Radames Gmez, Septiembre de 2013

Ejercicios del 2do tema de termodinmica: Anlisis de sistemas abiertos Libro: Yunus Cengel Termodinmica (6ta edicin)

Toberas y Difusores 5-30. A una tobera adiabtica entra aire en forma estable a 300Kpa, 200C y

30, y sale a 100KPa y 120

. El rea de entrada de la tobera es de 80,

determine el flujo msico, temperatura de salida y rea de salida de la tobera. Resp: = ,

; = ,

; = ,

5-32. A una tobera entra vapor a 5MPa y 400C en forma estable con una velocidad de 80

, y sale a 2MPa y 300C. El rea de entrada de la tobera

es de 50 y el calor se pierde a una tasa de 120. Determine el flujo

masico, velocidad de salida y rea de salida de la tobera. Resp: = ,

; = ,

; = ,

5-35. A una tobera adiabtica que tiene una relacin de rea de entrada a salida de 2:1 entra aire a 600KPa y 500K con una velocidad de 120

, y sale

con una velocidad de 380. Determine la temperatura de salida y la presin

de salida del aire. Resp: = , ; = ,

5-36. A un difusor adiabtico entra aire a 80KPa y 127C en forma permanente a una tasa de 6000

y sale a 100KPa, la velocidad de la

corriente de aire se reduce de 230 a 30, encuentre la temperatura final y el

rea de salida del difusor. Resp: = , ; = ,

5-38. A una tobera adiabtica entra de forma estable a 1MPa y 500C, con un flujo msico de 6000

y sale a 100KPa y 450

. El rea de entrada

de la tobera es de 40. Determine la velocidad de entrada y temperatura de salida. Resp: = ,

; = ,

5-40. A un difusor entra aire a 80KPa, 27C y 220 a una tasa de 2,5

y sale

a 42C. El rea de salida del difusor es 400 y se estima que durante el proceso el aire pierde calor a una tasa de 18

. Determine la velocidad de

salida y la presin de salida del aire. Resp: = ,

; ,

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5-43. A un difusor entra R-134a en forma permanente como vapor saturado a 800KPa con una velocidad de 120

, y sale a 900KPa y 40C. A medida que

pasa por el difusor, el refrigerante gana calor a una tasa de 2. Si el rea de

salida es 80% mayor que la de entrada. Determine la velocidad de salida y el flujo msico. Resp: = ,

; = ,

5-39. A una tobera adiabtica entra R-134a a 700KPa y 120C en forma permanente con una velocidad de 20

, y sale a 400KPa y 30C. Determine

la velocidad de salida y relacin de reas. Resp: = ,

;

= ,

Turbinas y Compresores 5-49. Por una turbina adiabtica fluye vapor de modo estable. Las

condiciones de entrada del vapor son 10MPa, 450C y 80 y las de salida

son 10KPa, calidad del 92% y 50. El flujo msico del vapor es 120

Determine el rea de entrada, cambio de energa cintica y potencia generada por la turbina. Resp: = , ; ! = ,

;# = , $#

5-53. A una turbina adiabtica entra vapor a 8MPa y 500C a una tasa de 3

, y sale a 20KPa. Si la salida de potencia de la turbina es 2,5MW

determine la temperatura final Resp: = ,

5-54. A una turbina adiabtica que opera de manera estable entra gas argn a 900KPa y 450C con una velocidad de 80

y sale a 150KPa con

una velocidad de 150. El rea de entrada de la turbina es de 60. Si la

salida de potencia de la turbina es de 250KW. Determine la temperatura de salida del argon. Resp: = ,

5-56. A un compresor adiabtico entra R-134a como vapor saturado a -24C y sale a 0,8MPa y 60C. El flujo msico de esta sustancia es 1,2

.

Determine la entrada de potencia al compresor y el flujo volumtrico en la entrada. Resp: !& = ,

; # = , #

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5-57. Al compresor de una planta de turbina de gas entra aire a 100KPa y 25C con una velocidad baja, y sale a 1MPa y 347C con una velocidad de 90

. El compresor se enfra a una tasa de 1500

'( mientras la entrada de

potencia es de 250KW. Determine el flujo msico. Resp: = ,

5-60. Se comprime Helio desde 120KPa y 310K hasta 700KPa y 430K. Durante el proceso ocurra una prdida de calor de 20

. Sin considerar

cambios de energa cintica determine la entrada de potencia para un flujo msico de 90

'(.

Resp: -954,67KW

5-61. A un compresor adiabtico entra a 100KPa y 300K a una tasa de 0,5

, y sale a 600KPa y 450K. Determine el flujo volumtrico en la entrada

y entrada de potencia.

Resp: !& = ,

; # = , #

Vlvulas de estrangulamiento

5-62C Por qu en aplicaciones de refrigeracin y sistemas de aire acondicionado se usan comnmente dispositivos de estrangulamiento?

Resp: Debido que en todo proceso de disminucin de presin por estrangulamiento viene acompaado de una disminucin de temperatura.

5-64C Esperara que la temperatura del aire disminuyera a medida que experimenta un proceso de estrangulamiento de flujo estable? Explique.

Resp: No, debido que para gases ideales como el aire, la entalpia es funcin de la temperatura, es decir: h(t), y como todo proceso de estrangulamiento es isoentlpico (* = +) al no variar la entalpia, tampoco varia la temperatura.

5-65C Esperara que la temperatura de un lquido cambiara a medida que pasa por un proceso de estrangulamiento? Explique

Resp: Si permanece en fase liquida, no. Pero si algo de ese lquido se vaporiza durante el proceso entonces s.

5-66 Por un proceso de estrangulamiento se hace pasar R-134a del estado lquido saturado a 700KPa hasta una presin de 160KPa. Determine la disminucin de temperatura durante este proceso y volumen especfico final.

Resp: = ,

; , = ,

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5-68 Una vlvula bien aislada se usa para estrangular vapor de 8MPa y 500C hasta 6MPa. Determine la temperatura final del vapor.

Resp: = ,

Cmaras de Mezcla e Intercambiadores de Calor

5-75 A una cmara de mezcla entra una corriente de agua caliente a 80C con un flujo msico de 0,5

donde se mezcla con una corriente de agua

fra a 20C, si se desea que la mezcla salga de la cmara a 42C. Determine el flujo msico de la corriente de agua fra. Suponga que las corrientes tienen una presin de 250KPa.

Resp: = ,

5-76 Agua lquida que est a 300KPa y 20C se calienta en una cmara de mezclndola con vapor sobrecalentado a 300KPa y 300C. El agua fra entra a la cmara a una tasa de 1,8

. Si la mezcla sale a 60C,

determine el flujo msico requerido del vapor sobrecalentado. Resp: = ,

5-77 En las termoelctricas, los calentadores de agua de alimentacin abierta se utilizan con frecuencia para calentar el agua mezclndola con vapor extrado de la turbina en alguna etapa intermedia. Considere un calentador de este tipo que opera a una presin de 100KPa con el que se calienta agua de alimentacin a 50C mediante vapor sobrecalentado a 200C. En un calentador ideal de agua, la mezcla sale de este como liquido saturado a la presin del agua de alimentacin. Determine la relacin de los flujos msicos.

Resp:

= ,

5-79 Se mezclan dos corrientes de R134a, una a 1MPa y 12C y otra a 1MPa y 60C. Si el flujo msico de la corriente fra es el doble de la caliente. Determine la temperatura y calidad de la corriente de salida.

Resp: , = , ;- = ,

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5-81 En un condensador y con uso de aire se enfra R-134a de 1MPa y 90C hasta 1MPa y 30C. El aire entra a 100KPa y 27C con un flujo volumtrico de 600

'( y sale a 95KPa 60C. Determine el flujo msico del

refrigerante.

Resp: . + = 1,65

5-83 En un condensador se enfra mediante agua, R134a a 700KPa, 70C y 8

'( hasta que existe como liquido saturado a la misma presin. El agua

de enfriamiento entra al condensador a 300KPa y 15C y sale a 25C a la misma presin. Determine el flujo msico del agua de enfriamiento requerido para enfriar el refrigerante.

Resp: . 2 = 0,70

Sistemas abiertos de flujo no estable

Un tanque rgido de 10 contiene R-12 a 280KPa, en los cuales el 80% del volumen se encuentra lquido, y el resto en vapor, el tanque est conectado mediante una vlvula de suministro; la vlvula se abre y se permite que el R-12 escape a presin constante hasta que se desaloja todo el lquido. Determine la cantidad de R-12 que escapo del tanque y transferencia de calor.

Resp: .5 = 11118,2889; : = 20,14 = 9,5989; : = 340,088=

5-128. Un recipiente rgido de 0,2 contiene inicialmente R-134a a 8C, en este estado, 70% de la masa est en la fase de vapor y el resto es lquido. El recipiente se conecta mediante una vlvula a una lnea de suministro donde el refrigerante a 1MPa y 100C fluye de modo estable. Despus se abre un poco la vlvula y se deja que el refrigerante entre al recipiente. Cuando la presin en este punto llega a 800KPa, todo el recipiente existe solo como vapor, en este punto se cierra la vlvula. Determine la temperatura final, la masa del refrigerante que entra y transferencia de calor.

Resp: A* = 31,33B; .> = 2,4389; : = 1238=

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5-132. Un recipiente rgido de 0,12 contiene inicialmente R-134a a 1MPa y calidad de 100%. El recipiente est conectado por medio de una vlvula a una lnea de suministro que lleva R-134a a 1,2MPa y 36C. Se abre la vlvula y se deja que el refrigerante entre al recipiente, para despus cerrarla cuando se observa que este contiene lquido saturado a 1,2MPa determine la masa que entra y transferencia de calor.

Resp: .> = 128,4789; : = 1064,368=

5-133. Un recipiente rgido de 0,3 se llena con agua saturada a 200C, se abre una vlvula en el fondo del recipiente y se extrae el lquido, se transfiere calor al agua de tal manera que la temperatura del recipiente permanece constante. Determine la cantidad de calor que se debe transferir cuando se ha sacado la mitad de la masa total.

Resp: : = 2312,0148=

5-134 Un recipiente rgido de 0,12 contiene R-134a a 800KPa. Al inicio 25% del volumen est ocupado por lquido y el resto en vapor. Se abre una vlvula en el fondo del recipiente y se extrae el lquido. Se transfiere calor hacia el refrigerante de tal manera que la presin se mantenga constante, la vlvula se cierra cuando no queda lquido y comienza a salir vapor. Determine la transferencia de calor total.

Resp:: = 200,948=

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Ciclos Rankine Determine la eficiencia de ciclo de los siguientes ejercicios