Energie- und Kältetechnik Klausur WS 2008/2009

Transkript

1 Aufgabenteil / 00 Minuten Name: Vorname: Matr.-Nr.: Das Aufgabenblatt muss unterschrieben und zusammen mit den (nummerierten und mit Namen versehenen) Lösungsblättern abgegeben werden. Nicht nachvollziehbare Lösungen werden nicht gewertet. Es sind beliebige persönliche Unterlagen erlaubt. Unterschrift: Punkte: Note:. In einem Gefrierraum muss die Temperatur - C konstant gehalten werden. Hierfür ist eine Kälteleistung von 0 kw zu entziehen. Da die Verflüssigungsleistung für den Betrieb einer Niedertemperatur-Fußbodenheizung mit einer Vorlauftemperatur von 4 C genutzt werden soll bietet es sich an eine zweistufige Kompressionskältemaschine (siehe Anlagenschema) mit dem Kältemittel Ammoniak einzusetzen. Gegeben: isen V ND 08 isen V HD 080 t 0 30 C t c 0 C die Unterkühlung und die Überhitzung sollen jeweils K betragen. Als Zwischendruck soll das geometrische Mittel von End- und Anfangsdruck gewählt werden: pz pc p0. Der ND-Verdichter saugt 8 das Kältemittel mit -0 C an. Für die Zwischenkühlung steht Brunnenwasser zur Verfügung sodass das Kältemittel im Zwischenkühler auf 0 C abgekühlt wird. 9 0 a) Tragen Sie den Kältemittelkreisprozess in das beigefügte lg(p)h-diagramm für Ammoniak (Anlage ) ein und geben Sie die spezifischen Enthalpien aller Zustandspunkte in einer Tabelle an. b) Berechnen Sie die Massenströme die von den Verdichtern gefördert werden c) die Leistungen der beiden Verdichter (Verdichter sollen als adiabat angenommen werden) d) die Verflüssigungsleistung die für die Niedertemperaturheizung zur Verfügung steht und e) die Leistungszahl der Kältemaschine. ( 0 P) ( ) In einer Dampfkraftanlage wird Wasserdampf mit 00 bar 00 C der Turbine zugeführt und expandiert. Bei 0 bar wird Dampf zur Anzapfvorwärmung entnommen kondensiert und wird nach einer adiabaten Drosselung wieder in den Abdampf der Turbine eingespeist. Der restliche Dampf wird auf 008 bar expandiert und verlässt als Abdampf 7 die Turbine. Anschließend werden der Anzapfdampf und der Abdampf gemischt. Der gesamte Massenstrom wird nun im Kondensator 3 verflüssigt. Das Kondensat gelangt über die Speisewasserpumpe zum Speisewasservorwärmer. Dort wird es bis auf die Sättigungstemperatur des Anzapfdampfes erwärmt. Der Anzapfdampf verlässt den Vorwärmer als siedende Flüssigkeit. Die Arbeit der Speisewasserpumpe soll vernachlässigt werden. a) Skizzieren Sie den Vergleichsprozess in einem Ts-Diagramm. Stellen Sie dabei den Abstand der Isobaren im Flüssigkeitsgebiet von der Siedelinie vergrößert da. b) Ermitteln Sie die spezifischen Enthalpien aller Zustandspunkte des Vergleichsprozesses und geben Sie die Werte in einer Tabelle an. c) Bestimmen Sie den relativen Anzapfdampf-Massenstrom. d) Geben Sie den thermischen Wirkungsgrad des Vergleichsprozesses an. ( P) ( ) Bitte wenden

2 Aufgabenteil / Seite 3. Eine offene Gasturbinenanlage arbeitet mit Luft nach dem Joule-Prozess. Luft wird mit einer Temperatur von 0 C und einem Druck von 00 kpa angesaugt und auf einen Druck von MPa verdichtet. Die daran anschließende Wärmezufuhr erwärmt die Luft auf eine Temperatur von 00 C. Die darauf folgende Expansion des Gases erfolgt zweistufig bei gleichem Druckverhältnis. Zwischen den beiden Stufen wird eine Zwischenerhitzung auf die Turbineneintrittstemperatur der ersten Stufe vorgenommen. Die Temperaturabhängigkeit der Stoffwerte der Luft soll vernachlässigt werden. Es soll mit einem Isentropenexponenten von 4 gerechnet werden. a) Skizzieren Sie das Anlagenschema. b) Skizzieren Sie den Vergleichsprozess in einem Ts- und einem hs-diagramm. Für den Vergleichsprozess sind zu bestimmen: c) die Drücke und die Temperaturen aller Zustandspunkte (in einer Tabelle angeben!) d) die spezifische Arbeit des Kreisprozesses e) die dem Gas (der Luft) zugeführte spezifische Wärme und f) der thermische Wirkungsgrad des Kreisprozesses. g) Wie groß wäre die Verdichteraustrittstemperatur bei einem isentropen Verdichterwirkungsgrad von 09? Nach der letzten Turbinenstufe wird zum Zwecke der Wärmerückgewinnung ein Wärmeübertrager eingebaut. Im Wärmeübertrager wird ein Wassermassenstrom der mit einer Temperatur von 0 C in den Wärmeübertrager eintritt bei 00 kpa bis zum Siedepunkt erwärmt. Die Gasturbinenanlage weist eine reversible Kreisprozessleistung von 000 kw auf. h) Wie groß ist der erwärmte Wassermassenstrom wenn das Abgas (die Luft) mit einer Temperatur von 70 C aus dem Wärmeübertrager austritt? ( 0 P) ( ) Fragen ( P) ( )

3 Aufgabenteil / Anlage lg(p)h-diagramm NH 3 (CoolPack Kälteanlagen Simulationsprogramm Version.4)

4 Fragenteil / 0 Minuten Name: Vorname: Matr.-Nr.: Es sind keine Unterlagen erlaubt. Rechner sind zugelassen. Unterschrift: Punkte: Note:. Wieso wird bei Absorptionskälteanlagen fast immer eine innere Wärmeübertragung zwischen der aus dem Austreiber strömenden armen Lösung und der aus dem Absorber strömenden reichen Lösung vorgenommen? a) b) ( P) ( ). Berechnen Sie für den dargestellten Austreiber die spezifische Heizleistung mit den in der Zeichnung angegebenen Größen.. m 0 h h a. m r h r ( P) ( ) 3. Wie ist das Arbeitsverhältnis einer Wärmekraftmaschine definiert? Benennen Sie die in der Definition verwendeten Abkürzungen mit ihrem ausführlichen Namen. ( 3 P) ( ) Bitte wenden

5 Fragenteil / Seite 4. In einem Gasturbinenprozess sind folgende Größen bekannt: die technische Verdichterarbeit die technische Turbinenarbeit der isentrope Verdichterwirkungsgrad der isentrope Turbinenwirkungsgrad sowie der mechanische Wirkungsgrad des Verdichters und der Turbine. Geben Sie eine Gleichung zur Berechnung der Kupplungsarbeit der Gasturbinenanlage an. ( P) ( ). Geben Sie eine Gleichung zur Berechnung des aus dem Flüssigkeitsabscheider austretenden Dampfmassenstromes an sofern die in der Skizze angegebenen Größen bekannt sind. x m d m f ( P) ( ). Stellen Sie zwei Gleichungen zur Bestimmung der relativen Anzapfdampfmassenströme und auf. Die Auflösung der Gleichungen nach und ist nicht erforderlich. Tragen Sie die verwendeten Systemgrenzen in die Zeichnung ein. h (?) h h 7 (?) h 3 h 8 h 4 () h ( P) ( ) ( P) ( )

6 Lösungsergebnisse. a) lg(p) 4 C 0 C C C 0 - C -0 C h b) 0 isen 3 4 isen h/(kj/kg) a) 7 89 h/(kj/kg) b) m kg/s m kg/s c) Pt 03 kw Pt4 48 kw d) Q c 307 kw e) KM b) h/(kj/kg) c) 7 % rev d) th 438 %

7 Lösungsergebnisse 3. a) 00 C 00 C 0 bar 3 0 C 00 kpa 4 b) T 0 bar h 00 C bar bar C s s c) 3 4 t/ C p/bar d) w kj/kg ( c 00 J/(kg K) ) rev k e) qzu kj/kg f) th 48 % g) t 4088 C h) m w 4934 kg/s ( m 3 kg/s ) p