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

Transkript

1 NAME, Vorname Studiengang Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmitz Prüfung am im Fach Technische Thermodynamik II Fragenteil ohne Hilfsmittel erreichbare Punktzahl: 20 Dauer: 15 Minuten Regeln Fragen mit Ankreuzmöglichkeit: 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. 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. Fragen ohne Ankreuzmöglichkeit: Bei Fragen ohne Ankreuzmöglichkeit ist die Antwort auf dem Aufgabenblatt in dem frei gelassenenen Raum direkt unter der Frage einzutragen. Der Lösungsweg muss erkennbar sein. 1

2 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Fragenteil Fragen 1. Sind die folgenden Änderungen bei einer isentropen Strömung durch eine Lavaldüse jeweils gleichzeitig thermodynamisch möglich? (4 Punkte) - Geschwindigkeitszunahme, Druckabnahme, Dichteabnahme, Querschnittszunahme - Geschwindigkeitszunahme, Druckzunahme, Dichtezunahme, Querschnittsabnahme - Geschwindigkeitsabnahme, Druckabnahme, Dichtezunahme, Querschnittszunahme - Geschwindigkeitsabnahme, Druckzunahme, Dichtezunahme, Querschnittsabnahme Lösung mögl. Korrektur ja nein ja nein k. A. 2. Welche der folgende Kreisprozesse können direkt auch für die Kälteerzeugung eingesetzt werden? (4 Punkte) - Carnot-Prozess - Stirling-Prozess - Otto-Prozess - Diesel-Prozess Lösung mögl. Korrektur ja nein ja nein k. A. 3. Zwei Behälter gleichen Volumens enthalten je ein Mol gasförmigen Sauerstoff (Behälter 1) und Stickstoff (Behälter 2) bei der Temperatur T 0 mit den molaren Entropien s m,o2 s m,n2. Der Stickstoff werde nun isotherm in den Sauerstoffbehälter gepumpt. Für die molare Entropie des Gemisches s m,o2 +N 2 gilt unter der Annahme eines idealen Gases: (4 Punkte) Lösung mögl. Korrektur ja nein ja nein k. A. - s m,o2 +N 2 > s m,o2 + s m,n2 - s m,o2 +N 2 s m,o2 s m,n2 - s m,o2 +N 2 s m,o2 + s m,n2 - s m,o2 +N 2 < s m,o2 + s m,n2 2

3 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Fragenteil 4. Skizzieren Sie in einem T,s-Diagramm den Vergleichsprozess für einen als Diesotto bezeichneten Motor, bei dem der Ottoprozess einem Dieselprozess angenähert wird. Bezeichnen Sie die einzelnen Zustandsänderungen! (4 Punkte) 5. Berechnen Sie die maximal mit einer elektrischen Wärmepumpe erreichbare Heiztemperatur in C, wenn die Umgebungstemperatur 3 C beträgt und der COP der Wärmepumpe für diesen Arbeitspunkt mit 2 angegeben wird. (4 Punkte) 3

4 NAME, Vorname Studiengang Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmitz 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. Generell gilt: Der Lösungsweg muss erkennbar sein. 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), 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. 1

5 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Aufgabe 1 Aufgabe 1 (40 Punkte) Um die Emissionen ihres Autos kostengünstig zu reduzieren, beschließt eine Mitarbeiterin des Instituts ihr Auto auf Autogas umzurüsten. Für den Betrieb tankt sie Autogas bestehend aus 50 Massen-% Propan (C 3 H 8 ) und 50 Massen-% Butan (C 4 H 10 ) und einem spezifischen Heizwert von H i,autogas 46MJ/kg (Bezugstemperatur: T u 298,15K). Der Brennstoff und die Verbrennungsluft werden dem Motor bei T u 298,15K zugeführt und im Motor bei p u 1bar vollständig verbrannt. Folgende Hinweise sind zu beachten: Die Verbrennungsluft kann in den Aufgabenteilen a)-e) vereinfacht als trockene Luft mit der Zusammensetzung r N2 79 Vol % und r O2 21 Vol % angenommen werden. Die Molmassen betragen: M Propan 44g/mol, M Butan 58g/mol, M H2 O 18g/mol, M O2 32g/mol und M N2 28g/mol. Für alle Gase kann ideales Gasverhalten vorausgesetzt werden. Die spezifische Verdampfungsenthalpie von Wasser bei T u 298,15K beträgt r 2444kJ/kg. 2

6 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Aufgabe 1 a) Berechnen Sie die Molanteile von Propan und Butan im Autogasgemisch. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) ψ Propan ψ Propan ψ Butan ψ Butan 3

7 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Aufgabe 1 b) Stellen Sie die beiden Teilreaktionsgleichungen für den Fall der stöchiometrischen Verbrennung jeweils für 1 mol Propan und 1 mol Butan auf. Teilreaktionsgleichungen 4

8 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Aufgabe 1 c) Stellen Sie die Gesamtreaktionsgleichung für eine stöchiometrische und vollständige Verbrennung mit trockener Luft von 1 mol des Autogasgemischs auf und berechnen Sie den molaren Mindestluftbedarf l m,min für diese Verbrennung. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) und Gesamtreaktionsgleichung l m,min l m,min 5

9 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Aufgabe 1 d) Berechnen Sie den molaren Heizwert h m,i und molaren Brennwert h m,s jeweils bezogen auf T u 298,15K des Autogases. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) h m,i h m,i h m,s h m,s 6

10 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Aufgabe 1 e) Auf welchen Druck müsste das Abgas mindestens verdichtet werden, damit das Wasser im Abgas bei ϑ 60 C gerade beginnt auszukondensieren? Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) p kond p kond 7

11 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Aufgabe 1 f) Berechnen Sie den molaren Luftbedarf l m,min für diese Verbrennung, wenn das Autogas stöchiometrisch und vollständig mit feuchter Luft mit einer relativen Feuchte von ϕ 0,7 verbrannt wird. Der trockene Anteil der Luft hat die gleiche Zusammensetzung wie in den Aufgabenteilen zuvor. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) l m,min l m,min 8

12 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Aufgabe 2 Aufgabe 2 (40 Punkte) Zur Luftverflüssigung wird ein Kreisprozess entworfen. Dabei strömt Luft mit T 1 205K und p 1 1bar durch einen Verdichter und wird auf den Druck p 2 150bar verdichtet. Der Verdichter hat einen isentropen Wirkungsgrad η s,v 0,9 und es wird die technische Leistung P t 37kW zugeführt. Anschließend wird die Luft in einem Vorkühler auf die Temperatur T 3 abgekühlt. Im nachfolgenden Wärmeübertrager wird die Luft auf die Temperatur T 4 145K gekühlt. Der Wärmeübertrager hat eine thermische Leistung von Q 34 3kW. Anschließend wird die Luft adiabat auf einen Druck p 5 1bar gedrosselt. Im nachfolgenden adiabaten Flüssigkeitsabscheider wird die Luft bei konstantem Druck in einen gerade siedenden Flüssigkeitsstrom ṁ AB und einen trocken gesättigten Dampfstrom ṁ 6 aufgeteilt. Der Flüssigkeitsstrom wird abgeschieden. Der Dampfstrom ṁ 6 strömt durch den oben erwähnten Wärmeübertrager und erwärmt sich auf den Zustand 7. In einer Mischkammer wird der Luftstrom ṁ 7 mit dem Luftstrom aus der Umgebung ṁ ZU mit einer Temperatur T U 288K zum Zustand 1 vermischt. Zusätzlich sind folgende Hinweise zu beachten: Druckverluste in den Wärmeübertragern sowie in den Rohrleitungen sind vernachlässigbar. Änderungen der kinetischen und potentiellen Energie können vernachlässigt werden. Der kritische Punkt für Luft liegt bei T k 132,83K und p k 38,508bar Tabelle 1: Stoffwerte von Luft im Sättigungszustand T p h h s s in K in bar in kj/kg in kj/kg in kj/kgk in kj/kgk 78, ,52 77,87 2,973 5,479 Tabelle 2: Stoffwerte von Luft im überhitzten Zustand und im überkritischen Zustand T p h s T p h s in K in bar in kj/kg in kj/kgk in K in bar in kj/kg in kj/kgk ,63 6, ,55 3, ,67 6, ,84 3, ,70 6, ,46 4, ,74 6, ,30 4, ,77 6, ,34 4, ,80 6, ,52 4, ,83 6, ,77 4, ,86 6, ,96 4, ,99 4, ,96 6, ,58 6, ,21 6, ,98 6, ,47 6, ,11 6,502 9

13 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Aufgabe 2 a) Skizzieren Sie das Anlagenschaltbild des beschriebenen Prozesses. Bezeichnen Sie dabei die einzelnen Komponenten und Zustände. Zeichnung 10

14 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Aufgabe 2 b) Zeichnen Sie den Prozess qualitativ in ein T,s-Diagramm ein. Zeichnung T s 11

15 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Aufgabe 2 c) Berechnen Sie den Massenstrom ṁ 1. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) ṁ 1 ṁ 1 12

16 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Aufgabe 2 d) Berechnen Sie die thermische Leistung Q 23 des Vorkühlers. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) Q 23 Q 23 13

17 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Aufgabe 2 e) Berechnen Sie den Dampfgehalt x 5. Erforderliche Bestimmungsgleichung(en) x 5 x 5 14

18 Klausur Technische Thermodynamik II WS 18/19 Aufgabe 2 f) Beschreiben Sie eine Möglichkeit, um den abgeschiedenen Flüssigkeitsmassenstrom zu erhöhen. Die thermische Leistung des Vorkühlers Q 23, der eintretende Massenstrom in den Verdichter und der Eintrittszustand in den Verdichter sollen hierbei konstant bleiben. Zeichnen Sie die beschriebenen Zustandsänderungen mit der Ergänzung * in das T,s-Diagramm in Aufgabenteil b) ein. Antwort 15