7/24/2019 Problemas resueltos boletín 4 (Termodinámica técnica)

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 Ingeniería Energética, Transmisión de Calor y Fluidos. Grado en Ingeniería del Diseño y Desarrollo del Producto. Curso 2015/2016. 

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Boletín nº 4.

1.  Considere tres sistemas alternativos para calentar una corriente de aire que fluye por un conducto a la presión

constante de 1 bar desde 17 a 52 ºC:

- Sistema 1: La temperatura del aire se aumenta mediante una resistencia eléctrica inmersa en el conducto por

el que fluye la corriente de aire.

- Sistema 2: La temperatura del aire aumenta a su paso por los tubos interiores de un intercambiador a

contracorriente. Por el conducto exterior circula de agua a una presión de 1 bar que entra en estado de vapor

saturado y sale como líquido saturado.- Sistema 3: La temperatura del aire se aumenta mediante una transferencia de calor desde el exterior siendo

la temperatura de las paredes del conducto 52 ºC.

Considerando que operan en estado estacionario, que el intercambio de calor con el entorno en los sistemas

1 y 2 son despreciables y que las variaciones de la energía cinética y potencial pueden despreciarse, determine

la entropía generada por kilogramo de aire calentado para cada uno de los sistemas de calentamiento descritos.

(R: 0,1145 kJ/(kg·K)); 0,02 kJ/(kg·K); 0,006 88 kJ/(kg·K))

2.  (Mor-6.41) Un flujo de R134a entra en un intercambiador a contracorriente a 20 ºC y con un título del 35

%, abandonando el mismo como vapor saturado a 20 ºC. La otra corriente del intercambiador es un flujo

másico de 4 kg/s de aire a presión atmosférica que se enfría desde 300 K hasta 285 K sin pérdida significativade presión. Calcúlese, para la operación en estado estacionario, la velocidad de generación de entropía en el

interior del intercambiador. (R: 31,89 W/K)

3.  (Mor-6.42) Un flujo de vapor de agua a 0,7 MPa y 355 ºC entra a un calentador abierto de agua de

alimentación que opera en estado estacionario. También entra al intercambiador un flujo de agua a 0,7 MPa

y 35 ºC. En el intercambiador se produce la mezcla de ambas corrientes y sale del mismo un único flujo de

líquido saturado a 0,7 MPa. Determine:

a) 

La relación entre los flujos másicos de las corrientes de entrada. (R: 0,222)

 b)  La generación de entropía por kg de líquido saturado a la salida. (R: 0,2181)

4.  Con el fin de enfriar un flujo de gas argón (   pc  = 5R/2), se hace pasar este por una tobera adiabática, entrando

a la temperatura ambiente de 20ºC y una presión de 4,5 bar, siendo su energía cinética despreciable en ese

 punto de entrada. Si por el otro extremo de la tobera sale el gas a 73ºC y a una presión de 1 bar, calcule, parael estado estacionario:

a) La velocidad de salida. (R: 311,12 m/s)

 b) El rendimiento isoentrópico de la tobera. (R: 70,22%)

c) La entropía específica generada. (R: 0,1143 kJ/(kg·K))

5.  Un flujo de R134a entra a la válvula de estrangulación de un sistema de refrigeración con una presión de 1,2

MPa y sale a 0,24 MPa con un título del 30%. Determine la temperatura del R134a en la entrada de la válvula

y la entropía específica generada en la misma. (R: 38 ºC; 18 J/(kg·K))

6. 

(Mor-6.49) Un sistema que trabaja con gas y que opera en situación estacionaria consiste en un compresor,un intercambiador de calor y una turbina. Un flujo de 5 kg/s de aire entra al compresor a 0,95 bar y 22 ºC, y

sale a 5,7 bar. El aire pasa después al intercambiador de calor, calentándose a presión constante hasta 1100

K. Finalmente, el aire se expande en la turbina hasta la presión atmosférica (0,95 bar). Si el compresor y la

turbina son adiabáticos y pueden despreciarse las

variaciones de energía cinética y potencial en

todos los dispositivos, calcule el trabajo neto

 producido por el sistema en los siguientes casos:

a)  El compresor y la turbina operan sin

irreversibilidades internas. (R: 1283,3 kW)

 b)  El compresor y la turbina tienen rendimientos

isoentrópicos del 82 y 85 %, respectivamente.(R: 725,25 kW)

5 kg/sm

Intercambiador 

Problema 6

7/24/2019 Problemas resueltos boletín 4 (Termodinámica técnica)

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 Dpto. Física Aplicada I. Escuela Politécnica Superior. Universidad de Sevilla. 

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7. 

(Mor-6.47) El sistema de la figura muestra una válvula de estrangulación que opera en paralelo con una

turbina de vapor de agua cuyo rendimiento isoentrópico es del 90%. Las corrientes de salida de ambos

dispositivos se mezclan en un intercambiador abierto. Si el sistema funciona en estado estacionario con los

valores mostrados en la figura, todos los dispositivos están aislados adiabáticamente y podemos suponer que

las variaciones de energía cinética y potencial son

despreciables, determine:

a)  La potencia neta desarrollada por la turbina.

(R:1883,2 kW) b) Los flujos másicos que circulan por la turbina y la

válvula. (R:8,78 kg/s; 2,22 kg/s)

c) La entropía generada por unidad de tiempo en cada

dispositivo. (R:turbina    0,4206 kW/K;

válvula    0,9544

kW/K; 0,0430 kW/K)

8.  (Mor-6.53) En un compresor que opera en estado estacionario, entra aire a 17 ºC y 1 bar y se comprime hasta

5 bar. Considerando que no existen irreversibilidades internas y que las energías cinética y potencial no varían

apreciablemente, calcule el trabajo y el calor por kilogramo de aire comprimido para los siguientes casos:

a)  Compresión isoterma. (R: 134 kJ/kg; 134 kJ/kg)

 b) 

Compresión adiabática. (R:

172 kJ/kg)c)

 

Represente ambos procesos en los diagramas p-v y T - s y relacione las áreas en dichos diagramas con los

calores y trabajos transferidos. Compare los valores obtenidos en ambos casos, así como las temperaturas

finales.

9. 

(Mor-6.55) Compare el trabajo requerido para comprimir agua líquida y vapor de agua ambos saturados a 0,1

MPa hasta 3 MPa. Supóngase que la bomba o el compresor son equipos adiabáticos, que operan sin

irreversibilidades internas y que funcionan en estado estacionario. (R: W agua/W vapor = 0,34%)

Problema 7

1VAPOR 

Turbina

90 %t 

   

3

4

2

1

1

1

11 kg/s

40 bar 

360ºC

m

 p

T 

3   15 bar  p  

4

4

15 bar 

260 ºC

 p

T 

Calentador 

abierto

2   15 bar  p