UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO CICLOS TERMICOS 1. Una máquina máquina térmic térmica a que recibe recibe calor calor de un horno a 1 200 °C °C y rechaza rechaza calor de desecho desecho a un río a 20 °C tiene una eficiencia térmica de 40 or ciento. !etermine la eficiencia de la se"unda ley de esta lanta de otencia.
Solución:
T L =20 ° C T H =1200 ° C nrev =1−
nrev =1−
nrev =1−
n II =
nter nrev
T L T H 20 + 273 1200 + 273 20 + 273 1200 + 273
=
0.4 0.8
=0.80
=0.5 =50
2. #e "enera "enera $aor $aor de a"ua a"ua saturado saturado en una caldera caldera con$ir con$irtie tiendo ndo un liquido liquido satura saturado do a $aor $aor saturado a 200 %#&. 'sto se hace transfiriendo calor de los "ase de combustion( que estan a )00 °*( al a"ua en los tubos de la caldera. Calcule el otencial de traba+o deserdiciado asociado con este roceso de transferencia termica. Como efecta el aumento de temeratura de los "ases de combustion el otencial de traba+o de flu+o de $aor, -ome -o /0 °* y %o 14( %#&.
Solución:
•
'stado 1. "ua #aturado3
-abla 54'
'stado 2. 6aor #aturado3
-abla 57'
%1200 %#&
%2200 %#&
h f =355,46 Btu / lbm s f =0,54379
•
Btu R lbm
h f =1198,8 Btu / lbm s f =1,5460
Btu R lbm
q =h2− h1=( 1198,8 −355,46 ) Btu / lbm q =843,3 Btu / lbm
[
X destruida =T 0 s gen=T 0 ( s 2− s1 ) −
[
q T R
]
Btu ) Btu lbm X destruida =( 80 + 459,67 R ) ( 1,5460−0,54379 ) R− lbm (500 + 459,67 R )
X destruida =66,63
8.
]
Btu lbm
Una mezcla "aseosa consiste en 8 lbmol de helio( 1.) lbmol de o9í"eno( 0.8 lbmol de $aor de a"ua y 2) lbmol de nitr:"eno. !etermine la fracci:n molar de los di$ersos constituyentes y el eso molecular aarente de esta mezcla( en lbm;lbmol.
Solución:
•
( 843,3
*racci:n molar
(/ lbmol
Y He =
Y O 2=
3 29,8
1,5 29,8
Y H 2 O =
Y N 2 =
=0,1 =10
=0,05 =5
0.3 29,8
25 29,8
= 0,01=1
=0,839= 83,9
•
%eso molecular aarente
mm=( 3∗4.003 )+ (1.5∗32 ) + ( 0.3∗18.015 ) + ( 25∗28.013 )
-abla 51'
SUSTANCIA
MASA MOLAR (lbm/lbmol)
?elio ?e3 @9í"eno @23 "ua ?2@3
4(008 82 1/(01) 2/(018
mm=765.73 lbm
M m=
mm N m
=
765.73 lbm 29.8 lbmol
=25.7
lbm lbmol
4. Una mezcla de "ases consiste en ) A" de @2( / A" de <2 y 10 A" de C@2. !etermine a3 la fracci:n másica de cada comonente( b3 la fracci:n molar de cada comonente( y c3 la masa molar romedio y la constante del "as de la mezcla.
Solución: SUSTANCIA
MASA MOLAR (Kg/Kmol)
@9í"eno @23
82 2/(018 44(01
*racci:n másica
mm=5 g + 8 g + 10 g=23 g
f m O 2=
f m N 2=
5 g 23 g 8 g 23 g
f mCO 2=
•
= 0,217=21,7 =0,347 =34,7
10 g 23 g
=0,434 =43,4
*racci:n molar
N O 2=
5 g
g 32 mol
= 0.156 mol
N N 2 =
8 g
g 28,013 mol
=0.285 mol
N CO 2 =
10 g
g 44,01 mol
=0.227 mol
N m= 0.156 + 0.285 + 0.227 =0.668 mol
Y O 2=
0,156 mol
Y N 2 =
0,285 mol
0,668 mol
0,668 mol
Y CO 2 =
=0.233
=0.426
0,227 mol 0,668 mol
=0.339
Basa molar romedio
•
M m=
mm N m
=
23 g 0,668 mol
=34,43 g / mol
Constante del "as
•
! " R u mol "! Rm= = =0,2414 " M m g "g 34.43 mol 8,314
).
'l aire en un cuarto tiene una temeratura de bulbo seco de 27°C y la temeratura del bulbo humedo de 21°C. #uoniendo una resi:n de 100 A%a. !etermine a3 la humedad esecifica( b3 la humedad relati$a y c3 la temeratura de unto de rocio.
Solución:
•
?umedad esecífica
# 2=
0.622 $v
$− $ v
#e"n tabla 5) la resi:n de saturaci:n del a"ua a 21 °C es 2.)A%a #e"n tabla 54 y realizando interolaci:n la resi:n de saturaci:n del a"ua a 27 °C es 8.878/A%a
# 2=
# 1=
•
0.622 ( 2.5 $a )
( 100 $a −2.5 $a )
=0.01594 g
C & ( T 2−T 1 ) + # 2 h fg 2 h g 1−h f 2
=
H 2 O "g
aire se%o
H O ( 1.005) ( 21−26 )+( 0.01594 )( 2451.2 ) =0.01383 g 2 aire se%o "g (2548.3− 88.10)
?umedad relati$a
'1=
# 1 $2
( 0.622 + # ) $ g 1
= 1
0.01383∗100
( 0.622+ 0.1383 )∗3.3638
=0.6462 =64.62
•
-emeratura de unto de rocío
$v = '1 $ sat 26 ° C = 0.6462∗3.3638 =2.1736 $a -abla 54 realizando interolaci:n
T &r =T sat a 2.1736$a =18 °C
7. #e quema combustible de roano C₃?/3 en resencia de aire. #uoniendo que la combustion es teorica es decir( solo estan resentes en los roductos nitro"eno< ₂3( $aor de a"ua ?₂@3 y dio9ido de carbonoC@₂3. !etermine a3 la fraccion másica de dio9ido de carbono y b3 las fracciones molar y másica del $aor de a"ua en los roductos.
Solución: -abla 1
SUSTANCIA
MASA MOLAR (Kg/Kmol)
C 3 H 8
44.0>
N 2
2/(018
C O2
44(01
H 2 O
1/(01)
#e realiza balanceo de la reacci:n química
C 3 H 8 + 5 ( O 2+ 3.76 N 2) ( 3 C O2+ 18.8 N 2 + 4 H 2 O •
*racci:n másica di:9ido de carbono
mm=3∗44.01 + 18.8∗28.013 + 4 ∗18.015 =730.73 g
f mCO 2=
•
3∗44.01 730.73
= 0.18
*racci:n molar $aor de a"ua
Y H 2 O =
4 3 + 18.8 + 4
= 0.155
*racci:n másica $aor de a"ua
•
f m H 2 O =
4∗18.015 730.73
=0.099
. 'l mezclador de combustible en un quemador de "as natural mezcla metano C?43con aire ara formar una mezcla combustible a la salida. !etermine los flu+os masico en las dos entradas que se necesitan ara roducir 0() A";s de una mezcla ideal de combustion a la salida.
Solución: #e realiza el balanceo de la reacci:n química
C H 4 + 2 ( O 2 + 3.76 N 2 ) (C O 2 +7.52 N 2+ 2 H 2 O
-abla 1
SUSTANCIA
MASA MOLAR (Kg/Kmol)
C H 4
17.048
N 2
2/(018
C O2
44(01
H 2 O
1/(01)
O2
82
f mC H = 4
m ´ CH 4 =
(1∗16.043 ) + ( 2∗32 ) +( 2∗3.76∗28.0130 )
0.05518∗0.5 g
m ´ )ire= 0.5
/.
16.043
s
=0.02759
=0.05518
g s
g g g −0.02759 =0.47241 s s s
!etermine el cambio en la ener"ía interna del aire( en AD;A"( cuando sufre un cambio de estado de 100 A%a y 20 °C a 700 A%a y 800 °C( usando la ecuaci:n de estado %$ 5a3 E-( donde a 1 m8;A"( y comare el resultado con el $alor obtenido usando la ecuaci:n de estado ara "as ideal.
Solución: 300 ° C + 20 ° C
=160 °C = 433 "
2
-abla 52 y realizando interolaci:n
%ara 488F G
C v =0.7306
"! " "g
*u =C v ( T 2−T 1 )=0.7306 ( 300 −20 )= 204.56
>.
"! "g
!etermine el cambio en la entroía del aire( en AD;A"( cuando sufre un cambio de estado de 100 A%a y 20 °C a 700 A%a y 800 °C( usando la ecuaci:n de estado %$ H a3 H E-( donde a H 0.01 m8;A"( y comare el resultado con el $alor obtenido usando la ecuaci:n de estado ara "as ideal.
Solución: 20 ° C + 300 ° C 2
=160 °C = 433 "
C & =1.017
-abla 52 y realizando interolaci:n %ara -488FG
"! " "g
h2− h1=C & ( T 2−T 1 ) + a ( $2− $1 ) 3
0,01 m "! h2− h1=1.017 " (300 ° C −20 ° C )+ ( 600 "$a−100 "$a) "g "g
h2− h1=689.76
"! "g
10. Ias temeraturas de bulbo seco y hmedo del aire atmosférico a >) A%a son 2) y 1 °C( resecti$amente. !etermine a3 la humedad esecífica( b3 la humedad relati$a( y c3 la entalía del aire( en AD;A" aire seco.
Solución:
•
?umedad esecífica
# 2=
0.622 $v
$− $ v
#e"n tabla 54 y realizando interolaci:n la resi:n de saturaci:n del a"ua a 1 °C es 2.0/)7 A%a #e"n tabla 54 la resi:n de saturaci:n del a"ua a 2) °C es 8.17>/ A%a
# 2=
# 1=
•
0.622 ( 2.0856 $a )
( 95 $a−2.0856 $a ) C & ( T 2−T 1 ) + # 2 h fg 2 h g 1−h f 2
=0.01396 g
=
H 2 O "g
aire se%o
H O ( 1.005) ( 17−25 )+( 0.01396 )( 2460.6 ) =0.01063 g 2 airese%o "g (2546.5 −71.36 )
?umedad relati$a
'1=
# 1 $1
( 0.622 + # ) $ g 1
= 1
0.01063∗95
( 0.622+ 0.1063 )∗3.1698
=0.4374 = 43.74
11. 'l aire en un cuarto tiene una temeratura de bulbo seco de /0 °* y una temeratura de bulbo hmedo de 7) °*. #uoniendo una resi:n de 14. sia( determine a3 la humedad esecífica( b3 la humedad relati$a y c3 la temeratura de unto de rocío.
Solución:
•
?umedad esecífica
# 2=
0.622 $v
$− $ v
#e"n tabla 54' y realizando interolaci:n la resi:n de saturaci:n del a"ua a /0 °* es 0.)04)sia #e"n tabla 54' la resi:n de saturaci:n del a"ua a 7) °* es 0.80)/sia.
# 2=
0.622 ( 0.30578 )
(14.7 −0.30578 )
= 0.01321 g
H 2 O "g
aire se%o
#e"n tabla 52' C 0.240 Jtu;lbm * #e"n tabla 54'
h fg 2 65 ° + =1056.5 Btu / lbm G
h g 1 80 ° + =1096.1 Btu / lbm
G
h f 2 65 ° + = 33.08 Btu / lbm
# 1=
C & ( T 2−T 1 ) + # 2 h fg 2 h g 1−h f 2
=
H O ( 0.240) ( 65 −80 ) +( 0.01321)( 1056.5 ) =0.0097 g 2 airese%o "g (1096.1−33.08 )
•
?umedad relati$a
'1=
# 1 $1
( 0.622 + # ) $ g 1
•
= 1
0.0097∗14,7
( 0.622+ 0.0097 )∗0.50745
=0.4448= 44.48
-emeratura de unto de rocío
$v = '1 $ sat 80 ° + = 0.4448∗0.50745 =0.2257 &sia -abla 54' realizando interolaci:n
T &r =T sat 0.2257 &sia=57 °
12. #e quema etileno C2?43 con 1) or ciento del aire te:rico durante un roceso de combusti:n. #uoniendo combusti:n comleta y una resi:n total de 14.) sia( determine a3 la relaci:n aire5combustible y b3 la temeratura de unto de rocío de los roductos.
Solución: #e realiza el balanceo de la reacci:n química
C 2 H 4 + 5.25 ( O2 + 3.76 N 2 ) ( 2 C O 2+ 19.74 N 2+ 2 H 2 O+ 2.25 O2 Eelaci:n ire combustible
)C =
)C =
maire m%ombustible
=
( NM )aire ( NM )% + ( NM ) H 2
( 5.25∗4.76 )∗29 lbm aire =25.9 lbm%ombustible ( 2∗12 )+( 2∗2)
-emeratura unto ebullici:n
N ∏ ¿ N v
¿ ¿
2 lbmol ( 14,5 &sia )=1.12 &sia ∏ ¿=[ 25.9 lbmol ]
$ v =¿
-abla 54' realizando interolaci:n
T &r =T sat 1.12 &sia =105 ° +
18. #e quema butano C4?103 en 200 or ciento del aire te:rico. 'n caso de combusti:n comleta( Kcuántos Amol de a"ua se deben rociar en la cámara de combusti:n or Amol de combustible si los roductos de la combusti:n deben tener una temeratura de unto de rocío de 70 °C cuando la resi:n del roducto es de 100 A%a,
Solución: #e realiza el balanceo de la reacci:n química
C 4 H 10 +13 ( O 2 + 3.76 N 2 ) ( 4 C O2+ 48.88 N 2 + 5 H 2 O + 6.5 O2 l rociar a"ua en la cámara de combusti:n la ecuaci:n cambia a
C 4 H 10 +13 ( O 2 + 3.76 N 2 ) + ) H 2 O ( 4 C O2 + 48.88 N 2 +(5 + ) ) H 2 O + 6.5 O 2 -abla 54
$v = $ sat 60 °C =19.947 "$a *racci:n Bolar
$, 19.947 fm = = = 0.19947 $ 100
f m H 2 O =
5 + )
5 + ) 4 + 48.88 + ( 5 + ) ) + 6.5
=0.19947
64.38 + )
= 0.19947
5 + ) =12.84 + 0.19947 )
) = 9.793 "mol
