ÁREA DE ESTUDO: CÓDIGO 16 TERMODINÂMICA APLICADA, MECÂNICA DOS FLUIDOS E OPERAÇÕES UNITÁRIAS

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1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO CEARÁ DIRETORIA DE GESTÃO DE PESSOAS COMISSÃO COORDENADORA DE CONCURSOS CONCURSO PÚBLICO PROFESSOR EFETIVO EDITAL Nº 10/DGP-IFCE/2010 ÁREA DE ESTUDO: CÓDIGO 16 TERMODINÂMICA APLICADA, MECÂNICA DOS FLUIDOS E OPERAÇÕES UNITÁRIAS OBSERVAÇÃO: PERMITIDO O USO DE CALCULADORA CIENTÍFICA NÃO- PROGRAMÁVEL. 01. (15 pontos) Em relação às operações unitárias de filtração industrial de suspensões líquidas e de cristalização industrial, faça o que se pede. a) (1,5 ponto) Relacione três parâmetros operacionais que devem ser considerados na filtração. b) (3,5 pontos) Mencione um filtro industrial, indicando qual a força propulsora determinante na sua operação, como também apresente duas vantagens e duas desvantagens. c) (2 pontos) Relacione dois fatores que afetam a formação do hábito cristalino e justifique, sucintamente, a importância deste parâmetro na operação de cristalização. d) (3 pontos) Cite os métodos industriais usados para produzir a supersaturação na operação de cristalização e associe a utilização de cada método com a dependência térmica da curva de solubilidade do soluto a cristalizar. e) (5 pontos) Cite as três classes (tipos) principais de cristalizadores, em relação ao método de produção de supersaturação, e apresente dois exemplos de cristalizadores comerciais para cada tipo. Descreva, sucintamente, o funcionamento de um destes cristalizadores comerciais. 02. (19 pontos) Um sistema de refrigeração por compressão de vapor opera como o ciclo esquematizado na figura a seguir. O espaço refrigerado é mantido a 5ºC, e a água de resfriamento encontra-se disponível a 25ºC. A capacidade de refrigeração é de 30 kw. O refrigerante usado é o HFC-134a. O evaporador e o condensador possuem tamanho suficiente, para permitir a adoção, em cada um, de uma diferença mínima de temperatura para a transferência de calor de 5ºC. As variações na energia cinética e potencial podem ser desprezadas.

2 Considerando-se o diagrama PH do HFC-134a fornecido a seguir e o sistema de refrigeração acima descrito, faça o que se pede, apresentando os cálculos e as considerações. a) (1 ponto) Determine a temperatura crítica e a pressão crítica do HFC-134a, a partir do diagrama PH dado. b) (3 pontos) Determine, a partir do diagrama PH, as seguintes propriedades termodinâmicas para o líquido e para o vapor saturados na temperatura de 10 o C: a entalpia específica, a entropia específica e o volume específico. c) (4 pontos) Determine o valor do coeficiente de desempenho (performance) para um refrigerador de Carnot operando nas condições térmicas dadas. d) (8 pontos) Determine o coeficiente de desempenho para o ciclo do sistema de refrigeração proposto, sabendo-se que a eficiência do compressor é igual a 0,75. e) (3 pontos) Determine a vazão de circulação do refrigerante, em kg/s, no sistema de compressão descrito.

3 Diagrama PH para o HFC-134a.

4 03. (20 pontos) Água, a 20 o C, é bombeada de um reservatório, submetido à pressão absoluta de 1 atm, até um tanque pressurizado (pressão absoluta de 1,5 atm). O nível de água no tanque é mantido sempre 30 m acima do nível da água no reservatório. O sistema de bombeamento consiste de uma bomba centrífuga, de 260 m de um tubo de PVC com 60 mm de diâmetro interno, e de três joelhos de 90 o e duas válvulas de gaveta abertas, conforme ilustrado na figura a seguir. A água é transferida a uma vazão de 18 m 3 /h. As propriedades da água a 20 o C são massa específica igual a 998 kg/m 3 e viscosidade cinemática igual a 1,012x10 6 m 2 s 1. A aceleração da gravidade no local é igual a 10 m/s 2. O comprimento equivalente do joelho de 90 e o da válvula gaveta aberta são, respectivamente, iguais a 3,8 m e 0,8 m da tubulação de PVC. Considere-se o fator de atrito (fricção) de Darcy para o escoamento igual a 0,020. Assumir escoamento incompressível e permanente. Considerando-se o sistema descrito, faça o que se pede, apresentando os cálculos e as considerações. a) (2 pontos) Determine a viscosidade dinâmica e o peso específico da água, em unidades SI, nas condições dadas. b) (5 pontos) Determine a velocidade média superficial da água e o número de Reynolds (Re) no escoamento. Classifique, também, o escoamento em laminar (Re 2.500), turbulento (Re ) ou de transição. c) (3,5 pontos) Determine a perda de carga total no escoamento, utilizando a equação universal da perda de carga e os dados fornecidos. d) (7 pontos) Determine a potência hidráulica, em kw, necessária para o bombeamento. e) (2,5 pontos) Determine a potência total consumida pela bomba utilizada, em kw, assumindo que a eficiência energética do sistema motor-bomba é igual a 75%. Dados que podem ser usados na resolução desta questão: 1 atm = Pa = 760 mmhg 04. (20 pontos) Água entra em uma caldeira aquotubular a 25ºC e 150 kpa com uma velocidade média de 2,0 m/s. Vapor sai desta caldeira a uma altura de 20 m acima da entrada do líquido, com pressão, temperatura e velocidade média de 150 kpa, a 200ºC e 10 m/s, respectivamente. Nas condições de operação, a entalpia e a entropia específica para o vapor superaquecido são, respectivamente, iguais a kj/kg e 7,64 kj kg -1 K -1 ; e a entalpia e a entropia específica para o líquido são, respectivamente, iguais a 105 kj/kg e 0,37 kj kg -1 K -1. A aceleração da gravidade no local é igual a 10 m/s 2. Estime que quantidade de calor por kg de vapor produzido deve ser adicionada ao sistema em estado permanente. Apresente as considerações e os cálculos utilizados na resolução.

5 05. (26 pontos) Um permutador de calor de tubo duplo (tubos concêntricos) novo é constituído por um tubo interno de aço inoxidável (condutividade térmica constante e igual a 17 W m 1 o C 1 ) com diâmetros interno e externo iguais a 4,0 cm e 4,42 cm, respectivamente; e por um casco (externamente isolado) de diâmetro interno igual a 5,0 cm. Os coeficientes de transferência de calor por convecção sobre a superfície interna e externa do tubo são constantes e iguais a W m 2 o C 1 e a W m 2 o C 1. A água residual de uma indústria têxtil, saindo de uma estação de tratamento de esgoto a 80 o C, é utilizada para préaquecimento de uma água de utilidade (água de caldeira), disponível a 20 o C, no trocador de calor supramencionado. O efluente têxtil pode ser bombeado continuamente através do permutador de calor a uma vazão de 2,0 kg/s e deve sair do permutador a 30 o C. A indústria trabalha com uma vazão de água de utilidade igual a 5,0 kg/s. Os calores específicos da água residual e da água a ser pré-aquecida são constantes e, respectivamente, iguais a 4,62 kj kg -1 C -1 e 4,20 kj kg 1 C 1. O efluente escoa na região anular do trocador em contracorrente com a água de caldeira. Considerando-se o enunciado acima e as curvas para o fator de correção e para a efetividade de um trocador de escoamento cruzado (um único passe no trocador com ambos os fluidos sem mistura), apresentadas nesta prova, resolva. a) (6 pontos) Determine a resistência térmica, por metro de comprimento de tubo, entre os fluidos no trocador de calor. b) (3 pontos) Determine o coeficiente global de transferência de calor para o permutador, com base na área da superfície externa do tubo. c) (3 pontos) Para as condições dadas, determine a taxa de transferência de calor entre as correntes de fluido e a temperatura de saída da água de utilidade. d) (3 pontos) Determine, para a operação de troca térmica enunciada, a diferença de temperatura média logarítmica (DTML). e) (2 pontos) Determine a área efetiva de troca térmica do permutador de tubo duplo com correntes opostas descrito, sabendo-se que seu coeficiente global de transferência de calor é igual a W m -2 o C -1. f) (3 pontos) Recalcule a área efetiva de troca térmica, considerando-se um trocador de calor de escoamento cruzado em um único passe e com os dois fluidos sem mistura com o mesmo coeficiente global do item anterior. g) (6 pontos) Determine, também, para o trocador de calor do item anterior (item f) quais as novas temperaturas de saída dos fluidos (efluente e água), caso a vazão do efluente diminuísse para 1,0 kg/s.

6 Gráfico do fator de correção (F) para um trocador de calor de escoamento cruzado em um único passe e com os dois fluidos sem mistura (adaptado de CENGEL, Y.A. Transferência de Calor e Massa. 3 a edição. Bangcoc: McGraw Hill, 2009). Gráfico da efetividade de um trocador de calor de escoamento cruzado com os dois fluidos sem mistura (adaptado de CENGEL, Y.A. Transferência de Calor e Massa. 3 ed. Bangcoc: McGraw Hill, 2009).