A Fig. P6.115 mostra diversos componentes em série operando em regime permanente. Água líquida entra em uma caldeira a . Vapor sai da caldeira a e , sendo submetido a um processo de estrangulamento a , antes de entrar na turbina. O vapor é, então, expandido de forma adiabática através da turbina até e , sendo em seguida submetido a um processo de estrangulamento até , antes de entrar no condensador. Os efeitos das energias cinética e potencial podem ser desprezados.
a) Localize cada um dos estados de em um esboço do diagrama .
b) Determine o trabalho produzido pela turbina, em por de vapor escoando.
c) Para as válvulas e a turbina, determine as taxas de geração de entropia, cada uma em por de vapor escoando.
d) Utilizando o resultado do item c), ordene os componentes começando com aquele que mais contribui para a ineficiência operacional do sistema como um todo.
e) Se o objetivo for aumentar a potência desenvolvida por de vapor em escoamento, qual dos componentes pode ser eliminado (se possível)?
Explique:
Passo 1
Opa, tudo bem?
Se ajeita aí e vem comigo resolver esse problema!
Começamos o nosso problema obtendo algumas propriedades da água líquida no estado 1 pela Tabela A.3 a :
Pela Tabela A.4, obtemos as seguintes propriedades para o vapor d´água superaquecido no estado 2 a e :
Igualando a entalpia no estado 3 à entalpia do estado 2, porque o processo é um processo de estrangulamento, temos:
Encontrando as propriedades do vapor superaquecido no estado 3 pela Tabela A.4 a e por interpolação:
Passo 2
Encontrando as propriedades do vapor superaquecido no estado 4 pela Tabela A.4 a uma pressão de e temperatura de :
Igualando a entalpia no estado 5 à entalpia no estado 4, porque o processo é um processo de estrangulamento:
Encontrando as propriedades do vapor superaquecido no estado 5 na Tabela A.4 à pressão de e entalpia de , por interpolação:
Passo 3
Letra a)
Localizando cada um dos estados de em um esboçando em um diagrama
Passo 4
Letra b)
Calculando o trabalho desenvolvido pela turbina.
Aplicando o balanço de energia na turbina:
Substituindo os dados:
Passo 5
Letra c)
Calculando as taxas de geração de entropia para as válvulas e a turbina.
Válvula entre a caldeira e a turbina:
Então, a taxa de produção de entropia por kg de vapor fluindo através da válvula entre a caldeira e a turbina é de .
Válvula entre a turbina e o condensador:
Assim, a taxa de produção de entropia por kg de vapor fluindo através da válvula entre a turbina e o condensador é de .
Através de turbina:
Desse modo, a taxa de produção de entropia por de vapor fluindo através da turbina é de .
Passo 6
Letra d)
Na letra (c), observamos que a taxa de geração de entropia é maior para a válvula entre a turbina e o condensador, intermediária para a válvula entre a caldeira e a turbina, e menor para a turbina.
Portanto, a ordem de classificação começando com o componente que mais contribui para a operação ineficiente do sistema geral é:
Passo 7
Letra e)
Da letra (d), concluímos que a remoção das duas válvulas aumenta a potência desenvolvida por de fluxo de vapor, aumentando assim a eficiência de todo o sistema.