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MÁQUINAS TÉRMICAS – SEMESTRE 22/
LISTA DE EXERCÍCIOS DA 1ª ÁREA – TDE valendo 5,0/10,0 da NOTA 1
1) Um fluxo de água fria de 0,25 kg/s a 15 ºC sai de um chuveiro e entra em um trocador de
calor isolado termicamente do tipo duplo-tubo (figura abaixo), sendo aquecida até 45 ºC. A
água fria é aquecida por 3 kg/s de água quente que entra no trocador de calor a 99,62 ºC.
Admita ambas correntes de água na pressão atmosférica normal de 100 kPa e considere 𝑇
0
de 25 ºC. Determine para o trocador de calor: a) sua capacidade de troca térmica e a
temperatura da água quente na saída; b) a exergia específica de cada entrada e cada saída
em kJ/kg; c) a taxa de geração de entropia; d) a taxa de exergia destruída a partir da geração
de entropia e a partir do balanço da taxa de exergia; e) a eficiência exergética.
2) Gases quentes de exaustão passam por um trocador de correntes cruzadas de tubos
aletados externamente para aquecer ar ambiente ( c p
= 1005 J/kgK), antes de entrar em uma
fornalha. O ar entra no lado aletado do trocador de calor a 95 kPa e 20 ºC com uma vazão
volumétrica 0,8 m³/s, conforme mostrado na figura abaixo. Os gases quentes de combustão
( c p
= 110 0 kJ/kgK) entram pelo lado dos tubos do trocador de calor a 180 ºC, a uma taxa
de 1,1 kg/s e deixam a 95 ºC. Determine para esse trocador de calor: a) a taxa de
transferência de calor para o ar e sua temperatura de saída; b) a taxa de exergia destruída
pelo balanço da taxa de exergia; c) a eficiência exergética. Admita 𝑇
0
de 25 ºC.
3) Uma turbina adiabática de dois estágios (vide figura a seguir) é alimentada por vapor
d’água a 8 MPa e 500 ºC. O vapor expande no 1º estágio para 2 MPa e 350 ºC, sendo
reaquecido a pressão constante para 500 ºC, antes de seguir para o 2º estágio. Do 2º estágio
da turbina o vapor sai a 30 kPa com título de 97% e a potência produzida pelo conjunto de
turbinas é de 5 MW. Assumindo que a vizinhança esteja a 25 ºC, determine a) a potência
reversível que seria produzida pela turbina; b) a taxa de exergia destruída dentro da turbina;
c) a eficiência exergética da turbina.
4 ) Vapor d’água saturado a 1 MPa é comprimido em um compressor até a pressão de 17,
MPa. Se a temperatura na seção de saída do compressor é 650 °C, determine a
irreversibilidade e a eficiência exergética do processo de compressão.
5 ) 1 0 kg/s de água a 100 °C e 2,0 MPa e ar a 1400 K entram em um trocador de calor. Se a
água é descarregada do trocador de calor a 500 °C e 2,0 MPa e o ar 460 K, determine a
irreversibilidade e a eficiência exergética do processo.
6 ) Água sob pressão é aquecida em um trocador de calor de correntes cruzadas com tubos
aletados externamente. Esse trocador de calor usa os gases de exaustão de uma turbina a gás
para aquecer a água. A fim de determinar o coeficiente global de transferência de calor em
função das condições operacionais, foram realizados ensaios de laboratório em um protótipo
do trocador de calor com área superficial de 10 m². As medições efetuadas sob condições
particulares, nas quais 𝑚̇
𝑞
= 2 kg/s, 𝑇
𝑞,𝑒
𝑓
= 0 , 5 𝑘𝑔/𝑠 e 𝑇
𝑓,𝑒
registraram uma temperatura de saída da água de 𝑇
𝑓,𝑠
= 150 ℃. Determine o coeficiente
global de transferência de calor no trocador?
7 ) Uma caldeira geradora de vapor produz 10000 kg/h de vapor, sendo a água de alimentação
aquecida em um trocador de calor de 20 ºC a 65 ºC. O trocador de calor é do tipo casco e
tubos com uma passagem pelo casco e dois passes nos tubos. No casco do trocador de calor
ocorre a condensação de vapor d’água a 1,30 bar. O coeficiente global de transferência de
calor ( U ) é de 2000 W/m²‧K. Usando tanto o método da diferença média logarítmica de
temperatura, quanto o método da efetividade ( ) - 𝑁𝑈𝑇, determine a área de troca de calor
necessária. Qual é a taxa de condensação de vapor através do trocador de calor?
8 ) 45500 kg/h de água é aquecida de 80 a 150 °C em um trocador de calor que possui dois
passes no casco e oito passes nos tubos, sendo a área total de troca térmica de 925 m
2
. Gases
quentes de exaustão, que possuem as mesmas propriedades termofísicas do ar, entram no
trocador a 350 °C e o deixam a 175 °C. Determine o valor do coeficiente global de
transferência de calor ( U ).
9 ) Gases quentes de exaustão são utilizados em um trocador de calor casco e tubos para
aquecer 2,5 kg/s de água de 35 a 85 °C. Os gases, que podem ser considerados como tendo
e) Calcule o rendimento exergético do trocador de calor.
13 ) Ar comprimido entra em um trocador de calor de correntes opostas operando em regime
permanente a 610 K, 10 bar e sai a 860 K, 9,7 bar. Gases quentes de combustão entram em
uma corrente separada a 1020 K, 1,1 bar e sai a 1 bar. Cada corrente possui uma vazão
mássica de 90 kg/s. Despreze a perda de calor entre a superfície externa do trocador e a
vizinhança. Despreze também os efeitos de energia potencial e cinética. Adote que a
corrente de gases de combustão possui as mesmas propriedades do ar e usando o modelo de
gás perfeito para ambas as correntes, determine para esse trocador, considerando T o
K, p 0
= 1 bar:
a) a temperatura do gás de combustão no ponto 4, em K;
b) a variação da taxa de exergia de fluxo entre a entrada e a saída de cada corrente, em
MW;
c) a taxa de exergia destruída, em MW.
