Energie- und Kältetechnik Klausur WS 2009/2010

Transkript

1 Prof. Dr. G. Wilhelms Aufgabenteil / 100 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: 1. Ein Flüssigkeitskühler zur Erzeugung von kaltem Wasser arbeitet mit dem Kältemittel R 134a. Die Verdampfungstemperatur beträgt 0 C die Verflüssigungstemperatur 50 C. Der Kältemitteldampf verlässt den Verdampfer mit einer Temperatur von 5 C (Punkt 0). Für den verwendetet Hubkolbenverdichter wird in einem Katalog eine Verdichterkälteleistung von 10 kw angegeben. Diese Angabe bezieht sich auf eine Sauggastemperatur von 20 C. Die Verdichterleistung (Wellenleistung) wird mit 358 kw angegeben. Zunächst soll angenommen werden dass die Saugastemperatur 20 C beträgt (Punkt 1V) und keine Flüssigkeitsunterkühlung vorliegt (Ausgang Verflüssiger: Punkt 3 ). a1) Tragen Sie den Kreisprozess in das beigefügte lg(p)h-diagramm (Anlage 1) und geben Sie die spezifischen Enthalpien für die Eckpunkte des Prozesses in einer Tabelle an. a2) Berechnen Sie den Kältemittelmassenstrom und a3) den vom Verdichter angesaugten Kältemittelvolumenstrom. a4) Das kalte Wasser (c p = kj/(kg K)) wird von 10 C auf 5 C abgekühlt. Wie groß ist der Massenstrom des kalten Wassers? Derselbe Verdichter werde nun bei derselben Verdampfungs- und derselben Verflüssigungstemperatur betrieben jedoch mit einer Sauggastemperatur von 10 C (Punkt 1) und einer Flüssigkeitsunterkühlung von 10 K (Punkt 3) b1) Bestimmen Sie die spezifischen Enthalpien für den neuen Ansaugszustand und den neuen Verdampfereintrittszustand. b2) Berechnen Sie den sich jetzt einstellenden Kältemittelmassenstrom (Bei der Herleitung soll angenommen werden dass der Liefergrad nur vom Druckverhältnis vom relativen Schadraum und vom geometrischen Hubvolumen abhängt. Alle anderen Einflüsse sollen vernachlässigt werden.) b3) den vom Verdichter angesaugte Kältemittelvolumenstrom b4) den isentrope Verdichterwirkungsgrad (Der mechanische Wirkungsgrad soll mit 09 und der Verdichter als adiabat angenommen werden.) b5) die Nettokälteleistung und b6) die Leistungszahl der Kältemaschine. ( 18 P) ( )

2 Prof. Dr. G. Wilhelms Aufgabenteil / Seite 2 2. Eine geschlossene Gasturbinenanlage ist für den Betrieb mit Luft ausgelegt. Der adiabate Verdichter saugt das Arbeitsgas mit 70 C und 12 bar an und verdichtet es auf 18 bar. Der isentrope Verdichterwirkungsgrad beträgt 091 der mechanische Verdichterwirkungsgrad beträgt 097. Anschließend wird der größte Teil des verdichteten Gases isobar auf 950 C erhitzt und dann der adiabaten Turbine zugeführt in der es auf 12 bar entspannt wird. Der isentrope Turbinenwirkungsgrad beträgt 096 der mechanische Turbinenwirkungsgrad beträgt 097. Vor der Brennkammer werden 10 % des Arbeitsgases abgezweigt und direkt zur Turbine geführt. Dieses Gas wird zur Kühlung der Turbinenschaufeln verwendet. Es soll rechnerisch so erfasst werden als ob es adiabat auf Turbinenausgangsdruck gedrosselt wird und dann dem Hauptgasstrom nach der Turbine wieder zugemischt wird. Luft soll näherungsweise als ideales Gas angenommen werden. Die Temperaturabhängigkeit der Stoffwert ist zu vernachlässigen es ist mit den Werten c pm = kj/(kg K) und κ = zu rechnen. Die Änderungen der kinetischen und der potenziellen Energien sollen vernachlässigt werden. a) Stellen Sie den Prozess in einem Ts-Diagramm dar. b) Geben Sie die Drücke und die Temperaturen aller Zustandspunkte in einer Tabelle an (Gegeben: T 4isen = K). Rechnen Sie mit T 6 = 650 K weiter falls Sie diese Temperatur unter Punkt b) nicht berechnen konnten. c) Berechnen Sie spezifische Wärme die der Gasturbinenanlage zugeführt wird d) die spezifische Wellenarbeit des Verdichters e) die spez. Wellenarbeit der Turbine und f) den Gesamtwirkungsgrad (Nutzwirkungsgrad) des Prozesses. g) Wie groß ist der Gesamtwirkungsgrad wenn die Kühlluft abgestellt und mit als Arbeitsgas im Prozess verwendet wird? ( 15 P) ( ) 2 1 A B 5

3 Prof. Dr. G. Wilhelms Aufgabenteil / Seite 3 3. In der Dampfkraftanlage eines GUD-Kraftwerkes werden 100 kg/s Frischdampf mit 100 bar 1 und 550 C der Hochdruckturbine zugeführt und dort auf 10 bar entspannt. Nach der HD-Turbine 8 werden 200 kg/s Dampf mit 10 bar und 450 C (10) beigemischt und der Gesamtmassenstrom 12 in der Niederdruckturbine auf 005 bar entspannt. HD ND G Den nachfolgenden Kondensator verlässt das H 2 O als siedende Flüssigkeit. Diese wird anschließend in zwei Massenströme aufgeteilt Der eine Massenstrom wird durch die Speisewasserpumpe I auf den Frischdampfdruck gebracht (6) und im Abhitzekessel bis zum Zustand 10 6 siedende Flüssigkeit erwärmt. Aus dem anschließenden Wasserabscheider wird die siedende Flüssigkeit bei praktisch konstantem 9 A Druck wieder in den Abhitzekessel befördert den II I sie als Sattdampf (12) verlässt. Der Sattdampf Abgas 5 (8) strömt aus dem Wasserabscheider in den Abhitzekessel den er als Frischdampf verlässt. B Der andere Teil des nach dem Kondensator aufgeteilten Massenstromes wird mit der Speisewasserpumpe II auf den Zwischendruck gebracht (9) anschließend im Abhitzekessel verdampft und überhitzt (10) und dem Massenstrom vor der Niederdruckturbine beigemischt. a) Skizzieren Sie den Vergleichsprozess schematisch 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. Die Enthalpieänderungen in den Pumpen sollen vernachlässigt werden. (Gegeben: h 2 = kj/kg h 4 = kj/kg) c) Ermitteln Sie für den Vergleichsprozess die technischen Leistungen der Hoch- und der Niederdruckturbine d) die an das Wasser/an den Wasserdampf im Abhitzkessel übertragenen Wärmeströme e) und den thermischen Wirkungsgrad der Anlage (Die Antriebsleistungen der Pumpen werden im Eigenbedarf berücksichtigt). ( 17 P) ( ) Σ Fragen ( 16 P) ( )

4 Prof. Dr. G. Wilhelms Aufgabenteil / Anlage 1 lg(p)/h-diagramm R 134a CoolPack Kälteanlagen Simulationsprogramm Version 1.46

5 Prof. Dr. G. Wilhelms Fragenteil / 20 Minuten Name: Vorname: Matr.-Nr.: Es sind keine Unterlagen erlaubt. Rechner sind zugelassen. Unterschrift: Punkte: Note: 1. Berechnen Sie die spezifische Kälteleistung des Verdampfers mit den in der Skizze angegebenen Größen.. h 5 m 7 h 7. m 0 q 0 ( 2 P) ( ) 2. Im Absorber einer H 2 O-LiBr-AKA werden 2 kg/s arme Lösung mit einer Konzentration von ξ a = 04 mit 02 kg/s Wasserdampf gemischt. Wie groß ist die Konzentration der reichen Lösung die den Absorber verlässt? ( 2 P) ( ) 3. Skizzieren Sie einen offenen Gasturbinenprozess mit isobarer Verbrennung und adiabater reibungsbehafteter Verdichtung und Expansion und den dazugehörigen Vergleichsprozess in einem Ts-Diagramm. Geben Sie den Zusammenhang zwischen dem wirklichen Massenstrom und dem Massenstrom des Vergleichsprozesses an (Formel mit Enthalpien gefordert). T s Bitte wenden

6 Prof. Dr. G. Wilhelms Fragenteil / Seite 2 4. Geben Sie drei Bewertungszahlen zur Bewertung von Prozessen mithilfe von Vergleichsprozessen an (Formeln gefordert). a) b) c) 5. Zwischen Dampferzeuger und Dampfturbine eines Dampf-Kraftprozesses sollen in der Rohrleitung a) nur Druckverluste b) nur Wärmeverluste und c) Druck und Wärmeverluste auftreten. Skizzieren Sie diese drei Vorgänge deutlich voneinander unterschieden in einem Ts-Diagramm. T s 6. Geben Sie die Energiebilanz für das gezeigte Anlagen-Teilbild unter Berücksichtigung der Pumpenarbeiten an (Gesucht ist die Enthalpie h 8. Die Pumpen arbeiten adiabat reversibel). p 8 h 8 v 7 α h 2 1- α p 6 p v h w w w Σ ( 16 P) ( )

7 Prof. Dr. G. Wilhelms Lösungsergebnisse 1. a1) 0 1V 3 4 h/kj/kg a2) m R = kg/s 3 a3) V 1V = 19 m /h a4) m KT = kg/s b1) 1V 3 4* h/kj/kg b2) m R = kg/s 3 b3) V 1 = m /s b4) η isenv = b5) Q on = kw 2. a) 3. a) b6) ε KM = b) 1 2isen isen 4 6 T/K p/bar c) q 23 = kj/kg d) w ev = kj/kg e) w et = kj/kg f) η ges = 27 % g) η ges = 36 % b) h / kj/kg h / kj/kg c) W t12 = MW W t34 = MW d) Q 910 = MW Q 67 = MW Q 1112 = MW Q 81 = MW e) η th = 0356