Uma caldeira é alimentada com
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:
Aqui,
é a taxa de fluxo de massa,
é a entalpia do nitrogênio como vapor saturado, e
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
a 600 kPa e a temperatura correspondente do vapor saturado. Da mesma forma, encontramos
na mesma pressão. Subtraindo essas entalpias e multiplicando pela taxa de fluxo de massa, obtemos
.
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:
Aqui,
é a entalpia do nitrogênio a 600 kPa e 280 K, e
é a entalpia do vapor saturado na caldeira.
Passo 5
Novamente, consultamos a tabela de propriedades do nitrogênio para encontrar
a 600 kPa e 280 K. Calculamos a diferença entre
e
, e multiplicamos pela taxa de fluxo de massa para encontrar
.
Resposta
As taxas de transferência de calor são: