Side 1 av 5 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET FAKULTET FOR MASKINTEKNIKK Faglig kontakt under eksamen: Navn: Truls Gundersen Tlf.: 9371 / 9700 Språkform: Bokmål EKSAMEN I EMNE SIO 7030 ENERGI OG PROSESSTEKNIKK Lørdag 1. desember 001 Tid: kl. 09:00-15:00 Hjelpemidler: D: Typegodkjent lommekalkulator med tomt minne. Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Sensurfrist:. desember 001 OPPGAVE 1 (0%) a) En gassturbinprosess er satt sammen av kompressorer for luft og brensel, brennkammer og gassturbin. Prosessen yter netto arbeid lik 40% av brennverdien (nedre) i brenselet, som er naturgass. Delene i prosessen er godt varmeisolerte, slik at resten av brennverdien (60%) kommer ut som termisk energi i røykgassen. Her skulle en tro at det var svært mye å hente ved å utnytte røykgassen til å produsere mer arbeid. Det er delvis riktig, fordi en kan lage en kombinert prosess der den varme røykgassen blir brukt i en dampturbinprosess. Likevel får en fremdeles bare ut 60% av brennverdien som netto arbeid. Forklar til en person uten termodynamisk bakgrunn (men som ellers er glup nok) hvorfor en ikke får ut mer av brennverdien som netto arbeid. b) Olje skal kjøles ned fra 150 C til 60 C i en varmeveksler med vann. Oljestrømmen er 0,3 kg/s, og spesifikk varmekapasitet for oljen regnes som konstant og lik,1 kj/(kg K). Vannet som strømmer inn i varmeveksleren har temperatur 5ºC, og spesifikk varmekapasitet for vann regnes konstant og lik 4,18 kj/(kg K). Prosessen er stasjonær (ikke tidsavhengig), og omgivelsene har temperatur 5ºC. Varmeveksleren utveksler ikke varme med omgivelsene, og vi ser bort fra trykktap. Varmeveksleren kan drives medstrøms (dvs. de to strømmene går samme vei gjennom varmeveksleren) eller motstrøms (dvs. de to strømmene går motsatt vei). Vi skal sammenlikne effektiviteten til varmeveksleren i de to tilfellene. For medstrøms varmeveksling er utløpstemperaturen for vann 50ºC og for motstrøms varmeveksling er den 70ºC.
Side av 5 Finn massestrømmen av vann i de to tilfellene. Finn den termomekaniske eksergien (i kj/s) til strømmene inn og ut av varmeveksleren i de to tilfellene. Finn irreversibiliteten i de to tilfellene (i kj/s). Gitt: s s 1 = c ln (T / T 1 ), der c er varmekapasiteten. OPPGAVE (10%) a) Forklar hvorfor industrielle prosesser med kjemiske reaktorer i gassfase ender opp med betydelige overskudd av termisk energi enten reaksjonene er endoterme eller eksoterme. b) Ammoniakk produseres med naturgass, vanndamp og luft som primære råvarer, og med karbondioksid som et biprodukt. Følgende hypotetiske og totale reaksjonslikning kan settes opp (den er basert på at luften som en forenklet antakelse består av 80 mol% nitrogen og 0 mol% oksygen): 7 CH 4 + 10 H O (g) + 8 N + O 16 NH 3 + 7 CO De 6 støkiometriske koeffisientene er funnet ved å kreve at atombalansene er oppfylt for de 4 atomene C, H, O og N, ved å benytte 80/0 forholdet for N og O, samt å velge en av koeffisientene fritt (her valgt slik at alle støkiometriske koeffisienter blir heltall). Finn totalreaksjonens standard reaksjonsvarme ( H r 0 ) når det (som vist i likningen) produseres 16 mol/s ammoniakk (NH 3 ). Er reaksjonen eksoterm eller endoterm? Vis at reaksjonsvarmen (i dette tilfellet) også kan beregnes ved å benytte brennverdier for råvarer og produkter (benytt nedre brennverdi, LHV). Oppgitt følgende data for de kjemiske komponentene som inngår i reaksjonen: Kjemisk Dannelsesvarme Brennverdi komponent H 0 f (kj/mol) LHV (kj/mol) H O (g) -4 0 CO -393 0 N 0 0 NH 3-46 317 CH 4-75 80 O 0 0 OPPGAVE 3 (0%) Et kuldeanlegg med propan som arbeidsmedium skal nedkjøle en vann/glykolblanding med massestrøm 3 kg/s fra 5 C til 30 C. Kuldeanleggets fordamper er bygget som en vertikal rørkjelvarmeveksler med propan i ett pass på rørsiden, og glykol/vann på mantelsiden. Arbeidsmediet mates inn i bunnen av fordamperen. Dimensjonerende fordampnings-temperatur er 35 C.
Side 3 av 5 a) Kondenseringstemperaturen er 30 C, det antas tørrmettet utløp (x=1) fra fordamperen, og mettet væske i kondensatorens utløp. Beregn nødvendig sirkulert mengde i propankretsen. Bruk vedlagte tabell med data for propan. Spesifikk varmekapasitet for vann/glykolblandingen er c p =3430 J/(kgK). Ikke pensum 005: b) Forklar kort og vis med skisser hvilke strømningsmønstre som kan oppstå ved vertikal tofasestrømning av væske/gass i rør. Hvilke forskjeller oppstår ved horisontal strømning? c) Dersom fordamperen bygges med 50 parallelle rør hvor innvendig diameter er 10 mm, hvilke strømningsmønstre kan forventes i fordamperrørene? Bruk vedlagte strømningskart. d) Lengden på fordamperrørene er 3 m. Beregn trykktapet (summen av friksjonstrykktap, hydrostatisk trykktap og akselerasjonstrykktap) på propansiden. Anta homogen strømning, hvor ρ m og 1/µ m (invers viskositet) for homogen væske/ dampblanding kan beregnes fra data for væske/damp, og andelene av disse gitt ved dampfraksjonen x. Husk at: dp dz M dp dz F = f D f = (0.790 ln Re 1.64) G = ρ dρ G dz ρ G ρ m, hvor GD Re = µ dx ρl, hvor ρ ( 1 xm ) ρl dz m Bruk gjennomsnittlig dampfraksjon (x m ) mellom innløp og utløp for beregning av friksjonstrykktap og hydrostatisk trykktap. e) Finn arbeidsmediets innløpstemperatur i bunnen av fordamperen, når metningstemperaturen i utløpet (i toppen) er 35 C. f) Beregn prosentvis reduksjon i overført varme på grunn av trykktapet, forutsatt at vann/ glykolblandingen strømmer samme vei som arbeidsmediet. (Tips: Forutsett at U er konstant og finn reduksjonen i LMTD sammenlignet med en fordamper uten trykktap). g) Vil det være gunstig å snu strømningsretningen på vann/glykolstrømmen? Begrunn svaret. OPPGAVE 4 (10%) Ikke pensum 005 a) Lag en skisse av en rørkjelvarmeveksler (shell-and-tube heat exchanger) som har to pass på rørsiden, ledeplater på mantelsiden, og hvor en har adgang til rørsiden for rengjøring og evt. reparasjoner i begge ender av varmeveksleren.
Side 4 av 5 b) Ved stor temperaturforskjell mellom fluidet på rørsiden og mantelsiden kan det oppstå store materialspenninger i rør og mantel grunnet ulik varmeutvidelse. Forklar og skissér løsninger som hindrer eller begrenser dette problemet. OPPGAVE 5 (10%) Forklar og vis med skisse hvordan en varmepumpe kan benyttes i forbindelse med en tørkeprosess. OPPGAVE 6 (10%) Ikke pensum 005 a) Forklar hva som menes med multi-effekt inndamping (tegn gjerne en enkel skisse). b) Forklar fenomenet kokepunktsforhøyelse som opptrer i en rekke inndampere. Hva er årsaken til dette fenomenet, og hvordan påvirker det design/drift av såkalte multi-effekt inndampere? OPPGAVE 7 (0%) I en prosess ønsker man å redusere energiforbruket ved å varmeintegrere fem prosessstrømmer. I tabellen nedenfor er T s og T t strømmenes start (supply) og slutt (target) temperaturer, mens mcp er produktet av massestrømmen (i kg/s) og spesifikk varmekapasitet (i kj/kgºc): Strøm T s ( C) T t ( C) mc p (kw/ C) H1 18 90 50 H 150 10 40 C1 10 133 100 C 110 160 30 C3 0 160 0 Damp (ST) ved 00 C og kjølevann (CW) ved 0 C (som kan varmes til 30 C) antas å være tilgjengelig i tilstrekkelige mengder. Anta at T min = 0 C gir en optimal avveining mellom driftskostnader og investeringskostnader. a) Beregn minimum ekstern oppvarming (i form av damp) og minimum ekstern avkjøling (i form av kjølevann) ved maksimal varmegjenvinning relativt oppgitt verdi for T min. b) Hvor er prosessens pinch punkt (ved hvilke temperaturer)? Lykke til! Gløshaugen, 5.11.01 Kjell Erik Rian Jostein Pettersen Truls Gundersen
Side 5 av 5 VEDLEGG / ENCLOSURE Flow regime map for upward cocurrent two-phase flow: Data for propane: T o C p sat h l h v ρ l ρ v µ l µ v kg/(ms) bar J/(kg) J/(kg) kg/m 3 kg/m 3 kg/(ms) 30 10,9175 83036, 61341,1 441,59 3,519 9,0709E-05 8,90965E-06-30 1,670775 1595,5 544817,3 534,9 3,84 0,000179 6,80061E-06-31 1,60544 13606,7 54357,5 536,17 3,684 0,00018101 6,77300E-06-3 1,54097 1168,1 5436,4 537,41 3,548 0,000188 6,74549E-06-33 1,480700 118936,5 541079, 538,65 3,416 0,00018465 6,71806E-06-34 1,4111 116611,8 539830,9 539,88 3,88 0,00018649 6,6907E-06-35 1,363589 11494,1 538581,7 541,09 3,164 0,00018834 6,66346E-06-36 1,307795 111983, 537331,6 54,31 3,043 0,000190 6,6367E-06-37 1,53789 109679,0 536080,7 543,51,96 0,0001911 6,60915E-06-38 1,01533 107381,6 53489,0 544,71,813 0,00019401 6,5810E-06-39 1,150987 105090,9 533576,7 545,90,703 0,00019594 6,55511E-06-40 1,10113 10806,7 5333,8 547,08,596 0,00019788 6,5818E-06