Energie- und Kältetechnik Klausur SS 2008

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 Ammoniak(NH )-Sattdampf-Massenstrom ( m = 004 kg/s ) und ein Lösungs-Massenstrom (Ammoniak-Wasser-Lösung NH -Massenkonzentration: ξ b = 020 Temperatur: t b = 70 C ) werden isobar bei 00 kpa gemischt. Der entstehende Massenstrom hat eine NH -Massenkonzentration von ξ Mi = 040. a) Bestimmen Sie mit dem hξ-diagramm für H 2 O-NH -Gemische (Anlage 1) den Massenstrom m b der zugeführten Lösung und b) die Temperatur t Miadiabat des entstehenden Massenstromes (Annahme: adiabate Mischung). Bei dem Mischvorgang wird so viel Wärme abgeführt dass der entstehende Massenstrom die Mischkammer als siedende Flüssigkeit verlässt. c) Welcher Wärmestrom Q 12 muss abgeführt werden? d) Welche Temperatur t Mi hat der entstehende Lösungs-Massenstrom. ( 9 P) ( ) a 2. Der innere Wirkungsgrad eines Viertakt-Dieselmotors wurde näherungsweise mithilfe eines Indikatordiagrammes ermittelt. Er beträgt: η i = 05. Folgende Motordaten sind bekannt: Hubvolumen: 18 l Verdichtungsverhältnis: 22 maximale Temperatur des Arbeitsstoffes: K. Der Motor saugt Luft mit 15 C und 100 kpa an. Massen- und Stoffänderungen sind zu vernachlässigen. Luft soll näherungsweise als ideales Gas angenommen werden. Vergleichsprozess ist der Dieselprozess mit gleichem Ansaugzustand gleichem Verdichtungsverhältnis und gleicher Temperatur nach der Verbrennung. Dem Vergleichprozess und dem wirklichen Prozess wird gleich viel Wärme zugeführt. Die Temperaturabhängigkeit der Stoffwerte sollen vernachlässigt werden. Es soll mit einem mittleren Isentropenexponenten von 15 gerechnet werden. Der Massenstrom des Vergleichsprozesses soll näherungsweise gleich dem des wirklichen Prozesses sein. a) Skizzieren Sie den Vergleichsprozess in einem pv-diagramm. b) Berechnen Sie für den Vergleichsprozess das Einspritzverhältnis und die Temperaturen sowie die Drücke aller Zustandspunkte. Geben Sie diese in einer Tabelle an. c) Wie groß sind die thermischen Wirkungsgrade des Vergleichsprozesses und des wirklichen Prozesses? d) Wie groß ist der Massenstrom des wirklichen Prozesses bei einer Drehzahl von /min? e) Welche Leistung gibt der Motor bei dieser Drehzahl ab? ( 16 P) ( ) Bitte wenden

2 Prof. Dr. G. Wilhelms Aufgabenteil / Seite 2. In einem Heizkraftwerk wird Wasser im Dampferzeuger bei einem Druck von 4 MPa verdampft und auf eine Temperatur von 550 C überhitzt. Dieser Frischdampf (Zustand 1) wird in einer adiabaten Turbine (isentroper Wirkungsgrad: 082) auf einen Gegendruck von 150 kpa entspannt (Zustand 2). Über eine adiabate Mischkammer gelangt er anschließend zum Wärmeverbraucher wo er unter Abgabe von Heizenergie vollständig kondensiert (Zustandsänderung 4). Die Speisewasserpumpe saugt das Kondensat bei Siedetemperatur an und verdichtet es isentrop wieder auf den Kesseldruck (Zustand 5). Um auch hohe Anforderungen an Heizenergie abdecken zu können kann Frischdampf vor der Turbine abgezeigt mit einer verstellbaren adiabaten Drossel auf den Gegendruck entspannt (Zustand 6) und in der Mischkammer dem Turbinenabdampf wieder zugemischt werden. Die Änderungen der kinetischen und der potenziellen Energien die Leistung der Speisewasserpumpe die Enthalpieänderung in der Pumpe und die Drossel und Wärmeverluste in den Rohrleitungen des Dampferzeugers sind zu vernachlässigen. a) Zeichnen Sie das Schaltbild des Prozesses. b) Skizzieren Sie die Zustandsänderungen des Wassers/Wasserdampfes in einem hs-diagramm. c) Geben Sie die spezifischen Enthalpien der Zustandspunkte 1 2 und 4 in einer Tabelle an (Gegeben: h 2isen = kj/kg). d) Wie groß ist der Heizenergiestrom des Wärmeverbrauchers wenn die Drossel geschlossen ist (Fall α)? In diesem Fall gibt die Turbine eine maximale technische Leistung von 50 MW ab. e) Wie groß ist das Massenstromverhältnis m Drossel / m Turbine wenn ein Heizenergiestrom von 190 MW benötigt wird (Fall β)? ( 15 P) ( ) Σ Fragen ( 19 P) ( )

3 Prof. Dr. G. Wilhelms Aufgabenteil / Anlage 1 hξ-diagramm NH -H 2 O (Jungnickel: Grundlagen der Kältetechnik 1981 Beilagediagramm Nr. 6)

4 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 mit einer Kältemittelbilanz am Absorber das Verhältnis m r / m 0.. m a ξ a. m r ξ r. m 0 ( 2 P) ( ) 2. Skizzieren Sie das Indikatordiagramm eines Kolbenverdichters und tragen Sie das Hubvolumen ein. ( 2 P) ( ). Skizzieren Sie einen Joule-Prozess im pv- und im TS-Diagramm. Kennzeichnen Sie in beiden Diagrammen die Arbeit des Kreisprozesses. ( 4 P) ( ) 4. Nennen Sie drei Bewertungszahlen mit denen Wärmekraftmaschinen-Vergleichprozesse bewertet werden und geben die deren Definitionsgleichung an. ( P) ( ) 5. Berechnen Sie für die auf der nächsten Seite dargestellte Dampfkraftanlage den Massenstrom im Zustandspunkt. ( 2 P) ( ) Bitte wenden

5 Prof. Dr. G. Wilhelms Fragenteil / Seite 2 6. Für die unten dargestellte Dampfkraftanlage ist der Vergleichsprozess (Clausius-Rankine- Prozess) in einem Ts-Diagramm zu skizzieren. Die Abstände der Isobaren im Flüssigkeitsgebiet sollen übertrieben groß gezeichnet werden. T Schaltbild zu den Aufgaben 5) und 6): s ( 6 P) ( ) Σ ( 19 P) ( ) 80 kg/s 100 bar 1 17 G bar 2 A 4 5 B kg/s 4 bar kg/s 1 bar Zusätzliche Angaben: In den Zuständen 2 5 und 8 liegt überhitzter Dampf vor im Zustand 9 siedende Flüssigkeit. t > t 2 und t 6 > t 5.

6 Prof. Dr. G. Wilhelms Lösungsergebnisse b 1. a) m = 0129 kg/s b) t Miadiabat = 68 C c) Q 12 = 86 kw d) t Mi = 40 C 2. a) p 2 s s 4 T = K 1 bar 1 15 C V b) ϕ ' = T/K p/bar rev c) η th = 069 η th = 0224 d) m = kg/s e) W = 711 kw k. a) 1 b) h 40 bar 15 bar C 6 2 2isen w 5 4 c) 1 2 2isen 4 h/(kj/kg) α d) Q 4 = 1694 MW e) m / D m T = 0744 s