Oefententamen Technische Thermodynamica (vakcode ) Faculteit der Construerende Technische Wetenschappen, Universiteit Twente

Transcriptie

1 Oefententamen Technische Thermodynamica (vakcode ) Faculteit der Construerende Technische Wetenschappen, Universiteit Twente Datum: 28 mei 2009 Tijd: 3de en 4de of 5de en 6de uur Plaats: Projectkamers Naam: Studentnummer: Dit is een oefententamen samengesteld uit een vijftal vragen uit oude tentamens. Omdat de inhoud van het vak aanzienlijk gewijzigd is, is er geen echt oud tentamen beschikbaar. OP het tentamen kun je echter soortgelijke vragen verwachten als hier gesteld. Bovendien zijn ook de meeste vragen uit de hoofdstukken 9, 10, 11 en de bonusopgaven representatief voor de tentamen opgaven. Ga ervanuit dat je straks op het echte tentamen ook exergie moet aangeven in een Mollierdiagram. Dit tentamen bestaat uit 5 tentamenvragen. Aanwijzingen bij het tentamen en het beantwoorden van de tentamen opgaven: Bij het tentamen mag een thermodynamica tekstboek naar keuze gebruikt worden. Ook mag een rekenmachine gebruikt worden, maar geen lap of palm top computer. Begin elke opgave op een nieuwe pagina. De relatieve gewichtsfactor van elke (sub)opgave is aangegeven. Denk eraan de juiste symbolen te gebruiken en vergeet de eenheden niet (geen eenheden = fout)! Maak duidelijke, nette tabellen, schema s en schetsen die niet te klein zijn (te onduidelijk = fout)! Bij opgave 4 en 5 hoort een Mollier diagram op A3-formaat. Deze wordt als bijlage bij het tentamen geleverd. Lever ook dit diagram in voorzien van naam en studentnummer. Lever aan het einde van het tentamen alle papier met uitwerkingen erop, de tentamenopgaven en het Mollierdiagram in, ingevouwen in een standaard tentamenpapier van het dubbele A4- formaat. Zorg ervoor dat overal je naam op staat. Veel succes!

2 Opgave 1, De Diesel Cyclus en in een Ts diagram Opgave 2, Stoomturbine

3 Opgave 3, Compressie koude machine en geef de opbouw van deze installatie schematisch weer

4 5. Een open gasturbine installatie bestaat uit: - een compressor, intredetemperatuur 15 o C, intrededruk 1 bar, drukverhouding 3.0, isentroop rendement 0.9, - de compressor is voorzien van een tussenkoeler op drukniveau 2 bar, lucht wordt terug gekoeld tot 40 o C. - een verbrandingskamer, verbrandingsrendement 100 %, - een turbine, intredetemperatuur 400 o C, isentroop rendement 0.9, - een warmtewisselaar, waarin de verbrandingsgassen na uittrede uit de turbine warmte overdragen aan de gecomprimeerde verbrandingslucht, die daarna verder verhit wordt in de verbrandingskamer. - een electrische generator, generator rendement 98 %, die met 99 % mechanisch rendement door de turbine wordt aangedreven. Behalve de generator drijft de turbine ook de compressor aan, met 99 % mechanisch rendement. De temperatuur van de verbrandingslucht bij intrede van de warmtewisselaar is gelijk aan de temperatuur van de verbrandinggassen die de warmtewisselaar verlaten. De temperatuur van de verbrandingsgassen bij intrede van de warmtewisselaar is gelijk aan de temperatuur van de verbrandingslucht die de warmtewisselaar verlaat. Drukverliezen over leidingen, warmtewisselaar en verbrandingskamer mogen worden verwaarloosd. Beantwoord de volgende vragen op het bijgeleverde gelinieerde papier en/of Mollier-diagram. a. (2x) Maak een schema van de hierboven beschreven installatie en nummer de kenmerkende toestanden b. (1x) Geef per punt op overzichtelijke wijze de 2 gegevens weer. c. (3x) Zet het proces uit in het voor deze vraag uitgereikte Mollier-diagram voor lucht. De noodzakelijke berekeningen dienen gepresenteerd te worden op het bijgeleverde gelinieerde papier. d. (1x) Bepaal het rendement van deze installatie. e. (2x) Bepaal de specifieke exergiestromen op de in- en uitlaat van de turbine. Vergelijk het resultaat met d. 4

5 6. Beschouwd wordt een stoominstallatie naar het model van de Rankine cyclus voor de opwekking van electriciteit. Een schets is hieronder gegeven. Stoom wordt geproduceerd door de stoomketel op een druk van 80 bar en een temperatuur van 600 o C. De stoom expandeert in de hogedrukturbine naar 10 bar. Vervolgens wordt een deel van de massastroom herverhit tot 600 o C en geëxpandeerd in de lagedrukturbine naar de condensordruk. De resterende massastroom stoom wordt gevoerd naar een open voedingwatervoorwarmer, waar het wordt vermengd met condensaat uit de condensor opgepompt door een voedingpomp in de voedingwatervoorwarmer. Het resulterende hete condensaat wordt in de ketel gepompt door de ketelvoedingpomp. De volgende gegevens zijn beschikbaar: Isentroop rendement van iedere turbine: 80 %. Isentroop rendement van de pompen: 100 %. Rendementen van de mechanische overbrengingen van turbine naar turbine 100%, van turbine naar ketelvoedingpompen 100% en van de turbines naar de generator: 98 %. Condensortemperatuur: 60 o C Massastroom stoom door de hogedrukturbine: 40 ton/uur. Druk- en warmteverliezen in de leidingen kunnen worden verwaarloosd. Vragen: a. (1x) Nummer de karakteristieke punten en verzamel in een geordende tabel de 2 thermodynamische gegevens die per punt beschikbaar zijn, alsmede de massastroom in kg/s in ieder punt. b. (2x) Teken de stoomketelprocessen, de turbine expansieprocessen en het condensorproces in het bijgevoegde Mollier diagram. Geef de berekeningen van de turbine processen in het bijgevoegde gelinieerde A4 papier. c. (2x) Bereken de enthalpie op de uitlaat en beide inlaten van de voedingwatervoorwarmer, en schets het proces in het Mollier diagram. d. (1x) Bereken de verhouding tussen de massastroom naar de lagedruk turbine en de massastroom naar de voedingwatervoorwarmer. e. (1x) Bepaal met behulp van de tabel in het tekstboek de arbeid die aan de pompen moet worden geleverd. f. (2x) Bepaal de exergie veranderingen van de stoomstroom in beide turbines. g. (1x) Bepaal het vermogen aan de generator afgegeven en het thermisch rendement van de cyclus. Geef commentaar op het verschil met f. EINDE VAN DIT TENTAMEN. 4

6

7

8

9 5. Een open gasturbine installatie bestaat uit: - een compressor, intredetemperatuur 15 o C, intrededruk 1 bar, drukverhouding 3.0, isentroop rendement 0.9, - de compressor is voorzien van een tussenkoeler op drukniveau 2 bar, lucht wordt terug gekoeld tot 40 o C. - een verbrandingskamer, verbrandingsrendement 100 %, - een turbine, intredetemperatuur 400 o C, isentroop rendement 0.9, - een warmtewisselaar, waarin de verbrandingsgassen na uittrede uit de turbine warmte overdragen aan de gecomprimeerde verbrandingslucht, die daarna verder verhit wordt in de verbrandingskamer. - een electrische generator, generator rendement 98 %, die met 99 % mechanisch rendement door de turbine wordt aangedreven. Behalve de generator drijft de turbine ook de compressor aan, met 99 % mechanisch rendement. De temperatuur van de verbrandingslucht bij intrede van de warmtewisselaar is gelijk aan de temperatuur van de verbrandinggassen die de warmtewisselaar verlaten. De temperatuur van de verbrandingsgassen bij intrede van de warmtewisselaar is gelijk aan de temperatuur van de verbrandingslucht die de warmtewisselaar verlaat. Drukverliezen over leidingen, warmtewisselaar en verbrandingskamer mogen worden verwaarloosd. Beantwoord de volgende vragen op het bijgeleverde gelinieerde papier en/of Mollier-diagram. a. (2x) Maak een schema van de hierboven beschreven installatie en nummer de kenmerkende toestanden 5

10 b. (1x) Geef per punt op overzichtelijke wijze de 2 gegevens weer. 1. T=15 C P=1 bar 2. η=0.9 P=2 bar 3. T=40 C P=2 bar 4. η=0.9 P=3 bar 5. T5=T7 P=3 bar 6. T=400C P=3bar 7. η=0.9 P7=P8 8. T8=T4 P=1 bar c. (3x) Zet het proces uit in het voor deze vraag uitgereikte Mollier-diagram voor lucht. De noodzakelijke berekeningen dienen gepresenteerd te worden op het bijgeleverde gelinieerde papier. d. (1x) Bepaal het rendement van deze installatie. Wc 1+ Wc2 0.99x0.98x WT 0.99 ηth = Qin e. (2x) Bepaal de specifieke exergiestromen op de in- en uitlaat van de turbine. Vergelijk het resultaat met d. exergy = ( h - h 0) - T0( s - s 0) 6

11 6) a) Point property 1 property 2 1 downstr HP pump P=80 bar ds=0 2 downstr HP boiler P=80 bar T=600 C 3 downstr HP turbine P=10 bar is eff=80% 4 upstr LP boiler h4=h3 s4=s3 5 upstr feedw heater h5=h3 s5=s3 6 downstr LP boiler P=P3 T=600 C 7 downstr LP turbine P=P8 is eff=80% 8 downstr condensor T=60 C saturated liquid 9 downstr LP pump P=P3 ds=0 10 downstr feedw heater P=P3 saturated liquid Massflows: Mass flow at point 1,2,3: 40 ton/hr, mass flow ratio of points 4 and 5: such to balance the enthalpy flows in the feedwater heater to have saturated liquid in point 10. b) start with point 2, at crossing of 80 bar isobar and 600 C isotherm, then proceed to ponts 3s, 3, 6, 7s,7. H2=3650 kj/kg, s2= 6.8 kj/(kgk) H3s=2800 kj/kg, s3s= 6.8 kj/(kgk) H3= 2970 kj/kg, s3=7.3 kj/(kgk) from h3=h2-etat(h2-h3s) H6= 3700 kj/kg, s6=8.3 kj/(kgk) H7s= 2750 kj/kg, s7s=8.3 kj/(kgk): T8=60 C hence P8=P7=0.2 bar H7= 2940 kj/kg, s7=8.7 kj/(kgk) from h7=h6-etat(h6-h7s) Follow 80 bar isobar from boiling line till point 2. Between points 3 and 6 follow 10 bar isobar. From point 5 follow 0.2 bar isobar, crossing condenstaion line, till boiling line. c) H5= 2970 kj/kg, s5=7.3 kj/(kgk) H10=763 kj/kg, s10=2.14 kj/kgk), from pressure table saturated H2O 10 bar H9=h8+v(P9-P8) h8=251 kj/kg s8=0.832 kj/(kgk). from pressure table saturated 0.2 bar

12 d) m5h5=m10h10+m9h9 m1=m10=40t/hr m5+m9=m10 e) Pumps: dh=tds+vdp: W=m(huit-hin)=m v. (Puit-Pin). f) exergy change=h2-h3-t8(s2-s3)+h6-h7-t8(s6-s7) g) power=gen transmission efficiency x mass flow x enthalpy change. Difference with f: because the LP turbine discharges at superheated conditions and high exergy, the thermal efficency is low, but due to the high turbine efficiency, almost all of the exergy change of the steam in the turbine is converted into work.