VAK: Thermodynamica - A Set Proeftoets 01

Transcriptie

1 VAK: Thermodynamica - A Set Proeftoets 01 Thermodynamica - A - PROEFTOETS- set 01 - E_2016 1/8

2 DIT EERST LEZEN EN VOORZIEN VAN NAAM EN LEERLINGNUMMER! Beschikbare tijd: 100 minuten Uw naam:... Klas:... Leerlingnummer: Instructies voor het invullen van het antwoordblad. 1. Dit tentamen bestaat uit 9 opgaven. 2. De antwoorden schrijft u op de door de school te verstrekken antwoordformulieren. 3. Noteer op alle antwoordformulieren uw Naam, het Examenvak, het Paginanummer, de Datum en de Set. LET OP: De netheid kan van invloed zijn op de beoordeling. 4. Beantwoord de vragen zo volledig mogelijk. Vermeld bij rekenopgaven de berekening op de antwoordformulieren. 5. U mag tijdens het tentamen gebruik maken van: - Een tabellenboek, zonder aantekeningen; - Formuleblad - Rekenmachine - Stoomtabel - h - s diagram (Mollier diagram) 6. Direct na afloop van het tentamen levert u alle formulieren (vragenformulier, antwoordbladen en kladpapier) in bij de docent(e). 7. Puntenverdeling SOM Cijfer Aantal punten 1 9 Veel succes! Vastgesteld dd Thermodynamica - A - PROEFTOETS- set 01 - E_2016 2/8

3 Thermodynamica - A - PROEFTOETS- set 01 - E_2016 3/8

4 VAK: Thermodynamica - A Set AT Bij het opvullen van een weerballon, dient men er aan te denken dat de druk in de ballon zal dalen, naarmate de ballon hoger in de atmosfeer terecht komt. Dit omdat de temperatuur zal dalen. Aan de andere kant dient bedacht te worden dat de druk van de omringende lucht af zal nemen naarmate de ballon hoger in de atmosfeer komt. Hierdoor neemt het volume van de balon toe. Het oplaten van een weerballon ten behoeve van meteorologische metingen Gesteld wordt nu dat 10 mol Helium in een weerballon wordt gestopt en waarbij gegeven is dat de ballon kan zwellen tot een volume van 5000 liter. Op het moment van oplaten bezit de ballon nog niet zijn maximale volume wat veroorzaakt wordt door de relatief grote druk (ongeveer 1 bar(a)) die op (ongeveer) zeeniveau heerst, vergeleken met de lage druk die heerst op (grotere) hoogte. Bereken de absolute druk in mbar die in de ballon heerst op het moment dat het volume van de ballon juist de waarde van 5000 liter heeft bereikt en waarbij de temperatuur van het helium is gedaald tot -10 C. Thermodynamica - A - PROEFTOETS- set 01 - E_2016 4/8

5 2. De stoomcondities bij de inlaat van een turbine bedragen 140 bar(a) en 540 C.: Deze stoom expandeert naar een druk van 0,05 bar(a) en heeft dan een dampgehalte van x = 86 %. Maak binnen dit vraagstuk uitsluitend gebruik van de stoomtabel en verklaar de handelswijze bij de uitwerking. : a. Hoe groot is de enthalpie van de verse stoom? b. Hoe groot is de enthalpie van de afgewerkte stoom na de turbine? c. Hoe groot is de warmteval in de turbine? 3. In een warmtewisselaar, als weergegeven op onderstaande afbeelding, wordt water verwarmd door middel van verzadigde stoom. Het condensaat van deze verwarmingsstoom verlaat de warmtewisselaar op de verzadigingstemperatuur van 140 C. De hoeveelheid verwarmingsstoom bedraagt 2,0 kg/s. Door de warmtewisselaar stroomt 40 kg water per seconde. De intredetemperatuur van dit water bedraagt 10 C. Neem voor de soortelijke warmte van water 4,2 kj/(kg.k) : Bereken de uittredetemperatuur van het water. Thermodynamica - A - PROEFTOETS- set 01 - E_2016 5/8

6 4. Van een Rankine-proces, als weergegeven op onderstaand schema, is gegeven: t p verse stoom 100 verse stoom bar (a); C ; p condensor 0, 1bar (a) Het inwendig rendement van de stoomturbine mag gemakshalve op 100% worden gesteld. Schema Rankine proces, met één aftappunt Er wordt afgetapt op de gunstigste plaats tijdens expansie van de stoom in de turbine. Deze gunstigste plaats bevindt zich juist halverwege de warmteval over de turbine. Dit punt is nodig om onder andere de aftapdruk te kunnen te bepalen. Ga er van uit dat dit ook de druk in de mengvoorwarmer is. Bedenk dat bij een mengvoorwarmer de verwarmingsstoom en het op te warmen condensaat met elkaar gemengd worden. Er mag aangenomen worden dat het voedingswater in verzadigde toestand de mengvoorwarmer verlaat. : a. Teken de expansielijn in het Mollier-diagram en lees de enthalpieën bij posities 2 en 4 af. b. Bepaal de aftapdruk met behulp van het Mollier-diagram (positie 3). c. Bereken α met behulp van een massa- en energiebalans rond de mengvoorwarmer. d. Bereken het rendement van de stoomcyclus als zijn waarbij de warmte overgedragen in de ketel als toegevoerde warmte geldt. Mechnische verliezen van de stoomturbine alsmede generatorverliezen mogen verwaarloosd worden. Tip: ga uit van een stoomproductie van de ketel van 1 kg/s. Thermodynamica - A - PROEFTOETS- set 01 - E_2016 6/8

7 5. Een compressor zonder schadelijke ruimte zuigt lucht aan van 1 bar en 290 K. De lucht wordt volgens een adiabaat, n = k = 1.4, gecomprimeerd tot 6 bar. De massa lucht bedraagt 1 kg/s. De specifieke gasconstante R s mag op 0,287 kj/kgk gesteld worden. a. Wat is de eindtemperatuur van de gecomprimeerde lucht in K b. Bereken het toe te voeren vermogen in kw Uitwerking T 2 k 1 k 1,4 1 p2 6 1,4 T1 p ; T K 1 1 Het vermogen bedraagt: P 6. k R s m T T ; P kw k ,4 0,287 1,4 1 In een vat van 15 m³ bevindt zich een gas dat van 10 C tot 92 C wordt verwarmd. Bij dit proces blijft de druk constant dankzij de aanwezigheid van een veiligheid welke op het vat is aangebracht. Hoeveel procent van de oorspronkelijke hoeveelheid gas zal bij het opwarmen via deze veiligheid ontwijken? Tip; neem als rekenvoorbeeld bijvoorbeeld lucht als zijn de het gas met een specifieke gas constante van 0,287 kj/kgk en kies een druk van bijvoorbeeld 10 bar(a). Thermodynamica - A - PROEFTOETS- set 01 - E_2016 7/8

8 7. Van droge lucht is bekend dat dit voornamelijk bestaat uit stikstof, N 2 en ten dele uit zuurstof, O 2 en wel in de verhouding 79% / 21%, wanneer het volumeprocenten betreft. Gegeven is nog 8315 J /( kmol K) R m Rm n m en ook Rs en waarbij M de molmassa en n is het aantal mol. m n Voor de molmassa van N 2 mag 28 kg/kmol aangenomen worden en voor O 2 32 kg/kmol. Bereken de soortelijk massa van lucht onder normaal condities ( 1 bar en 273 K) 8. In de cilinder van een dieselmotor wordt brandstof verbrand. Het dieselproces, dat in werkelijkheid uit een vloeiend verlopend proces bestaat, kan verdeeld worden in meerdere toestandsveranderingen. Beschouw hiertoe ook onderstaande afbeelding. Hierop is te zien dat als de zuiger van richting omkeert de ontsteking en verbranding van de brandstof intreedt en er sprake is van een isochoor proces. Dit proces verloopt van (2 3). Daarna is er een deel waarbij het restant van de brandstof verbrandt maar waarbij ook de zuiger weer richting het ODP (onderste Dode Punt) beweegt. Hierbij blijft de druk bij benadering gelijk en is er dus sprake van een isobaar proces. (3 4) De volumetoename van 3 naar 4 bedraagt 30 liter en de (ongewijzigde) druk bedraagt hierbij 45 bar(a). Bereken de hoeveelheid arbeid welke het gas op de zuiger verricht gedurende dit onderdeel van het expansieproces. Thermodynamica - A - PROEFTOETS- set 01 - E_2016 8/8