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GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA (GR. 1, 4) Enunciados de problemas de Termodinámica Técnica

CURSO 2013-2014

Primer principio de la Termodinámica. Procesos estacionarios en sistemas abiertos. 4.1.- A una tobera que funciona en estado estacionario entra vapor de agua con p 1 = 40 bar y T 1 = 400 ºC, con una velocidad de 10 m/s. El vapor fluye a través de la tobera con una transferencia de calor despreciable y con un cambio insignificante de su energía potencial. A la salida, p 2 = 15 bar y la velocidad es de 665 m/s. El flujo másico es de 2 kg/s. Determínese el 2 área de la sección de salida de la tobera en m . 4.2.- Se diseña una turbina de vapor estacionaria adiabática como fuente de energía de una pequeña planta generadora de energía eléctrica. La entrada a la turbina será vapor de agua a 540 ºC y 10 bar con una velocidad de 75 m/s y con un flujo de 2.25 kg/s. Las condiciones a la salida de la turbina son 370 ºC, 1 bar y velocidad del vapor de 30 m/s. Calcúlese la potencia útil que producirá la turbina. 4.3.- Un compresor adiabático toma aire a 1 bar y 290 K, descargándolo a la presión de 10 bar. Calcúlense las siguientes magnitudes, suponiendo que el aire se comporta como un gas ideal (cp = 1003 J/kgK) y que el proceso es reversible. a) La temperatura de salida del gas b) La potencia necesaria para la compresión del aire si el flujo es de 2,3 kg/min. 4.4.- Se mezclan adiabáticamente 6 kg/s a 200 ºC de aire que fluyen por una conducción a 100 m/s con 1 kg/s a 100 ºC de aire que circula por otra conducción a 50 m/s. La mezcla circula a 4 bar por una tubería de 100 mm de diámetro. Estímese la temperatura y velocidad de la mezcla. Considérese el aire como gas ideal con c p = 1005 J/kgK constante. 4.5.- Un flujo de vapor de 50000 kg/h entra a un atemperador a 30 bar y 320 ºC. En este equipo el vapor se enfría hasta vapor saturado a 20 bar en un proceso de mezcla con agua líquida a 25 bar y 200 ºC. La transferencia de calor entre el atemperador y su entorno puede despreciarse. Para la operación en estado estacionario, determine el flujo másico de agua en kg/h.

Fuente: Moran & Shapiro. ‘Fundamentos de Termodinámica Técnica’

4.6.- Un flujo de vapor atraviesa una válvula de estrangulamiento adiabática. A la entrada, la presión es de 4 MPa, la temperatura es 320 ºC y la velocidad del flujo, 60 m/s. La presión a la salida es 0.7 MPa y los conductos de entrada y salida se consideran con el mismo diámetro. Calcule la velocidad, temperautra y entalpía específica del vapor a la salida. 4.7.- Un flujo de aire cuyo comportamiento puede considerarse como gas ideal, fluye en estacionario a través del compresor e intercambiador de calor mostrados en la figura. Considerando adiabáticos ambos equipos, se pide determinar la potencia desarrollada por el compresor en kW y el flujo másico de agua de refrigeración en kg/s.

GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA (GR. 1, 4) Enunciados de problemas de Termodinámica Técnica

CURSO 2013-2014

Fuente: Moran & Shapiro. ‘Fundamentos de Termodinámica Técnica’ 3

4.8.- Un flujo volumétrico de 0.6 m /min de R134a entra a un compresor que opera en situación estacionaria a 0.2 MPa y 0 ºC. Los diámetros de los conductos de entrada y salida son de 3 y 1.5 cm, respectivamente. Además se conoce que a la salida, la presión es de 1 MPa y la temperatura de 50 ºC. Si la potencia consumida por el compresor es de 3 kW, se pide calcular la velocidada de transferencia de calor de éste con su entorno, en kW. 4.9.- La entrada a una turbina de una central hidroeléctrica se encuentra a 100 m de altura sobre la salida. Los conductos de entrada y salida tienen 1 m de diámetro y se sabe que el agua entra con una velocidad de 3 m/s a una temperatura de 20 ºC. Si la presión y temperatura del agua no varían apreciablemente al atravesar la turbina y además la operación de esta se puede asumir adiabática, ¿qué potencia desarrolla la turbina en estado estacionario? 4.10.- Una cámara flash opera en una situación estacionaria recibiendo un flujo bifásico de R22 a 584 kPa y con un título de vapor del 22 % (corriente 1) que se mezcla en la cámara con un flujo de vapor sobrecalentado a la misma presión y 20 ºC de temperatura (corriente 2). Los flujos salientes que abandonan la cámara flash (corrientes 3 y 4) consisten en vapor y líquido saturado a 584 kPa respectivamente. Considerando despreciable el intercambio de calor entre la cámara y su entorno, calcule el flujo másico de vapor saturado saliente.

Fuente: Moran & Shapiro. ‘Fundamentos de Termodinámica Técnica’