Atividade 1_Máquinas Térmicas

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MÁQUINAS TÉRMICAS
ATIVIDADE 1
Pergunta 1
O Ciclo de Carnot opera por meio de processos que são denominados como reversíveis, sendo eles: dois processos isotérmicos e dois processos adiabáticos, que são processos de expansão e de compressão. É importante saber que os processos reversíveis podem ser desfeitos, permitindo-se que o sistema retorne à condição inicial sempre que possível.
 
Considerando o que está apontado acima, o Ciclo de Carnot é baseado nas Leis da Termodinâmica; com base nisso, a primeira e a segunda lei da termodinâmica defendem que:
· o ciclo real possui rendimento inferior e desigual dentro do processo de troca de calor.
· os processos de troca de calor possuem direção específica na transformação de energia.
· todo sistema recebe e fornece calor de um único reservatório térmico.
· a conservação de energia inexiste durante todo o processo.
· há resultado padronizado de transferência de energia ou de calor entre corpos em contato.
A segunda lei prega que os processos de troca de calor ou energia, que são qualitativos e quantitativos, acontecem em direção específica.
Pergunta 2
O Ciclo de Rankine é um tipo de ciclo termodinâmico largamente utilizado em motores a vapor e em turbinas a vapor. Esse ciclo funciona por meio do trabalho mecânico retirado de um fluido em movimento dentro do sistema. Considerando o Ciclo de Rankine, assinale a alternativa que apresenta definição correta sobre o assunto.
· O Ciclo de Rankine pode operar com fluidos supercríticos; sendo assim, o único fluido que consegue ser supercrítico é a água.
· O Ciclo Real de Rankine é aquele que trabalha por meio de processos isentrópicos, incluindo a bomba e a turbina.
· O ciclo de Rankine possui sequências em que o primeiro ponto se refere à saída do fluido pressurizado na bomba.
· A primeira etapa do Ciclo de Rankine é realizada de maneira adiabática reversível.
· O Ciclo de Rankine é diferente do Ciclo de Carnot por ser um sistema que não oferece eficiência térmica.
O Ciclo Real de Rankine é aquele que opera por meio de processos não isentrópicos, em que a bomba realiza a compressão do fluido e a turbina realiza a expansão; sendo assim, os processos são irreversíveis, possuindo aumento de entropia.
Pergunta 3
Leia o excerto de Sordi et al. (2021, p. 7) a seguir.
“A eficiência das turbinas a gás aumenta com a escala da máquina. [...] Para tanto as características do ciclo Brayton, como temperatura na câmara de combustão, relação de compressão, eficiências do compressor e turbina, variaram respectivamente entre 900ºC a 1100ºC [...]. A eficiência do ciclo Brayton variou entre 28% a 32%.”
 
SORDI et al. Gaseificação de biomassa e célula a combustível: sistema com célula tipo PEMFC. In: Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering – ENCIT, 11., 2006, Curitiba. Anais eletrônicos […]. Curitiba, 2006. Disponível em: http://www.proceedings.scielo.br/pdf/agrener/n6v1/066.pdf . Acesso em: 27 jan. 2023.
 
Considerando as informações do texto, bem como o fato de que o Ciclo de Brayton deverá manter o equilíbrio energético, é correto afirmar que:
· a dispensa do balanço de energia é possível para esse tipo de sistema.
· o calor é removido sempre que a pressão não é constante.
· a saída de calor do compressor tem pressão constante no ciclo.
· a expansão isentrópica comprime o ar ao passar pelas pás da turbina.
· a compressão isentrópica ocorre quando há redução da pressão do ar.
O compressor libera calor à pressão constante, depois esse ar segue para o trocador de calor, que não tem alteração de pressão ao receber o calor.
Pergunta 4
Em turbinas a gás, é possível acoplar um compressor, possibilitando que exista compressão quando o fluido estiver passando pelo compressor. Após a compressão, o fluido deverá seguir para uma câmara de combustão; depois disso, haverá trabalho com o fluido, que restará e será encaminhado para a turbina, representando um Ciclo de Brayton.
 
Considerando o que está apontado acima, justifica-se que o Ciclo de Brayton pode ser utilizado em sistemas abertos e fechados, sendo:
· o sistema aberto possui eixo entre turbina e compressor, e o sistema fechado não possui esse eixo entre ambos.
· o sistema aberto tem a saída de gases de exaustão, diretamente pela turbina, e de trabalho líquido.
· o sistema aberto possui trocador de calor entre a turbina e o compressor, e entre o compressor e a turbina.
· o sistema fechado possui interligação entre compressor, turbina e caixa de passagem de combustível.
· o sistema fechado e o sistema aberto possuem a mesma disposição de componentes, tendo 4 pontos.
O sistema aberto tem a saída de gases de exaustão, diretamente pela turbina, e de trabalho líquido; além disso, pelo compressor, entra o ar, diferentemente do sistema fechado em que a saída de calor ocorre pelo trocador de calor.
Pergunta 5
O Ciclo de Rankine é um tipo de ciclo que pode apresentar em seu modelo real, irreversibilidades. Considerando um Ciclo de Rankine real e ideal, assinale a alternativa que apresenta definição correta sobre o assunto.
· Em um ciclo ideal, haverá eficiência térmica real sempre superior à ideal.
· Em um ciclo ideal, haverá maior produção de trabalho pela turbina.
· Em um ciclo ideal, haverá menor consumo de trabalho pela bomba.
· Em um ciclo ideal, haverá atrito na passagem do fluido.
· Haverá ganho de calor durante o escoamento do fluido.
A bomba terá um maior consumo de trabalho, também compensará as irreversibilidades internas do dispositivo, sendo possível que a pressão perdida anteriormente seja restituída.
Pergunta 6
Observe a imagem de um Sistema de Brayton, mostrando um ciclo combinado de turbina a gás.
Figura 2.2 – Ciclo combinado de turbina a gás
Fonte: Adaptada de farhanshahid92 / Fiverr.
https://www.fiverr.com/farhanshahid92/help-you-in-power-plant-engineering-and-related-problems
 #PraCegoVer: a imagem apresenta o ciclo combinado de turbina a gás com muitos equipamentos componentes. É possível ver um gerador conectado a uma caixa de transmissão, e essa caixa está ligada ao compressor que comanda a câmara de combustão. A imagem mostra um segundo gerador ligado à outra caixa de transmissão que está conectada à turbina a vapor. Além disso, há uma torre de refrigeração ligada ao condensador de vapor, uma central de cogeração térmica conectada à central de tratamento de água em que a água chega depois de sair da bomba de água.
Considerando a imagem acima, que mostra um Ciclo de Brayton, analise as afirmativas a seguir.
I. A imagem mostra que o gerador recebe energia do fluido que é transformada em elétrica.
II. A imagem mostra que, na torre de refrigeração, o fluido chega à turbina com maior temperatura.
III. A imagem mostra que, na caldeira, o fluido se mantém em baixa temperatura do início ao fim.
IV. Na exaustão, o fluido, depois de passar pela caldeira, será impulsionado pela bomba.
É correto o que se afirma em:
· II e III, apenas.
· I, II e III, apenas.
· I, II e IV, apenas.
· III e IV, apenas.
· I e IV, apenas.
A afirmativa I é correta, pois a imagem mostra que o gerador recebe energia do fluido (no caso a água), que é transformada em energia elétrica através do gerador e é enviado posteriormente para distribuição a uma subestação. A afirmativa II é incorreta, pois a imagem mostra que, na torre de refrigeração, o fluido chega à turbina com menor temperatura. O papel da torre de resfriamento é reduzir a temperatura do fluido para que ele seja encaminhado para os próximos processos do sistema. A afirmativa III é incorreta, pois a imagem mostra que, na caldeira, o fluido é aquecido à alta temperatura para que ocorra o processo de vaporização; a mudança de temperatura do fluido altera as suas propriedades, o que possibilita o alcance da temperatura desejada. A afirmativa IV é correta, pois, na exaustão, o fluido depois de passar pela caldeira — mais especificamente depois da compressão, já que o seu papel é reduzir a pressão do fluido (nesse caso em estado de vapor) —, será tratado e impulsionado pela bomba para que chegue até a etapa de condensaçãode vapor.
Pergunta 7
Leia o excerto de Rosa e Orey (2012, p. 263) a seguir.
 
“Portanto, diante deste contexto, entre as várias tendências atuais para o ensino da matemática, acreditamos que aquela que seja a mais adequada e que atenda as necessidades impostas pela sociedade contemporânea é a modelagem matemática.”
 
ROSA, M.; OREY, D. C.. A modelagem como um ambiente de aprendizagem para a conversão do conhecimento matemático. Boletim de Educação Matemática, Bolema, Rio Claro (SP), v. 26, n. 42A, p. 261-290, abr. 2012 Disponível em: https://www.scielo.br/j/bolema/a/qgzsCvvGdjSp54nsS3C6TxB/?lang=pt. . Acesso em: 27 jan. 2023.
 
Com base no excerto apresentado, avalie as afirmações a seguir.
I. No Ciclo de Brayton, inexistem valores típicos para razão de pressão e para eficiências usuais do sistema.
II. No Ciclo de Brayton, a modelagem matemática é utilizada para calcular a eficiência de cada ciclo.
III. No Ciclo de Brayton, o brw (back work ratio) é usado para calcular a relação entre trabalhos existentes no sistema.
IV. No Ciclo de Brayton, na modelagem matemática, o rp representa a razão de volume de fluido entre os estados do ciclo.
É correto o que se afirma em:
· I, II e IV, apenas.
· I e III, apenas.
· II e III, apenas.
· II, III e IV, apenas.
· I e IV, apenas.
A afirmativa I está incorreta, visto que, no Ciclo de Brayton, existem valores típicos para razão de pressão e para eficiências usuais do sistema, esses valores de rp estão entre 11 e 16, e a eficiência usual entre 38 e 35%. A afirmativa II está correta, pois, no Ciclo de Brayton, a modelagem matemática é utilizada para calcular a eficiência de cada ciclo, obtida por meio da equação n_(t,Brayton ) = 1 - ?rp?^(-((1-k))/k). A afirmativa III está correta, porque, no Ciclo de Brayton, o brw (back work ratio) é usado para calcular a relação entre trabalho consumido pelo compressor (Wc) e trabalho gerado pela turbina (Wt). A afirmativa IV está incorreta, pois, no Ciclo de Brayton, na modelagem matemática, o rp representa a razão de pressão entre os estados do ciclo, por exemplo, pressão do estado 2 sobre pressão do estado 1, podendo ser também relacionada à pressão de estados 3 e 4, por exemplo, em um sistema fechado.
Pergunta 8
É possível determinar a eficiência térmica de um Ciclo de Rankine com base nas temperaturas existentes no fluido de trabalho utilizado pelo sistema. Levando-se em consideração que a caldeira que faz parte do sistema não atua com sua capacidade máxima, e a operação da água como fluido tem temperaturas entre 30ºC e 350ºC. 
 
Considerando que a energia que sai na posição 1 (h1) seja igual a 180,53; a energia que entra na posição 2 (h2) seja igual a 193,43; a energia que entra na posição 3 (h3) seja igual a 2001,67 e a energia que sai na posição 4 (h4) seja igual a 1679,98, analise as afirmativas a seguir. 
I. A eficiência térmica do ciclo é superior a 50%.
II. A eficiência térmica do ciclo é inferior a 13%.
III. A eficiência térmica do ciclo é de 17%.
IV. A eficiência térmica do ciclo é diferente de 31%.
Está correto o que se afirma em:
· I e IV, apenas.
· II, III e IV, apenas.
· I e III, apenas.
· I, II e III, apenas.
· III e IV, apenas.
O valor da eficiência térmica é de 17% e diferente de 31%. Realizando o cálculo da eficiência térmica do ciclo: ?_t = 1 - (h_4 - h_1 )/(h_3 - h_2 ) ? ?_t = 1 - (1679,98 - 180,53 )/(2001,67 - 193,43) ? ?_t = 1 - (1499,45 )/1808,24? ?_t = 1 - 0,83 ? ?_t =0,17 ou 17%.
Pergunta 9
Os processos isentrópicos são existentes em sistemas que utilizam o Ciclo de Brayton, sendo processos baseados na Segunda Lei da Termodinâmica, em que a entropia do sistema fica constante, e a entropia está relacionada com o grau de desordem das partículas.
 
Considerando a análise de um processo isentrópico com pressão de saída igual 30 N/m² e a pressão de entrada igual a 60 N/m², analise as afirmativas a seguir sobre a razão de pressão:
I. A razão de pressão nesse caso é superior a 90%.
II. A razão de pressão nesse caso é inferior a 10%.
III. A razão de pressão nesse caso é de 50%.
IV. A razão de pressão nesse caso é diferente de 30%.
Está correto o que se afirma em:
· I e IV, apenas. 
· II, III e IV, apenas.
· I e III, apenas. 
· I, II e III, apenas.
·  III e IV, apenas.
Realizando o cálculo da razão de pressão, tem-se que rp = P2/P1, substituindo os valores: rp = 30/60 = 0,5 = 50%
Pergunta 10
Em sistemas de refrigeração, que são sistemas térmicos, ocorrem processos de transformação de calor divididos em ciclos de expansão e de compressão do fluido refrigerante. Considerando os tipos de expansão e compressão que ocorrem em sistemas de refrigeração, assinale a alternativa que apresenta a definição correta sobre esse assunto.
· A expansão e a compressão têm a mesma finalidade dentro de sistemas térmicos.
· A compressão adiabática refere-se à redução de temperatura para gerir trabalho.
· A compressão isotérmica refere-se à liberação do gás, reduzindo seu volume.
· A expansão isotérmica refere-se à conversão de fonte quente em trabalho.
· A expansão adiabática refere-se ao aumento do calor ou da temperatura.
A expansão isotérmica consiste no recebimento de calor que advém de fonte quente, convertendo-o em trabalho, ocorrendo, assim, a redução de temperatura para que ocorra esse processo.