Problemario

EJERCICIOS DE BALANCE DE ENERGIA (Resuelva 10 problemas en equipo)

P1. La superficie libre del agua en un pozo está a 20 m abajo del nivel del suelo. El agua se va a bombear de forma permanente hasta una altura sobre el nivel del suelo de 30 m. Desprecie cualquier transferencia de calor, cambios en la energía cinética y efectos friccionantes. Determine la entrada de potencia a la bomba requerida para un flujo permanente de agua a una relación de 1.5 m3/min. Resp. 12.3 kW

P2. Un generador de vapor recibe agua a 12.5 MPa y 30 °C (entalpia = 125.79 kJ/kg-K) y produce 100 kg/s de vapor a 12.5 MPa y 720 °C (entalpía = 3455.68 kJ7kg-K). Calcule la razón de calor agregado

P3. Vapor a 5 MPa y 500 ºC (entalpía = 3433.8 kJ/kg-K) entra en forma permanente a una tobera con una velocidad de 80 m/s y sale a 2 MPa y 400 ºC (entalpía = 3247.6 kJ/kg-K). El área de entrada a la tobera es de 50 cm² y se pierde calor a una relación de 90 kJ/s. Determine a) la relación de flujo de masa del vapor b) la velocidad de salida del vapor y c) el área de salida de la tobera. Resp. a) 5.83 kg/s, b) 589.83 m/s y c) 1.5x10-3 m2.

P4. Un sistema de aire condicionado requiere que el flujo de aire en el conducto principal sea de una tasa de 180 m³/min. La velocidad promedio del aire en el conducto circular no debe de exceder de los 10 m/s a fin de evitar una vibración excesiva y caídas de presión. Suponiendo que el ventilador convierte 70% de la energía eléctrica en energía cinética del aire, determine el tamaño del motor eléctrico necesario para hacer funcionar el ventilador y el diámetro del conducto principal. Tome la densidad del aire como 1.20 kg/m³. Resp. 0.257 kW y 61.8 cm.

P5. En un compresor se comprime refrigerante 134a desde el estado de vapor saturado a 0.12 MPa (entalpía = 21.32 kJ/kg-K) a 1.2 MPa y 70 °C (entalpía = 298.96 kJ/kg-K) a una razón de 0.108 kg/s. El refrigerante se enfría a una razón de 1.3 kJ/s durante la compresión. Determine la potencia de entrada al compresor

P6. Un ingeniero está considerando desarrollar una pequeña turbina de viento (D = 1.0 m) para aplicaciones caseras. La velocidad del viento para el diseño es de 15 mph a T = 50 ºF y presión de 0.9 bar. La eficiencia de la turbina es del 20%. Determine la potencia en watts que puede producir la turbina.

P7. Se utiliza un compresor para suministrar aire a alta presión para un túnel de viento supersónico. La entalpía del aire es de 300 kJ/kg-K a la entrada y 500 kJ/kg-K a la salida del compresor. La velocidad de salida es de 200 m/s y la velocidad de entrada es insignificante. El flujo másico por el compresor es de 1.5 kg/s. El sistema es adiabático. Determine la potencia necesaria para operar el compresor

P8. Una caldera (generador de vapor) produce vapor a razón de 12 kg/s a presión constante de 10 MPa, la entrada de agua a la caldera es como líquido subenfriado a una temperatura de 40 °C (entalpía = 176.38 kJ/kg-K) y sale a una temperatura de 450 °C (entalpía = 3240.9 kJ/kg-K) como vapor sobrecalentado. La caldera consume carbón a una relación de 6 ton/h, el poder calorífico de carbón es de 30 MJ/kg. Determine la eficiencia térmica de la caldera.

P9. Se quiere bombear agua del subsuelo mediante una bomba sumergible de 3 kW y con 70% de eficiencia hasta un estanque cuya superficie libre está 30 m arriba del nivel del agua. El diámetro del tubo es de 7 cm en el lado de admisión y de 5 cm en el de la descarga. Determine el caudal máximo del agua y la diferencia de presión de uno a otro lado de la bomba

P10. Debe enfriarse un ventilador para enfriar una computadora cuyas dimensiones son 12 cm x 40 cm x 40 cm. Se espera que la mitad del volumen de la computadora este lleno con componentes y la que otra mitad sea espacio de aire. Se cuenta con un agujero de 5 cm de diámetro en la parte posterior de la computadora para la instalación del ventilador que debe reemplazar al aire en los espacios vacíos una vez cada segundo. En el mercado se encuentran unidades combinadas ventilador-motor de baja potencia y se estima que su eficiencia es del 30%. Determine la potencia de la unidad ventilador que debe comprarse.

P11. Se bombea agua desde un depósito inferior hacia otro más alto mediante una bomba que suministra 20 kW de potencia mecánica útil al agua. La superficie libre del depósito superior está más arriba que la superficie inferior. Si se mide que el caudal del agua es de 0.03 m3/s. determine la potencia mecánica pérdida en el transcurso de este proceso y la eficiencia del sistema

P12. Una turbina hidráulica tiene 85 m de carga disponible con un caudal de 0.25 m3/s y la eficiencia total de turbogenerador es del 78%. Determine la potencia eléctrica de está turbina.

P13. Un motor de 75 hp que tiene una eficiencia de 88% se estropea y es reemplazado por un motor de gran eficiencia que tiene una eficiencia del 95.4%. El motor opera 4 368 horas al año a un factor de carga de 0.75. Considerando que el costo de la electricidad es de $0.08/kWh, determine la cantidad de energía anual y el dinero ahorrado anual como resultado de instalar el motor de gran eficiencia en lugar del motor estándar. Además, determine el periodo simple de pago si los precios de compra de los motores estándar y de gran eficiencia son $5 499 y $5 820, respectivamente.

P14. Una central termoeléctrica genera una potencia nominal de 150 MWe (Megawatts eléctricos). Usa carbón como combustible (poder calorífico de 32.8 MJ/kg). Su rendimiento global es del orden del 32% (energía térmica contenida en el carbón a energía eléctrica). Además se sabe que en promedio la planta trabaja a un 65% de su capacidad nominal. Calcular:

a) El consumo mensual promedio de carbón de la planta (Toneladas/mes). También la cantidad promedio de kWh eléctricos

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