REWIC-A: Thermodynamica A : : : Opleiding Module Examenset. REWIC-A Thermodynamica A 03. Uw naam :... Begintijd :... Eindtijd :...

Transcriptie

1 Opleiding Module Examenset : : : REWIC-A Thermodynamica A 03 Uw naam :... Begintijd :... Eindtijd :... Lees onderstaande instructies zorgvuldig door: 1. Beschikbare tijd : 100 minuten 2. Aantal vragen : De antwoorden schrijft u op de REWIC antwoordbladen. 4. Noteer op alle antwoordbladen: uw naam uw cursistnummer naam van de module nummer van de examenset aantal pagina s de examendatum. 5. Beantwoord de vragen zo volledig mogelijk. Vermeld bij rekenopgaven de berekening op de antwoordbladen. 6. U mag tijdens het examen gebruik maken van: de VAPRO tabellenboeken, zonder aantekeningen; een niet programmeerbare rekenmachine; hs-diagram of mollier diagram; formuleblad. 7. Na afloop van het examen levert u het examen, uw antwoordbladen en eventueel kladpapier in bij de toezichthouder. 8. Uw cijfer wordt als volgt berekend: (Aantal behaalde punten / maximum score) x 10 Veel succes! Pagina 1 van 6

2 Opgave 1: Vul de ontbrekende woorden in: α-straling bestaat uit...(1)... ; het doordringingsvermogen is...(2)... 1 =.. 2 =.. 1 = heliumkernen 2 = klein Opgave 2: Als de halfwaardetijd van radioactief stikstof 10 minuten bedraagt, hoeveel procent van het radioactieve stikstof is er na 1 uur nog over? 1,6 % Opgave 3: In het hieronder getekende toestandsdiagram is een positieve kringloop ABCA aangegeven. Iedere keer als de kringloop wordt doorlopen, wordt arbeid verricht. Gegeven : pa = pc = 3,0 bar pb = 8,0 bar VA = 6,0 l VB = VC = 12 l. Bereken de arbeid per cyclus. Neem aan dat AB een rechte lijn is J Opgave 4: 10 punten Van de afgebeelde warmtewisselaar zijn de volgende gegevens bekend: Stoomdruk: 22 bar Stoomtemperatuur: C, de stoom is oververhit De massastroom te verwarmen voedingswater, water: 10 kg/s Inlaattemperatuur water: C Uitlaattemperatuur water: C Gemiddelde soortelijke warmte van het water: 4,3 kj/(kg K) Afbeelding 1 - warmtewisselaar met massastromen Pagina 2 van 6

3 In de warmtewisselaar condenseert de verwarmingsstoom tot de verzadigingstemperatuur behorend bij de stoomdruk van 22 bar. Bereken de massastroom verwarmingsstoom [kg/s]. Energiebalans opstellen: afgestane energie = opgenomen energie In de stoomtabellen vind je: h oververhitte stoom = 3154,1 kj/kg h condensaat verzadigd = 930,3 kj/kg bij een druk van 22 bar. De Δh van het te verwarmen water is: Δh water = soortelijke warmte water. ΔT Δh water = 4,3 kj/(kg. K). ΔT = 4,3 kj/kg. (200 0 C C) = 215 kj/kg Invullen in deze energiebalans geeft: x kg stoom/s. (3154,1 kj/kg 930,3 kj/kg) = 10 kg/s water. 215 kj/kg. Hieruit kan x worden berekend: x kg/s. 2223,8 kj/kg = 2150 kj/kg x = 0,9668 kg/s Opgave 5: Zal de verdampingswarmte van 1 kg stoom afnemen of toenemen naarmate de stoomdruk stijgt. En waarom gebeurt dat? De verdampingswarmte neemt af naarmate de druk stijgt. Bij het kritische punt gaat water direct over in oververhitte stoom en is er helemaal geen verdampingstraject. Opgave 6: Beargumenteer waarom de isothermen en isobaren in het coëxistentiegebied samen vallen. In het coëxistentiegebied komen water en stoom naast elkaar voor. In dit gebied zijn druk en temperatuur onverbrekelijk met elkaar verbonden. Daarom vallen de isothermen en isobaren in dit gebied samen. Opgave 7: 1 Stoom van 100 bar en 500 C expandeert in een stoomturbine tot 1 bar bij x = 100%. a) Teken de expansielijn in het verstrekte h-s diagram en stel vast of de expansie isentropisch dan wel niet isentropisch plaatsvindt. (10 punten) Pagina 3 van 6

4 b) Bereken de warmteval in deze turbine bij zowel niet- isentropische en isentropische expansie. () a) De enthalpie van de stoom, h o.s, van 100 bar en 500 C = 3375 kj/kg. De expansie eindigt bij 1 bar en x = 100%. Dit is dus op de verzadigingslijn. De temperatuur bedraagt op dit punt 100 C en h a.s = 2674 kj/kg. Uit de schuin verlopende expansielijn blijkt dat de expansie niet-isentropisch verloopt. b) De werkelijke warmteval bedraagt: 3375 kj/kg 2674 kj/kg = 701 kj/kg Als de expansie isentropisch zou verlopen, dan eindigt de expansie op de isobaar van 1 bar op het punt waarbij de enthalpie afgerond 2390 kj/kg bedraagt. De theoretische warmteval bedraagt: 3375 kj/kg 2390 kj/kg = 985 kj/kg Isentropische en niet-isentropische expansies eindigen altijd op dezelfde isobaar. In deze opgave is dit de isobaar van 1 bar. Opgave 8: 1 Stoom van 100 bar, 500 C en h = 3375 kj/kg wordt sterk in druk gereduceerd tot 5 bar. Vervolgens expandeert de stoom vanuit dit punt isentropisch tot een druk van 1 bar. a) Teken het proces in het verstrekte h-s diagram. (10 punten) b) Bereken de warmteval van de gereduceerde stoom bij isentropische expansie van 5 bar tot 1 bar. () Pagina 4 van 6

5 a) b) Tijdens reduceren blijft de enthalpie gelijk. Bij gelijkblijvende enthalpie wordt dit reduceren van druk weergegeven door een horizontale lijn naar rechts in het h-s diagram. In dit voorbeeld gaat die lijn tot het snijpunt met de 5 bar lijn. Op dit punt bedraagt de temperatuur afgerond 450 C en de entropie is 7,96 kj/(kg K). Vanuit het punt h = 3375 en p = 5 bar trekken we langs de isentroop van 7,96 kj/(kg K) een verticale lijn omlaag tot aan het snijpunt met de 1 bar lijn. Op dit snijpunt, dat nog in het oververhitte stoomgebied ligt, bedraagt de enthalpie afgerond 2940 kj/kg. De beschikbare warmteval bedraagt dan 3375 kj/kg kj/kg = 435 kj/kg. Dit is de hoeveelheid warmte die in de turbine in arbeid kan worden omgezet. Opgave 9: Hoe wordt bereikt dat in een stoomturbine de omzetting van thermische energie in arbeid zoveel mogelijk adiabatisch plaatsvindt? Door het turbinehuis heel goed te isoleren kan worden bereikt dat het uitwendige warmteverlies zo klein mogelijk is en daarmee het expansieproces bijna adiabatisch verloopt. Opgave 10: 10 punten Beschrijf 2 voor-en 2 nadelen van herverhitting van stoom. Licht uw antwoorden uitgebreid toe. Tip: denk ook aan het effect van herverhitting van de stoom op het vochtgehalte van de afgewerkte stoom van de turbine. Voordelen van herverhitting zijn: 1) Herverhitting verhoogt zonder dat de verse stoomtemperatuur verder hoeft te Pagina 5 van 6

6 worden verhoogd - de gemiddelde temperatuur van de warmtetoevoer en daarmee neemt het thermisch rendement toe. De verse stoomtemperatuur kan vanwege materiaaleigenschappen niet onbeperkt worden verhoogd. Bij herverhitting wordt de warmtetoevoer over twee trajecten verdeeld, waarbij de maximum toegepaste temperatuur over beide trajecten binnen de materiaalspecificaties blijft. 2) Door de toepassing van herverhitting kan een zeer hoge stoomdruk worden toegepast, waardoor de verbetering van het thermisch rendement nog verder wordt versterkt. Door herverhitting verschuift de expansielijn in het h-s diagram naar rechts en eindigt de expansie op een punt met lager vochtpercentage. Dit beperkt het gevaar voor lagedruk schoeperosie. Toepassen van zeer hoge stoomdruk zonder gelijktijdige toepassing van herverhitting zou tot gevolg hebben dat de expansie over de turbine op een punt met een hoger vochtgehalte van de afgewerkte stoom eindigt. De expansielijn verschuift naar links in het h-s diagram. Een hoger vochtpercentage leidt tot erosie van de laatste schoepenrijen van de stoomturbine. Nadelen van herverhitting zijn: 1) complexe installatie, voorbeelden: her-ovo bundel in de ketel, warme en koude herverhitterleidingen, extra beveiligingen, een hd en md-omloopsysteem nodig om tijdens opstoken van de ketel voldoende koeling van de her-ovo te borgen. Opgave 11: Leg uit waarom in het p-v diagram een adiabatische toestandsverandering steiler verloopt dan een isothermische toestandsverandering. Voor een adiabaat geldt: p. Vk = constant (de wet van Poisson) Voor een isotherm geldt: p. V = constant (de wet van Boyle) Als de exponent κ = 1,4, dan volgt uit de wiskunde dat een adiabatische toestandsverandering steiler verloopt dan een isothermische toestandsverandering. Opgave 12: In een gascilinder met een inhoud van 0,02 m 3 bevindt zich Argon met een druk van 2 bar en temperatuur van 27 C. De algemene gaswet is van toepassing. Bereken de gasconstante van deze massa gas. Pagina 6 van 6