Universidade Federal do Espírito SantoOperações Unitárias B Lista de Exercícios Prof.: Icaro Pianca Guidolini 1 – Uma solução quente de Ba(NO3)2 sai de um evaporador contendo 30,6 kg de Ba(NO3)2 / 100 kg de H2O e entra em um cristalizador onde a solução é resfriada e Ba(NO3)2 cristaliza. No resfriamento, 10% da água original presente evapora. Para uma alimentação de 100 kg totais, calcule: a) A produção de cristais se a solução é resfriada até 290 K, onde a solubilidade é 8,6 kg de Ba(NO3)2 / 100 kg de água total. 2 – 1000 kg de KCl são dissolvidos em água suficiente para obter uma solução saturada a 363 K, onde a solubilidade é 35 % em massa. A solução é resfriada para 293 K, onde a solubilidade é 25,4 % em massa. a) Qual é a massa de água requerida para a solução e a massa de cristais de KCl obtida. b) Qual é a massa de cristais obtida se 5% da água original evapora no resfriamento. 3 – 10.000 lb de uma solução a 130 ºF contendo 47 lb FeSO4 / 100 lb água total são resfriados até 80 ºF, onde os cristais de FeSO4.7H2O são removidos. A solubilidade do sal é 30.5 lb FeSO4 / 100 lb água total. Calcule a produção de cristais considerando que a água não evapora no resfriamento. 4 – 10.000 kg de uma solução com 30% em massa de Na2CO3 são resfriados até 293 K. O sal cristaliza na sua forma decahidratada. Calcule a produção de cristais sabendo que a solubilidade do sal 21,5 kg Na2CO3 anidro / 100 kg água total. a) Sem evaporação de água no resfriamento b) Considere que 3% da massa total da solução é perdida por evaporação da água no resfriamento. 5 – Na comparação de desempenho de um ciclo real coma de um ciclo de Carnot, deve-se, em princípio escolher as temperaturas para usar nos cálculos do ciclo de Carnot. Considere um ciclo de refrigeração por compressão de vapor no qual as temperaturas médias dos fluidos no condensador e no evaporador são Tq e T f , respectivamente. De acordo com Tq e T f , a transferência de calor ocorre em relação à vizinhança nas temperaturas Taq e Taf . O que fornece uma estimativa mais conservativa de Carnot : um cálculo baseado em Tq com T f , ou um baseado em Taq e Taf ? as temperaturas são. 7 – Um sistema de refrigeração por compressão de vapor trabalha com refrigerante 134a a uma taxa de 6 kg/min. A taxa de transferência de calor do fluido de trabalho que escoa pelo condensador é de 50. do ciclo ideal e de um ciclo de Carnot nas mesmas condições. O refrigerante entra no compressor a -10 ºC e 1. considerando que o compressor opera adiabaticamente. O refrigerante escoa através de cada trocador de calor com queda de pressão desprezível. A eficiência isentrópica do compressor é de 67%. 8 – Um sistema de refrigeração por compressão de vapor em que se utiliza amônia como fluido de trabalho tem pressões no condensador e no evaporador iguais a 200 e 30 lbf/in². em kW b) O coeficiente de desempenho 9 – A capacidade frigorífica de um sistema de compressão de vapor que utiliza propano é de 5 TR. tem-se vapor superaquecido a 120 ºF e 180 lbf/in². Na entrada e na saída do compressor. do ciclo ideal e de um ciclo de Carnot nas mesmas condições. com uma variação de pressão desprezível. determine: a) A potencia de acionamento do compressor. A vazão mássica do refrigerante é 7 kg/min. em TR c) Os coeficientes de desempenho do ciclo real. O refrigerante em forma líquida entra na válvula de expansão a 85 ºF e 180 lbf/in². Ignorando os efeitos de transferência de calor entre o compressor e sua vizinhança. Determine: a) A potencia de acionamento do compressor. em kW b) A capacidade frigorífica. em TR c) Os coeficientes de desempenho do ciclo real. 10 ºF e 300 ºF.5 Btu por lb de refrigerante no compressor. respectivamente. A eficiência isentrópica do compressor é de 80%. 90 ºF. Não há queda de pressão apreciável à medida que o refrigerante escoa pelo condensador e pelo evaporador. em Btu/h b) A vazão mássica da água de resfriamento através do condensador.4 bar e sai a 7 bar. em kW b) A capacidade frigorífica. respectivamente. O refrigerante sai do condensador a 7 bar e 24 ºC. Vapor saturado entra no compressor a 2 bar e líquido saturado deixa o condensador a 8 bar. Determine: a) A potencia de acionamento do compressor. a transferência de calor do compressor para sua vizinhança ocorre a uma taxa de de 3. determine: a) A potencia de acionamento do compressor.000 Btu/h e o líquido sai a 200 lbf/in². Vapor saturado a 0 ºF entra no compressor e. na saída. O condensador é resfriado a água que entra a 65 ºF e sai a 80 ºF.6 – Um ciclo de refrigeração por compressão de vapor opera em regime permanente usando refrigerante 134a como fluido de trabalho. em lb/min c) O coeficiente de desempenho . Determine: a) A vazão mássica do refrigerante. o fluido de trabalho entra no compressor como vapor saturado a -30 ºF e é comprimido isentropicamente até 50 lbf/in². se o sistema operar sem o trocador de calor.000 Btu/s. A carga térmica no evaporador é de 2. em lb/min b) A eficiência isentrópica do compressor c) A potencia do compressor. se evapora a 20 ºF e se condensa a 80 ºF. Qual a relação entre as vazões de circulação nos dois casos? 12 – Um sistema de refrigeração por compressão de vapor opera com o arranjo tipo cascata mostrado na figura abaixo. com refrigerante 134a como fluido de trabalho. O Refrigerante 22 é comprimido isentropicamente até 250 lbf/in². exceto pela existência de um trocador de calor em contracorrente que subresfria o líquido que sai do condensador através da troca de calor com a corrente de vapor que sai do evaporador. O refrigerante entra no condensador a 140 ºF e sai como líquido saturado. qual será a potência necessária? Compare esse resultado com a necessidade de potência no compressor. O refrigerante. O ciclo tem uma capacidade frigorífica de 5 TR. A diferença mínima de temperaturas para a transferência de calor é de 10 ºF. Refrigerante 22 é o fluido de trabalho para o ciclo de alta temperatura e Refrigerante 134a é usado no ciclo de baixa temperatura. Determine: a) A potência de acionamento de cada compressor b) O coeficiente de desempenho geral do ciclo em cascata . O líquido saturado deixa o trocador de calor intermediário a 50 lbf/in² e entra na válvula de expansão. opera com um evaporador à temperatura de 50 ºF e um condensador à pressão de 180 lbf/in². o líquido saturado entra na válvula de expansão a 250 lbf/in². A capacidade frigorífica do sistema em cascata é de 20 TR. Se a eficiência do compressor for igual a 75%.10 – Um ciclo de refrigeração por compressão de vapor. Para o ciclo do Refrigerante 22. em HP d) O coeficiente de desempenho 11 – Um sistema de refrigeração por compressão de vapor é convencional. Para o ciclo de Refrigerante 134a. o fluido de trabalho entra no compressor como vapor saturado a uma temperatura 5 ºF abaixo da temperatura de condensação do refrigerante 134a no trocador de calor intermediário. Em seguida. que é o tetrafluoreto. Se cada compressor opera isentropicamente e se a capacidade frigorífica do sistema é 10 TR. nas válvulas de expansão de alta e baixa pressões.13 – Um sistema de refrigeração por compressor de vapor utiliza o arranjo mostrado na figura abaixo para a compressão em dois estágios com interresfriamento entre os estágios. A câmara de separação e o trocador de calor de contato direto operam a 4 bar. e apresão no condensador é de 12 bar. Correntes de líquido saturado a 12 e 4 bar entram. determine: a) A potencia de acionamento de cada compressor. Vapor saturado a -30 ºF entra no compressor de primeiro estágio. em kW b) O coeficiente de desempenho 14 – Uma forma fácil de raciocinar sobre definições de performance de ciclos é pensar neles como: O que você obtém Medida de desempenho O que você paga por . respectivamente. Refrigerante 134a é o fluido de trabalho. Considerando uma capacidade frigorífica de 15 TR. em ft³/min b) A eficiência isentrópica do compressor c) A potência do compressor. a eficiência térmica é W / Qq . a pressão e a temperatura do ar admitido são 20 lbf/in² e 460 ºR. Calcule: a) A potência de acionamento do compressor. 16 – A figura abaixo mostra esquematicamente um sistema de bomba de calor geotérmica que opera em regime permanente com Refrigerante 22 como fluido de trabalho. para um refrigerador. Na entrada do compressor. determine: a) A vazão volumétrica do ar aquecido para a casa. e o líquido saturado a 8 bar deixa o condensador. o coeficiente de desempenho é Q f / W . Qual é o coeficiente para uma bomba de calor de Carnot? 15 – Um ciclo de bomba de calor por compressão de vapor ideal que usa Refrigerante 134a como fluido de trabalho fornece 15 kW para manter um edifício a 20 ºC quando a temperatura externa é de 5 ºC. em kW b) O coeficiente de desempenho c) O coeficiente de desempenho de um ciclo de bomba de calor de Carnot que opera entre os reservatórios térmicos a 20 ºC e 5 ºC d) Recalcule os itens a e b considerando uma eficiência isentrópica do compressor de 75%.4 bar deixa o evaporador. Para a bomba de calor. Os dados de operação são fornecidos na figura para um dia no qual a temperatura do ar externo é 20 ºF. b) A potência líquida de acionamento. determine: a) A vazão mássica. Vapor saturado a 2. em Btu/min . A temperatura na saída da turbina é 700 ºR. em gal/min 17 – Um ciclo de refrigeração Brayton ideal tem uma razão de pressão do compressor de 6. Defina um coeficiente de desempenho para uma bomba de calor. para uma máquina.Então. Admita que o compressor opere adiabaticamente. em lb/min. A bomba de calor utiliza como fonte térmica água a 55 ºF oriunda de poços. em HP d) O coeficiente de desempenho e) A vazão volumétrica da água dos poços geotérmicos. O ar comprimido entra no trocador de calor regenerativo a 540 ºR e é resfriado até 480 ºR antes de entrar na turbina. O ar entra no compressor a 480 ºR e 15 lbf/in². . respectivamente. em ft³/min b) O coeficiente de desempenho c) Recalcule os itens anteriores considerando que tanto o compressor quanto a turbina possuem eficiências isentrópicas de 88%. calcule: a) A vazão volumétrica na entrada do compressor. e é comprimido isentropicamente até 40 lbf/in². 18 – Considere um ciclo de refrigeração Brayton com um trocador de calor regenerativo. A expansão pela turbina é isentrópica. Se a capacidade frigorífica for de 15 TR.c) O coeficiente de desempenho d) Recalcule os itens anteriores considerando eficiências isentrópicas de 78% e 92% no compressor e na turbina.