TERMODINÁMICA Y TRANSMISIÓN DE CALOR …-Para el cálculo de las propiedades termodinámicas, se utilizarán las tablas del libro de Çengel. No serán considerados como válidos

TERMODINÁMICA Y TRANSMISIÓN DE CALOR CURSO 2018-2019GRADO EN MECÁNICA (2º CURSO)

EXAMEN: 2 Edición (14-06-19)Duración: 3 horas

NORMAS Y CRITERIOS DE EVALUACIÓN:

- Este prueba representa el 80% de la calificación final

- No se permite la utilización de dispositivos electrónicos (móviles, tablets, pc, etc) durante el examen, con la única

excepción de una calculadora no programable

- No se permitirá la entrega del examen a lápiz o bolígrafo rojo

- Cualquier resultado (parcial o final) sin unidades se considerará incompleto y, por lo tanto, incorrecto

-Para el cálculo de las propiedades termodinámicas, se utilizarán las tablas del libro de Çengel. No serán considerados

como válidos los cálculos realizados con un diagrama termodinámico o con otro tipo de tablas

- Los cálculos se realizarán redondeando a CUATRO CIFRAS DECIMALES SIGNIFICATIVAS

Valoración de los problemas: P1= 3.5 pts, P2= 4 pts, P3= 2.5 pts

P1) Una turbina adiabática acciona un compresor de acuerdo con la figura.La turbina expande los gases de la combustión con una relación de presiónde 10 y salen al ambiente a la temperatura de 180ºC (T2). El compresorfunciona aspirando aire del ambiente a 1 bar y 20ºC (3) y lo comprime hastala presión de 750 kPa. Si el flujo másico en la turbina es igual al delcompresor, calcular:CASO A) Si el compresor realiza la compresión adiabática con unrendimiento isoentrópico del 87%: a) (1 p) Temperatura de salida del aire en el compresor (T4), en ºC.b) (0,4 p) Temperatura de entrada de los gases de la combustión a la turbina(T1), en ºC.c) (0,3 p) Rendimiento isoentrópico de la turbinad) (0,2 p) Generación de entropía en el proceso de expansión (kJ/K)

CASO B) Si el compresor comprime el aire de manera isoterma y sin rozamientos:e) (1 p) Temperatura de entrada de los gases de la combustión a la turbina (T1), en ºC.f) (0,4 p) Rendimiento isoentrópico de turbinag) (0,2 p) Generación de entropía en el proceso de expansión y compresión (kJ/K)

Nota: Considera que los gases de la combustión que circulan por la turbina y el aire del compresor tienen comportamiento de gasideal y para realizar los cálculos considera que presentan un calor especifico a presión constante de valor 1.465 kJ/kg·K y1.005 kJ/kg·K, respectivamente, y como coeficiente adiabático γ=1.4

P2) Una bomba de calor que usa refrigerante R134a se emplea para calentar una casa cuyo interior debe mantenerse a una temperatura constante de 25⁰C. Este dispositivo aprovecha el agua subterránea como fuente de calor a la temperatura de 10⁰C, operando al 27.5% de su máximo COP entre estas temperaturas. Así. el refrigerante entra al compresor a 280 kPa y con un cierto grado de recalentamiento, saliendo del mismo a 1 MPa y 60⁰C; mientras que sale del condensador con un grado de subenfriamiento de 9.37K. Si el agua del subsuelo entra al evaporador (intercambiador) a razón de 1 l/s y sufre un salto térmico de 5⁰C, se pide:a) (0.25 p) Croquis que represente la instalación, identificando todos los elementos e incluyendo los datos proporcionados en el enunciado en el lugar que corresponda.b) (1.5 p) Tabla con las propiedades termodinámicas (P, T, h, s) de todos los estados del ciclo.c) (0.5 p) Grado de recalentamiento con que entra el refrigerante en el compresord) (0.5 p) Potencia mecánica suministrada al compresor y rendimiento isoentrópico del compresore) (0.5 p)Potencia térmica que se suministra a la casa f) (0.25 p) COP del ciclog) (0.5 p) Representar el ciclo en el diagrama T-s, identificando los procesos

compresorturbina

1

2

3

4



TERMODINÁMICA Y TRANSMISIÓN DE CALOR CURSO 2017-2018GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA (2º CURSO)

EXAMEN: 2 Edición (14-06-18)Duración: 2:30 horas


- No se permite la utilización de dispositivos electrónicos durante el examen, con la única excepción de una calculadora

no programable





- Los cálculos se realizarán en CUATRO CIFRAS DECIMALES SIGNIFICATIVAS

Valoración de los problemas: P1= 4 pts, P2= 3,5 pts, P3= 2,5 pts

P1) En la generación de energía eléctrica de una central térmica convencional se utiliza un ciclo Rankine devapor de agua con una turbina de simple etapa. El vapor entra a la turbina a 20,0 MPa y 900°C,expandiéndose hasta la presión de condensación y saliendo de la turbina a la temperatura de 125ºC. En elproceso de expansión adiabática se genera entropía a una velocidad de 53,54 kW/K. El caudal másico quecircula por el condensador es de 6000 kg/min, evolucionando hasta las condiciones de líquido saturado a lasalida del mismo. La eficiencia isentrópica de la bomba es del 90%.

Dibujar un esquema de los componentes del ciclo (0.25 p) en el que se enumeren los estados de entrada/salidade los dispositivos, comenzando con el estado correspondiente a la entrada de la turbina. Represente el cicloen un diagrama T-s con respecto de la línea de saturación (0,5 p), y determine:

a) Presión (kPa), entalpía (kJ/kg) y temperatura (ºC) de todos los estados que forman el ciclo (salvo latemperatura en la salida de la bomba) (1,5 p)

b) Potencia calorífica transmitida en la caldera y en el condensador (kW) (0.5 p)

c) Eficiencia isoentrópica de la turbina y potencia neta generada en el ciclo (kW) (0.75 p)

d) Eficiencia del ciclo de Rankine (0.5 p)

P2) Un flujo volumétrico de aire de 200 m3/h a 1000ºC y 12 bar se expande en una turbina hasta unas condiciones de 180ºC y 1 bar. La superficie exterior de la turbina puede considerarse como una superficie de

2000 cm2 a una temperatura promedio de 227ºC, sobre la cual actúa una corriente de aire forzado que se mantiene a 25ºC, siendo el coeficiente de convección entre la corriente de aire y la superficie exterior de la

turbina de 25 W/(m2·K). Determine:

a) La potencia generada por la turbina (W) (1,0 p)

b) La variación de entropía (por unidad de masa), (kJ/kg·K), que experimenta el aire durante el proceso deexpansión (0,5 p)

c) La velocidad de generación de entropía en el interior de la turbina (kJ/s·K) (0,5 p)

d) La velocidad a la que varía la entropía del universo como consecuencia del proceso descrito (kJ/s·K) (0,5 p)

e) La eficiencia isoentrópica de la turbina (0,75 p)

En base a los resultados obtenidos, ¿viola este dispositivo la segunda de la termodinámica? Justificaadecuadamente tu respuesta (0,75 p)

Nota: Considere para realizar los cálculos que el calor específico del aire para las condiciones de trabajo es constante yutiliza el valor de 1,112 kJ/kg·K. Además, desprecie los cambios de energía cinética y potencial del aire a su paso por laturbina


EXAMEN: 2 Edición (14-06-18)Duración: 2:30 horas

P3) Una nave industrial dedicada a una industria farmacéutica cuenta con un aljibe (depósito enterrado) deplanta cuadrada de 2 m x 2 m empleado para almacenar agua a 60ºC. Para alcanzar dicha temperatura ymantenerla constante se utiliza una bomba de calor reversible con refrigerante 134a. La altura del aljibe es de1,5 m. El aljibe está construido en acero inoxidable (kacero=15 W/m·K) de 10 mm de espesor. Para minimizar

el flujo de calor a través del techo del aljibe con el aire ambiente se coloca sobre el acero inoxidable una capade aislamiento (k

ais=0,12 W/m·K), con espesor de aislamiento de 50 mm; una capa de aire que actúa como

barrera de protección anticontaminación (kbp

=0,30 W/m·K), con espesor de 20 mm; y finalmente, una capa de

protección al exterior de metal (acero al carbono) (kacar

=0,84 W/mK) con un espesor de 8 mm.

Considere el resto de superficies del aljibe (paredes y piso) perfectamente aisladas, siendo la parte exterior dela capa de protección de acero al carbono la única expuesta al aire ambiente.Para facilitar los cálculos suponga el aljibe completamente lleno de agua (agua en contacto con la superficieinterior del acero inoxidable), pudiendo considerar que el agua y la cara interior del depósito se mantienen a60ºC.

Determine, para un día de invierno con una temperatura ambiente de -5°C, de presión ambiente 99,8 kPa yvelocidad del aire atmosférico de 5 km/h, y adicionalmente para un coeficiente de transmisión de calor por

convección exterior de hext

=10 W/m2·K, y despreciando cualquier transmisión de calor por radiación:

a) Tasa de transmisión de calor cedido al ambiente a través del techo del aljibe (W) (0,5 p).

b) Temperaturas de la pared externa de la capa de protección exterior de metal (ºC) (0,5 p)

c) Temperatura de la superficie externa de la capa de acero inoxidable (ºC) (0,25 p)

d) El coeficiente global U (W/m2·K) de transmisión de calor entre la cara interna y la cara externa del techodel aljibe (0,5 p)

e) Para condiciones estacionarias, determina COP del la bomba de calor y potencia suministrada al compresor(W) (0,75 p)

f) Flujo másico de refrigerante de la bomba de calor (0,25 p)





- No se permite la utilización de dispositivos electrónicos (móviles, tablets, pc, etc) durante el examen, con la única

excepción de una calculadora no programable





- Los cálculos se realizarán redondeando a CUATRO CIFRAS DECIMALES SIGNIFICATIVAS

Valoración de los problemas: P1= 3.5 pts, P2= 4 pts, P3= 2.5 pts

P1) En un dispositivo como el que se muestra en la figura se encuentran 0,8 kg de refrigerante R134a a–20°C. El refrigerante se encuentra cubierto por un pistón adiabático, de peso y espesor despreciables,situado inicialmente a 0,4 m de altura y que puede deslizar sin rozamiento sobre la cara interna del dispositivo.Encima del pistón existe cierta cantidad de una sustancia líquida de densidad desconocida y de aspectoviscoso semejante al mercurio. El dispositivo presenta un aliviadero situado a una altura de 1,2 m. Desde elambiente exterior se aporta calor lentamente al dispositivo, de modo que el pistón empieza a ascender y ellíquido superior empieza a rebosar por el aliviadero. El proceso termina cuando el pistón alcanza la altura delaliviadero y se ha vertido todo el líquido. Considera que el dispositivo se encuentra en un entorno cuya presiónatmosférica y temperatura ambiente es de 101.7 kPa y 25ºC, respectivamente. Determinar: a) (0.6 pts) Calcular la densidad del líquido que existe por encima del pistón (kg/m3) y el estado inicial delrefrigerante (P(bar), T(ºC), v(m3/kg), u(kJ/kg, h(kJ/kg y s(kJ/(kg·K))).b) (0.7 pts) Estado final del refrigerante en el momento de alcanzar el pistón el aliviadero, (P(bar), T(ºC), v(m3/kg), u(kJ/kg, h(kJ/kg y s(kJ/(kg·K)))c) (1.2 pts)¿Cuál ha sido la cantidad de calor transferido (kJ)?d) (0.5 pts) Generación de entropía del proceso (kJ/K).e) (0.5 pts) Una vez vertido todo el líquido se tapona el aliviadero, ¿hasta que altura se alzaría el pistón si el refrigerante alcanzase el equilibrio con el ambiente?

P2) Una central termoeléctrica opera según un ciclo de vapor tipo Rankine simple. La bomba del ciclo está accionada empleando un motor de combustión que opera según un ciclo Diésel. El aire que entra a los cilindros se encuentra a 100 kPa y 300 K. Las presiones y temperaturas máximas que alcanza el motor son de 7 MPa y 1800 K, respectivamente. El proceso de combustión del motor proporciona 377.7 kW de calor al ciclo Diésel.

R134a

0.8 kg

-20°C

L=1.2 m

h=0.4 m



Respecto del ciclo de Rankine, el vapor entra a la turbina a 550ºC donde se expande hasta las condiciones de vapor saturado a una presión de 20 kPa. En el condensador el ciclo se refrigera utilizando una corriente de agua de 3090 m3/h y provocando un incremento máximo del agua de refrigeración de 18ºC.

Considerando, para el ciclo de vapor, que la bomba no presenta pérdidas y que son insignificantes las pérdidas de presión y de calor, y que para el ciclo motor se pueden aplicar, para el estudio, las condiciones de aire frío estándar, determinar:

a) (0.5 pts) Relación de compresión y la relación de combustión del ciclo Diésel consideradob) (0.2 pts) Eficiencia térmica del ciclo motorc) (1.2 pts) Valor de las propiedades Presión (kPa), entalpía y entropía específica (kJ/kg y kJ/kg·K) de los estados del ciclo de vapord) (0.8 pts) Flujo másico (kg/s) que circula por la caldera y cantidad de calor (kW) que se transfieren en la calderae) (0.7 pts) Potencia entregada por la turbina y su eficiencia isoentrópicaf) (0.4 pts) Eficiencia térmica del ciclo de vapor g) (0.2 pts) Representa el ciclo de vapor tipo Rankine sobre un gráfico T-s respecto de las líneas de saturación

P3) Se desea utilizar un dispositivo como el de la figura para medir el coeficiente de convección externo sobre una placa plana horizontal. El dispositivo consiste en una plancha de acero (kac = 13 W/(m·°C)) de 3 mm de espesor recubierta con una capa de 1 cm de espesor de aislamiento térmico (kaisla = 0.03 W/(m·K)) sobre la que se adhiere una lámina metálica de espesor despreciable. Al someter a la lámina una diferencia de potencial, disipará un flujo de calor uniforme W elec /A (W/m2). La corriente del fluido cuyo coeficiente de

convección se desea conocer circula sobre la lámina metálica, tal y como se representa en la figura. Se utilizan sondas de temperatura para medir la temperatura del fluido (T∞), la temperatura de la superficie de la lámina (Ts) y la temperatura en la superficie inferior de la plancha de acero (Tac).

a) En un experimento con agua, se realizan las siguientes medidas:

W elec ⁄ A = 2000 (W/m2), T∞ = Tac = 25°C y Ts = 27°C. ¿Cuál es el valor del coeficiente de convección en

estas condiciones? (1,0 pto). ¿Cuál sería el error relativo (%) en el cálculo del coeficiente de convección que secometería al suponer que toda la potencia eléctrica se transmite al agua por convección? (0,25 pts)

b) En un experimento con aire, se realizan las siguientes medidas:

W elec ⁄ A = 2000 (W/m2), T∞ = Tac = 25°C y Ts = 125°C. Sabiendo que la lámina metálica tiene una

emisividad de 0.2 y que los alrededores pueden suponerse a una temperatura superficial media de 25°C, ¿cuál es el valor del coeficiente de convección en estas condiciones? (1,0 pto) ¿Cuál sería el error relativo (%) en el cálculo del coeficiente de convección que se cometería al suponer que toda la potencia eléctrica se transmite al agua por convección? (0,25 pts)





- No se permite la utilización de dispositivos electrónicos durante el examen, con la única excepción de una calculadora

no programable





- Los cálculos se realizarán en CUATRO CIFRAS DECIMALES SIGNIFICATIVAS

Valoración de los problemas: P1= 3.5 pts, P2= 3.5 pts, P3= 3 pts

P1) Se tiene una cierta cantidad de agua en el interior de un cilindro-pistón, de paredes adiabáticas pero sinaislar por su parte inferior, con la presencia de dos pares de topes, como muestra la figura. Estos topes limitanel volumen a un volumen máximo de 3 m3, en la posición A, y a un volumen mínimo de 1 m3, cuando el pistóndescansa sobre los topes inferiores. Se sabe que cuando el pistón, también adiabático, no toca estos topes,éste puede moverse libremente sin fricción y que la presión de equilibrio es de 500 kPa. Inicialmente el pistónestá en la posición A a una presión de 1 MPa y 500ºC. El cilindro intercambia calor a través de su base con elambiente que se encuentra a 20ºC, hasta la presión final del agua es de 300 kPa. Determinar:a) (0.5 pts) Estado final del agua dentro del cilindro-pistón b) (2 pts) Intercambio de calor producido (kJ) c) (1 pto) Calcule la generación de entropía total debido a este proceso (kJ/K)

P3) En una planta de turbina de gas, (véase en la figura), el compresor (C) es impulsado por la turbina T1, mientras la turbina T2 produce 2 MW como potencia de salida de la planta. El compresor y las dos turbinas operan con una relación de presión de 6.5 y adiabáticamente, con una eficiencia del compresor del 80% y de cada una de las turbinas del 80%. Al compresor entra aire del ambiente en condiciones de 1.01 bar y 15ºC. Ambas turbinas descargan al ambiente. La temperatura de entrada para cada turbina es de 700ºC. En el intercambiador que recupera calor del gas expulsado al ambiente (regenerador), el aire de alta presión sale del mismo a la temperatura de 315ºC. Despreciando la caída de presión en los sistemas de intercambio de calor y los cambios de energía cinética, determinar:a) (1.2 pts) Temperaturas a la salida del compresor (2), de la turbina T1 (5) y de la turbina T2 (8)b) (0.6 pts) ¿Cuál es el flujo másico (kg/s) que está pasando por cada turbina?c) (0.4 pts) ¿Cuál es la potencia mecánica suministrada al compresor (kW)?d) (0.6 pts) Calcular la potencia calorífica agregada en cada cámara de combustión (CC) en kJ/h.e) (0.5 pts) Si se ha observado que el regenerador presenta unas pérdidas de calor estimadas de unos 2 kJ/kg, determina la temperatura de salida en el punto 6. f) (0.2 pts) Eficiencia de la plantag) Representa sobre un diagrama T-s los puntos característicos de la plantaNota: Considera para realizar los cálculos que el fluido de trabajo es aire con comportamiento de Gas Ideal, y con los valores de

cP = 1.005 kJ/kg·K y γ =1.4 (coeficiente adiabático) constantes.

agua

Posición A



Esquema del ciclo planteado indicando los puntos significativos del mismo

P3) La pared de un horno de 4 m de alto y 5 m de ancho consta deladrillos de 10x23 cm de sección transversal (kladrillo =1,5 W/m·K) separadas por capas de mortero (kmortero = 0,75 W/m·K) de 2 cm deespesor. Sobre cada lado de la sección de ladrillos también se disponen capas de mortero de 2 cm de espesor. Además, la superficie exterior de la pared del horno será recubierta con un material aislante (kaisla = 0,03 W/m·K y ε = 0,5) de espesor (e) desconocido.

La figura adjunta muestra un esquema de la composición de la pared en estudio con el patrón estructural indicado, que se repite en la dirección vertical cada 25 cm.

El interior del horno se mantiene una temperatura de 450°C, siendo el coeficiente de combinado de transferencia de calor por convección/radiación en el interior del horno de 50 W/m2·K. El ambiente exterior al horno (aire y superficies circundantes) se encuentran a 30°C y la superficie exterior de la pared del horno está expuesta a una corriente de aire a 30°C que fluye en dirección paralela a la pared a una velocidad de 20 km/h. Se estima que el coeficiente de transferencia de calor por convección en la superficie exterior del horno es de 12,15 W/m2·K.

En estas condiciones, un ingeniero desea determinar el espesor de aislamiento mínimo necesario para garantizar que la temperatura superficial de la pared exterior del horno no supera los 60°C. Se pide:

a) (1 pto) Representar el circuito de resistencias térmicas para resolver el problema, indicando claramente a qué hace referencia cada una de las resistencias térmicas consideradas b) (1 pto) Calor perdido por unidad de tiempo (W) a través de la pared del horno c) (0.5 pts) Espesor de aislamiento mínimo necesario (cm)d) (0,5 pts) Estimar la temperatura en la cara interior del ladrillo en el punto A

T2

T1 C

Q1

Q2

1

2345

67

8

W

CC CC

Regenerador

m2

m1

cm cm

A

ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

GRADO EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y AUTOMÁTICA

TERMODINÁMICA Y TRANSMISIÓN DE CALOR

CURSO 2016- 2017

EXAMEN PARTE PROBLEMAS

DICIEMBRE DE 2016

Duración: 3h


Nombre:

Apellidos:

DNI:

Grupo:

CALIFICACIÓN:

-No se permite la utilización de dispositivos electrónicos durante el examen, con la única excepción de una calculadora no programable.

-Cualquier resultado parcial o final sin unidades, se considerará incompleto y, por lo tanto, incorrecto.

-Para el cálculo de las propiedades termodinámicas, se utilizarán las tablas del libro de ~engel. No serán considerados como válidos los cálculos realizados con un diagrama termodinámico, los obtenidos con una calculadora programable (no permitida según el primer punto) o con otro tipo de tablas.

PROBLEMA 1 (2 puntos)

Se dispone de un secador de pelo. Las condiciones de entrada son, p¡=99,814 kPa, T¡=

299,84 K e V¡=17,87 m/s y las condiciones de salida son P2=100 kPa, T2= 80 ºCe V2=21

m/s. El secador posee dos contribuciones eléctricas, la resistencia que calienta el aire,

de W 1 = 1500 W, y la potencia eléctrica del ventilador de W 2 = 250 W. La temperatura

de la superficie cilíndrica del secador es de 45 ºC. El caudal másico de aire es de 0,028

kg/s. El aire se supone que se comporta como un fluido perfecto.

Datos: Cp-aire= 1 005 J/kgK; R-aire= 287 J/kgK.

Se pide:

a) Determinar la potencia térmica que fuga por la envolvente cilíndrica.(1 punto}

b) Determinar el flujo entropía generada por unidad de tiempo en el volumen de

control. (1 punto}

SAÍDAy·

V2 P2 T2

SUPERFICIE:

Q superficie

(3

ENTRADA:

V1 ~ P1

~ T1 o o ~

EXAMEN TIC-ELECTRÓNICA E AUTOMÁTICA. 20 DE DECEMBRO DE 2016. 1

PROBLEMA 2 (3 puntos)

Un dispositivo mecánico - térmico se emplea para la producción de energía eléctrica y de agua caliente para un proceso industrial.

Para la generación de energía eléctrica, el equipo utiliza un ciclo Rankine de vapor de

agua con una turbina de simple etapa. El vapor entra a la turbina a 0.4 MPa y 250°C,

expandiéndose hasta la presión de con'densación y saliendo de la turbina en la

condición de vapor saturado, generando 350 kW en el eje. El caudal másico que circula

por el condensador es de 50 kg/min, evolucionando hasta las condiciones de líquido

saturado a la salida del mismo. La eficiencia isentrópica de la bomba es del 100%.

La generación de calor de proceso es responsabilidad de una bomba de calor que opera según el ciclo de compresión simple y que emplea R134a como refrigerante. El

condensador del ciclo de Rankine disipa el 85% de su energía hacia una torre de

refrigeración y el restante 15% hacia el evaporador de la bomba de calor.

Las presiones en el evaporador y condensador de la bomba de calor son de 140 kPa y

1600 kPa, respectivamente. Para garantizar la durabilidad del compresor, que tiene

una eficiencia isentrópica del 85%, la entrada de refrigerante se produce con un grado de sobrecalentamiento de 8,8°C, mientras que en la salida del condensador, el

refrigerante tiene un grado de subenfriamiento de 1,9°C.

Dibujar un esquema de los componentes de ambos ciclos (0.75 p) en el que se

enumeren los estados de entrada/salida de los dispositivos, comenzando con el estado correspondiente a la entrada de la bomba y entrada al compresor, respectivamente.

Representar ambos ciclos en sendos diagramas T-s (0.25 p), y determinar:

a) Presión (kPa), entalpía (kJ/kg) y temperatura de todos los estados que forman

los ciclos (salvo la temperatura en la salida de la bomba) (1,25 p).

b) Potencia térmica puesta en juego en la caldera y en el condensador del ciclo de

Ra~kine (0.25 p).

e) Potencia térmica demandada por la industria y la potencia mecánica neta

obtenida en el equipo (0.25 p).

d) Eficiencia del ciclo de Rankine y COP de la bomba de calor (0.25 p).

(J) (J S'L

~'"""")

1

l{ '-

6, b

~

EXAMEN TIC-ELECTRÓNICA E AUTOMÁTICA. 20 DE DECEMBRO DE 2016. 2

PROBLEMA: 3 (3 puntos)

Un intercambiador de ca lor de varios tubos, formado por tubos de acero de 1%C, de

30/ 25mm de diámetro exterior e interior respectivamente, se emplea para enfriar

aceite lubricante que circu lará por el exterior de los tubos, med iante auga tratada de

torre de enfriamiento que circulará por el interior de los tubos a 0,5m/ s.

Al ca lcu lar el coeficiente globa l teórico de transm isión (específico) de ca lor do

cambiador, para la superficie exterior de los tubos, se obtuvo el valor de

U o-Limpio = 485/ccal 1 hm 2oc. Con el uso el intercambiador se ensucia por las superficies

interiores y exteriores de los tubos.

Se pide:

a) Conocer cuál será el coeficiente de transmisión (por m2) global real (sucio) para

la superficie exterior de la tubería, si disponemos de tab las de coeficientes de ensuciamiento según el tipo de flu ido. {1,5 puntos)

b) Si el intercambiador de ca lor es de un paso por carcasa y dos pasos por tubos, la longitud del intercambiador es de 2 m y posee 15 tubos por paso, obtener la potencia de intercambio entre auga y aceite, si el auga se ca lienta de 20 ºC a 101,66 ºC, y el aceite se enfría de 250 ºC a 125 ºC, con el intercambiador ya sucio por el uso. (1;5 puntos) Nota: No se t iene presente la posible potencia térmica perdida por

la envolvente, pues la carcasa está muy bien aislada .

TABLA TABLA 2

Resistencia ténnicas de ensuciamiento, agua, en h.m• .'C/kcal. Resistencias ténnicas de ensuciamiento

en h.m2 ~ C/kcal.

Velocidad Tipo de agua Vapor de agua 0,0001

< lm/s > lm/s Aire comprimido 0,0004

Refrigerantes (vapor) 0,0004 De red 0,0002 0,0004 De rio:

mínimo 0,0004 0,0006

Refrigerantes (líquido) 0,0002

Aceites vegetales 0,0006

medio 0,0006 0,0008 Aceites lubricantes 0,0002 De mar 0,0001 0,0002 Aceites de transfonnador 0,0002 Destilada 0,0001 0,0001 Duras 0,0006 0,001 De torre de refrigeración:

Fuel-oil 0,001

Gas natural 0,0002

tratada 0,0002 0,0004 Gas manufacturado 0,002 no tratada 0,0006 0,001 Gasolina 0,0002

EXAMEN TIC-ELECTRÓN ICA E AUTOMÁTICA. 20 DE DECEMBRO DE 2016. 3

TERMODINÁMICA Y TRANSMISIÓN DE CALOR GRADO DE ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL (2° CURSO)

TIEMPO: 2 hrs 'f- 3.Q-miJ"QJuJ.ttQos-----------NOTA: LOS CÁLCULOS SE REALIZARAN ENt.úATRO CIFRAS DECIMALES SIGNIFICATIVAS

No se permitirá fa e de~amen a lápiz o bo rgra o rojo Todo resultado (parcial o final) si unidade se considerará incompleto y, por tanto, incorrecto

Esta prueb un peso del 80% de la nota final

Valoración de los problemas: P1 =3.8 pts, P2=4.6 pts, P3=1.6 pts P1) Procedente de una cámara de combustión un flujo de 18 kg/s de gases de la combustión entran en una turbina a una cierta presión y a sooac y con una velocidad de 100 m/s. Al pasar por la turbina, los gases se expanden adiabáticamente, pero no isoentrópicamente, y salen a velocidad de 150 m/s. A continuación, entran en un difusor donde salen a una velocidad que se reduce hasta un valor despreciable y a la presión atmosférica de 1.01 bar. En estas condiciones la turbina produce 3600 kW y presenta una eficiencia isoentrópica de 0.9. El difusor ha sido construido para que el proceso que tiene lugar se lleve a cabo sin la presencia de rozamientos, al carecer de partes móviles, y no se produzca ninguna transferencia de calor. a) determinar la temperatura a la salida de la turbina (0 C) (0.5 pts) b) determinar la temperatura a la salida del difusor (0C) (O. 5 pts) e) ¿cuál es la presión (bar) entre la turbina y el difusor? (0.8 pts) d) ¿con qué presión (bar) entran los gases de escape a la turbina? (0.8 pts) e) Calcular la entropía generada entre la entrada y la salida (0.4 pts) f) Representar el proceso en un diagrama T-s (O. 8 pts) Nota: Considera que los gases de la combustión tienen un cómportamiento de Gas Ideal. Para realizar los cálculos considera que los valores de las capacidades caloríficas para los gases de la combustión son de Cp = 1.075 kJ!kg·K y cv =O. 778 kJ/kgK

P2) Una máquina frigorífica con una eficiencia de 350% se emplea para refrigerar un depósito de leche y mantenerlo a 2°C. La máquina frigorífica funciona según un c;iclo simple de compresión de vapor que emplea refrigerante 134a como fluido de trabajo. El refrigerante entra al compresor a la presión de 2 bar y una temperatura de -4°C, comprimiéndose hasta la presión de 8 bar. El vapor caliente del compresor entra en el condensador donde se enfría, a presión constante, hasta la temperatura de 30°C. Después, se expande en una válvula hasta la presión d~ 2 bar, y entra al evapQrador donde se evapora completamente y sale a la misma presión. El compresor realiza la Compresión de manera adiabática pero con irreversibilidades internas necesitando una potencia de 120 W. Determinar:

/t Croquis del ciclo de refrigeración indicando los estados conocidos descritos en el enunciado (0.5 pts) 'rf) Tabla de entalpías y entropías en los puntos significativos del ciclo de refrigeración ( 1. 5 pts) ~Capacidad de refrigeración al día (kJ/día) (0.5 pts) 'f( Flujo másico de refrigerante (kg/s) (0.5 pts) e) Eficiencia isoentrópica del compresor (0.5 pts) f) ¿Cuál es la temperatura del vapor caliente tras la compresión (0 C)? (0. 7 pts) g) Diagrama P-h y r del ciclo de refrigeración planteado ( 0.4 pts)

P3) Un tanque de acero inoxidable utilizado para la recogida de leche tiene las siguientes características geométricas: forma cilíndrica, un diámetro interior de 65 cm, espesor de 3 mm de pared metálica y altura máxima del tanque e{> de 1 m. Tanto el fondo como la tapa superior son planas de 5 mm de espesor de acero. El fanque lleno ha de rr)antener la leche recogida a 2°C y el aire que rodea al tanque tiene una temperatura máxima de 45°C. Suponiendo que la transferencia de calor se realiza uniformemente desde todas las superficies y descartando cualquier transferencia de calor por radiación, com¡¿ara la ganancia de potencia calorífica (kW) al colocar una capa de 2 cm de espesor de aislante alrededor de todo el recipiente, de considerar el tanque sin aislar ( 1. 6 pts)

Datos: Considera para realizar los cálculos los valores de conductividqd térmica del acero inoxidable, k= 45 Wlm·°C, conductividad del aislante, kaisla = 0.05 W/m·°C, y coeficiente de convección del aire exterior h = 12 Wlm2·°C

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TERMODINÁMICA Y TRANSMISIÓN DE CALOR …-Para el cálculo de las propiedades termodinámicas, se utilizarán las tablas del libro de Çengel. No serán considerados como válidos