Termodinâmica - Estudo Dirigido 3

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ESCOLA ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL MINAS GERAIS 
DEPARTAMENTO ENGENHARIA QUÍMICA 
TERMODINÂMICA FÍSICA 
ESTUDO DIRIGIDO 03 
1 Lei da Termodinâmica - Regime Permanente / Sistema Fechado 
1] O fluxo de massa que entra numa turbina a vapor d`água é de 5000 kg/h e o calor cedido 
pela turbina é de 7500 kcal/h. Conhecem-se os seguintes dados para o vapor que entra e sai 
da turbina: g = 9,81 m/s2. Determinar a potência da turbina (hp). Pot = _____________hp
2] A Figura 1 representa o fluxograma esquemático de parte de um processo industrial. No
ponto 1 têm-se vapor saturado a 14,696 psia com uma qualidade igual a 5% e vazão
mássica de 10 kg/h. No ponto 2 temos uma linha de vapor superaquecido a 14,696 psia, T =
250 ºF e vazão mássica de 15 kg/h. Qual a quantidade de calor (em cal/h) que deve ser
retirada pelo trocador de calor para que tenhamos no ponto 3 apenas líquido saturado ?
Q = ____________________cal/h 
3] A Figura abaixo mostra o esquema de uma pequena turbina a vapor dágua que produz
uma potência de 110 kW operando em carga parcial. Nesta condição, a vazão de vapor é
0,25 kg/s, a pressão e a temperatura na seção 1 são, respectivamente, iguais a 1,4 MPa e
250 ºC e o vapor é estrangulado até 1,1 MPa antes de entrar na turbina. Sabendo que a
pressão de saída da turbina é 10 kPa, determine o título; ou a temperatura, se o vapor
estiver superaquecido da água na seção de saída da turbina. X = ___________________
T = ________________________K
Propriedades Entrada ( 1 ) Saída ( 2 )
Pressão 20 kgf/cm2 1 kgf/cm2
Temperatura 370°C -
Título - 100% (vapor saturado)
Velocidade 60 m/s 180 m/s
Altura (Plano de referência) 5 m 3 m
1
2
3
Trocador Calor
!
4] 
!
a) Determine a potencia desenvolvida pela turbina em HP. Pot =____________hp
5] Um tanque rígido bem isolado com volume de 10 ft3 contém vapor de água saturado a
212 ºF. O vapor é rapidamente agitado até que a pressão final seja de 20 psia. Determine a
temperatura no estado final ( em ºF) e o trabalho realizado durante o processo (em Btu).
T = ___________F e W = _____________Btu
!
1. �̇�(𝐻𝑠 − 𝐻𝑒) +
�̇�
2
(𝑉𝑠
2 − 𝑉𝑒
2) = �̇�𝑣𝑐 − �̇�𝑣𝑐
50
36
𝑘𝑔
𝑠
(2674,55 − 3181,375) ×
103𝐽
𝑘𝑔
+
25
36
𝑘𝑔
𝑠
(32400 − 3600)
𝑚2
𝑠2
+
50
36
𝑘𝑔
𝑠
(3 − 5)𝑚 × 9,81
𝑚
𝑠2
= −8716,67 𝑊 − �̇�𝑣𝑐 
�̇� = 675234,19 𝑊 
𝑃𝑜𝑡 = 905,504 ℎ𝑝 
2. �̇�(𝐻𝑠 − 𝐻𝑒) = �̇�𝑣𝑐 − �̇�𝑣𝑐
55,11156
𝑙𝑏𝑚
ℎ
(180,17)
𝑏𝑡𝑢
𝑙𝑏𝑚
− 22,0462
𝑙𝑏𝑚
ℎ
(0,05 × 1150,5 + 0,95 × 180,17)
𝑏𝑡𝑢
𝑙𝑏𝑚
− 33,0693
𝑙𝑏𝑚
ℎ
(1168,8)
𝑏𝑡𝑢
𝑙𝑏𝑚
= �̇� 
�̇� = −33762,89
𝑏𝑡𝑢
ℎ
= −8513,80 × 103
𝑐𝑎𝑙
ℎ
3. �̇�(𝐻𝑠 − 𝐻𝑒) = �̇�𝑣𝑐 − �̇�𝑣𝑐
0,25
𝑘𝑔
𝑠
(𝐻𝑠 − 2927,5)
𝑘𝐽
𝑘𝑔
= −110 𝑘𝑊 
𝐻𝑠 = 2487,5
𝑘𝐽
𝑘𝑔
𝐻𝑠 = 𝑥 × 2584,7
𝑘𝐽
𝑘𝑔
+ (1 − 𝑥) × 191,83
𝑘𝐽
𝑘𝑔
𝑥 = 0,9594 
𝑇𝑠𝑎𝑡 = 45,81 °𝐶 
4. Analisando a exaustão:
�̇�𝑎𝑟 =
𝑃𝑎�̇�
𝑅𝑇𝑎
=
14,7 𝑝𝑠𝑖 × 3000
𝑓𝑡3
𝑚𝑖𝑛
1545
20,97
𝑓𝑡 𝑙𝑏𝑓
𝑙𝑏 °𝑅
× 820 °𝑅
×
144 𝑖𝑛2
1 𝑓𝑡2
= 145,2
𝑙𝑏
𝑚𝑖𝑛
�̇�𝑎𝑟 = �̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 145,2
𝑙𝑏
𝑚𝑖𝑛
× (196,69 − 177,25)
𝐵𝑡𝑢
𝑙𝑏
= 2822,688
𝐵𝑡𝑢
𝑚𝑖𝑛
Analisando o trocador de calor: 
�̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 2822,688
𝐵𝑡𝑢
𝑚𝑖𝑛
= �̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟(1196,8 − 188,2)
𝐵𝑡𝑢
𝑙𝑏
�̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 2,7986
𝑙𝑏
𝑚𝑖𝑛
Analisando a turbina: 
�̇�(𝐻𝑠 − 𝐻𝑒) = �̇�𝑣𝑐 − �̇�𝑣𝑐 
2,7986
𝑙𝑏
𝑚𝑖𝑛
(1105,8 × 0,9 + 69,74 × 0,1 − 1198,8)
𝑏𝑡𝑢
𝑙𝑏
= −�̇�
�̇� = 550,23
𝑏𝑡𝑢
𝑚𝑖𝑛
= 12,975 ℎ𝑝 
5. ∆𝑈 = 𝑄 − 𝑊, 𝑄 = 0
𝑀 =
𝑉𝑣𝑎𝑝
𝑣𝑣𝑎𝑝
=
10𝑓𝑡3
26,80
𝑓𝑡3
𝑙𝑏𝑚
= 0,3731 𝑙𝑏𝑚 
Supondo mistura: 
{
𝑀𝑣𝑎𝑝 + 𝑀𝑙𝑖𝑞 = 0,3731 𝑙𝑏𝑚
𝑀𝑣𝑎𝑝 × 20,09
𝑓𝑡3
𝑙𝑏
+ 𝑀𝑙𝑖𝑞 × 0,01683
𝑓𝑡3
𝑙𝑏
 = 10 𝑓𝑡3
𝑀𝑣𝑎𝑝 = 0,4978 𝑙𝑏𝑚, 𝑀𝑙𝑖𝑞 = −0,1247 𝑙𝑏𝑚, sem significado físico. 
Supondo VSA: 
𝑣𝑣𝑎𝑝 = 26,80
𝑓𝑡3
𝑙𝑏𝑚
𝑇 = 445,21 °𝐹 
𝑊 = −0,3731 𝑙𝑏(1161,56 − 1077,6)
𝐵𝑡𝑢
𝑙𝑏𝑚
= −31,326 𝐵𝑡𝑢