práctica para el segundo parcial1-2008

8/16/2019 Práctica Para El Segundo Parcial1-2008

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PRÁCTICA PARA EL SEGUNDO PARCIALTERMODINAMICA

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 seemplea para hacer circular el agua, y la potencia de entrada en la barra que mueve el agitador esde 0.04 CV. En un periodo de 15 minutos 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 hayaevaporación del agua, determínese el aumento de su energía interna.

2.- Un radiador de un sistema de calefacción por vapor tiene un volumen de 20 dm3 cuando talradiador esta lleno de vapor saturado y seco a una presión de 1.4 kgf/cm2, se cierran todas susválvulas. Cuanto calor se habrá transmitido al cuarto o habitación cuando la presión del vapor esde 0.7 kgf/cm2.

3.- Un recipiente a presión que tiene un volumen de 1 m3

, contiene vapor de agua en el punto críticoy cede calor hasta que la presión es de 14 kgf/cm2. Determínese el calor cedido por el vapor.

4.- La caldera de un generador de vapor tiene un volumen total de 2 m3, e inicialmente contenía 1.5m3 de agua como liquido y 0.5 m3 de vapor en equilibrio a 1 kgf/cm2. Se enciende el hogar y secalienta el líquido y el vapor de la caldera. De algún modo, las válvulas de entrada y salida deesta 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 deseguridad?

5.- Un recipiente rígido con un volumen de 0.6 m3 se llena con amoniaco a 6 kgf/cm2 y 70ºC. setransmite calor del amoniaco al exterior hasta que se convierte en vapor saturado. Calcúlese elcalor transmitido durante este proceso.

6.- Un tubo sellado tiene un volumen de 2 pulg

3

y contiene una cierta fracción de agua liquida yvapor en equilibrio a 14.7 lbf/plg2. La fracción de líquido y vapor es tal que cuando se calienta elvapor pasara por el punto critico. Calcúlese el calor transmitido cuando el vapor se calientedesde el estado inicial a 14.7 lbf/plg2 hasta el estado critico.

7.- Una masa de 5 lbm de agua a 60 F esta contenida en un cilindro vertical y soporta un embolo sinfricción con una masa tal, que la presión del agua es de 100 lbf/plg 2. Se transmite calorlentamente al agua, originando que el embolo suba hasta los topes, en cuyo caso el volumeninterior del cilindro será de 15 pies3. Se transmite luego más calor hasta que se convierte envapor saturado.a) Hállese la presión final en el cilindro, el calor transmitido y el trabajo efectuado durante elproceso.b) Muéstrese dicho proceso en un diagrama T – V.

Agua



8.- La figura muestra un conjunto cilindro-émbolo vertical que contiene agua a -2ºC. La presión enla 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 latemperatura 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 latransferencia 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 a60%, el tanque y el Amoniaco son calentados hasta que la presión alcance 1 MPa. Determine elcalor transferido en este proceso.

11.- Un conjunto cilindro – émbolo que no presenta fricción, contiene 10 kgm. De agua. Inicialmenteel volumen y la temperatura son iguales a 0,663 m 3 y 450ºC. el sistema es entonces enfriadohasta que la temperatura alcance 20ºC . Muestre el proceso en un diagrama P-V, calcule eltrabajo y el calor transferido en el proceso.

12.- En un experimento se desea comprimir vapor de agua en estado recalentado hasta que su calidadsea igual a 1. El vapor (ver figura) se encuentra en el interior de un cilindro con su émbolo a 700lbf/pulg² y 1200°F ocupando un volumen de 45 pie3. El émbolo es accionado por el vástago deun cilindro hidráulico comprimiendo el vapor de agua a presión constante hasta que latemperatura sea de 660°F. A partir de este instante la transferencia de calor entre el vapor y elambiente es tal que el proceso de compresión del vapor es a temperatura constante y cumple conla 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 llegaa los topes superiores el volumen encerrado es de 43 pies 3 y en el estado inicial el sistema ocupaun volumen de 28,35 pies3 a 120 lbf/pulg² y un título de 0,66. Luego se enfría y cuando elémbolo llega a los topes inferiores el volumen es de 13 pies3 el enfriamiento ocurre hasta que lapresión 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 totalb.- calcular el calor neto durante el proceso.

H2O



14.- Un frasco Dewar que tiene un volumen total de 13,4 pies3 contiene Nitrógeno líquido a 14,7lbf/pulg² de presión. El recipiente se llena con un 80% de líquido y un 20% de vapor envolumen. Tal frasco se deteriora accidentalmente, de manera que la presión aumenta a medidaque se transmite calor al nitrógeno líquido a través del espacio anteriormente vacío. Se sabe queel recipiente interior se romperá cuando la presión llegue a 60 lbf/pulg². En qué tiempo sealcanzará 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 conbatería, 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 CO2 y funciona como un cohete.Examínese cada uno de los automóviles en lo que respecta al calor, el trabajo y los cambios deenergía 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 esde cerca de 100 Kcal/hr. Supóngase que en un auditorio que aloja 1000 personas falla laventilación.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 setoma 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 eltiempo de cocción será mas corto? ¿Por qué?

18.- Un recipiente aislado al vacío, con volumen de 13,4 pies3 contiene Nitrógeno líquido a unapresión 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 travésdel espacio vacío y la presión aumenta. Si el recipiente interior revienta cuando alcanza unapresión de 90 lbf/pulg². Cuanto tardará en alcanzar esta presión si el calor se transmite al interiora razón de 120 BTU/hr.

CAPITULO 6

REGIMEN PERMANENTE - ESTABLE1. 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 1211lbm/hr. De aire fresco a 60°F para mezclarse con el aire húmedo. Esta mezcla sale con 80°F paraser utilizado en las salas. En el intercambiador para enfriar la mezcla de aire circula por elinterior de unos tubos Freón - 12, el cual entra como líquido saturado a 40°F y sale a 72,433Lbf/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 paraeste problema:

Ubicación Presión Temperatura otítulo

Salida del caldero, entrada a la turbina 20 Kgf/cm² 320°C

Salida de la turbina, entrada al condensador 0,15 Kgf/cm² 93%Salida del condensador, entrada a la bomba 0,15 Kgf/cm² 40°CTrabajo consumido por la bomba = 2 Kcal/Kgm

Si el flujo de masa es de 1 Kgm/hr., Hallar el trabajo en la turbina; Calor liberado en elcondensador; Calor absorbido por el fluido en el caldero, El calor intercambiado y el trabajo netoen todo el ciclo.

3- En una planta procesadora de leche, para enfriar 800 litros/hora de leche pasteurizada se utilizauna intercambiador de placas donde por un lado se introduce agua, las condiciones de entradadel agua son 70 °F y 14,696 lbf/pulg² y las de salida son 100 °F y un título de 0,2. Lascondiciones 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 queocurra el enfriamiento de la leche hay una transferencia de calor de 2000 BTU/h, el agua y laleche no se mezclan. Calcular la cantidad de flujo de masa de agua requerida para elenfriamiento 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, nose permite que el agua del río sufra un aumento de temperatura mayor a 50 ºF. Si el vapor va asalir del condensador como líquido saturado a 3 lbf/pulg², determine la relación de flujo de masadel agua de enfriamiento requerida.

Datos útiles1 Kgf/cm² = 0,098 MPa1 KGJ = 101,915 Kgf*mt



5.- En una fábrica de hielo se quiere producir 1000 Kgr/hr de hielo, el agua se introduce a la cámarade refrigeración a 20ºC, depositándolo en cubetas y se lo extrae en fase sólida a 0ºC. Larefrigeración se logra mediante evaporación del amoniaco que entra a un serpentín a – 20ºC comolíquido saturado y sale a – 20ºC como vapor saturado. Si el calor de solidificación del agua es de2837 KJ/Kg. Proveniente del medio exterior ingresan en la cámara 604750 KJ/hr de calor. Cuáles 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 deagua 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 de20ºC. Despreciando toda interacción térmica con los alrededores y los efectos de calentamientopor fricción determine la potencia en Kw. De la bomba requerida para un flujo permanente de 15lt/seg.

7.- El radiador mostrado en la figura debe enfriar 100 lbm/hr. De agua para refrigerar el motor de unautomóvil. El enfriamiento del agua se lo efectúa con un ventilador que hace circular aire. El airey el agua no se mezclan. El agua ingresa a 30 lbf/pulg², calidad de 0,2 y sale a la misma presióny 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 deenfriamiento, 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°FP2= 178 lbf/pulg² ; T2= 220°FP3= 175 lbf/pulg² ; T3= 100°FP4= 29 lbf/pulg²P5= 27 lbf/pulg² ; T5= 20°FP6= 25 lbf/pulg² ; T6= 40°FFlujo 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 esde cerca de 100 Kcal/hr. Supóngase que en un auditorio que aloja 1000 personas falla laventilación.

c) Qué tanto aumentará la energía interna del aire en el auditorio los primeros 15 minutosdespués de la falla del sistema de ventilación?

d) Considerando el auditorio y toda la gente como un sistema y suponiendo que no hayatransmisión de calor al exterior. Cuanto cambiará la energía interna del sistema? Cómo setoma 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 a30 lbf/pulg². El nitrógeno gaseoso a alta presión se estrangula hasta la presión de la cámara yluego se mezcla con el líquido subenfriado que fluye a la cámara de mezcla a razón de 6lbm/min. Si el calor transmitido a dicha cámara es de 3 BTU/min. Cuál será el flujo de masa degas nitrógeno hacia la cámara?

11.- Se desea obtener vapor saturado a partir de vapor recalentado. Esto se consigue en undesrecalentador, donde se rocía agua encima del vapor recalentado que entra, en una cantidad talque la mezcla sale como vapor saturado. Calcular el flujo de agua líquida que entra a 110°F, silos 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 estadosaturado.

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 eltiempo de cocción será mas corto? ¿Por qué?

Cámara deMezcla

N2 Gaseoso200 lbf/plg²80ºF

N2 Líquido30 lbf/plg²- 320ºF

N2 Líquido Saturado30 lbf/plg²

QV.C.



13.- Considerando el intercambiador de calor en régimen permanente según figura, en el cualRefrigerante - 12 entra por el punto 1 y sale por el punto 3, en tanto que aire entra por el punto 2y sale por el punto 4, las condiciones son:

PUNTOS PRESI N TEMPERATURA VELOCIDAD AREA1 20 PSI 50 ºF - -2 56 PSI 986 ºF 150 (pie/seg) 716 Pulg2

3 10 PSI 194 ºF - -4 28 PSI 266 ºF Incógnita 1300 Pulg2

Hallar: a) La velocidad de salida del aireb) El flujo en masa del Refrigerante - 12

3 1Refrigerante - 12

4 2Aire

14.- 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 sesaca a 5ºC para ser comercializados en el mercado de Santa Cruz. Para efectuar esteenfriamiento se esta diseñando un sistema de refrigeración como se ve en la figura el cual costade una cámara frigorífica de 10x8x3 m con un evaporador incorporado en el cual circulaamoniaco como refrigerante. Para que se realice un buen condensado del refrigerante se utilizauna torre de enfriamiento al cual entra agua de un río cercano a 35ºC y sale a 60ºC. Elcompresor requiere un flujo de trabajo de 145121.4 KJ/h para lograr el propósito.Los departamentos de mantenimiento y producción desean saber:

a) La cantidad de amoniaco por hora que debe circular por el evaporador para enfriar toda lacerveza Si este necesita 5000 KJ/kg de calor para las latas y 1500 KJ/kg para las botellas.

b) La cantidad de flujo de masa de agua requerida para enfriar el refrigerante en el condensador.c) Que cantidad de calor libera el condensador.d) 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 calor.

15.- La cámara de mezcla mostrada en la figura es alimentada con 2 kgm/seg. De R-134a a 1 MPa y100ºC (línea 2) y con 1 kgm/seg. De líquido saturado de R-134a a 60ºC (línea 1 antes de laválvula). El refrigerante deja la cámara como vapor saturado a 1 Mpa y la velocidad en lasección de descarga de la cámara (línea 3) es 20 m/s. sabiendo que la velocidad del refrigeranteen las líneas 1 y 2 es baja, determine la transferencia de calor y el diámetro de la línea 3.

m = Caudal * densidad Asumir que la válvula es Isoentálpica Densidad de la cerveza =5,46 Kgm/m3

Volumen específico de 1 es diferenteal volumen específico de 2

0,001 m3 = 1 litro 1 día = 24 horas



16.- Una corriente de agua caliente a 80 C entra a una cámara de mezcla con una relación deflujo de masa de 0,5 kgm/seg. Donde se mezcla con una corriente de agua fría a 20 C. sidesea que la mezcla salga de la cámara a 45 C, determine la relación de flujo de masade la corriente de agua fría, suponga que todas las corrientes están a la misma presiónde 300 kPa.

17.- Se propone usar un equipo geotérmico de agua caliente para accionar una turbina a vapor deagua, utilizando el dispositivo esquematizado en la figura. Agua a alta presión 1,5 MPa y 180 Ces estrangulada en un evaporador instantáneo adiabático de modo que se obtenga liquido y vapora presión de 400 kPa , el liquido saturado sale por la parte inferior del evaporador, y tambiénvapor saturado es retirado por la parte superior para alimentar la turbina. El vapor sale de laturbina 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 equipogeotérmico?Use 1 W = 1 Joul/seg.

18.- En un generador de vapor de agua con reactor nuclear, 80 litros/minuto de agua entranen 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 alagua en kcal/hr.

19.- Agua a una presión de 105 kgf/cm2 y 150 C es sometida a un proceso deestrangulamiento adiabático hasta que alcance una presión de 2 kgf/cm2 ¿Cuál es sucalidad 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 unatemperatura de 160 F. un recipiente vació con un volumen de 1 pie3 esta conectado a latubería. 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 esteproceso se efectúa adiabática mente. Cuanto refrigerante 134 ha entrado en elrecipiente?

21.- Un tanque con un volumen de 5,5 m3 contiene vapor de agua saturado a una presión de1,5 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. sino hay transmisión de calor del tanque y su capacidad térmica es despreciable, calcúlesela masa de vapor que entro al tanque.



22.- Considérese el dispositivo mostrado en la figura, por la tubería circula vapor de agua a 7Kgf/cm2 y 315 C de dicha tubería sale vapor que va a una turbina y luego es descargadoa una cámara con un volumen de 28 m3. Inicialmente dicha cámara esta vacía. Laturbina funciona hasta que la presión en la cámara sea de 7 Kgf/cm2. En este punto latemperatura 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 lascacerolas ordinarias al mantener una presión y una temperatura mas altas. La presión dentro dela olla es controlada por medio de un regulador de presión (válvula) que la mantienen un nivelconstante al deja que periódicamente escape cierta cantidad de vapor, de ese modo previenecualquier incremento excesivo de presión.Cierta olla de presión tiene un volumen de 6 L. y una presión de operación de 75 KPamanométricos, Al principio contiene 1 Kgm de agua. Es suministrado calor a la olla de presión auna 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 m3, contiene vapor de aguasaturado 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 únicamentesale 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 recipientecontiene inicialmente 50% de vapor saturado y 50% de liquido saturado en volumen. El líquidose extrae lentamente del fondo del tanque, y se transmite calor a este para mantener unatemperatura constante. Determínese el calor transmitido al tanque cuando se ha extraído la mitadde la masa contenida.

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