Questão 3 (3 pontos) Um compressor de R22 opera com uma vazão mássica de 1,5 kg / s. Ele admite o R22 como vapor saturado a 295 kPa e o entrega a 60^circ C e 1 MPa . Após a saída do compressor, o R22 deve ser resfriado até a condição de líquido saturado a 909 MPa por meio de um trocador de calor, que troca calor com o meio a 25^circ C.
Com base nessas informações, determine:
a) a potência consumida pelo compressor (kW). (1 ponto)
b) a taxa de troca de calor necessária para levar o R22 à condição de líquido saturado a 1 MPa . (1 ponto)
c) através de um balanço de exergia determinar a irreversibilidade total do processo compressão-resfriamento. (1 ponto)

Passo 1

O enunciado dá um fluido refrigerante R 22 que entra no compressor como vapor saturado a p1=295 kPa e sai como vapor superaquecido a p2=1 MPa, T2=60^circC. A vazão mássica é dot m=1,5 kg/s. Em seguida esse vapor é resfriado até líquido saturado a p3=1 MPa num trocador, trocando calor com o meio a T0=25^circC.
Conteúdo: análise de fluxo estacionário, 1ª lei da termodinâmica (trabalho e calor por diferença de entalpias) e balanço de exergia para irreversibilidade.

Passo 2

Vamos buscar nas tabelas de R 22 (à temperatura ou pressão indicada) as propriedades:
– Estado 1 (vapor saturado a 295 kPa):
h1=hg(p=295 kPa), s1=sg(p=295 kPa)
Valores típicos: h1approx247,4 kJ/kg,;s1approx0,957 kJ/(kgcdot K).
– Estado 2 (superaquecido a 1 MPa,;60^circC):
h2=h(p=1 MPa,T=60^circC)approx287,8 kJ/kg,;s2approx1,052 kJ/(kgcdot K)
– Estado 3 (líquido saturado a 1 MPa):
h3=hf(p=1 MPa)approx97,5 kJ/kg,;s3=sf(p=1 MPa)approx0,359 kJ/(kgcdot K)
– Ambiente de referência (líquido saturado a T0=25^circC, p0=psat(25^circC)):
h0=hf(T=25^circC)approx77,5 kJ/kg,;s0=sf(T=25^circC)approx0,315 kJ/(kgcdot K)

Passo 3

Pela 1ª lei do regime permanente e compressor adiabático, o trabalho consumido é
Wc=dot m,(h2-h1)
Substituindo
Wc=1,5l(287,8-247,4r)=1,5times40,4approx60,6 kW

Passo 4

No trocador, a queda de entalpia vapor tolíquido saturado dá a taxa de calor rejeitado
dot Q=dot m,(h2-h3)
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dot Q=1,5l(287,8-97,5r)=1,5times190,3approx285,5 kW

Passo 5

Para a irreversibilidade total aplicamos balanço de exergia ao conjunto compresso r+trocador. A exergia específica é
psi=(h-h0)-T0(s-s0)
Calculamos
psi1=(247,4-77,5)-298,15,(0,957-0,315)approx-21,5 kJ/kg,
psi3=(97,5-77,5)-298,15,(0,359-0,315)approx6,9 kJ/kg
Balanço de exergia integrado (entrada de exergia de massa e de trabalho, saída de massa; calor a T0 não carrega exergia):
I=dot m,psi1+Wc-dot m,psi3
Substituindo
I=1,5(-21,5)+60,6-1,5(6,9)approx-32,25+60,6-10,35approx17,9 kW
(Irreversibilidade positiva, ordem de 18 kW.)

Resposta

a) Wcapprox60,6 kW
b) dot Qapprox285,5 kW
c) Iapprox17,9 kW

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