Curso Docente Unidad
TERMODINÁMICA Danny Zelada Mosquera
I
Facultad Carrera Tema
Ingeniería Ingeniería Industrial Variables de Proceso
Asunto Nº Tipo
Laboratorio 1 Aplicaciones
SEMESTRE: 2013-1
Apellidos y Nombres: .............................................................................................. ................................................................................................................ .................. Fecha: ........../ Fecha: ........../ 03 / 2013
Logro específico: Interpreta la presión como variable de proceso de interés en la industria, tipos de presión, unidades e instrumentos de medición.
APLICACIÓN 1:
Examine the figure The barometer reads reads 740 mm Hg. Hg. Calculate tank tank pressure in psia. SOLUCIÒN: 740 mmHg 20 inHg
101,325 kPa 760 mmHg
1m 39,37 in
98,66 k Pa
0,51 m
98,66 kPa P tan qu e 13600 kg / m 9,81 m / s 0,51 m 3
2
P tan qu e 98,66 68,04 P tan qu e 30,62 kPa
14,696 psi 101,325 kPa
4,44 psia
APLICACIÓN 2:
The pressure difference between two air tanks A and B is measured by a U – tuve manometer, with mercury as the manometer liquid. The barometric pressure is 700 mm Hg.
a. What is the absolute pressure in the tank A ? b. What is the gauge pressure in the tank A ? SOLUCIÒN:
(Igualando presiones al mismo nivel.)
APLICACIÓN 3:
Se emplean tres líquidos distintos en el manómetro que se muestra a continuación:
(a) Deriva una expresión para P 1 – P 2 en términos de ρ A, ρ B, ρC, h1, y h2 . (b) Suponer que el fluido A es metanol (GE= 0,792), B es agua y C es un fluido manométrico con gravedad específica de 1,37; presión P 2 = 121,0 kPa; h1 = 30,0 cm; y h2 = 24,0 cm. Calcula P1 (kPa). SOLUCIÒN: (a)
(b)
P 1 A g h1 h2 P 2 B gh1 c gh2
P 1 P 2 B A gh1 C A gh2
122,97kPa 123kPa
2
P 1 121 kPa 1000 792kg / m 3 9,81m / s 2 0,30m 1370 792kg / m 3 9,81m / s 2 0,24m
1kPa 1000 Pa
Semestre 2013-1
Problemas Resueltos 01
APLICACIÓN 4:
Un fluido de densidad desconocida se emplea en dos manómetros, uno de extremo sellado y el otro atravesando un orificio de una tubería de agua. Cierto día que la presión barométrica es 756 mm Hg se obtienen las lecturas indicadas en las imágenes. ¿Cuál es la caída de presión (mmHg) del punto (a) al punto (b)?
SOLUCIÒN: P atm f g 7,23m f P a P b
P atm 7,23 g
P atm g 26 cm f w w g 26cm 7,23 g
756mmHg 1m 1000kg 1 N 760mmHg 1m 2 26cm 9 , 81 m / s 3 2 5 2 7 , 23 m 100 cm 100 cm m 1 kgm / s 1 , 01325 10 N / m P a P b 8,1mmHg
APLICACIÓN 5:
La gran inundación de melaza en Boston ocurrió el 15 de enero de 1919. En ella, 2,3 millones de galones de melaza cruda fluyeron de un tanque de almacenamiento de 30 pies que se rompió, dando muerte a 21 personas y lesionando a otras 150. La gravedad específica estimada de la melaza cruda es 1,4. ¿Qué masa de melaza había en el tanque en lb m y cuál era la presión en el fondo del tanque en lb f /in2 (psi)? Indica dos posibles causas de la tragedia. SOLUCIÒN: 1,4 62,43lbm 1 ft 3 2,3 10 6 gal 2,69 10 7 lbm m V 3 ft 7,481 gal lb f 1,4 62,43lbm 32,174 ft 1 ft 2 1lbf P P 0 g h 14,7 2 30 ft 3 2 2 2 in ft s 32 , 174 lbm . ft / s 144 in 32,9 psi
-
Falla estructural en el tanque. Tanque con inadecuada solidez para soportar elevadas presiones. Melaza produjo corrosión en paredes del tanque.
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APLICACIÓN 6:
Al medir el flujo de fluidos en una tubería, se puede utilizar un manómetro diferencial como el que se muestra en la figura para determinar la diferencia de presión a través de una placa con un orificio. La tasa de flujo se puede calibrar empleando la caída de presión observada. Calcula la caída de presión p1 – p2 en pascales para el manómetro de la figura. SOLUCIÒN: P 1 A g h1 d P 2 A gh1 f gd
P 1 P 2 f A gd
1,1 1,0103 kg m
3
9,807
1 N 1 Pa 22 10 3 m 2 2 1 / 1 / s kgm s N m m 2
21,6 Pa APLICACIÓN 7:
Un manómetro de tubo en U se usa para determinar la caída de presión a través de un medidor de orificio. El fluido líquido en la tubería es ácido sulfúrico de gravedad específica 1,250 (60°/60°). El líquido manométrico es mercurio, con gravedad específica 13,56 (60°/60°). La lectura del manómetro es 5,35 pulgadas, y todos los componentes del sistema están a la temperatura de 60°F. ¿Cuál es la caída de presión, en psi, a través del medidor de orificio? SOLUCIÒN: Primero calculamos la densidad del ácido y del mercurio. àcido
1,250 62,4
lb 3
3
ft
1 ft
1,728 10 in 3
3
0,0451lb / in 3
3
Hg
13,56 62,4lb / ft
1 ft
3
1,728 10 in 3
3
0,490 lb / in 3
P 1 a h1 g P 2 a h2 g Hg h3 g P 1 P 2 a g h1 h2 Hg h3 g P 1 P 2 a g h3 Hg h3 g P 1 P 2 Hg a g h3
Reemplazando las densidades en la ecuación final. P 1 P 2 0,490 0,0451lb / in 3 5,35 in
4
32,2 ft
s
2
1lbf 32,174 lb ft / s
2
2,38 lbf / in 2 psi
Semestre 2013-1
Problemas Resueltos 01
APLICACIÓN 8:
El nivel de tolueno (un hidrocarburo inflamable – densidad: 0,866 g/cm 3) en un tanque de almacenamiento fluctúa entre 10 y 400 cm respecto de la parte superior del tanque. Como es imposible ver el interior del mismo, se usa un manómetro de extremo abierto con agua o mercurio como fluido manométrico para determinar el nivel de tolueno. Se une un brazo del manómetro al tanque, a 500 cm de la parte superior. Se mantiene una capa de nitrógeno a presión atmosférica sobre el contenido del tanque.
(a) Cuando el nivel de tolueno en el tanque está 150 cm por debajo de la superficie ( h= 150 cm), el nivel del fluido en el brazo abierto del manómetro está justo en el lugar donde el manómetro se conecta al tanque. ¿Qué lectura, R (cm), se obtendría si el fluido manométrico es: (i) mercurio, (ii) agua? ¿Qué fluido emplearías en el manómetro? ¿Por qué? (b) Describe en forma breve cómo funcionaría el sistema si el manómetro se llenara sólo con tolueno. Indica varias ventajas del fluido que elegiste usar en el inciso (a) con respecto al tolueno. (c) ¿Cuál es el propósito de la capa de nitrógeno? SOLUCIÒN: t
g 500 h R m g R R
500 h m
1
t
(a)
i Hg : t 0,866, m 13,6, h 150 cm R 23,8 cm ii H 2 O : t 0,866, m 1, h 150cm R 2260 cm
Donde:
t
g / cm 3 densidad del tolueno
m
g / cm densidad del fluido manomètrico 3
Emplearía mercurio, porque el manómetro de agua tendría que ser demasiado alto.
(b) Si el manómetro se llena sólo con tolueno, el nivel de fluido en el tubo de vidrio (manómetro) sería el mismo que el del tanque. Ventajas de usar mercurio: manómetro pequeño, menos evaporación. (c) La capa de nitrógeno se usa para evitar el contacto entre el tolueno y el oxígeno atmosférico, minimizando el riesgo de combustión.
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APLICACIÓN 9:
What is the gauge pressure at a depth of 4.50 mi below the surface of the sea if the water temperature averages 60°F? Give your answer in lb (force) per sq. in. The sp gr of sea water at 60°F/60°F is 1.042 and is assumed to be independent of pressure. SOLUCIÒN:
P ga ug e 1042 kg / m3 4,5 mi
74024927 ,58 Pa
1m 0,0006214 mi
9,81 m / s 2
14,696 psi 101325 pa
10736,44 psi 1,07 10 4
lb f in 2
APLICACIÓN 10:
Figure shows a tank within a tank, each containing air. Pressure gage A is located inside tank B and reads 1,4 bar. The U-tube manometer connected to tank B contains mercury. Using data on the diagram, determine the absolute pressures inside tank A and tank B, each in bar. The atmospheric pressure surrounding tank B is 101 kPa. The acceleration of gravity is g = 9,81 m/s2.
SOLUCIÓN: P B
g h P atm
13 590 kg / m3 9,81m / s 2 0,20 m 0,27 bar 1,01bar 1,28 bar P A P B 1,4 bar 1,28 1,4 2,68 bar
6
1bar 5
10 Pa
1,01bar