Universidade Federal do Esprito Santo

Operaes Unitrias B

Lista de Exerccios

Prof.: Icaro Pianca Guidolini

1 Uma soluo 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 soluo resfriada e Ba(NO3)2 cristaliza. No resfriamento, 10% da gua original presente evapora. Para uma alimentao de 100 kg totais, calcule:

a) A produo de cristais se a soluo resfriada at 290 K, onde a solubilidade 8,6 kg de Ba(NO3)2 / 100 kg de gua total.

2 1000 kg de KCl so dissolvidos em gua suficiente para obter uma soluo saturada a 363 K, onde a solubilidade 35 % em massa. A soluo resfriada para 293 K, onde a solubilidade 25,4 % em massa.

a) Qual a massa de gua requerida para a soluo e a massa de cristais de KCl obtida.

b) Qual a massa de cristais obtida se 5% da gua original evapora no resfriamento.

3 10.000 lb de uma soluo a 130 F contendo 47 lb FeSO4 / 100 lb gua total so resfriados at 80 F, onde os cristais de FeSO4.7H2O so removidos. A solubilidade do sal 30.5 lb FeSO4 / 100 lb gua total. Calcule a produo de cristais considerando que a gua no evapora no resfriamento. 4 10.000 kg de uma soluo com 30% em massa de Na2CO3 so resfriados at 293 K. O sal cristaliza na sua forma decahidratada. Calcule a produo de cristais sabendo que a solubilidade do sal 21,5 kg Na2CO3 anidro / 100 kg gua total.

a) Sem evaporao de gua no resfriamento b) Considere que 3% da massa total da soluo perdida por evaporao

da gua no resfriamento. 5 Na comparao de desempenho de um ciclo real coma de um ciclo de Carnot, deve-se, em princpio escolher as temperaturas para usar nos clculos do ciclo de Carnot. Considere um ciclo de refrigerao por compresso de vapor no qual as temperaturas mdias dos fluidos no condensador e no

evaporador so qT e fT , respectivamente. De acordo com qT e fT , a

transferncia de calor ocorre em relao vizinhana nas temperaturas aqT e

afT . O que fornece uma estimativa mais conservativa de Carnot : um clculo

baseado em qT com fT , ou um baseado em aqT e afT ?

6 Um ciclo de refrigerao por compresso de vapor opera em regime permanente usando refrigerante 134a como fluido de trabalho. Vapor saturado entra no compressor a 2 bar e lquido saturado deixa o condensador a 8 bar. A eficincia isentrpica do compressor de 80%. A vazo mssica do refrigerante 7 kg/min. Determine:

a) A potencia de acionamento do compressor, em kW b) A capacidade frigorfica, em TR c) Os coeficientes de desempenho do ciclo real, do ciclo ideal e de um ciclo

de Carnot nas mesmas condies. 7 Um sistema de refrigerao por compresso de vapor trabalha com refrigerante 134a a uma taxa de 6 kg/min. O refrigerante entra no compressor a -10 C e 1,4 bar e sai a 7 bar. A eficincia isentrpica do compressor de 67%. No h queda de presso aprecivel medida que o refrigerante escoa pelo condensador e pelo evaporador. O refrigerante sai do condensador a 7 bar e 24 C. Ignorando os efeitos de transferncia de calor entre o compressor e sua vizinhana, determine:

a) A potencia de acionamento do compressor, em kW b) A capacidade frigorfica, em TR c) Os coeficientes de desempenho do ciclo real, do ciclo ideal e de um ciclo

de Carnot nas mesmas condies. 8 Um sistema de refrigerao por compresso de vapor em que se utiliza amnia como fluido de trabalho tem presses no condensador e no evaporador iguais a 200 e 30 lbf/in, respectivamente. O refrigerante escoa atravs de cada trocador de calor com queda de presso desprezvel. Na entrada e na sada do compressor, as temperaturas so, respectivamente, 10 F e 300 F. A taxa de transferncia de calor do fluido de trabalho que escoa pelo condensador de 50.000 Btu/h e o lquido sai a 200 lbf/in, 90 F. considerando que o compressor opera adiabaticamente, determine:

a) A potencia de acionamento do compressor, em kW b) O coeficiente de desempenho

9 A capacidade frigorfica de um sistema de compresso de vapor que utiliza propano de 5 TR. Vapor saturado a 0 F entra no compressor e, na sada, tem-se vapor superaquecido a 120 F e 180 lbf/in, a transferncia de calor do compressor para sua vizinhana ocorre a uma taxa de de 3,5 Btu por lb de refrigerante no compressor. O refrigerante em forma lquida entra na vlvula de expanso a 85 F e 180 lbf/in. O condensador resfriado a gua que entra a 65 F e sai a 80 F, com uma variao de presso desprezvel. Determine:

a) A potencia de acionamento do compressor, em Btu/h b) A vazo mssica da gua de resfriamento atravs do condensador, em

lb/min c) O coeficiente de desempenho

10 Um ciclo de refrigerao por compresso de vapor, com refrigerante 134a como fluido de trabalho, opera com um evaporador temperatura de 50 F e um condensador presso de 180 lbf/in. O refrigerante entra no condensador a 140 F e sai como lquido saturado. O ciclo tem uma capacidade frigorfica de 5 TR. Determine:

a) A vazo mssica do refrigerante, em lb/min b) A eficincia isentrpica do compressor c) A potencia do compressor, em HP d) O coeficiente de desempenho

11 Um sistema de refrigerao por compresso de vapor convencional, exceto pela existncia de um trocador de calor em contracorrente que sub-resfria o lquido que sai do condensador atravs da troca de calor com a corrente de vapor que sai do evaporador. A diferena mnima de temperaturas para a transferncia de calor de 10 F. O refrigerante, que o tetrafluoreto, se evapora a 20 F e se condensa a 80 F. A carga trmica no evaporador de 2.000 Btu/s. Se a eficincia do compressor for igual a 75%, qual ser a potncia necessria? Compare esse resultado com a necessidade de potncia no compressor, se o sistema operar sem o trocador de calor. Qual a relao entre as vazes de circulao nos dois casos? 12 Um sistema de refrigerao por compresso de vapor opera com o arranjo tipo cascata mostrado na figura abaixo. Refrigerante 22 o fluido de trabalho para o ciclo de alta temperatura e Refrigerante 134a usado no ciclo de baixa temperatura. Para o ciclo de Refrigerante 134a, o fluido de trabalho entra no compressor como vapor saturado a -30 F e comprimido isentropicamente at 50 lbf/in. O lquido saturado deixa o trocador de calor intermedirio a 50 lbf/in e entra na vlvula de expanso. Para o ciclo do Refrigerante 22, o fluido de trabalho entra no compressor como vapor saturado a uma temperatura 5 F abaixo da temperatura de condensao do refrigerante 134a no trocador de calor intermedirio. O Refrigerante 22 comprimido isentropicamente at 250 lbf/in. Em seguida, o lquido saturado entra na vlvula de expanso a 250 lbf/in. A capacidade frigorfica do sistema em cascata de 20 TR. Determine:

a) A potncia de acionamento de cada compressor b) O coeficiente de desempenho geral do ciclo em cascata

13 Um sistema de refrigerao por compressor de vapor utiliza o arranjo mostrado na figura abaixo para a compresso em dois estgios com inter-resfriamento entre os estgios. Refrigerante 134a o fluido de trabalho. Vapor saturado a -30 F entra no compressor de primeiro estgio. A cmara de separao e o trocador de calor de contato direto operam a 4 bar, e apreso no condensador de 12 bar. Correntes de lquido saturado a 12 e 4 bar entram, respectivamente, nas vlvulas de expanso de alta e baixa presses. Se cada compressor opera isentropicamente e se a capacidade frigorfica do sistema 10 TR, determine:

a) A potencia de acionamento de cada compressor, em kW b) O coeficiente de desempenho

14 Uma forma fcil de raciocinar sobre definies de performance de ciclos pensar neles como:

por paga vocque O

obtm vocque O desempenho de Medida

Ento, para uma mquina, a eficincia trmica qQW / ; para um

refrigerador, o coeficiente de desempenho WQ f / . Defina um coeficiente

de desempenho para uma bomba de calor. Qual o coeficiente para uma bomba de calor de Carnot? 15 Um ciclo de bomba de calor por compresso de vapor ideal que usa Refrigerante 134a como fluido de trabalho fornece 15 kW para manter um edifcio a 20 C quando a temperatura externa de 5 C. Vapor saturado a 2,4 bar deixa o evaporador, e o lquido saturado a 8 bar deixa o condensador. Calcule:

a) A potncia de acionamento do compressor, 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 reservatrios trmicos a 20 C e 5 C d) Recalcule os itens a e b considerando uma eficincia isentrpica do

compressor de 75%. 16 A figura abaixo mostra esquematicamente um sistema de bomba de calor geotrmica que opera em regime permanente com Refrigerante 22 como fluido de trabalho. A bomba de calor utiliza como fonte trmica gua a 55 F oriunda de poos. Os dados de operao so fornecidos na figura para um dia no qual a temperatura do ar externo 20 F. Admita que o compressor opere adiabaticamente. Para a bomba de calor, determine:

a) A vazo volumtrica do ar aquecido para a casa, em ft/min b) A eficincia isentrpica do compressor c) A potncia do compressor, em HP d) O coeficiente de desempenho e) A vazo volumtrica da gua dos poos geotrmicos, em gal/min

17 Um ciclo de refrigerao Brayton ideal tem uma razo de presso do compressor de 6. Na entrada do compressor, a presso e a temperatura do ar admitido so 20 lbf/in e 460 R. A temperatura na sada da turbina 700 R. Considerando uma capacidade frigorfica de 15 TR, determine:

a) A vazo mssica, em lb/min. b) A potncia lquida de acionamento, em Btu/min

c) O coeficiente de desempenho d) Recalcule os itens anteriores considerando eficincias isentrpicas de

78% e 92% no compressor e na turbina, respectivamente. 18 Considere um ciclo de refrigerao Brayton com um trocador de calor regenerativo. O ar entra no compressor a 480 R e 15 lbf/in, e comprimido isentropicamente at 40 lbf/in. O ar comprimido entra no trocador de calor regenerativo a 540 R e resfriado at 480 R antes de entrar na turbina. A expanso pela turbina isentrpica. Se a capacidade frigorfica for de 15 TR, calcule:

a) A vazo volumtrica na entrada do compressor, em ft/min b) O coeficiente de desempenho c) Recalcule os itens anteriores considerando que tanto o compressor

quanto a turbina possuem eficincias isentrpicas de 88%.