13B6 - SISTEMAS FLUIDOSTERMICOS_TIAGO CATENA DE FARIA

Prévia do material em texto

13B6 – SISTEMAS FLUIDOSTERMICOS
NOME: Tiago Catena de Faria
RA: T19556-0
MODULO 01
Ex 1. Um motor a gasolina de quatro tempos apresenta a relação de compressão igual a 10 para 1. O motor tem deslocamento total igual a 2,4 litros e a temperatura e pressão do ar antes da compressão são iguais a 290 K e 75 kPa. Sabendo que o motor trabalha a 1800 rpm e que a pressão média efetiva é 600 kPa, determine a eficiência do ciclo.
Dado k = 1,4
ƞ𝑂𝑡𝑡𝑜 = 𝑤𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 / 𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 418,17 / 800
 ƞ𝑂𝑡𝑡𝑜 = 0,60 𝑜𝑢 60%
Alternativa B) 0,6
Ex 3. Um motor a gasolina de quatro tempos trabalha a 2000 rpm e tem deslocamento total igual a 4,2 litros. A temperatura e a pressão do ar antes da compressão são iguais a 280 K e 85 kPa. Depois da combustão a temperatura é 2000 K e a pressão máxima é 5 MPa. Determine a relação de compressão.
Utilizando a formula da compressão, resolvemos o exercício:
𝑇3 = 𝑇2 𝜗3 𝜗2 = 𝑟𝑐𝑇2
𝑇3 = T2 V200K = rc 280
T3 = 8,235
Alternativa D) 8,235.
Ex 4. 
Um motor a gasolina é alimentado com ar a 95 kPa e 300 K. O ar é então comprimido num processo que apresenta relação de compressão volumétrica igual a 8 para 1. Sabendo que o combustível libera 1300 kJ/kg de ar no processo de combustão, determine (aproximadamente) a pressão imediatamente após o processo de combustão. 
Dado k = 1,4 e Cv = 0,717 kJ/kgK
Alternativa C) 6,3 Mpa.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
MODULO 2
Ex 1. 
Um motor a diesel tem temperatura e pressão do ar antes do proccesso de compressão iguais a 300 K e 95KPa. Sabendo que a relação de compressão é igual a 20:1 e a combustão adiciona 1300 kJ/kg, determine a temperatura após a combustão utilizando propriedades do ar frio.
Dado: k = 1,4 e Cp = 1,004 kJ/kgK
Alternativa A) 2289 K
Ex 2. 
A temperatura e a pressão do ar antes do processo de compressão num motor a diesel são iguais a 290 K e 95 kPa. Sabendo que a pressão e a temperatura máximas do ciclo são iguais a 6 MPa e 2400, determine a relação de compressão do motor.
Dado: k = 1,4
𝑊̇ 𝑐
𝑏𝑤𝑟 = 𝑊̇ 𝑐 𝑚̇ 𝑊̇ 𝑡 𝑚̇ = 349,2 565,5 
𝑏𝑤𝑟 = 19,32
Alternativa E) 19,32.
Ex 3.
A temperatura e a pressão do ar antes do processo de compressão num motor a diesel são iguais a 290 K e 95 kPa. Sabendo que a pressão e a temperatura máximas do ciclo são iguais a 6 MPa e 2400, determine a eficiência térmica do  motor.
Dado: k = 1,4
ƞ𝐷𝑢𝑎𝑙 = 1 − 𝑢5 − 𝑢1 (𝑢3 − 𝑢2) + (ℎ4 − ℎ3 ) = 1 − 475,96 − 214,07 (1065,8 − 673,2) + (1778,3 − 1452,6) 
ƞ𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 = 0,62 𝑜𝑢 62%
Alternativa B) 62%
Ex 4. 
Um motor a diesel com seis cilindros utiliza pistões com diâmetros iguais a 100 mm. O curso dos pistões é 110 mm e a relação de compressão desse motor é 19:1. Normalmente, o motor opera a 2000 rpm. Sabendo que a pressão média efetiva do motor é igaul a 1400 kPa, determine a potência desse motor. Observe que cada ciclo é composto por duas rotações do motor.
O processo 3-4 ocorre a pressão constante: 𝑇4 = 𝑇3 𝜗4 𝜗3 = 1347,5(1,2) = 121 K
Alternativa A) 121 Kw
Ex 5. 
Superalimentação é utilizada em um motor a diesel de forma que a temperatura e pressão do ar antes do processo de compressão sejam iguais a 320 K e 200 kPa. O motor tem deslocamento de 10 litros e opera a 200 rpm. Sabendo que a relação de compressão é igual a 18:1 e a pressão média efetiva é 830 kPa, determine a potência produzida.
Da tabela de propriedades do ar como gás ideal para T1 = 300 K temos: 
u1 = 214,07 kJ/kg 
vr1 = 621,2 
𝑣𝑟2 = 𝑣𝑟1/ (𝜗2 𝜗1) = 𝑣𝑟1/ 𝑟 = 621,2/18 = 27,7 kW
Alternativa E) 27,7 kW.
Ex 6. 
O maior motor diesel do mundo tem deslocamento de 25 m3 e opera a 200 rpm em um ciclo de dois tempos, produzindo 100000 HP. Considerando um estado de admissão de ar com temperatura e pressão iguais a 300 K e 200 kPa, e uma relação de compressão de 20:1, determine a pressão média efetiva.
Dado: 1 HP = 0,746 kW
𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 𝑚 [(𝑢3 − 𝑢4) − (𝑢2 − 𝑢1)]
Onde 𝑚 = 𝑝1𝜗1 (𝑅̅⁄𝑀) 𝑇1 = 14,696 [𝑙𝑏𝑓/𝑖𝑛2 ]0,02[𝑓𝑡3] (144 𝑖𝑛2 𝑓𝑡2 ⁄ ) ( 1545 28,97 𝑓𝑡 𝑙𝑏𝑓 𝑙𝑏 𝑅 ) 540 𝑅 = 1,47𝑥10−3 𝑙𝑏 
𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 1,47𝑥10−3 [(721,44 − 342,2) − (211,3 − 92,04)] = 0,382 𝐵𝑡𝑢 
𝑝̅= 𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 (𝜗𝑃𝑀𝐼 − 𝜗𝑃𝑀𝑆) = 𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 (𝜗1 − 𝜗2) = 𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 (𝜗1 − 𝜗1 𝑟 ⁄ ) = 𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝜗1(1 − 1 𝑟 ⁄ ) 𝑝̅= 0,382 𝐵𝑡𝑢 0,02 𝑓𝑡3(1 − 1 8 ⁄ ) ( 778 𝑓𝑡 𝑙𝑏𝑓 1 𝐵𝑡𝑢 ) ( 1 𝑓𝑡2 144 𝑖𝑛2 ) 𝑝̅= 118 𝑙𝑏𝑓/𝑖𝑛2
𝑝̅= 895 
Alternativa D) 895Kpa
MODULO 3
Ex 3. 
Um ciclo Brayton ideal tem pressão e a temperatura do ar que entra no compressor iguais a 100 kPa e 290 K e a relação de pressão do compressor igual a 15 para 1. Utilizando propriedades de ar frio, determine a transferência de calor específica.
Dado: k = 1,4 e Cp = 1,004 kJ/kgK
𝑇2 / 𝑇1 = ( 𝜗1 𝜗2 ) 𝑘−1 = 𝑟 𝑘−1 
𝑇4 / 𝑇3 = ( 𝜗3 𝜗4 ) 𝑘−1 = ( 𝑟 𝑟𝑐 ) 𝑘−1
h2 = 975,2 kJ/kg
Alternativa C) 975,2 kJ/kg
Ex 4.
Um ciclo Brayton ideal tem pressão e a temperatura do ar que entra no compressor iguais a 100 kPa e 290 K e a relação de pressão do compressor igual a 15 para 1. Utilizando propriedades de ar frio, determine o trabalho líquido específico produzido.
Dado: k = 1,4 e Cp = 1,004 kJ/kgK
𝑚̇ = (𝐴𝑉)1 𝑣1 = (𝐴𝑉)1𝑝1 (𝑅̅⁄𝑀) 𝑇1 = 5(100000) (8314 28,97) 300
𝑚̇= 5,807 / 0,098
𝑚̇ = 525,34 KJ/KG
Alternativa C) 525,34 kJ/kg
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
MODULO 4 
Ex 1. Um ciclo Brayton com um regenerador ideal, o ar entra no compressor a 290 K e 90 kPa, com pressão e temperaturas máximas iguais a 1170 kPa e 1700 K. Determine a transferência de calor específica utilizando propriedades do ar frio.
Dados: k = 1,4 e Cp = 1,004 kJ/kgK
𝑣1 = 𝑅̅ 𝑀 𝑇1 𝑝1 = 8314 28,97 300 105 = 0,886 * 100
𝑣1 = 886,6 KJ/KG
Alternativa D) 886,6 kJ/kg
Ex 2. 
Um ciclo Brayton com um regenerador ideal, o ar entra no compressor a 290 K e 90 kPa, com pressão e temperaturas máximas iguais a 1170 kPa e 1700 K. Determine o rendimento térmico do ciclo utilizando propriedades do ar frio.
Dados: k = 1,4 e Cp = 1,004 kJ/kgK
Efetividade do Regenerador A efetividade do regenerador é um parâmetro que mede o afastamento de um regenerador real em relação ao regenerador ideal. 
ƞ𝑟𝑒𝑔 = ℎ𝑥 − ℎ2 ℎ4 − ℎ2 
Na prática, os valores típicos para a efetividade de regeneradores estão na faixa de 60 a 80%
Alternativa B) 0,646
Ex 3. 
O compressor de uma turbina a gás apresenta dois estágios e é alimentado com ar a 290 K e 100 kPa. A pressão na seção de descarga do primeiro estágio de compressão é 500 kPa. O ar descarregado do estágio é então resfriado, num resfiador intermediário, até 340 K por meio de transferência de calor ao ambiente que está a 290 K. Esse primeiro estágio de compressão tem uma eficiência isentrópica de 85% e é adiabático. Determine a temperatura de saída do compressor. Admita calor específico constante.
Dados: k = 1,4 e Cp = 1,004 kJ/kgK
Alternativa B) 489,2 K
Ex 4. 
Um compressor de ar de dois estágios com resfriador intermediário tem temperatura e a pressão na seção de entrada do primeiro estágio iguais a 17°C e 100 kPa. A pressão na seção de descarga do primeiro estágio de compressão é 500 kPa. O ar descarregado do estágio é então resfriado, num resfriador intermediário, até 27°C, à pressão constante P. O segundo estágio comprime o ar a 1000 kPa. Admitindo que ambos os estágios sejam adiabáticos e reversíveis, determine o trabalho específico nos estágios de compressão.
Dados: k = 1,4 e Cp = 1,004 kJ/kgK
𝑣1 = 𝑅̅ 𝑀 𝑇1 𝑝1 = 1,004 28,97 300 105 = 0,253 * 100
𝑣1 = 253 KJ/KG
Alternativa A) 253 kJ/kg
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
MODULO 5 
Ex 1. 
Um ciclo ideal a ar para uma turbina a gás de aplicação aeronáutica (propulsão) tem pressão e temperatura na seção de alimentação do compressor iguais a 90 kPa e 290 K. A relação entre as pressões do compressor é de 14 para 1 e a temperatura na seção de alimentação da turbina é 1500 K. Sabendo que o ar descarregadoda turbina é expandido num bocal até a pressão de 90 kPa, determine a velocidade do ar na seção de saída do bocal.
Dados: k = 1,4 e Cp = 1,004 kJ/kgK
𝑝𝑟2 = 𝑝𝑟1 𝑝2 𝑝1 = 1,1146(10) = 11,146
𝑝𝑟2 = 𝑝𝑟1 𝑝2 𝑝1 = 290(3,2) = 969 M/s
Alternativa B) 969 m/s
Ex 2. 
A turbina de um motor a jato é alimentada com gás a 1200 K e 800 kPa e descarrega o gás num bocal. O bocal expande o gás até a pressão local da atmosfera, que é igual a 80 kPa. Todo o trabalho produzido na turbina é utilizado para acionar o compressor, que é alimentado com ar a 85 kPa e 270 K. Admitindo que o fluido de trabalho apresente composição constante e igual à do ar puro e que velocidade dos gases na seção de descarga do bocal seja igual a 800 m/s, determine a pressão na seção de descarga da turbina.
Dados: k = 1,4 e Cp = 1,004 kJ/kgK
𝑚̇ = (𝐴𝑉)1 𝑣1 = (𝐴𝑉)1𝑝1 (𝑅̅⁄𝑀)𝑇1 = 5(100000) ( 8314 28,97) 300 
𝑚̇ = 5,807 𝑘𝑔/𝑠 𝑊̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 5,807 [565,5 − 349,2] 
𝑊̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 340,7 Kpa	
Alternativa B) 340,7 kPa
Ex 3. 
Considere um ciclo de motor a jato que opera num ambiente em que a pressão e a temperatura são iguais a 100 kPa e 280 K. A potência utilizada para acionar o compressor do ciclo é 4 MW e a vazão de ar no ciclo é 9 kg/s. A temperatura e a pressão na seção de alimentação da turbina são iguais a 1600 K e 2 MPa. Sabendo que a eficiência isentrópica da turbina é igual a 85%, determine a pressão na seção de alimentação do bocal do ciclo. Admita que a eficiência desse bocal seja 95%.
Dados: k = 1,4 e Cp = 1,004 kJ/kgK
𝑊̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 𝑚̇[(ℎ3 − ℎ4 ) − (ℎ2 − ℎ1 )] 
𝑚̇ = (𝐴𝑉)1 𝑣1 = (𝐴𝑉)1𝑝1 (𝑅̅⁄𝑀)𝑇1 = 5(100000) ( 8314 28,97) 300 
𝑚̇ = 5,807 𝑘𝑔/𝑠 𝑊̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 5,807 [(1515,27 − 808,4) − (579,8 − 300,47)] 
𝑊̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 504,2 kPa
Alternativa A) 504,2 kPa
Ex 4. 
Considere um ciclo de motor a jato que opera num ambiente em que a pressão e a temperatura são iguais a 100 kPa e 280 K. A potência utilizada para acionar o compressor do ciclo é 4 MW e a vazão de ar no ciclo é 9 kg/s. A temperatura e a pressão na seção de alimentação da turbina são iguais a 1600 K e 2 MPa. A eficiência isentrópica da turbina é igual a 85%, e admita que a eficiência desse bocal seja 95%. Calcule a velocidade do escoamento de ar na seção de descarga do bocal.
Dados: k = 1,4 e Cp = 1,004 kJ/kgK
Para o estado 3 temos que T3 = 1400 K e pela tabela h3 = 1515,27 kJ/kg e pr3 = 361,62 
𝑝𝑟4 = 𝑝𝑟3 𝑝1 𝑝2 = 361,62 (1 10) = 904 m/s
Alternativa C) 904 m/s
Ex 5. 
Considere um ciclo de motor a jato que opera num ambiente em que a pressão e a temperatura são iguais a 100 kPa e 280 K. A potência utilizada para acionar o compressor do ciclo é 4 MW e a vazão de ar no ciclo é 9 kg/s. A temperatura e a pressão na seção de alimentação da turbina são iguais a 1600 K e 2 MPa. A eficiência isentrópica da turbina é igual a 85%, e admita que a eficiência desse bocal seja 95%. Calcule a temperatura na seção de descarga do bocal.
Dados: k = 1,4 e Cp = 1,004 kJ/kgK
𝑊̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 𝑚̇[(ℎ3 − ℎ4 ) − (ℎ2 − ℎ1 )]
 𝑚̇ = (𝐴𝑉)1 𝑣1 = (𝐴𝑉)1𝑝1 (𝑅̅⁄𝑀)𝑇1 = 5(100000) ( 8314 28,97) 300 𝑚̇ = 5,807 𝑘𝑔/𝑠 
𝑊̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 5,807 [(1515,27 − 808,4) − (579,8 − 300,47)] 𝑊̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 750 𝑘
Alternativa E) 750 K