. Cuando se observa que el tanque contiene líquido a 1.2Mpa se cierra la válvula. Determine a) la masa del refrigerante que entro al tanque y b) la cantidad de calor transferido. Respuestas: a) 128.4 Kg, b) 1057KJ
20) Un tanque rígido de 0.3 m3 se llena con agua líquida saturada a 200°C. En el fondo del tanque se abre una válvula y se saca líquido del tanque. Se transfiere calor al agua de tal manera que la temperatura en el interior del tanque permanece constante. Determine la cantidad de calor que debe transferirse para cuando se ha retirado la mitad de la masa total. Respuesta: 2308 kJ
22) Un tanque rígido de 0.12 m3 contiene R-134a saturado, a 800 kpa. El 25% del volumen está ocupado por líquido y el resto por vapor. Se abre entonces una válvula en el fondeo del tanque y se saca líquido del mismo. Se transfiere calor al refrigerante, de tal manera que la presión en su interior permanezca constante. Cuando ya no queda liquido en el tanque y comienza a salir vapor, se cierra la válvula. Determine la transferencia de calor para este proceso. Respuesta: 201.2 KJ
22) La tapa de salida de aire de un globo de aire caliente es para sacar aire caliente del globo cuando sea el caso. En uno de estos globos la abertura de salida del aire tiene 0.5m2 de area, y la de llenado 1 m2. Durante una maniobra adiabatica de vuelo, que dura 2 minutos, entra aire caliente al globo, a 100kpa y 35°C, con 2 m/s de velocidad; el aire en el interior del globo permanace a 100kpa y 35°C; ademas sale del globo por la tapa de salida, a 1 m/s. Al comienzo de la maniobra, el volumen del globo s 75 m3. Determine el volumen final del globo y el trabajo producido por el aire en su interior, al expandir la superficie del globo. Respuesta: 255 m3, 18,000 KJ.
23) Un globo contiene 65 m3 de gas helio a condiciones atmosféricas 100kpa y 22°C. El globo se conecta a través de una válvula con un depósito muy grande, que abastece helio a 150Kpa y 25°C. Entonces, se abre la válvula y se deja entrar helio al globo, hasta que llega al equilibrio de presión con el hielo en el depósito de suministro. EL material del globo es tal que el volumen aumenta en forma lineal con la presión. Si no hay transferencia de calor durante ese proceso, determine la temperatura final en el globo. Respuesta: 334 K.
24) Un dispositivo C-E contiene 0.6 Kg de vapor de agua, con un volumen de 0.1 m3. La masa de embolo es tal que mantiene una presión constante de 800Kpa. El cilindro está conectado con una línea de suministro que conduce vapor de agua a 5Mpa y 500°C, a través de una válvula. Entonces, se abre la válvula y se deja entrar el vapor lentamente al cilindro, hasta que su volumen aumenta al doble y su temperatura llega a 250°C, y en ese momento se cierra la válvula. Determine a) la masa del vapor de agua que entro y b) la cantidad de calor transferido. Respuesta: 447.9 kJ
25) Los siguientes datos son para una planta de vapor simple generadora de energía.
El estado 6 tiene X=0,92 y una velocidad de 200m/s. El flujo de vapor es de 25Kg/s y se alimenta a la bomba 300 KW de potencia. Los diámetros de la tubería 200mm, y del condensador al generador de vapor de 75m. El economizador es de un intercambiador de calor de baja temperatura Determine:
a) La salida de potencia de la turbina.b) La transferencia de calor en el condensador, el
economizador y el generador de vapor.c) El flujo de agua de enfriamiento a través del
condensador, si en el condensador la temperatura del agua de enfriamiento aumenta de 15°C a 25 C.
