1º Prueba de Termo 1º Sem. 2014 (1)

7/25/2019 1 Prueba de Termo 1 Sem. 2014 (1)

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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.)


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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)


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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


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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.


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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=


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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=


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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=


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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


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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=


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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=


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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=


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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=


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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


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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=

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