PRÁCTICA PRÁCTICA PARA EL SEGUNDO SEGUNDO PARCIAL PARCIAL TERMODINAMICA Ing. MARCELO TORREJON ROCABADO CAPITULO 5 1.-
Un recipiente sellado (“bomba”) que contiene ciertos productos químicos se coloca en un tanque
de agua abierto a la atmósfera. Cuando reaccionan tales productos se transmite calor de la “bomba” al agua, haciendo que aumente la temperatura de esta. Un dispositivo de agitación se emplea para hacer circular el agua, y la potencia de entrada en la barra que mueve el agitador es de 0.04 CV. En un periodo de 15 minu tos el calor transmitido de la “bomba” al agua es de 250 kcal. y el calor transmitido del tanque al aire ambiente es de 12.5 Btu. Suponiendo que no haya evaporación del agua, determínese el aumento de su energía interna. 2.-
Un radiado radiadorr de de un un sist sistema ema de calefa calefacci cción ón por vapor vapor tiene tiene un volum volumen en de 20 dm3 cuando tal radiador esta lleno de vapor saturado y seco a una presión de 1.4 kgf/cm 2, se cierran todas sus válvulas. Cuanto calor se habrá transmitido al cuarto o habitación cuando la presión del vapor es de 0.7 kgf/cm kgf/cm2.
3.3.-
Un reci recipi pien ente te a pre presi sión ón que que tie tiene ne un volu volume menn de de 1 m 3, contiene vapor de agua en el punto crítico y cede calor hasta que la presión es de 14 kgf/cm 2. Determínese el calor cedido por el vapor.
4.4.-
La cald calder eraa de de un un gen gener erado adorr de de vap vapor or ti tien enee un volum volumen en tota totall de de 2 m 3, e inicialmente contenía 1.5 3 3 m de agua como liquido y 0.5 m de vapor en equilibrio a 1 kgf/cm 2. Se enciende el hogar y se calienta el líquido y el vapor de la caldera. De algún modo, las válvulas de entrada y salida de esta se dejaron cerradas y la válvula de seguridad abrirá cuando la presión llegue a 56 kgf/cm 2. Cuanto calor se transmite al liquido y al vapor en la caldera antes que habrá la válvula de seguridad?
5.5.-
Un reci recipi pien ente te rígi rígido do con con un volu volume menn de 0.6 0.6 m 3 se llena con amoniaco a 6 kgf/cm 2 y 70ºC. se transmite calor del amoniaco al exterior hasta que se convierte en vapor saturado. Calcúlese el calor transmitido durante este proceso.
6.-
Un tubo tubo sell sellad adoo tie tienne un un vo volum lumen de 2 pul pulgg3 y contiene una cierta fracción de agua liquida y 2 vapor en equilibrio a 14.7 lbf/plg . La fracción de líquido y vapor es tal que cuando se calienta el vapor vapor pasara por por el punto critico. critico. Calcúlese Calcúlese el calor transmitid transmitidoo cuando el el vapor se caliente caliente desde el estado inicial a 14.7 lbf/plg 2 hasta el estado critico.
7.-
Una masa masa de 5 lbm lbm de agua agua a 60 60 F esta esta conten contenida ida en un un cilind cilindro ro vert vertical ical y sopor soporta ta un embolo embolo sin fricción con una masa tal, que la presión del agua es de 100 lbf/plg 2. Se transmite calor lentamente al agua, originando que el embolo suba hasta los topes, en cuyo caso el volumen interior del cilindro será de 15 pies3. Se transmite luego más calor hasta que se convierte en vapor saturado. a) Hállese la presión final en el cilindro, el calor transmitido y el trabajo efectuado durante el proceso. b) Muéstrese Muéstrese dicho proceso proceso en en un diagrama diagrama T – V.
Agua
8.-
La figura muestra un conjunto cilindro-émbolo vertical que contiene agua a -2ºC. La presión en la cámara es siempre igual a 150 kPa. Esto se debe a la presión atmosférica y al peso del émbolo. Se transfiere calor al conjunto hasta que el agua se vuelva vapor saturado. Determine la temperatura del estado final, el trabajo, y el calor transferido en este proceso.
9.-
Un cilindro rígido, con volumen de 0.1 litros contiene agua en el punto crítico. Determine la transferencia de calor necesaria para que la temperatura del agua en el cilindro alcance 20ºC.
10.-
Un tanque rígido con capacidad de 200 litros contiene Amoniaco a 0ºC con un título igual a 60%, el tanque y el Amoniaco son calentados hasta que la presión alcance 1 MPa. Determine el calor transferido en este proceso.
11.-
Un conjunto cilindro – émbolo que no presenta fricción, contiene 10 kgm. De agua. Inicialmente el volumen y la temperatura son iguales a 0,663 m 3 y 450ºC. el sistema es entonces enfriado hasta que la temperatura alcance 20ºC . Muestre el proceso en un diagrama P-V, calcule el trabajo y el calor transferido en el proceso.
12.-
En un experimento se desea comprimir vapor de agua en estado recalentado hasta que su calidad sea igual a 1. El vapor (ver figura) se encuentra en el interior de un cilindro con su émbolo a 700 lbf/pulg² y 1200°F ocupando un volumen de 45 pie 3. El émbolo es accionado por el vástago de un cilindro hidráulico comprimiendo el vapor de agua a presión constante hasta que la temperatura sea de 660°F. A partir de este instante la transferencia de calor entre el vapor y el ambiente es tal que el proceso de compresión del vapor es a temperatura constante y cumple con la ecuación de los gases perfectos. Calcular el trabajo realizado por el cilindro y el calor que pierde el agua.
13.-
En la figura se tiene agua dentro un cilindro con su émbolo y 2 pares de topes. Si el émbolo llega a los topes superiores el volumen encerrado es de 43 pies 3 y en el estado inicial el sistema ocupa un volumen de 28,35 pies 3 a 120 lbf/pulg² y un título de 0,66. Luego se enfría y cuando el émbolo llega a los topes inferiores el volumen es de 13 pies 3 el enfriamiento ocurre hasta que la presión sea de 30 lbf/pulg². Luego se entrega calor al sistema hasta que llegue a 700°F y 300 lbf/pulg2. a.- calcular el trabajo total b.- calcular el calor neto durante el proceso.
H2O
14.-
Un frasco Dewar que tiene un volumen total de 13,4 pies 3 contiene Nitrógeno líquido a 14,7 lbf/pulg² de presión. El recipiente se llena con un 80% de líquido y un 20% de vapor en volumen. Tal frasco se deteriora accidentalmente, de manera que la presión aumenta a medida que se transmite calor al nitrógeno líquido a través del espacio anteriormente vacío. Se sabe que el recipiente interior se romperá cuando la presión llegue a 60 lbf/pulg². En qué tiempo se alcanzará esta presión si la fuga de calor hacia el Dewar es de 90 Btu/hr?
15.-
En una juguetería hay cuatro tipos de pequeños automóviles. a) es un coche que funciona con batería, b) tiene un motor eléctrico que usa corriente alterna; c) tiene un resorte (o cuerda) que puede enrollarse con una llave y d) tiene una cápsula de gas CO 2 y funciona como un cohete. Examínese cada uno de los automóviles en lo que respecta al calor, el trabajo y los cambios de energía interna. En cada caso considérese todo el vehículo como sistema.
16.-
La transmisión media de calor de una persona al medio exterior cuando no trabaja activamente es de cerca de 100 Kcal/hr. Supóngase que en un auditorio que aloja 1000 personas falla la ventilación. a) Qué tanto aumentará la energía interna del aire en el auditorio los primeros 15 minutos después de la falla del sistema de ventilación? b) Considerando el auditorio y toda la gente como un sistema y suponiendo que no haya transmisión de calor al exterior. Cuanto cambiará la energía interna del sistema? Cómo se toma en cuenta el hecho de que aumente la temperatura del aire?
17.-
Un marido está cocinando un estofado de res para su familia en una cacerola que está: a) descubierta, b) cubierta con una tapa ligera, c) cubierta con una tapa pesada. ¿En cual caso el tiempo de cocción será mas corto? ¿Por qué?
18.-
Un recipiente aislado al vacío, con volumen de 13,4 pies 3 contiene Nitrógeno líquido a una presión de 14,7 lbf/pulg². El recipiente se llena con 65% de líquido y 35% de vapor en volumen. El recipiente queda tapado accidentalmente y el calor se transmite al Nitrógeno líquido a través del espacio vacío y la presión aumenta. Si el recipiente interior revienta cuando alcanza una presión de 90 lbf/pulg². Cuanto tardará en alcanzar esta presión si el calor se transmite al interior a razón de 120 BTU/hr.
CAPITULO 6 REGIMEN PERMANENTE - ESTABLE 1.
En un sistema de aire acondicionado de un hotel, se tiene un intercambiador de calor para enfriar el aire, a este intercambiador ingresa 4409 lbm/hr de aire húmedo a 100°F, también entra 1211 lbm/hr. De aire fresco a 60°F para mezclarse con el aire húmedo. Esta mezcla sale con 80°F para ser utilizado en las salas. En el intercambiador para enfriar la mezcla de aire circula por el interior de unos tubos Freón - 12, el cual entra como líquido saturado a 40°F y sale a 72,433 Lbf/pulg² y un título de 0,6. Hallar el flujo de freón requerido.
2.-
Considere la planta de generación de potencia según la figura. Se tienen los siguientes datos para este problema: Ubicación
Presión
Temperatura
o
título Salida del caldero, entrada a la turbina Salida de la turbina, entrada al condensador Salida del condensador, entrada a la bomba Trabajo consumido por la bomba = 2 Kcal/Kgm
20 Kgf/cm² 0,15 Kgf/cm² 0,15 Kgf/cm²
320°C 93% 40°C
Si el flujo de masa es de 1 Kgm/hr., Hallar el trabajo en la turbina; Calor liberado en el condensador; Calor absorbido por el fluido en el caldero, El calor intercambiado y el trabajo neto en todo el ciclo. Datos útiles 1 Kgf/cm² = 0,098 MPa 1 KGJ = 101,915 Kgf*mt
3-
En una planta procesadora de leche, para enfriar 800 litros/hora de leche pasteurizada se utiliza una intercambiador de placas donde por un lado se introduce agua, las condiciones de entrada del agua son 70 °F y 14,696 lbf/pulg² y las de salida son 100 °F y un título de 0,2. Las condiciones de entrada de la leche son 150 °F y una entalpía de 100 BTU/lbm y las de salida 30 °F, 14 lbf/pulg², una densidad de 1/5 lbm/pie³ y una energía interna de 50 BTU/lbm. Para que ocurra el enfriamiento de la leche hay una transferencia de calor de 2000 BTU/h, el agua y la leche no se mezclan. Calcular la cantidad de flujo de masa de agua requerida para el enfriamiento de la leche. Densidad del agua 1000 gr/cm³.
4.-
Entra vapor en el condensador de una central termoeléctrica a 3 lbf/pulg² y una calidad de 95 % con una relación de flujo de masa de 44092 lbm/h. Se va a enfriar con el agua de un río cercano, la cual circulará por los tubos dentro del condensador. Para evitar la contaminación térmica, no se permite que el agua del río sufra un aumento de temperatura mayor a 50 ºF. Si el vapor va a salir del condensador como líquido saturado a 3 lbf/pulg², determine la relación de flujo de masa del agua de enfriamiento requerida.
5.-
En una fábrica de hielo se quiere producir 1000 Kgr/hr de hielo, el agua se introduce a la cámara de refrigeración a 20ºC, depositándolo en cubetas y se lo extrae en fase sólida a 0ºC. La refrigeración se logra mediante evaporación del amoniaco que entra a un serpentín a – 20ºC como líquido saturado y sale a – 20ºC como vapor saturado. Si el calor de solidificación del agua es de 2837 KJ/Kg. Proveniente del medio exterior ingresan en la cámara 604750 KJ/hr de calor. Cuál es el flujo de amoniaco requerido? 1 Kgf/cm² = 0.098 MPa.
6.-
En áreas rurales, el agua se extrae del subsuelo por medio de bombas. Considere una fuente de agua subterránea cuya superficie libre está a 60 m debajo del nivel del suelo el agua se elevará a 5 m sobre el suelo mediante una bomba. El diámetro de la tubería es de 10 cm a la entrada (bomba) y una temperatura de 30ºC, a la salida tiene un diámetro de 15 cm y una temperatura de 20ºC. Despreciando toda interacción térmica con los alrededores y los efectos de calentamiento por fricción determine la potencia en Kw. De la bomba requerida para un flujo permanente de 15 lt/seg.
7.-
El radiador mostrado en la figura debe enfriar 100 lbm/hr. De agua para refrigerar el motor de un automóvil. El enfriamiento del agua se lo efectúa con un ventilador que hace circular aire. El aire y el agua no se mezclan. El agua ingresa a 30 lbf/pulg², calidad de 0,2 y sale a la misma presión y 250ºF. El aire entra a 80ºF y velocidad de 328 pie/seg. y sale a 120ºF y velocidad despreciable, calcular el flujo de masa de aire requerido si: - Todo el calor que pierde el agua, gana el aire de enfriamiento.
- De todo el calor que pierde el agua sólo el 60% requiere del aire de enfriamiento, el resto pasa al medio exterior y se enfría sin necesidad del aire de enfriamiento.
8.-
Los siguientes datos son para el ciclo de refrigeración con Refrigerante-12 mostrado en la figura. P1= 180 lbf/pulg²; T1= 240°F P2= 178 lbf/pulg²; T2= 220°F P3= 175 lbf/pulg² ; T3= 100°F P4= 29 lbf/pulg² P5= 27 lbf/pulg² ; T5= 20°F P6= 25 lbf/pulg² ; T6= 40°F Flujo de Refrigerante-12 = 200 lbm/hr. Potencia de entrada al compresor = 83687 Btu/hr. Calcular:
a) El calor cedido por hora por el compresor. b) El calor cedido por hora por el Refrigerante en el condensador. c) El calor absorbido por hora por el Refrigerante en el evaporador.
9.-
La transmisión media de calor de una persona al medio exterior cuando no trabaja activamente es de cerca de 100 Kcal/hr. Supóngase que en un auditorio que aloja 1000 personas falla la ventilación. c) Qué tanto aumentará la energía interna del aire en el auditorio los primeros 15 minutos después de la falla del sistema de ventilación? d) Considerando el auditorio y toda la gente como un sistema y suponiendo que no haya transmisión de calor al exterior. Cuanto cambiará la energía interna del sistema? Cómo se toma en cuenta el hecho de que aumente la temperatura del aire?
10.-
El proceso de mezcla indicado en la figura. Se emplea para obtener nitrógeno líquido saturado a 30 lbf/pulg². El nitrógeno gaseoso a alta presión se estrangula hasta la presión de la cámara y luego se mezcla con el líquido subenfriado que fluye a la cámara de mezcla a razón de 6 lbm/min. Si el calor transmitido a dicha cámara es de 3 BTU/min. Cuál será el flujo de masa de gas nitrógeno hacia la cámara? N2 Gaseoso 200 lbf/plg² 80ºF
Cámara de Mezcla
N2 Líquido 30 lbf/plg² - 320ºF
N2 Líquido Saturado 30 lbf/plg²
QV.C.
11.-
Se desea obtener vapor saturado a partir de vapor recalentado. Esto se consigue en un desrecalentador, donde se rocía agua encima del vapor recalentado que entra, en una cantidad tal que la mezcla sale como vapor saturado. Calcular el flujo de agua líquida que entra a 110°F, si los datos del problema son los siguientes: Vapor recalentado entra a 400 lbf/pulg² y 600°F a razón de 2200 lbm/hr. El agua líquida entra a 110°F . La mezcla sale a 400 lbf/pulg² en estado saturado.
12.-
Un marido está cocinando un estofado de res para su familia en una cacerola que está: a) descubierta, b) cubierta con una tapa ligera, c) cubierta con una tapa pesada. ¿En cual caso el tiempo de cocción será mas corto? ¿Por qué?
13.-
Considerando el intercambiador de calor en régimen permanente según figura, en el cual Refrigerante - 12 entra por el punto 1 y sale por el punto 3, en tanto que aire entra por el punto 2 y sale por el punto 4, las condiciones son: PUNTOS 1 2 3 4 Hallar: a) b)
PRESI N 20 PSI 56 PSI 10 PSI 28 PSI
TEMPERATURA 50 ºF 986 ºF 194 ºF 266 ºF
VELOCIDAD 150 (pie/seg) Incógnita
AREA 716 Pulg 2 1300 Pulg 2
La velocidad de salida del aire El flujo en masa del Refrigerante - 12 3
1
4
2
Refrigerante - 12 Aire 14.-
a) b) c) d)
Una Empresa Cervecera tiene una producción actual de 2000000 Litros/día, de los cuales el 60 % de la producción se envasan en latas de medio litro y el resto en botellas de 1 litro. Se quiere enfriar dicha producción, para lo cual se introducen las latas y botellas a 40ºC a una cámara y se saca a 5ºC para ser comercializados en el mercado de Santa Cruz. Para efectuar este enfriamiento se esta diseñando un sistema de refrigeración como se ve en la figura el cual costa de una cámara frigorífica de 10x8x3 m con un evaporador incorporado en el cual circula amoniaco como refrigerante. Para que se realice un buen condensado del refrigerante se utiliza una torre de enfriamiento al cual entra agua de un río cercano a 35ºC y sale a 60ºC. El compresor requiere un flujo de trabajo de 145121.4 KJ/h para lograr el pr opósito. Los departamentos de mantenimiento y producción desean saber: La cantidad de amoniaco por hora que debe circular por el evaporador para enfriar toda la cerveza Si este necesita 5000 KJ/kg de calor para las latas y 1500 KJ/kg para las botellas. La cantidad de flujo de masa de agua requerida para enfriar el refrigerante en el condensador. Que cantidad de calor libera el condensador. Si el flujo de masa es de 2050 Kg/h. Que cantidad de calor sería necesario para enfriar las latas de cerveza si las botellas requieren 150 KJ/kg de cal or. m = Caudal * densidad Asumir que la válvula es Isoentálpica 3 Densidad de la cerveza =5,46 Kgm/m Volumen específico de 1 es diferente al volumen específico de 2 3 0,001 m = 1 litro 1 día = 24 horas
15.-
La cámara de mezcla mostrada en la figura es alimentada con 2 kgm/seg. De R-134a a 1 MPa y 100ºC (línea 2) y con 1 kgm/seg. De líquido saturado de R-134a a 60ºC (línea 1 antes de la válvula). El refrigerante deja la cámara como vapor saturado a 1 Mpa y la velocidad en la sección de descarga de la cámara (línea 3) es 20 m/s. sabiendo que la velocidad del refrigerante en las líneas 1 y 2 es baja, determine la transferencia de calor y el diámetro de la línea 3.
16.-
Una corriente de agua caliente a 80 C entra a una cámara de mezcla con una relación de flujo de masa de 0,5 kgm/seg. Donde se mezcla con una corriente de agua fría a 20 C. si desea que la mezcla salga de la cámara a 45 C, determine la relación de flujo de masa de la corriente de agua fría, suponga que todas las corrientes están a la misma presión de 300 kPa.
17.-
Se propone usar un equipo geotérmico de agua caliente para accionar una turbina a vapor de agua, utilizando el dispositivo esquematizado en la figura. Agua a alta presión 1,5 MPa y 180 C es estrangulada en un evaporador instantáneo adiabático de modo que se obtenga liquido y vapor a presión de 400 kPa , el liquido saturado sale por la parte inferior del evaporador, y también vapor saturado es retirado por la parte superior para alimentar la turbina. El vapor sale de la turbina a 10 kPa con un titulo de 90%. Sabiendo que la turbina produce una potencia de 1 MW, cual es el flujo de masa de agua caliente necesario en kgm/h que debe ingresar al equipo geotérmico? Use 1 W = 1 Joul/seg.
18.-
En un generador de vapor de agua con reactor nuclear, 80 litros/minuto de agua entran en un tubo de 2 cm de diámetro a una presión de 70 kgf/cm 2 y una temperatura de 40 C; el agua sale del tubo como vapor saturado a 60 kgf/cm2 . Hállese el calor transmitido al agua en kcal/hr.
19.-
Agua a una presión de 105 kgf/cm2 y 150 C es sometida a un proceso de estrangulamiento adiabático hasta que alcance una presión de 2 kgf/cm2 ¿Cuál es su calidad o titulo al final del proceso?
REGIMEN NO PERMANENTE – UNIFORME 20.-
Vapor de refrigerante 134 circula por un tubo a una presión de 140 Psia y una temperatura de 160 F. un recipiente vació con un volumen de 1 pie3 esta conectado a la tubería. La válvula del tubo que comunica con el recipiente vació se abre y la presión en el alcanza un valor de 140 Psia en cuyo momento se cierra dicha válvula. Si este proceso se efectúa adiabática mente. Cuanto refrigerante 134 ha entrado en el recipiente?
21.-
Un tanque con un volumen de 5,5 m3 contiene vapor de agua saturado a una presión de 1,5 Kgf/cm2 Conectada a este tanque hay una tubería en la que fluye vapor a 7 Kgf/cm2 y 205 C. el vapor de la tubería entra al tanque hasta que la presión es de 7 Kgf/cm 2. si no hay transmisión de calor del tanque y su capacidad térmica es despreciable, calcúlese la masa de vapor que entro al tanque.
22.-
Considérese el dispositivo mostrado en la figura, por la tubería circula vapor de agua a 7 Kgf/cm2 y 315 C de dicha tubería sale vapor que va a una turbina y luego es descargado a una cámara con un volumen de 28 m3. Inicialmente dicha cámara esta vacía. La turbina funciona hasta que la presión en la cámara sea de 7 Kgf/cm2. En este punto la temperatura del vapor es de 285 C y supóngase que todo el proceso es adiabático. Determínese el trabajo efectuado por la turbina en este proceso.
23.-
Una olla de presión es un utensilio que realiza la cocción de los alimentos mas rápido, que las cacerolas ordinarias al mantener una presión y una temperatura mas altas. La presión dentro de la olla es controlada por medio de un regulador de presión (válvula) que la mantienen un nivel constante al deja que periódicamente escape cierta cantidad de vapor, de ese modo previene cualquier incremento excesivo de presión. Cierta olla de presión tiene un volumen de 6 L. y una presión de operación de 75 KPa manométricos, Al principio contiene 1 Kgm de agua. Es suministrado calor a la olla de presión a una relación de 500 W. durante 30 minutos después de que alcanza la presión de operación. Suponga una presión atmosférica de 100 KPa y determine a) la temperatura a la cual sucede el cocimiento y b) la cantidad de agua que queda en la olla de presión al final del proceso.
24.-
Un recipiente aislado térmicamente y con un volumen de 1,7 m 3, contiene vapor de agua saturado a 28 kgf/cm2. Se abre una válvula en la parte superior del recipiente y se extrae vapor. Durante el proceso se deposita líquido en el fondo del recipiente, de tal modo que únicamente sale vapor saturado. Calcúlese la masa total extraída cuando la presión interior llega a 7 kgf/cm2
25.-
Un recipiente de presión con un volumen de 30 pies3, contiene agua a 500 F el recipiente contiene inicialmente 50% de vapor saturado y 50% de liquido saturado en volumen. El líquido se extrae lentamente del fondo del tanque, y se transmite calor a este para mantener una temperatura constante. Determínese el calor transmitido al tanque cuando se ha extraído la mitad de la masa contenida.
