Lista 2 - 2023-2

1. A figura abaixo fornece dados das condições de entrada e saída de água de um reservatório. Para a entrada e saída do tanque, determine o fluxo de massa, em kg/s. Ainda, determine a taxa de variação de massa contida no tanque, em kg/s. 2. A figura mostra um tanque de misturação contendo 2.000 lbm de água no estado líquido. O tanque possui dois tubos de entrada anexados, um entregando água quente a um fluxo mássico de 0,8 lbm/s e outro entregando uma vazão mássica de 1,2 lbm/s. Água sai do sistema por uma única saída, a uma vazão de 2,5 lbm/s. Determine a quantidade de massa de água, em kg, no tanque, após 1 hora. Converta para o SI. 3. Um tanque de 380 litros contém vapor d’água, inicialmente a 400 °C e 3 bar. Uma válvula é aberta, e vapor escoa para fora do tanque com uma vazão mássica constante de 0,005 kg/s. Durante a remoção de vapor, um aquecedor mantém a temperatura do vapor no interior do tanque constante. Determine o tempo, em segundos, no qual 75% da massa inicial do tanque permanece no mesmo. Ainda, determine o volume específico, em m³/kg e a pressão, em bar, no tanque neste momento. 4. Um reservatório contendo óleo (ρ = 800 kg/m³) precisa ser esvaziado e limpo para uma operação de solda em seu casco. De maneira a agendar uma parada para manutenção, determine o tempo de esvaziamento deste tanque, sabendo que o mesmo possui um diâmetro de 5m e está com óleo a uma altura de 3m. O diâmetro da tubulação de purga é de 2”. A velocidade na saída é dada por Bernoulli: 𝜔2 = √2𝑔ℎ. 5. Repita o problema anterior para o caso de um reservatório no formato de tronco de cone, com diâmetro na base de 3m e com diâmetro superior de 6m, localizado a 4m da base. A altura do óleo, contudo, continua em 3m acima da base. 6. Refrigerante R134a com uma vazão mássica constante de 5,2 lbm/s escoa para o interior de um reservatório cilíndrico inicialmente evacuado de volume de 1,2 ft³. O final do processo, a pressão do tanque é de 140 lbf/in² e a temperatura é de 70°F. Determine o tempo, em segundos, para encher o tanque. 7. A figura mostra dados de operação em regime permanente para vapor d’água escoando por uma tubulação. Em cada saída, a vazão volumétrica, pressão e temperatura são iguais. Determine os fluxos de massa na entrada e nas saídas, em kg/s. 8. Refrigerante R134a entra em uma tubulação horizontal operando em regime permanente a 40°C, 300 kPa, com um fluxo de massa de 0,6 kg/s. Na saída, a temperatura é 50°C, e a pressão é 240 kPa. O diâmetro da tubulação é de 0,04m. Determine (a) as velocidades na entrada e na saída, em m/s, e (b) a taxa de transferência de calor entre a tubulação e as vizinhanças, em kW. 9. Como mostrado na figura, ar entra em uma tubulação a 25°C, 100 kPa com uma vazão volumétrica de 23 m³/h. Na superfície externa da tubulação, há uma resistência elétrica, que entrega uma diferença de potencial de 120V e corrente de 4A. Desprezando efeitos de energia cinética e potencial, determine (a) o fluxo mássico de ar, em kg/h, e (b) a temperatura do ar na saída, em °C. 10. Como mostrado na figura, ar entra em um difusor de uma turbina aeronáutica operando em regime permanente a 2,65 lbf/in², 389°R e uma velocidade de 31 ft/s, dados de operação em vôo de grande altitude. O ar escoa adiabáticamente pelo difusor e alcança uma temperatura de 450°R na saída do difusor. Determine a velocidade do ar na saída do difusor, em ft/s. 11. Vapor d’água entra no primeiro estágio de uma turbina como mostra a figura a 40 bar e 500°C com uma vazão volumétrica de 90 m³/min. Vapor sai da turbina a 20 bar e 400°C. O vapor é então reaquecido a pressão constante até 500°C antes de entrar no segundo estágio da turbina. Vapor saturado deixa a turbina a uma pressão de 0,6 bar. Para operação em regime permanente, considerando a turbina adiabática e ignorando efeitos de energia cinética e potencial, determine (a) o fluxo de massa de vapor, em kg/h; (b) a potência total desenvolvida pela turbina, em kW; e (c) a taxa de transferência de calor fornecida pelo reaquecedor, em kW. 12. Ar entra em uma turbina operando em regime permanente a 400K, 20 bar e com um fluxo de massa de 6 kg/s, e deixa a turbina a 290K e 5 bar. As velocidades na entrada e saída são, respectivamente, 18 m/s e 30 m/s. Efeitos de energia potencial podem ser desprezados. Se a potencia desenvolvida é 815 kW, determine a taxa de transferência de calor, em kW, para um volume de controle que envolve a turbina. 13. Como mostrado na figura, uma bomba hidráulica operando em regime permanente capta água de um reservatório e bombeia para uma tubulação a 90 ft acima do nível de sucção. Na saída, a vazão mássica é de 10 lbm/s. Não há mudança significativa da temperatura da água, pressão ou energia cinética da entrada para a saída. Se a potência consumida pela bomba é de 1,68hp, determine a taxa de transferência de calor entre a bomba e as vizinhanças, em hp e em BTU/min. 14. A figura mostra dados de operação em regime permanente para uma bomba d’água que capta água de um lago e o entrega a uma pressão de 3 bar em um reservatório situado 15m acima do lago. O fluxo de massa de água é de 1,5 kg/s. A temperatura da água se mantém praticamente constante a 15°C, e não há variações significativas de energia cinética entre a entrada e a saída. Considerando o sistema todo adiabático, determine a potência consumida pela bomba, em W. 15. Como mostrado na figura, R134a entra em um condensador operando em regime permanente a 70 lbf/in², 160°F e é condensado para o estado de líquido saturado a 60 lbf/in² externamente aos tubos nos quais passa água de resfriamento. Ao passar pelos tubos, a água de resfriamento é aquecida em 20°F e não sofre queda significativa de pressão. A água de resfriamento entra a 10°C e 2 bar de pressão. O fluxo de massa de fluido refrigerante R134a é de 3100 lbm/h. Desprezando efeitos de energia cinética e potencial, e considerando o sistema completo como adiabático, determine: (a) a vazão volumétrica de água de resfriamento, em gal/min; e (b) a taxa de transferência de calor, em BTU/h, do R134a para a água de resfriamento. 16. Um sistema de ar condicionado operando em regime permanente é mostrado na figura, no qual um fluxo de ar escoa sobre uma tubulação de um evaporador na qual R134a escoa. Ar entra com uma vazão volumétrica de 50 m³/min a 32°C, 1 bar e deixa o evaporador a 22°C, 0,95 bar. R134a entra na tubulação com 5 bar e título de 20%, e deixa o evaporador a 5 bar e 20°C. Ignorando transferência de calor da unidade para o exterior, e desprezando efeitos de energia cinética e potencial, determine: (a) o fluxo mássico de R134a, em kg/min; e (b) a taxa de transferência de calor, em kJ/min, entre o ar e o refrigerante. 17. A figura mostra dados de operação em regime permanente de um trocador de calor de escoamento paralelo no qual há correntes separadas de ar e água. Cada um dos escoamentos não experimenta perdas de carga significativas. Transferência de calor do sistema completo com as vizinhanças pode ser desprezada, assim como variações de energia cinética e potencial. Se os escoamentos de ar e água deixam o trocador com a mesma temperatura, determine o valor da mesma, em K. 18. A figura mostra dados de operação em regime permanente de um trocador de calor de escoamento paralelo no qual há correntes separadas de ar e CO2. Cada um dos escoamentos não experimenta perdas de carga significativas. Transferência de calor do sistema completo com as vizinhanças pode ser desprezada, assim como variações de energia cinética e potencial. Por questões de projeto e tamanho do trocador, a temperatura de saída do ar deve ser 20°C superior à temperatura de saída do CO2. Determine o valor das temperaturas de saída, em °R. 19. A figura mostra um coletor solar para aquecimento embutido em um telhado. O painel, que possui uma área de superfície de 24 ft², recebe energia do sol a uma taxa de 200 BTU/h/ft² de superfície do coletor. 25% da energia recebida é perdida para as vizinhanças pelo coletor. O restante da energia é utilizado para aquecer água de 90°F a 120°F. A água que passa pelo coletor possui perda de carga desprezível. Desprezando efeitos de energia cinética e potencial, determine em regime permanente quantos galões de água a 120°F o coletor gera por hora. 20. A figura mostra dados de operação em regime permanente para uma válvula de expansão conectada em série com um trocador de calor. R134a no estado de líquido saturado entra na válvula a uma pressão de 9 bar, e deixa a válvula a 2 bar. O fluido refrigerante entra no trocador de calor, saindo a 10°C e sem perda significativa de pressão. Em um fluxo separado, água líquida a 1 bar entra no trocador de calor a uma temperatura de 25°C e com um fluxo de massa de 2 kg/s, e deixa o trocador de calor a 1 bar com temperatura de 15°C. Transferência de calor do sistema para as vizinhanças pode ser desprezados, assim como efeitos de energia cinética e potencial. Determine (a) a temperatura, em °C, do fluido refrigerante na saída da válvula de expansão; e (b) o fluxo de massa de refrigerante, em kg/s. 21. A figura mostra 3 componentes de um sistema de ar condicionado. R134a escoa pela válvula de expansão e por um trocador de calor enquanto ar escoa por um ventilador e pelo mesmo trocador de calor. Dados para operação em regime permanente são fornecidos com a figura. Não há troca de calor significativa do sistema com as vizinhanças, e efeitos de energia cinética e potencial podem ser desprezados. Determine o fluxo de massa de ar, em lbm/s. 22. A Figura mostra uma bomba acionada por uma turbina que promove o bombeamento de água para uma câmara de mistura localizada a 25m acima da bomba. Dados para operação em regime permanente são fornecidos com a figura. Transferência de calor do sistema para o ambiente ocorre a uma taxa de 2kW. Para a turbina, transferência de calor e efeitos de energia cinética e potencial podem ser desprezados. Efeitos de energia cinética em todos os pontos podem ser desprezados. Determine: (a) a potência requerida pela bomba, em kW, para fornecer água para a câmara; e (b) o fluxo de massa de vapor, em kg/s, que escoa pela turbina. 23. Fluxos separados de ar e água escoam por um arranjo de compressor e trocador de calor, como mostrado na figura. Dados para operação em regime permanente são mostrados na figura. Transferência de calor para as vizinhanças pode ser desprezada, assim como efeitos de energia cinética e potencial. Determine; (a) a potência total requerida pelos compressores, em kW; e (b) o fluxo mássico de água, em kg/s. 24. Fluxos separados de vapor d’água e ar escoam por um arranjo de turbina e trocador de calor, como mostrado na figura. Dados para operação em regime permanente são fornecidos com a figura. Transferência de calor com as vizinhanças pode ser desprezada, assim como quaisquer efeitos de energia cinética e potencial. Determine (a) T3, em K; e (b) a potência desenvolvida pela segunda turbina, em kW. 25. Dados para operação em regime permanente são fornecidos na figura para um arranjo de compressor e trocador de calor. A potência consumida pelo compressor é de 50kW. Como mostrado, N2 escoa pelo compressor e trocador de calor com um fluxo de massa de 0,25 kg/s. Um fluxo separado de Hélio também flui pelo trocador de calor. Desprezando perdas de calor para o ambiente, assim como efeitos de energia cinética e potencial, determine o fluxo de massa de Hélio, em kg/s. 26. A figura mostra dados de operação em regime permanente para um sistema de cogeração com vapor d’água a 20°C e 360°C entrando pela localização 1. Potência é desenvolvida pelo sistema a uma taxa de 2,2MW. Vapor de processo deixa o sistema pelo ponto 2, e água quente para uso em outro processo deixa o sistema pelo ponto 3. Avalie a transferência de calor para as vizinhanças, em MW. 27. Como mostrado na figura, 5kg/s de água como rejeito térmico industrial a 15 bar e 180°C entram em uma câmara flash através de uma válvula. Correntes de líquido saturado e vapor saturado, ambos a 4 bar, saem da câmara flash. O vapor saturado entra em uma turbina e expande para 8 kPa e título de 90%. Transferência de calor para as vizinhanças pode ser desprezada, assim como efeitos de energia cinética e potencial. Para operação em regime permanente, determine a potência, em hp, desenvolvida pela turbina. 28. Com base nos dados de operação da bomba comercial obtida no endereço do link abaixo, determine a potência necessária para a elevação de 103 m³/h de água a uma altura manométrica de 45m. Leve em consideração as velocidades de entrada e saída, com base no diâmetro da tubulação. Despreze transferência de calor, e considere a água a temperatura constante de 25°C. Verifique se a eficiência do catálogo é compatível com a potência real consumida, que pode ser obtida no gráfico. Considere as curvas para o rotor de 330mm. http://www.thebe.com.br/pdf/catalogo/RL-33%20-%20RL-33-2-3%20-%20TRATORIZADA.pdf