FISICOQUÍMICA Y BIOFÍSICA UNLA

Transcripción

1 FISICOQUÍMICA Y BIOFÍSICA UNLA 1º CUATRIMESTRE Profesor: Ing. Juan Montesano. Instructor: Ing. Diego García. PRÁCTICA 5 Primer Principio Sistemas Abiertos

2 PRÁCTICA 5: Primer Principio Sistemas abiertos. 1. Se calienta 4500kg/h de leche desde 5ºC hasta 60ºC en un intercambiador de calor y utilizando agua caliente para ello Cuánto calor se debe transferir si el Cp de la leche es 0,916 kcal/kgºc? Si se utilizan 9000 kg/h agua a 80ºC Con qué temperatura saldrá el agua? 2. En una pasteurizadora se eleva leche a 25ºC y una densidad relativa 1,02 hasta un tanque de almacenamiento situado a 10 m de altura, por intermedio de una bomba centrífuga. La cañería de aspiración es de 2 pulgadas de diámetro interno y la de descarga de 3 también de diámetro interno. La cantidad de leche que se maneja es de 350 L / min.. Calcule los HP y CV de la bomba. Suponga que el sistema está perfectamente aislado. El rendimiento de la bomba es del 70% y L roce, debido a los accesorios y a la longitud de la cañería, es equivalente al aporte de 5 m de altura de agua. 10m 2.1 Una fábrica se auto abastece de agua, con perforaciones a 60 m de profundiad. Calcular el trabajo de bomba necesario para elevar agua por una tubería de 2 pulgadas a razón de 100 L/min hasta un tanque elevado a 15 m. La rugosidad de las cañerías produce una pérdida por fricción de 4 m. 2.1.a Cuál es la energía cinética? 2.1 b Sí la bomba que se puede obtener comercialmente tiene un rendimiento del 60%, cuál es el trabajo real necesario? 3. Pollos con una masa promedio de 2 kg y c= 3,58 kj/kg K se van a enfriar con agua que está a 0,5 C y que entra a un enfriador de inmersión. Los pollos son introducidos al enfriador a 15 C a razón de 500 pollos/h y se enfrían hasta una temperatura de 3 C al sacarlos. El enfriador gana calor de los alrededores a razón de 200 kj/h. Determinar a) El calor perdido por los pollos b) El caudal de agua en kg/s, si el aumento de temperatura del agua no debe pasar de 2 C c) Calcular b) pero considerando que no hay ganancia de calor de los alrededores. 4. A una planta pasteurizadota de leche ingresan 14 L/s a 3,5 C, en forma continua, y para ello se eleva su temperatura hasta 72 C por intermedio de vapor a 155 C y 300 kpa que sale con x=0,92. Posteriormente se enfría nuevamente hasta 4 C con líquido saturado de R 134 a a 200 kpa saliendo con x= 0,25. Calcular la masa de vapor de agua y de refrigerante. El proceso es adiabático. 5. Antes de que entre a un horno se precalienta aire del exterior con gases calientes de escape mediante un intercambiador de calor. El aire ingresa 95 kpa y 20 C con un caudal de 0,8 m 3 /s. Los gases de combustión (c p =1,1 kj/kg C) entran a 180 C con un caudal de 1,1 kg/s y salen a 95 C. Calcular la temperatura del aire que ingresa al horno. 2 Aire a 95 kpa 20 C 0,8 m 3 /s Gases de escape 1,1 m/s 95 C

3 6. Entra vapor a una turbina a 12 MPa, 550 C y 60 m/s y sale a 20 kpa y 130 m/s con un contenido de humedad del 5%. La turbina no está aislada adecuadamente y se estima que pierde calor a razón de 150 kw. Si la potencia de la turbina es de 2,5 MW. Calcular el caudal de vapor. 7. En una turbina adiabática de dos etapas entra vapor a 9 MPa y 500 C con un caudal de 15 kg/s 10% del vapor se extrae al final de la primera etapa a una presión 1,4 MPa y 320 C para otro uso, mientras que el resto del vapor se expande en una segunda etapa y sale a 50 kpa y 170 C. Calcular la potencia de cada turbina. 8. Para calentar un reactor se usa vapor saturado a 250ºC el cual entra en la camisa que rodea al reactor y sale con un título de 0,1. la reacción absorbe 1000 kcal/kg de material en el reactor. Las pérdidas de calor son de 5000 kcal/h. Los reactivos se colocan en el reactor a 20ºC y salen a 100ºC. Si todo es agitado por un agitador de 4 C.V y la carga está constituida por 325 kg de material y tanto productos como reactivos tienen un calor específico de 0,78 kcal/kgk Cuántos kg de vapor se requerirán?.suponer que la carga permanece en el reactor durante 1 hora. 9. Para calentar el reactor del esquema se usa vapor saturado a 250 C el cual entra (2) a la camisa que rodea el reactor y sale condensado (3). La reacción absorbe 1000 kcal /kg de material en el reactor. Las pérdidas de calor son de 5000 kcal /h. Los reactivos se colocan en el reactor a 20 C (1) y salen a 100 C (4). Si la carga está constituida por 325 kg de material y tanto los productos como los reactivos tienen un c= 0,78kcal/kg C. La carga permanece en el reactor 1 h. Cuántos kg/s de vapor se requerirán por kg de carga? 2 1 Reactor Dada la siguiente instalación por la que circula vapor de agua en condiciones indicadas en la figura: 3 m 1 =2 tn/h x=0,8 C.M. 4 VS L T =1MW ata 10 ata 5 x=0,88 t=80 C Q 6 t=20 C Calcular a) Estado en 2. b) Caudal másico en 3. c) Estado en 4 d) Q 3

4 11. Un compresor adiabático comprime R134a a -20 C y título 0,9 hasta una presión de 400kPa y 70 C. A la salida se enfría y se condensa en un intercambiador de calor. Si el caudal es de 0,8 kg/s. Se pide a) Diagrama p-v b) Potencia del compresor con un rendimiento del 70% c) Cantidad de calor a extraer en el intercambiador. 12. Agua a 25ºC se calienta en una caldera de 50 m 3 y 20 bar, se observa que el volumen de vapor es igual al de liquido, luego se abren unas válvulas y se bombea el 10% en 5 min hasta una mezcladora ubicada a 15 m de altura y 21 bar, donde se vierte un aditivo a 25ºC, Cp=2,1kJ/kgK. Hallar: a. Masa de liquido y vapor dentro de la caldera, titulo b. Cantidad de aditivo para que la temperatura de la mezcla sea de 80ºC; las perdidas de calor en tuberia producen un descenso en la temperatura de 2,37ºC para el agua, hasta la entrada a la mezcladora. c. Potencia de la bomba 13. El piso superior de una fábrica de caramelos se encuentra 40 m por encima de la planta baja. Se quiere bombear caramelo líquido a 70 ºC y con un caudal estacionario de 0,7kg/s, desde la planta baja hasta la planta superior. El caramelo líquido se almacena en la planta baja en depósitos mantenidos a una temperatura de 40 ºC. Además hay instalado un intercambiador de calor que se alimenta de caramelo líquido de los depósitos. El intercambiador de calor se alimenta con agua líquida presurizada que entra a 125 ºC, 3bares y sale a 54 ºC y luego una válvula de expansión. Se sabe que la bomba consume 800 W y que el caramelo pierde 3400 W de energía en la tubería vertical de alimentación hacia el piso superior. Datos: cp = 1,82 kj/kg K. a-encontrar el caudal necesario de agua. b-dar condiciones posibles a la salida de la válvula. c-hallar la entropía generada en el proceso (2º principio). d- Qué potencia debería tener la bomba si la cañería genera un roce de 0,5 kw? Varía la entropía generada? Caramelo Agua Q 3400 W 40 m Caramelo Agua 4

5 Para pensar. 14. En la producción de mermelada se emplea una instalación semejante a la siguiente (ver diagrama), un tanque almacena agua a 20ºC y 100kPa, la cual es bombeada a través de la tubería sin rozamiento, con una bomba que produce en la salida de la misma una presión de 140kPa. Este caudal de agua se divide en dos corrientes iguales (Derivación); una ingresa a un intercambiador de calor (1) donde se calienta hasta 150ºC, y la otra corriente ingresa en el intercambiador de calor (2). El proceso de escaldado consiste en calentar la fruta hasta 100ºC con vapor de agua para desactivar encimas, aquí la fruta ingresa a 20ºC y 10kg/s, (en este caso la fruta presenta un 77% de humedad); luego se la enfría en un intercambiador de calor, para ser triturada y mezclada posteriormente con sacarosa a 20ºC, y así obtener 25,7kg/s de mermelada a 82ºC con un contenido de humedad del 30%. La fruta ingresa a la paila a igual temperatura que la mermelada es producida; la paila es acondicionada con 1kg/s de vapor de agua saturado. La corriente de vapor a 122,3ºC que emerge del escaldado es empleada en una turbina adiabática para la obtención de energía, pues esta corriente sale de la turbina como una mezcla saturada a 100kPa. Para economizar el consumo de agua se utiliza una cámara de mezcla, en ella ingresan las corrientes provenientes de la turbina, el intercambiador de calor (2) y la paila, teniendo una perdida de calor de 10kW. Hallar: a) Caudal en la salida de la bomba, b) Condiciones del agua en la salida del intercambiador de calor (2), c) Energía obtenida en la turbina y condiciones en la salida de la misma, d) Condiciones en la salida de la paila y grafico representando la evolución del vapor de agua, e) Condiciones en la salida de la cámara de mezcla, f) La entropía generada en cada equipamiento, g) Cual es el valor del Cp calculado para la fruta y la mermelada?. Cuando se refiere a condiciones se habla de presión, temperatura, estado y titulo. Datos: Cp H2O = 4,18kJ/kgºC Cp solidos =1,31kJ/kgºC Cp sacarosa =1,31kJ/kgºC 5

6 Fruta Intercambiador de Calor 1 Tanque Escaldado Turbina Adiabática Derivación Intercambiador de Calor 2 Cámara de Mezcla Azucar Vapor de agua Paila Bomba Mermelada 6