Clase de Ejercicios: Balance de Energía y Mecanismos de T.de C 1. Considere una lámpara incandescente de 150 W. El filamento de la lámpara tiene 5 cm de largo y el diámetro es de 0,5 mm. El diámetro del bulbo de vidrio de la lámpara es de 8 cm. Determine el flujo de calor, en W/m 2, (a) sobre la superficie del filamento, (b) sobre la superficie del bulbo de vidrio, y (c) calcule cuánto costará por año mantener esa lámpara encendida durante 8 horas al día, todos los días, si el costo unitario de la electricidad es de 0,08 dólar/kWh. 2. Se va a acondicionar el aire de un salón de clases que normalmente contiene 50 personas, con unidades de enfriamiento de 5 kW. Se supone que una persona en reposo disipa calor a una velocidad de 360 kJ/h. Se tienen 10 focos eléctricos en el cuarto, cada uno con capacidad nominal de 100 W. Se estima que la razón de transferencia de calor hacia el salón a través de las paredes y las ventanas es de 12000 kJ/h. Si el aire del cuarto se debe mantener a una temperatura constante de 21°C, determine el número de unidades como la mencionada que se requieren. 3. El vapor sobrecalentado a 40 bar absoluto y 500°C fluye a razón de 250 kg/min hacia una turbina adiabática, donde se expande a 5 bar. La turbina desarrolla 1500 kW. Desde la turbina el vapor fluye a un calentador, donde se recalienta a presión constante hasta su temperatura inicial. Despreciando los cambios de energía cinética (a) Haga un balance de energía para la turbina y utilícelo para determinar la temperatura de la corriente de salida. (b) Escriba un balance de energía para el calentador y úselo para determinar la alimentación necesaria en kW al vapor. (c) Verifique que el balance total de energía del proceso de dos unidades se satisfaga. 4. El siguiente diagrama muestra una versión simplificada del funcionamiento de un refrigerador. Un recipiente de líquido (1), contiene un refrigerante líquido (cualquiera de los diversos hidrocarburos halogenados, como CCl2F2) a altas temperaturas y presión. El líquido pasa a través de una válvula de expansión (2), donde su presión cae en forma instantánea, enfriándose hasta su punto de ebullición a esta presión y se evapora en parte. La mezcla líquido-vapor pasa por un serpentín evaporador (3). El aire que procede del área de almacenamiento de comida circula sobre el serpentín, y el calor absorbido por el refrigerante evaporado en el serpentín ocasiona que dicho aire se enfríe. El vapor refrigerante frío que sale del serpentín pasa a un compresor (4), donde se lleva de nuevo alta presión y durante el proceso su temperatura aumenta. El vapor caliente pasa por un condensador (5), donde se enfría y condensa a presión constante. El aire que absorbe el calor que desprende el fluido que condensa se descarga fuera del refrigerador, y el refrigerante licuado regresa al recipiente del líquido. Suponga que el refrigerante R-12 experimenta este ciclo a una velocidad de circulación de 40 lbm/min, y las temperaturas y presión en los diferentes puntos del ciclo son los que se muestran en el diagrama del flujo. A continuación se dan los datos termodinámicos para el refrigerante R-12. Fluido saturado T = 5°F Hliq = 9,6 BTU/lbm Hvap = 77,8 BTU/lbm T = 86°F Hliq = 27,8 BTU/lbm Hvap = 85,8 BTU/lbm Vapor sobrecalentado T = 114°F P = 93,3 psig Hvap = 90 BTU/lbm (a) Suponga que la válvula de expansión es adiabática y ΔEc es despreciable. Aplique un balance de energía en torno a la válvula para calcular la fracción de refrigerante que se evapora en esta etapa del proceso. (b) Calcule la velocidad en BTU/min a la cual se transfiere calor al refrigerante que se evapora en el serpentín (enfriamiento útil realizado). (c) Si las pérdidas caloríficas en el condensador son 2500 BTU/min ¿cuántos caballos de fuerza debe suministrar el compresor al sistema (balance de energía total) 5. Dos corrientes de agua se mezclan para formar la alimentación de una caldera. Los datos de proceso son los siguientes: Corriente de alimentación 1 120 kg/min a 30°C Corriente de alimentación 2 175 kg/min a 65°C Presión de la caldera 17 bar (absolutas) El vapor de salida emerge de la caldera a través de una tubería de 6 cm de DI. Calcule la alimentación requerida de calor en la caldera en kJ/min si el vapor que sale está saturado a la presión de esta última. Ignore las energías cinéticas de las corrientes de entrada del líquido. 6. Una corriente de líquido que contiene 60% por peso de etano y 40% de n- butano se calentará de 150 K a 200 K a una presión de 5 bar. Calcule la entrada de calor necesaria por kilogramo de la mezcla, despreciando los posibles cambios de energía cinética y potencial, utilizando los datos de entalpía entregados para C2H6 y C4H10 y suponiendo que las entalpías de los componentes de la mezcla son las mismas que las de los componentes puros. Entalpía etano H = 434,5 kJ/kg a 200 K y 5 bar H = 314,3 kJ/kg a 150 K y 5 bar Entalpía n-butano H = 130,2 kJ/kg a 200 K y 5 bar H = 30 kJ/kg a 150 K y 5 bar 7. Se descarga vapor saturado a 1 atm desde una turbina a velocidad de 1150 kg/h. Se requiere vapor sobrecalentado a 300°C y 1 atm como alimentación para un intercambiador de calor; para producirlo, la corriente de descarga de la turbina se mezcla con el vapor sobrecalentado disponible de una segunda fuente a 400°C y 1 atm. La unidad de mezclado opera en forma adiabática. Calcule la cantidad de vapor sobrecalentado a 300°C producido y la velocidad necesaria de flujo volumétrico de la corriente a 400°C. 8. Una manera de medir la conductividad térmica de un material es colocar como en un emparedado un calentador eléctrico de lámina térmica entre dos muestras rectangulares idénticas de ese material y aislar profusamente los cuatro bordes exteriores, como se muestra en la figura. Los termopares sujetos a las superficies interiores y exteriores de las muestras registran las temperaturas. Durante un experimento se usan dos muestras de 0,5 cm de espesor con un tamaño de 10 cm x 10 cm. Cuando se alcanza la operación de estado estacionario, se observa que el calentador consume 25 W de potencia eléctrica y se observa que la temperatura de cada una de las muestras cae de 82°C en la superficie interior a 74°C en el exterior. Determine la conductividad térmica del material a la temperatura promedio. 9. En las centrales eléctricas son muy comunes las tuberías que transportan vapor sobrecalentado. Este vapor fluye a una razón de 0,3 kg/s dentro de una tubería con diámetro de 5 cm y longitud de 10 m. La tubería está colocada en una central eléctrica a 20°C y tiene una temperatura superficial uniforme de 100°C. Si el descenso de temperatura entre la entrada y salida de la tubería es de 30°C, y el calor específico del vapor es de 2190 J/kgK, determine el coeficiente de transferencia de calor por convección entre la superficie de la tubería y los alrededores. 10. Considere la transferencia de calor en estado estacionario entre dos placas paralelas a las temperaturas constantes de T1 = 290 K y T2 = 150 K y con una separación de 2 cm. Suponiendo que las superficies son negras (emisividad ɛ = 1), determine la razón de la transferencia de calor entre las placas por unidad de área superficial, suponiendo que el espacio entre las placas está (a) lleno con aire atmosférico (k=0,0219 W/m°C), (b) al vacío, (c) lleno con aislamiento de fibra de vidrio (k=0,043 W/m°C) y (d) lleno con superaislamiento que tiene una conductividad térmica aparente de 0,00015 W/m°C. 11. En el verano, las superficies interna y externa de una pared de 25 cm de espesor se encuentran a 27°C y 44°C, respectivamente. La superficie exterior intercambia calor por radiación con las superficies que la rodean a 40°C, y por convección con el aire del ambiente, también a 40°C, con un coeficiente de transferencia de 8 W/m2°C. La radiación solar incide sobre la superficie a razón de 150 W/m2. Si tanto la emisividad como la capacidad de absorción de la superficie exterior son de 0,8; determine la conductividad térmica efectiva de la pared.
Report "Guía 1. Balance de Energía y Mecanismos"