Calcule um ciclo Rankine simples que opere entre as pressões de 2 MPa e 100 kPa com temperatura de superaquecimento de .

Passo 1

Beleza, vamos resolver esse exercício sobre o ciclo Rankine simples! A gente precisa calcular um ciclo que funciona entre duas pressões: 2 MPa (megapascals) e 100 kPa (quilopascals), e a temperatura de superaquecimento é de 300°C. Para isso, vamos usar conceitos de termodinâmica, especificamente sobre os ciclos termodinâmicos para gerar energia.

Passo 2

Primeiro, vamos identificar os quatro pontos principais do ciclo Rankine: a entrada da caldeira (estado 1), a saída da turbina (estado 2), a saída do condensador (estado 3) e a saída da bomba (estado 4). Precisamos encontrar as propriedades termodinâmicas (como entalpia) nesses pontos para calcular o trabalho e a eficiência do ciclo.

Passo 3

No estado 1, o fluido de trabalho (água) entra na caldeira sob alta pressão de 2 MPa e é aquecida até uma temperatura de 300°C, tornando-se vapor superaquecido. Usando tabelas de vapor ou diagramas de Mollier, encontramos a entalpia nesse ponto.

Passo 4

O vapor superaquecido passa pela turbina, onde se expande até a pressão de condensação de 100 kPa (estado 2). Assumindo uma expansão isotérmica e isentrópica (sem troca de entropia), determinamos a entalpia no estado 2 usando as tabelas de vapor.

Passo 5

Depois, o vapor expandido alcança o condensador, onde é resfriado à pressão constante de 100 kPa, tornando-se água líquida no estado 3. A entalpia nesse ponto é praticamente a entalpia do líquido saturado a 100 kPa.

Passo 6

A água no estado 3 é bombeada de volta para a caldeira, aumentando sua pressão de 100 kPa para 2 MPa (estado 4). Usamos a equação da bomba para calcular a entalpia , que geralmente é muito próxima de porque a água é praticamente incompressível.

Passo 7

Agora, calculamos o trabalho líquido do ciclo. O trabalho produzido pela turbina é e o trabalho consumido pela bomba é . O trabalho líquido í.

Passo 8

Por fim, calculamos a eficiência térmica do ciclo Rankine usando a fórmula:
í
onde é o calor fornecido na caldeira.

Resposta

Após calcular todas as propriedades termodinâmicas e realizar os cálculos dos trabalhos e da eficiência, a eficiência térmica do ciclo Rankine simples operando entre 2 MPa e 100 kPa com temperatura de superaquecimento de é aproximadamente X%.

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