Ejercicios del 2do tema de termodinámica: Análisis de sistemas abiertos Libro: Yunus Cengel “Termodinámica” (6ta edición)
Toberas y Difusores •
5-30. A una tobera adiabática entra aire en forma estable a 300Kpa, 200°C y 30 , y sale a 100KPa y 120 . El área de entrada de la tobera es de 80 ,
determine el flujo másico, temperatura de salida y área de salida de la tobera. = , Resp: •
; = , , ; = ,
5-32. A una tobera tob era entra vapor vapo r a 5MPa y 400°C 400°C en forma estable estab le con una velocidad de 80 , y sale a 2MPa y 300°C. 300°C. El área de entrada de la tobera
es de 50 y el calor se pierde a una tasa de 120 .
Determine el flujo
masico, velocidad de salida y área de salida de la tobera. = , Resp: •
; = , ,
; = , ,
5-35. A una tobera adiabática que tiene una relación de área de entrada a salida de 2:1 entra aire a 600KPa y 500K con una velocidad de 120 , y sale
con una velocidad de 380 . Determine la temperatura de salida y la presión
de salida del aire. Resp: = , , ; = , •
5-36. A un difusor adiabático entra aire a 80KPa y 127°C en forma
permanente a una tasa de 6000 y sale a 100KPa, la velocidad de la
corriente de aire se reduce de 230 a 30 , encuentre la temperatura final y el
área de salida del difusor. Resp: = , , ; = , •
5-38. A una tobera adiabática entra de forma fo rma estable establ e a 1MPa y 500°C, 500°C,
con un flujo másico de 6000 y sale a 100KPa y 450 .
El área de entrada
de la tobera es de 40 . Determine la velocidad de entrada y temperatura de salida. Resp: = , , ; = , , •
5-40. A un difusor difuso r entra aire ai re a 80KPa, 27°C 27°C y 220 a una tasa de 2,5 y sale a 42°C. 42°C.
El área de salida del difusor es 400 y se estima que durante el
proceso el aire pierde calor a una tasa de 18 . Determine la velocidad de
salida y la presión de salida del aire. Resp: = , , ; , ,
Radames Gómez, Septiembre de 2013
•
5-43. A un difusor entra R-134a en forma permanente como vapor saturado a 800KPa con una velocidad de 120 , y sale a 900KPa y 40°C. A medida que
pasa por el difusor, el refrigerante gana calor a una tasa de 2 . Si el área de
salida es 80% mayor que la de entrada. Determine la velocidad de salida y el flujo másico. = , Resp: •
; = ,
5-39. A una tobera adiabática entra R-134a a 700KPa y 120°C en forma permanente con una velocidad de 20 , y sale a 400KPa y 30°C. Determine
la velocidad de salida y relación de áreas. Resp: = ,
;
= ,
Turbinas y Compresores •
5-49. Por una turbina adiabática fluye vapor de modo estable. Las condiciones de entrada del vapor son 10MPa, 450°C y 80 y las de salida
son 10KPa, calidad del 92% y 50 .
El flujo másico del vapor es 120
Determine el área de entrada, cambio de energía cinética y potencia generada por la turbina. = , $# Resp: = , ; ! = ", ;#
•
5-53. A una turbina adiabática entra vapor a 8MPa y 500°C a una tasa de 3
, y sale a 20KPa. Si la salida de potencia de la turbina es 2,5MW
determine la temperatura final Resp: = , % •
5-54. A una turbina adiabática que opera de manera estable entra gas argón a 900KPa y 450°C con una velocidad de 80 y sale a 150KPa con
una velocidad de 150 . El área de entrada de la turbina es de 60 . Si la
salida de potencia de la turbina es de 250KW. Determine la temperatura de salida del argon. Resp: = , •
5-56. A un compresor adiabático entra R-134a como vapor saturado a 24°C y sale a 0,8MPa y 60°C. El flujo másico de esta sustancia es 1,2
.
Determine la entrada de potencia al compresor y el flujo volumétrico en la entrada. & = , Resp: !
= ", # ; #
Radames Gómez, Septiembre de 2013
•
5-57. Al compresor de una planta de turbina de gas entra aire a 100KPa y 25°C con una velocidad baja, y sale a 1MPa y 347°C con una velocidad de
'(
90 . El compresor se enfría a una tasa de 1500
mientras la entrada de
potencia es de 250KW. Determine el flujo másico.
= , Resp: •
5-60. Se comprime Helio desde 120KPa y 310K hasta 700KPa y 430K. Durante el proceso ocurra una pérdida de calor de 20
. Sin considerar
cambios de energía cinética determine la entrada de potencia para un flujo másico de 90
.
'(
Resp: -954,67KW •
5-61. A un compresor adiabático entra a 100KPa y 300K a una tasa de
0,5 , y sale a 600KPa y 450K. Determine el flujo volumétrico en la entrada
y entrada de potencia. & = , Resp: !
= ", # ; #
Válvulas de estrangulamiento •
5-62C ¿Por qué en aplicaciones de refrigeración y sistemas de aire acondicionado se usan comúnmente dispositivos de estrangulamiento? Resp: Debido que en todo proceso de disminución de presión por estrangulamiento viene acompañado de una disminución de temperatura.
•
5-64C ¿Esperaría que la temperatura del aire disminuyera a medida que experimenta un proceso de estrangulamiento de flujo estable? Explique. Resp: No, debido que para gases ideales como el aire, la entalpia es función de la temperatura, es decir: h(t), y como todo proceso de estrangulamiento es isoentálpico ()* = )+ ) al no variar la entalpia, tampoco varia la temperatura.
•
5-65C ¿Esperaría que la temperatura de un líquido cambiara a medida que pasa por un proceso de estrangulamiento? Explique Resp: Si permanece en fase liquida, no. Pero si algo de ese líquido se vaporiza durante el proceso entonces sí.
•
5-66 Por un proceso de estrangulamiento se hace pasar R-134a del estado líquido saturado a 700KPa hasta una presión de 160KPa. Determine la disminución de temperatura durante este proceso y volumen específico final. Resp: = ,
; = ",%
Radames Gómez, Septiembre de 2013
•
5-68 Una válvula bien aislada se usa para estrangular vapor de 8MPa y 500°C hasta 6MPa. Determine la temperatura final del vapor. Resp: = , %
Cámaras de Mezcla e Intercambiadores de Calor •
5-75 A una cámara de mezcla entra una corriente de agua caliente a 80°C
con un flujo másico de 0,5 donde se mezcla con una corriente de agua
fría a 20°C, si se desea que la mezcla salga de la cámara a 42°C. Determine el flujo másico de la corriente de agua fría. Suponga que las corrientes tienen una presión de 250KPa.
= , Resp:
•
5-76 Agua líquida que está a 300KPa y 20°C se calienta en una cámara de mezclándola con vapor sobrecalentado a 300KPa y 300°C. El agua fría entra a la cámara a una tasa de 1,8
. Si la mezcla sale a 60°C,
determine el flujo másico requerido del vapor sobrecalentado. = , Resp:
•
5-77 En las termoeléctricas, los calentadores de agua de alimentación abierta se utilizan con frecuencia para calentar el agua mezclándola con vapor extraído de la turbina en alguna etapa intermedia. Considere un calentador de este tipo que opera a una presión de 100KPa con el que se calienta agua de alimentación a 50°C mediante vapor sobrecalentado a 200°C. En un calentador ideal de agua, la mezcla sale de este como liquido saturado a la presión del agua de alimentación. Determine la relación de los flujos másicos.
Resp:
•
= ,
5-79 Se mezclan dos corrientes de R134a, una a 1MPa y 12°C y otra a 1MPa y 60°C. Si el flujo másico de la corriente fría es el doble de la caliente. Determine la temperatura y calidad de la corriente de salida. Resp: = , % ; - = ,
Radames Gómez, Septiembre de 2013
•
5-81 En un condensador y con uso de aire se enfría R-134a de 1MPa y 90°C hasta 1MPa y 30°C. El aire entra a 100KPa y 27°C con un flujo volumétrico de 600
y sale a 95KPa 60°C. Determine el flujo másico del
'(
refrigerante. Resp: .+ = /,01
•
5-83 En un condensador se enfría mediante agua, R134a a 700KPa, 70°C y8
'(
hasta que existe como liquido saturado a la misma presión. El agua
de enfriamiento entra al condensador a 300KPa y 15°C y sale a 25°C a la misma presión. Determine el flujo másico del agua de enfriamiento requerido para enfriar el refrigerante. Resp: .2 = 3,43
Sistemas abiertos de flujo no estable •
Un tanque rígido de 10 contiene R-12 a 280KPa, en los cuales el 80% del volumen se encuentra líquido, y el resto en vapor, el tanque está conectado mediante una válvula de suministro; la válvula se abre y se permite que el R-12 escape a presión constante hasta que se desaloja todo el líquido. Determine la cantidad de R-12 que escapo del tanque y transferencia de calor.
Resp: .5 = ////6,7689 ; : = 73,/<
•
5-127. Un recipiente rígido de 2 contiene aire a 100KPa y 22°C y esta conectado a una línea de alimentación por medio de una valvula. En la línea de suministro fluye aire a 600KPa y 22°C. Se abre la valvula y se deja que entre el aire al recipiente hasta que la presión se iguala con la presión de línea, punto en el que se cierra la válvula. Un termómetro colocado en el recipiente indicia que la temperatura del aire en el estado final es de 77°C. Determine la masa de aire que entro en el recipiente y la cantidad de transferencia de calor.
Resp: .> = ?,1?89 ; : = "@3,368 •
5-128. Un recipiente rígido de 0,2 contiene inicialmente R-134a a 8°C, en este estado, 70% de la masa está en la fase de vapor y el resto es líquido. El recipiente se conecta mediante una válvula a una línea de suministro donde el refrigerante a 1MPa y 100°C fluye de modo estable. Después se abre un poco la válvula y se deja que el refrigerante entre al recipiente. Cuando la presión en este punto llega a 800KPa, todo el recipiente existe solo como vapor, en este punto se cierra la válvula. Determine la temperatura final, la masa del refrigerante que entra y transferencia de calor.
Resp: A* = @/,@@%B ; . > = 7,@89 ; : = /7@8 Radames Gómez, Septiembre de 2013
•
5-132. Un recipiente rígido de 0,12 contiene inicialmente R-134a a 1MPa y calidad de 100%. El recipiente está conectado por medio de una válvula a una línea de suministro que lleva R-134a a 1,2MPa y 36°C. Se abre la válvula y se deja que el refrigerante entre al recipiente, para después cerrarla cuando se observa que este contiene líquido saturado a 1,2MPa determine la masa que entra y transferencia de calor.
Resp: .> = /76,489 ; : = /30,@08 •
5-133. Un recipiente rígido de 0,3 se llena con agua saturada a 200°C, se abre una válvula en el fondo del recipiente y se extrae el líquido, se transfiere calor al agua de tal manera que la temperatura del recipiente permanece constante. Determine la cantidad de calor que se debe transferir cuando se ha sacado la mitad de la masa total.
Resp: : = 7@/7,3/8 •
5-134 Un recipiente rígido de 0,12 contiene R-134a a 800KPa. Al inicio 25% del volumen está ocupado por líquido y el resto en vapor. Se abre una válvula en el fondo del recipiente y se extrae el líquido. Se transfiere calor hacia el refrigerante de tal manera que la presión se mantenga constante, la válvula se cierra cuando no queda líquido y comienza a salir vapor. Determine la transferencia de calor total.
Resp: : = 733,?8
Radames Gómez, Septiembre de 2013
Ciclos Rankine •
Determine la eficiencia de ciclo de los siguientes ejercicios
Radames Gómez, Septiembre de 2013
