Em um trocador de calor de contracorrente ocorrem interações de calor entre dois fluxos separados. Considere um trocador de calor desse tipo, onde um dos fluxos é formado por água, que entra no estado de vapor saturado a 1 bar e sai como líquido saturado à mesma pressão. O outro fluxo é formado por ar, que entra a
bar e sai a 335 K sem alterar a sua pressão. Para o caso de operação em regime permanente, determine:
A entropia gerada no trocador de calor, em
por kg de vapor;
A transferência de calor entre o trocador de calor e o meio é desprezível. Ignore efeitos de energia cinética e de energia potencial gravitacional.
A entropia gerada no trocador de calor, em
A transferência de calor entre o trocador de calor e o meio é desprezível. Ignore efeitos de energia cinética e de energia potencial gravitacional.
Passo 1
Beleza, vamos de boa recapitular o que rolou. A matéria aqui é Termodinâmica (Segunda Lei), mais exatamente balanço de entropia em regime permanente num trocador de calor.
Enunciado resumido:
Enunciado resumido:
- 1 kg de água entra como vapor saturado a 1 bar e sai como líquido saturado a 1 bar.
- O ar entra a 300 K, 1 bar e sai a 335 K, mesma pressão.
- Não há troca de calor com o meio externo e nem energia cinética/potencial.
O que vamos precisar:
- Dados de tabelas de vapor saturado a 1 bar (entalpias e entropias).
- cp do ar (≈1,005 kJ/kg·K).
- Balanço de energia para achar a vazão de ar por kg de vapor.
- Balanço de entropia para achar a entropia gerada.
Passo 2
Primeiro, vamos à energia da água (por kg de vapor):
Da tabela a 1 bar:
Da tabela a 1 bar:
- h₁ (vapor saturado) ≈ 2675,5 kJ/kg
- h₂ (líquido saturado) ≈ 417,5 kJ/kg
Logo, o calor liberado pela água é
Passo 3
Esse calor é recebido pelo ar. Chamando
a vazão de ar (kg de ar por kg de vapor), e sabendo que
substituindo
,
,
:
Passo 4
Agora a entropia da água:
Da tabela a 1 bar:
Da tabela a 1 bar:
-
(vapor sat.) ≈ 7,355 kJ/kg·K -
(líquido sat.) ≈ 1,308 kJ/kg·K
Então a variação por kg de água é
Passo 5
Entropia do ar (tratando
constante):
Como entram e saem
de ar, a contribuição total do ar é
por kg de vapor.
Passo 6
Balanço de entropia em regime permanente (sem trocas com o meio):
Resposta
A entropia gerada no trocador é aproximadamente