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CALIFICACIÓN ________ SERIE DE EXERGÍA
1. Dos bloques de hierro (cp=500 J/kgK) yacen en tierra. El bloque A (200 kg) está a 400K, el bloque B (100 kg) está a 500K. El piso y los alrededores están a 300 K. ¿Cuál bloque tiene mayor exergía? 2. Una planta química grande descarga 3.6 ton/hr de vapor limpio de baja presión (200º C y 101 kPa) a los alrededores (25º C, 101 kPa). ¡Qué desperdicio! ¿Cuál es la máxima potencia recuperable de esta corriente? 3. Se puede extraer de la tierra vapor geotérmico a 500 kPA y 250º C en las cataratas Klamath, OR, a 1000 kg/min. Con los alrededores a 25º C, ¿cuánta potencia puede generarse de esta fuente? 4. Una planta de hielo producirá 100 toneladas métricas de hielo por hora en un proceso continuo. ¿Cuántas máquinas Dodge de seis en línea de 225 hp cada una se necesitan para realizar el trabajo si el agua se toma a 20º C, se enfría a 0°C y después se congela? Datos
El calor se elimina a 20º C.
La eficiencia total de la planta es 20% 5. ¿Cuál es la cantidad teórica mínima de trabajo necesario para separar una corriente de aire en dos corrientes, una de oxígeno puro (21%), la otra de nitrógeno más trazas de gases (79%), si todo esto ocurre a 300K y 101kPa? 6. Un gas ideal (cp=36 J/molK)a 500 K y 101 kPa se comprime a 1 MPa y entonces después de un intercambio apropiado de calor se conduce por tubería a un proceso. Toda esta operación tiene lugar en un medio a 300 K. El trabajo de bombeo real necesario para esta operación es cerca de 20 KJ/mol de gas. Compare este valor con a)
El mínimo trabajo requerido para una compresión reversible adiabática del gas. Note que la temperatura final del gas será superior a 500 K.
b)
El trabajo mínimo requerido para una compresión isotérmica. Aquí la temperatura final será 500 K.
c)
El trabajo mínimo necesario para llevar el gas a 10 MPa y 500 K.
d)
Si el gas producido se entregará a 1 MPa y 300 K, ¿cómo afecta esto su respuesta a la parte (c)?
7. El Chemical and Engineering Nes, 21 de abril de 1980, p. 34, habla de la producción de potencia a partir de salmuera geotérmica del campo geotérmico Mesa del este, en el Valle Imperial de California (Tprom= 27ºC). En la planta piloto del Departamento de Energía de
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CALIFICACIÓN ________
Estados Unidos 750 lit/min de salmuera caliente a 170ºC y bajo presión entra por la parte superior de una torre de 12 m de altura y 1 m de diámetro, transfiere su calor al isobutano, el fluido de trabajo, y después sale a 65ºC. Al mismo tiempo gotitas líquidas de isobutano entran a la torre, absorben calor, se vaporizan y salen de la torre para alimentar una turbina que generará trabajo útil, entonces son condensadas, comprimidas (energía requerida insignificante ya que v0) y regresan a la torre. El Chemical and Engineering News reporta que la producción de potencia de la planta piloto es 500 kW. ¿Cuál es la eficiencia comparada con la eficiencia de Carnot? A falta de datos termodinámicos para la salmuera asígnele las propiedades del agua.
8. El Corvallis Gazette Times del 27 de mayo de 1980 (p.8) reporta que pruebas realizadas en pozos geotérmicos perforados cerca de los Laboratorios Científicos de Los álamos en Nuevo México muestran que la energía proveniente de rocas calientes en las profundidades de la Tierra podría ser bastante económica. Esto se hace como sigue.
Se perfora a 3000 m o más, a través de roca impermeable hacia una zona de roca calientes fracturadas. Se bombea agua a temperatura ambiente (25º C) a presión y se recupera como agua caliente. Se pasa el agua caliente por intercambiadores de calor o turbinas de potencia para extraer trabajo útil. El agua utilizada va de regreso al subsuelo para completar el sistema de circulación.
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CALIFICACIÓN ________
Si el agua para un pozo típico se hace circular a 10 kg/s y sale de la tierra como líquido a 200º C, ¿cuál es la producción máxima de potencia del pozo? Ignore la potencia necesaria para bombear el agua hacia arriba, hacia abajo y alrededor del ciclo.
9. En el separador mostrado entra vapor a las condiciones mostradas y sale líquido y vapor. Determine todos los flujos de masas, el cambio de energía y la exergía destruida.
Vapor P=5MPa, T=400°C, A=0.6m2 u= 50m/s
Liq. P=350 kPa, flujo(m)=50kg/s A=0.018 m2
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CALIFICACIÓN ________
10. A una turbina entra un flujo másico de vapor de agua de 50 000 kg/h a 80 bar y 560 °C. Cuando el vapor alcanza en la expansión el estado de 20 bar y 440 °C se efectúa un sangrado del 25 por 100 de la corriente. El resto sale de la turbina como vapor saturado a 0.10 bar. Determínese a) la exergía del vapor en los tres estados considerados, en kJ/kg, b) la potencia máxima que puede obtenerse en kW, y c) la potencia real obtenida en kW, si la expansión es adiabática. El ambiente está a 1 bar y 20 °C.