Princípios Termodinâmicos em Equipamentos

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Análise de Volumes de Controle
TERMODINÂMICA
U3S2 - Atividade Diagnóstica
Difusores são dispositivos utilizados para desacelerar escoamentos aumentando a área da seção transversal na direção na qual se move o fluido (líquido ou vapor). Assim, torna-se possível aumentar a pressão do fluido na saída do difusor ao reduzir a velocidade do escoamento.
Normalmente, estes dispositivos operam em regime permanente e na modelagem da primeira lei da termodinâmica é considerado que:
o único trabalho existente no dispositivo é o trabalho de fluxo, por essa razão, o termo transferência de energia na forma de trabalho é desconsiderado da equação do balanço de energia. Além disso, tanto a energia potencial quanto a transferência de calor podem ser desconsideradas no balanço da energia, pois quando comparados às mudanças da energia cinética e a entalpia não representam um valor significativo.
U3S2 - Atividade Diagnóstica
Entre os vários equipamentos de interesse em análises de engenharia, encontram-se os bocais e as válvulas. Nestes dispositivos, o fluido em seu interior sofre uma queda de pressão na direção do escoamento, entretanto, o processo ocorrido em cada um deles é completamente diferente.
Num bocal a queda de pressão acontece proporcionalmente com a diminuição na área da seção transversal (contorno suave) em a direção do escoamento, enquanto nas válvulas o fluido perde pressão, pois subitamente encontra uma restrição na passagem do escoamento.
 
Avalie as asserções a seguir e a relação proposta entre elas.
 
I. Tanto em bocais quanto em válvulas o único trabalho existente é o trabalho de fluxo e não existe variação da energia potencial e troca de calor significativa com as vizinhanças. Por essa razão, o termo transferência de trabalho é nulo e tanto a transferência de calor quanto a energia potencial podem ser desconsideradas, reduzindo a equação de energia para (). Além disso, no caso das válvulas a variação da energia cinética pode ser descartada da análise termodinâmica simplificando a equação anterior para ().
PORQUE
II. Em dispositivos de estrangulamento mesmo que as velocidades possam ser relativamente altas nas proximidades da restrição e que exista um algum aumento na velocidade do escoamento, dados experimentais mostram que na maioria dos casos a variação de energia cinética nestes equipamentos é insignificante.
A respeito dessas asserções, assinale a alternativa correta.
 As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II é uma justificativa da I.
U3S2 - Atividade Diagnóstica
Turbinas e compressores são equipamentos amplamente utilizados em usinas para a geração de energia elétrica. Compressores são dispositivos nos quais o trabalho é realizado sobre um gás ou vapor com o intuito de elevar a pressão, enquanto nas turbinas o fluido que escoa no interior do equipamento é expandido até uma pressão inferior produzindo trabalho. Geralmente, na modelagem termodinâmica destes dispositivos é considerado que o sistema opera em regime permanente e que durante sua operação:
 
I. A variação de temperaturas durante o processo de expansão ou compressão entre a entrada e saída destes equipamentos é praticamente nula, razão pela qual a energia interna pode ser desconsiderada do balanço de energia.
II. A variação de energia potencial e cinética podem ser desconsideradas do balanço de energia, pois as mudanças de altura e velocidade entre a entrada e saída do fluido que escoa no dispositivo são suficientemente pequenas para serem desprezadas do balanço de energia.
III. A única transferência de calor existente são as perdas de energia entre o equipamento e seu entorno (perdas de calor). No entanto, quando as perdas de calor são comparadas com o trabalho realizado pela turbina ou com o trabalho consumido pelo compressor, é evidente que esta quantidade é usualmente pequena podendo ser descartada da análise da primeira lei da termodinâmica.
É correto o que se afirma em:
Apenas as afirmativas II e III estão corretas.
U3S2 - Atividade de Aprendizagem
Um compressor de uma usina termelétrica que opera no ciclo Brayton (turbina a gás) utiliza 43 kg/s de dióxido de carbono (CO2) como fluido de trabalho. A entrada do equipamento possui uma pressão de 8000 kPa e uma temperatura de 313,15 K. O CO2 é comprimido até 12000 kPa e 343,15 K.
Considere que a variações de energia cinética e potencial são nulas.
Se a taxa com a que o calor é transferido ao ambiente é equivalente a 25 kJ/s, o trabalho consumido pelo compressor é de
700 kW.
U3S2 - Atividade de Aprendizagem
O efeito frigorífico em um sistema de refrigeração é gerado no conjunto válvula de expansão e evaporador, como é apresentado na Figura.
Considere que o sistema apresentado na Figura anterior é uma parte de um Chiller de absorção, no qual 0,5 kg/s de amônia com uma pressão de 1400 kPa e uma temperatura de 295 K é expandido até 280 kPa para posteriormente, num evaporador adiabático, esfriar ar com uma pressão de 100 kPa de 30°C para 25°C.
Se o dispositivo opera em regime permanente e os efeitos da energia cinética e potencial podem ser desconsiderados, assinale a alternativa correta que representa a temperatura da amônia na saída da válvula de expansão e vazão mássica do ar no evaporado (ARs). Assuma que a amônia na saída do evaporador possui uma temperatura de 273,15 K.
. 262 K / 58,3 kg/s.
U3S2 - Atividade de Aprendizagem
Um difusor horizontal adiabático é utilizado para diminuir a velocidade de um escoamento de refrigerante R22 que possui uma pressão de 200 kPa e uma temperatura de 30°C. A velocidade de entrada no difusor é de 100 m/s e as condições de saída do escoamento no dispositivo são 300 kPa a uma temperatura 37°C.
Se o dispositivo opera em regime permanente, assinale a alternativa correta que representa a velocidade de saída do escoamento e a razão entre a área de saída e a área de entrada do difusor.
56 m/s / 1,20.
U3S3 - Atividade Diagnóstica
Historicamente a segunda lei foi construída no contexto da produção de energia, analisando processos cíclicos em que o calor era absorvido de um reservatório quente e rejeitado para um reservatório frio produzindo trabalho, assim, a segunda lei é de grande importância para no desenvolvimento e análises de máquinas térmicas.
 
Com base nesta informação, avalie as asserções a seguir e a relação proposta entre elas.
 
I. Os princípios de conservação da massa e energia não são suficientes para definir completamente sistemas térmicos. A primeira lei da termodinâmica é usada para avaliar e relacionar as diferentes formas de energias envolvidas no processo. No entanto, nenhuma informação sobre o máximo desempenho possível ou como aumentar a eficiência das máquinas térmicas pode ser obtida pela aplicação da primeira lei.
PORQUE
II. A Segunda Lei da Termodinâmica e suas deduções são as que fornecem os meios para definir as limitações impostas a qualquer processo de conversão de energia e avaliar quantitativamente os fatores que impedem maximizar o desempenho termodinâmico ou se o processo pode ou não ocorrer espontaneamente.
A respeito dessas asserções, assinale a alternativa correta.
As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II é uma justificativa da I.
U3S3 - Atividade Diagnóstica
Segundo Moran & Shapiro (2002, p 145), o enunciado de Kelvin-Planck da segunda lei afirma que: “é impossível para qualquer sistema operar num ciclo termodinâmico e fornecer uma quantidade líquida de trabalho para seu entorno enquanto recebe energia por transferência de calor de um único reservatório térmico”.
 
Baseado neste enunciado avalie as afirmativas a seguir:
 
I. Do enunciado de Kelvin-Planck pode-se deduzir que é possível transformar todo o calor fornecido a um ciclo termodinâmico em trabalho. Assim, é possível projetar máquinas térmicas com um rendimento teórico de 100%.
II. Segundo o enunciado de Kelvin-Planck é possível que um sistema térmico forneça uma quantidade líquidade trabalho para seu entorno a partir de uma transferência de calor de um único reservatório.
III. Do enunciado de Kelvin-Planck pode-se deduzir que é possível fornecer uma quantidade líquida de trabalho a um sistema quando este está comunicado termicamente com um único reservatório térmico.
É correto o que se afirma em:
Escolha uma:
. Apenas as afirmativas II e III estão corretas
Segundo Moran & Shapiro (2002, p 144), o enunciado de Clausius da segunda lei afirma que: “é impossível para qualquer sistema operar num ciclo de maneira que o único efeito seria a transferência de energia sob a forma de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente”.
                                                                      
Baseado neste enunciado avalie as afirmativas a seguir:
 
I. O enunciado de Clausius não descarta a possibilidade de transferir energia na forma de calor desde um reservatório térmico de menor temperatura para um reservatório de maior temperatura.
II. O enunciado de Clausius afirma que o calor não pode fluir de forma espontânea de um sistema de maior temperatura para o sistema de menor temperatura.
III. O enunciado de Clausius afirma que um sistema térmico pode transferir energia na forma de calor de um corpo frio para um corpo quente se trabalho é fornecido desde seu entorno.
É correto o que se afirma em:
 Apenas as afirmativas I e III estão corretas
Projeto de um trocador de calor
Descrição da situação-problema Uma indústria de cosméticos instalou um novo sistema ar comprimido, destinado à linha de produção de batons. Você é o engenheiro responsável da empresa e recebe a reclamação de que, devido à temperatura do ar estar um pouco alta, a 80 º C, o acabamento do produto não está sendo satisfatório. Como a vazão mássica do ar é de 2 kg/s, em uma situação normal de operação, a temperatura deveria ser de 25 º C. Assim, como solução rápida para esse problema, você decide colocar um trocador de calor do tipo tubo duplo em contracorrente, ilustrado na Figura 3.19, que será alimentado por água líquida a 20 º C, cuja tubulação está próxima ao compressor. Entretanto, o incremento máximo de temperatura não deverá exceder 10 º C. Para a seleção da bomba adequada, qual vazão mínima de água você adotaria para resolver esse problema?
U3 - Avaliação da Unidade
Baseados nos enunciados da segunda lei da termodinâmica, analise a configuração apresentada na Figura 1. O sistema está composto por uma máquina térmica (A) operando como ciclo termodinâmico entre dois reservatórios térmicos. Uma vez iniciada sua operação o sistema A entra em contato com o B que representa um sistema térmico que fornece uma quantidade líquida de trabalho a partir da transferência de calor extraída de um único reservatório.
Avalie as afirmações a seguir como (V) verdadeiras ou (F) falsas.
(   ) Analisando independentemente a máquina térmica representa pelo sistema A pode-se afirmar que este é um sistema que opera em um ciclo termodinâmico somente se o fluxo de calor Q2 é menor que o fluxo de calor Q1. .
(   ) Analisando independentemente a máquina térmica representada pelo sistema B pode-se afirmar que este não contradiz o enunciado de Kelvin-Planck da segunda lei da termodinâmica.
(   ) Se a magnitude do fluxo de calor Q2 e Q3 são equivalentes (Q2=Q3), o sistema térmico apresentado na Figura 1 contraria o enunciado de Kelvin-Planck, pois o sistema representa um ciclo termodinâmico operando em contato com um único reservatório térmico.
É correto o que se afirma em:		a. V – V – V.
Entre os diferentes tipos de turbinas de vapor existe uma denominada turbina de extração, e, como seu nome indica, parte do fluxo é extraído em um ou mais estágios durante a expansão do vapor na turbina (Figura). Assim o vapor extraído pode ser utilizado para fornecer energia na forma de calor em diferentes aplicações industriais.
 
Neste sentido, considere a turbina de extração (Figura) que forma parte de um ciclo de potência numa indústria de papel e celulose. Durante a partida do ciclo, a válvula que regula o fluxo mássico da extração no primeiro estágio está totalmente fechada (m5 = 0) e ao atingir o regime permanente a turbina gera 1 MW de trabalho mecânico e suas condições de operação estão resumidas na Tabela 1.
De acordo com os dados fornecidos na Tabela 1 e considerando que a turbina é adiabática avalie as afirmações a seguir como (V) verdadeiras ou (F) falsas. 
(   ) A vazão mássica do vapor que entra na turbina quando o ciclo atinge o regime permanente é de 3,3 kg/s.
(   ) No momento que o ciclo atinge o regime permanente, o primeiro estágio da turbina é responsável por gerar 63,5% do trabalho mecânico da turbina (635 kW).
(   ) Se 20% do fluxo mássico é extraído depois do primeiro estágio a diminuição do trabalho líquido da turbina é de 112,2 kW.
Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA.
d. F – F – V.
A Figura 1 apresenta um sistema térmico composto por dois ciclos de potência operando entre os mesmos reservatórios térmicos.
Baseados nos enunciados da segunda lei da termodinâmica avalie as afirmações a seguir como (V) verdadeiras ou (F) falsas.
 
(   ) Se a máquina térmica representada no sistema A opera com um ciclo reversível e a máquina térmica representada no sistema B como um ciclo irreversível, pode-se esperar que a eficiência do ciclo A seja maior que a do ciclo B.
(   ) Se tanto o sistema A, quanto o sistema B operam como ciclos reversíveis e a magnitude do calor Q4 é duas vezes a magnitude de Q1 (Q4=2Q1) a eficiência térmica do ciclo representado no sistema B é duas vezes a eficiência do sistema A.
(   ) Se a magnitude do fluxo de calor Q1 e Q4 são equivalentes (Q1=Q4) e máquina térmica representada no sistema A opera com um ciclo reversível é de se esperar que a magnitude do calor Q2  seja menor que a magnitude do calor Q3.
É correto o que se afirma em:
d. V – F – V.