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• Ronnie Eversley

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CAPÍTULO 5

Balance de energía de flujo estacionario: toberas y difusores 5-25C Un sistema de flujo estacionario ¿puede implicar un trabajo de la frontera?

Sala de fumar 15 fumadores

Ventilador

5-26C Un difusor es un dispositivo adiabático que disminuye la energía cinética del fluido al desacelerarlo. ¿Qué sucede con esa energía cinética perdida? 5-27C La energía cinética de un fluido aumenta a medida que se acelera en una tobera adiabática. ¿De dónde procede esa energía cinética? 5-28C ¿Es deseable transferir calor hacia o desde el fluido, cuando pasa por una tobera? ¿Cómo afectará la transferencia de calor a la velocidad del fluido en la salida de la tobera?

FIGURA P5-16 5-17 El requisito mínimo de aire para una construcción residencial se especifica como 0.35 cambios de aire por hora (ASHRAE, Norma 62, 1989). Es decir, debe sustituirse el 35 por ciento de todo el aire que contenga una residencia, por aire fresco de la intemperie, cada hora. Si el requisito de ventilación para una residencia de 3 m de altura y 200 m2 de área de piso se va a cubrir totalmente con un ventilador, determine su capacidad de flujo, en L/min, que debe tener. También determine el diámetro del ducto, para que la velocidad del aire no sea mayor de 4 m/s.

5-29 A un difusor adiabático entra aire a 80 kPa y 127 °C, al flujo constante de 6 000 kg/h, y sale a 100 kPa. La velocidad de aire baja de 230 a 30 m/s al pasar por el difusor. Calcule a) la temperatura del aire a la salida, y b) el área de salida del difusor. 5-30 A una tobera entra aire constantemente a 300 kPa, 200 °C y 45 m/s, y sale a 100 kPa y 180 m/s. El área de entrada de la tobera es 110 cm2. Determine a) el flujo másico por la tobera, b) la temperatura del aire a la salida y c) el área de salida de la tobera. Respuestas : a) 1.09 kg/s, b) 185 °C, c) 79.9 cm2

Trabajo de flujo y transporte convectivo de energía 5-18C ¿Cuáles son los diferentes mecanismos para transferir energía hacia o desde un volumen de control?

P1 = 300 kPa T1 = 200 °C V1 = 45 m/s A1 = 110 cm2

5-19C ¿Qué es energía de flujo? ¿Poseen energía de flujo los fluidos en reposo? 5-20C ¿Cómo se comparan las energías de un fluido que fluye y un fluido en reposo? Describa las formas específicas de energía asociada en cada caso. 5-21E Una bomba de agua aumenta su presión, de 10 psia a 50 psia. Determine el trabajo de flujo, en Btu/lbm, que requiere la bomba. 5-22 Un compresor de aire maneja 6 L de aire a 120 kPa y 20 °C, y lo entrega a 1 000 kPa y 400 °C. Calcule el trabajo de flujo, en kJ/kg, que requiere el compresor. Respuesta: 109 kJ/kg

5-23E De una olla de presión sale vapor de agua, cuando la presión de operación es 20 psia. Se observa que la cantidad de líquido en la olla bajó 0.6 gal en 45 minutos de haberse establecido condiciones constantes de operación, y el área transversal de la abertura de salida es 0.15 pulg2. Determine a) la tasa de flujo másico del vapor, y su velocidad de salida, b) las energías total y de flujo del vapor, por unidad de masa, y c) la rapidez con la que sale energía de la olla, por medio del vapor. 5-24 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 y d) el error cometido en el inciso c) si se desprecia la energía cinética.

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Aire

P2 = 100 kPa V2 = 180 m/s

FIGURA P5-30

5-31

Regrese al problema 5-30. Use el programa EES (u otro) para investigar el efecto que tiene el área de entrada sobre el flujo másico, la temperatura de salida y el área de salida. Haga variar el área de entrada de 50 cm2 a 150 cm2. Trace la gráfica de los resultados finales en función del área de entrada, y describa los resultados. 5-32E En una turbina de gas, los estatores se diseñan de tal manera que aumentan la energía cinética del gas que pasa por ellos adiabáticamente. El aire entra a un conjunto de esas toberas a 300 psia y 700 °F, a la velocidad de 80 pies/s, y sale a 250 psia y 645 °F. Calcule la velocidad a la salida de las toberas. 5-33 El difusor de un motor de reacción debe bajar la energía cinética del aire que entra al compresor del motor, sin interacciones de calor o trabajo. Calcule la velocidad a la salida de un difusor, cuando entra a él aire a 100 kPa y 20 °C, con una velocidad de 500 m/s, y el estado en la salida es 200 kPa y 90 °C.

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ANÁLISIS DE MASA Y ENERGÍA

5-37 A una tobera adiabática entra dióxido de carbono, de una manera estacionaria, a 1 MPa y 500 °C, a una razón de 6.000 kg/h, y sale a 100 kPa y 450 m/s. El área de entrada a la tobera es 40 cm2. Determine a) la velocidad de entrada y b) la temperatura de salida. Respuestas: a) 60.8 m/s, b) 685.8 K 5-38 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 a) la velocidad del refrigerante a la salida, y b) la relación entre las áreas de entrada y salida, A1/A2. 5-39 A un difusor entra gas de nitrógeno a 60 kPa y 7 °C, en régimen estacionario, con una velocidad de 275 m/s, y sale a 85 kPa y 27 °C. Determine a) la velocidad del nitrógeno a la salida, y b) la relación entre las áreas de entrada y de salida, A1/A2.

FIGURA P5-33

5-34 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 cm2, determine la velocidad y el flujo volumétrico del vapor de agua en la salida de la tobera. Respuestas: 606 m/s, 2.74 m3/s

400°C 800 kPa 10 m/s

Vapor de agua

Regrese al problema 5-39. Use el programa EES (u otro) para investigar el efecto de la velocidad de entrada sobre la velocidad de salida y la relación de áreas de entrada y salida. Haga variar la velocidad de entrada de 210 a 300 m/s. Trace la gráfica de los resultados finales en función de la velocidad de entrada y describa los resultados. 5-40

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300 °C 200 kPa

•

Q

FIGURA P5-34

5-41 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 y b) el flujo másico del refrigerante. Respuestas: a) 60.8 m/s, b) 1.308 kg/s

5-42 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 cm2, 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.

Turbinas y compresores 5-35

A una tobera adiabática entra vapor a 3 MPa y 400 °C, con una velocidad de 40 m/s, y sale a 2.5 MPa y 300 m/s. Determine a) la temperatura de salida y b) la relación del área de entrada a la de salida, A1/A2. 5-36E A un difusor adiabático entra aire a 13 psia y 50 °F, con una velocidad constante de 600 pies/s, y sale con una baja velocidad, a una presión de 14.5 psia. El área de salida del difusor es 4 veces el área de entrada. Determine a) la temperatura del aire a la salida, y b) su velocidad a la salida.

P1 = 13 psia T1 = 50 °F V1 = 600 pies/s

Aire

FIGURA P5-36E

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P2 = 14.5 psia V2