Uma caldeira é alimentada com 0,005 kg / s de nitrogênio líquido a 600 kPa. A caldeira descarrega o nitrogênio como vapor saturado a 600 kPa e alimenta um superaquecedor, que descarrega o nitrogênio a 600 kPa e 280 K. Determine as taxas de transferência de calor na caldeira e no superaquecedor.

Passo 1

Primeiro, vamos entender o que o enunciado está pedindo. Temos uma caldeira que recebe nitrogênio líquido a uma certa taxa de fluxo e pressão. Esse nitrogênio é aquecido e transformado em vapor saturado, que depois passa por um superaquecedor, onde é aquecido ainda mais. Nosso objetivo é encontrar as taxas de transferência de calor na caldeira e no superaquecedor. Para resolver isso, vamos precisar usar o conceito de balanço de energia para sistemas abertos e as propriedades termodinâmicas do nitrogênio.

Passo 2

Vamos começar analisando a caldeira. Nela, o nitrogênio entra como líquido e sai como vapor saturado. Para encontrar a taxa de transferência de calor na caldeira, usamos a equação do balanço de energia:
dotQcaldeira = dotm cdot (hvapor - hlíquido) í
Aqui, dotm é a taxa de fluxo de massa, hvapor é a entalpia do nitrogênio como vapor saturado, e hlíquidoí é a entalpia do nitrogênio líquido.

Passo 3

Agora, precisamos dos valores das entalpias. Supondo que já temos uma tabela de propriedades do nitrogênio, encontramos hvapor a 600 kPa e a temperatura correspondente do vapor saturado. Da mesma forma, encontramos hlíquidoí na mesma pressão. Subtraindo essas entalpias e multiplicando pela taxa de fluxo de massa, obtemos dotQcaldeira.

Passo 4

Passando para o superaquecedor, o nitrogênio entra como vapor saturado e sai como vapor superaquecido a 280 K. A taxa de transferência de calor no superaquecedor é dada por:
dotQsuperaquecedor = dotm cdot (hsuperaquecido - hvapor)
Aqui, hsuperaquecido é a entalpia do nitrogênio a 600 kPa e 280 K, e hvapor é a entalpia do vapor saturado na caldeira.

Passo 5

Novamente, consultamos a tabela de propriedades do nitrogênio para encontrar hsuperaquecido a 600 kPa e 280 K. Calculamos a diferença entre hsuperaquecido e hvapor, e multiplicamos pela taxa de fluxo de massa para encontrar dotQsuperaquecedor.

Resposta

As taxas de transferência de calor são:
dotQcaldeira = dotm cdot (hvapor - hlíquido) í
dotQsuperaquecedor = dotm cdot (hsuperaquecido - hvapor)

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