Lista 2 de exercícios Termodinâmica 2

TERMODINÂMICA II
LISTA DE EXERCÍCIOS
Sistema de Potência a Gás
1) Um ciclo de ar-padrão ideal Otto apresenta uma taxa de compressão de 9. No início da compressão, P1 =
100 kPa e T1 = 300 K. A adição de calor por unidade de massa é 1350 kJ/kg:
(a) Faça os diagramas pressão-volume e temperatura-entropia do ciclo (sem escala, de forma esquemática à
mão livre). Indique os estados 1, 2, 3 e 4 nos diagramas.
(b) Faça uma tabela com a temperatura (K), a pressão (kPa) e a energia interna (kJ/kg) de cada estado do ciclo.
Detemine:
(c) A eficiência térmica do ciclo.
(d) A pressão média efetiva.
(e) A eficiência de um ciclo de Carnot operando com as mesmas diferenças de temperaturas.
2) Um motor de combustão interna de quatro tempos e quatro cilindros tem um diâmetro do pistão D = 60
mm e um curso do pistão L = 50 mm. O volume morto (volume quando o pistão está no ponto morto superior,
PMS) é de 12% do volume máximo do cilindro (quando o pistão está no ponto morto inferior, PMI). O eixo
das manivelas (virabrequim) roda a 3600 rpm. Os processos no interior de cada cilindro podem ser modelados
como um ciclo de ar-padrão Otto com uma presão P1 = 100,7 kPa e uma temperatura T1 = 37,8ºC no início da
compressão. A temperatura máxima do ciclo é 1977ºC. Calcule:
(a) O trabalho líquido por ciclo, em kJ.
(b) A eficiência térmica do ciclo.
(c) A potência desenvolvida pelo motor, em kW e hp.
3) Resolva novamente o exercício anterior considerando que o motor é modelado como ciclo Diesel e que o
volume morto é 6% do volume máximo (taxa de compressão Tc = 100/6). Obs: Geralmente os motores Diesel
trabalham com taxa de compressão de cerca de duas vezes maior que os motores à gasolina.
4) Um ciclo de ar-padrão Diesel tem uma taxa de compressão Tc = 16 e uma razão de corte rc = 2. No início
da compressão P1 = 97,9 kPa, T1 = 15,7 ºC e V1 = 10 litros. Calcule:
(a) A eficiência térmica do ciclo.
(b) A pressão média efetiva.
(c) A potência do motor quando gira a 2000 rpm.
5) Ar entra no compressor de um ciclo ideal de ar-padrão Brayton a P1 = 100 kPa e T1 = 300 K, com uma
vazão mássica de ar de 6 kg/s. A relação de pressão do compressor é 10 e a temperatura de entrada da turbina
é 1400 K. Calcule:
(a) A eficiência térmica do ciclo.
(b) A razão de trabalho reverso.
(c) A potência líquida desenvolvida, em kW.
(d) A vazão volumétrica (m³/s) na entrada do compressor e na entrada da turbina.
6) Ar entra no compressor de um ciclo de ar-padrão Brayton com regeneração a P1 = 100 kPa e T1 = 300
K, com uma vazão de ar de 6 kg/s. A relação de pressão do compressor é 10 e a temperatura de entrada da
turbina é 1400 K. A eficiência do regenerador é de 80%. Calcule a eficiência térmica do ciclo e a potência
líquida desenvolvida, em MW.
7) Um ciclo de ar-padrão Brayton tem uma relação de compressão de 10. O ciclo opera com dois estágios
no compressor e dois estágios na turbina. Há um resfriamento (intercooler) entre os estágios do compressor e
um reaquecimento entre os estágios da turbina. Ar entra no 1º estágio do compressor a P1 = 101,3 kPa e T1 =
21,1ºC, com uma vazão mássica de 11,3 kg/s. A temperatura de entrada do 1º estágio da turbina é de 1400 K.
O ar entra no 2º estágio do compressor a P3 = 330 kPa e T3 = 21,1ºC. O ar entra no 2º estágio da turbina a 350
kPa e 1350 K. A eficiência isentrópica é, respectivamente, de 88% no compressor e 84% na turbina. O ciclo
possui um regenerador cuja eficiência é de 75%. Calcule a eficiência térmica do ciclo e a potência líquida
desenvolvida, em MW.
8) Ar entra no compressor de um ciclo de potência combinado de turbina a gás e a vapor a P1 = 100 kPa e
T1 = 25ºC. A eficiência isentrópica do compressor é de 85% e a relação de pressão do compressor é de 14. O
ar que escoa ao longo do combustor recebe energia por transferência de calor. O ar encontra-se a 1250ºC na
entrada da turbina. O ar se expande ao longo da turbina, que tem uma eficiência isentrópica de 87%, até a
pressão final de 100 kPa. Em seguida, o ar passa por um trocador de ca
1) Faça os diagramas pressão-volume e temperatura-entropia do ciclo (sem escala, de forma esquemática à mão livre). Indique os estados 1, 2, 3 e 4 nos diagramas.
2) Calcule o trabalho líquido por ciclo, a eficiência térmica do ciclo e a potência desenvolvida pelo motor.
3) Resolva novamente o exercício anterior considerando que o motor é modelado como ciclo Diesel e que o volume morto é 6% do volume máximo.
4) Calcule a eficiência térmica do ciclo, a pressão média efetiva e a potência do motor quando gira a 2000 rpm.
5) Calcule a eficiência térmica do ciclo, a razão de trabalho reverso, a potência líquida desenvolvida e a vazão volumétrica na entrada do compressor e na entrada da turbina.
6) Calcule a eficiência térmica do ciclo e a potência líquida desenvolvida, considerando um ciclo de ar-padrão Brayton com regeneração.
7) Calcule a eficiência térmica do ciclo e a potência líquida desenvolvida, considerando um ciclo de ar-padrão Brayton com dois estágios no compressor e dois estágios na turbina, resfriamento entre os estágios do compressor e reaquecimento entre os estágios da turbina, e regenerador.
8) Calcule a eficiência térmica do ciclo e a potência líquida desenvolvida, considerando um ciclo de potência combinado de turbina a gás e a vapor.