Resolução Lista 2 - Engenharia de Reatores Nucleares

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CON737-2021 Engenharia de Reatores I
Lista de Exerćıcios II
Prof. Su Jian
27 de maio de 2021
1. (2,5 pontos) Considere um ciclo de Rankine simples que opera entre a pressão
p3 = 7, 0 MPa e p4 = 7, 5 kPa. As eficiência da turbina e da bomba são
0,9. Suponha-se que o fluido entra na turbina como vapor saturado e sai do
condensador como ĺıquido saturado.
(a) (1,0 ponto) Calcule o trabalho espećıfico da turbina (por unidade de
massa);
(b) (1,0 ponto) Calcule o t́ıtulo na sáıda da turbina;
(c) (0,5 ponto) Calcule a eficiência térmica do ciclo.
Figura 1: Ciclo de Rankine complexo com separador de umidade.
2. Considere um ciclo de Rankine complexo ilustrado na Fig. 1, composto por
uma turbina de alta pressão (HP), uma turbina de baixa pressão (LP), um
separador de umidade entre as turbinas e um aquecedor aberto de água de
alimentação (OFWH). No ciclo há uma bomba de condensado e uma bomba
principal de água de alimentação. A pressão na entrada da turbina HP é 7000
kP, e na sáıda da turbnica HP é 500 kPa (que é a mesma pressão no OFWH
e na entrada da turbina LP). A pressão na sáıda da turbina LP é 7,5kPa. A
eficiência das turbinas é 90%. A eficiência das bombas de condensado e da
água de alimentação também é 90%.
1
(a) Suponha que o fluido entra na turbina HP como vapor saturado e que o
fluido sai do condensador como ĺıquido saturado a respectivas pressões.
Trace o diagrama T − s do ciclo, marcando os nós com números corres-
pondentes do diagrama f́ısico na Fig. 1;
(b) Considere que NÃO há extração do vapor. Calcule a entalpia espećıfica da
água de alimentação na sáıda do aquecedor aberto de água de alimentação
(OFWH);
(c) Calcule a eficiência térmica do ciclo sem a extração de vapor;
(d) Considere que HÁ extração do vapor separado para OFWH. calcule a
fração do vapor extráıda da sáıda do separador de umidade para o aquece-
dor aberto de água de alimentação (OFWH) para a água de alimentação
seja o ĺıquido saturado na sáıda do aquecedor aberto de água de ali-
mentação (OFWH).
(e) Calcule a eficiência térmica do ciclo com a extração de vapor.
3. (2,5 pontos) Considere um ciclo real de Brayton. Os dados são: T3 (na sáıda
do reator) = 972 K; T1 (na entrada do compressor) = 278 K; a razão de
compressão rp = P2/P1 = 4, 0, a razão entre os calores espećıficos γ = 1, 658;
o calor espećıfico cp=5230 J/(kg K); as eficiências isentrópicas da turbina e
compressor ηt = 0, 9, ηp = 0, 9 .
(a) Trace o esquemática da planta do ciclo (0,7 ponto);
(b) Trace o diagrama de T − s deste ciclo (0,8 ponto);
(c) Calcule o rendimento do ciclo (sem perda de pressão no reator e no res-
friador e nas tubulações) (1,0 ponto).
4. (2,5 pontos) Considere um ciclo real de Brayton. Os dados são: T3 (na sáıda
do reator) = 972 K; T1 (na entrada do compressor) = 278 K; a razão de
compressão rp = P2/P1 = 4, 0, a razão entre os calores espećıficos γ = 1, 658;
o calor espećıfico cp=5230 J/(kg K); as eficiências isentrópicas da turbina e
compressor ηt = 0, 9, ηp = 0, 9 . A perda de pressão no reator e no resfriador
e nas tubulações é dada por
β =
(
p2
p3
p4
p1
) γ−1
γ
,
(a) Trace o esquemática da planta do ciclo (0,7 ponto);
(b) Trace o diagrama de T − s deste ciclo (0,8 ponto);
(c) Calcule o rendimento do ciclo (com a perda de pressão no reator e no
resfriador e nas tubulações, β = 1, 05) (1,0 ponto).
5. (2,5 pontos) Considere um ciclo ideal de Brayton com um regenerador. Os
dados são: T3 (na sáıda do reator) = 972 K; T1 (na entrada do compressor)
= 278 K; a razão de compressão rp = P2/P1 = 4, 0, a razão entre os calores
espećıficos γ = 1, 658; o calor espećıfico cp=5230 J/(kg K); a eficiência do
regenerador é ξ = (T5 − T2)/(T4 − T2) = 0, 75, onde T5 é a temperatura na
sáıda do regenerador; T2 na sáıda do compressor; T4 na sáıda da turbina.
2
(a) Trace o esquemática da planta do ciclo (0,7 ponto);
(b) Trace o diagrama de T − s deste ciclo (0,8 ponto);
(c) Calcule o rendimento do ciclo (considere a turbina e compressor ideal;
sem perda de pressão no reator e no resfriador e nas tubulações) (1,0
ponto).
6. (2,5 pontos) Considere um ciclo complexo de Brayton com regenerador, rea-
quecimento e resfriamento intermediário.
(a) (1,0 ponto) Trace a esquemática da planta do ciclo;
(b) (1,0 ponto) Trace o diagrama T − s deste ciclo, marcando os nós com
números correspondentes do diagrama f́ısico;
(c) (0,5 ponto) As temperaturas nas entradas das duas turbinas são iguais à
temperatura máxima do ciclo (972 K) e as temperaturas na entradas dos
dois compressores são iguais à temperatura mı́nima do ciclo (278 K). As
temperaturas nas sáıdas das turbinas são iguais a 738 K e as temperaturas
nas sáıdas dos compressores são iguais a 369 K. A temperatura na sáıda
do regenerador é 510 K. Calcule a eficiência termodinâmica do ciclo.
7. (2,5 pontos) Uma central nuclear de HTGR opera com um ciclo combinado
composto por um ciclo de Brayton simplês e um ciclo de Rankine simplês.
(a) (05 ponto) Trace o diagrama simplificado da planta;
(b) (1,0 ponto) Se a eficiência do ciclo de Brayton for ηB e a eficiência do ciclo
de Rankine for ηR, escreva a expressão para o cálculo do ciclo combinado
ηC ;
(c) (1,0 ponto) A potência térmica do reator é aproximadamente 2000 MW(t).
A eficência do ciclo de Brayton é 40% e a eficiência do ciclo de Ran-
kine é 30%. Calcule aproximandamente a potência elétrica da planta,
desprezando-se as perdas de transmissão mecânica e no gerador elétrico)
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