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Lista de exerccios relativa ao Captulo 4 Anlise de Energia para Volumes de Controle (Moran e Shapiro)

Entregar no dia da 2 Prova (12/03/14, Turma S41 e 13/03/14, Turma S43)

Um tanque de 0,5 m3 contm amnia, inicialmente a 40oC e 8 bar.Um pequeno orifcio se desenvolve no tanque e refrigerante sai para fora a uma vazo mssica constante de 0,04 kg/s. O processo ocorre to suavemente que transferncia de calor das vizinhanas mantm a temperatura constante no tanque. Determine o tempo, em s, no qual metade da massa do tanque escapou e a presso no tanque nesse tempo, em bar. Refrigerante R134a entra num condensador de um sistema de refrigerao que opera em regime permanente, a 9 bar e 50oC, atravs de um duto de 2,5 cm de dimetro. Na sada, a presso de 9 bar, a temperatura de 30C e a velocidade de 2,5 m/s. A vazo mssica do refrigerante entrando no condensador 6 kg/min. Determine (a) a velocidade na entrada, em m/s. (b) o dimetro do duto de sada, em cm. Vapor de gua a 160 bar, 480oC, entra em uma turbina operando em regime permanente com uma vazo volumtrica de 800 m3/min.18% da vazo mssica entrando saem a 5 bar, 240oC, com uma velocidade de 25 m/s. O restante sai por outro duto onde a presso de 0,06 bar, um ttulo de 94% e uma velocidade de 400 m/s. Determine o dimetro de cada duto de sada, em m. A Figura abaixo mostra o esquema de uma torre de resfriamento, operando em regime permanente. gua quente, vinda de uma unidade de condicionamento de ar entra a 49oC com uma vazo mssica de 0,5 kg/s. Ar seco entra na torre a 21oC, 1 atm com uma vazo volumtrica de 1,41 m3/s. Devido evaporao no interior da torre, ar mido escapa da torre pelo topo com uma vazo mssica de 1,64 kg/s. gua lquida resfriada coletada na base da torre para retornar ao sistema de condicionamento de ar. Determine a vazo mssica da gua de reposio (Makeup water) em kg/s.

Ar entra em um volume de controle operando em regime permanente a 1,05 bar, 300 K, com uma vazo volumtrica de 12 m3/min e sai a 12 bar, 400 K. Transferncia de calor acontece a uma taxa de 20 kW, do volume de controle para as vizinhanas. Desprezando os efeitos de variao de energia cintica e potencial, determine a potncia necessria, em kW. Vapor de gua entra em um bocal, que opera em regime permanente, a 30 bar e 320oC, com uma velocidade de 100 m/s. na sada a presso e a temperatura so de 10 bar e 200oC, respectivamente. A vazo mssica de 2 kg/s. Desprezando transferncias de calor e variao e

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de energia potencial, determine (a) a velocidade na sada do bocal, em m/s. (b) As reas de entrada e de sada do bocal, em cm2.

Refrigerante R134a entra em um difusor isolado como vapor saturado a 7 bars e com velocidade de 370 m/s. Na sada a presso de 16 bar e a velocidade desprezvel. O difusor opera em regime permanente e variaes de energia potencial podem ser desprezadas. Determine a temperatura do R134a na sada do difusor, em oC. Ar se expande atravs de uma turbine desde 10 bar, 900 K at 1 bar, 500 K. A velocidade do ar na entrada pequena quando comparada com a velocidade de 100 m/s, da sada. A turbina opera em regime permanente e desenvolve uma potncia de 3200 kW. A transferncia de calor e os efeitos de variaes de energia potencial podem ser desconsiderados. Calcule a vazo mssica do ar, em kg/s, e rea da seo de sada, em m2. Uma turbina bem isolada, operando em regime permanente, desenvolve 23 MW de potncia para uma vazo mssica de vapor de 40 kg/s. O vapor entra a 360oC com uma velocidade de 35 m/s e sai como vapor saturado a 0,06 bar com uma velocidade de 120 m/s. Desconsiderando os efeitos de variao de energia potencial, determine a presso do vapor, na entrada da turbina, em bar. Uma turbina bem isolada, operando em regime permanente, esquematizada na Figura abaixo. Vapor entra a 3 MPa, 400oC, com uma vazo volumtrica de 85 m3/min.Uma parte do vapor extrada da turbina a uma presso de 0,5 MPa e temperatura de 180oC.O restante do vapor se expande at uma presso de 6 kPa com ttulo de 90%. A potncia total desenvolvida pela turbina de 11400 kW.Os efeitos de variao de energia cintica e potencial podem ser ignorados. Determine (a) a vazo mssica do vapor em cada uma das duas sadas, em kg/h. (b) O dimetro, em m, do duto atravs do qual o vapor extrado, se a velocidade ali for de 20 m/s.

Ar comprimido em regime permanente desde 1 bar, 300 K, at 6 bar com uma vazo mssica de 4 kg/s. Cada unidade de massa passando desde a entrada at a sada sofre um processo descrito por PV1,27 = Constante. Transferncia de calor ocorre a uma taxa de 46,95 kJ por kg de ar escoando para a gua de resfriamento de uma camisa (jacket) que envolve o compressor. Se os efeitos de variao de energia cintica e potencial sofridos pelo ar desde a entrada at a sada podem ser ignorados, calcule a potencia do compressor, em kW. Um compressor opera em regime permanente com Refrigerante 22 como fluido de trabalho. O refrigerante entra a 5 bar, 10oC, com uma vazo volumtrica de 0,8 m3/min. Os dimetros dos dutos de entrada e de sada so de 4 e 2 cm, respectivamente. Na sada, a presso 14 bar e a temperatura 90oC. Se a grandeza da taxa de transferncia de calor do compressor para as vizinhanas 5% da potncia do compressor, determine a potncia, em kW. Refrigerante R134a comprimido, em regime permanente, desde 2,4 bar, 0oC, at 12 bar, 50oC.Refrigerante entra no compressor com uma vazo volumtrica de 0,38 m3/min, e o compressor tem uma potncia de acionamento de 2,6 kW. gua de resfriamento circulando atravs de uma camisa (jacket) envolvendo o compressor experimenta uma elevao de temperaturas de 4oC, desde a entrada at a sada com desprezvel variao de

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presso.Transferncia de calor do exterior da camisa de gua e todas as variaes de energia cintica e potencial podem ser desprezados. Determine a vazo mssica da gua de resfriamento, em kg/s. Uma bomba operando em regime permanente entrega gua atravs de uma mangueira em cuja extremidade h um bocal. A sada do bocal tem um dimetro de 2,5 cm e est localizado a 4 m acima do duto de entrada da bomba, que tem um dimetro de 5,0 cm. A presso igual a 1 bar na entrada e na sada e a temperatura constante e igual a 20oC. A grandeza da potncia de acionamento da bomba de 8,6 kW, e a acelerao da gravidade de g = 9,8 m/s2. Determine a vazo mssica de gua entregue pela bomba, em kg/s. Uma bomba de leo, operando em regime permanente entrega leo a uma taxa de 5,5 kg/s e uma velocidade de 8,8 m/s. O leo, que pode ser modelado como substncia incompressvel, tem uma massa especfica de 1600 kg/m3 e experimenta uma elevao de presso desde a entrada at a sada da bomba, de 0,28 MPa. No existe significativa diferena na elevao entre a entrada e a sada da bomba e a energia cintica na entrada pode ser desprezada. Transferncia de calor entre a bomba e suas vizinhanas desprezvel e no h significativa variao de temperatura quando o leo passa atravs da bomba. Se bomba esto disponveis no mercado em intervalos de de HP, determine a potncia da bomba necessria para essa aplicao. Amnia entra em um trocador de calor, operando em regime permanente,como um vapor superaquecido a 14 bar, 60oC, onde resfriada e condensada para lquido saturado a 14 bar. A vazo mssica da amnia 450 kg/h. Uma corrente separada, de ar entra no trocador de calor a 17oC, 1 bar e sai a 42oC, 1 bar.Ignorando a transferncia de calor do exterior do trocador para as vizinhanas e desprezando efeitos de variaes de energia cintica e potencial, determine a vazo mssica de ar, em kg/min. A serpentina de resfriamento de um sistema de ar condicionado um trocador de calor onde ar passa sobre tubos atravs dos quais o refrigerante R22 escoa. Ar entra com uma vazo volumtrica de 40 m3/min a 27oC, 1,1 bar, e sai a 15oC, 1 bar. Refrigerante entra nos tubos a 7 bar com um ttulo de 16% e sai dos tubos a 7 bar e 15oC. Ignorando transferncia de calor do exterior do trocador para as vizinhanas e desprezando efeitos de variaes de energia cintica e potencial, determine em regime permanente (a) a vazo mssica do refrigerante, em kg/min. (b) a taxa de transferncia de energia, em kJ/min, do ar para o refrigerante. Refrigerante R134a escoa, em regime permanente, atravs de um longo duto horizontal com dimetro interno de 4 cm, entrando como vapor saturado a -8oC com uma vazo mssica de 17 kg/min. R134a vapor sai a 2 bar de presso. Se a taxa de transferncia de calor para o refrigerante de 3,41 kW, determine a temperatura de sada do R134a, em oC, e as velocidades na entrada e na sada, em m/s. Como mostrado na Figura abaixo, 15 kg/s de vapor de gua entram num superaquecedor operando em regime permanente a 30 bar, 320oC, onde misturado com gua lquida a 25 bar e na temperatura T2 para produzir vapor saturado a 20 bar. Ignorando transferncia de calor do exterior do desuperaquecedor para as vizinhanas e desprezando efeitos de variaes de energia cintica e potencial. (a) se T2 = 200oC, determine a vazo mssica de lquido, 2m , em kg/s. (b) Faa um grfico de 2m , em kg/s versus T2 variando de 20 a 220C.

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Um aquecedor de gua de alimentao, operando em regime permanente com gua lquida entrando a 7 bar e 42oC, e vazo mssica de 70 kg/s. Uma corrente separa de gua entra pela entrada 2 como uma mistura liquido vapor com um ttulo de 98%. Lquido saturado a 7 bar deixa o aquecedor de gua de alimentao por um ponto 3. Ignorando transferncia de calor entre o exterior do aquecedor e as vizinhanas e desprezando efeitos de variaes de energia cintica e potencial, determine a vazo mssica, em kg/s, na entrada 2.

Amnia entra em uma vlvula de expanso de um sistema de refrigerao na presso de 1,4 MPa e na temperatura de 32oC e sai a 0,08 MPa. Se o refrigerante (a amnia) sofre um processo de estrangulamento, qual ser o ttulo do refrigerante na sada da vlvula de expanso? Ar como gs ideal escoa atravs das turbinas e do trocador de calor, como no arranjo mostrado pela Figura abaixo. As informaes para as duas correntes so mostradas na Figura. A transferncia de calor para as vizinhanas pode ser desprezada, assim como efeitos de variaes de energias cintica e potencial. Determine a temperatura T3, em K, e a potncia desenvolvida pela segunda turbina, em kW. O processo ocorre em regime permanente.

Como mostrado na Figura abaixo, uma turbine a vapor de gua operada a partir de vapor que estava a uma dada presso mais elevada e estrangulado em uma vlvula antes de entrar na turbina. Antes do processo de estrangulamento, a presso e a temperatura so respectivamente, 1,5 MPa e 320oC. Depois do estrangulamento a presso de 1 MPa. Na sada da turbina, o vapor est a 0,08 bar e com um ttulo de 90%. . A transferncia de calor para as vizinhanas pode ser desprezada, assim como efeitos de variaes de energias cintica e potencial. Determine (a) a temperatura na sada da turbina, em oC, (b) a potncia desenvolvida pela turbina, em kJ/kg de vapor escoando.

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Um pequeno orifcio se desenvolve nas paredes de um tanque rgido cujo volume is 0.5 m3, e ar, das vizinhanas, a 1 bar, 25oC admitido no tanque. Eventualmente, a presso no tanque atinge 1 bar. O processo ocorre de forma to lenta que a transferncia de calor entre o tanque e suas vizinhanas mantm a temperatura do ar no interior do tanque constante a 25oC. Determine a transferncia de calor, em kJ, se inicialmente o tanque (a) estiver evacuado.(b) contm ar a 0.4 bar, 21oC. Um tanque rgido cujo volume 0,5 m3 encontra-se inicialmente evacuado. Um orifcio na parede se desenvolve e ar das vizinhanas a 1 bar e 21oC, admitido at que a presso no tanque atinja 1 bar. A transferncia de calor entre o ar no tanque e suas vizinhanas desprezvel. Determine a temperatura final do tanque, em oC. Um tanque rgido e bem isolado, cujo volume inicial de 0,5 m3, encontra-se inicialmente evacuado. No tempo t = 0, ar das vizinhanas a 1 bar e 21oC, comea a fluir para o interior do tanque. Um resistor eltrico transfere energia para o ar no tanque a uma taxa constante de 100 W durante 500 s e, neste instante, a presso no tanque 1 bar. Qual a temperatura do ar no tanque, em oC, neste instante? O tanque rgido ilustrado na Figura abaixo possui um volume de 0,06 m3 e inicialmente contm uma mistura bifsica liquido-vapor de H2O a uma presso de 15 bar e com um ttulo de 20%. A medida que o tanque aquecido, uma vlvula reguladora mantm a presso constante no tanque permitindo que o vapor saturado escape. Abandonando os efeitos de energia cintica e potencial (a) determine a massa total no tanque, em kg, e o calor transferido, em kJ, se o aquecimento continua at que o ttulo final seja de x = 0,5 (b)esboce graficamente a massa no tanque, em kg, e o calor transferido, em kJ, versus o ttulo final, x, no intervalo 0,2 a 1,0.

Um tanque bem isolado contm 25 kg de refrigerante R134a inicialmente a 300 kPa com um ttulo de 0,8 (80%). A presso mantida pela ao de Nitrognio lquido contra uma membrana flexvel, conforme mostrado na Figura abaixo. A vlvula entre o tanque e a linha de alimentao que

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carrega Refrigerante R134a a 1,0 MPa, 120oC, aberta. O regulador de presso permite que a presso no tanque permanea a 300 kPa medida que a membrana se expande. A vlvula entre a linha e o tanque fechada no instante em que todo o lquido se vaporizou. Determine a quantidade de refrigerante admitida no tanque, em kg,

Um conjunto cilindro pisto bem isolado conectado a uma linha de alimentao de ar a 8 bar por uma vlvula, conforme mostrado na Figura abaixo. Inicialmente, o ar no interior do cilindro encontra-se a 1 bar, 300 K, e o pisto est localizado a 0,5 m acima da base do cilindro. A presso atmosfrica de 1 bar e o dimetro da face do pisto de 0,3 m. A vlvula aberta e o ar admitido lentamente at que o volume de ar no interior do cilindro tenha dobrado. O peso do pisto e o atrito entre este e as paredes do cilindro podem ser ignorados. Usando o modelo de gs ideal, esboce graficamente a temperatura final, em K, e a massa final, em kg, de ar no interior do cilindro para temperaturas na linha de alimentao variando entre 300 K e 500 K.