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• Cristian Kano

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TERMODINÁMICA TECNICA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA 1. En un tanque se almacenan 0.60 kg de nitrógeno a 2 bar y 50ºC. Por medio de una válvula convenientemente dispuesta se le une un segundo tanque que tiene 0.50 m3 de volumen y está completamente vacío. Ambos tanques están completamente aislados térmicamente. Si se abre la válvula y se deja alcanzar el equilibrio, determínese la presión final en bar. 2. A altas temperaturas la fosfina (PH3) se disocia en fósforo e hidrógeno mediante la siguiente reacción: 4 PH 3  P4  6 H 2 . A 800 °C la velocidad a la cual se disocia la fosfina es:

dC PH 3 dt

 3,715 x10 6 C PH 3 l , para un tiempo

t en segundos. La reacción se lleva a cabo en un tanque de 2 litros de volumen, y la concentración inicial de fosfina es de 5 kmol/m3. 2.1

Si 3 moles de fosfina reaccionan, cuánto fósforo e hidrógeno se producen.

2.2 Desarrollar expresiones para el número de moles de fosfina, fósforo e hidrógeno presentes en cualquier tiempo, y determine cuanto tiempo tomaría para que reaccionen 3 moles de fosfina.

3. Se diseña un compresor con condiciones de entrada de 2.4 bar y 0ºC para alimentarle refrigerante 12, donde va a utilizarse un gasto en masa de 2.0 kg/min. Si la velocidad de entrada del refrigerante no debe exceder 10 m/s, 3.1

Determínese el diámetro interior en centímetros, más pequeño que debe tener el tubo que puede usarse.

3.2 Si la temperatura de salida es de 50ºC y la presión de descarga de 8.0 bar cuando el tubo de salida es del mismo tamaño que el de entrada, determínese la velocidad de salida en m/s.

3.3 Si las condiciones de salida son las de la parte anterior, calcular la potencia requerida por el compresor. 4. Una turbina a vapor de agua desarrolla 10000 kW de potencia con un flujo de 42000 kg/h. El vapor entra a 40 bar y sale a 0.04 bar con calidad del 92%. Supóngase que las pérdidas de calor y el cambio en la energía cinética son despreciables. Calcúlense: 4.1

La temperatura de entrada en grados Celsius.

4.2

El área de salida en metros cuadrados si la velocidad de salida es de 140 m/s.

5. Se suministran 50 kg/h de vapor saturado a un compresor de vapor de agua a 0,05 bar y descarga a 1,5 bar y 120 ºC. La potencia de demanda que se mide es de 2,5 kW. ¿Cuál es la transferencia de calor del vapor? 6. Se tiene un mezclador operando a presión constante de 0,3 MPa. Se alimenta de dos fuentes diferentes agua. Una corriente es vapor recalentado a 300 ºC y flujo másico de 2500 kg/min y la otra corriente es líquido a la temperatura de 70 ºC y flujo de 1100 kg/min. Si el proceso de mezclado es adiabático, determinar las condiciones de la corriente de salida. 7. Un depósito aislado contiene inicialmente 454 kg de agua y de vapor de agua a 3,52x10 5 (kgf/m2)abs. Un 50% del volumen del depósito es ocupado por líquido y 50% por vapor. Desde el depósito se extraen 22,7 kg de vapor seco en forma tan lenta que la presión y la temperatura se mantengan siempre uniformes en todo el depósito. Analizar la situación cuidadosamente y calcular la presión en el depósito después que han sido extraídos los 22,7 kg. 8. Los siguientes datos se refieren a una planta de vapor simple del tipo que se muestra en el gráfico.

Trujillo, Mayo del 2018

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Flujo de vapor: 90 700 kg/h Potencia de la bomba: 40 Hp Diámetro de las tuberías: Generador de vapor a la turbina: 20 cm Condensador al generador de vapor: 7.5 cm

Generador

w

Turbina

Economizador Agua

Velocidad del vapor al salir de la turbina: 183 m/s

Agua

Q Condensador

Presiones y temperaturas en varios puntos del ciclo: Bomba

Lugar

Presión, bar

Temp., ºC

Entrada a la turbina

55.2

482

Salida de la turbina y entrada al condensador

0.110

Salida del condensador y entrada a la bomba

0.103

Salida de la bomba

62.1

Entrada al economizador

61.4

46.1

Salida del economizador y entrada al generador de 59.3 vapor

177

Salida del generador de vapor

493

57.2

Calidad, %

92 43.3

Calcular: 8.1

La potencia entregada por la turbina.

8.2

La transmisión de calor en el condensador, el economizador y el generador de vapor.

8.3

El diámetro del tubo que conecta la turbina al condensador.

8.4 Los litros por minuto de agua de enfriamiento que pasa por el condensador, si su temperatura aumenta de 20 a 30 grados centígrados en el condensador.

9. Un tanque con un volumen de 5.60 m3 contiene vapor saturado a una presión de 1,5 bar. El tanque está conectado a una línea por la que fluye vapor a 7,0 bar, 350 ºC. El vapor entra al tanque hasta que la presión es de 7,0 bar. Si no hay transmisión de calor del tanque, y la capacidad calorífica del mismo es despreciable, calcular la masa de vapor que entra al tanque. 10. Un dispositivo cilindro pistón sin fricción contiene inicialmente 200 litros de refrigerante 134ª como líquido saturado. El pistón es libre de moverse y su masa es tal que mantiene una presión de 900 kPa sobre el refrigerante. Luego el refrigerante se calienta hasta 70 °C. Calcular el trabajo realizado por el sistema y el calor adicionado. 11. Un tanque rígido de 0,5 m3 contiene inicialmente refrigerante 134ª a 200 kPa y 40 % de calidad. Se transfiere calor al refrigerante hasta que la presión alcanza 800 kPa. Determinar: a. La masa de refrigerante en el tanque. b. La cantidad de calor transferido. 12. Fluye vapor de agua a través de una turbina adiabática. Las condiciones de entrada del vapor son 10 MPa, 450 °C y 80 m/s, y la salida es a 10 kPa, 92 % de calidad y 50 m/s. La tasa de flujo másico del vapor es de 12 kg/s. determinar: a. El cambio en la energía cinética. b. La salida de potencia. c. El área de la entrada de la turbina.

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13. Entra vapor al condensador de una central termoeléctrica a 20 kPa y una calidad del 95 % con una velocidad de flujo másico de 20 000 kg/h. Se va a enfriar con el agua de un rio cercano, que circulará por los tubos dentro del condensador. Para evitar la contaminación térmica, no se permite que el agua del río sufra un aumento de temperatura mayor de 10 °C. Si el vapor va a salir del condensador como líquido saturado, determinar el flujo del agua de enfriamiento requerida. 14. Agua a 50 °F y 50 psia es calentada en una cámara de mezclándola con vapor de agua saturado. Si ambas corrientes entran a la cámara de mezclado con la misma tasa de flujo másico, determinar la temperatura y la calidad de la corriente de salida. 15. Un vapor que fluye en una tubería se estrangula por medio de una válvula parcialmente abierta. Las condiciones iniciales del vapor son 600 psia y 800 ºF. Determine la temperatura final si la presión final del vapor es 100 psia. 16. En un proceso de intercambio de calor agua – agua, el agua caliente es utilizado para calentar una corriente de agua fría. Este proceso consiste de dos intercambiadores de calor. Las condiciones de la corriente conocida del sistema se muestran en la siguiente figura:

Basado sobre la información dada en la figura, determinar la temperatura de la corriente fría de salida y la cantidad de agua caliente que se utiliza. Asuma caída de presión iguales en el fluido caliente (150 psi) y en el fluido frio (25 psi) y que no existe pérdida de calor con el exterior.

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