Análise de Ciclos Termodinâmicos e Eficiência Energética

1 346 A tabela a seguir fornece dados em kJ para um sistema submetido a um ciclo termodinâmico composto de quatro processos em série Determine os dados em branco da tabela em kJ se o ciclo é um ciclo motor ou um ciclo de refrigeração Processo U KE PE E Q W 1 950 50 0 1000 1000 0 2 500 0 50 450 0 450 3 650 50 0 600 600 0 4 200 100 50 50 0 50 𝑄 𝑊 𝐸 𝐸 𝑈 𝐾𝐸 𝑃𝐸 processo 1 𝐸 950 50 0 1000 𝑘𝐽 1000 𝑊 1000 𝑊 0 processo 2 450 𝑈 0 50 𝑈 500 𝑘𝐽 𝑄 450 450 𝑄 0 processo 3 600 650 𝐾𝐸 0 𝐾𝐸 50𝑘𝐽 𝑄 0 600 𝑄 600 𝑘𝐽 processo 4 𝐸 200 100 50 50𝑘𝐽 0 𝑊 50 𝑊 50 𝑘𝐽 𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑊𝑝 𝑊𝑐 450 50 400 𝑘𝐽 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 2 354 Um ciclo motor recebe energia por transferência de calor da queima de um combustível a uma taxa de 300MW A eficiência térmica do ciclo é 333 a Determine a taxa de potência liquida desenvolvida em MW b Para 8000 horas de operação anuais determine o trabalho liquido em kWh por ano c Calculando a saída de trabalho liquido a 008 por kWh determine o valor do trabalho liquido em ano a η 𝑊 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑄𝐹𝑄 𝑄𝐹𝑄 300𝑀𝑊 η 333 0333 0333 𝑊 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 300 𝑀𝑊 𝑊 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 100𝑀𝑊 b 8000hano 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑊 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑡 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 100103𝑘𝑊 8000 ℎ 𝑎𝑛𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 8108 𝑘𝑊 ℎ 𝑎𝑛𝑜 c 008 kWh 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 8108 𝑘𝑊 ℎ 𝑎𝑛𝑜 008 𝑘𝑊 ℎ 64106 𝑎𝑛𝑜 3 360 Um ciclo de bomba de calor cujo coeficiente de eficácia é 25 entrega energia por transferência de calor para uma residência a uma taxa de 20 kW a Determina a potência liquida necessária para operar a bomba de calor em kW 8kW 𝛾 25 𝑄𝐹𝑄 20𝑘𝑊 𝛾 𝑄𝐹𝑄 𝑊 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 25 20 𝑊 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑊 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 20 25 8𝑘𝑊 b Calculando a energia elétrica a 008 por kWh determine o custo da eletricidade em um mês quando a bomba de calor opera durante 200 horas 128mês 008 kWh t 200h mês 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑚ê𝑠 200ℎ 𝑚ê𝑠 8𝑘𝑊 008 𝑘𝑊 ℎ 128 𝑚ê𝑠 4 362 Um refrigerador doméstico com um coeficiente de eficácia de 24 remove energia de um espaço refrigerado a uma taxa de 600 Btuh Calculando a eletricidade em 008 por kWh determine o custo da eletricidade em um mês quando o refrigerador opera durante 360 horas 211 mês 1 W 3414 BTUh 𝛽 24 𝑄 𝐹𝐹 600 𝐵𝑇𝑈 ℎ 008 kWh t 360 h mês 𝛽 𝑄𝐹𝐹 𝑊 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 24 600 𝑊 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑊 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 600 24 250 𝐵𝑇𝑈 ℎ 1𝑊 𝑥 3414 𝐵𝑇𝑈 ℎ 250 𝐵𝑇𝑈 ℎ 𝑥 250 3414 𝑊 7323 𝑊 𝑊 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 7323 𝑊 7323103 𝑘𝑊 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑚ê𝑠 360 ℎ 𝑚ê𝑠 7323103 𝑘𝑊 008 𝑘𝑊 ℎ 211 𝑚ê𝑠 5348 Um gás é submetido a um ciclo termodinâmico composto de três processos Processo 12 volume constante V 0028 m3 U2 U1 264 kJ Processo 23 expansão com pV constante U3U2 Processo 31 pressão constante p 14 bar W31 105 kJ Não há variações significativas na energia cinética ou potencial a Desenhe o ciclo em um diagrama pV b Calcule o trabalho liquido do ciclo em kJ 828 kJ c Calcule a transferência de calor do processo 23 em kJ 1878 kJ d Calcule a transferência de calor do processo 31 em kJ 3690 kJ e Esse é um ciclo motor ou de refrigeração 𝑄 𝑊 𝑈 Processo 12 processo isocórico W0 V1V20028 m3 UU2U1264 kJ 𝑄12 𝑊12 𝑈12 𝑄12 0 264𝑘𝐽 𝑄12 264𝑘𝐽 Processo 31 processo isobárico p3p114 bar 014MPa W31 105 kJ V1 0028 m3 𝑊31 𝑝 𝑉1 𝑉3 105103𝐽 014106𝑃𝑎 0028 𝑉3𝑚3 105103 014106 0028 𝑉3 𝑉3 0028 105103 014106 0103 𝑚3 𝑄31 𝑊31 𝑈31 𝑈31 𝑈1 𝑈3 sendo U3U2 𝑈31 𝑈1 𝑈2 se U2 U1 264 kJ 𝑈31 𝑈1 𝑈2 264 𝑘𝐽 𝑄31 𝑊31 𝑈31 𝑄31 105 264 𝑄31 264 105 369 𝑘𝐽 Processo 23 isotérmico pV constante U3U2 V20028 m3 V3 0103 m3 p314 bar 014MPa 𝑈23 𝑈3 𝑈2 0 𝑝2 𝑉2 𝑝3 𝑉3 𝑝20028 0140103 𝑝2 0140103 0028 052𝑀𝑃𝑎 𝑊23 𝑝3 𝑉3 ln 𝑉3 𝑉2 𝑊23 014106𝑃𝑎 0103 𝑚3 ln 0103 0028 1878𝑘𝐽 𝑄23 𝑊23 𝑈23 𝑄23 1878 0 𝑄23 1878 𝑘𝐽 𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑊12 𝑊23 𝑊31 𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 0 1878 105 828 𝑘𝐽 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 p MPa Vm3 1 Água contida em uma montagem pistãocilindro é submetida partindo de um estado inicial p 10 bar e T 400C a Processo 12 resfriada à medida que é comprimida até vapor saturado Processo 23 resfriada a volume constante a 150C a Esboce diagrama Tv b Determine o trabalho global 1122 kJkg c Determine a transferência de calor 14856 kJkg p T v u e x 𝑄 𝑊 𝑈 0028 0103 014 052 1 2 3 Processo 12 isobárico p110 bar T1400C vapor superaquecido Tabela A4 para p1 10 bar T1 Tsat 17991C portanto vapor superaquecido v1 03066 m3kg u1 29573 kJkg p2 10 bar vapor saturado T2Tsat 17991C x1 Tabela A3 v2 01944 m3kg u2 25836kJkg Processo 23 isocórico T3150C v3v201944 m3kg Tabela A2 T3150C p3 4758 bar v liq sat 10905103 m3kg v vap sat 03928 m3kg v liq sat v3 v vap sat ponto 3 é uma mistura líquido vapor v u liq sat 63168 kJkg u vap sat 25595 kJkg 𝑣3 𝑣 𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑡 𝑥𝑣 𝑣𝑎𝑝 𝑠𝑎𝑡 𝑣 𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑡 01944 10905103 𝑥03928 10905103 01944 10905103 03928 10905103 𝑥 𝑥 0494 𝑢3 𝑢 𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑡 𝑥𝑢 𝑣𝑎𝑝 𝑠𝑎𝑡 𝑢 𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑡 𝑢3 63168 0494 25595 63168 15839 𝑘𝐽𝑘𝑔 b processo 12 isobárico 𝑊12 𝑝 𝑣2 𝑣1 p10 bar 1MPa 𝑊12 1106𝑃𝑎 01944 03066𝑚3 𝑘𝑔 1122103 𝐽 𝑘𝑔 1122 𝑘𝐽 𝑘𝑔 Processo 23 isocórico 𝑊23 0 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑊12 𝑊23 1122 𝑘𝐽 𝑘𝑔 c Processo 12 𝑄12 𝑊12 𝑢2 𝑢1 𝑄12 1122 25836 29573 𝑄12 25836 29573 1122 4859 kJ kg Processo 23 𝑄23 𝑊23 𝑢3 𝑢2 𝑄23 0 15839 25836 9997 kJ kg 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑄12 𝑄23 4859 9997 14856 𝑘𝐽 𝑘𝑔 T C vm3kg 242 Determine a fase ou as fases em um sistema constituído de água para as seguintes condições e esboce o diagrama Tv mostrando a posição de cada estado a p 5 bar T 1519C b p 5 bar T 200C c T 200C p 25 MPa d T 160 C p 48 bar e T 12C p 1 bar a Tabela A3 para p 5 bar Tsat 1519C deste modo temse mistura líquido vapor T C v m3kg b Tabela A3 para p 5 bar Tsat 1519C portanto T200C T Tsat vapor superaquecido 10 bar 400 03066 1 1799 2 01944 4758 bar 150 3 5 bar 1519 L V T C v m3kg c Tabela A2 para T 200C psat 1554 bar portanto p 25 MPa 25 bar p psat líquido subresfriado d Tabela A2 para T 160C psat 6178 bar portanto p 48 bar p p sat vapor superaquecido Tabela A3 para p 48 bar Tsat 150C T Tsat vapor superaquecido TC v m3kg 5 bar 1519 200 Vap sup 25 bar 15 bar 200 224 62 bar 48 bar 150 160 Vap sup Liq sub e T 12 C Tabela A6 p 022 kPa 00022 bar portanto p1 bar p 1 bar p00022 bar sólido p 1 bar Tabela A3 Tsat 9963C TTsat portanto sólido 3410 Calcule o volume em m3 ocupado por 2 kg de uma mistura bifásica liquidovapor de Refrigerante 134 a 10C com um título de 80 01593 m3 m 2kg LV T 10C Tsat x80 08 Tabela fluido refrigerante 134a Tabela 10 T 12C v liq sat 07498 103 m3kg v vap sat 01068 m3kg T 8C v liq sat 07569 103 m3kg v vap sat 00919 m3kg 12 07498 103 10 v liq sat 8 07569 103 10 8 12 8 𝑣 𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑡 07569103 07498103 07569103 𝑣 𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑡 07534103 𝑚3 𝑘𝑔 12 01068 10 v vap sat 8 00919 10 8 12 8 𝑣 𝑣𝑎𝑝 𝑠𝑎𝑡 00919 01068 00919 𝑣 𝑣𝑎𝑝 𝑠𝑎𝑡 00994 𝑚3 𝑘𝑔 𝑣 𝑣 𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑡 𝑥𝑣 𝑣𝑎𝑝 𝑠𝑎𝑡 𝑣 𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑡 𝑣 07534103 08 00994 07534103 𝑣 00796 𝑚3 𝑘𝑔 𝑉 𝑚 𝑣 𝑉 2𝑘𝑔 00796 𝑚3 𝑘𝑔 01592 𝑚3