MID-TERM EXAM IN TEP4125 THERMODYNAMICS 2 Friday 28 March 2014 Time: 10:30 11:30

Transkript

1 1 (3) NORWEGIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY DEPARTMENT OF ENERGY AND PROCESS ENGINEERING Contact during examination: Lars Nord MID-TERM EXAM IN TEP4125 THERMODYNAMICS 2 Friday 28 March 2014 Time: 10:3011:30 English version (Norsk versjon er også lagt ved). Permitted aids: D No printed or handwritten aids. Specific, basic calculator. Formulate clearly when answering the problems, it pays off! Please be precise with figures, system boundary, balances, terminology, units, and writing style. For each assignment weighting factors are given in percentage. Please write your student number and page number on each sheet you hand in. Attachments Tables A-1, A-2, A-22 (3 pages) Figure A-1 (1 page) Mollier diagram (1 page) (if you include the diagram with your answer you must write page number and student number on it). The following information might be useful to solve the problems: Molecular weight (kg/kmol), C: 12; O: 16; N: 14. Universal gas constant T (K) = T (C) Tds dh vdp R kj/kmol,k

2 2 (3) Problem 1 (25% weight): Consider a phase change from saturated liquid to saturated gas at constant temperature T. Starting with the Maxwell relation s p, and based on the given information, please derive the v T T v Clapeyron equation dp hg hf dt T v v sat g f. Problem 2 (25% weight): An evaporative cooler, as displayed in the figure above, is cooling moist air from T 1 = 32 C down to T 2 = 22 C by adding saturated liquid water at T w = 22 C via a soaked pad. The incoming moist air has an absolute humidity 1 = kg water vapor/kg dry air. The air pressure is assumed constant at p = 1 bar. Assume steady-state operation, no heat transfer with the surroundings, and neglect kinetic and potential energy. Based on the given information and attachments, calculate and answer the following: a) Using formulas and table values, calculate the absolute humidity 2 at the exit of the evaporative cooler. b) Mark the state points and indicate the path between the states in the Mollier diagram. Please be precise with the process direction between the states. Problem 3 (25% weight): Consider a real gas mixture of 50 mol% CO 2 and 50 mol% N 2 with a temperature of 5 C and a pressure of 38 bar. Based on the given information and attachments calculate and estimate the following: a) The critical temperature T c of the mixture using Kay's rule. b) The critical pressure p c of the mixture using Kay's rule. c) The compressibility factor Z using attached compressibility chart. d) The specific volume v of the mixture in m 3 /kg by using the compressibility factor from c).

3 3 (3) Problem 4 (25% weight): ( ch) Calculate the specific mol-based chemical exergy ex for a mixture of 15 mol% CO 2 and 85 mol% N 2. The environment, which obeys the ideal gas model, has the following temperature, pressure, and composition (in mol%):

4 1 (3) NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK Kontaktperson under eksamen: Lars Nord MIDTSEMESTERPRØVE I TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 Fredag 28. mars 2014 Tid: 10:3011:30 Norsk versjon (English version on following pages). Tillatte hjelpemidler: D Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Bestemt, enkel kalkulator tillatt. Formulere tydelig når du besvarer problemene, det lønner seg! Vær nøyaktig med figurer, systemgrense, balanser, terminologi, enheter og uttrykksmåte. Vektlegging av oppgavene ved sensur er angitt i prosent. Vennligst skriv studentnummer og sidenummer på hvert ark du leverer inn. Vedlegg Tabeller A-1, A-2, A-22 (3 sider) Figur A-1 (1 side) Mollierdiagram (1 side) (hvis du inkluder diagrammet med ditt svar så må du skrive sidenummer og studentnummer på arket). Følgende opplysninger kan være nyttige for å løse problemene: Molvekt (kg/kmol), C: 12; O: 16; N: 14. Universal gas constant T (K) = T (C) Tds dh vdp R kj/kmol,k

5 2 (3) Oppgave 1 (vekt 25%): Vi observerer faseendring fra mettet væske til mettet damp ved konstant temperatur T. Begynn fra Maxwells forhold s p, og på basis av gitte opplysninger utledd Clapeyrons likning v T dp hg hf dt T v v sat g f. T v Oppgave 2 (vekt 25%): En fordampningskjøler, som vist i figuren over, kjøler ned fuktig luft fra T 1 = 32 C til T 2 = 22 C. Fordampningskjøleren fungerer ved å tilsette mettet vann ved T w = 22 C gjennom en gjennomvåt pute ('soaked pad'). Den innkommende fuktige luften har en absolutt fuktighet på 1 = kg vanndamp/kg tørr luft. Det antas at luften har konstant trykk på p = 1 bar. Anta stasjonære forhold, samt at endring i kinetisk og potensiell energi kan neglisjeres. Varmetap til omgivelsene kan neglisjeres. På basis av gitte opplysninger samt vedlagte data-ark, beregn og svar på følgende: a) Ved å benytte formler og tabulerte verdier, beregn den absolutte fuktigheten 2 av luften ved utløpet av fordampningskjøleren. b) Marker tilstandspunktene og indikere prosessretningen mellom tilstandene i Mollierdiagrammet. Vær nøye med prosessretningen mellom tilstanden. Oppgave 3 (vekt 25%): Vi observerer en reell blanding som består av 50 mol% CO 2 og 50 mol% N 2. Temperatur til blandingen er 5 C. Trykk til blandingen er 38 bar. På basis av gitte opplysninger samt vedlegg, beregn og svar på følgende: a) Den kritiske temperaturen T c av blandingen ved å benytte Kays regel. b) Det kritiske trykket p c av blandingen ved å benytte Kays regel. c) Kompressibilietsfaktor Z ved å benytte det vedlagte kompressibilietsdiagrammet. d) Den spesifikke volumen v av blandingen i m 3 /kg ved å benytte kompressibilietsfaktoren beregnet i oppgave c).

6 3 (3) Oppgave 4 (vekt 25%): ( ch) Beregn den spesifikke mol-baserte kjemiske eksergien ex for en blanding som består av 15 mol% CO 2 og 85 mol% N 2. Omgivelsene oppfører seg som en ideell gassblanding. Omgivelsens temperatur, trykk og sammensetning (i mol%) er oppgitt i tabellen under: