Instituto Politécnico de Tomar
Escola Superior de Tecnologia de Abrantes
Engenharia Mecânica
Trabalho 5
Disciplina: TERMODINÂMICA
2º Ano / 1º Semestre
TRABALHO 5: RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS COM RECURSO AO EES
Temas:
1. Um ciclo de Brayton simples que utiliza ar como fluido operante tem uma relação
de pressão de 8. As temperaturas mínima e máxima do ciclo são 310 K e 1160 K,
respectivamente. Considerando uma eficiência adiabática de 75 % para o
compressor e 82 % para a turbina, determine: a) a temperatura do ar à saída da
turbina; b) o trabalho fornecido; c) o rendimento térmico.
2. A turbina a gás 7FA, construída pela General Electric, tem um rendimento de 35,9
%, opera segundo o ciclo simples produzindo 159 MW de potência debitada. A
relação de pressão é de 14,7, a temperatura de admissão na turbina é de 1288 ºC, e a
de escape é de 589 ºC. O caudal mássico de escoamento através da turbina é de
1536 ton/h. Considerando a atmosfera a 20 ºC e 100 kPa, determine: a) o
rendimento isentrópico da turbina; b) o rendimento isentrópico do compressor.
3. Um motor de ignição por faísca apresenta uma taxa de compressão de 8, sendo o
volume máximo de cada cilindro de 0,6 litros. No início do processo de compressão,
o ar encontra-se a 98 kPa e 27 ºC, sendo a temperatura máxima do ciclo de 1800 K.
Considerando que o motor funciona segundo o ciclo Otto ideal, determine: a) a
quantidade de calor fornecida por cilindro; b) o rendimento térmico; o número de
rotações por minuto necessárias para debitar 60 kW. Considere ainda os calores
específicos variáveis.
4. Determine os efeitos da taxa de compressão no débito de trabalho e no rendimento
térmico de um ciclo Otto, para uma temperatura máxima do ciclo de 2000 K.
Considere o ar como fluido operante, inicialmente a 100 kPa e 300 K, e considere
variáveis os calores específicos. Varie a taxa de compressão desde 6 até 15 em
incrementos de 1. Tabele e trace os seus resultados em função da taxa de
compressão.
5. Determine os efeitos da relação de pressão no débito de trabalho e no rendimento
térmico de um ciclo de Brayton, para uma temperatura máxima do ciclo de 1800 K.
Considere o ar como fluido operante, inicialmente a 100 kPa e 300 K, e considere
variáveis os calores específicos. Varie a taxa de compressão desde 5 até 24 com
incrementos de 1. Tabele e trace os seus resultados em função da relação de pressão.
Qual o valor da relação de pressão em que se verifica o débito máximo de trabalho e
o máximo rendimento térmico?
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6. Escreva um programa de computador para determinar os efeitos da relação de
pressão, temperatura máxima do ciclo e rendimentos do compressor e da turbina no
débito de trabalho por unidade de massa e no rendimento térmico do ciclo de
Brayton simples. Considere o ar como fluido operante, inicialmente a 100 kPa e
300 K na entrada do compressor. Considere os calores específicos constantes à
temperatura ambiente. Determine o trabalho debitado e o rendimento térmico para
todas as seguintes combinações de dados:
Relação de pressão: 5, 8, 14
Temperatura máxima do ciclo: 1000 K, 1400 K, 1600 K
Rendimento adiabático do compressor: 80 %, 100 %
Rendimento adiabático da turbina: 80 %, 100 %
Tire conclusões dos resultados
7. Uma central térmica a vapor opera segundo o ciclo de Rankine de reaquecimento
ideal. Na turbina de alta pressão entra vapor de água a 8 MPa e 500 ºC e sai a 3
MPa. O vapor é então reaquecido a pressão constante até 500 ºC antes de ser
expandido numa turbina de baixa pressão até 20 kPa. Determine o trabalho
fornecido pela turbina, em kJ/kg, e o rendimento térmico do ciclo. Mostre também
as linhas de saturação do ciclo num diagrama T-s.
8. Escreva um algoritmo para determinar o efeito da pressão no condensador nos
resultados de um ciclo de Rankine ideal e simples. Considere que o vapor entra na
turbina a 5 MPa, 500 ºC e despreze o trabalho de bombagem. Determine o
rendimento térmico do ciclo e trace-o num gráfico com a pressão do condensador
para pressões do condensador de 100, 75, 50 25 10 e 5 kPa.
9. Escreva um algoritmo para determinar o efeito da pressão na caldeira nos resultados
de um ciclo de Rankine ideal e simples. Considere que o vapor entra na turbina a
500 ºC e sai a 10 kPa. Despreze o trabalho de bombagem. Determine o rendimento
térmico do ciclo e trace-o num gráfico com a pressão na caldeira para valores desta
de 0,5; 1; 3; 6; 10; 15 e 20 MPa.
10. Escreva um algoritmo para determinar o efeito do vapor sobreaquecido nos
resultados de um ciclo de Rankine ideal e simples. Considere que o vapor entra na
turbina a 3 MPa e sai a 10 kPa. Despreze o trabalho de bombagem. Determine o
rendimento térmico do ciclo e trace-o num gráfico com temperatura de entrada na
turbina, para valores desta de 250, 300, 400, 500, 700, 900 e 1100 ºC.
11. Um dispositivo cilindro-êmbolo contém 0,1 m3 de água líquida e 0,9 m3 de vapor de
água em equilíbrio a 800 kPa. Transfere-se calor a pressão constante até que a
temperatura atinja 350 ºC. Determine: a) Temperatura inicial da água; b) Massa total
da água; c) Volume final; d) Mostre o processo num diagrama P-v com as
respectivas linhas de saturação.
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12. Um dispositivo cilindro-êmbolo munido de um batente contém inicialmente 3 kg de
ar a 200 kPa e 27 ºC. Fornece-se calor ao ar, e o êmbolo sobe até encostar no
batente, sendo neste instante o volume o dobro do inicial. Transfere-se mais calor,
até que a pressão duplique. Determine o trabalho realizado e a quantidade de calor
transferida durante este processo. Represente este processo num diagrama P-v.
13. Vapor de água a 3 MPa e 400 ºC entra numa tubeira adiabática, em regime
permanente, com uma velocidade de 40 m/s, e sai a 2,5 MPa e 300 m/s. Determine:
a) Temperatura de saída; b) Relação entre as áreas de entrada e de saída A1/A2.
14. Numa turbina entra vapor de água em regime permanente a 10 MPa e 550 ºC, com
uma velocidade de 60 m/s, e sai a 25 kPa, com um título de 95 %. Ocorre uma perda
de calor de 30 kJ/kg durante o processo. A área de entrada da turbina é de 150 cm2 e
a de saída é de 1400 cm2. Determine: a) O caudal mássico de vapor; b) A velocidade
de saída; c) A potência da turbina.
15. Um aquecedor de água típico apresenta um rendimento de 90 % e um custo de
funcionamento anual de 390 €, para um custo de electricidade de 0,11 €/kWh. Um
aquecedor de água de bomba de calor típico apresenta um COP de 2,2, mas custa
cerca de 800 € mais a instalar. Determine quantos anos demorará o aquecedor de
bomba de calor a compensar a sua diferença de investimento através da energia
poupada.
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