INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA (76.46) Introduccion a la Ing Quimica/guia... · La...

UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES

FACULTAD DE INGENIERÍA

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA (76.46)

Guía de trabajos prácticos

2007

Integrantes de la Cátedra: Profesor adjunto: Ing. Edgardo Oscar ALMA J.T.P.: Ing. Héctor E. SCALFI

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA (76.46) / 2007

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Serie 1. UNIDADES 1.- Usando factores adecuados, convertir: a) Presión: 1 atm a [dina/cm2]; [lbf /in

2]; [inHg]; [mca]; [MPa]; [bar]. b) Viscosidad: 1 poise (g/cm.s) a {lbf.s/ft

2}; [lbm/ft.s]; [gf.s/cm2]

c) Energía: 106 Joule a [HP.h] ; [kcal] ; [Btu] ; [kgf.m]; [lbf.ft] d) Calor específico: 1 kcal/kgºC a [BTU/lbºF] 2. Exprese la constante R de los gases en: [atm/gmol.K] ; [cal/gmol.K] ; [Btu/lbmol.°R]; y en unidades del S.I. 3. La ecuación de capacidad calorífica cp para el CO2 es función de la temperatura TK es como sigue: cp = 6,339 + 10,14 *10

-3 TK – 3,415 * 10 -6 TK

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Donde cp es la capacidad calorífica expresada en cal/mol.K y TK en kelvin. Se desea transformar la ecuación en una nueva forma cp´= f (TF) en la cual cp’ es la capacidad calorífica expresada en Btu/lb.ºF y TF es la temperatura en grados Farenheit. 4. La ecuación del tiempo de residencia en un secadero a contracorriente está dada por:

5.0

5.0

*1.3

*35.0 p

f

v DG

GL

NS

D +=Θ

Donde: θ : tiempo de residencia en minutos L : longitud del secadero en ft S: inclinación del secadero en ft/ft N: velocidad de rotación en rpm D: diámetro del secadero en ft Dp: diámetro de la partícula en µ Gv: alimentación del gas en lb/h.ft2 Gf: alimentación del producto en kg/h.m2

Encontrar una nueva correlación donde las variables estén expresadas en el S.I.


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5. La caída de presión de un fluido en un conducto circular está dada por:

+=∆ i

2

KD

Lf4*

2

v*ρp

Calcule ∆p en: a) atm; b) mca, sabiendo que: f: factor de fricción 0,01 (adimensional) ρ: densidad 1 g/cm3

v: velocidad media 1 m/s L: longitud de tramos rectos 40 m D: diámetro del conducto 2 in Ki: coeficiente de accesorios y válvulas 40 (adimensional) 6- Si la presión barométrica es de 1020 mbar (102,0 kPa), convierta: a) Una presión absoluta de 1,7 bar en una lectura manométrica en bares. b) Una lectura de 600 mbar de vacío a un valor absoluto en kPa. c) Una presión absoluta de 0,6 bar a milibares de vacío. d) Una presión manométrica de 2,2 bar a una presión absoluta en kPa. 7- ¿Es la diferencia de temperatura unitaria ∆ºC un intervalo mayor que ∆ºF? ¿Es 10 ºC más alto que 10 ºF? 8 – Un montañista lleva consigo un barómetro, midiendo una presión de 950 mbar en la base de la montaña. En el curso de su ascenso efectúa tres mediciones adicionales, que corresponden a:

a) 904 mbar b) 864 mbar c) 785 mbar

Estime la distancia vertical en metros que ha ascendido a partir de la base, suponiendo una densidad promedio de 1,2 kg/m3 para el aire. No debe considerarse el efecto de la altura sobre la aceleración de la gravedad. Repita el problema modificando el enunciado, expresando las variables planteadas en unidades del sistema USCS.


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Serie 2. BALANCE DE MATERIA 1.- En el diagrama se muestra una columna de destilación típica junto con la información conocida para cada corriente. Calcule las relaciones caudal de destilado/caudal de alimentación y caudal de destilado/caudal de residuo, siendo: D (destilado), F (alimentación) y W (residuo) F 35% etanol 65% agua D 85% etanol 15% agua W 5% etanol 95% agua 2.- Si se licua aire y se destila a bajas temperaturas, se obtiene oxígeno puro. En la figura se ven las dos columnas de destilación utilizadas, así como las composiciones de las corrientes que se dan en moles por ciento. Calcule: a) El porcentaje de oxígeno de la alimentación (F) que se recupera en la corriente (O). b) Los kgmol/h de (A) si la corriente (O) es de 100 kgmol/h. N 99% N2

1% O2 B 99% N2

1% O2 O 0,5% N2

99,5% O2 F 79% N2

21% O2 A 60% N2

40% O2


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3.- Se hace pasar por un secadero una pulpa de papel húmeda que tiene un 71 % de agua. Después del secado, se determinó que se había eliminado el 60 % del agua original. Calcule: a) La composición de la pulpa seca (después del secado). b) La masa del agua eliminada por kilogramo de pulpa húmeda. 4.- Un tanque de 5000 kg de capacidad contiene inicialmente 2000 kg de agua. Se agrega una solución de alcohol etílico y agua al 50 % a una velocidad de 500 kg/h. La solución se retira a una velocidad de 250 kg/h. ¿Cuál es la composición del líquido en el tanque cuando se llena? 5.- Un tanque contiene una solución salina al 5 %. Se debe elevar su concentración y para ello se agrega una solución al 10 % a una velocidad de 19 kg/h. Si la solución se extrae a una velocidad de 6 kg/h y en el tanque había inicialmente 200 kg, calcule la composición de salida luego de 3 horas. 6.- Se desea purgar el oxígeno contenido en un tanque de 1 m3 de capacidad. El tanque contiene aire bajo una presión de 1 atm y 20 ºC. Para lograr el objetivo puede procederse de dos formas:

a)Se inyecta nitrógeno puro a razón de 10 m3/h a 20 ºC. Se supone que la mezcla de ambos gases es prácticamente instantánea. Esta mezcla se drena en forma continua de manera que la presión se mantenga constante en 1 atm. ¿Cuál será la concentración de oxígeno al cabo de una hora?

b)Se hace vacío en el sistema hasta 50 mmHg. Luego, se inyecta nitrógeno hasta 1 ata.

Se repite el procedimiento en dos oportunidades más.

c)¿Cuál será la concentración de oxígeno en el tanque luego del tercer vaciado? Compare ambos métodos.


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Serie 3. ESTEQUIOMETRÍA 1.- Dado el siguiente conjunto de sustancias, encontrar una matriz estequiométrica expresando el conjunto de reacciones linealmente independientes que ello propone: C, H2O, H2, CO2, CH4, C2H6, C2H4, O2, C6H6

2.- Ídem para: Ag+1, Ag, Cl2 , Cl

-1, AgCl 3.- Para el sistema formado por: NO2, NO, N2, H2, NH3, H2O, O2

del que se conoce la composición inicial: N0

T: { 0 , 0 , 2 , 7 , 0 , 0 , 3 }

a) Completar el vector de composición N sabiendo que: NT={N1; 0,5; N3; N4; 1; 0,5; 1} b) Calcular el vector de fracciones molares. c) Calcular el vector de fracciones másicas.

4.- Para el conjunto de sustancias C3H8, C4H10, N2, O2, CO2, H2O, H2:

a) Calcular una de las matrices de coeficientes estequiométricos, suponiendo αj igual a la identidad y manteniendo el orden de las sustancias, plantear la matriz F. b) Si además se sabe que el vector de composiciones iniciales es:

N0T = {0,5 ; 2 ; 12 ; 3 ; 0 ; 0 ; 0 ; 0 }

calcular el vector grado de avance para el vector hallado en a), cuando el vector de composiciones es : NT = { N1 ; N2 ; N3 ; N4 ; 0,9 ; 1,5 ; 1,15 ; 1,45 } y luego completar el vector de composiciones N. a) ¿Qué hubiese ocurrido si αj es distinta a la identidad? b) Completar el vector N aplicando balances atómicos.


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5.- Se hace reaccionar una mezcla que contiene 68,4 % H2, 22,6 % N2 y un 9 % CO2 hasta que se forma un 15 % NH3 y 5 % H2O (porcentajes en volumen) Determine las fracciones molares de los otros componentes si las reacciones son: 3 H2 + N2 � 2 NH3 H2 + CO2 � CO + H2O 6.- El metanol se produce por la reacción del monóxido de carbono con hidrógeno: CO + 2 H2 � CH3OH Debido a que sólo el 15 % del CO que entra al reactor se convierte en metanol, es necesario un reciclo de los gases no convertidos, como se indica en la figura. El metanol producido se condensa y separa de los gases que se reciclan. Calcular:

a) El volumen de gas de alimentación para producir 1000 L/h de metanol a 70 ºF. b) El volumen de gas que se recicla para producir la misma cantidad de metanol (% en moles).

M6

66,67 % H2 M2 33,33% CO 66,67 % H2 M1 33,33 % CO M3 M4 0,1 % imp A 100 °F 300 °F 300 atm 300 atm M5

compresor

reactor compresor

separador


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Serie 4. BALANCE DE ENERGÍA 1.- Por una turbina hidráulica circulan 1000 L/h de agua en estado estacionario. Sabiendo que entre succión y descarga hay una diferencia de altura de 2 metros y que sus secciones son iguales, calcular la potencia entregada por la turbina si la presión absoluta en la succión es de 100 atm, y en la descarga de 760 mmHg. 2.- Calcular el caudal de agua a 20 ºC que debe circular por un condensador por el que se quiere condensar (sin subenfriar) benceno que ingresa a 100 ºC y 1 atm, teniendo en cuenta que se desea que la temperatura de salida del agua no sea superior al punto de ebullición del benceno. Expresar el caudal de agua por unidad de masa de benceno condensado. 3.- Una bomba que entrega 10 HP eleva 1000 L/h a un tanque situado a 10 m de altura por encima de la succión. Si se desea mantener las condiciones de succión, la presión, la velocidad de descarga y el caudal bombeado, decir qué potencia deberá tener la bomba si se coloca el tanque a sólo 6 m por encima de la succión. 4.- Diez L/s de benceno (c = 0.40 cal/gºC), son impulsados a través de una instalación como la de la figura, por una bomba de 85% de rendimiento. La sección de la cañería en la succión es de 24 in2 y en la descarga de 10 in2. Las pérdidas de calor por aislamiento insuficiente de la cañería son estimadas en 50 kcal/h, y la temperatura a lo largo de la cañería puede considerarse constante. Se pregunta:

a) ¿Qué potencia deberá entregar la bomba? ¿Qué presión consideraría en el punto de succión de la cañería para dicho cálculo b) ¿Qué error se comete si se desprecian las variaciones de energía cinética y las pérdidas de calor?

6 m 0,5 m 1,5 m


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5.- Se dispone de un recipiente rígido dividido por un pistón móvil no conductor. La parte A contiene 2 mol H2 a 20 ºC, ocupando un volumen de 80 litros. La parte B contiene 3 mol H2 a 20 ºC. Se entrega una cierta cantidad de calor QA y se intercambia QB con B, de modo tal que el gas contenido en B evoluciona isotérmicamente. Los intercambios de calor son lo suficientemente lentos como para poder considerar el proceso reversible. Para el instante en que el volumen B se reduce a la mitad de su volumen inicial se pregunta:

a) ¿Cuánto valen QA y QB? b) ¿Cuánto vale Ta en dicho estado final?

QA QB

6.- Un cilindro provisto de un pistón contiene aire como se indica en la figura. El área transversal es de 4 cm2 y el volumen es de 20 cm3. El aire se encuentra inicialmente a 1 atm y 20 ºC. Al pistón se conecta un resorte, cuya constante de deformación es Kx=100 N/cm, y que inicialmente no presenta deformación. ¿Cuánto calor debe adicionarse al aire para incrementar la presión a 3 atm? El aparato está rodeado de aire atmosférico. 7.- Aire a 10 ºC está contenido en un cilindro que tiene como tapa un pistón móvil que puede desplazarse desde el fondo del recipiente hasta un tope ubicado a 80 cm del fondo. El pistón tiene un área de 320 cm2 y un peso tal que ejerce sobre el gas una presión de 1 atm. Su posición inicial es 40 cm del fondo. Se calienta el aire haciendo circular corriente eléctrica durante 15 minutos por una resistencia que disipa 30 watt. Se pide calcular la temperatura, presión y volumen ocupado por el aire luego de la calefacción. xmáx = 80 cm x1 = 40 cm


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8.- Un tanque adiabático y perfectamente mezclado contiene inicialmente 10 L de agua a 25ºC. Se lo alimenta con 15 L/h de agua a 80ºC y se extraen del mismo 10 L/h. Se pregunta:

a) ¿Qué tiempo se requiere para que la temperatura del tanque sea 70ºC? b) ¿Qué volumen de agua contendrá el tanque en ese instante?

E = 15 L/h; t = 80 °C V0 = 100 L t0 = 25 °C S = 10 L/h; t 9.- Se desea dispersar un sólido de c = 0,3 cal/g.ºC en un líquido de c = 0,8 cal/g.ºC, y calentar la dispersión resultante. Para ello se alimentan a un tanque 190 kg/min de líquido y 10 kg/min de sólido. Se dispersa el sólido con un agitador que entrega 10 HP, y un serpentín que entrega 100.000 kcal/h calefacciona la suspensión.

a) Si se está operando en régimen estacionario: ¿Cuál será la temperatura de salida si el sólido y el líquido ingresan a 20 ºC?

b) Si se inicia la operación llenando el tanque con 1000 kg de suspensión a 20 ºC, con c=0,775 cal/g.ºC:

¿Cuánto tiempo se requiere para alcanzar la temperatura de régimen? 10.- Se desea llenar una garrafa de 0,5 m3 con aire a presión. Para ello se la conecta a una cañería por la que circula aire a 100 psig, 200 ºF y 10 ft/s. Se abre la válvula hasta que se alcance en la garrafa la presión de suministro. Se sabe que, inicialmente, en la garrafa quedaba aire ejerciendo una presión de 15 psia a 25 ºC. Se pregunta:

a) La temperatura final de la garrafa si el llenado se hace adiabáticamente. b) ¿Qué cantidad de calor debería intercambiarse (y su signo) si se desea que el llenado sea isotérmico a 25 ºC?

Aire

M0


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11.- Un tanque con metano descarga por una cañería a una presión de 1 atm. Inicialmente se registra en el tanque una presión de 200 psia y una temperatura de 30 ºC. Si al vaciarse el tanque queda en el mismo un residuo de gas que ejerce una presión de 14.5 psig y pueden considerarse despreciables las variaciones de energía cinética y potencial, se pregunta:

a) La temperatura final en el tanque si el vaciado se realiza adiabáticamente. b) La cantidad de calor que deberá intercambiarse y su signo para que el vaciado resulte isotérmico.

12.- Por un punto de un sistema de tuberías, pasa una solución con una densidad relativa de 1,5 a través de un tubo de 8 cm de diámetro con una velocidad de 1,2 m/s. En un punto corriente abajo, la elevación del tubo ha aumentado 15,0 m y el diámetro del tubo se ha reducido a 5 cm. La temperatura del fluido se mantiene en valor constante de 30 ºC y ocurre una pérdida de calor de 25 N.m/kg. Determine el cambio de presión en bares. 13.- Un serpentín calefactor entrega 100.000 kcal/h a un tanque de 500 m3 por el que circulan 5000 dm3/h de un líquido de c = 0,55 cal/g.ºC y densidad 0,9 g/cm3, que ingresa a T0= 15 ºC. Una vez alcanzado el estado de régimen se observa que la temperatura de salida es inferior a lo necesario. Como solución se piensa en recircular el 80% del líquido saliente manteniendo constante el caudal F alimentado al tanque y la cantidad de calor entregada. Se pide:

a) Decir si se logra el objetivo deseado y cómo influye la relación de reciclo en la temperatura de salida.

b) Hallar a ley de variación de la temperatura de salida del líquido en función del tiempo, desde el instante en que se inicia la operación con reciclo.

14.- En un tanque se calefacciona una solución de c= 0,95 cal/gmol.ºC, mediante un fluido calefactor de c= 0,55 cal/gmol.ºC, el cual circula por un serpentín, ingresando a 180 ºC y saliendo a 100 ºC. El caudal de entrada de solución al tanque es de 100 gmol/h y el de salida de 80 gmol/h. El contenido inicial del tanque es de 30 gmol y se estima que por ser insuficiente el aislamiento se pierden Qp= 0,1 M.cal/h, siendo M los gmoles de solución en el tanque. Se pide encontrar el gasto molar del fluido calefactor en función del tiempo si se desea mantener una temperatura constante de salida de 80 ºC, una vez alcanzado el estado de régimen. La temperatura de la solución a la entrada es de 20 ºC, y la de la solución inicialmente en el tanque, de 80 ºC. Considerar mezclado perfecto.


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Separador

de

líquido

Serie 5. BALANCE DE MASA Y ENERGÍA COMBINADOS (VAPORES) 1.- Por una válvula reguladora se derrama agua a presión de 120 kg/cm2 y 260,2 ºC hasta la presión de 20 kg/cm2. Después del derrame, el líquido saturado separado del vapor se elimina por drenaje y el vapor saturado seco se expande isoentrópicamente en la turbina hasta la presión de 0,08 kg/cm2. Operando con tablas de vapor o diagramas, calcular el trabajo de circulación de la turbina por cada kg de agua que pasa por la turbina reguladora y hacer el balance térmico del sistema. Lc Turbina 2.- Una planta genera 10.000 kg/h de vapor de 20 kg/cm2

abs, que se degrada para accionar una turbina, como indica la figura. Calcular la potencia de la turbina y la pérdida que produce la irreversibilidad de la estrangulación de la válvula. El rendimiento de la turbina es de 0,8. P1 = 20 kg/cm

2; t1 =350 °C P2 = 5 kg/cm2

Lc Turbina P3 = 0,07 kg/cm

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3.- Un recipiente rígido contiene inicialmente 1 % en volumen de agua saturada, y el resto vapor saturado en equilibrio a presión atmosférica. Calcular la presión final cuando se lo calienta a volumen constante hasta llegar a vapor saturado total. ¿Cuál será la temperatura final si se lo calienta hasta la presión de 50 kg/cm2? Calcular la variación de energía interna del sistema en este último caso.


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4.- Un recipiente rígido contiene agua saturada y vapor saturado seco en equilibrio a presión atmosférica. Calcular la proporción volumétrica inicial de líquido necesario para que al calentarse a volumen constante llegue al estado crítico. Calcular la variación de la energía interna del sistema. 5.- Una turbina consume l0.000 kg/h de vapor, perdiendo calor al exterior por convección y radiación por 1500 kcal/h. Calcular la potencia desarrollada considerando los siguientes datos de operación. (Completar los datos faltantes)

ENTRADA SALIDA Presión 16 kg/cm2 1kg/cm2

Temperatura 360 ºC ------- Título ------ 1

Velocidad 50 m/s 200 m/s Altura 10 m 5 m

Analizar la importancia de cada término en el balance de energía. 6.- Una planta produce vapor sobrecalentado a 25 kg/cm2 y 350 ºC. Se necesitan l000 kg de vapor saturado seco a esa misma presión, para lo cual se emplea un saturador o “desobrecalentador”, que mezcla el vapor sobrecalentado con agua a 26 kg/cm2 y 40 ºC. Calcular la cantidad de agua y vapor necesarios. Agua V2 V1 Desobrecalentador


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7.- Vapor de agua a la presión de 13 kg/cm abs y 300 ºC, circula por una tubería. Conectado a ésta por medio de una válvula se dispone de un tanque de 0,191m3 que contiene vapor de agua húmedo a la presión de 1 kg/cm2 abs y título 0,98. La válvula se abre y se mantiene abierta mientras el tanque se llena con vapor hasta el preciso momento en que se igualan las presiones, luego se cierra.

a) Calcular la cantidad de vapor que entró al tanque y la temperatura final de la mezcla si el proceso se considera adiabático. b) Calcular el calor intercambiado si el proceso se considera isotérmico.

P = 13 kg/cm2; t = 300 °C 8.- Una caldera generadora de vapor de agua de 1000 ft3 de capacidad contiene agua líquida saturada y vapor saturado en equilibrio a l00 psia. Inicialmente el líquido y el vapor ocupan volúmenes iguales. Durante un determinado intervalo de tiempo, se extrae vapor de agua de la caldera y simultáneamente se añaden 31,160.0 lbm de agua líquida a l00 ºF. Durante el proceso la caldera se mantiene a presión constante con adición de calor. Al final del proceso el líquido saturado que queda en la caldera ocupa una cuarta parte del volumen total. ¿Cuánto calor se suministró?

P0 = 1 kg/cm2

x = 0,98


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9. - El diagrama de flujo de la figura corresponde a una planta generadora de vapor. Efectuar los balances de materia y energía y encontrar qué cantidad F debe entrar al desobrecalentador para que la entrada de vapor al desareador tenga una entalpía de 1200 Btu/lb. Datos de la turbina (T1) : Extracción de alta 30 lb/HP.h Extracción de baja 8 lb/HP.h

Entrada agua de alimentación

W = 200.000 lb/h t = 20 °C

Condens.

t = 20 °C

h = hVS

T2

T1

Bomba de

alimentación

G=30000 lb/h

E

F

600 psig; h = 1300 Btu/lb C

A 1500 psig

D

B

Desareador

Desobrecalentador

Al proceso

Z = 160.000 lb/h

A otras plantas

Y = 100.000 lb/h

η=0,75

Lc = 20.000 HP

Qcaldera

15 psig

50 psig


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10.- Por una tubería circula vapor de agua a 13 kg/cm2 abs y 300 ºC. Conectado a ésta por una válvula se dispone de un cilindro con su pistón cargado, que puede desplazarse cuando la presión interior llega a igualar la presión de admisión. El cilindro contiene inicialmente 0,191 m3 de vapor a la presión de 1 kg/cm2 y título 0,98. La válvula se abre lentamente hasta que haya entrado 1 kg de vapor al cilindro y se cierra. Calcular la temperatura final del vapor en el cilindro y su volumen. V0 = 0,191 m

3 P0 = 1 kg/cm

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11.- El diagrama de flujo de la figura corresponde a una planta generadora de vapor. Efectuar los balances de materia y energía, encontrar los valores de las corrientes A, B, C, D, E, y el valor de la temperatura de esta última corriente. Datos :

- Consumo de vapor de T1 : Extracción de alta 30 lb/HP.h - Extracción de baja 8 lb/HP.h

Condens LC condensador . Bomba t = 20 °C Desareador

Bomba de alimentación

T2

T1

G=30,000 lb/h

E

600 psig; h = 1300 Btu/lb C

A 1500 psig

D

B

Al proceso

Z = 160,000 lb/h

A otras plantas

Y = 100,000 lb/h

η=0.75

Lc = 20,000 HP

Qcaldera

15 psig

Entrada agua de alimentación

W = 200,000 lb/h t = 20 °C


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Serie 6. EXERGÍA 1.- Un tanque con aire a 2 bar y 300 K tiene un volumen de 3,0 m3. El aire recibe calor desde un depósito a 1000 K, hasta que la temperatura del aire que se halla en el tanque es de 600 K. La atmósfera circundante se halla a 17 ºC y 1 bar. Determine:

a) el trabajo útil óptimo asociado con el proceso, b) la irreversibilidad del proceso

2.- El cilindro de la figura contiene oxígeno, inicialmente a 3,5 atm, 60 ºC y 0,06 m3. Se hace funcionar el agitador de paletas hasta que el oxígeno alcanza los 125 ºC. Durante este proceso, el calor transferido desde el gas hacia la atmósfera es el 10 % del trabajo de las paletas. Si T0 = 27 ºC y P0 = 1 atm, calcular el rendimiento exergético.

3.- Una turbina adiabática recibe aire a 5 bar, 400 K y 150 m/s. Las condiciones de salida son: 1 bar, 300 K y 70 m/s. (Tamb =290 K) Determinar:

a) La producción real de trabajo. b) El trabajo óptimo factible para los mismos estados extremos. c) La irreversibilidad del proceso real.

Respuesta: a) 109,8 kJ b) 159,4 kJ c) 49,6 kJ


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Serie 7. MEZCLAS HÚMEDAS 1.- El estado de un aire húmedo está dado por los parámetros tbs = 25ºC y φ = 60%. Determine la presión parcial de vapor de agua en el aire. 2.- Una mezcla formada por vapor de acetato de etilo y aire tiene una humedad relativa del 30 % a 30 ºC y está sujeta una presión total de 740 mmHg. Calcular la composición de la mezcla y la humedad molar. Presión del acetato a 30 ºC = 119 mmHg. 3.- Cierto helio contiene 12 % en volumen de acetato de etilo. Calcule el porcentaje de humedad relativa y de saturación de la mezcla a 30 ºC y 740 mmHg. 4.- El estado de un aire húmedo a la temperatura de 20 °C se ha determinado valiéndose de un higrómetro, con el cual se midió un punto de rocío de 10 ºC. Determinar la humedad relativa (φ), la humedad másica (Hm) y la entalpía del aire húmedo. 5.- Determine la densidad del aire húmedo cuyos parámetros son: t = 30 ºC, P = 3 bar y Hm

=0,03 kgagua/kggas. 6.- El porcentaje de saturación del aire, a 86 ºF y presión total de 750 mmHg, es del 20 %, calcular: a) Presión parcial de vapor de agua en el aire. b) Porcentaje de humedad relativa. c) Punto de rocío del aire.

7.- a) Determine la humedad molar del aire a 85 ºF, que tiene un punto de rocío de 65 ºF, si la presión total es de 750 mmHg.

b) ¿Cuál es el punto de rocío si su temperatura es de 95 ºF, en las mismas condiciones?


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8.- En una localidad situada a cierta altura sobre el nivel del mar, la presión atmosférica es de unos 710 mmHg, la temperatura de rocío es de 4 ºC y la temperatura de bulbo húmedo vale 10 ºC. Calcule la temperatura ambiente, el grado de saturación, la presión parcial del vapor de agua y la humedad relativa. 9.- Por una tubería pasa aire cuyos parámetros iniciales son: P1= 6 kgf/cm

2, T1= 55 ºC, Hm= 0,01 kgagua/kggas , y que se enfría continuamente a medida que avanza.

a) Determinar a qué temperatura T2 comenzará a condensar el agua del aire, si al hacer el cálculo se desprecia la disminución de la presión debido a las resistencias hidráulicas.

b) ¿Cuál será la temperatura T2’ de comienzo de condensación del agua si este aire pasa por una válvula de estrangulación, y el manómetro que mide la presión del aire después del estrangulador marca Pmanom = 2 kgf/cm

2’?

10.- Aire con los parámetros tbs1 = 15 ºC, P1= 1 kgf/cm2, Hm1= 10 gagua/kggas, se comprime con

extracción de calor. Los parámetros del aire al final del proceso de compresión son tbs2 = 60 ºC y P2 = 7 kgf/cm

2. Determinar:

a) La humedad relativa al final del proceso. b) La temperatura de rocío del punto 1. c) La temperatura de bulbo húmedo del punto 2.

11.- Aire a 25 °C, 740 mmHg y 55 % de humedad relativa se comprime a 10 atm. a) ¿A qué temperatura debe enfriarse la mezcla gas-vapor si debe condensarse el 90%

del agua? b) Sobre la base de 1 ft3 de aire inicial: ¿Cuál será el volumen de la mezcla gas-vapor si

debe condensarse a 10 atm de presión después de enfriarse a la temperatura final?


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12.- Un secadero rotatorio se alimenta con arena a razón de 3000 kg/h con un porcentaje de agua del 50 %, mientras que el producto que sale del secadero tiene un porcentaje de agua del 3 % (referidas a las humedades del sólido húmedo). El aire entra a 100 ˚C en contracorriente con una humedad de 0,007 kg de agua por kg de aire seco y sale a 40 ˚C. La arena entra a 20 ˚C y sale a 35 ˚C y su calor específico puede considerarse constante e igual a 0,21 kcal/kg.˚C. Si el secadero está perfectamente aislado, determine la cantidad de aire necesario y la humedad del aire a la salida del secadero.

13.- Aire a 30 ˚C y 60 % de humedad relativa, y un caudal de mas= 6 kg/s, circula por un conducto. Por otro conducto circula aire a 6 ˚C y 90 % de humedad relativa, a razón de mas= 3 kg/s. Si ambos fluidos se mezclan, determinar el estado final de la mezcla para la presión de 760 mmHg:

a) Empleando el diagrama psicrométrico. b) Empleando el diagrama de Mollier.

14.- Un edificio requiere la provisión de 856 m³/min de aire acondicionado a 24 ºC de tbs y 40 % de humedad relativa, siguiendo el proceso de enfriamiento con condensación del vapor de agua y suponiendo que el aire sale del enfriador a la temperatura del punto de rocío que corresponde al estado final S, seguido por un calentamiento. El aire atmosférico exterior tiene 30 ºC de tbs y 26 ºC de tbh (72 % de humedad relativa). Calcular:

a) La cantidad de calor que debe extraerse en el enfriador. b) La cantidad de agua condensada. c) La cantidad de calor que debe suministrarse en el calentador.

15.- Un edificio requiere la provisión de 853 m3/min de aire acondicionado a 24 ºC de tbs y 40 % de humedad relativa, de acuerdo con el proceso de calentamiento, saturación y lavado a la tbh de la cámara intermedia, seguido de un segundo calentamiento. El aire atmosférico exterior tiene una tbs de 2 ºC y 50 % de humedad relativa. Calcular:

a) La cantidad de calor que debe suministrar el primer calentador

QA

W0

QB

O | tbs = 30 ºC

| tbh = 26 ºC

tbs = 24 ºC | S

φ = 40 % | .

.


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b) La cantidad de agua que debe incorporarse a la corriente del aire y su temperatura c) La cantidad de calor que debe suministrar el segundo calentador.

16.- Se necesita disponer de aire a 55 ˚C con una temperatura húmeda de 35 ˚C, que preparamos en una instalación de acondicionamiento a partir de aire atmosférico a 20 ˚C con una humedad relativa del 60 %. El proceso completo consta de una precalefacción seguida de una humidificación adiabática hasta que su humedad relativa sea del 90% y su calefacción final hasta las condiciones que nos interesan. Calcular:

a) La temperatura del aire humidificado (a la salida). b) La temperatura de precalefacción.

17.- Un local debe mantenerse a 21,5 ºC de tbs y 50 % humedad relativa (19 ºC de temperatura efectiva) con el aire exterior a –15 ºC y 80 % de humedad relativa. La pérdida de calor a través de las paredes, pisos, ventanas y puertas se ha calculado en 18.500 kcal/h. El calor y la humedad desprendidos por las personas se consideran desestimables. El requerimiento en cuanto a la renovación de aire es 850 m3/h. de aire exterior. El problema debe resolverse precalentando el aire exterior de renovación, mezclarlo adiabáticamente con el aire interior de recirculación, saturar adiabáticamente la mezcla y finalmente calentarla hasta 40 ºC. Suponer presión atmosférica igual a 760 mmHg. Calcular: La cantidad de agua incorporada en la saturación adiabática.

a) La cantidad de calor incorporado en cada etapa de calentamiento.

R T = 21,5 °C

=ϕ 50 %

Q1

Q2

A

T= -18 °C

=ϕ 80 %

S M

B

O


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18.- En un local trabajan de pie y en relativo reposo 50 personas y es necesario mantener el aire ambiente a la temperatura de 24,5 ºC y 50 % de humedad relativa (21,5 °C de temperatura efectiva). El aire exterior tiene una temperatura de 38 ºC y una humedad relativa de 50 %. El calor ganado por las paredes, pisos, techos, ventanas y puertas desde el exterior ha sido calculado en 4000 kcal/h. El calor ganado por artefactos eléctricos es de 3500 kcal/h. El requerimiento

en cuanto a renovación de aire es de 748 m3/h. de aire exterior. El proceso de

acondicionamiento consiste en enfriar por recirculación, el aire interior hasta la temperatura de rocío dada por el enfriamiento y luego retornar el aire al espacio aeroacondicionado mezclado con el aire exterior. El metabolismo de las personas se estima en 110 kcal/h persona, con aporte de 50 g/h de agua por persona. Calcule la temperatura del aire al salir del enfriador, la cantidad de calor y de agua que se debe extraer del mismo.

O. 38°C %50≡ϕ

S R

R 24,5 °C %50≡ϕ


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Serie 9. MÁQUINAS TÉRMICAS 1.- Al inicio de la compresión de un ciclo estándar de aire de Otto la presión y la temperatura son 1 ata y 27 ºC, respectivamente. La relación de compresión es 8 y el calor añadido por cada kg de aire es de 7 kcal. Determinar:

a) El rendimiento del ciclo. b) La temperatura máxima durante el ciclo. c) La presión máxima. d) El trabajo neto del ciclo.

2.- Al inicio de la compresión de un ciclo estándar de aire de Diesel la presión y la temperatura son 1 ata y 27 ºC respectivamente. La relación de compresión es 15 y el calor añadido por cada kg de aire es de 7 kcal. Determinar:

a) El rendimiento del ciclo. b) La temperatura máxima durante el ciclo. c) La presión máxima. d) El trabajo neto del ciclo.

3.- Un ciclo de Stirling ideal con recuperación perfecta opera entre las temperaturas 1500 y 80 ºF. Las presiones máximas y mínimas durante el ciclo son 600 y 15 lbf/in² absolutas respectivamente. La sustancia de trabajo es helio. Suponiendo un comportamiento de gas ideal, determinar:

a) La eficiencia térmica del ciclo. b) El trabajo neto desarrollado durante el ciclo en Btu/lbm. c) Comparar el rendimiento con ciclo de Carnot que opera entre las mismas

temperaturas. 4.- En la instalación del esquema se obtiene en total 2000 HP a partir de una turbina de dos

etapas alimentadas con vapor sobrecalentado de 40 kg/cm2 y 400 ºC, siendo las presiones

absolutas de extracción y condensación de 2 kg/cm2y 2 inHg, respectivamente. La

temperatura del vapor alimentado a la segunda etapa de la turbina es de 310 ºC, siendo el rendimiento isoentrópico de ambas etapas del 70%.


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En la planta se necesitan 7 kg/h de vapor saturado seco a 2 kg/cm2 (corriente Gb) que se

obtiene desobrecalentando vapor de salida de la primera etapa de la turbina y que una vez utilizado en planta se reingresa al circuito en la cámara de mezclado como líquido saturado a ala misma presión. El sobrecalentamiento de esta corriente se lleva a cabo en un intercambiador de superficie en el que se precalienta el condensado. Se pide calcular:

a) El consumo de vapor en cada una de las etapas de la turbina b) La potencia requerida en las bombas. c) El caudal de agua de enfriamiento en el condensador, sabiendo que sus temperaturas

de entrada y salida son respectivamente de 30 y 35 ºC. d) Rendimiento del ciclo. e) Representar el ciclo en los diagramas T-S e i-S.

5.- Una planta de vapor opera según el ciclo de Rankine. La caldera genera vapor sobrecalentando a 600 psi y 460 ˚C, mientras que el condensador opera a 1,5 psi.

Qcald

era

Cámara

de

mezcla

T T

Qcond

N T =2000 HP

A Planta

De Planta

12

1

1

9

8

7

2

1

6 5

4

3

Gvapor

Gc

Gb

Ga

Gb


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La turbina, de 85 % de rendimiento isoentrópico, permite efectuar dos extracciones de vapor a 3 y 2 atm a fin de precalentar con ellas el condensado en calentadores de mezcla antes de realimentarlo a la caldera. Se pide:

a) Hacer un esquema de la instalación y representar el ciclo en los diagramas T- S y de Mollier.

b) Calcular que % de vapor generado por la caldera debe componer cada extracción. c) Calcular el rendimiento del ciclo. d) Para mejorar el rendimiento del ciclo se pensó en:

d1) Aumentar el recalentamiento en 10 ˚C. d2) Aumentar la presión de la caldera a 50 atm, manteniendo el recalentamiento en 460 ˚C. ¿Cuál de las dos alternativas es la mejor? Justificar. 6.- Una planta dispone de una central de vapor como la que se indica en el esquema. La caldera de la misma genera vapor sobrecalentado a 40 atm. y 600 ºC. La turbina T1, de rendimiento 0,75, generará 2000 HP y presenta una extracción de vapor a 5 atm que se utiliza para precalentar la alimentación a la caldera en un precalentador de mezcla. La turbina T2, de rendimiento 0,75, genera 1000 HP. La presión en los condensadores de las dos turbinas es de 0,1 atm. Una corriente de vapor generado en la caldera es utilizada como fluido caliente en un intercambiador de superficie donde entregará 550000 BTU/h saliendo como líquido saturado a la misma presión. Dicha corriente se vaporiza parcialmente al pasar por una válvula que reduce la presión a 0,1 atm y es condensada sin subenfriar en un intercambiador secundario. Se pide:

a) Representar el ciclo en los diagrama T-S y Mollier. b) Calcular cuánto valen todas las corrientes. c) Calcular el rendimiento del ciclo. d) ¿Qué cantidad de calor se puede obtener en el intercambiador secundario y cuál será

la temperatura máxima a la cual podrá calefaccionarse un fluido frío en dicho calefactor?


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Serie10. CICLOS FRIGORÍFICOS 1.- Con una máquina frigorífica se desea extraer 105 kcal/h a –2ºC y 2*105 kcal/h a -10 ºC. Si el fluido circulante es freón 12 y la temperatura del condensador es de 25 ºC, calcular:

a) Las masas G1 y G2 b) La masa GB para que el compresor de alta aspire vapor saturado. c) El coeficiente de efecto frigorífico y el efecto frigorífico. d) Dibujar el ciclo en sendos diagramas T-S y log P- i.


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2.- Una máquina a doble compresión para producir 100000 frig/h, efectúa un ciclo entre 35 ºC y –20 ºC, y el enfriamiento se efectúa hasta 35 ºC, con una temperatura media de 10 ºC. Considerar que el rendimiento isoentrópico de los compresores es η = 0,8. Fluido: NH3. Calcular:

a) Los caudales G1, G2, G3, G4. b) El equivalente térmico de la compresión de baja y de alta. c) El coeficiente de efecto frigorífico y el efecto frigorífico.

G4

G3

S2 S1

G1

V1 V2 G2

3.- Una instalación frigorífica produce 100000 frig/h a -25 °C y 80000 frig/h a 0 °C. La temperatura del condensador es de 30 °C y el fluido intermedio es NH3 (la temperatura del condensador se elige teniendo en cuenta el clima de la zona y el agua disponible para la refrigeración). Calcular:

a) Efecto frigorífico en los evaporadores E1 y E2. b) Caudal de fluido evaporado en E1 y E2. c) Caudal G3. d) Equivalente térmico del trabajo efectuado por los compresores de alta y de baja. e) Calor cedido al condensador. f) Coeficiente de efecto frigorífico. g) Coeficiente de efecto frigorífico del Ciclo de Carnot. h) Dibujar el ciclo en los diagramas T–S, logP-i e i-S.


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4.- Para producir 25000 frig/h a – 50 °C, se adopta un ciclo binario CO2 – NH3. El CO2 trabajará entre -50 ºC y 0 °C y el NH3 entre -5 °C y 35 °C. Calcular:

a) Efecto frigorífico por kg de CO2. b) Equivalente térmico del trabajo del compresor de CO2. c) Calor cedido en el condensador de CO2 d) Efecto frigorífico por kg de NH3. e) Masa de NH3 que circula por cada kg de CO2. f) Coeficiente de efecto frigorífico total. g) Coeficiente para el ciclo inverso de Carnot entre las temperaturas extremas. h) Rendimiento del ciclo binario respecto al de Carnot. i) Calor que cede el NH3 en el condensador.

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