Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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ANÁLISIS DE MASA Y ENERGÍA
Análisis Se toma a la turbina como el sistema, el cual es un volumen de control
porque la masa cruza su frontera durante el proceso. Se observa que sólo
hay una entrada y una salida, así que ṁ 1 ṁ 2 ṁ. También, el sistema
realiza trabajo. Se tienen las velocidades de entrada y salida y las elevaciones,
entonces hay que considerar las energías cinética y potencial.
a) En la entrada, el vapor de agua está en un estado de vapor sobrecalentado,
y su entalpía es
En la salida de la turbina, es obvio que se tiene un vapor húmedo a una presión
de 15 kPa. La entalpía en este estado es
Entonces
P 1 2 MPa
T 1 400 C f h 1 3 248.4 kJ/k g (Tabla A - 6)
h 2 h f x 2 h fg [225.94 (0.9)(2 372.3)] kJ/kg 2 361.01 kJ/kg
¢ h h 2 h 1 12 361.01 3 248.4 2 kJ >kg 887.39 kJ/kg
¢ ec V 2
2 V 2
1
1180 m >s 2 2 150 m >s 2 2
2
2
1 kJ >kg
a
1 000 m 2 >s b 14.95 kJ /kg
2
1 kJ >kg
¢ ep g 1z 2 z 1 2 19.81 m >s 2 2316 102 m 4a 1 000 m 2 >s b 0.04 kJ /kg
2
b) El balance de energía para este sistema de flujo estacionario se puede
expresar en la forma de tasa como
E
# entrada E
# salida dE sistema >dt 0
⎪
⎬⎪⎪⎪⎭
⎪
⎪
⎫
⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎭
⎫
T asa de transferencia de ener gía
neta por calor, trabajo y masa
E
# entrada E
T asa de cambio de ener gías interna,
cinética, potencial, etcéter a
#
salida
¡ 0 (estable)
#
m a h 1 V 2
1
2 gz # #
1 b W salida m a h 2 V 2
2
2 gz #
2 b 1dado que Q 02
Al dividir entre el flujo másico ṁ y sustituir, el trabajo que realiza la turbina
por unidad de masa del vapor se determina por
w salida c1h 2 h 1 2 V 2 2
2 V 1
g 1z
2
2 z 1 2d 1¢ h ¢ ec ¢ ep 2
[ 887.39 14.95 0.04] kJ/k g 872.48 kJ/kg
c) El flujo másico requerido para una salida de potencia de 5 MW es
#
# W salida 5 000 kJ/s
m
w salida 872.48 kJ/k g 5.73 kg /s
Comentario De estos resultados se pueden hacer dos observaciones. Una es
que el cambio de energía potencial es insignificante en comparación con los
cambios de entalpía y de energía interna, lo cual es representativo de la mayor
parte de los sistemas de ingeniería. Segunda, como resultado de la baja presión
y por ende del alto volumen específico, la velocidad del vapor en la salida
de la turbina puede ser muy alta. Sin embargo, el cambio de energía cinética
es una pequeña fracción del cambio de entalpía (menos de 2 por ciento en
este caso) y, por lo tanto, suele ser ignorado.