7 Anlise de Energia dos Sistemas Abertos Exerccios

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Análise de Energia dos Sistemas Abertos - Exercícios
MEC-1507 
Sistemas Térmicos I
Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza
Ar entra em um bocal a 2,21 kg/m³ e 40 m/s e sai a 0,762 kg/m³ e 180 m/s em um processo em regime permanente.
Se a área de entrada do bocal for de 90 cm², determine:
a) o fluxo de massa através do bocal
b) a área de saída do bocal.
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Exercício 5-6
Um secador de cabelos é basicamente um duto com diâmetro constante no qual são colocadas algumas camadas de resistores elétricos.
Um ventilador pequeno empurra o ar para dentro e o força a passar através dos resistores onde ele é aquecido.
Se a densidade do ar for 1,20 kg/m³ na entrada e 1,05 kg/m³ na saída, determine o aumento percentual da velocidade do ar ao escoar através do secador.
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Exercício 5-7
Um tanque rígido de 1 m³ inicialmente contém ar com densidade igual a 1,18 kg/m³.
O tanque é conectado a uma linha de alimentação de alta pressão por meio de uma válvula.
A válvula é aberta e o ar entra no tanque até que a densidade do ar no tanque suba para 7,2 kg/m³.
Determine a massa de ar que entrou no tanque.
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Exercício 5-8
Uma sala para fumantes deve acomodar 15 pessoas que fumam bastante. 
Os requisitos mínimos de ar fresco para salas de fumantes são especificados como 30 l/s por pessoa.
Determine a vazão volumétrica mínima necessária de ar fresco que precisa ser suprido à sala e o diâmetro do duto, se a velocidade do ar não deve exceder 8 m/s.
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Exercício 5-11
Refrigerante R-134a entra em regime permanente em um tubo com 28 cm de diâmetro a 200 kPa e 20°C com uma velocidade de 5 m/s.
O refrigerante ganha calor à medida que escoa e deixa o tubo a 180 kPa e 40°C. 
Determine:
a) a vazão volumétrica do refrigerante na entrada 
b) o fluxo de massa de refrigerante
c) a velocidade e a vazão volumétrica na saída
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Exercício 5-14
Ar entra em regime permanente em um bocal adiabático a 300 kPa, 200 °C e 30 m/s e sai a 100 kPa e 180 m/s.
A área na entrada do bocal é de 80 cm². 
Determine:
a) o fluxo de massa no bocal
b) a temperatura de saída do ar
c) a área de saída do bocal
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Exercício 5-27
Vapor d’água a 5 MPa e 400°C entra em um bocal em regime permanente com uma velocidade de 80 m/s e sai a 2 MPa e 300°C.
A área na entrada do bocal é de 50 cm² e calor está sendo perdido à taxa de 120 kJ/s.
Determine: 
a) o fluxo de massa de vapor
b) a velocidade do vapor na saída
c) a área na saída do bocal
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Exercício 5-29
Ar a 600 kPa e 500 K entra com velocidade de 120 m/s em um bocal adiabático que tem relação entre a área de entrada e a área de saída de 2:1 e sai com velocidade de 380 m/s.
Determine:
a) a temperatura do ar na saída
b) a pressão do ar na saída
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Exercício 5-31
Ar a 80 kPa e 127°C entra em regime permanente em um difusor adiabático com fluxo de massa de 6000 kg/h e sai a 100 kPa.
A velocidade da corrente de ar diminui de 230 para 30 m/s ao passar através do difusor.
Determine: 
a) a temperatura de saída do ar
b) a área na saída do difusor
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Exercício 5-32
Ar a 80 kPa, 27°C e 220 m/s entra em um difusor à taxa de 2,5 kg/s e sai a 42°C.
A área de saída do difusor é de 400 cm².
A perda de calor do ar é estimada à taxa de 18 kJ/s durante esse processo.
Determine: 
a) a velocidade na saída
b) a pressão do ar na saída
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Exercício 5-35
Vapor d’água entra em uma turbina adiabática a 10 MPa e 500°C e sai a 10 kPa com um título de 90%.
Desprezando as variações das energias cinética e potencial, determine o fluxo de massa necessário para uma produção de potência de 5 MW.
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Exercício 5-46
Vapor d’água entra em uma turbina adiabática a 8 MPa e 500°C com vazão de 3 kg/s e sai a 20 kPa.
Se a potência produzida pela turbina é de 2,5 MW, determine a temperatura do vapor na saída da turbina.
Despreze as variações da energia cinética.
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Exercício 5-47
Ar entra no compressor de uma instalação de turbina a gás nas condições ambientes de 100 kPa e 25°C com velocidade baixa e sai a 1 MPa e 347°C com velocidade de 90 m/s.
O compressor é resfriado à taxa de 1500 kJ/min e a potência fornecida ao compressor é de 250 kW.
Determine o fluxo de massa do ar no compressor.
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Exercício 5-50
Hélio deve ser comprimido de 120 kPa e 310 K até 700 kPa e 430 K.
Uma perda de calor de 20 kJ/kg acontece durante o processo de compressão.
Desprezando as variações da energia cinética, determine a potência necessária para um fluxo de massa de 90 kg/min.
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Exercício 5-51
Refrigerante R-134a é estrangulado do estado de líquido saturado a 700 kPa até a pressão de 160 kPa.
Determine a queda de temperatura durante esse processo e o volume específico final do refrigerante.
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Exercício 5-57
Refrigerante R-134a a 800 kPa e 25°C é estrangulado até a temperatura de -20°C. 
Determine a pressão e a energia interna do refrigerante no estado final.
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Exercício 5-58
Uma válvula bem isolada é usada para estrangular vapor d’água de 8 MPa e 500°C a 6 MPa.
Determine a temperatura final do vapor.
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Exercício 5-59
Uma corrente de água quente a 80°C entra em uma câmara de mistura com um fluxo de massa de 0,5 kg/s, onde ela é misturada com uma corrente de água fria a 20°C.
Para que a mistura saia da câmara a 42°C, determine o fluxo de massa da corrente de água fria.
Assuma que todas as correntes estão a uma pressão de 250 kPa.
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Exercício 5-65
Água líquida a 300 kPa e 20°C é aquecida em uma câmara pela mistura com uma corrente de vapor superaquecido a 300 kPa e 300°C.
A água fria entra na câmara à taxa de 1,8 kg/s.
Se a mistura sair da câmara a 60°C, determine o fluxo de massa de vapor superaquecido necessário.
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Exercício 5-66
Refrigerante R-134a a 700 kPa, 70°C e 8kg/min é resfriado por água em um condensador até existir como líquido saturado à mesma pressão.
A água de resfriamento entra no condensador a 300 kPa e 15°C e sai a 25°C à mesma pressão.
Determine o fluxo de massa da água de resfriamento necessário para resfriar o refrigerante.
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Exercício 5-71
Vapor d’água deve ser condensado no condensador de uma usina de potência a vapor a uma temperatura de 50°C com água de resfriamento de um lago próximo, que entra nos tubos do condensador a 18°C a uma taxa de 101 kg/s e sai a 27°C.
Determine a taxa de condensação do vapor d’água no condensador.
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Exercício 5-73
Um trocador de calor de duplo tubo de correntes opostas é usado para resfriar óleo (cp=2,20 kJ/kg.°C) de 150°C até 40°C a uma vazão de 2 kg/s por água (cp=4,18 kJ/kg.°C) que entra a 22°C a vazão de 1,5 kg/s.
Determine a taxa de transferência de calor e a temperatura de saída da água.
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Exercício 5-78
Água fria (cp=4,18 kJ/kg.°C) que será utilizada em um chuveiro entra em um trocador de calor tipo duplo-tubo de correntes opostas a 15°C e vazão de 0,6 kg/s e é aquecida a 45°C por água quente (cp=4,19 kJ/kg.°C) que entra a 100°C com vazão de 3kg/s.
Determine a taxa de transferência de calor no trocador de calor e a temperatura de saída da água quente.
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Exercício 5-79
Uma caixa eletrônica vedada deve ser resfriada por água de torneira que escoa através de canais em dois de seus lados.
Está especificado que o aumento da temperatura da água não deve exceder 4°C.
A potência dissipada na caixa é de 2 kW, a qual é totalmente removida pela água.
Se a caixa operar 24 horas por dia, 365 dias por ano, determine o fluxo de massa da água que escoa pela caixa e a quantidade de água de resfriamento utilizada por ano.
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Exercício 5-86
Os componentes de um sistema eletrônico que dissipa 180 W estão localizados em um duto horizontal de 1,4 m de comprimento, cuja seção transversal tem 20 cm x 20 cm.
Os componentes no duto são resfriados pelo escoamento de ar que entra no duto a 30°C e 1 atm e a uma vazão de 0,6 m³/min e dele sai a 40°C.
Determine a taxa de transferência de calor das superfícies externas do duto para o ambiente.
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Exercício 5-90
Água quente a 90°C entra em um trecho de 15 m de um tubo de ferro fundido com
diâmetro interno de 4 cm à velocidade média de 0,8 m/s.
A superfície externa do tubo é exposta ao ar frio a 10°C de um porão.
Se a água sai desse porão a 88°C, determine a taxa de perda de calor da água.
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Exercício 5-94
Uma casa tem um sistema de aquecimento elétrico que consistem em um ventilador de 300 W e um resistor colocado em um duto.
O ar escoa em regime permanente no duto com vazão igual a 0,6 kg/s e sofre um aumento de temperatura de 7°C.
A taxa de perda de calor do duto é estimada em 300 W.
Determine a potência nominal do sistema de aquecimento elétrico.
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Exercício 5-97