Considere uma usina de potência com ciclo combinado gás-vapor que produz uma potência líquida de 450 MW. A razão de pressão do ciclo da turbina a gás é 14. O ar entra no compressor a 300 K, e na turbina, a 1400 K. Os gases de combustão que saem da turbina a gás são usados para aquecer o vapor a 8 MPa até 400 °C em um trocador de calor. Os gases de combustão saem do trocador de calor a 460 K. Um aquecedor de água de alimentação aberto incorporado ao ciclo de vapor opera a uma pressão de 0,6 MPa. A pressão no condensador é de 20 kPa. Considerando que todos os processos de compressão e expansão sejam isentrópicos, determine (a) a razão entre os fluxos de massa de ar e de vapor, (b) a taxa de fornecimento de calor necessária na câmara de combustão e (c) a eficiência térmica do ciclo combinado.

Agora nós vamos analisar as propriedades do ciclo a vapor, então, com o auxílio das tabelas do apêndice A, temos:

Com esse volume específico, podemos encontrar o trabalho específico da bomba 1 e depois, a entalpia no ponto 2, então, temos:

E, com isso, aplicando um equilíbrio de energia específica para a bomba 1, temos:

Agora, continuando com o ponto 3, temos:

Com esse valor de volume específico, podemos calcular o trabalho específico da bomba 2, e depois a entalpia no ponto 4, então, temos:

E, com isso, a entalpia no ponto 4 pode ser encontrada aplicando um equilíbrio de energia específica para a bomba 2, então, temos:

Agora, continuando com as propriedades, temos:

Dessa forma, podemos encontrar o título no ponto 6 através de:

E, com esse valor de título, podemos encontrar a entalpia através de:

E, por fim, para o ponto 7, temos:

Dessa forma, podemos encontrar o título no ponto 6 através de:

E, com esse valor de título, podemos encontrar a entalpia através de:

Agora nós vamos aplicar o equilíbrio de energia para o trocador de calor do sistema, que fica entre os pontos 4 e 5 do ciclo a vapor e 11 e 12 do ciclo a gás, então, a equação será:

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, colocando em função da relação entre a massa de gás e vapor, temos:

Substituindo os valores conhecidos, chegamos em:

Agora vamos aplicar o equilíbrio de energia para o aquecedor de água, então, sabendo que temos fluido entrando pelos pontos 2 e 6 e saindo pelo 3, temos:

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:

Agora, escrevendo a vazão mássica em função da fração mássica , temos:

Substituindo os valores conhecidos, temos:

Agora, com o valo da fração mássica, podemos aplicar o equilíbrio de energia na turbina do sistema e encontrar o trabalho produzido pela turbina, então, em função da fração mássica, temos:

Substituindo os valores conhecidos, temos:

Agora, podemos encontrar o trabalho líquido produzido no ciclo vapor, então, temos:

Substituindo os valores conhecidos:

E, agora, no ciclo gás, temos:

E, em função das entalpias, temos:

Agora, substituindo os valores conhecidos, temos:

Então, agora, podemos calcular o trabalho líquido por unidade de massa de gás, então, teremos:

Dividindo os dois lados da equação por , temos:

E, agora, substituindo os valores conhecidos, chegamos em:

Agora podemos encontrar a massa de gás presente no sistema, então:

E, com esse valor, podemos encontrar o calor que entra no sistema, então, temos:

E, por fim, podemos encontrar a eficiência do sistema através de: