Lista de Exercícios Termodinâmica - Turbocompressores Ciclos a Gás e Vapor

EXERCÍCIOS 9 ATIVIDADE M2 Questão 1 Considere o turbocompressor de um motor a combustão interna figura 1 onde os gases de exaustão entram na turbina a 450ºC a uma vazão de 002 kgs e saem a 400ºC O ar entra no compressor a 70ºC e 95 kPa e sai a uma vazão de 0018 kgs a 135 kPa A eficiência mecânica entre a turbina e o compressor é de 95 Usando as propriedades do ar para os gases de exaustão determine a temperatura de saída no compressor e a irreversibilidade no compressor Questão 2 Em processos industriais é comum encontrar sistemas integrados compartilhando energias Figura 2 Num destes sistemas têmse um ciclo a gás ar e outro a vapor água produzindo uma potência nominal de 1 MW No conjunto a gás na entrada da turbina se encontra a 2 MPa e 1100 ºC saindo da mesma a 370 ºC e por fim passa pelo trocador de calor deixandoo a 77 ºC O ciclo a vapor passa pelo trocador a 700 kPa recebendo 378 kJkg no processo Na saída da turbina está a 20 kPa com uma entropia específica de 78732 kJkgK Sabese que pela presença de perdas no processo há uma variação de entropia na turbina de 06917 kJkgK Considerandose as propriedades do ar de cp 10065 kJkgK e R 0287 kJkgK determine as vazões em massa de ar e de vapor a eficiência isoentrópica na turbina a vapor e a temperatura no ponto 4 Figura 2 Figura 1 Questão 3 Num sistema há passagem de um gás ideal por dois compressores em série veja a figura 1 com um sistema de resfriamento intermediário Cooler que mantém a mesma temperatura de entrada nos compressores Considerandose o ponto 1 a 27ºC e 100 kPa e a relação entre as pressões de compressão igual a 12 com 10 e 7 de irreversibilidades nos compressores 1 e 2 respectivamente determine o trabalho e calor transferido por unidade de massa no sistema Adote R 2451 kJkgK e cp 11547 kJkgK Questão 4 Uma prática usual para operação de uma turbina a vapor de água para produção de potência com carga parcial é reduzir a pressão de entrada na turbina veja figura 2 A linha de vapor está a 36 MPa e 520ºC e a saída da turbina está a 10 kPa com 6 de umidade Assumindo que a expansão interna na turbina tenha 8 de irreversibilidade determine o trabalho específico da turbina para carga total de trabalho e a pressão de vapor da entrada na turbina para operar em 80 de sua capacidade total Figura 1 Figura 2 Linha de Vapor válvula turbina Trabalho da turbina 𝑊𝑇 002 𝑘𝑔 𝑠 1005 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐾 450 𝐶 400 𝐶 1005 𝑘𝐽 𝑠 1005 𝑘𝐽 𝑘𝑔𝐾 é o calor específico do ar Trabalho do compressor 𝑊𝐶 95𝑊𝑇 095 1005 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐾 0955 𝑘𝐽 𝑠 Na saída do compressor 0955 𝑘𝐽 𝑠 0018 𝑘𝑔 𝑠 1005 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐾 𝑇 70𝐶 𝑇 0955 𝑘𝐽 𝑠 0018 𝑘𝑔 𝑠 1005 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐾 70𝐶 216𝐶 Temperatura isentrópica na saída do compressor 𝑇2𝑖𝑠 70 𝐶 135 𝑘𝑃𝑎 95 𝑘𝑃𝑎 141 14 1459 𝐶 Trabalho isentrópico 𝑊𝐶𝑖𝑠 0018 𝑘𝑔 𝑠 1005 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐾 1459 𝐶 70 𝐶 0686 𝑘𝐽 𝑠 Irreversibilidade 𝐼 1 0686 𝑘𝐽 𝑠 0955 𝑘𝐽 𝑠 282 Ar 𝑚1 1000000 𝑊 10065 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐾 1100 𝐶 370 𝐶 1361 𝑘𝑔 𝑠 Vapor 𝑚1 370𝐶 77𝐶 𝑚2 𝑄 𝑐𝑝 𝑚2 𝑚1 370𝐶 77𝐶 𝑄 𝑐𝑝 𝑚2 1361 𝑘𝑔 𝑠 370𝐶 77𝐶 378 𝑘𝐽 𝑘𝑔 10065 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐾 10618 𝑘𝑔 𝑠 𝑊 𝑇𝑆 Eficiência 𝜂 𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑊 Δ𝑆 069 69 Δ𝑆 𝑅 ln𝑃 𝑄 𝑇 𝑇3 378 𝑘𝐽 𝑘𝑔 0287 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐾 ln700 𝑘𝑃𝑎 9786 𝐾 𝐼1 1 𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑊𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 10 𝐼2 1 𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑊𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 7 𝑇3 𝑇1 27𝐶 290 𝐾 𝑊12 𝑚 𝑅𝑇1 𝑃2 𝑃1 1 𝑊12 𝑚 2415290 12 1 770385 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑊34 𝑚 𝑅𝑇3 𝑃4 𝑃3 1 770385 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑊 𝑚 90 𝑊12 𝑚 93 𝑊34 𝑚 90 770385 𝑘𝐽 𝑘𝑔 93 770385 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑊 𝑚 14098 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑇2 𝑃2 𝑃1 𝑇1 12290 𝐾 3480 𝐾 𝑄23 𝐶𝑝3480 𝐾 290 𝐾 11547 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐾 3480 𝐾 290 𝐾 36835 𝑘𝐽 𝑘𝑔 Valores tabelados de entalpia e entropia para 36 MPa ℎ1 349530 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑠1 72029 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐾 Valores tabelados para 10 kPa ℎ3 6 353142 𝑘𝐽 𝑘𝑔 21186 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑠3 88868 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐾 𝑠2 92 88868 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐾 81759 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐾 ℎ2 ℎ1 349530 𝑘𝐽 𝑘𝑔 Trabalho específico na turbina 𝑊 𝑚 ℎ2 ℎ3 349530 𝑘𝐽 𝑘𝑔 21186 𝑘𝐽 𝑘𝑔 328344 𝑘𝐽 𝑘𝑔 Entalpia para 80 ℎ2 80 328344 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ℎ3 80 328344 𝑘𝐽 𝑘𝑔 21186 𝑘𝐽 𝑘𝑔 283861 𝑘𝐽 𝑘𝑔 Entropia 𝑠2 81759 𝑘𝐽 𝑘𝑔𝐾 Usando a tabela 𝑇 17987 𝐶 P 50 kPa