EJERCICIOS PARA REFORZAMIENTO ASIGNATURA BALANCE DE MASA Y ENERGIA SEÑORES ALUMNOS: LA FINALIDAD Y EL ÉXITO DE ESTE TALLER, ES DESARROLLARLO Y SOLUCIONARLO DE UNA FORMA CONSIENTE POR PARTE DE USTEDES, PARA LO CUAL DEBERÁN SUSTENTARSE EN CONCEPTOS TEÓRICOS BIEN FUNDAMENTADOS QUE LES PERMITAN APLICAR LAS TÉCNICAS BÁSICAS DE RESOLUCIÓN A ESTE CONTEXTO DE EJERCICIOS. DEBERÁN ENTREGAR EL TALLER EL DÍA DEL EXAMEN.
1. EJERCICIO Una empresa dedicada a producir harina de pescado trabaja con el siguiente flujo de proceso: Recepciona la materia prima (pescado fresco) y luego de un lavado pasa a ser fileteado en donde se obtiene 1 Kg de desperdicio por cada 5 Kg de pescado fileteado (humedad del pescado fileteado: 56%), posteriormente es picado-desmenusado en donde se tiene una merma de 1,5%, el pescado en estas condiciones (pulpa) ingresa a un secador hasta que su humedad es de 7%, luego es molido y finalmente empacado. Calcular: a. Los Kg de pescado fresco necesario para producir 3 Toneladas de harina de pescado. b. Los Kg de agua eliminada en el secador.
2. EJERCICIO Como resultado de un proceso tenemos un tanque con 800 Kg de una solución que contiene 85% de agua, 9% de solidos solubles (azúcar), 3% de fibra en suspensión y 3% de minerales (% en peso). Para someterlo a un proceso de ensilado se le agrega una solución que contiene 30 Kg de azúcar por cada 100 Kg de agua hasta que la solución del tanque tenga 15% de solidos solubles (azúcar). Calcular: a. Hacer un balance de masa en el proceso. b. Calcular el peso de la mezcla obtenida indicando en % y en peso de cada componente.
3. EJERCICIO En el resultado de concentrar 1000 Kg de jugo de naranja fresca que contiene 12,5% de sólidos, es filtrado obteniéndose 800 Kg de jugo filtrado, luego el jugo filtrado ingresa a un evaporador donde se obtiene un concentrado de 58% de sólidos. Posteriormente la pulpa separada del filtro es mezclado con el jugo concentrado para mejorar el sabor. El jugo concentrado reconstituido final tiene 42% de sólidos. Calcular: a. La concentración de sólidos en el jugo filtrado b. Los Kg de jugo concentrado reconstituido final. c. La concentración de sólidos en la pulpa que se deriva del filtro.
4. EJERCICIO El vapor sobrecalentado a 40 bar absolutas y 500 °C fluye a razón de 250 Kg/min hacia una turbina adiabática, donde se expande a 5 bar. La turbina desarrolla 1500 kW. Desde la turbina el vapor fluye a un calentador, donde se recalienta a presión constante hasta su temperatura inicial. Desprecie los cambios de energía cinética y potencial. Se pide: a. Haga un balance de energía para la turbina y utilícelo para determinar la temperatura de la corriente de salida. b. Escriba un balance de energía para el calentador y uselo para determinar la alimentación necesaria (kW) al vapor. c. Suponga que las tuberías de entrada y de salida de la turbina tienen, ambas, un diámetro de 0,5 metros. Demuestre que es razonable despreciar el cambio de energía cinética para esta unidad.
5. EJERCICIO 500 kg/h de una corriente son direccionadas a una turbina. La corriente entra en una turbina a 44 atm y 450°C y una velocidad constante de 60 m/s, y sale en un punto 5m debajo de la entrada de la turbina a presión atmosférica y velocidad de 360 m/s. La turbina genera una potencia en el eje a una tasa de 70 kW y el calor perdido por la turbina es estimado en 104 kcal/h. Calcule el cambio de entalpia específica asociada con el proceso.
6. EJERCICIO Una corriente de gás compuesto por 60% de etano y 40% de n-butano en masa es para ser calentada de 150 para 250K a una presión de 5 bar. Calcular el calor fornecido requerido por kg de mistura, despreciando los efectos de energía cinética y potencial. Se debe adoptar como base de cálculo 1kg/s de mistura. Según tablas de termodinámica, los valores presentados son los siguientes: Etano (150K, 5 bar) = 314,3 kJ/kg Etano (250K, 5 bar) = 973,3 kJ/kg n-butano (150K, 5 bar) = 30,0 kJ/kg n-butano (250K, 5 bar) = 237 kJ/kg
7. EJERCICIO Vapor saturado a 1 atm es descargado de una turbina a un flujo de 1150 kg/h. Vapor superaquecido a 300°C y 1 atm es necesário para alimentar un intercambiador de calor; para producir esto, la corriente de descarga de la turbina es mezclada con vapor supercalentado disponible de una segunda fuente a 400°C y 1atm. La unidad de mezcla opera adiabaticamente. Calcular la cantidad de vapor supercalentado a 300°C producido y el flujo volumétrico requerido de la corriente a 400°C.
8. EJERCICIO
Se tiene un ciclo de refrigeración con doble etapa de compresión que usa R134a como líquido refrigerante, como se muestra en la anterior figura. Se conocen los siguientes datos: Presión entrada del compresor 1 (1): 100 kPa Temperatura en 1: 5 grados de sobrecalentamiento. Presión salida del compresor 1 (2): 200 kPa Salida del condensador (5): Líquido saturado y 30 ºC
Rendimiento de ambos compresores: 0,75 El caudal másico que circula por el compresor 1 es: m1 = 1 kg/s El punto 3 es vapor saturado y el punto 7 líquido saturado Se pide calcular a) El caudal flujo másico (m2) que circula por el segundo compresor (kg/s). b) El COP del ciclo frigorífico c) El diagrama P-h del ciclo d) Una tabla paramétrica: Hacer que la presión en 2 tome los siguientes valores: 100,200, 300, 400 y 500 kPa y calcular en la otra columna el COP del ciclo. Hay algún valor de dichas presiones que maximiza el COP del ciclo?
9. EJERCICIO
Se tiene el siguiente ciclo de energía, sin pérdidas, y con agua como fluido de trabajo:
Datos: • Presión y temperatura a la salida de la caldera son P1 = 3 MPa y T1 = 500 ºC • La presión intermedia de extracción es de 400 kPa • La presión de condensación es de 5 kPa • La eficiencia isentrópica de la turbina 1 es 100 % • La eficiencia isentrópica de la turbina 2 es 85 % • La potencia obtenida en la turbina 1 es de 50 MW • Calor específico de agua líquida CP = 4,26 kJ/kg.K • Temperatura de alimentación a la caldera es T6 = 180 ºC Resuelva el ciclo de energia y calcule: a) Calcule la potencia obtenida en la turbina 2 b) Calcule la eficiencia térmica c) Esquematice el ciclo en un gráfico P-h
