Ingeniería Energética, Energética, Transmisión de Calor y Fluidos. Fluidos. Grado en Ingeniería Ingeniería del Diseño y Desarrollo Desarrollo del Producto. Curso Curso 2015/2016. 2015/2016.
Boletín nº 4.
1. Considere tres sistemas alternativos a lternativos para calentar una corriente de aire que fluye por un conducto a la presión presi ón constante de 1 bar desde 17 a 52 ºC: - Sistema 1: La temperatura del aire se aumenta a umenta mediante una resistencia eléctrica inmersa en el conducto por el que fluye la corriente de aire. - Sistema 2: La temperatura del aire aumenta a su paso por los tubos interiores de un intercambiador a contracorriente. Por el conducto exterior circula de agua a una presión de 1 bar que entra en estado de vapor saturado y sale como líquido saturado. - Sistema 3: La temperatura del aire se aumenta mediante una transferencia de calor desde el exterior siendo la temperatura de las paredes del conducto 52 ºC. Considerando que operan en estado estacionario, que el intercambio de calor con el entorno en los sistemas 1 y 2 son despreciables y que las variaciones de la energía cinética y potencial pueden despreciarse, determine la entropía generada por kilogramo de aire calentado para cada uno de los sistemas de calentamiento descritos. (R: 0,1145 kJ/(kg·K)); 0,02 kJ/(kg·K); 0,006 88 kJ/(kg·K)) 2. (Mor-6.41) Un flujo de R134a entra en un intercambiador a contracorriente a 20 ºC y con un título del 35 %, abandonando el mismo como vapor saturado a 20 ºC. La otra corriente del intercambiador es un flujo másico de 4 kg/s de aire a presión atmosférica que se enfría desde 300 K hasta 285 K sin pérdida significativa de presión. Calcúlese, para la operación en estado estacionario, la velocidad de generación de entropía en el interior del intercambiador. (R: 31,89 W/K) 3. (Mor-6.42) Un flujo de vapor de agua a 0,7 MPa y 355 ºC entra a un calentador abierto de agua de alimentación que opera en estado estacionario. También entra al intercambiador un flujo de agua a 0,7 MPa y 35 ºC. En el intercambiador se produce la mezcla de ambas corrientes y sale del mismo un único flujo de líquido saturado a 0,7 MPa. Determine: a) La relación entre los flujos másicos de las corrientes de entrada. (R: 0,222) b) La generación de entropía por kg de líquido saturado a la salida. (R: 0,2181) 4. Con el fin de enfriar un flujo de gas argón ( c p = 5R/2), se hace pasar pasa r este por una tobera adiabática, adiabátic a, entrando a la temperatura ambiente de 20ºC y una presión de 4,5 bar, siendo su energía cinética despreciable en ese punto de de entrada. Si por el otro extremo de la tobera sale el gas a 73ºC y a una presión de 1 bar, calcule, para el estado estacionario: a) La velocidad de salida. (R: ( R: 311,12 m/s) b) El rendimiento isoentrópico de la tobera. (R: 70,22%) c) La entropía específica generada. (R: 0,1143 kJ/(kg·K)) 5. Un flujo de R134a entra a la válvula válvula de estrangulación de un sistema de refrigeración con una presión de 1,2 MPa y sale a 0,24 MPa con un título del 30%. Determine la temperatura del R134a en la entrada de la válvula y la entropía específica generada en la misma. (R: 38 ºC; 18 J/(kg·K)) 6. (Mor-6.49) Un sistema que trabaja con gas y que opera en situación estacionaria consiste en un compresor, un intercambiador de calor y una turbina. Un flujo de 5 kg/s de aire entra al compresor a 0,95 bar y 22 ºC, y sale a 5,7 bar. El aire pasa después al intercambiador de calor, calentándose a presión constante hasta 1100 K. Finalmente, el aire se expande en la turbina hasta la presión atmosférica (0,95 bar). Si el compresor y la turbina son adiabáticos y pueden despreciarse las variaciones de energía cinética y potencial en m 5 kg/s todos los dispositivos, calcule el trabajo neto producido por el sistema en los siguientes casos: a) El compresor y la turbina operan sin irreversibilidades internas. (R: 1283,3 kW) Intercambiado Intercambiador b) El compresor y la turbina tienen rendimientos isoentrópicos del 82 y 85 %, respectivamente. Problema 6 Problema 6 (R: 725,25 kW)
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Dpto. Física Aplicada I. Escuela Politécnica Superior. Universidad de Sevilla.
7. (Mor-6.47) El sistema de la figura muestra una válvula de estrangulación que opera en paralelo con una turbina de vapor de agua cuyo rendimiento isoentrópico es del 90%. Las corrientes de salida de ambos dispositivos se mezclan en un intercambiador abierto. Si el sistema funciona en estado estacionario con los valores mostrados en la figura, todos los dispositivos están aislados adiabáticamente y podemos suponer que las variaciones de energía cinética y potencial son 90 % despreciables, determine: p3 15 bar 3 a) La potencia neta desarrollada por la turbina. Turbina (R:1883,2 kW) VAPOR 4 1 b) Los flujos másicos que circulan por la turbina y la Calentador abierto p4 15 bar válvula. (R:8,78 kg/s; 2,22 kg/s) m1 11 kg/s T 4 260 ºC c) La entropía generada por unidad de tiempo en cada p1 40 bar 2 dispositivo. (R: turbina 0,4206 kW/K; válvula 0,9544 T 360ºC t
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kW/K; 0,0430 kW/K)
Problema 7
p2
15 bar
8. (Mor-6.53) En un compresor que opera en estado estacionario, entra aire a 17 ºC y 1 bar y se comprime hasta 5 bar. Considerando que no existen irreversibilidades internas y que las energías c inética y potencial no varían apreciablemente, calcule el trabajo y el calor por kilogramo de aire comprimido para los siguientes casos: a) Compresión isoterma. (R: 134 kJ/kg; 134 kJ/kg) b) Compresión adiabática. (R: 172 kJ/kg) c) Represente ambos procesos en los diagramas p-v y T - s y relacione las áreas en dichos diagramas con los calores y trabajos transferidos. Compare los valores obtenidos en ambos casos, así como las temperaturas finales. 9. (Mor-6.55) Compare el trabajo requerido para comprimir agua líquida y vapor de agua ambos saturados a 0,1 MPa hasta 3 MPa. Supóngase que la bomba o el compresor son equipos adiabáticos, que operan sin irreversibilidades internas y que funcionan en estado estacionario. (R: W agua/W vapor = 0,34%)
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