Lista_de_Exercicios_Aula_4

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AULA 4 – LISTA DE EXERCÍCIOS 
 
1 – Água é o fluido de trabalho em um ciclo de Rankine ideal. A pressão condensador é 
8 kPa e vapor saturado entra na turbina a (a) 18 MPa e (b) 4 MPa. A potência líquida 
produzida pelo ciclo é de 100 MW. Determine para cada caso a vazão mássica de vapor 
d’água, em kg/h, as taxas e transferência de calor para o fluido de trabalho que passa 
através da caldeira e do condensador, ambas em kW, e a eficiência térmica. 
 
2 – Água é o fluido de trabalho em um ciclo de Rankine ideal. Vapor superaquecido 
entra na turbina a 8 MPa, 480 oC. A pressão do condensador é 8 kPa. A potência líquida 
produzida pelo ciclo é 100 MW. Determine para este ciclo: 
a) a taxa de transferência de calor para o fluido de trabalho que passa através do gerador 
de vapor, em kW. 
b) a eficiência térmica. 
c) a vazão mássica de água de arrefecimento do condensador, em kg/h, se esta entra no 
condensador a 15 oC e sai a 35 oC com variação de pressão desprezível. 
 
3 – Água é o fluido de trabalho em um ciclo de potência a vapor de Carnot. Líquido 
saturado entra na caldeira a uma pressão de 8 MPa e vapor saturado entra na turbina. A 
pressão do condensador é 8 kPa. Determine: 
a) a eficiência térmica. 
b) a razão de trabalho reversa. 
c) a transferência de calor para o fluido de trabalho por unidade de massa que passa 
através da caldeira, em kJ/kg. 
d) a transferência de calor do fluido de trabalho, por unidade de massa que passa através 
do condensador, em kJ/kg. 
 
4 – Água é o fluido de trabalho em um ciclo de Rankine ideal. Vapor saturado entra na 
turbina a 18 MPa. A pressão do condensador é 6 kPa. Determine: 
a) o trabalho líquido por unidade de massa de fluxo de vapor d’água, em kJ/kg. 
b) a transferência de calor para o vapor d’água que passa através da caldeira, em kJ por 
kg e vapor escoando. 
c) a eficiência térmica. 
d) a transferência de calor para a água de arrefecimento que passa através do 
condensador, em kJ por kg de vapor condensado. 
 
5 – Água é o fluido de trabalho em um ciclo de potência a vapor de Carnot. Líquido 
saturado entra na caldeira a uma pressão de 18 MPa e vapor saturado entra na turbina. A 
pressão do condensador é 6 kPa. Determine: 
a) a eficiência térmica. 
b) a razão de trabalho reversa. 
c) o trabalho líquido do ciclo por unidade de massa de água escoando, em kJ/kg. 
d) a transferência de calor do fluido de trabalho passando através do condensador, em 
kJ/kg de vapor d’água escoando. 
 
6 – Uma usina de potência baseada no ciclo de Rankine está em desenvolvimento para 
fornecer uma potência líquida de saída de 10 MW. Serão utilizados coletores solares 
para gerar vapor de Refrigerante 22 a 1,6 MPa, 50 oC, para expansão através da turbina. 
Água de arrefecimento está disponível a 20 oC. Especifique o projeto preliminar do 
ciclo e estime a eficiência térmica e as vazões de refrigerante e de água de 
arrefecimento, em kg/h. 
 
7 – Refrigerante 134a é o fluido de trabalho em uma usina de potência movida a energia 
solar que opera segundo o ciclo de Rankine. Vapor saturado a 60 oC entra na turbina e o 
condensador opera a uma pressão de 6 bar. A taxa de entrada de energia para os 
coletores proveniente da radiação solar é de 0,4 kW por m2 de área de superfície de 
coletor. Determine a área de superfície de coletor solar mínima possível, em m2, por kW 
de potência produzida pela usina. 
 
8 – O vapor d’água entra na turbina de uma instalação de potência a vapor simples com 
uma pressão de 10 MPa e temperatura T, e se expande adiabaticamente até 6 kPa. A 
eficiência isoentrópica da turbina é 85%. Líquido saturado sai do condensador a 6 kPa e 
a eficiência isoentrópica da bomba é 82%. Para 580=T oC, determine o título na saída 
da turbina e a eficiência térmica do ciclo. 
 
9 – Reconsidere análise do PROBLEMA 2, mas inclua o fato de que a turbina e a 
bomba possuem eficiências isoentrópicas de 85 e 70%, respectivamente. Para o ciclo 
modificado determine: 
a) a eficiência térmica. 
b) a vazão mássica de vapor, em kg/h, para uma potência líquida de saída de 100 MW. 
c) a vazão mássica de água de arrefecimento do condensador, em kg/h, se esta água 
entra no condensador a 15 oC e sai a 35 oC com variação de pressão desprezível. 
 
10 – Vapor d’água superaquecido a 8 MPa e 480 oC deixa o gerador de vapor de uma 
instalação de potência a vapor. Os efeitos de atrito e transferência de calor na linha que 
conecta o gerador de vapor à turbina reduzem a pressão e a temperatura na entrada da 
turbina para 7,6 MPa e 440 oC, respectivamente. A pressão na saída da turbina é 10 kPa, 
e a turbina opera adiabaticamente. Líquido deixa o condensador a 8 kPa, 36 oC. A 
pressão aumenta para 8,6 MPa através da bomba. As eficiências isoentrópicas da turbina 
e da bomba são de 88%. A vazão mássica de vapor d’água é 79,53 kg/s. Determine: 
a) a potência líquida de saída, em kW. 
b) a eficiência térmica. 
c) a taxa de transferência de calor da linha que conecta o gerador de vapor à turbina, em 
kW. 
d) a vazão mássica da água de arrefecimento do condensador, em kg/s, se a água de 
arrefecimento entra a 15 oC e sai a 35 oC com variação de pressão desprezível. 
 
11 – Vapor superaquecido a 18 MPa, 560 oC, entra na turbina de uma instalação de 
potência a vapor. A pressão na saída da turbina é 0,06 bar, e o líquido deixa o 
condensador a 0,045 bar, 26 oC. A pressão aumenta para 18,2 MPa através da bomba. A 
turbina e a bomba possuem eficiências térmicas de 82 e 77%, respectivamente. Para o 
ciclo, determine: 
a) o trabalho líquido por unidade de massa de vapor escoando, em kJ/kg. 
b) a transferência de calor para o vapor d’água que passa através da caldeira, em kJ por 
kg de vapor escoando. 
c) a eficiência térmica. 
d) a transferência de calor para a água de resfriamento que passa através do 
condensador, em kJ por kg de vapor condensado. 
 
12 – Vapor a 10 MPa, 600 oC, entra na turbina de primeiro estágio de um ciclo de 
Rankine ideal com reaquecimento. O vapor que deixa a seção de reaquecimento do 
gerador de vapor está a 500 oC, e a pressão do condensador é 6 kPa. Se o título na saída 
da turbina e segundo estágio é 90%, determine a eficiência térmica do ciclo. 
 
13 – O ciclo ideal de Rankine do PROBLEMA 2 é modificado para incluir 
reaquecimento. No ciclo modificado, vapor d’água se expande através da turbina de 
primeiro estágio até 0,7 MPa e então é reaquecido até 480 oC. Se a potência líquida 
desenvolvida no ciclo modificado é 100 MW, determine para este novo ciclo: 
a) a taxa de transferência de calor para o fluido de trabalho que passa através do gerador 
de vapor, em MW. 
b) a eficiência térmica. 
c) a taxa de transferência de calor para a água de arrefecimento que passa pelo 
condensador, em MW. 
 
14 – Vapor d’água a 32 MPa, 520 oC, entra no primeiro estágio de um ciclo supercrítico 
com reaquecimento que possui três estágios de turbina. O vapor que sai do primeiro 
estágio de turbina a pressão p é reaquecido a pressão constante até 440 oC, e o vapor que 
sai do segundo estágio de turbina a 0,5 MPa é reaquecido a pressão constante até 360 
oC. Cada estágio de turbina e a bomba possuem uma eficiência isoentrópica de 85%. A 
pressão do condensador é 8 kPa. Para 4=p MPa, determine o trabalho líquido por 
unidade de massa escoando, em kJ/kg, e a eficiência térmica. 
 
15 – Modifique o ciclo de Rankine ideal do PROBLEMA 2 para incluir um aquecedor 
de água de alimentação aberto operando a 0,7 MPa. Líquido saturado sai do aquecedor 
de água de alimentação a 0,7 MPa. Responda às mesmas questões formuladas no 
PROBLEMA 2 sobre o ciclo modificado e discuta os resultados. 
 
16 – Uma instalação de potência opera sobre um ciclo de potência a vapor regenerativo 
com um aquecedor de água de alimentação aberto. Vapor d’água entra no primeiro 
estágio da turbina a 12 MPa, 520 oC e se expande até 1 MPa, quando parte do vapor é 
extraída e desviada para o aquecedor de água de alimentação aberto operando a 1 MPa. 
O restante do vapor se expande através da turbina de segundoestágio até a pressão do 
condensador de 6 kPa. Líquido saturado sai do aquecedor de água de alimentação aberto 
a 1 MPa. Considerando processos isoentrópicos nas turbinas e bombas, determine, para 
o ciclo: 
a) a eficiência térmica. 
b) a vazão mássica na turbina de primeiro estágio, em kg/h, para uma potência líquida 
de saída de 330 MW. 
 
17 – Modifique o ciclo de Rankine ideal do PROBLEMA 6 para incluir vapor 
superaquecido entrando no primeiro estágio da turbina a 18 MPa, 560 oC, e um 
aquecedor de água de alimentação aberto operando a 1 MPa. Líquido saturado sai do 
aquecedor de água de alimentação aberto a 1 MPa. Para o ciclo modificado determine: 
a) o trabalho líquido, em kJ por kg de vapor que entra no primeiro estágio da turbina. 
b) a eficiência térmica. 
c) a transferência de calor para a água de arrefecimento que passa através do 
condensador, em kJ por kg de vapor que entra no primeiro estágio da turbina. 
 
18 – Modifique o ciclo de Rankine ideal do PROBLEMA 2 para incluir um aquecedor 
de água de alimentação fechado que utiliza vapor extraído a 0,7 MPa. Condensado é 
drenado do aquecedor de água de alimentação como líquido saturado a 0,7 MPa e é 
purgado para dentro do condensador. A água de alimentação deixa o aquecedor a 8 MPa 
e a uma temperatura igual à temperatura de saturação a 0,7 MPa. Responda às mesmas 
questões formuladas no PROBLEMA 2 sobre o ciclo modificado e discuta os 
resultados. 
 
19 – Uma instalação de potência opera sob um ciclo de potência a vapor regenerativo 
com um aquecedor de água de alimentação fechado. Vapor d’água entra no primeiro 
estágio de turbina a 120 bar, 520 oC e se expande até 10 bar, quando parte de vapor é 
extraída e desviada para o aquecedor de água de alimentação fechado. Condensado 
saindo do aquecedor de água de alimentação como líquido saturado a 10 bar passa para 
o condensador através de um purgador. A água de alimentação sai do aquecedor a 120 
bar com uma temperatura de 170 oC. A pressão do condensador é 0,06 bar. 
Considerando processos isoentrópicos para cada estágio de turbina e para a bomba, 
determine para o ciclo: 
a) a eficiência térmica. 
b) a vazão mássica na turbina de primeiro estágio, em kg/h, para uma potência líquida 
de saída de 320 MW. 
 
20 – Modifique o ciclo de Rankine ideal do PROBLEMA 6 para incluir vapor 
superaquecido entrando no primeiro estágio de turbina a 18 MPa, 560 oC, e um 
aquecedor de água de alimentação fechado usando vapor extraído a 1 MPa. Condensado 
é drenado do aquecedor de água de alimentação como líquido saturado a 1 MPa e é 
purgado para o condensador. A água de alimentação deixa o aquecedor a 18 MPa e a 
uma temperatura igual à temperatura de saturação a 1 MPa. Para o ciclo modificado 
determine: 
a) o trabalho líquido, em kJ por kg de vapor que entra no primeiro estágio de turbina. 
b) a eficiência térmica. 
c) a transferência de calor para a água de arrefecimento que passa através do 
condensador, em kJ por kg de vapor que entra no primeiro estágio de turbina. 
 
21 – Considere um ciclo de potência a vapor regenerativo com dois aquecedores de 
água de alimentação, um fechado e outro aberto. Vapor d’água entra no primeiro estágio 
de turbina a 8 MPa, 480 oC e se expande até 2 MPa. Parte do vapor é extraído a 2 MPa e 
levado ao aquecedor de água de alimentação fechado. O restante se expande através do 
segundo estágio de turbina até 0,3 MPa, quando uma quantidade adicional é extraída e 
levada para o aquecedor de água de alimentação aberto, que opera a 0,3 MPa. O vapor 
que se expande através do terceiro estágio da turbina sai na pressão do condensador de 8 
kPa. A água de alimentação deixa o aquecedor fechado a 205 oC, 8 MPa, e condensado 
saindo como líquido saturado a 2 MPa é purgado para o aquecedor aberto. Líquido 
saturado a 0,3 MPa sai do aquecedor de água de alimentação aberto. A potência líquida 
de saída do ciclo é de 100 MW. Se os estágios de turbina e as bombas são isoentrópicos, 
determine: 
a) a eficiência térmica. 
b) a vazão mássica de vapor d’água que entra na primeira turbina, em kg/h. 
 
22 – Uma instalação de potência opera sob um ciclo de potência a vapor regenerativo 
com dois aquecedores de água de alimentação. Vapor d’água entra no primeiro estágio 
de turbina a 12 MPa, 520 oC e se expande em três estágios até a pressão de 6 kPa do 
condensador. Entre o primeiro e o segundo estágios, parte do vapor é desviada para um 
aquecedor de água de alimentação fechado a 1 MPa, com líquido saturado condensado 
sendo bombeado para a linha de água de alimentação da caldeira. A água de 
alimentação sai do aquecedor fechado a 12 MPa, 170 oC. Vapor d’água é extraído entre 
o segundo e o terceiro estágios de turbina a 0,15 MPa e levado a um aquecedor de água 
de alimentação aberto que opera naquela pressão. Líquido saturado a 0,15 MPa deixa o 
aquecedor de água de alimentação aberto. Considerando processos isoentrópicos para os 
estágios de turbina e bombas, determine, para o ciclo: 
a) a eficiência térmica. 
b) a vazão mássica na turbina de primeiro estágio, em kg/h, para uma potência líquida 
de saída de 320 MW. 
 
23 – Reconsidere o ciclo do PROBLEMA 22, mas inclua na análise que cada estágio de 
turbina possui uma eficiência isoentrópica de 82% e que cada bomba possui uma 
eficiência de 100%. 
 
24 – Modifique o ciclo de Rankine ideal do PROBLEMA 6 para incluir vapor 
superaquecido entrando no primeiro estágio de turbina a 18 MPa, 560 oC, e dois 
aquecedores de água de alimentação. Um aquecedor de água de alimentação fechado 
usa vapor extraído a 4 MPa e um aquecedor de água de alimentação aberto opera com 
vapor extraído a 0,3 MPa. Condensado é drenado do aquecedor de água de alimentação 
fechado como líquido saturado a 4 MPa e é purgado para o aquecedor aberto. A água de 
alimentação deixa o aquecedor fechado a 18 MPa e a uma temperatura igual à 
temperatura de saturação a 4 MPa. Líquido saturado deixa o aquecedor aberto a 0,3 
MPa. Determine para o ciclo modificado: 
a) o trabalho líquido, em kJ por kg de vapor que entra no primeiro estágio de turbina. 
b) a eficiência térmica. 
c) a transferência de calor para a água de arrefecimento que passa através do 
condensador, em kJ por kg de vapor que entra no primeiro estágio da turbina. 
 
25 – Vapor d’água entra no primeiro estágio de turbina de um ciclo de potência a vapor 
com reaquecimento e regeneração a 32 MPa, 600 oC e se expande até 8 MPa. Parte do 
escoamento é desviada para um aquecedor de água de alimentação fechado a 8 MPa, e o 
restante é reaquecido até 560 oC antes de entrar no segundo estágio de turbina. A 
expansão através do segundo estágio de turbina ocorre a 1 MPa, quando uma outra 
parcela do escoamento é desviada para um segundo aquecedor de água de alimentação 
fechado a 1 MPa. O restante do escoamento se expande através do terceiro estágio de 
turbina até 0,15 MPa, e o restante se expande através do quarto estágio de turbina até a 
pressão de 6 kPa do condensador. Condensado deixa cada aquecedor de água de 
alimentação fechado como líquido saturado na respectiva pressão de extração. As 
correntes de água de alimentação deixam cada aquecedor de água de alimentação 
fechado a uma temperatura igual à temperatura de saturação na respectiva pressão de 
extração. Cada corrente de condensado proveniente dos aquecedores fechados passa 
através de purgadores para dentro do aquecedor de água de alimentação de pressão mais 
baixa subsequente. O líquido saturado que sai do aquecedor aberto é bombeado até a 
pressão do gerador de vapor. Se cada estágio de turbina possui uma eficiência 
isoentrópica de 85% e as bombas operam isoentropicamente: 
a) esboce o layout do ciclo e numere os principais pontos que representam estados. 
b) determine a eficiência térmica do ciclo. 
c) calcule a vazão mássica do primeiro estágio de turbina, em kg/h, para uma potência 
líquida de saída de 500 MW.