Considere um ciclo combinado gás-vapor. O ciclo superior é um ciclo Brayton simples com razão de pressão igual a 7. Ar entra no compressor a 15 °C e a uma vazão de 10 kg/s; na turbina a gás, entra a 950 °C. O ciclo inferior é um ciclo de Rankine com reaquecimento entre os limites de pressão de 6 MPa e 10 kPa. O vapor é aquecido em um trocador de calor a uma vazão de 1,15 kg/s pelos gases de exaustão que deixam a turbina a gás, e os gases de exaustão saem do trocador de calor a 200 °C. O vapor sai da turbina de alta pressão a 1,0 MPa e é reaquecido a 400 °C no trocador de calor antes de se expandir na turbina de baixa pressão. Considerando uma eficiência isentrópica de 80% para as bombas e para as turbinas, determine (a) o conteúdo de umidade na saída da turbina de baixa pressão, (b) a temperatura do vapor na entrada da turbina de alta pressão, (c) a potência líquida produzida e a eficiência térmica da usina combinada.

Agora nós vamos encontrar as propriedades do ciclo a vapor com a ajuda das temperaturas e pressões e consultando as tabelas do apêndice A, então, temos:

Com isso, podemos encontrar o trabalho produzido pela bomba 1 através de:

E, com esse valor, aplicando o equilíbrio de energia para a bomba 1, podemos encontrar o valor da entalpia no ponto 2:

Agora, continuando com as propriedades, temos:

Então, considerando o processo 5-6 como isentrópico, podemos encontrar o título nessa condição:

E, com esse valor, encontrar a entalpia para o caso isentrópico:

Então, com a entalpia isentrópica, podemos aplicar a definição de eficiência isentrópica para a turbina e encontrar a entalpia real no ponto 6. Dessa forma, teremos:

Então, agora, com esse valor de entalpia real e a pressão de 10 kPa, conseguimos encontrar o título real desse ponto, dado por:

Entao, o conteúdo de umidade na saída da turbina de baixa pressão será:

Agora nós vamos aplicar o equilíbrio de energia para o trocador de calor, dessa forma, teremos:

Como no nosso caso temos regime permanente, então , dessa forma, a equação se torna:

E, colocando em função das entalpias e das vazões mássicas, temos:

Então, substituindo os valores conhecidos, temos:

Então, agora, nós temos a entalpia real no ponto 4, no entanto, para o processo 3-4 nós temos os seguintes dados:

Então, supondo o processo 3-4 isentrópico, precisamos escrever a eficiência isentrópica da turbina de baixa pressão, então, teremos:

Então, como não temos a temperatura no ponto 3, não conseguimos encontrar a entalpia nesse ponto para usar a definição de eficiência isentrópica. Dessa forma, vamos recorrer ao EES para resolver esse problema de maneira iterativa, então, colocando a equação de eficiência isentrópica da turbina e as propriedades conhecidas no EES, chegamos em:

E, com essa temperatura, a entalpia no ponto 3 é:

Agora nós vamos analisar o ciclo a gás e calcular seu trabalho líquido. Para isso, vamos começar calculando o trabalho produzido na turbina de alta pressão, então, através da diferença de entalpias entre os pontos 9 e 10, temos:

Agora, o trabalho consumido no compressor será:

Então, o trabalho líquido no ciclo a gás será:

Agora vamos analisar o ciclo a vapor. Então, o trabalho produzido na turbina de baixa pressão pode ser encontrado através da diferença entre as entalpias de entrada nos pontos 3-4 e 5-6, então, temos:

E, o trabalho consumido pela bomba nesse ciclo será:

Então, o trabalho líquido nesse ciclo será:

Então, o trabalho líquido combinado dos ciclos será:

Agora, para calcular a eficiência combinada do ciclo, precisamos encontrar o calor que entra no sistema através da câmara de combustão do ciclo a gás, então, teremos:

Então, a eficiência será: