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

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1 NAME, Vorname Matr.-Nr. Studiengang ÈÖÓ º Öº¹ÁÒ º º Ë Ñ ØÞ Prüfung am im Fach 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 14 Fragenteil Fragen 1. Welche der folgenden Angaben zum h 1+x,x-Diagramm sind richtig? Mehrere Antworten können richtig sein. ja nein ja nein k. A. - Die Isothermen verlaufen im Nebelgebiet nicht parallel zu den Isenthalpen. - Die Isenthalpen verlaufen immer in einem Winkel von 45 bzw. 135 zu den Isolinien des Wassergehalts. - Ein h 1+x,x-Diagramm gilt nur für einen bestimmten Gesamtdruck. - Die Sättigungslinie ϕ = 1 startet bei ϑ = 0 C, x=0kg W /kg tr. L. 2. Ein Körper fliegt mit Ma = 4 durch Luft bei T = 250K. Wie hoch ist die Temperatur im Staupunkt bei Annahme einer isentropen Strömung? Nur eine Antwort ist richtig C C C C 3. Skizzieren Sie einen Kälteprozess mit einem Kältemittel, bei dem der kritische Punkt bei 31,0 C, 73,8 bar (CO 2 ) liegt, und der zwischen den Temperaturen 8 C und 50 C verläuft, in einem p,h-diagramm. Die Wärmeübertragungen erfolgen bei konstantem Druck und es soll eine adiabate Drossel zum Einsatz kommen. Tragen Sie die 3 Isothermen ein. 2

3 Klausur Thermodynamik II SS 14 Fragenteil 4. Eine Mischung gasförmiger Kohlenwasserstoffe wird unterstöchiometrisch mit Luft verbrannt. Welche der folgenden Angaben ist dann gültig? Nur eine Antwort ist richtig. - µ v > 1 - µ v < 1 - µ v = 1 - µ v = 0 5. Für welchen Wärme-Kraftmaschinenprozess mit W > 0 gilt η th = 1 T 1 T 2? Darin ist T 1 die Umgebungstemperatur und T 2 die Temperatur nach der adiabaten Verdichtung des Arbeitsgases. Es kann angenommen werden, dass es sich um ein Ideales Gas handelt und dass alle Zustandsänderungen reversibel sind. Mehrere Antworten können richtig sein. ja nein ja nein k. A. - Carnot-Prozess - Diesel-Prozess - Joule-Prozess - Seiliger-Prozess 3

4 ÈÖÓ º Öº¹ÁÒ º º Ë Ñ ØÞ Prüfung am im Fach Thermodynamik II Aufgabenteil mit Hilfsmitteln erreichbare Punktzahl: 70 Dauer: 75 Minuten Aufgabe 1 (35 Punkte) Eine Kühl-Gefrier-Kombination mit dem Kältemittel Butan arbeitet nach dem folgenden Schema: Q ab 3 m 2 Kondensator Kompressor I m K 4 Kühlfach- 5 Verdampfer 1 8 Q K Kompressor II m G 6 Gefrierfach- Verdampfer 7 Q G Butan tritt als gerade siedende Flüssigkeit mit 40 C aus dem Kondensator (Zustand 3). Der Kältemittelstrom wird in zwei Teilströme m K und m G geteilt. Der Teilstrom m K wird auf den Druck p 4 des Kühlfach-Verdampfers adiabat gedrosselt und anschließend isobar verdampft. Er verlässt den Kühlfach-Verdampfer im trocken gesättigten Zustand mit 0 C (Zustand 5). Der Teilstrom m G wird adiabat auf p 6 = 0,359bar gedrosselt und im Gefrierfach-Verdampfer isobar verdampft. Er verlässt den Gefrierfach-Verdampfer mit einer Überhitzung von 4K. Der Kältemittelstrom m G wird im Kompressor II adiabat verdichtet und mit dem Strom aus dem Kühlfach-Verdampfer m K vermischt. Die Vermischung erfolgt adiabat und isobar. Der Kompressor I verdichtet adiabat den Gesamtstrom des Kältemittels ṁ auf den Kondensatordruck (Zustand 2). Der Wärmestrom Q ab wird aus dem Kondensator an die Umgebung abgeführt. Die Umgebungstemperatur beträgt 25 C. a. Skizzieren Sie den Prozess in einem T -s-diagramm. b. Bestimmen Sie h 5, h 6 und h 7.

5 Klausur Thermodynamik II SS 14 Aufgabe 1 c. Berechnen Sie die Massenströme m K und m G, wenn die Anlage eine Kälteleistung von Q K = 250W und Q G = 150W erreichen soll. d. Bestimmen Sie die Leistungen der Kompressoren I und II, die mit einem isentropen Wirkungsgrad von η s = 0,8 arbeiten. e. Bestimmen Sie die Leistungszahl ε der Anlage. f. Bestimmen Sie den exergetischen Wirkungsgrad ζ der Kühl-Gefrier-Kombination. Stoffwerte von Butan: Sättigungszustand: T p h h s s C bar kj/kg kj/kg kj/kg K kj/kg K -29 0, ,71 544,40 0,7479 2, , ,51 549,98 0,7836 2, , ,37 555,58 0,8190 2, , ,00 585,27 1,0000 2, , ,64 592,39 1,0421 2, , ,30 613,80 1,1665 2, , ,91 622,36 1,2155 2, , ,82 642,25 1,3288 2,4319 Überhitzter Zustand: T p h s C bar kj/kg kj/kg K -25,76 0, ,27 2, ,00 0, ,06 2,4459 2,99 1, ,20 2,4285 4,73 1, ,09 2,4388 5,92 1, ,05 2,4459 8,04 1, ,60 2, ,13 3, ,41 2, ,36 3, ,20 2,4884 2

6 Klausur Thermodynamik II SS 14 Aufgabe 2 Aufgabe 2 (35 Punkte) Ein mit dem Brennstoff Diesel betriebenes Fahrzeug fährt mit einer Reisegeschwindigkeit c D = 120km/h = const. Der Dieselmotor liefert dazu eine mechanische Leistung von P N,D = 35kW bei einem thermischen Wirkungsgrad von η th,d = 38%. Der Dieselmotor gibt über das Abgas bei T Abgas = 500K sowie über einen Luftkühler thermische Leistung an die Umgebung (T U = 298K, p U = 1bar) ab. 1 kg Diesel besteht aus 0,86 kg Kohlenstoff (C) und 0,14 kg Wasserstoff (H 2 ), der spezifische Heizwert beträgt H U = 42,5MJ/kg. Der Diesel wird mit trockener Luft mit den Volumenanteilen ϕ O2 = 21% und ϕ N2 = 79% bei einem Luftverhältnis λ = 1,4 und Umgebungsbedingungen vollständig verbrannt. Die Verbrennungsluft und das Abgas können als ideale Gase betrachtet werden, die mittlere Wärmekapazität des Abgases bei konstantem Druck sei c p,abgas = 1,13kJ/kgK. Die Molmassen betragen M O2 = 32g/mol, M N2 = 28g/mol, M C = 12g/mol, M H = 1g/mol. a. Berechnen Sie die Massenanteile von Sauerstoff und Stickstoff in der Verbrennungsluft. b. Stellen Sie die auf die Brennstoffmasse (Diesel) bezogene Reaktionsgleichung auf. Formulieren Sie dazu zunächst die Teilreaktionsgleichungen für die beiden Brennstoffmassenanteile. c. Bestimmen Sie alle Brennstoff-, Luft- und Abgas-Massenströme. d. Wie groß ist die Masse Kohlendioxid, die pro km Fahrstrecke emittiert wird? e. Bei welcher Temperatur würde der Wasserdampf im Abgas beginnen zu kondensieren? f. Wie hoch sind die thermischen Leistungen, die ausschließlich mit dem Abgas und mit der Kühlluft abgeführt werden? Effekte durch Kondensation des Wasserdampfes im Abgas können vernachlässigt werden. 3