NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET FAKULTET FOR INGENIØRVITENSKAP OG TEKNOLOGI INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK

Transkript

1 Side v NORGES EKNISK-NAURVIENSKAPELIGE UNIVERSIE FAKULE FOR INGENIØRVIENSKAP OG EKNOLOGI INSIU FOR ENERGI- OG PROSESSEKNIKK Fglig kontkt under eksmen: Nvn: Rune Hoggen lf.: Språkform: Bokmål EKSAMEN I EMNE EP 0 ENERGI OG PROSESSEKNIKK LØSNINGSFORSLAG Vekting v oppgvene er ngitt i prentes, hver deloppgve teller like mye OPPGAVE (5%) ) ermodynmisk gjennomsnittstempertur er en slgs middeltempertur for en prosess under konstnt trykk. For eksempel igjennom et brennkmmer, en vrmeveksler eller lignende. Den er definert som forholdet mellom entlpidiffernsen og entropidiffernsen. ermodynmisk gjennomsnittstempertur brukes til å evluere prosesser for vrmeopptk og vrmevgivelse bsert på konstnt tempertur. Dermed kn endring v en prosess vurderes bsert på en enkelt prmeter. For et gssturbinnlegg kn virkningsgrden beregnes ved hjelp v termodynmisk gjennomsnittstempertur for vrmeopptket og vrmevgivelsen. Beregning v termodynmisk gjennomsnittstempertur (isentropisk kompresjon og ekspnsjon): dh v ds = dh vdp ds = dp v R dh = cpd = p d R p ds = cp dp s = c R = p p pln ln 0 Ved hjelp v denne ligningen finnes temperturene etter kompressoren og etter turbinen (Vnskelig å finne R for røykgssen fordi smmensetningen er ukjent.) Antgelse om t M for røykgssen er den smme som for luft vil være fornuftig. Antgelse om støkiometrisk luftmengde ville gitt mye høyere tempertur i punkt, men her er det likevel en godkjent ntgelse: = 60 K, = 669 K Finner termodynmisk gjennomsnittstempertur for vrmeopptk og vrmevgivelse: ln ml = = = 669 ln K ln 60 mh = = = K ln 88 Eksmen i emne EP 0 Energi og Prosessteknikk - Høsten 005

2 Side v Beregner virkningsgrden: ml 5 η = = = 0, 5 99 mh b) Dele opp i flere trinn. Dette kn gjøres med både kompresjonen og ekspnsjonen. Compressor Combustion chmber HP ' Combustion chmber LP urbine W urbine HP, K ' 5' 6' Med denne prosessen vil den termodynmiske gjennomsnittstemperturen for vrmeopptket øke, og dermed øker virkningsgrden. I tillegg vil også relet i S-digrmmet øke og prosessen vil kunne vgi et større rbeid. s, kj/kgk Compressor LP ' ' Combustion chmber ' urbine W Compressor HP Eksmen i emne EP 0 Energi og Prosessteknikk - Høsten 005

3 Side v, K ' ' ' Med denne prosessen vil den termodynmiske gjennomsnittstemperturen for vrmevgivelsen reduseres, og dermed øker virkningsgrden. I tillegg vil også relet i S-digrmmet øke og prosessen vil kunne vgi et større rbeid. s, kj/kgk En nnen mulighet er å sette inn en dmpturbin som utnytter vrmen i eksosgssen til å produsere mer rbeid i en dmpturbin. Compressor Combustion chmber urbine urbine W 5 W Q Boiler 6 Condenser 8 Pump 7, K Kjelen i dmpturbinkretsen vrmes opp med eksosen fr gssturbinen. Dermed vil en større ndel v den kjemiske eksergien i gssen utnyttes. s, k Eksmen i emne EP 0 Energi og Prosessteknikk - Høsten 005

4 Side v c) Luftmengd pr kg brensel: h + h h = 0 br br luft luft rg rg luft luft hnbr + hluft + ( hrg ) = 0 br br luft ( hrg hluft ) = hnbr hrg br ( ) h c luft hnbr h rg = = h h c nbr p rg ref br rg luft p rg luft kj, kj 00 5 luft kg kgk = br, kj ( 00 50) K kgk K = 57, kg luft kg br d) ermomeknisk eksergi i brenselet ved t = 5 grder, p = 5 br: p f = h ho o( s so) = cp( o) o cpln Rln o = f f o 8,kJ 5br = 88K kmolk ln 6 kg br kmol = 80,9 kj kg ermomeknisk eksergi i røykgssen: Luftoverskuddet og dermed smmensetningen i røykgssen: CH + λ O +,76N CO + H O + λ O + λ,76n AFstøk = ( +,76) = 9,5 kmol/kmol M luft = (0, + 0, 79 8) kg/kmol = 8,8 kg/kmol M = 6 kg/kmol AF = AF M / M = 7, kg/kg = ( m / m ) støk støk luft CH luft br støk λ=( m / m ) /( m / m ) = 57, /7, =, luft br luft br støk CH Eksmen i emne EP 0 Energi og Prosessteknikk - Høsten 005

5 CO HO O N CH +, O +,76N CO + H O +,68O + 5,N n y y y y rg M = + +,68 + 5, =,79 rg = = 0,005,79 = = 0,060,79,68 = = 0,,79 5, = = 0,766,79 = 0, , , + 0,766 8 = 8,5 kg/kmol p f = h ho o( s so) = cp( o) o cpln Rln o f f kj 7 8, kj/kmolk 0, ( 7 88) K 88K, kj br = ln ln kgk kgk 88 8,5 kg/kmol br = 00kJ kg Side 5 v e) Irreversibiliteten i brennkmmeret: renger også eksergien i luft inn på brennkmmeret: p f = h ho o( s so) = cp( o) o cpln Rln o 7 8,kJ 0br f =, kj ( 7 88) K 88K, kj ln kmolk ln kgk kgk 88 8,8 kg br kmol f = 5, kj kg Finner irreversibiliteten per kg metngss, Eksergi inn Eksergi ut: tm ch tm tm I = + + br f, br br luft f, luft rg f, rg I = kg 80, kj + 57, kg 5, kj 8, 09,9 kj kg kg kg I = 7,5MJ Eksmen i emne EP 0 Energi og Prosessteknikk - Høsten 005

6 Side 6 v OPPGAVE (0%) ) Seprsjon v produkter fr rektoren: H H,CH H CH Benzene oluene Diphenyl Flsh CH Benzene Benzene oluene Diphenyl oluene oluene Diphenyl Diphenyl Hydrogen og metn skilles fr de øvrige komnentene i en flsh-tnk, og kn sepreres i en kolonne. Væsken fr flsh-tnken blir seprert i to kolonner. Først ts benzene ut som toppprodukt fordi det hr lvest kokepunkt v de tre, deretter skilles toluene og diphenyl. oluene hr lvere kokepunkt enn diphenyl og ts derfor ut på toppen som gss. Eksmen i emne EP 0 Energi og Prosessteknikk - Høsten 005

7 Side 7 v b) Ligningen for øvre driftslinje: D,xD Vn,yn Vn+,yn+ L,x n Ln,xn n+ Mssebllnse rundt forsterkerdelen: Vy = Dx + Lx D D L D L D L y = xd + x= x D D D + x= xd + x V V L+ D L+ D L + D L + D D D D D R y = xd + x R+ R+ Punktet vil ligge på digonlen hvis y = x: Setter inn x = x D : R R R+ y = xd + xd = + xd = xd R+ R+ R+ R+ R+ y = x = x D c) Ligningen for nedre driftslinje finnes på tilsvrende måte som for øvre driftslinje. V ' y' = L' x' Bx B L' B L' B y' = x' + xb = x' V ' V ' L' B L' B x Må finne verdier for L og B: Fx = Dx + Bx F D B Fx = Dx + F D x F D B Fx = D x x + Fx F D B B B xf xb 0,6 0, D= F = 00 = 58,8 B=, xd xb 0,95 0, L' = L+ 0,8F = 0,9D+ 0,8F = 5,9 + 80=,9 Eksmen i emne EP 0 Energi og Prosessteknikk - Høsten 005

8 Side 8 v Ligningen for nedre driftslinje: For y = : y' =,5 x' 0,5x B =,5 x' 0,5x B,5 x ' = + 0,5 0, =,05 x ' = 0,7 eoretisk ntll trinn blir 6,. Reelt ntll trinn: Hvis koker og kondenstor er egne likevektstrinn kn disse trekkes fr før ntllet deles på virkningsgrden: 6, N reell = = 6, 7 0,7 Reelt ntll trinn i kolonnen med egen likevektstrinn i koker og kondenstor blir 7. d) Føden Finner ntll trinn over fødepunktet. eoretisk skl føden inn på kolonnens tredje (,8) trinn. Reelt skl det være,8/0,7 = trinn over fødepunktet. Altså skl føden inn på trinn. e) Koker og kondenstor i kolonnen bør integreres i et vrmevekslernettverk dersom temperturen i kokeren er under pinch, eller temperturen i kondenstoren er over pinch. Eksmen i emne EP 0 Energi og Prosessteknikk - Høsten 005

9 Side 9 v OPPGAVE (5%) ) Skisse v vrmepumpende prosess i logph og s digrm: log p pk h, K s, kj/kgk b) Beregning v vrmepumpens effektfktor: Q K ( h h ) h h COP = = = W m h h h h COP crnot H = H Eksmen i emne EP 0 Energi og Prosessteknikk - Høsten 005 L

10 Side 0 v c) Forbedringsmuligheter for en reell vrmepumpe: Flere trinn! Reduserer effektbehovet til kompressorene. Øker kuldeytelsen! log p pk 5 7 pm 6 8 Suggss vrmeveksler (på knten v pensum): Underkjøler væsk etter kondenstoren, overheter gssen til kompressoren. Gir økt kuldeytelse! Reduserer strupingstpet. log p h pk ' ' ' ' hsgv hsgv h Eksmen i emne EP 0 Energi og Prosessteknikk - Høsten 005

11 Side v d) Fornuftig: Vrme opp ting (vgir vrme ved glidende tempertur) rnge plsser (CO -nlegg blir kompkte) ilfeller der CO kn bli kjølt ned til under 0 grder i gsskjøleren. Ikke fornuftig: Vrmebehovet hr konstnt høy tempertur Ingen mulighet til å kjøle ned CO til under 0 grder før stuping. rondheim, Rune Hoggen fglærer ruls Gundersen bedømmelsessensor Eksmen i emne EP 0 Energi og Prosessteknikk - Høsten 005