PROGRAMA NACIONAL DE FORMACIÓN EN PROCESOS QUÍMICOS TERMODINÁMICA TERMODINÁMICA APLICADA
APLICACIÓN DE LA 1 ERA LEY EN SISTEMAS ABIERTOS
1. A una tobera tobera de una una turbina turbina de vapor le le entra vapor vapor sobrecalenta sobrecalentado do a 3 MPa, 350 °C con una baja velocidad y sale a 1,6 MPa y a 550 m/s. Si el caudal másico es de 0,5 kg/s, calcule: a. La calida calidad d del vapor vapor que sale de la tobera tobera b. La tempera temperatura tura del del vapor vapor que sale sale de la tobe tobera ra c. El área área de sali salida da de de la tob tobera era..
2.
Una bomba bomba de agua agua suminist suministra ra consta constantem ntemente ente 50 L/s L/s de agua a través través de una tubería de 18 cm de diámetro. La presión al igual que la temperatura del agua, medida a la entrada y salida del sistema de bombeo son iguales entre sí (1 bar y 20 °C). La toma de agua se realiza por medio de una tubería de 15 cm de diámetro ubicada 100 m por debajo de la salida. Determine la potencia mínima requerida por la bomba
3. La alcaldía alcaldía del Hatillo Hatillo nos nos pidió que la ayudáramos ayudáramos en los aspectos aspectos técnicos técnicos de la compra de un camión hidrolimpiador. El camión tiene una manguera que termina en una tobera de 1,5 cm de diámetro. Esto forma un chorro de alta velocidad, unos 40 m/s, que se usa para limpiar paredes, concreto, etc. ¿Cuál debe ser la presión mínima del agua en el camión?
Ing Ing. Raymon Moreno Moreno
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4. Considere el siguiente ciclo de refrigeración por amoníaco. (xx)
a. Si la potencia del compresor es de 25 kW, ¿cuál es el flujo de refrigerante? b. Sabiendo que del condensador sale líquido saturado, ¿cuánto es el calor retirado del condensador c. ¿Cuál es el calor retirado por el evaporador?
5. A un compresor le entra aire a razón de 37 m3/min a 136 kPa y 305 K y sale a 680 kPa y con un volumen específico de 0,1686 m3/kg. El compresor consume 161,5 kJ por cada kilogramo de aire comprimido. Dentro del compresor, el aire se enfría gracias a una camisa de agua que rodea el mismo. Se transfiere energía desde el aire resultando en un aumento de 11 °C en la temperatura del agua, sin que esta aumente su presión. Determine el flujo másico de agua.
6. A un generador de vapor de una planta de potencia eléctrica se le suministran 3 L/s de agua a 10 MPa y 30 °C por una tubería de 30 mm de diámetro. Del generador sale vapor saturado a 9 MPa. Calcule la transferencia de calor al agua. Ing. Raymon Moreno
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7. En ciertas localidades del mundo existen fuentes de agua caliente a presiones altas (géiseres, aguas termales, etc.) que pueden ser utilizadas como fuentes de energía no convencionales. Supongamos que se dispone de una fuente de agua caliente a 1,5 MPa y a 180 °C. El agua es estrangulada por una válvula hasta una presión de 400 kPa y luego es introducida en un separador adiabático (el proceso se denomina evaporación súbita o “flash”). La mezcla líquido-vapor formada es separada por gravedad, y el vapor saturado se alimenta a una turbina. La turbina produce trabajo liberando el agua a 10 kPa y 90% de calidad.
Si se desea obtener 1MW de potencia en un esquema de este estilo, ¿Qué caudal de agua caliente se debe procesar? 8. En el esquema se presenta un ciclo combinado que utiliza Freón-12 como fluido de trabajo. El ciclo de la derecha opera como un refrigerador retirando un cierto calor del
ambiente. La potencia requerida para accionar el
compresor (C) proviene de la turbina (T) la cual es accionada por el ciclo potencia de la izquierda. La alimentación de la turbina y del compresor son ambos vapor saturado a 105 y -15 °C respectivamente. Ambos ciclos comparten un condensador, a la salida del cual se obtiene una corriente única de líquido saturado a 45 °C.
Ing. Raymon Moreno
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Determine la relación de potencias calóricas entre el evaporador del ciclo de la izquierda y el de la derecha (Q 1/Q2). Datos: - La entalpía de la corriente 2 es de 225 kJ/kg y la calidad a la salida de la turbina es de 30,5% - La bomba se puede suponer isotérmica - La turbina, el compresor y las tuberías se pueden suponer adiabáticos - La caída de presión a través de las tuberías y los intercambiadores de calor puede considerarse despreciable. (XX)
9. Considere el siguiente esquema para producir agua potable a partir de agua de mar. Haga la aproximación de que las propiedades termodinámicas del agua salada sean las mismas del agua pura. Determine: a) la relación de kilogramos de agua potable producidos por kilogramo de agua salada procesada; b) el calor suministrado en el calentador por unidad de masa; c) la potencia por unidad de masa en la bomba. d) el calor por unidad de masa suministrado al agua salada al pasar por el intercambiador. (Este último se puede suponer aislado térmicamente) (XX)
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10.Considere el siguiente esquema
Entre las dos turbinas, que utilizan vapor de agua, se coloca un intercambiador de calor, que precalienta la alimentación de la turbina B gracias a la condensación de 1,27 kg/s de vapor a 100 kPa. Si la calidad a la salida de las turbinas es del 90%, halle la temperatura del estado 3 y la potencia de la turbina B. (XX) 11.La Ciudad de Chicago (Ilinois, EEUU) con altos rascacielos de vidrio y concreto se encuentra situada a orillas del Lago Michigan. La diferencia de las presiones existentes entre el aire sobre el cuerpo de agua y el aire sobre la tierra dan origen a corrientes que fluyen a la ciudad, las cuales al encontrarse con la superficies lisas y planas de los edificios son dirigidas a altas velocidades a las calles y avenidas, a esto se debe al apodo de “La ciudad de los vientos”.
Ing. Raymon Moreno
Un ingeniero que posee su oficina cerca del lago
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desea aprovechar las velocidades de los vientos para generar potencia y así disminuir su elevada cuenta de electricidad.
Para esto, diseño un
sistema como el que se muestra en la figura, el cual aprovecha una corriente de aire de 40 km/h para alimentar las turbinas. Por regulaciones, la corriente de salida al final del proceso debe tener la misma velocidad que la del lugar en donde es liberada, calcule: (XX) a. El flujo másico de cada turbina b. La potencia total generada c. El valor de potencia calórica en el calentador d. Si el KW/h en Chicago cuesta 0,07 $, ¿Cuánto ahorra el diariamente el ingeniero? Vientos 40 km h
Vientos 5 km h
W
CALENTADOR
TOBERA
T-01
TURBINAS
P-5
TOBER A
P= 100 kPa T= 20 ºC
W
2
Q
T-01
P= 100 kPa T= 20 ºC
NOTA: el radio de las tuberías de entrada de las turbinas es de 10 cm 12.En la turbina de una planta de generación de potencia entra vapor de agua a 7 MPa y 500 ºC, una cuarte parte en masa de ese vapor se extrae de a turbina a 600 kPa para precalentar la corriente 4 en el intercambiador. El vapor restante continua expandiéndose hasta 10 kPa, luego este vapor se condensa y se mezcla n una con la corriente 9.
Puede suponer que las
bombas, la turbina, y el intercambiador son adiabáticos, y que las tuberías no presentan caídas de presión. Si la tasa de flujo másico en la caldera es de 30 kg/s y las salidas de la turbina son vapor saturado, determine: (XX) a. La potencia de la turbina
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b. Potencia calórica requerida en el condensador si su salida es líquido saturado c. El calor requerido en la caldera si el trabajo de las bombas es despreciable.
13.Considere la siguiente planta de cogeneración en la cual entra a la turbina de vapor de agua 7 MPa y 500 ºC, el 70 % (en masa) de este vapor se extrae de la turbina a 500 kPa y 99,5% de calidad para el calentamiento de un proceso “X” y el vapor restante continua su expansión hasta 5 kPa y 80% de calidad. Después el vapor se condensa a presión constante y se bombea hasta 7 MPa que es la presión de la caldera, en momentos de alta demanda de calor para el proceso , un 10 % (en masa) del vapor que sale de la caldera se estrangula hasta 500 kPa, y se envía al calentador. Las
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fracciones de
extracción se ajustan de manera tal que la salida del
calentador sea liquido saturado a 500 kPa, que luego es bombeado hasta 7 MPa. La tasa de flujo másico de vapor a la salida de a caldera es de 15 kg/s. descarte toda caída de presión en las tuberías, bombas y turbinas, si la entalpia de la corriente que retorna a la caldera es de 511,66 kj/kg. Determine (XX) a. Cantidad de calor que se podrá suministrar al proceso “X” b. Potencia suministrada por la turbina c. Calor suministrado por la caldera.
Éxitos en la resolución delos ejercicios.
Ing. Raymon Moreno
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