Máquinas Térmicas

MÁQUINAS TÉRMICAS LISTA DE EXERCÍCIOS DA 1ª ÁREA TDE valendo 50100 da NOTA 1 1 Um fluxo de água fria de 025 kgs a 15 ºC sai de um chuveiro e entra em um trocador de calor isolado termicamente do tipo duplotubo figura abaixo sendo aquecida até 45 ºC A água fria é aquecida por 3 kgs de água quente que entra no trocador de calor a 9962 ºC Admita ambas correntes de água na pressão atmosférica normal de 100 kPa e considere 𝑇0 de 25 ºC Determine para o trocador de calor a sua capacidade de troca térmica e a temperatura da água quente na saída b a exergia específica de cada entrada e cada saída em kJkg c a taxa de geração de entropia d a taxa de exergia destruída a partir da geração de entropia e a partir do balanço da taxa de exergia e a eficiência exergética 2 Gases quentes de exaustão passam por um trocador de correntes cruzadas de tubos aletados externamente para aquecer ar ambiente cp 1005 JkgK antes de entrar em uma fornalha O ar entra no lado aletado do trocador de calor a 95 kPa e 20 ºC com uma vazão volumétrica 08 m³s conforme mostrado na figura abaixo Os gases quentes de combustão cp 1100 JkgK entram pelo lado dos tubos do trocador de calor a 180 ºC a uma taxa de 11 kgs e deixam a 95 ºC Determine para esse trocador de calor a a taxa de transferência de calor para o ar e sua temperatura de saída b a taxa de exergia destruída pelo balanço da taxa de exergia c a eficiência exergética Admita 𝑇0 de 25 ºC 3 Uma turbina adiabática de dois estágios vide figura a seguir é alimentada por vapor dágua a 8 MPa e 500 ºC O vapor expande no 1º estágio para 2 MPa e 350 ºC sendo reaquecido a pressão constante para 500 ºC antes de seguir para o 2º estágio Do 2º estágio da turbina o vapor sai a 30 kPa com título de 97 e a potência produzida pelo conjunto de turbinas é de 5 MW Assumindo que a vizinhança esteja a 25 ºC determine a a potência reversível que seria produzida pela turbina b a taxa de exergia destruída dentro da turbina c a eficiência exergética da turbina 4 Vapor dágua saturado a 1 MPa é comprimido em um compressor até a pressão de 175 MPa Se a temperatura na seção de saída do compressor é 650 C determine a irreversibilidade e a eficiência exergética do processo de compressão 5 10 kgs de água a 100 C e 20 MPa e ar a 1400 K entram em um trocador de calor Se a água é descarregada do trocador de calor a 500 C e 20 MPa e o ar 460 K determine a irreversibilidade e a eficiência exergética do processo 6 Água sob pressão é aquecida em um trocador de calor de correntes cruzadas com tubos aletados externamente Esse trocador de calor usa os gases de exaustão de uma turbina a gás para aquecer a água A fim de determinar o coeficiente global de transferência de calor em função das condições operacionais foram realizados ensaios de laboratório em um protótipo do trocador de calor com área superficial de 10 m² As medições efetuadas sob condições particulares nas quais 𝑚 𝑞 2 kgs 𝑇𝑞𝑒 325 𝑚 𝑓 05 𝑘𝑔𝑠 e 𝑇𝑓𝑒 25 registraram uma temperatura de saída da água de 𝑇𝑓𝑠 150 Determine o coeficiente global de transferência de calor no trocador 7 Uma caldeira geradora de vapor produz 10000 kgh de vapor sendo a água de alimentação aquecida em um trocador de calor de 20 ºC a 65 ºC O trocador de calor é do tipo casco e tubos com uma passagem pelo casco e dois passes nos tubos No casco do trocador de calor ocorre a condensação de vapor dágua a 130 bar O coeficiente global de transferência de calor U é de 2000 Wm²K Usando tanto o método da diferença média logarítmica de temperatura quanto o método da efetividade 𝑁𝑈𝑇 determine a área de troca de calor necessária Qual é a taxa de condensação de vapor através do trocador de calor 8 45500 kgh de água é aquecida de 80 a 150 C em um trocador de calor que possui dois passes no casco e oito passes nos tubos sendo a área total de troca térmica de 925 m2 Gases quentes de exaustão que possuem as mesmas propriedades termofísicas do ar entram no trocador a 350 C e o deixam a 175 C Determine o valor do coeficiente global de transferência de calor U 9 Gases quentes de exaustão são utilizados em um trocador de calor casco e tubos para aquecer 25 kgs de água de 35 a 85 C Os gases que podem ser considerados como tendo as propriedades do ar entram no trocador a 200 C e o deixam a 93 C O coeficiente global de transferência de calor U é de 180 Wm2K Usando o método da efetividade NUT calcule a área do trocador de calor 10 Um trocador de calor opera como mostrado na figura 𝑎 abaixo Um engenheiro sugere que seria eficaz dobrar a área de transferência de calor para duplicar a taxa de troca térmica Foi sugerido acrescentar um segundo trocador de calor idêntico como mostra a figura 𝑏 Avalie essa sugestão isto é determine se a taxa de transferência de calor seria dobrada 11 Um gerador de vapor dágua saturado tem a forma de um trocador de calor de correntes cruzadas e tubos sem aletas com a água escoando no interior dos tubos e um gás a alta temperatura escoando transversalmente sobre o feixe de tubos O fluxo de massa de gás é de 10 kgs que entra no trocador de calor a 1100 C sendo o calor específico do gás de 1130 JkgK A água a uma vazão de 3 kgs entra como líquido saturado a 170 C e sai como vapor saturado a mesma temperatura Se o coeficiente global de transferência de calor é de 70 Wm2K e há 500 tubos de 25 mm de diâmetro cada determine a o gráfico da variação das temperaturas dos dois fluidos b a efetividade e o NUT e c o comprimento necessário dos tubos 12 Os gases de combustão de uma caldeira geradora de vapor são usados para préaquecer o ar em um trocador de calor de correntes cruzadas Os gases de combustão entram no trocador de calor a 450 C e saem a 200 C O ar entra no trocador de calor a 70 C saindo a 250 C e sua vazão mássica é de 10 kgs Considere que as propriedades dos gases de combustão sejam próximas às do ar O coeficiente global de transferência de calor do trocador é de 154 Wm2K a Calcule a capacidade do trocador de calor b Mostre o diagrama de variação de temperaturas dos dois fluidos e calcule a diferença média logarítmica de temperatura c Calcule a área de troca térmica necessária para o trocador de calor considerando os dois casos seguintes c1 o ar é não misturado e os gases de exaustão misturados c2 os dois fluidos são não misturados d Calcule a efetividade do trocador de calor para os dois casos identificados em c1 e em c2 e Calcule o rendimento exergético do trocador de calor 13 Ar comprimido entra em um trocador de calor de correntes opostas operando em regime permanente a 610 K 10 bar e sai a 860 K 97 bar Gases quentes de combustão entram em uma corrente separada a 1020 K 11 bar e sai a 1 bar Cada corrente possui uma vazão mássica de 90 kgs Despreze a perda de calor entre a superfície externa do trocador e a vizinhança Despreze também os efeitos de energia potencial e cinética Adote que a corrente de gases de combustão possui as mesmas propriedades do ar e usando o modelo de gás perfeito para ambas as correntes determine para esse trocador considerando To 300 K p0 1 bar a a temperatura do gás de combustão no ponto 4 em K b a variação da taxa de exergia de fluxo entre a entrada e a saída de cada corrente em MW c a taxa de exergia destruída em MW