NAME, Vorname Matr.-Nr. Studiengang. Prüfung am im Fach Technische Thermodynamik II

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1 NAME, Vorname Matr.-Nr. Studiengang ÈÖÓ º Öº¹ÁÒ º Ö Ö Ë Ñ ØÞ 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 genutzt werden. In diesem Fall werden die zugehörigen en 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 Single-Choice Fragen ist nur die richtige Antwort zu markieren. Fragen mit nur einer richtigen Antwort sind eindeutig als solche gekennzeichnet. Für Single-Choice Fragen gilt: Die Markierung der richtigen Antwort wird mit 4 Punkten bewertet. Keine Markierung, Markierung der falschen Antwort oder Markierung mehrerer Antworten wird mit Null Punkten gewertet. Bei Fragen ohne Ankreuzmöglichkeit ist die Antwort auf dem Aufgabenblatt in dem frei gelassenenen Raum direkt unter der Frage einzutragen.

2 Klausur Thermodynamik II SS 15 Fragenteil Fragen 1. Wie hoch ist der Mindestluftbedarf bei der Verbrennung von Ethan, C 2 H 6? Die Zusammensetzung der Luft soll dabei näherungsweise mit 20% O 2 und 80% N 2 angenommen werden. - 9,5m 3 /m 3-12,5m 3 /m 3-17,5m 3 /m 3-18,5m 3 /m 3 2. Geben Sie für instationäre Zustandsänderungen den ersten Hauptsatz der Thermodynamik für ein offenes, aber unveränderliches und ruhendes Kontrollvolumen innerhalb einer Stromröhre an! 3. Für einen rechtslaufenden Kreisprozess sind Zustand 1 (minimale Temperatur und minimale Entropie) und Zustand 3 (maximale Temperatur und maximale Entropie) gegeben. Welche Reihenfolge in Bezug auf den maximal möglichen thermischen Wirkungsgrad dieser Prozesse (von hoch nach niedrig) ist richtig? Mehrere Antworten können richtig sein. ja nein ja nein k. A. - Carnot - Joule - Otto - Diesel - Stirling - Joule - Stirling - Diesel - Otto - Joule - Otto - Carnot 2

3 Klausur Thermodynamik II SS 15 Fragenteil 4. Mit einem Prandtl-Rohr wird in einem Windkanal eine Druckdifferenz von 9,6 Pa gemessen. Die Dichte der Luft beträgt 1,2kg/m 3. Wie hoch ist die Geschwindigkeit in dem Windkanal? - 0,6 m/s - 1 m/s - 4 m/s - 12 m/s 5. Nach dem Start von einem Flughafen in einer Gegend mit hoher Luftfeuchtigkeit wird in einem Flugzeug der Kabinendruck abgesenkt. Was bedeutet dies für die relative Feuchtigkeit in der Kabine, wenn davon ausgegangen wird, dass zunächst keine Frischluft von außen zugeführt wird. - Die relative Feuchte ϕ steigt und der Wassergehalt x sinkt - Die relative Feucht ϕ bleibt gleich und der Wassergehalt bleibt gleich - Die relative Feuchte ϕ sinkt und der Wassergehalt x steigt - Die relative Feuchte ϕ sinkt und der Wassergehalt x bleibt gleich 3

4 ÈÖÓ º Öº¹ÁÒ º Ö Ö Ë Ñ ØÞ Prüfung am im Fach Technische Thermodynamik II Aufgabenteil mit Hilfsmitteln erreichbare Punktzahl: 70 Dauer: 75 Minuten Aufgabe 1 (35 Punkte) Der Abwärmestrom eines Kraftwerkes soll mit Hilfe eines Kühlturmes stationär an die Umgebung abgegeben werden. Dazu wird der Energiestrom Q KW = 120 MW über einen Wärmeübertrager an einen Zwischenkreislauf mit dem Arbeitsmittel Wasser übertragen. Der Wassermassenstrom ṁ W tritt mit einer Temperatur ϑ W2 = 40 C in den Kühlturm ein, verdunstet dort zum kleinen Teil und gibt zusätzlich einen Energiestrom in Form von Wärme an den Luftmassenstrom ab. Der nicht verdunstete Anteil ṁ W0 wird aufgefangen und mit einem Zusatzwassermassenstrom ṁ WZ gemischt. Der gesamte Wassermassenstrom wird mit einer Pumpe, P P = 2,5MW, gefördert und tritt mit einer Temperatur ϑ W1 = 22 C in den Wärmeübertrager ein. m fl1 p L1 m fl2 p L2 Der Luftmassenstrom tritt unten in den Kühlturm als feuchter Luftmassenstrom ṁ fl1 mit dem Zustand ϑ L1 = 12 C, ϕ L1 = 0,5 und p L1 = 1050mbar ein und mit dem Zustand ϑ L2 = 24 C, x L2 = 25g H2O /kg trl und p L2 = 1000mbar aus. Alle Komponenten können nach außen als adiabat angesehen werden. φ L1 ϑ L1 m WZ m W0 m W x L2 ϑ L2 a. Berechnen Sie für den Luftzustand L1 den Wassergehalt x L1 und die spezifische Enthalpie h 1+x,L1. b. Weisen Sie nach, dass der Luftzustand L2 im Nebelgebiet liegt und berechnen Sie die spezifische Enthalpie h 1+x,L2. c. Berechnen Sie für die Luftzustände L1 und L2 die trockenen Luftmassenströme ṁ trl1 und ṁ trl2 und die feuchten Luftmassenströme ṁ fl1 und ṁ fl2. Stellen Sie dazu eine Gesamtenergiebilanz auf. Hinweis: Der Zusatzwassermassenstrom ṁ WZ wird energieneutral zugeführt. d. Wie groß sind der Zusatzwassermassenstrom ṁ WZ und der umlaufende Wassermassenstrom ṁ W? e. Tragen Sie die Zustände der Luft in einem h 1+x,x-Diagramm für p = 1000mbar ein und berücksichtigen Sie dabei, dass im Zustand L1 ein Druck von p L1 = 1050mbar herrscht. Bezeichnen Sie die Zustände bezüglich Wassergehalt, relativer Feuchte und Temperatur eindeutig. P p ϑ W2 ϑ W1 QKW

5 Klausur Thermodynamik II SS 15 Aufgabe 2 Aufgabe 2 (35 Punkte) In einem Elektrofahrzeug kommt eine Anlage mit dem Arbeitsmittel CO 2 zum Einsatz. Die Anlage kann im Sommer zur Kühlung der Fahrzeugkabine verwendet werden. Im Winter kann das System bei niedrigen Außentemperaturen als Wärmepumpe zur Unterstützung der Fahrzeugheizung genutzt werden. Das Anlagenschema ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Q Kondensator adiabate Drossel Verdampfer Innerer Wärmeübertrager Verdichter P Q 56 Die einzelnen Zustandsänderungen verlaufen wie folgt: 1 2 Irreversible und adiabate Verdichtung des Kältemittels auf den Zustand p 2 = 70 bar und ϑ 2 =75 C. 2 3 Wärmeabfuhr mit Unterkühlung im Kondensator. 3 4 Weitere Unterkühlung des Kältemittels im inneren Wärmeübertrager. 4 5 Adiabate Drosselung in das Nassdampfgebiet auf einen Druck von p 5 = 30,46 bar. 5 6 Vollständige Verdampfung des Kältemittels. 6 1 Überhitzung des Kältemittels im inneren Wärmeübertrager um ϑ = 10 C. Hinweise: Alle Wärmeübertrager und Rohrleitungen können als isobar angenommen werden. Der umlaufende Kältemittelmassenstrom beträgt ṁ CO2 = 50 kg/h. Die Enthalpie des Kältemittels nach der adiabaten Drosselung beträgt h 5 =220 kj/kg. Die Umgebungstemperatur beträgt ϑ U = 8 C. Der innere Wärmeübertrager ist nach außen adiabat. 2

6 Klausur Thermodynamik II SS 15 Aufgabe 2 Tabelle 1: CO 2 im Sättigungszustand p ϑ h h s s in bar in C in kj/kg in kj/kg in kj/kg K in kj/kg K 30,46-5,0 188,05 433,38 0,9576 1, ,68 293,88 376,91 1,3093 1,5844 Tabelle 2: CO 2 überhitzter Dampf p ϑ h s in bar in C in kj/kg in kj/kg K 30,46 0,0 441,25 1, ,46 5,0 448,46 1, ,46 10,0 455,21 1, ,0 479,45 1, ,0 494,21 1,9538 a. Skizzieren Sie den gesamten Prozess qualitativ in einem T,s-Diagramm. b. Bestimmen Sie alle Energieströme, die vom Fluid oder an das Fluid übertragen werden. c. Ermitteln Sie den isentropen Verdichterwirkungsgrad η SV. Interpolieren Sie die Stoffdaten linear, falls notwendig. d. Wie groß ist der Exergieverluststrom des Arbeitsmittels im Verdichter? e. Wird die Anlage bei den angegebenen Bedingungen als Wärmepumpe oder als Kältemaschine betrieben? Begründen Sie die Antwort kurz und bestimmen Sie die Leistungsziffer des Prozesses für diese Betriebsart. f. Welche Leistungsziffer ergäbe sich, wenn der innere Wärmeübertrager wegfällt und die Zustände 1,2 und 3 erhalten bleiben? 3

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