Side 1 av 3/nyn. Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735) EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 Onsdag 22. mai 2013 Tid:

Transkript

1 Side 1 av 3/nyn. NOREGS TEKNISK-NATURVITSKAPLEGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735)93839 EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 Onsdag 22. mai 2013 Tid: Sensur planlagd i veke 24. Oppgåveteksten nst også på bokmål og engelsk./ This exam is also available in English. Tillatne hjelpemiddel: D: Ingen trykte eller handskrivne hjelpemiddel. Bestemt, enkel kalkulator tillaten. Bruk helst ikkje raud blyant/penn, det er halde av for sensuren. Les gjennom oppgåvene først. Start med den oppgåva du meiner du har best innsikt i. Dersom det er råd, lat ikkje noko oppgåve vere heilt blank. Skriv klart, det løner seg! Desimalteikn her er komma, bortsett frå i vedlegga som følgjer amerikansk praksis. Nokre opplysningar står til slutt, etter den siste oppgåva. Oppgåver 1) Ein bygning vert varma opp med vassboren fjernvarme. Vatnet vert tilført bygningen ved temperatur 120 C, avgjev varme til romvarme, og vert returnert ved 90 C. Innetemperaturen (romtemperaturen) er 21 C og utetemperaturen (omgjevnadene) er 10 C. Finn irreversibiliteten (ekserginedbrytinga) ved varmevekslinga, rekna per kj varme tilført romma. Spesikk varmekapasitet for vatn kan reknast konstant og lik 4,2 kj/(kg K). 2) Fuktig luft har temperatur 38 C, 80 % relativ fukt og trykk 1 bar (tilstand 1). Bruk diagrammet og nn doggpunktstemperaturen, partialtrykk for vassdamp, molfraksjon av vassdamp og massefraksjon av vassdamp i lufta. 3) Ein straum av 3 m 3 /s varm fuktig luft av tilstand 1 (oppgåve 2) vert blanda med ein straum av 1 m 3 /s kald luft med 10 C, 80 % relativ fukt og 1 bar (tilstand 2). Vi ser bort frå trykktap. Finn tilstanden (3) til gassfasen etter blandinga.

2 Side 2 av 3/nyn. 4) Ei gassblanding inneheld 20 % CO, 65 % H 2 og 15 % CO 2 (molbasis). Finn molmassen til blandinga. Finn støkiometrisk (teoretisk) luftmengd på molbasis, massebasis og volumbasis (volum luft delt på volum brenselblanding) for forbrenning i luft. I oppgåve 4-7 kan luft reknast som 21 % O 2 og 79 % N 2 (molbasis), og gassar kan reknast ideelle. 5) Finn brennverdien på molbasis for CO ved 25 C. Finn den nedre brennverdien på molbasis ved 25 C for gassblandinga i oppgåve 4. Merk: I tabell A25 tyder ein strek () ikkje null, men at verdien er utelaten. 6) Blandinga i oppgåve 4 vert brend fullstendig med luftoverskotstal λ = 3,0 (300 % teoretisk luft). Finn samansetjinga av forbrenningsproduktet (molfraksjonar). 7) Brensel og luft i oppgåve 6 har temperatur 25 C. Finn adiabatisk ammetemperatur. I denne oppgåva kan du rekne molare varmekapasitetar c p,i konstante og lik 45 kj/(kmol K) for CO 2 og for H 2 O, og lik 33 kj/(kmol K) for O 2 og N 2. 8) Vi vil lagre propan ved trykk 1,2 bar, og må nne temperaturen. I eit tabellverk nn vi at ved 1 bar har propan metningstemperatur 42 C og fordampingsentalpi 430 kj/kg. Finn ei tilnærming for metningstemperaturen ved 1,2 bar ved hjelp av Clapeyrons likning. 9) Propan er lagra i ein tank ved 1 bar og metta gass/væske (jamvekt). Omgjevnadene har temperatur 10 C og trykk 1 bar. Finn termomekanisk eksergi for ein straum av væske frå denne tanken. Her kan du rekne propan i gassfase som ideell gass med spesikk varmekapasitet konstant og lik 1,0 kj/(kg K).

3 Side 3 av 3/nyn. 10) Bruk jamvektskriteriet dg T,p = 0 og vis at G [ (T ) (pc /p ref ) c (p D /p ref ) d ] = ln RT (p A /p ref ) a (p B /p ref ) b = ln K. Ta med dei aktuelle føresetnadene som må gjerast. 11) For reaksjonen N 2 + 2O 2 2NO2 : Finn jamvektskonstanten K ved 1000 K. I denne oppgåva kan du rekne molare varmekapasitetar c p,i konstante og lik 46 kj/(kmol K) for NO 2, og lik 33 kj/(kmol K) for O 2 og N 2. For NO 2 : h f = kj/kmol; s (298 K) = 240 kj/(kmol K). 12) Vatn (H 2 O) vert varma opp til 1400 K, og noko vert spalta til O 2 og H 2. Vi ser bort frå andre sto enn desse tre. Finn samansetjinga (molfraksjonar) når det er jamvekt ved 1400 K og 0,2 atm. (Tips for utrekninga: det er små mengder O 2 og H 2 samanlikna med H 2 O; dvs. n O2 n H2 O). Opplysningar: (eire oppgåver) Universell gasskonstant: R = 8,314 J/(mol K) T ds = dh vdp; dt På visse vilkår gjeld ds = c p T Rdp p ( ) dp = h fg dt sat T v fg Vedlegg: 1: Tabell A-25 frå boka, molmasse, danningsentalpi, m.m. for ulike sto 2: Tabell A-27 frå boka, jamvektskonstantar. 3: Mollier h-x-diagram for fuktig luft

4 Side 1 av 3/bm. NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735)93839 EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 Onsdag 22. mai 2013 Tid: Sensur planlagt i uke 24. Oppgaveteksten nnes også på nynorsk og engelsk./ This exam is also available in English. Tillatte hjelpemiddel: D:Ingen trykte eller handskrevne hjelpemiddel. Bestemt, enkel kalkulator tillatt. Bruk helst ikke raud blyant/penn, det er holdt av for sensuren. Les gjennom oppgavene først. Start med den oppgava du meiner du har best innsikt i. Dersom det er råd, lat ikke noen oppgave være heilt blank. Skriv klart, det lønner seg! Desimaltegn her er komma, bortsett fra i vedlegga som følger amerikansk praksis. Noen opplysninger står til slutt, etter den siste oppgava. Oppgaver 1) En bygning blir varma opp med vassbåren fjernvarme. Vatnet blir tilført bygningen ved temperatur 120 C, avgir varme til romvarme, og blir returnert ved 90 C. Innetemperaturen (romtemperaturen) er 21 C og utetemperaturen (omgivelsene) er 10 C. Finn irreversibiliteten (ekserginedbrytinga) ved varmevekslinga, regnet per kj varme tilført romma. Spesikk varmekapasitet for vatn kan regnes konstant og lik 4,2 kj/(kg K). 2) Fuktig luft har temperatur 38 C, 80 % relativ fukt og trykk 1 bar (tilstand 1). Bruk diagrammet og nn doggpunktstemperaturen, partialtrykk for vassdamp, molfraksjon av vassdamp og massefraksjon av vassdamp i lufta. 3) En strøm av 3 m 3 /s varm fuktig luft av tilstand 1 (oppgave 2) blir blanda med en strøm av 1 m 3 /s kald luft med 10 C, 80 % relativ fukt og 1 bar (tilstand 2). Vi ser bort fra trykktap. Finn tilstanden (3) til gassfasen etter blandinga.

5 Side 2 av 3/bm. 4) Ei gassblanding inneholder 20 % CO, 65 % H 2 og 15 % CO 2 (molbasis). Finn molmassen til blandinga. Finn støkiometrisk (teoretisk) luftmengde på molbasis, massebasis og volumbasis (volum luft delt på volum brenselblanding) for forbrenning i luft. I oppgave 4-7 kan luft regnes som 21 % O 2 og 79 % N 2 (molbasis), og gasser kan regnes ideelle. 5) Finn brennverdien på molbasis for CO ved 25 C. Finn den nedre brennverdien på molbasis ved 25 C for gassblandinga i oppgave 4. Merk: I tabell A25 betyr en strek () ikke null, men at verdien er utelatt. 6) Blandinga i oppgave 4 blir brent fullstendig med luftoverskottstall λ = 3,0 (300 % teoretisk luft). Finn sammensetninga av forbrenningsproduktet (molfraksjoner). 7) Brensel og luft i oppgave 6 har temperatur 25 C. Finn adiabatisk ammetemperatur. I denne oppgava kan du regne molare varmekapasiteter c p,i konstante og lik 45 kj/(kmol K) for CO 2 og for H 2 O, og lik 33 kj/(kmol K) for O 2 og N 2. 8) Vi vil lagre propan ved trykk 1,2 bar, og må nne temperaturen. I et tabellverk nner vi at ved 1 bar har propan metningstemperatur 42 C og fordampingsentalpi 430 kj/kg. Finn ei tilnærming for metningstemperaturen ved 1,2 bar ved hjelp av Clapeyrons likning. 9) Propan er lagra i en tank ved 1 bar og metta gass/væske (jamvekt). Omgivelsene har temperatur 10 C og trykk 1 bar. Finn termomekanisk eksergi for en strøm av væske fra denne tanken. Her kan du regne propan i gassfase som ideell gass med spesikk varmekapasitet konstant og lik 1,0 kj/(kg K).

6 Side 3 av 3/bm. 10) Bruk jamvektskriteriet dg T,p = 0 og vis at G [ (T ) (pc /p ref ) c (p D /p ref ) d ] = ln RT (p A /p ref ) a (p B /p ref ) b = ln K. Ta med de aktuelle forutsetningene som må gjøres. 11) For reaksjonen N 2 + 2O 2 2NO2 : Finn jamvektskonstanten K ved 1000 K. I denne oppgava kan du regne molare varmekapasiteter c p,i konstante og lik 46 kj/(kmol K) for NO 2, og lik 33 kj/(kmol K) for O 2 og N 2. For NO 2 : h f = kj/kmol; s (298 K) = 240 kj/(kmol K). 12) Vatn (H 2 O) blir varma opp til 1400 K, og noe blir spalta til O 2 og H 2. Vi ser bort fra andre sto enn disse tre. Finn sammensetninga (molfraksjoner) når det er jamvekt ved 1400 K og 0,2 atm. (Tips for utregninga: det er små mengder O 2 og H 2 sammenlikna med H 2 O; dvs. n O2 n H2 O). Opplysninger: (ere oppgaver) Universell gasskonstant: R = 8,314 J/(mol K) T ds = dh vdp; dt På visse vilkår gjelder ds = c p T Rdp p ( ) dp = h fg dt sat T v fg Vedlegg: 1: Tabell A-25 fra boka, molmasse, danningsentalpi, m.m. for ulike sto 2: Tabell A-27 fra boka, jamvektskonstanter. 3: Mollier h-x-diagram for fuktig luft