Primer Taller 1-2011

8/10/2019 Primer Taller 1-2011

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5. Un dispositivo aislado de cilindro-mbolo (Figura 1) contiene 2 L de agua lquidasaturada a presin constante de 150 kPa. Un calentador elctrico de resistencia dentrodel cilindro se enciende y realiza un trabajo elctrico sobre el agua en la cantidad de2200 kJ. Suponiendo que el entorno est a 25C y 100 kPa. Determine :

a. El trabajo mnimo con que podra realizarse el proceso.

b. La exerga destruida durante este proceso.

Suposiciones:

Las energas cintica y potencial son despreciables.

El cilindro se encuentra bien aislado y por lo tanto las prdidas de calor son

despreciables.

La energa trmica almacenada en el cilindro es despreciable

El proceso de expansin/compresin se encuentra en un estado de quasi-equilibrio.

Figura 1. Dispositivo cilindro-mbolo

6. Un tanque rgido aislado est dividido en dos partes iguales por una membrana.Inicialmente, una parte contiene 3 kg de argn a 300 kPa y 70C y el otro lado est alvaco. Ahora se quita la membrana y el gas llena todo el tanque. Suponiendo que elentorno est a 25C, determine la exerga destruida durante este proceso.

Suposiciones:

El argn puede considerarse que se comporta como un gas ideal bajo las condiciones

de trabajo.

Las propiedades del argn bajo estas circunstancias son: R = 0,208 kJ/kg.K y R =

0,208 kJ/kg.K.

7. Un dispositivo de cilindro-mbolo contiene inicialmente 1,4 kg de refrigerante 134 a140 kPa y 20C. Ahora se transfiere calor al refrigerante, y el mbolo, que descansa en unconjunto de topes, se comienza a mover cuando la presin interior llega 180 kPa (Figura


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3). La transferencia de calor contina hasta que la temperatura llega a 120C. Suponiendoque el entorno est a 25C y 100 kPa, determine:

a. El trabajo realizado.

b.

La transferencia de calor.c. La exerga destruida.

d. La eficiencia segn la segunda ley para este proceso.

Suposiciones:


No hay friccin entre el pistn y el cilindro.

Las propiedades del refrigerante en el estado inicial y final son las siguientes:

Estado v(m3/kg) u (kJ/kg) s (kJ/kg K)

Inicial 0,16544 248,22 1,0624Final 0,17563 331,96 1,3118

Figura 3. Dispositivo cilindro-mbolo

8. Una turbina adiabtica opera con aire que entra a 550 kPa, 425 K y 150 m/s y sale a 110kPa, 325 K y 50 m/s. Determine la produccin real y mxima de trabajo para esta turbina,en kJ/kg. Por qu los trabajos mximo y real no son iguales? Considere T 0=25C.

Suposiciones: El proceso ocurre bajo condiciones de estado estable.

La unidad es adiabtica y por lo tanto las prdidas de calor son consideradas

despreciables.

El aire se comporta como un gas ideal.

La energa potencial es considerada despreciable.

Las propiedades termodinmicas del sistema son consideradas constantes y fueron

calculadas a la temperatura promedio de trabajo. Bajo esta consideracin, la

capacidad calorfica del aire es cp= 1.011 kJ/kg.K.


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9. Un contenedor adiabtico de 10 pie3est inicialmente al vaco. La lnea de suministrocontiene aire que se mantiene a 200 psia y 100F. La vlvula se abre hasta que la presinen el contenedor es igual a la presin en la lnea de suministro (Figura 4). Determine elpotencial de trabajo del aire en este contenedor cuando se llena. Tome T0=80F.

Suposiciones: Proceso en estado inestable.

Las energas cintica y potencial pueden ser consideradas despreciables.

No hay interacciones de trabajo.

El aire puede ser considerado como un gas ideal con capacidades calorficas

constantes.

Las propiedades para el aire son: cp = 0,240 Btu/lbmR, k=1,4 y R = 0,06855

Btu/lbmR= 0,3704 kPam3/lbmR.

Figura 4. Contenedor rgido con corriente de suministro.

10.

Cul es el potencial de trabajo del aire en el contenedor lleno del problema anterior si sellena de tal manera que no solamente la presin final, sino tambin la temperatura finalson iguales a la presin y temperatura en la lnea de suministro? La temperatura delentorno es de 80F. Observe que el contenedor no puede ser adiabtico en este caso, ypuede intercambiar calor con el medio ambiente.

11.Un inventor dise un proceso complicado sin flujo, en el que el fluido de trabajo es 1 molde aire. l afirma que los efectos resultantes del proceso son:

Un cambio de estado del aire de 250 C y 3 bas a 80 C y 1 bar.

La produccin de 1800 J de trabajo.

La transferencia de una cantidad no especificada de calor hacia un depsito decalor a 30 C.

Determine si el desempeo que se afirma del proceso es consistente con la segunda ley.Suponga que el aire es un gas ideal con CP= (7/2)R.


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12.Un dispositivo vertical cilindro-mbolo contiene inicialmente 0,1 m3de helio a 20C. Lamasa del mbolo es tal que mantiene una presin interior constante de 300 kPa. Se abreahora una vlvula y se permite que escape helio hasta que el volumen interior delcilindro disminuye a la mitad. Hay transferencia de calor entre el helio y su entorno a

20C y 95 kPa, de modo que la temperatura del helio en el cilindro permanece constante.Determine:

a. El potencial de trabajo mximo del helio en el estado inicial.

b. La exerga destruida durante este proceso.

Suposiciones: Proceso en estado inestable, ya que las condiciones al interior del tanque cambian

con el tiempo.


No hay interacciones de trabajo.

El helio se comporta como un gas ideal y sus propiedades son las siguientes: R =

2,0769 kPa.m3/kg.K = 2,0769 kJ/kg.K, cp= 5,1926 kJ/kg.Ky cv = 3,1156 kJ/kg.K

13.Un (1) kmol de un gas ideal de capacidad calorfica constante, Cp = 20 kJ/Kmol.K, secomprime adiabticamente desde 10 kPa y 10 C hasta 0,5 MPa. El proceso es irreversibley requiere un trabajo dos veces mayor que el trabajo de compresin adiabticoreversible entre los mismo estados inicial y final. El ambiente es aire a 300 K y 100 kPa.Determine:

a.

El trabajo necesario.

b. La variacin de entropa del gas.

c. La irreversibilidad del proceso.

14.Por una tubera se suministra vapor a 3 MPa y 700 C. Una turbina con una eficienciaisentrpica de 85% se conecta a la tubera por medio de una vlvula y descarga a laatmsfera a 100 kPa. Si el vapor se regula a la presin de 2MPa antes de entrar a laturbina, calcule:

a.

El trabajo especfico real de la turbina.b. El cambio en disponibilidad a travs de la vlvula.

c. La eficiencia de la turbina segn la segunda ley.

15.Aire procedente del ambiente a 100 kPa y 25 C es comprimido con un caudal de 0,3 kg/shasta 600 kPa en un compresor adiabtico de rendimiento 75%. El aire comprimido es


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enfriado posteriormente a presin constante hasta 45 C. El intercambiador de calorfunciona con agua que entra a 100 kPa y 25 C y sale a 100 kPa y 40 C. Determine:

a. La potencia del compresor.

b.

La irreversibilidad del proceso.

Suposiciones: El aire se trata como gas ideal (k=1,4) y su peso molecular es 29 kg/kmol.

Figura 7. Calentamiento de agua con aire comprimido.

16.En una bomba de calor se emplea R12 como fluido de trabajo, el condensador es unintercambiador de calor en contracorriente, enfriado con aire. En unas pruebas defuncionamiento, los parmetro de proceso que se obtuvieron son:

Fluido Caudal

Entrada Salida

Temperatura

(C)

Presin

(bar)

Temperatura

(C)

Presin

(bar)

R12 0,125 45 9,588 35 9,588

Aire 1,0 18 1,045 35 1,035

Calcule:

a. La velocidad de transferencia de calor al ambiente.

b.

La prdida de exerga en el proceso de intercambio de calor.

Suposiciones: Considere que el aire es un gas perfecto con Cp=1,0 kJ/Kg.K; k=1,4.

La entalpa y entropa del R12 en el estado de lquido comprimido pueden suponerse

iguales a las propiedades respectivas del lquido saturado a la misma temperatura.

La temperatura del entorno es de 278 K.


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17.En una planta que dispone de dos lneas de alimentacin, una de vapor a 300 C y 3,0 kPa,y otra de agua a 300 C y 10 kPa, se necesita vapor saturado a 200 C con un caudal de 2,5kg/s. Se ha sugerido que se podra instalar una cmara adiabtica de mezcla dotada delas vlvulas adecuadas de reduccin de presin, como se muestra en la figura8, para

generar el vapor saturado requerido. El ambiente se encuentra a 25 C y 101 kPa.Determine:

a. Los caudales msicos de vapor y agua.

b. La exerga absoluta total que entra y sale de la cmara de mezcla.

c. El mximo trabajo til que se podra obtener del proceso.

d. La irreversibilidad generada en el proceso.

Suposiciones:

El aire presenta el comportamiento de un gas ideal (k=1,4) y peso molecular 29

kg/kmol.


No hay friccin entre el pistn y el cilindro.

Figura 8. Cmara adiabtica de mezcla.

18.

En la figura 9 se muestra el esquema de una planta de vapor que se ha instalado paraaprovechar parte de la energa residual de los gases de escape de una turbina de gas. Sealimenta la turbina con 90% del vapor generado en el intercambiador de calor, mientrasque el resto se estrangula hasta una presin de 2,0 bar para su uso en un sistema decalefaccin. Las prdidas de calor son despreciables en la vlvula de estrangulacin, en el

intercambiador de calor son de 25 kW, y de 30 kW en la turbina. El entorno se encuentraa una temperatura de 25 C y presin de 1 bar.

a. El gas de escape entra y abandona el intercambiador de calor en las condiciones

mostradas en la figura 9, con un caudal msico de 6,0 kg/s. Calcule la exerga del gas de

escape en las condiciones de entrada al intercambiador de calor.

b. Determine la prdida de exerga que tiene lugar en la vlvula, y expresar la respuesta en

trminos de energa perdida por unidad de tiempo.


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c. Calcule la prdida de exerga en la turbina si el vapor de escape sale con un ttulo de 0,9

y a una presin de 0,1 bar.

d. Calcule la irreversibilidad de todo el proceso.

Suposiciones:

Suponga comportamiento de gas perfecto.

El calor especfico del gas a presin constante es 1,028 kJ/kg.K

La constan del gas perfecto para ese gas es 0,266 kJ/kg.K.

Figura 9. Diagrama para el uso del gas de escape.

19.Un conjunto cilindro-pistn con resorte contienen 0,1 kg de aire a la temperaturaambiente de 300 K y a una presin de 200 kPa. La masa del pistn y del resorte es tal que

la presin es proporcional al volumen, P = CV. El aire se calienta por medio de una bombao mquina trmica reversible que intercambia energa con un depsito a 500 K hasta unatemperatura final de 1200 K. Determine:

a. El cambio de disponibilidad del aire.

b. El trabajo neto que sale de la bomba o mquina trmica.

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