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The First Law of Thermodynamics & Cyclic Processes Meeting 7 Meeting 7 Section 4 Section 4 - - 1 1

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Page 1: The First Law of Thermodynamics & Cyclic Processesem524/Textos_Transparencias/CAP_4/aula-7.pdf · Qual é a taxa com que o calor é rejeitado ao ambiente por esta central? H 1000MW

The First Law ofThermodynamics &

Cyclic ProcessesMeeting 7Meeting 7

Section 4Section 4--11

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Thermodynamic CycleThermodynamic Cycle• Is a series of

processes which form a closed path.

• The initial and the final states are coincident.

• All thermal engines work in a cyclic process.

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11stst Law for a CycleLaw for a Cycle41 3

2

•The Energy change is zero due to the cyclic nature; • But not heat and work, they are path dependent functions. That is, the net work in a cyclic process has to equal to the net heat.

• Furthermore, the AREA inside the cycle represents the net Work or the net Heat

0∆Ecycle =

0 W Q ∆Eor cycle cyclecycle =−=

Qcycle = Wcycle

∫∫∫ δ−δ=cyclecyclecycle

WQdE0

1

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Heat Engine Power CyclesHeat Engine Power Cycles

Hot body or source

Cold body or sink

System, or heat engine

Qin

Qout

Wcycle

A Thermal engines draws heat from a hot source and rejects heat to a cold source producing work

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Heat Engine Efficiency: Heat Engine Efficiency: machines that produce workmachines that produce work

Wcycle

Hot body or source

Cold body or sink

System, or heat engine

QH

QLH

L

H

LH

H

LIQ

QQ

1

QQQ

QW

−=

−=

==η

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Refrigerators and heat pumps: Refrigerators and heat pumps: machines that consume workmachines that consume work

Hot body or source

Cold body or sink

System

Qout

Qin

WcycleLH

L

IN

L

QQQ

WQ

−=

==η

LH

H

IN

H

QQQ

WQ

−=

==η

RE

FRIG

ER

AT

OR

HE

AT

PU

MP

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TEAMPLAYTEAMPLAYA closed system undergoes a cycle consisting of two processes. During the first process, 40 Btu of heat is transferred to the system while the system does 60 Btu of work. During the second process, 45 Btu of work is done on the system.

(a) Determine the heat transfer during the second process.(b) Calculate the net work and net heat transfer of the cycle.

A

BWin = 45 Btu

Qin=40 BtuWout=60 Btu

1

2P

V

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Th

Wη 0,4Q

= =

Ex4.14) Uma grande central de potência produz 1000MW de potência elétrica com uma eficiência térmica do ciclo de 40%. Qual é a taxa com que o calor é rejeitado ao ambiente por esta central?

H1000MWQ 2500MW

0,4= =

H L liq

L

Q W (Q Q ) W

Q 1500MW

= ⇒ − =

∴ =

∫ ∫

Wcycle

Hot body or source

Cold body or sink

System, or heat engine

QH

QL

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CarnotCarnot Cycle for GasCycle for Gas• The Carnot cycle is a reversible cycle that is composed

of four internally reversible processes. – Two isothermal processes– Two adiabatic processes

Net Work Positive Net Work Negative,Reversed cycle.

•The area represents the net work or net heat.

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Execution of the Carnot Cycle in a Closed SystemExecution of the Execution of the CarnotCarnot Cycle in a Closed SystemCycle in a Closed System

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• Carnot cycle involving two phases -- it is still two adiabatic processes and two isothermal processes.

• It is always reversible --a Carnot cycle is reversible by definition.

TL

TL

TL

CarnotCarnot Cycle for VaporCycle for Vapor

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Vapor Power CyclesVapor Power Cycles• We’ll look specifically at the Rankine cycle, which is a vapor

power cycle.• It is the primary electrical producing cycle in the world.• The cycle can use a variety of fuels.

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Question …..Question …..How much does it cost to operate a gas fired 1000 MW(output) power plant with a 35% efficiency for 24 hours/day for a full year if fuel cost are $2.00 per 106 Btu?

$467,952.27/day$170,801,979/year

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If you could improve the efficiency of a 1000 MW power plant from 35% to 36%, what would be the savings?

Considering you did this job, what would be reasonable charge for your services?

Question ….Question ….

$12,998/day$4,744,499/year

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VaporVapor--cycle cycle Power PlantsPower Plants

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BOILERTURBINE

PUMP

CONDENSER

qin

wout

qout

win1

3

42

We’ll simplify the power plantWe’ll simplify the power plant

1

23

4

•Low thermal efficiency•Compressor and turbine must handle two phase flows•The Carnot cycle is not a suitable model for vapor power cycles because it cannot be approximated in practice.

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QL=-3500

Wb=-1

QH=+5000

Wt=?

Qp=-500

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Ex4.15)

1000MW4000-5000WQ =→=∫ ∫

Condensador

Turbina

Caldeira

Bomba

WT>0

Qc<0 (3500)

Wb<0

Qh>0(5000)

Qmeio<0 (500)

00

h

liqT 25

50001000

QW

η ===

MW 1001W1 W1000WWW TTbTliq =→−=→−=

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Reversed Vapor Cycles: Reversed Vapor Cycles: Refrigerator and Heat PumpRefrigerator and Heat Pump

The objective of a refrigerator is to remove heat (QL) from the cold medium; the objective of a heat pump is to supply heat (QH) to a warm medium

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Inside The Household RefrigeratorInside The Household Refrigeratorcommon view engineering view

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Reversed Reversed CarnotCarnot Vapor Cycle Vapor Cycle RefrigeratorRefrigerator

12

34

Expansion valve

1

4

3

2

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Gas Power CycleGas Power CycleGas Power Cycle• A cycle during which a net amount of work is produced is called

a power cycle, • and a power cycle during which the working fluid remains a gas

throughout is called a gas power cycle.

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Actual and Ideal Cycles in Actual and Ideal Cycles in SparkSpark--Ignition EnginesIgnition Engines

v

v

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Ott

o C

ycle

Ott

o C

ycle

• Heat addition 2-3 QH = mCV(T3-T2)• Heat rejection 4-1 QL = mCV(T4-T1)

• or in terms of the temperature ratios

( )( )23V

14V

H

LTTmCTTmC

1QQ

1−−

−=−=η

( )( )1TTT

1TTT1

QQ

1232

141

H

L−−

−=−=η

qout

qin

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Ott

o C

ycle

Ott

o C

ycle

• 1-2 and 3-4 are adiabatic process, using the adiabatic relations between T and V

4

3

1

2

4

3

RATIO VOLUME SAME

1

3

41

2

1

1

2TT

TT

TT

VV

VV

TT

≡⇒=

=

=

−γ−γ

qout

qin

( )( )

( ) 2

1v

v VV r where

r

TT

TTTTTT

=−=η

−≡−−

−=η

−γ 1

2

1

232

141

11

1111

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Thermal Efficiency of Ideal Otto Cycle

Thermal Efficiency of Ideal Thermal Efficiency of Ideal Otto CycleOtto Cycle

• Under cold-air-standard assumptions, the thermal efficiency of the ideal Otto cycle is

where r is the compression ratio and k is the specific heat ratio Cp /Cv.

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Effect of compression ratio on Otto Effect of compression ratio on Otto cycle efficiencycycle efficiency

k = 1.4

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BraytonBrayton CycleCycle• This is another air standard cycle and it models

modern turbojet engines. Proposed by George Brayton in 1870!

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Illustration of A Turbofan EngineIllustration of A Illustration of A Turbofan EngineTurbofan Engine

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Other applications Other applications of of BraytonBrayton cyclecycle

• Power generation - use gas turbines to generate electricity…very efficient

• Marine applications in large ships

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A Closed & OpenA Closed & Open--Cycles Cycles GasGas--Turbine EngineTurbine Engine

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Aquecedor1000ºC

Condensador100ºC

TurbinaCompressor

1 2

4 3

Qh=+180kW

QL=-110kW

W>0W<0 0

0

h

liqT

liq

0,3918070

QW

η

70kW110180W

WQ:Lei1º

===

=−=

= ∫∫

Ex4.17) Uma central de potência com turbina a gás operando num ciclo fechado usa ar como fluido de trabalho, veja esquema da figura.

(a) Identifique as interações das transf. de calor e trabalho considerando o ar como sistema.

(b) (b) se 180KW são fornecidos ao aquecedor e 110KW são rejeitados no condensador, determine a potência líquida e a eficiência da central.

parte (a) parte (b)

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BraytonBrayton CycleCycle• 1 to 2--adiabatic compression

in the compressor• 2 to 3--constant pressure heat

addition (replaces combustion process)

• 3 to 4--adiabatic expansion in the turbine

• 4 to 1--constant pressure heat rejection to return air to original state

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BraytonBrayton CycleCycle• Because the Brayton cycle operates between

two constant pressure lines, or isobars, the pressure ratio is important.

• The pressure ratio is not a compression ratio.

PressureRatio

32

1 4

PPP P

=

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BraytonBrayton Cycle AnalysisCycle AnalysisLet’s assume cold air conditions and manipulate the efficiency expression:

p 4 1L

H p 3 2

C (T T )Q1 1 Q C (T T )

or

−η = − = −

( )( )1TT

1TTTT1

23

14

2

1

−−

−=η

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1

2 2

1 1

T P ;T P

γ−γ

=

1

3 3

4 4

T PT P

γ−γ

=

Using the adiabatic relationships:

Pressure and temperature ratios

BraytonBrayton cycle analysiscycle analysis

4

3

1

2

PP

PP

=

1

4

2

3

1

2

4

3

1

2

4

3

TT

TTor

TT

TT

PP

PP since ==→

=

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( )1 32p

1 4

TT rT T

γ− γ= =

BraytonBrayton Cycle AnalysisCycle AnalysisThen we can relate the temperature ratios to the pressure ratio:

Plug back into the efficiency expression and simplify:

( )1

th,Brayton 12 p

T 11 1T r γ− γ

η = − = −

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BraytonBrayton CycleCycle

k1kpr

11 /)( −−=η

γ = 1.4

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Thermal Efficiency of Thermal Efficiency of the Ideal the Ideal BraytonBrayton CycleCycle

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Solução de Exercícios Cap 4

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Ex4.13) 100 KJ de calor é adicionada a um ciclo de Carnot a 1000K. O ciclo rejeita calor a 300K. Quanto trabalho o ciclo produz e quanto calor ele rejeita?

1000K

300K

W

100KJ

Ciclo de CarnotW=?Qc=?

30KJQ

70)Q(100WQ

70KJW1000,7W0,7η1031

TT1

QWη

c

c

c

h

c

hc

=

=−→=

=×=→=

−=−==

∫ ∫

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Ex4.16)

P2

T

s

P1>P2

550ºC

30ºC

0,638233031ηT =−=

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Aquecedor1000ºC

Condensador100ºC

TurbinaCompressor

1 2

4 3

Qh=+180kW

QL=-110kW

W>0W<0 0

0

h

liqT

liq

0,3918070

QW

η

70kW110180W

WQ:Lei1º

===

=−=

= ∫∫

Ex4.17) Uma central de potência com turbina a gás operando num ciclo fechado usa ar como fluido de trabalho, veja esquema da figura.

(a) Identifique as interações das transf. de calor e trabalho considerando o ar como sistema.

(b) (b) se 180KW são fornecidos ao aquecedor e 110KW são rejeitados no condensador, determine a potência líquida e a eficiência da central.

parte (a) parte (b)

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Rendimento Máximo -> Rendimento de Carnot

0,7112733731ηη Carnotmáx =−==

Ciclo Brayton

γ1γ

1

2

PP1η

−=

Conhecer Pressões

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Um sistema pistão cilindro contêm, inicialmente, três kg de H2O no estado de líquido saturado com 0.6 MPa. Calor é adicionado, vagarosamente, a água fazendo com que o pistão se movimente de tal maneira que a pressão seja constante. Quanto de trabalho é realizado pela água? Quanta energia deve ser transferida para a água de tal maneira que ao final do processo ela esteja no estado de vapor saturado?

Evaporação a pressão constante

Representaçãodo processo

Fronteirado

Sistema

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processo a pressão const.

Primeira Lei:1Q2 – 1W2 = U2 – U1

mas o trabalho 1W2 = Patm*(V2-V1),Logo 1Q2 = (P2V2+U2)-(P1V1+U1) = H2-H1

Onde h2 é a entalpia do vapor saturado e h1 é a entalpia do líquido. Na tabela 1-2 termodinâmico para 0.6MPa, tem-se que h2 = 2756,8 KJ/kg e h1 = 670,56 KJ/kg. Considerando 3kg de H2O, então o calor transferido será de 3*(2756-670) = 6259 KJ.

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Resfriamento com Gelo Seco

0.5 kg de gelo seco (CO2) a 1 atm é colocado em cima de uma fatia de picanha. O gelo seco sublima a pressão constante devido ao fluxo de calor transferido pela picanha. Ao final do processo todo CO2 está no estado de vapor (foi completamente sublimado). Determine a temperatura do CO2 e quanto de calor ele recebeu da picanha.

Representaçãodo processoFronteira

do Sistema

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Resfriamento com Gelo Seco –processo a pressão const.

Primeira Lei:1Q2 – 1W2 = U2 – U1

mas o trabalho 1W2 = Patm*(V2-V1),Logo 1Q2 = (P2V2+U2)-(P1V1+U1) = H2-H1

Onde h2 é a entalpia do vapor saturado e h1 é a entalpia do sólido. No diagrama termodinâmico para Patm, tem-se que h2 = 340 KJ/kg e h1 = -220 KJ/kg. Considerando 0.5kg de CO2, então o calor transferido será de 280 KJ. A temperatura de saturação do CO2 será de 175K (-98 oC)

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SOLI

D

LIQUIDVAPOR