Problemario 5. Toberas Y Difusores

Termodinámica I

Dr. Luis Angel Miró

Nombre: Unidad Culhuacan Academia de Termodinámica

Boleta:

Problemas de Dispositivos de Flujo Estacionario Toberas y Difusores Problema 1 En el difusor de un motor de propulsión entra aire en régimen estacionario a 10 °C y 80 kPa, con una velocidad de 200 m/s. El área de entrada al difusor es 0.4 m2 y el aire sale del difusor a una velocidad cercana a cero. Determina: a) El flujo másico de aire b) La temperatura del aire que sale del difusor 𝒌𝒈 𝒎̇ = 𝟕𝟖. 𝟖 ; 𝑻𝟐 = 𝟑𝟎𝟐. 𝟗𝟐 𝑲 𝒔 Problema 2 A una tobera entra vapor de agua a 250 psia y 700 °F. La tobera tiene un área de entrada de 0.2 ft2 y el flujo másico de vapor a través de ella es de 10 lb/s. El vapor sale de la tobera a 200 psia con una velocidad de 900 ft/s. Las pérdidas de calor desde la tobera se estiman en 1.2 BTU/lbm. Determina: a) La velocidad de entrada b) La temperatura de salida del vapor 𝒇𝒕 𝑽𝟏 = 𝟏𝟑𝟒. 𝟒𝟐 ; 𝑻𝟐 = 𝟔𝟔𝟏. 𝟗𝟒 °𝑭 𝒔 Problema 3 Un flujo constante de 6000 kg/h de aire entra a un difusor adiabático a 80 kPa y 127 °C y sale a 100 kPa. La velocidad de aire baja de 230 a 30 m/s al pasar por el difusor. Calcula: a) La temperatura del aire a la salida b) El área de salida del difusor 𝑻𝟐 = 𝑲; 𝑨𝟐 = 𝒎𝟐 Problema 4 Aire entra a una tobera de forma constante a 300 kPa, 200 °C y 45 m/s, y sale a 180 m/s y 100 kPa. El área de entrada de la tobera es de 110 cm2. Determina: a) El flujo másico por la tobera b) La temperatura del aire a la salida c) El área de salida de la tobera 𝒌𝒈 𝒎̇ = 𝟏. 𝟎𝟗 ; 𝑻𝟐 = 𝟏𝟖𝟓 °𝑪; 𝑨𝟐 = 𝟕𝟗. 𝟗 𝒄𝒎𝟐 𝒔 Problema 5 El difusor de un motor a reacción debe bajar la energía cinética del airea que entra al compresor del motor, sin interacciones de calor o trabajo. Calcula la velocidad a la salida de un difusor, cuando entra

a él aire a 100 kPa y 20 °C, con una velocidad de 500 m/s, y el estado en la salida es 200 kPa y 90 °C. 𝒎 𝑽𝟐 = 𝒔 Problema 6 En una turbina de gas, los estatores se diseñan de tal manera que aumentan la energía cinética del gas que pasa por ellos adiabáticamente. El aire entra a un conjunto de estas toberas a 300 psia y 700 °F, con una velocidad de 80 ft/s, y sale a 250 psia y 645 °F. Calcula la velocidad a la salida de las toberas. 𝒎 𝑽𝟐 = 𝒔 Problema 7 A una tobera entra vapor de agua a 400 °C y 800 kPa, con una velocidad de 10 m/s, y sale a 300 °C y 200 kPa, mientras pierde calor a una tasa de 25 kW. Para un área de entrada de 800 cm2, determina: a) La velocidad del vapor a la salida de la tobera b) El flujo volumétrico a la salida. 𝒎 𝒎𝟑 ̇ 𝑽𝟐 = 𝟔𝟎𝟔 ; 𝑽 = 𝟐. 𝟕𝟒 𝒔 𝒔 Problema 8 A una tobera adiabática entra vapor a 3 MPa y 400 °C, con una velocidad de 40 m/s, y sale a 2.5 MPa y 300 m/s. Determina: a) La temperatura de salida b) La relación del área de entrada a la salida, 𝐴1 ⁄𝐴2 𝑻𝟐 = °𝑪; 𝑨𝟏 ⁄𝑨𝟐 = Problema 9 A un difusor adiabático entra aire a 13 psia y 50 °F, con una velocidad constante de 600 ft/s, y sale con una baja velocidad, a una presión de 14.5 psia. El área de la sección transversal de salida del difusor es 4 veces el área de entrada. Determina: a) La temperatura del aire a la salida b) La velocidad de salida 𝒇𝒕 𝑻𝟐 = °𝑪; 𝑽𝟐 = 𝒔 Problema 10 Con régimen estacionario entra refrigerante R-134a a una tobera adiabática a 700 kPa y 120 °C, con una velocidad de 20 m/s, y sale a 400 kPa y 30 °C. Determina: a) La velocidad del refrigerante a la salida b) La relación entre las áreas de entrada y salida, 𝐴1 ⁄𝐴2 𝒎 𝑽𝟐 = ; 𝑨 𝟏 ⁄𝑨 𝟐 = 𝒔 Problema 11 Considera un difusor al que entra vapor saturado de refrigerante R-134a, a 800 kPa con una velocidad de 120 m/s, y sale a 900 kPa y 40 °C. El refrigerante gana calor a una tasa de 2 kJ/s al pasar por el difusor. Si el área de entrada de salida es 80 por ciento mayor que la de entrada, determina: a) La velocidad de salida b) El flujo másico del refrigerante

𝑽𝟐 = 𝟔𝟎. 𝟖

𝒎 𝒌𝒈 ; 𝒎̇ = 𝟏. 𝟑𝟎𝟖 𝒔 𝒔

Problema 12 A una tobera entra vapor de agua de manera estacionaria a 400 °C y 4 MPa, con una velocidad e 60 m/s y sale a 2 MPa y 300 °C. El área de entrada es de 50 cm2 y la tobera pierde calor a una tasa de 75 kJ/s. Determina: a) El flujo másico del vapor de agua b) La velocidad del vapor a la salida c) El área de salida de la tobera 𝒌𝒈 𝒎 𝒎̇ = ; 𝑽𝟐 = ; 𝑨𝟐 = 𝒄𝒎𝟐 𝒔 𝒔