Nota: Campus JK. TMFA Termodinâmica Aplicada - PDF
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Lucas Gabriel Camarinho Estrela
1 TMFA Termodinâmica Aplicada 1) Considere a central de potência simples mostrada na figura a seguir. O fluido de trabalho utilizado no ciclo é água e conhece-se os seguintes dados operacionais: Localização Pressão Temperatura ou Título Saída do gerador de vapor 2 MPa 300 C Entrada da turbina 1,9 MPa 290 C Saída da turbina, entrada do 15 KPa 90% condensador Saída do condensador, 14 KPa 45 C entrada da bomba Trabalho da bomba = 4kJ/kg Determine as seguintes quantidades (por kg de fluido que escoa através da unidade): a) Calor transferido na linha de vapor entre o gerador de vapor e a turbina. b) Trabalho da turbina. c) Calor transferido no condensador. d) Calor transferido no gerador de vapor. 2) Um gás percorre um ciclo termodinâmico que consiste em três processos: Processo 1-2: compressão com pv=constante, de p 1 = 1 bar, V 1 = 1,6 m 3, U 2 - U 1 = 0. Processo 2-3: pressão constante até V 3 =V 1 Processo 3-1: volume constante, U 1 - U 3 = kj. Não há variações significativas na energia cinética ou potencial. Determine a transferência de calor e o trabalho para o Processo 2-3, em kj. 3) A seguinte tabela fornece dados, em kj, para um sistema que percorre um ciclo termodinâmico que consiste em quatro processos em série. Para o ciclo, os efeitos das energias cinética e potencial podem ser desprezados. Determine os dados que faltam na tabela, todos em kj.
2 Processo U Q W ) Meio quilograma de água executa um ciclo de potência de Carnot. Durante a expansão isotérmica, a água é aquecida até a condição de vapor saturado a partir de um estado inicial onde a pressão é de 15 bar e o título é de 25%. O vapor então se expande adiabaticamente até uma pressão de 1bar, enquanto realiza 403, 8 kj/kg de trabalho. a) Esboce o ciclo em coordenadas p-v. b) Estime o calor e o trabalho para cada processo, em kj. 5) Um inventor afirma ter desenvolvido um ciclo de potência capaz de fornecer uma saída líquida de trabalho de 410kJ através de uma entrada de energia por transferência de calor de 1000kJ. O sistema percorrendo o ciclo recebe a transferência de calor de gases quentes à temperatura de 500K e descarrega energia por transferência de calor para atmosfera a 300K. Avalie esta afirmação. 6) Pela circulação em regime permanente de um refrigerante a uma baixa temperatura através de passagens nas paredes do compartimento do congelador, um refrigerador mantém o compartimento do congelador a -5oC quando a temperatura do ar circundando o refrigerador é de 22ºC. A taxa de transferência de calor entre o compartimento do congelador e o refrigerante é 8000kJ/h e a potência de entrada necessária para operar o refrigerador é de 3200kJ/h. Determine o coeficiente de desempenho do refrigerador e compare com o coeficiente de desempenho de um ciclo de refrigeração reversível operando entre reservatórios às mesmas temperaturas. 7) Durante operação em regime permanente, uma caixa de redução recebe 60kW através do eixo de entrada e fornece potência através do eixo de saída. Para a caixa de redução considerada como sistema, a taxa de transferência de energia por convecção é,
3 onde h = 0,171kW/m2K é o coeficiente de transferência de calor, A = 1m2 é a área a superfície exterior da caixa de redução, Tb = 300K é a temperatura da superfície externa e Tf = 293 é a temperatura da vizinhança afastada das imediações da caixa de engrenagens. Para a caixa de engrenagens, calcule a taxa de transferência de calor e a potência fornecida através do eixo de saída, ambas em kw. 8) Uma turbina a vapor opera em regime permanente com condições de entrada de p1 = 5bar, T1 = 320oC. Vapor deixa a turbina a uma pressão de 1bar. Não ocorre transferência de calor significativa entre a turbina e a vizinhança, e variações de energia cinética e potencial entre a admissão e a descarga poder ser desprezadas. Se a eficiência isoentrópica da turbina é de 75%, determine o trabalho produzido por unidade de massa de vapor escoando na turbina, kj/kg. 9) Com o fornecimento de energia para uma residência à taxa de 8 kw, uma bomba de calor mantém a temperatura da residência em 21ºC quando o ar exterior está a -2ºC. Se a eletricidade custa 26 centavos por kwh, determine o custo de operação mínimo teórico por dia de operação.
4 TMFA dos Fluidos Aplicada 10) A distância entre duas estações de bombeamento d água é de 1 km. Este trecho é totalmente horizontal e água escoa a uma vazão de 3,0 m 3 /s. O diâmetro interno do tubo é de 1,25m e sua rugosidade é equivalente a do concreto (e=0,375mm). Para essas condições, qual a potência que deve ser fornecida na estação de bombeamento considerando-se uma bomba com 75% de eficiência. Para a determinação do fator de atrito, f, utilize a Equação de Haaland (1983). (Dados: = 997 kg/m 3 e µ = 8, N.s/m 2 ) 3 11) Óleo cru a 60ºC ( 8436N/m ) é bombeado horizontalmente numa tubulação de aço que apresenta diâmetro e comprimento iguais a 1219 mm e 1286 km. A vazão de óleo na tubulação é 3,31 m 3 /s, ou seja, a velocidade média do escoamento, é 2,84 m/s. Determine a potência necessária para bombear o óleo nesta tubulação. Dado: f = 0, ) Uma prensa hidráulica é acionada por uma bomba remota de alta pressão. A pressão na saída da bomba é de 20 MPa, enquanto que a pressão requerida para a prensa é de 19MPa, a uma vazão de 0,160 m3/min. A prensa e a bomba são interligadas por meio de um tubo de ferro forjado com diâmetro interno de 0,015m. O fluido de trabalho é o óleo SAE 10W a 40 C ( = 920 kg/m3 e µ = 3, N.s/m2). Determine o comprimento mínimo do tubo que pode ser utilizado. Para a determinação do fator de atrito, f, utilize a Equação de Swamee & Jain (1976).
5 13) Um sistema de água é utilizado em um laboratório para estudar escoamento num tubo liso. Para atender uma faixa razoável, o Número de Reynolds no tubo deve ser O sistema é suprido a partir de um tanque elevado de carga constante. O sistema consiste de uma entrada de bordas vivas, dois cotovelos comuns de 90, dois cotovelos comuns de 180 e uma válvula gaveta totalmente aberta, sendo que todas as conexões são rosqueadas. O diâmetro interno do tubo é de 25 mm e seu comprimento é de 9,8m. Calcule a altura mínima do nível do tanque alimentador acima da descarga do sistema de tubo necessária para alcançar o Número de Reynolds desejado. (Dados: = 997 kg/m 3, µ = 8, N.s/m 2 e g = 9,81 m/s 2 ). 14) Considere uma instalação hidráulica que possui 20 anos de vida. Descreva passo-a-passo como você, especialista em dos Fluidos, faria para determinar a rugosidade desse tubo. Quais as variáveis que envolvem essa análise. Faça um esquema da montagem experimental. 15) Água para resfriamento de perfuratrizes de rocha é bombeada de um reservatório para um canteiro de obras (aberto para atmosfera), usando o sistema de tubos mostrado. A vazão deve ser de 3,8x10-3m3/s e a água deve deixar o bocal de resfriamento a 36,6m/s (V3). Esse bocal expande o fluido até a pressão atmosférica. Calcule a mínima pressão necessária na saída da bomba. Estime a potência de acionamento requerida, se a eficiência da bomba é 70%.
6 QUESTÕES PARA PENSAR 1. A eficiência térmica de uma instalação de potência a vapor pode ter valores diferentes no inverno e no verão? Explique. 2. Pense em algumas maneiras de aproveitar a água de arrefecimento que sai do condensador de uma grande usina de potência. 3. Que efeitos sobre a ecologia de um rio podem resultar do uso da água para arrefecimento do condensador de uma instalação de potência? 4. Por que a água é o fluido de trabalho mais utilizado em usinas de potência a vapor? 5. Qual a sua opinião sobre a utilização de energia solar para gerar eletricidade?
A Segunda Lei da ermodinâmica -Evitar desperdícios - Conservar energia - A Energia total do Universo não muda! A 1ª Lei não conta a história toda! 2ª Lei trata da possibilidade ou impossibilidade de se