Explique qualitativa e quantitativamente como a inclusão de um regenerador (pré-aquecedor regenerativo) em um…

Questão

Explique qualitativa e quantitativamente como a inclusão de um regenerador (pré-aquecedor regenerativo) em um ciclo Rankine altera a eficiência térmica. Considere exemplo em que o pré-aquecimento reduz o calor necessário para vaporização em 12% mantendo o mesmo trabalho entregue.

✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.

Resposta esperada

Modelo de resposta: A eficiência térmica de um ciclo é ? = W / Q_in. Um regenerador recupera calor dos gases/condensado e reduz Q_in necessário ao vaporizar a mesma massa, diminuindo perdas no gerador. Quantitativamente, se Q_in,0 é o calor sem regenerador e Q_in,1 = 0,88·Q_in,0 (redução de 12%) para o mesmo W, então ?0 = W/Q_in,0 e ?1 = W/Q_in,1 = W/(0,88·Q_in,0) = ?0/0,88 ˜ 1,136·?0 (aumento relativo ˜13,6%). Exemplo numérico: se Q_in,0 = 1 000 kJ e W = 300 kJ então ?0 = 0,300; com regenerador Q_in,1 = 880 kJ e ?1 = 300/880 = 0,341 (aumento absoluto 0,041 ou 4,1 pontos percentuais). Fisicamente, o regenerador reduz o calor fornecido pela caldeira e melhora o rendimento prático; contudo irreversibilidades e custos de implementação podem limitar o ganho real. Referir-se às leis da termodinâmica: a primeira conserva energia (?U = Q - W) e a segunda impõe limites por geração de entropia, que determina quanto do calor pode ser convertido em trabalho.

Explicação

A explicação aborda a relação entre a eficiência térmica e a quantidade de calor necessária para o ciclo Rankine, demonstrando como a inclusão de um regenerador permite uma redução no calor de entrada, o que resulta em um aumento da eficiência. O raciocínio quantitativo é fundamentado em uma comparação entre a eficiência antes e depois da implementação do regenerador, utilizando uma redução percentual clara para ilustrar o impacto. Além disso, a menção às leis da termodinâmica contextualiza a análise, reforçando a importância da conservação de energia e das limitações impostas pela geração de entropia.

Raio-X da questão

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