PautaSolemne 1
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SOLEMNE Nº1
La prueba tiene una duración de 110 minutos. Debe utilizar sólo él formulario suministrado como anexo a
este enunciado. Cada pregunta deberá ser respondida en hojas separadas y será evaluada con nota entre
1 y 7. La nota final de la evaluación será determinada por el promedio de las tres preguntas. Se prohíbe el
uso de calculadoras programables.
Problema 1
Balance de energía
W comp−Qsale =∆ U 0.5 puntos
punto
W comp−m c p ∆ T =mc v ∆ T
kJ 0.5 puntos
c p=1,667 c v =1,667 ∙ 0,778=1,297
kg ∙ K
Problema 2
2.1) (3puntos) Se tiene 1 kg de agua que al principio está a 90 °C, con 10 por ciento de
calidad, ocupa un dispositivo de cilindro-émbolo con carga de resorte, como el de la figura.
Entonces se calienta ese dispositivo hasta que la presión sube hasta 800 kPa, y la
temperatura es 250 °C. Calcule el trabajo total producido durante este proceso, en kJ
Solución
0.5 punto
0.5 punto
1.5 punto
0.5 punto
2.2) (3 puntos) Poly y Lautaro, dos prestigiosos alumnos de la UDP, requieren su ayuda para el siguiente
experimento:
Fluye de manera estacionaria aire a 300 K y 100 kPa en un secador de cabello que tiene una entrada de
trabajo eléctrico de 1500 W. Debido al tamaño de la toma de aire, Lautaro determina que la velocidad de
entrada del aire es despreciable. Por otra parte, Poly determina que la temperatura y la velocidad del
aire a la salida del secador son 80 °C y 21 m/s, respectivamente. El proceso de flujo es tanto a presión
constante como adiabático. Usted recuerda de sus gratos días del curso de Procesos Industriales que el
aire tiene calores específicos constantes evaluados a 300 K (cp = 1.005 kJ/kgK ) y que R = 0.287 (kPa
m^3)/kgK .
a) Para ayudar a Poly y Lautaro, determine el flujo másico del aire al secador, en kg/s.
b) Determine el flujo volumétrico del aire a la salida del secador, en m3/s
Solución
1 punto
0.5 puntos
0.5 puntos
0.5 puntos
0.5 puntos
Problema 3
La figura muestra un elevador térmico, el cual
funciona mediante la expansión del vapor de agua.
Inicialmente, se inyectan al depósito 30000 litros
de agua en estado de vapor saturado a P1= 100
kPa. La plataforma, que puede ser modelada y en
un principio descansa en un par de topes, tiene
una masa de mp= 418 kg y un diámetro de Dp =
0.75 m. Un bloque de 4000 kg de masa es ubicado
sobre el pistón en el nivel inferior. Entonces, en
una cámara de combustión, se quema carbón (PC
= 33.7 MJ/kg) con el fin de sobrecalentar el fluido
de trabajo. La combustión, cuya eficiencia es de un
40%, continúa hasta que la plataforma alcanza el
nivel 2 (6 metros de altura por sobre la posición
inicial del pistón). Después de ésto, el bloque es
retirado de la plataforma y se utiliza amoniaco
como fluido de enfriamiento para retornar el agua
hacia el estado inicial. Utilizando los supuestos que
estime convenientes, determine:
Solución
Es necesario reconocer que el sistema contará con tres estados claramente definidos para su análisis. EL
estado inicial (1) donde las condiciones son las dadas por el enunciado; un estado intermedio (2) que
corresponde al momento en que el bloque con el pistón comienza a subir y el estado final (3) en el que el
elevador alcanza los 6 metros de altura.
Entonces, debemos definir los sistemas de análisis. Primero, entre los estados 1 y 2 el sistema puede ser
modelado como un sistema rígido en el que el volumen inicial y final es 30 metros cúbicos. Lo segundo a
reconocer es que el pistón solo se moverá cuando la presión del sistema sea igual a la presión atmosférica
más la presión ejercida por el bloque y el pistón. Así,
Estado 1:
(0.25 puntos)
Estado 2:
Estado 3:
(0.25 puntos)
a) Para determinar el carbón a quemar, es necesario determinar el calor del proceso. Por primera ley
Pero, dada la eficiencia de la cámara de combustión, para llegar a esta cantidad de calor, debe producirse
más en la cámara. Así,
(0.5 puntos)
b) (0.25 puntos)
(0.25 puntos)
c) De ambos procesos, el de elevación de presión de 100 a 200 kPa es el que tiene mayor consumo
energético (0.25 puntos). La mejor opción de mejora es incrementar la presión del agua en el tanque antes
de añadir calor (0.25 puntos).
d) 1 punto completo por realizar el diagrama indicando valores de temperatura, presión y volumen para
cada estado.