Lista - Eficiência Isentrópica Segunda Lei da Termodinâmica - 2023-2

Universidade De São Paulo Faculdade de Engenharia de Alimentos Departamento de Engenharia de Alimentos (ZEA) Curso: Engenharia de Alimentos Disciplina: Termodinâmica (ZEA0466) - Turma EAD - 2º semestre/2023 Docente: Profa. Dra. Izabel C. F. Moraes Data: 02 de novembro de 2023 A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA. EFICIÊNCIA ISENTRÓPICA. CICLOS DE POTÊNCIA E REFRIGERAÇÃO. 1) Um conjunto cilindro-pistão contém um quilo de amônia, que, inicialmente, está a 50º C e 1 MPa. A amônia, então, é expandida num processo adiabático e reversível até que a pressão atinja 100 kPa. Determine o trabalho realizado e o calor transferido neste processo. 2) Um reservatório térmico a 10º C é utilizado como fonte fria de uma bomba de calor. Como fonte quente é utilizada uma vazão de 0,2 kg/s de R-12 que entra no equipamento a 95º C e com título igual a 0,1. O fluido refrigerante sai do equipamento como vapor saturado na mesma pressão da seção de entrada. Determine qual a potência necessária para operar esta bomba de calor. 3) Produz-se vapor de água a 70 bar e em uma temperatura desconhecida. Uma pequena quantidade deste vapor é forçada a passar por uma válvula de estrangulamento a pressão atmosférica. A temperatura de saída do vapor após passar por este dispositivo é 400º C. Outra parte do vapor a 70 bar é alimentado a uma turbina, onde é adiabaticamente expandido até a pressão atmosférica. (a) Qual a temperatura do vapor que entra na turbina? (b) Qual o trabalho máximo (por kg de vapor) que pode ser obtido usando esta turbina no atual modo de operação? (c) Testes realizados na turbina atestam que o vapor que sai dela é saturado. Qual a eficiência da turbina e a entropia gerada por kg de vapor? 4) Uma usina de açúcar e álcool dispõe de bagaço de cana para queimar em sua caldeira. Você, como recém-contratado nessa empresa, calculou que se poderia gerar 5000 kg/h de vapor a 20 bar e 600º C a partir de tal resíduo. Entusiasticamente, propôs então ao gerente industrial que seria interessante investir em uma turbina para geração de energia elétrica a partir da queima de tal bagaço, que poderia ser utilizada na própria usina ou vendida à companhia elétrica local. - e - e= -es e Universidade De São Paulo Faculdade de Engenharia de Alimentos Departamento de Engenharia de Alimentos (ZEA) Curso: Engenharia de Alimentos (a) Se fosse adquirida uma turbina novinha em folha, de um fornecedor confiável – portanto, supostamente operando de forma ótima – e a pressão de saída da mesma fosse 1 bar, qual seria a temperatura de saída do vapor, e em qual estado físico o mesmo estaria? Quanta energia elétrica seria gerada a partir deste processo? Qual seria a taxa de entropia gerada nessas condições operacionais? (b) Se ao invés de uma turbina nova fosse adquirida uma turbina usada, em que o processo produzisse 90% do trabalho da turbina novinha em folha, qual seriam as novas condições de saída do vapor, supondo que ainda a condição imposta na saída fosse pressão igual a 1 bar? Qual seria a taxa de entropia gerada nessas condições operacionais? 5) Vapor d´água entra em um bocal a 4MPa e 640º C e velocidade de 20 m/s, e a pressão de saída do bocal é 0,1 MPa. Qual a variação de entropia do vapor, a temperatura de saída e a velocidade de saída? 6) Gás argônio a 20 psia e 90º F entra em um compressor adiabático a uma velocidade de 60 ft/s, saindo a 200 psia e 240 ft/s. Considerando que a eficiência isentrópica do compressor é 80%, determine: (a) temperatura de saída do argônio; (b) trabalho fornecido pelo compressor ao gás. 7) Refrigerante R134a inicialmente a 1200 kPa e 40º C é estrangulado até 200 kPa. O refrigerante perde calor a uma taxa de 0,5 kJ/kg para a vizinhança, que está a 25º C. Determine: (a) a temperatura de saída do refrigerante; (b) a geração de entropia durante esse processo. 8) Vapor d´água deve ser condensado do lado do casco de um trocador de calor a 120º F. Água de resfriamento entra nos tubos a 60º F a uma taxa de 92 lbm/s, saindo a 73º F. Considerando que o trocador de calor está bem isolado, determine: (a) a taxa de transferência de calor no trocador; (b) a taxa de geração de entropia no trocador. 9) Um ciclo de refrigeração (conforme mostrado na Figura 1) utiliza como fluido refrigerante R410A, em uma vazão de 0,05 kg/s. Neste ciclo, é necessário inserir 5 kW para comprimir o fluido refrigerante. Além disso, os seguintes dados são fornecidos sobre este ciclo: 1 2 3 4 5 6 P (kPa) 3100 3000 3000 420 400 390 T (° C) 120 100 45 -10 -5 Calcule: o calor perdido pelo compressor; o calor transferido do fluido para as vizinhanças (QH ou QQ); o calor retirado do ambiente a ser refrigerado (QF ou Universidade De São Paulo Faculdade de Engenharia de Alimentos Departamento de Engenharia de Alimentos (ZEA) Curso: Engenharia de Alimentos QC). Considere a expansão na válvula como uma expansão de Joule- Thomson (isentálpica). 2 3 Válvula 4 5 Figura 1: Ciclo de refrigeração descrito na Questão 9.. 10) Um ciclo de refrigeração de Carnot operando em regime permanente utiliza o refrigerante 134a como fluido de trabalho. O refrigerante muda de vapor saturado para líquido saturado a 40º C no condensador enquanto rejeita calor. A pressão do evaporador é de 100 kPa. Determine (a) o coeficiente de desempenho, (b) a quantidade de calor absorvido do espaço refrigerado e (c) a entrada de trabalho líquido. 11) Considere uma usina de potência a vapor de água que opera em um ciclo de Rankine simples ideal e produz uma potência líquida de 45 MW. O vapor entra na turbina a 7 MPa e 500º C e é resfriado no condensador a uma pressão de 10 kPa pela água de ma lago que escoa nos tubos do condensador a uma taxa de 2000 kg/s. Mostre o ciclo em um diagrama T-S que inclua as curvas de saturação e determine: (a) a eficiência térmica do ciclo; (b) o fluxo de massa do vapor; (c) a elevação da temperatura da água de resfriamento. 12) Um refrigerador utiliza o refrigerante 134a como fluido de trabalho e opera em um ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor entre 0,12 MPa e 0,7 MPa. A vazão mássica do refrigerante é 0,05 kg/s. Determine (a) a taxa de remoção de calor do espaço refrigerado e a entrada de potência do compressor, (b) a taxa de rejeição de calor para o ambiente e (c) o coeficiente de desempenho. 13) Considere uma usina a vapor que opera segundo o ciclo de Rankine ideal com reaquecimento. O vapor entra na turbina a alta pressão a 15 MPa e 600º C, e a etapa de rejeição de calor ocorre a 10 kPa. Considerando que o conteúdo de 1 6 Evaporador Condensador Universidade De São Paulo Faculdade de Engenharia de Alimentos Departamento de Engenharia de Alimentos (ZEA) Curso: Engenharia de Alimentos umidade do vapor na saída da turbina de baixa pressão não deva exceder 10,4%, determine: (a) a pressão na qual o vapor deve ser reaquecido; (b) a eficiência térmica do ciclo. Considere que o vapor é reaquecido até a mesma temperatura de entrada da turbina de alta pressão. Faça o esquema do ciclo descrito no diagrama T-S. 14) O refrigerante R134a entra no compressor de um refrigerador a 100 kPa e - 20º C a uma taxa de 0,5 m3/min, saindo a 0,8 MPa. A eficiência isentrópica do compressor é 78%. O refrigerante entra na válvula de expansão a 0,75 MPa e 26º C, saindo do evaporador como vapor saturado a -26º C. Mostre o ciclo em um diagrama T-S com as curvas de saturação e determine: (a) a entrada de potência no compressor; (b) a taxa de remoção de calor do espaço refrigerado; (c) a queda de pressão e taxa de ganho de calor na linha entre evaporador e compressor. 15) Um refrigerador, que utiliza R134a como fluido operante, está localizado em uma sala onde a temperatura é 20º C. Considere que o compressor não é adiabático nem reversível, e que os outros componentes do ciclo operam de modo ideal. O compressor é alimentado com vapor saturado a -20º C e a temperatura do R134a na descarga do compressor é 50º C. A temperatura no condensador é 40º C e a vazão mássica é 0,2 kg/s. Sabendo que a COP do ciclo é 2,3, determine: (a) a potência necessária para acionar o compressor; (b) a taxa de geração de entropia do processo de compressão. 16) Um ciclo de refrigeração por compressão de vapor utiliza o refrigerante R134a como fluido de trabalho. O R134a entra no compressor a 100 kPa e -20º C a uma taxa de 0,05 kg/s. A eficiência isentrópica do compressor é 85%. O refrigerante sai do condensador a 39,4º C como líquido saturado. Determine: (a) a taxa de refrigeração (taxa de resfriamento) e o COP do sistema; (b) COP do sistema se o compressor fosse ideal. 17) Uma bomba de calor de Carnot deve ser usada para aquecer uma casa e mantê-la a 25° C no inverno. Em um dia com temperatura externa média contínua de cerca de 2° C, calcula-se que a casa perca calor a uma taxa de 55000 KJ/h. Considerando que a bomba de calor consome 6,6 KW de potência quando em funcionamento. Determine: (a) quanto tempo a bomba deverá funcionar nesse dia; (b) o custo total de aquecimento, considerando um preço médio de R$ 0,085/KWh para a eletricidade; (c) o custo aquecimento para o mesmo dia caso seja utilizado o aquecimento a resistência – e não a bomba de calor. >