Technische Universität Hamburg

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1 NAME, Vorname Studiengang Technische Universität Hamburg 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 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 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 Technische Thermodynamik II SoSe 16 Fragenteil Fragen 1. Hängt der exergetische Wirkungsgrad eines Dampferzeugers von der (den) folgenden thermodynamischen Größe(n) ab? Mehrere Antworten können richtig sein. Lösung mögl. Korrektur ja nein ja nein k. A. - Umgebungstemperatur T U - Abgasverluste - Wasserdampfmassenstrom - Zustandsgrößen des Wassers 2. Eignet sich der folgende thermische Kreisprozess zur Kälteerzeugung? Mehrere Antworten können richtig sein. Lösung mögl. Korrektur ja nein ja nein k. A. - Carnot-Prozess - Otto-Prozess - Joule-Prozess - Diesel-Prozess 3. Feuchte Umgebungsluft wird in zwei Luftströme aufgeteilt. Der eine Luftstrom strömt durch einen mit einem großen, feuchten Wattebausch gefüllten Kanal. Der andere, gleich große Luftstrom, strömt durch einen leeren Kanal. Nach einiger Zeit erreicht die Luft am Ende des Kanals mit dem feuchten Wattebausch eine Temperatur von 12 C. In dem anderen, leeren Kanal wird eine Temperatur von 20 C gemessen. Wie hoch ist in etwa die relative Feuchte der Umgebungsluft? Beachten Sie das beigefügte,x-diagramm. Lösung mögl. Korrektur - ϕ 60% - ϕ 50% - ϕ 40% - ϕ 30% 2

3 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Fragenteil 30,x-DiagrammbeieinemGesamtdruckvon1bar 25 t25 C 20 t20 C φ20% φ40% φ60% φ80% φ100% spez.enthalpie [kj/kg tr.l ] t15 C t10 C t5 C h 1+x 50kJ/kg tr.l 60kJ/kg tr.l h 1+x 70kJ/kg tr.l 80kJ/kg tr.l h 1+x 40kJ/kg tr.l 0 t0 C 20kJ/kg tr.l 30kJ/kg tr.l h 1+x 10kJ/kg tr.l -5 0kJ/kg tr.l t-5 C Technische Universität Hamburg WasserbeladungX[g H2 O /kg tr.l ] 4. Skizzieren Sie einen Joule-Prozess mit Zwischenüberhitzung, Zwischenkühlung und Wärmerückgewinnung in einem h,s-diagramm und benennen Sie die einzelnen Zustandsänderungen. Kennzeichnen Sie in geeigneter Weise die Wärmerückgewinnung! 3

4 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Fragenteil 5. Es wird ein adiabates Gesamtsystem betrachtet, das aus zwei gleich großen Behältern besteht. Beide Behälter enthalten jeweils ein ideales Gas. Die Gase sind verschieden. Die Temperaturen und Teilchenanzahlen sind in beiden Behältern gleich. Nun wird eine Verbindung zwischen beiden Behältern geöffnet und die Gase mischen sich. Ändert sich die folgende Zustandsgröße? Mehrere Antworten können richtig sein. Lösung mögl. Korrektur ja nein ja nein k. A. - Entropie - Enthalpie - Innere Energie - Dichte 4

5 NAME, Vorname Studiengang Technische Universität Hamburg ÈÖÓ º Öº¹ÁÒ º Ö Ö Ë Ñ ØÞ 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) als Funktion der bekannten Größen, 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.

6 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Aufgabe 1 Aufgabe 1 (40 Punkte) Ein mit Biogas betriebener Gasmotor wird idealisiert durch folgenden Prozess beschrieben: Das Biogas-Luftgemisch wird zunächst in einem Vorverdichter isentrop vom Umgebungszustand (p U 1bar, ϑ U 20 C) auf p 1 1,8bar komprimiert und anschließend isobar auf Umgebungstemperatur abgekühlt. In diesem Zustand 2 tritt das Gasgemisch in den Zylinder des Gasmotors ein. Im Zylinder mit dem Volumen V 2 2dm 3 wird das Gasgemisch in einem ersten Schritt isentrop auf p 3 28bar komprimiert. Anschließend erfolgt die vollständige Verbrennung des Biogases. Dies soll durch eine Wärmezufuhr beschrieben werden, bei der 3 1 der Wärme isochor (Zustandsänderung 3 4) und 3 2 isobar (Zustandsänderung 4 5) zugeführt wird. Danach expandiert das Gasgemisch isentrop auf V 6 V 2, wobei sich eine Temperatur von ϑ C einstellt. Dann verlässt das Gasgemisch den Zylinder. Ein Teil davon expandiert in einer Turbine isentrop auf Umgebungsdruck (Zustand 7), wobei die Turbinenleistung vollständig zum Antrieb des Vorverdichters (Zustandsänderung U 1) verwendet wird. Das restliche Gasgemisch wird adiabat auf Umgebungsdruck gedrosselt (Zustand 8). Die Zusammensetzung des Biogases in Molanteilen lautet: ψ CH4 0,67, ψ CO2 0,28, ψ H2S 0,05. Die Zusammensetzung der trockenen Luft in Molanteilen lautet: ψ N2 0,79, ψ O2 0,21. Die Gasgemische können während des gesamten Prozesses als ideal mit R 295 J/kgK, κ 1,35 betrachtet werden. Die Aufgabenteile I und II sind unabhängig voneinander zu lösen. I

7 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Aufgabe 1 Teil I a) Stellen Sie den Prozess qualitativ in einem p,v-diagramm dar. Machen Sie dabei die Zustände und Zustandsänderungen kenntlich. Zeichnung II

8 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Aufgabe 1 b) Welche Wärmemenge Q ges wird dem Zylinder pro Zyklus zugeführt, wenn der maximale Druck p max 55bar beträgt? Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) Q ges Q ges III

9 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Aufgabe 1 c) Bestimmen Sie die maximale Temperatur im Prozess, T max. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) T max T max IV

10 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Aufgabe 1 d) Bestimmen Sie den thermischen Wirkungsgrad des Gasmotors η th. Das Ausschieben des Abgases aus dem Zylinder und das Ansaugen von frischem Biogas-Luftgemisch kann als isochore Wärmeabgabe von Zustand 6 nach 2 angenommen werden. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) η th η th V

11 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Aufgabe 1 Teil II e) Bestimmen Sie den molaren Mindestluftbedarf, l m,min. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) l m,min l m,min VI

12 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Aufgabe 2 Aufgabe 2 (40 Punkte) Für einen Versuchsstand werden 1500 m 3 /h feuchte Luft bei p 6 2 bar, ϑ 6 37 C und mit einer Wasserbeladung von x 6 4,0 g/kg benötigt. Dazu wird Außenluft (p 1 1 bar, ϑ 1 20 C, ϕ 1 60 %) angesaugt und verdichtet. Die Antriebsleistung des adiabaten Verdichters beträgt 65 kw, mechanische Verluste können vernachlässigt werden. Die verdichtete Luft wird zunächst auf ϑ 3 60 C gekühlt, ohne dass Feuchtigkeit ausgeschieden wird. Für einen Teilversuch wird Zapfluft entnommen, während der Hauptstrom durch Abkühlung entfeuchtet wird. Die Luft tritt aus dem Kühler (Zustand 4) gesättigt aus. Die Zapfluft nimmt im Rahmen des Teilversuchs einen Wärmestrom Q 37 0,7 kw und zusätzlich dampfförmiges Wasser mit ṁ dw,37 0,22 g/s und ϑ dw, C auf. Danach wird der Zapfluftmassenstrom (Zustand 7) ṁ wieder mit dem Hauptstrom gemischt, das Mischungsverhältnis beträgt trl,4 ṁ trl,7 4. Die gesamte Luft wird abschließend auf die geforderte Temperatur ϑ 6 erwärmt.. Q 37. m dw,37 Zapfluft 7 1 p 1 1 bar 2 3. m W p 6 2 bar Die Druckabhängigkeit der Stoffwerte von Luft bei niedrigen Drücken (< 10 bar) ist zu vernachlässigen. Feuchte Luft kann als ideales Gasgemisch angesehen werden. Druckverluste können vernachlässigt werden. I

13 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Aufgabe 2 a) Tragen Sie während der Bearbeitung der Teilaufgaben die Zustände 2 bis 7 in das beiliegende,x-diagramm ein, welches für einen Gesamtdruck von 1 bar gültig ist! b) Berechnen Sie die Wasserbeladung x 1 und die relative Feuchte ϕ 6. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) x 1 x 1 ϕ 6 ϕ 6 II

14 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Aufgabe 2 c) Berechnen Sie den zu fördernden Massenstrom ṁ trl,1. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) ṁ trl,1 ṁ trl,1 d) Berechnen Sie die Temperatur nach der Verdichtung ϑ 2 und den im Zwischenkühler abgeführten Wärmestrom Q 23. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) III

15 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Aufgabe 2 ϑ 2 ϑ 2 Q 23 Q 23 IV

16 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Aufgabe 2 e) Berechnen Sie die Wasserbeladung x 7 sowie die spez. Enthalpie,7. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) x 7 x 7,7,7 V

17 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Aufgabe 2 f) Berechnen Sie die Wasserbeladung x 4. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) x 4 x 4 VI

18 Klausur Technische Thermodynamik II SoSe 16 Aufgabe 2 t90 C 1+x Diagramm bei einem Gesamtdruck von 1 bar Partialdruck Wasserdampf p [ mbar ] t85 C t80 C 80kJ/kg tr.l t75 C t70 C 10% t65 C t60 C t55 C 60kJ/kg tr.l 20% t50 C t45 C 30% t40 C 40% t35 C 50% 40kJ/kg tr.l 60% t30 C 70% 80% 90% 100% t25 C t20 C 20kJ/kg tr.l t15 C t10 C t5 C t0 C t 5 C Wasserbeladung X [ g H2 O / kg tr.l ] spez. Enthalpie [ kj / kg tr.l ] VII