Um colete de resfriamento para pilotos de Stock Car utiliza um cartucho pressurizado de refrigerante R-134a que pode ser modelado como um sistema fechado do tipo cilindro-pistão e que opera de forma isobárica. No estado inicial (
), o refrigerante se encontra a uma pressão
e à temperatura
. Ao final da corrida, no estado final (
), o sistema se encontra a uma temperatura
. Considere que a corrida teve uma duração total de
min e que a taxa média de calor transferido do piloto para o refrigerante é igual a 1 kW .
(a) Identifique os estados inicial e final. Para cada estado, determine a fase do fluido e as propriedades termodinâmicas necessárias para a resolução da questão e as tabelas de onde foram extraídas as informações.
(b) Esboce o processo nos diagramas
e
, indicando claramente os estados inicial e final, a curva de saturação e o sentido do processo.
(c) Calcule a quantidade de calor total
transferida do piloto para o refrigerante durante a corrida, em kJ .
(d) Calcule a massa de refrigerante
necessária no cartucho para que o processo ocorra conforme as condições descritas.
(e) Calcule o trabalho de fronteira
realizado no processo, em kJ . Indique se o trabalho é realizado pelo sistema ou sobre o sistema.
(f) Qual seria a sua recomendação sobre a pressão de operação para que o colete possa absorver mais calor do piloto, mantendo as mesmas temperaturas inicial e final?
(a) Identifique os estados inicial e final. Para cada estado, determine a fase do fluido e as propriedades termodinâmicas necessárias para a resolução da questão e as tabelas de onde foram extraídas as informações.
(b) Esboce o processo nos diagramas
(c) Calcule a quantidade de calor total
(d) Calcule a massa de refrigerante
(e) Calcule o trabalho de fronteira
(f) Qual seria a sua recomendação sobre a pressão de operação para que o colete possa absorver mais calor do piloto, mantendo as mesmas temperaturas inicial e final?
Passo 1
O problema descreve um sistema fechado cilindro-pistão contendo R-134a que é aquecido de forma isobárica a
. No estado inicial
tem-se
e no estado final
. A duração é
e a taxa média de calor recebida é
. Vamos:
- (a) identificar fases e propriedades em cada estado;
- (b) esboçar o processo em
e ; - (c) calcular
; - (d) achar a massa
; - (e) determinar o trabalho de fronteira
; - (f) recomendar uma pressão de operação para aumentar a captação de calor.
Passo 2
(a) Estado inicial:
-
, . - A temperatura de saturação a
é (tabela de pressão de saturação, ex.: Tabela A-5). Como , o fluido está na região de líquido comprimido. - Para líquido comprimido aproximamos
e (tabela de líquido saturado em ).
Estado final: -
, . - Como
, está em vapor superaquecido. - Da tabela de vapor superaquecido a
e (ex.: Tabela A-6):
Passo 3
(b) Em
: desenhe a curva de saturação (campânula) e trace uma linha horizontal a
passando de
(líquido comprimido) até
(superaquecido). Em
: a mesma linha horizontal indica isobárico, cortando a curva de saturação no ponto de líquido saturado e seguindo até o ponto de vapor superaquecido. Setas mostram o aquecimento de
para
.
Passo 4
(c) A energia total transferida é
Passo 5
(d) Em processo isobárico num sistema fechado
. Logo
Passo 6
(e) O trabalho de fronteira é
Substituindo
Como
, o sistema realiza trabalho sobre o pistão.
Passo 7
(f) Para aumentar a quantidade de calor absorvida mantendo
e
, o ideal é operar à pressão de saturação correspondente a
(aprox.
). Assim o fluido inicia como líquido saturado e passa por região bifásica, absorvendo calor latente extra.
Resposta
(a) Estado inicial: líquido comprimido a
,
,
,
(Tabela A-5). Estado final: vapor superaquecido a
,
,
,
(Tabela A-6).
(b) Linha horizontal isobárica em e
, cruzando a curva de saturação e apontando de
a
.
(c)
(d)
(e) , trabalho realizado pelo sistema.
(f) Recomenda-se operar à (pressão de saturação a
).
(b) Linha horizontal isobárica em
(c)
(d)
(e)
(f) Recomenda-se operar à