Technische Thermodynamik II

Transkript

1 Technische Thermodynamik II Name,Vorname: Bitte deutlich (in Blockschrift) ausfüllen! Matr.-Nr: Studiengang: F 1 2 Σ Note 1

2 NAME, Vorname Studiengang Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmitz Prüfung am im Fach Technische Thermodynamik II Fragenteil ohne Hilfsmittel erreichbare Punktzahl: 20 Dauer: 15 Minuten Regeln Nur eine eindeutige Markierung wird bewertet, z. B.: Für eine Korrektur kann die zweite Spalte mögl. Korrektur genutzt werden. In diesem Fall werden die zugehörigen Lösungen in der ersten Spalte nicht bewertet. Bei Multiple-Choice Fragen ist die Richtigkeit jeder der dargestellten Aussagen zu bewerten. Für Multiple-Choice Fragen gilt: Jede richtige Antwort zählt mit +1 Punkt, jede falsche mit 1 Punkt. Keine Markierung oder Markierung bei keine Antwort (k. A.) zählt mit ±0 Punkten. Ist die Summe der erreichten Punkte bei einer Frage < 0, wird sie mit 0 Punkten gewertet. Bei Fragen ohne Ankreuzmöglichkeit ist die Antwort auf dem Aufgabenblatt in dem frei gelassenenen Raum direkt unter der Frage einzutragen.

3 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Fragenteil Fragen 1. Das Diagramm zeigt einen idealisierten Kaltdampfprozess ( ) sowie den modifizierten Prozess ( ), in dem die Entspannung in der Turbine durch eine adiabate Drosselung ersetzt wurde. Lösung mögl. Korrektur Sind die folgenden Aussagen (bezogen auf einen Umlauf) jeweils für den modifizierten Prozess zutreffend? - Die Entropie des Kältemittels im gesamten Kreisprozess steigt. - Bei der Kompression des Kältemittels muss mehr technische Arbeit aufgewendet werden. - Die im Kondensator an die Umgebung abgegebene Wärme bleibt gleich. - Die vom Kühlraum an das Kältemittel übertragene Wärme ist geringer. ja nein ja nein k. A. 2. Ein reversibler Stirling-Prozess zur solaren Stromerzeugung laufe zwischen den Temperaturen 25 C und 625 C ab. Sind die folgenden Aussagen jeweils korrekt? Die Größe ( W 12 +W 23 + W 34 +W 41 )/Q zu, wobei Q zu der zugeführten Wärme bei der isothermen Zustandsänderung entspricht, - hat etwa den Wert 1. - ist gleich dem Carnot-Wirkungsgrad. - hat etwa den Wert zwei Drittel. - ist kein Wirkungsgrad. Lösung mögl. Korrektur ja nein ja nein k. A. 3

4 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Fragenteil 3. Skizzieren Sie das Anlagenschemas eines kombinierten Gas- und Dampfkreisprozesses. 4. Eine elektronische Anzeigetafel zeigt an einem Sommertag eine relative Luftfeuchtigkeit von 50 %, eine Temperatur von 29 C und einen Druck von Pa an. Berechnen Sie die Wasserbeladung x der Luft (p s (29 C) 0,04bar). 4

5 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Fragenteil 5. Wie groß ist das auf 1 m 3 N Brennstoff bezogene spezifische trockene Abgasvolumen ν tr bei der stöchiometrischen Verbrennung von Ethan (C 2 H 6 ) mit Luft bei Umgebungsdruck? Die Zusammensetzung der Luft kann näherungsweise zu 20 Vol. % O 2 und zu 80 Vol. % N 2 angesetzt werden. 5

6 NAME, Vorname Studiengang Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmitz Prüfung am im Fach Technische Thermodynamik II Aufgabenteil mit Hilfsmitteln erreichbare Punktzahl: 80 Dauer: 75 Minuten Regeln zur Lösung Die Lösungen sind ausschließlich in die dafür vorgesehenen Felder einzutragen. Wenn in Teilaufgaben konkrete Zahlenwerte gesucht sind, sollen in die Lösungsblätter jeweils immer die erforderliche(n) Bestimmungsgleichung(en), die nach der gesuchten Größe aufgelöste(n) Bestimmungsgleichung(en), die und das eingetragen werden. Tabellenwerte sind bekannte Größen. Die Anzahl der erforderlichen Bestimmungsgleichungen muss der Anzahl der unbekannten Größen entsprechen. Alle in den erforderlichen Bestimmungsgleichungen auftretenden Größen (und Zahlenwerte) können nachfolgend als bekannt vorausgesetzt werden. Alle erforderlichen Indizes müssen dem jeweiligen Aufgabenteil angepasst sein. Es werden keine weiteren als die beigefügten Lösungsblätter angenommen.

7 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Aufgabe 1 Aufgabe 1 (40 Punkte) Aus einem sehr großen Behälter strömt ein Helium-Massenstrom von ṁ 1 kg/s durch eine Lavaldüse und einen dahintergeschalteten Wärmeübertrager. Im engsten Querschnitt der Lavaldüse sind die Temperatur ϑ 1 80 C und der Druck p 1 5bar bekannt. Am Ende der Lavaldüse herrscht ein Druck von p 2 2bar. Mithilfe einer elektrischen Heizmanschette wird die Temperatur des Heliums so eingestellt, dass am Ende Ma 3 2,5 vorliegt. Der Druck im Austrittsquerschnitt des Wärmeübertragers beträgt p 3 1,5bar und der Querschnitt des Wärmeübertragers ist konstant. Folgende Hinweise sind zu beachten: Helium kann als ideales Gas mit c p 5193J/(kgK) und c v 3116J/(kgK) angesehen werden. Die Zustandsänderungen sind isentrop. Höhenunterschiede sind zu vernachlässigen. 2

8 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Aufgabe 1 a) Berechnen Sie den Druck p 0 und die Temperatur T 0 im großen Behälter. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) p 0 p 0 T 0 T 0 3

9 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Aufgabe 1 b) Berechnen Sie den engsten Querschnitt A 1. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) A 1 A 1 4

10 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Aufgabe 1 c) Berechnen Sie den Querschnitt A 2 am Austritt der Lavaldüse. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) A 2 A 2 5

11 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Aufgabe 1 d) Berechnen Sie die Mach-Zahl Ma 2 am Austritt der Lavaldüse. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) Ma 2 Ma 2 6

12 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Aufgabe 1 e) Berechnen Sie die Temperatur des Heliums T 3 nach dem Wärmeübertrager. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) T 3 T 3 7

13 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Aufgabe 2 Aufgabe 2 (40 Punkte) Der dargestellte Kraftwerksprozess arbeitet nach folgendem Prinzip: Zunächst wird der Speisewasserstrom im Dampferzeuger isobar erwärmt, verdampft und überhitzt. Der überhitzte Wasserdampf aus Zustand 2 (p bar, t C) wird in einer adiabaten HD-Turbine auf den Zustand 3 (p 3 10 bar, t C) entspannt. Im Wärmeübertrager ZÜ wird der Wasserdampf isobar auf t C zwischenüberhitzt. In der anschließenden adiabaten zweistufigen ND-Turbine wird der Dampf vom Zustand 4 im ersten Schritt auf einen Druck von p 5 3 bar entspannt. Die spezifische Enthalpie des Dampfes im Zustand 5 beträgt h kJ/kg. Der Gesamtmassenstrom ṁ ges wird aufgetrennt in die beiden Massenströme ṁ z und ṁ ND. Der Massenstrom ṁ z wird zur Speisewasservorwärmung verwendet, der Massenstrom ṁ ND durchströmt die zweite Stufe der ND-Turbine (η s,nd,2 82,5%) und wird auf einen Kondensatordruck von p 6 0,03 bar entspannt. Im Kondensator kondensiert das Fluid gerade vollständig. In der anschließenden Pumpe P2 wird das Wasser isentrop auf den Ausgangsdruck von p 8 p bar gebracht. Im Wärmeübertrager V wird das Speisewasser aus Zustand 8 auf Zustand 9 (t C) isobar vorgewärmt. Der in den Wärmeübertrager V eintretende Teilmassenstrom ṁ z aus Zustand 5a kondensiert vollständig und wird auf t 6a 110 C unterkühlt. Die Zustandsänderung im Wärmeübertrager V findet isobar statt. Der Druck wird danach mithilfe der Pumpe P1 isentrop auf p 7a p bar erhöht. Im adiabaten und isobaren Mischer werden die beiden Teilströme 7a und 9 zusammengeführt zu Zustand 1. Alle Wärmeübertrager arbeiten verlustfrei. Die Enthalpieerhöhungen in den Pumpen können ab Aufgabenteil b) vernachlässigt werden. Der angehängte Ausschnitt des h,s-diagramms (Abbildung 1) kann zum Ablesen der benötigten Werte verwendet werden. Stoffwerte für flüssiges Wasser: ideale Flüssigkeit mit c W 4,19kJ/(kgK). 8

14 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Aufgabe 2 Abbildung 1: h-s-diagramm von Wasser (Ausschnitt) 9

15 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Aufgabe 2 a) Zeichnen Sie alle auftretenden Zustandsänderungen qualitativ in das untenstehende h,s- Diagramm ein und machen Sie dabei die Zustände und Zustandsänderungen kenntlich. Zeichnung h 550 C 500 C kp 100 bar 10 bar 3 bar 130 C 0,03 bar s 10

16 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Aufgabe 2 b) Bestimmen Sie den isentropen Wirkungsgrad η s,hd der Hochdruckturbine. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) η HD η HD 11

17 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Aufgabe 2 c) Im Kondensator wird ein Wärmestrom von Q Kond 468MW abgeführt. Wie groß ist der Teilmassenstrom ṁ ND? Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) ṁ ND ṁ ND 12

18 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Aufgabe 2 d) Berechnen Sie die spezifische Enthalpie h 6a im Zustand 6a. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) h 6a h 6a 13

19 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Aufgabe 2 e) Bestimmen Sie den Gesamtdampfmassenstrom ṁ ges, der durch die Hochdruckturbine strömt. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) ṁ ges ṁ ges 14

20 Klausur Technische Thermodynamik II WiSe 16/17 Aufgabe 2 f) Bestimmen Sie den thermischen Gesamtwirkungsgrad η th der Anlage. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) η th η th 15