Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CAPÍTULO 5
EJEMPLO 5-3 Energía transportada por la masa
Sale vapor de agua de una olla de presión de 4 L cuya presión de operación
es 150 kPa (Fig. 5-16). Se observa que la cantidad de líquido en la olla disminuyó
0.6 L en 40 minutos después de imponerse condiciones estacionarias
de operación, y que el área de la sección transversal de la abertura de salida
es 8 mm 2 . Determine a) el flujo másico del vapor y la velocidad de salida, b)
las energías total y de flujo del vapor por unidad de masa y c) la tasa a la cual
sale la energía de la olla con el vapor.
Solución De una olla de presión sale vapor de agua a una presión especificada.
Se determinarán la velocidad, el flujo, las energías total y de flujo y la
tasa de transferencia de energía por la masa.
Suposiciones 1 El flujo es estacionario y no se toma en cuenta el periodo de
inicio. 2 Las energías cinética y potencial son insignificantes, por lo tanto no
se consideran. 3 Todo el tiempo existen condiciones de saturación dentro de
la olla, de modo que el vapor sale de ésta como vapor saturado a la presión
de la olla.
Propiedades Las propiedades del agua líquida saturada y el vapor de agua a
150 kPa son v f 0.001053 m 3 /kg, v g 1.1594 m 3 /kg, u g 2 519.2 kJ/kg
y h g 2 693.1 kJ/kg (tabla A-5).
Análisis a) Una vez establecidas las condiciones estacionarias de operación,
existen todo el tiempo condiciones de saturación en una olla de presión; por
lo tanto, el líquido tiene las propiedades del líquido saturado y el vapor que
sale tiene las del vapor saturado a la presión de operación. La cantidad de
líquido que se ha evaporado, el flujo másico del vapor que sale y la velocidad
de salida, son
150 kPa
Vapor
FIGURA 5-16
Esquema para el ejemplo 5-3.
Olla
de presión
m ¢ V líquido
v f
0.6 L
0.001053 m 3 >kg a 1 m 3
b 0.570 kg
1 000 L
# m 0.570 kg
m
¢ t 40 mi n 0.0142 kg >mi n 2.37 104 kg/s
#
m
V m # v g
12.37 10 4 kg >s 211.1594 m 3 >kg 2
34.3 m/s
r g A t A t 8 10 6 m 2
b) Como h u Pv y que las energías cinética y potencial no son tomadas
en cuenta, las energías de flujo y total del vapor que sale son
e flujo P v h u 2 693.1 2 519.2 173.9 kJ/kg
u h ec ep h 2 693.1 kJ/kg
Observe que la energía cinética en este caso es ec V 2 /2 (34.3 m/s) 2 /2
588 m 2 /s 2 0.588 kJ/kg, la cual es pequeña en comparación con la
entalpía.
c) La tasa a la cual la energía sale de la olla por medio de la masa es simplemente
el producto del flujo másico y la energía total del vapor saliente por
unidad de masa,
E
# #
masa m u 12.37 10
4
kg/ s 212 693.1 kJ/kg 2 0.638 kJ/s 0.638 kW
Comentario El valor numérico de la energía que sale de la olla con el vapor
no indica mucho porque este valor depende del punto de referencia seleccionado
para la entalpía (podría ser negativo). La cantidad importante es la
diferencia entre las entalpías del vapor que sale y el líquido que se encuentra
dentro (que es h fg ), ya que se relaciona de manera directa con la cantidad de
energía suministrada a la olla de presión.