Uma torre de resfriamento com corrente de ar natural deve remover o calor rejeitado da água de resfriamento que escoa pelo condensador de uma usina a vapor. A turbina da usina a vapor recebe 42 kg/s de vapor do gerador de vapor. Extrai-se então 18% desse vapor para diversos aquecedores de água de alimentação. A água condensada dos aquecedores da água de alimentação a uma pressão mais alta é enviada ao próximo aquecedor de água de alimentação com pressão mais baixa. O último aquecedor de água de alimentação opera a 0,2 MPa, e todo o vapor extraído para os aquecedores de água de alimentação é estrangulado da saída do último aquecedor de água de alimentação até o condensador que opera a uma pressão de 10 kPa. O restante do vapor produz trabalho na turbina e sai do estágio de pressão mais baixa a 10 kPa com uma entropia de 7,962 kJ/kgK. A torre de resfriamento fornece a água de resfriamento a 26 °C ao condensador, e a água de resfriamento retorna do condensador para a torre de resfriamento a 40 °C. O ar atmosférico entra na torre a 1 atm com temperaturas de bulbo seco e úmido de 23 °C e 18 °C respectivamente, saindo saturado a 37 °C. Determine (a) a vazão mássica da água de resfriamento, (b) a vazão volumétrica do ar para a torre de resfriamento e (c) a vazão mássica da água de reposição necessária.

Temos pelo enunciado que a torre fornece a água de resfriamento ao condensador a 26 °C e, a água de resfriamento retorna do condensador para a torre a 40 °C. Ao consultar as tabelas de vapor encontradas no final do livro, encontramos que a entalpia da água que volta a torre a 40 °C é de , já para a água que sai da torre a 26 °C, teremos de realizar uma interpolação, daí:

Agora, vamos encontrar as entalpias dos vapores dos aquecedores de água de alimentação, do condensador e da turbina, assim temos:

• No último aquecedor teremos uma pressão de 0,2 MPa e teremos título zero, assim, ao consultar as tabelas de vapor no final do livro encontramos ;
• No condensador que opera a 10 kPa também teremos título igual a zero, assim, ao olhar a tabela vamos encontrar ;
• Na turbina teremos o vapor gerando trabalho e sai do estágio a uma pressão de 10 kPa e entropia de 7,962 kJ/kgK, encontramos então .

Temos que a vazão mássica nada mais é que a vazão volumétrica sobre o volume específico do componente, assim para o ar temos:

Temos então a vazão mássica de ar seco, agora, queremos saber a vazão mássica de vapor que entra e sai da torre, assim, basta multiplicarmos a vazão mássica de ar seco pela umidade específica em cada estado:

Realizando o balanço de massa para a torre de resfriamento, temos:

O balanço de energia da torre de resfriamento é , assim:

Temos que a vazão mássica água de reposição será dada por:

O balanço de energia para o condensador é o mesmo para a torre de resfriamento, , assim:

Temos de encontrar a vazão volumétrica do ar, a vazão mássica da água de resfriamento e a vazão mássica da água de reposição, temos essas três incógnitas incluídas nas duas expressões de balanço de energia, o da torre e o do condensador, precisamos resolver as duas equações simultaneamente para encontrar o que desejamos, utilizando então um software, encontraremos os seguintes valores: