1º prueba de termo 1º sem. 2014 (1)
TRANSCRIPT
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
1/15
Universidad de Talca Departamento de Tecnologas Industriales Dr.-Ing. Gonzalo Salinas-Salas
1 Prueba de Termodinmica 1 Semestre del 2014 1
Universidad de Talca Curic; Junio 12 de 2014Facultad de IngenieraDepartamento de Tecnologas Industriales
I PRUEBA DE TERMODINMICAProf.: Dr.-Ing.: Gonzalo Eugenio Salinas Salas
Nombre del alumno:
1.- Steam enters a mixing chamber at 100 kPa, 20 m/s and a specific volume of 0.4 m3/kg. Liquid
water at 100 kPa and 25oC enters the chamber through a separate duct with a flow rate of 50
kg/s and a velocity of 5 m/s. If liquid water leaves the chamber at 100 kPa, 43oC, 5.58 m/s and
a volumetric flow rate of 3.357 m3/min, determine the port areas at (a) the inlets and (b) the exit.
Assume liquid water density to be 1000 kg/m3and steady state operation.
(10 pts.)
2.- La gatita a travs de un freno hidrodinmico determina la potencia de un motor endotrmico. Sieste desarrolla una velocidad de 3.600 rpm entregando un momento torsor de 500 mN, lo queimplica que el freno requiera un caudal de agua requerida por de 5.000 kg/h, la que ingresa a15C.Determinei.- La potencia del motor
ii.- La temperatura de salida del agua del freno
(10 pts.)
3.- Un intercambiador de calor de una fbrica, dotado de bombas de circulacin, transfiere energatrmica entre tres fluidos que no se mezclan entre s durante el proceso. El intercambiadoropera en condiciones estacionarias. Los fluidos son: aire, agua y aceite, los que ingresan a ni-
vel de suelo ya velocidad despreciable, pasan por el intercambiador de calor, egresando de la diversas alturas sobre el nivel del piso. El equipo tiene una prdida de calor a la atmosfera de19 kW. Asumiendo que los calores especficos a presin constante son: para agua 4,186kJ/kgK, para aceite 0,75 kJ/kgK y asumiendo al aire como un gas diatmico y los datos quese anexan. Determine la temperatura de salida del aceite.
Fluido Condicionesde entrada
Condicionesde salida
Altura desalida
Potenciade bombeo
Caudalmasico
Aire Gas a 15C Gas a 140C 5 m 22 kW 1,6 kg/s
Agua Lquido a 20C Lquido a 45C 12 m 41 kW 3,2 kg/s
Aceite Lquido a 20C Lquido a T 10 m 64 kW 2,7 kg/s
(15 pts.)
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
2/15
Universidad de Talca Departamento de Tecnologas Industriales Dr.-Ing. Gonzalo Salinas-Salas
1 Prueba de Termodinmica 1 Semestre del 2014 2
4.- Un tanque aislado se conecta con un tubo de nitrgeno, que tambin est aislado. Hay unavlvula de cierre en el tubo, como se muestra en la figura. El nitrgeno est a 50 bara y 27Cen el tubo. El tanque tiene 500 l de capacidad y contiene una cierta cantidad de nitrgeno a 1
bara y 327C. Se abre la vlvula y el nitrgeno llena el tanque hasta que se equilibran las pre-siones. Para esta situacin determine:i.- La temperatura final del gas en el estanque.
ii.- Si se elimina la asilacin, determine la presin de equilibrio del tanque y la magnitud y sen-tido del flujo de calor intercambiado por el tanque y el ambiente, cuya temperatura es 27C.
(15 pts.)
5.- Un calormetro de mezclas es un recipiente aislado que contiene una masa de agua de: 10 kg,en condiciones de lquido saturado a 10C, en que recibe un caudal msico de vapor de aguade: 12 kg/hr a una presin de 6 bara, durante 5 min. Al trmino del proceso la temperatura dela mezcla alcanza el valor de: 67C. Asumiendo como valor del calor especifico de la mezcla a:4,179 kJ/kgK.Determinei.- El ttulo del vapor que ingresa
ii.- El caudal volumtrico de vapor que ingresa
(10 pts.)
6.- Jugo de naranja se concentra de un 12% a un 65% mediante la evaporacin de 3.500 kg/h deagua a una presin de 0,5 bara. El jugo ingresa al evaporador a 22C. El vapor de la camisaingresa a sta como vapor saturado seco con una presin de 2 MPaa egresando como lquidosaturado. El vapor evaporado es condesado mezclndolo con agua lquida a 20C, egresandola mezcla desde el condensador a 50C.Para esta situacin, determine:i.- El caudal de jugo de alimentacinii.- El caudal de vapor utilizado para la evaporacin
iii.- El caudal de agua de condensacin
Caudal de vapor Caudal de aguaCaudal de jugo
Caudal de vapor Caudal de vapor
Caudal de mezcla
Caudal de jugo
(20 pts)
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
3/15
Universidad de Talca Departamento de Tecnologas Industriales Dr.-Ing. Gonzalo Salinas-Salas
1 Prueba de Termodinmica 1 Semestre del 2014 3
7.- La seora del profesor de termodinmica o sera al Profe, le toc lavar la ropa, para lo cual
utiliza una lavadora automtica y una secadora elctrica, esta ltima recibe la ropa con una
humedad de: 2,5 kgw/kgt, egresando la tela con una humedad media del: 25%. Considerandoque el aire atmosfrico se toma con una humedad relativa del 70% y una temperatura de bulbohmedo de: 10C, para ingresar a la cmara de secado con una temperatura de bulbo seco de:44C, egresando en condiciones saturadas. La potencia de calefaccin de la secadora es: 1,5kW y se requieren de: 130 minutos para el secado.Para esta situacin determine:
i.- El caudal volumtrico de aire que sale del secadorii.- El caudal msico de ropa que entra al secadoriii.- El diagrama psicromtrico y un listado que contenga las siguientes propiedades psicrom-
tricas para cada etapa del proceso : Tbs , Tbh , , w , h
(20 pts.)
Tiempo: 2 hrs.Macte animo! sic itur ad astra
Propiedades:Constante universal de los gases: 8.315 J/kmolKConstante particular del aire: 287 J/kgKMasa molecular del nitrgeno: 28 kg/kmol
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
4/15
Universidad de Talca Departamento de Tecnologas Industriales Dr.-Ing. Gonzalo Salinas-Salas
1 Prueba de Termodinmica 1 Semestre del 2014 4
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
5/15
1.- Steam enters a mixing chamber at 100 kPa, 20 m/s and a specific volume of 0.4 m3/kg. Liquid
water at 100 kPa and 25oC enters the chamber through a separate duct with a flow rate of 50 kg/s
and a velocity of 5 m/s. If liquid water leaves the chamber at 100 kPa, 43oC, 5.58 m/s and a
volumetric flow rate of 3.357 m3/min, determine the port areas at (a) the inlets and (b) the exit.
Assume liquid water density to be 1000 kg/m3and steady state operation.
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
6/15
2.n 3600
1
sec:= kJ 1000 joule:=
Mm 500 m N:=
Qw 5000L
hr:=
T1 273 15+( )K:=
w 1000kg
m3
:=
mw Qw w:= mw 1.389kg
s=
Cpw 4.186kJ
kg K:=
2 n
60:=
376.9911
s=
Nm Mm :=
Nm 188.496 kW=
TNm
mw Cpw:=
T 32.422 K=
T2 T1 T+:=T2 320.422 K=
T22 T2 273K:= T22 47.422 K=
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
7/15
3.
Aplicando 1 Ley como sumatoria para todo el sistema
kJ 1000J:=
Qp 19 kW:=
mg 1.6kg
s:= zg 5m:= Cpg 1.0045
kJ
kg K:=
Wg 22kW:= Tg1 273 15+( )K:= Tg2 273 140+( )K:=
mw 3.2kg
s:= zw 12m:= Cpw 4.186
kJ
kg K:=
Ww 41kW:= Tw1 273 20+( )K:= Tw2 273 45+( )K:=
ma 2.7kg
s:= za 10m:= Cpa 0.75
kJ
kg K:=
Wa 64kW:= Ta1 273 20+( )K:=
Wb Wg Ww+ Wa+( ):= Wb 127 kW=
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
8/15
Hg mg Cpg Tg2 Tg1( ):= Hg 200.9 kW=
Hw mw Cpw Tw2 Tw1( ):= Hw 334.88 kW=
H Hg Hw+:= H 535.78 kW=
EPg g mg zg:=EPg 78.453 W=
EPw g mw zw:= EPw 376.575 W=
EPa g ma za:=EPa 264.78W=
EP EPg EPw+ EPa+:=
EP 0.72 kW=
Ha Qp Wb+ Hg Hw EP:= Ha 428.5 kW=
Ta2Ha
ma CpaTa1+:=
Ta2 81.395K=
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
9/15
4.
kJ 1000 joule:=
T0 273 327+( ) K:= T0 600K=
P0 1( ) bar:= P0 1 bar =
Vf 500 liter:= Vf 500L=
Rg
8314
28
joule
kg K:= Rg 296.929
joule
kg K=
Cv5
2
Rg:= Cv 742.321
joule
kg K=
Cp7
2
Rg:= Cp 1.039 10
3
joule
kg K=
kCp
Cv:= k 1.4=
miP0 Vf
Rg T0:=
mi 0.281 kg=
Por la ecuacin de energa
(mf-mi)*h = ((mf*uf)-(mi*ui))
(mf-mi)*Cp*T0 = (mf*Cv*T2)-(mi*Cv*T1)
((P2*Vf/Rg*T2)-(P1*Vf/Rg*T1)*Cp*T0 = ((P2*Vf/Rg*T2)*Cv*T2)-(P1*Vf/Rg*T1)*Cv*T1))
Despejando T2
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
10/15
P1 50bar :=
T1 273 27+( )K:=
T2P1
P1 P0
k T1
P0
T0
:=T2 434.783 K=
mfP1 Vf( )
Rg T2( ):= mf 19.365 kg=
T3 273 27+( )K:=
P3mf Rg T3( )
Vf:= P3 34.5 bar=
Q23 mf Cv T3 T2( ):= Q23 1.938 103
kJ=
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
11/15
5.
kJ 1000J:=
mw 10kg:=
Tw 273 10+( )K:=
Cw 4.186kJ
kg K:=
cmv 12
kg
hr:=
Pv 6bar :=
t 5min:=
Tme 273 67+( )K:=
Cme 4.179kJ
kg K:=
hfv 670.1kJ
kg:=
hfgv 2086.3kJ
kg:=
mv cmv t:=mv 1 kg=
mme mw mv+:= mme 11 kg=
hv
mme Cme Tme 273K( ) mw Cw Tw 273K( )[ ]
mv:= hv 2.661 10
3
kJ
kg=
xvhv hfv( )
hfgv:=
xv 0.954=
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
12/15
6.- Jugo de naranja se concentra de un 12% a un 65% mediante la evaporacin de 3.500agua a una presin de 0,5 bara. El jugo ingresa al evaporador a 22C. El vapor de la
ingresa a sta como vapor saturado seco con una presin de 2 MPaa egresando comsaturado. El vapor evaporado es condesado mezclndolo con agua lquida a 20C, eg
la mezcla desde el condensador a 50C.Para esta situacin, determine:
i.- El caudal de jugo de alimentacinii.- El caudal de vapor utilizado para la evaporacin
iii.- El caudal de agua de condensacin
Caudal de vapor Caudal de ag
Caudal de jugo
Caudal de vapor Caudal de vapor
Caudal de mezcla
kJ 1000J:=
x1 1 0.12( ):=x1 0.88=
x2 1 0.65( ):=x2 0.35=
mev 3500kg
hr
:=
Pv1 0.5bar :=
hfgj 2357.4kJ
kg:=
hfgv 1890.2kJ
kg:=
mf1 1kg
hr
:=mf2 1
kg
hr:=
Given
mf1 mf2 mev=
mf1
x1mf1
mf2
x2 mf2+ 0=
Find mf1 mf2,( )3.777 10
3
277.358
kg
hr=
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
13/15
mf1 3777kg
hr:=
mto1 mf1x1
:= mto1 4.292 103
kg
hr=
msj mto1 mf1:= msj 515.045kg
hr=
mveva mevhfgj
hfgv:= mveva 1.213
kg
s=
hfe 700kJ
kg:= Cpw 4.186
kJ
kg K:=
Tcj 273 20+( )K:= Tct 273 50+( )K:=
Tcj 293 K= Tct 323 K=
K0 mev hfe:= K0 6.806 105
W=
K1 Cpw Tcj 273K( ):= K1 8.372 104
s
kgW=
K2 Cpw Tct 273K( ):= K2 2.093 105
m
2
s2
=
mcj 1kg
s:= mct 1
kg
s:=
Given
mev mcj+ mct 0=
K0 mcj K1+ mct K2 0=
Find mcj mct,( )3.799
4.771
kg
s=
mcj 3.799kg
s:= mcj 1.368 10
4
kg
hr=
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
14/15
7.
kJ 1000J:=
ht1 2.5:=
x2 0.25:=1 0.005:= h1 458 kJ
kg:=
1 70%:=
Tbh1 273 7.5+( )K:=Tbs1 273 10+( )K:=
2 0.015:= h2 491kJ
kg:=
Tbs2 273 44+( )K:=
Tbh2 273 20.5+( )K:=2 100%:=
Ns 1.5kW:=
t 130min:=
x1ht1
1 ht1+( ):= x1 0.714=
Qagr Ns t:= Qagr 1.17 104
kJ=
maQagr
h2 h1( ):= ma 354.545 kg=
a2101325Pa( )
287
J
kg K
273 44+( )K
:= a2 1.114kg
m
3=
Caua2ma
a2:= Caua2 318.344 m
3=
Kw1 ma 2 1( ):= Kw1 3.545 kg=
Ecuacin 1, balance de agua evaporada: mf1 - mf2 = Kw1
Ecuacin 2, contenido de solido constante: (mf1/x1) - mf1 = (mf2/x2) - mf2
-
7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)
15/15
mf1 1kg:= mf2 1kg:=
Given
mf1 mf2 Kw1=
mf1
x1
mf1
mf2
x2
mf2
0=
Find mf1 mf2,( )4.091
0.545
kg=
mf1 4.091kg:=
mto1mf1
x1:= mto1 5.727 kg=
mte mto1 mf1:= mte 1.636 kg=