República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa UNEFA Núcleo Falcón Extensión Punto Fijo

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1 República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa UNEFA Núcleo Falcón Extensión Punto Fijo Guía de Ejercicios de Primera Ley de Termodinámica 1.- Entra agua a los tubos de una caldera, de 130 mm de diámetro constante, a 7 MPa y 65 C, y sale a 6 MPa y 450 C, a una velocidad de 80 m/s. Calcule la velocidad del agua en la entrada de un tubo, y el flujo volumétrico a la entrada. 2.- Una bomba aumenta la presión del agua de 70 kpa en la succión, hasta 700 kpa en la descarga. El agua llega a ella a 15 C, pasando por una abertura de 1 cm de diámetro, y sale por una abertura de 1.5 cm de diámetro. Determine la velocidad del agua en la succión y la descarga, cuando el flujo másico por la bomba es 0.5 kg/s. Cambiarán mucho esas velocidades si la temperatura en la succión aumenta hasta 40 C? Figura 01 (Cengel, 2011) 3.- A un tubo de 28 cm de diámetro entra refrigerante 134a, a las condiciones constantes de 200 kpa y 20 C, con una velocidad de 5 m/s. El refrigerante gana calor al pasar, y sale del tubo a 180 kpa y 40 C. Determine: a) el flujo volumétrico del refrigerante en la entrada, b) el flujo másico del refrigerante c) la velocidad y el flujo volumétrico en la salida. 4.- Por un tubo pasa aire en flujo constante, a 300 kpa, 77 C y 25 m/s, a una tasa de 18 kg/min. Determine: a) el diámetro del tubo. b) la tasa de energía de flujo, c) la tasa de transporte de energía por medio de transferencia de masa. d) el error cometido en el inciso c) si se desprecia la energía cinética. 5.- A una tobera entra vapor de agua a 400 C y 800 kpa, con una velocidad de 10 m/s, y sale a 300 C y 200 kpa, mientras pierde calor a una tasa de 25 kw. Para un área de entrada de 800 cm 2, determine la velocidad y el flujo volumétrico del vapor de agua en la salida de la tobera.

2 Figura 02. (Cengel, 2011) 6.- A una tobera adiabática entra refrigerante 134a, en régimen estacionario, a 700 kpa y 120 C, con una velocidad de 20 m/s, y sale a 400 kpa y 30 C. Determine la velocidad del refrigerante a la salida. 7.- Considere un difusor al que entra refrigerante 134a, como vapor saturado a 800 kpa con una velocidad constante de 120 m/s, y sale a 900 kpa y 40 C. El refrigerante gana calor a una tasa de 2 kj/s al pasar por el difusor. Si el área de salida es 80 por ciento mayor que la de entrada. Determine: a) la velocidad de salida. b) el flujo másico del refrigerante. 8.- Considere una tobera a la que le entra vapor de agua de una manera estacionaria a 4 MPa y 400 C, con una velocidad de 60 m/s y sale a 2 MPa y 300 C. El área de entrada de la tobera es 50 cm 2, y la tobera pierde calor a la tasa de 75 kj/s. Determine: a) el flujo másico del vapor de agua. b) la velocidad de ese vapor a la salida y c) el área de salida de la tobera. 9.- Refrigerante R-134a entra a un compresor a 100 kpa y 24 C, con un flujo de 1.35 m3/min, y sale a 800 kpa y 60 C. Determine el flujo másico del R-134a, y la entrada de potencia al compresor Refrigerante 134a entra a un compresor a 180 kpa como vapor saturado, con un flujo de 0.35 m 3 /min, y sale a 700 kpa. La potencia suministrada al refrigerante durante el proceso de compresión es 2.35 kw. Cuál es la temperatura del R-134a a la salida del compresor? 11.- Por una turbina adiabática pasa un flujo estacionario de vapor de agua. Las condiciones iniciales del vapor son 6 MPa, 400 C y 80 m/s en la entrada, y en la salida son 40 kpa, 92 por ciento de calidad y 50 m/s. El flujo másico del vapor es 20 kg/s. Determine: a) el cambio de energía cinética. b) la potencia desarrollada por la turbina. c) el área de entrada de la turbina.

3 Figura 03. (Cengel, 2011) 12.- Considere una turbina adiabática a la que entra vapor de agua a 10 MPa y 500 C, y sale a 10 kpa, con 90 por ciento de calidad. Despreciando los cambios de energía cinética y potencial, determine el flujo másico necesario para producir 5 MW de potencia de salida Por una turbina pasa vapor de agua con un flujo constante de lbm/h; entra a 1000 psia y 900 F, y sale a 5 psia, como vapor saturado. Si la potencia generada por la turbina es 4 MW, calcule la tasa de pérdida de calor del vapor de agua en sistema internacional Entra vapor a una turbina de flujo uniforme con un flujo másico de 20 kg/s a 600 C, 5 MPa, y una velocidad despreciable. El vapor se expande en la turbina hasta vapor saturado a 500 kpa, de donde 10 por ciento del vapor se extrae para algún otro uso. El resto del vapor continúa expandiéndose a la salida de la turbina, donde la presión es 10 kpa y la calidad es de 85 por ciento. Si la turbina es adiabática, determine la tasa de trabajo realizado por el vapor durante este proceso. Figura 04. (Cengel, 2011)

4 15.- Entra uniformemente vapor a una turbina, con un flujo másico de 26 kg/s y una velocidad despreciable a 6 MPa y 600 C. El vapor sale de la turbina a 0.5 MPa y 200 C, con una velocidad de 180 m/s. La tasa de trabajo realizado por el vapor en la turbina se mide como 20 MW. Si el cambio de elevación entre la entrada y la salida de la turbina es despreciable, determine la tasa de transferencia de calor correspondiente a este proceso En algunos sistemas de refrigeración se usa un tubo capilar adiabático para hacer bajar la presión del refrigerante, desde la presión en el condensador hasta la presión en el evaporador. El R-134a entra al tubo capilar como líquido saturado a 50 C y sale a -20 C. Determine la calidad del refrigerante en la entrada del evaporador Una mezcla de líquido y vapor de agua saturados, llamada vapor húmedo, fluye en una línea de suministro de vapor de agua a 2000 kpa y se estrangula hasta 100 kpa y 120 C. Cuál es la calidad de vapor de agua en la línea de suministro? Figura 05 (Cengel, 2011) 18.- Se va a condensar vapor de agua a 85 F en la coraza de un intercambiador de calor. El agua de enfriamiento entra a los tubos a 60 F con un flujo de 138 lbm/s y sale a 73 F. Suponiendo que el intercambiador de calor esté bien aislado, determine la tasa de transferencia de calor y la tasa de condensación del vapor de agua Al condensador de un barco entra vapor a 20 kpa y 95 por ciento de calidad, con un flujo másico de kg/h. Se va a enfriar con agua de un lago, pasándola por los tubos ubicados en el interior del condensador. Para evitar la contaminación térmica, el agua del lago no debe tener un aumento de temperatura mayor de 10 C. Si el vapor debe salir del condensador como líquido saturado a 20 kpa, determine el flujo másico del agua de enfriamiento requerido.

5 Figura 06. (Cengel, 2011) 20.- El condensador de un ciclo de refrigeración es básicamente un intercambiador de calor en el que se condensa un refrigerante mediante la transferencia de calor hacia un fluido a menor temperatura. Entra refrigerante 134a a un condensador a 1200 kpa y 85 C, con un flujo de kg/s, y sale a la misma presión, subenfriado en 6.3 C. La condensación se realiza mediante agua de enfriamiento, que experimenta una elevación de temperatura de 12 C en el condensador. Determine: a) la tasa de transferencia de calor al agua en el condensador, en kj/min. b) el flujo másico del agua en kg/min El evaporador de un ciclo de refrigeración es básicamente un intercambiador de calor en el que se evapora un refrigerante mediante la absorción de calor de otro fluido. Entra refrigerante R- 22 a un evaporador a 200 kpa, con una calidad de 22 por ciento y un flujo de 2.25 L/h. El R-22 sale del evaporador a la misma presión, sobrecalentado en 5 C. El refrigerante se evapora absorbiendo calor del aire, cuyo flujo es 0.5 kg/s. Determine: a) la tasa de calor absorbido del aire. b) el cambio de temperatura del aire.

6 22.- En la siguiente figura se muestra un ciclo de potencia sencillo: Las condiciones de operación en cada punto son las que se indican a continuación: Punto Ubicación Presión Temperatura o calidad 1 Salida de la Caldera 2,0 MPa 300 C 2 Entrada de la Turbina 1,9 MPa 290 C 3 Salida de la turbina y entrada al condensador 15 KPa 90% 4 Salida del condensador y entrada a la bomba 14 KPa 45 C 5 Salida de la bomba y entrada a la caldera - - Trabajo de entrada a la Bomba por unidad de masa = 4 KJ/Kg Determine las siguientes cantidades por Kilogramo que fluye a través del equipo: a.- Transferencia de calor en la tubería entre la caldera y la turbina b.- Trabajo de la turbina c.- Transferencia de calor en el condensador d.- Transferencia de Calor en la Caldera

7 EL EJERCICIO CONTINÚA EN LA SIGUIENTE PÁGINA

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