Solemne 2 - Pauta

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    04-Sep-2015

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examen procesos industriales udp

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  • Universidad Diego Portales Facultad de Ingeniera CII-2252 Procesos industriales 1er Semestre 2015

    Santiago, 9 de Julio de 2015 Examen - Pauta

    La prueba tiene una duracin de 120 minutos. Debe utilizar slo l formulario suministrado como anexo a este enunciado. Cada pregunta deber ser respondida en hojas separadas y ser evaluada con nota entre 1 y 7.

    La nota de la pregunta 1, podr remplazar la nota de la solemne N1, en el caso de ser superior a la nota obtenida en dicha evaluacin.

    El promedio entre las preguntas 2 y 3 representa la nota asignada a la solemne N2

    Finalmente, la nota final del examen ser determinada por el promedio de las cuatro preguntas. Problema 1 Un pequeo reactor nuclear se enfra haciendo pasar sodio lquido a travs de l. El sodio lquido sale del reactor a 2

    bar y 400C. Se enfra a 320C durante su paso por un intercambiador de calor, antes de regresar al reactor. En el

    intercambiador de calor, se transfiere energa trmica del sodio lquido al agua, la cual entra al intercambiador de calor

    a 10MPa y 50C y sale a la misma presin, pero en estado de vapor saturado. El flujo msico de sodio es de 10000kg/h

    y su calor especfico tiene un valor constante igual a 1,25 J/(g C). Determine el flujo msico del agua que se evapora

    en el intercambiado de calor, en kg/h y la tasa de transferencia de calor entre los fluidos en kJ/h

    Solucin

    Sistema: Intercambiador de calor con sodio y agua donde los estados de entrada y salida de cada fluido son

    conocidos. Tambin es conocido el flujo msico de sodio

    Supuestos: Se desprecian los cambios en las energas cinticas y potencial, as como la prdida de calor hacia el

    exterior.

    Balance de energa

    2(2, 2,) = (, ,)

    2(2, 2,) = (, ,)

    Propiedades termodinmicas

    Sodio

    = 10000

    , = 400

    = 1,25

    ( ) , = 320

    Agua @10MPa

    Entrada: T= 50C 2, = 217,96 / (Tabla de lquido comprimido)

    Salida: x = 1 2, = 2725,5 / (Tabla de saturacin)

    2(2725,5 217,96) = 10000 1,25 (400 320)

    2 =10000 1,25 (400 320)

    (2725,5 217,96)= 398,8 /

    La tasa de transferencia de calor est dada por

    (, ,) = 10000 1,25 (400 320) = 106/

  • Problema 2

    En el nuevo campus de Huechuraba de la UDP se propone construir una piscina olmpica y una cancha de patinaje

    sobre hielo. Para mantener el hielo congelado a -15C es necesario una capacidad de refrigeracin promedio de

    106kJ/hr. Por otro lado el agua de la piscina olmpica necesita ser calentada para mantener la temperatura en un nivel

    confortable de 27C. Con el objetivo de reducir el consumo energtico asociado a estas instalaciones deportivas usted

    recomienda la utilizacin de una bomba de calor. Este dispositivo operara usando la piscina como reservorio de alta

    temperatura y la pista de hielo como reservorio de baja temperatura.

    a) Cul es la mnima potencia (en kW) que la bomba de calor requerir para operar?

    b) Si una bomba de calor real opera con un coeficiente de operacin igual al 70% del coeficiente de un refrigerador

    de Carnot, determine la tasa de calor suministrada a la piscina (en kW)

    Solucin

    Datos

    TH = 273 + 27 = 300 K

    TL = 273 - 15 = 258 K

    QL = 106 kJ/hr =277,78 kW

    a) Mnima potencia Refrigerador de Carnot

    =

    =

    =258

    300 258 = 6,14

    Entonces

    =

    =

    277,78

    6,14 = 45,24

    b) Tasa de calor suministrada por una bomba de calor real

    = 0,7 = 4,3

    Entonces,

    =

    =

    277,78

    4,3 = 64,58

    As, por la primera ley de la termodinmica

    = + = 342,38

  • Problema 3

    Entra vapor de agua a 6 MPa y 500 C a una turbina adiabtica de dos etapas,

    a razn de 15 kg/s. 10% del vapor se extrae al final de la primera etapa a una

    presin de 1,2 MPa para otro uso. El resto del vapor se expande ms en la

    segunda etapa y sale de la turbina a 20 kPa. Determine la produccin de

    potencia de la turbina, suponiendo que la turbina de alta presin es

    reversible, mientras que la de baja presin tiene una eficiencia isentrpica

    de 88%.

    Solucin:

    De tablas.

    =

    11 = (1 3)2 + + 33

    = 11 (1 3)2 33

    = 1(1 2) + 3(2 3)

    = (15

    ) (3423,1 2962,8)

    + (13,5

    ) 0,88 (2962,8 2267,5)

    = 15.165

  • Problema 4 Consideremos un ciclo de Rankine ideal con regeneracin, donde el regenerador es un intercambiador de calor abierto

    (ICA) del agua de alimentacin. El vapor de agua entra en la turbina a 8 MPa, 500C se expande hasta 0.8 MPa, donde

    parte de este vapor es extrado y enviado al ICA que opera a 0.8 MPa . El resto del vapor se expande en la segunda

    etapa de la turbina hasta la presin del condensador de 0.01 MPa. La salida del calentador es liquido saturado a 0.8

    MPa. Todas las turbomquinas son consideradas isentrpicas. Si el flujo msico del agua en la entrada de la turbina de

    alta presin es 133,3kg/s, determine:

    a.) Esquema del ciclo.

    b.) Flujo de masa de vapor que entra en la primera segunda etapa de la turbina.

    c.) Rendimiento trmico.

    d.) Diagrama T-S.

    Solucin:

    Estado 1

    Estado 2

    Estado 3

    Estado 4

    Estado 5

    Estado 6

    Estado 7

  • Balance de masa

    Trabajo en las turbo mquinas

    Resultados

    P[i] h[i] s[i] T[i]

    [kPa] [kJ/kg] [kJ/kg-K] [C]

    10 191,8 0,6493 45,82

    800 192,6 0,6493 45,84

    800 721,2 2,046 170,4

    8000 729,2 2,046 171,4

    8000 3399 6,724 500

    800 2797 6,724 181,9

    10 2130 6,724 45,82

    -2,5 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,50

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    700

    s [kJ/kg-K]

    T [

    C]

    8000 kPa

    800 kPa

    10 kPa

    0,2 0,4 0,6 0,8

    Steam

    12

    34

    5

    6

    7