LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TEP 4120 TERMODYNAMIKK 1 Mandag 6. desember 2010 Tid: kl. 09:00-13:00

Like dokumenter
LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TEP 4120 TERMODYNAMIKK 1 Tirsdag 9. desember 2008 Tid: kl. 09:00-13:00

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TEP 4115 TERMODYNAMIKK 1 Lørdag 21. mai 2011 Tid: kl. 09:00-13:00

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TEP 4120 TERMODYNAMIKK 1 Mandag 17. desember 2012 Tid: kl. 09:00-13:00

Spesial-Oppsummering Høsten 2009 basert på Innspill fra Studenter

Retningen til Spontane Prosesser. Prosessers Retning

Oppsummering av første del av kapitlet

Spørretime TEP Høsten Spørretime TEP Høsten 2009

Retningen til Spontane Prosesser

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

Spørretime TEP Høsten 2012

Oppsummering - Kap. 5 Termodynamikkens 2. Lov

Spørretime TEP Våren Spørretime TEP Våren 2011

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

Faglig kontakt under eksamen: Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

SIO 1027 Termodynamikk I Noen formler og uttrykk som er viktige, samt noen stikkord fra de forskjellige kapitler,, Versjon 25/

Side 1 av 10 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET (NTNU) - TRONDHEIM INSTITUTT FOR ENERGI OG PROSESSTEKNIKK

MAS117 Termodynamikk. Vanndamp som arbeidsfluid. Kapittel 10 Dampkraftsykluser del

Faglig kontakt under eksamen: Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

Oppsummering av TEP 4120

Fuktig luft. Faseovergang under trippelpunktet < > 1/71

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TEP 4120 TERMODYNAMIKK 1 Lørdag 5. desember 2009 Tid: kl. 09:00-13:00

KJ1042 Øving 5: Entalpi og entropi

T L) = H λ A T H., λ = varmeledningsevnen og A er stavens tverrsnitt-areal. eks. λ Al = 205 W/m K

Verdens Elektrisitetsproduksjon

Typisk T-v Diagram. Fasediagrammer & Projeksjoner. p-v p-t T-v. TEP 4120 Termodynamikk 1. Beregning av Egenskaper. Beregning av Egenskaper

Oppsummering av TEP 4115

FORELESNING I TERMODYNAMIKK ONSDAG Tema for forelesningen var studiet av noen viktige reversible prosesser som involverer ideelle gasser.

DET TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE FAKULTET

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2011 Løsninger

HØGSKOLEN I STAVANGER

Typisk T-v Diagram. Fasediagrammer & Projeksjoner. p-v p-t T-v. TEP 4120 Termodynamikk 1. Beregning av Egenskaper. TEP 4120 Termodynamikk 1

KJ1042 Øving 3: Varme, arbeid og termodynamikkens første lov

a) Stempelet står i en posisjon som gjør at V 1 = m 3. Finn det totale spesikte volumet v 1 til inneholdet i tanken. Hva er temperaturen T 1?

TEP Termodynamikk 1

Figur 1: Isoterm ekspansjon. For en gitt temperatur T endrer trykket seg langs den viste kurven.

Utvidet Oppsummering - Kap. 7

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag eksamen TFY desember 2010.

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2012 Løsninger

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i:kje-1005 Termodynamikk og kinetikk Dato: Torsdag 05. juni 2014 Tid: Kl 09:00 14:00 Sted: Teorifagbygget, hus 1, plan 2

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TEP 4115/4120 TERMODYNAMIKK 1 (KONT) Fredag 19. august 2005 Tid: kl. 09:00-13:00

SAMMENDRAG AV FORELESNING I TERMODYNAMIKK ONSDAG

gass Faglig kontakt under eksamen/fagleg kontakt under eksamen: Professor Edd A.Blekkan, tlf.:

LØSNINGSFORSLAG. EKSAMEN I SIO 4060 PROSESSINTEGRASJON Lørdag 10. mai 2003 Q H 190 C 180 C R C 170 C 900 kw R C 140 C 100 C 90 C

Løsningsforslag til ukeoppgave 7

T 2. + RT 0 ln p 2 K + 0, K ln. kg K. 2) Først må vi nne massestraumen av luft frå energibalansen: 0 = ṁ 1 (h 1 h 2 ) + ṁ 3 (h 3 h 4 ) kg s

Oppgave 1 V 1 V 4 V 2 V 3

Damp-prosessen / Rankine Cycle. Allerede de gamle Grekere...

TEP 4120 Termodynamikk 1. Oppsummering Kap. 5. Oppsummering Kap. 5

Oppsummering av TEP 4120

Løsningsforslag til øving 6

DAMPTURBINER. - Introduksjon -

Kulde- og varmepumpetekniske prosesser Mandag 5. november 2012

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

Prosessteknikk eksamen 22/5-99. Løsningsforslag

EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 måndag 16. august 2010 Tid:

Fysikk for ingeniører. 11. Termiske egenskaper. Løsninger på blandede oppgaver. Side 11-1

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

EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 Laurdag 17. august 2013 Tid:

LØYSINGSFORSLAG, eksamen 20. mai 2015 i fag TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 v. Ivar S. Ertesvåg, mai 2015/sist revidert 9.juni 2015.

Løsningsskisse EKSAMEN i FYSIKK, 30. mai 2006

EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 Laurdag 18. august 2012 Tid:

Ideell Stirlingsyklus Lukket, total reversibel syklus med en ekstern varmekilde.

TEP Termodynamikk 1

Side 1 av 3/nyn. Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735) EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 8. august 2009 Tid:

Institutt for Energi og Prosessteknikk

Kretsprosesser. 2. hovedsetning

De viktigste formlene i KJ1042

Eksamen i: Fys-2001 Statistisk fysikk og termodynamikk Dato: Tirsdag 26. februar 2013 Tid: Kl 09:00 13:00

Reversible prosesser: Termisk likevekt under hele prosessen Langsomt og kontrollert. [H&S] Kap.11. (1. hovedsetning.) Kretsprosesser.

Side 1 av 3/nyn. Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735) EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK mai 2015 Tid:

2) Finn entropiproduksjonsraten i blandeprosessen i oppgåve 1. (-rate= per tidseining)

Løysingsframlegg kontinuasjonseksamen TFY 4104 Fysikk august 2011

A 252 kg B 287 kg C 322 kg D 357 kg E 392 kg. Velg ett alternativ

EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 måndag 15. august 2011 Tid:

- Kinetisk og potensiell energi Kinetisk energi: Bevegelses energi. Kinetiske energi er avhengig av masse og fart. E kin = ½ mv 2

Løsningsforslag til ukeoppgave 6

LØYSINGSFORSLAG, eksamen 21. mai 2008 i fag TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 v. Ivar S. Ertesvåg, juni 2008/april 2011

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET FAKULTET FOR MASKINTEKNIKK EKSAMEN I EMNE SIO 7030 ENERGI OG PROSESSTEKNIKK

Kretsprosesser. 2. hovedsetning

Side 3 av 3/nyn. Bruk van der Waals likning p = Vedlegg: 1: Opplysningar 2: Mollier h-x-diagram for fuktig luft

Eksamen TFY 4104 Fysikk Hausten 2009

G + + 2f G V V D. V 1 m RT 1 RT P V = nrt = = V = 4 D = m

EKSAMEN I EMNE TFY4125 FYSIKK

Kap Termisk fysikk (varmelære, termodynamikk)

Flervalgsoppgave. Kollisjoner. Kap. 6. Arbeid og energi. Energibevaring. Konstant-akselerasjonslikninger REP

Hyperbar avfuktning, termodynamisk regneeksempel

Arbeid = kraft vei hvor kraft = masse akselerasjon. Hvis kraften F er konstant og virker i samme retning som forflytningen (θ = 0) får vi:

Side 1 av 4/nyn. Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735) EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK mai 2018 Tid:

Kretsprosesser. 2. hovedsetning

Løsningsforslag nr.4 - GEF2200

Lørdag 20. mai C 180 C C 130 C C 60 C kw 50 C 30 C C 20 C

a) Oppførselen til en gass nær metning eller kritisk punkt vil ikke følge tilstandsligningen for ideelle gasser. Hvordan behandles dette?

Eksergi, Eksergianalyse (kap.7)

Termodynamikk ΔU = Q - W. 1. Hovedsetning = Energibevarelse: (endring indre energi) = (varme inn) (arbeid utført)

videell P T Z = 1 for ideelle gasser. For virkelige gasser kan Z være større eller mindre enn 1.

EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 Laurdag 4. juni 2011 Tid:

Universitetet i Oslo Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Transkript:

Side av 8 NORGES EKNISK-NAURVIENSKAPELIGE UNIVERSIE (NNU) - RONDHEIM INSIU FOR ENERGI OG PROSESSEKNIKK LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN EP 40 ERMODYNAMIKK Mandag 6. desember 00 id: kl. 09:00 - :00 OPPGAVE (40%) a) Dette delspørsmålet dreier seg i sin helhet om eksergi som er et mål på energikvalitet. (i) Det finnes flere ordmessige definisjoner av Eksergi, men den følgende definisjonen er gitt i pensumnotat i faget (. Gundersen, An Introduction to the Concept of Exergy and Energy Quality) med referanse til J. Szargut (980): Exergy is the amount of work obtainable when some matter is brought to a state of thermodynamic equilibrium with the common components of its surrounding nature by means of reversible processes, involving interaction only with the above mentioned components of nature. En forenklet norsk oversettelse kan være som følger: Eksergi er den maksimale mengden arbeid som kan produseres når et system bringes til en tilstand i likevekt med sine omgivelser og at dette skjer utelukkende gjennom reversible prosesser mellom systemet og de samme omgivelser (ii) Begrepene Entropi og Eksergi er tett koblet, ettersom termodynamiske tap i form av irreversibiliteter i prosessen fører til entropiøkning og eksergireduksjon. ermodynamikkens. lov er en entropibalanse som inneholder et ledd for entropiproduksjon ( ). ilsvarende vil en eksergibalanse (ikke pensum i ermodynamikk ) inneholde et helt tilsvarende ledd for eksergitap ( 0 ). I oppgaveteksten ble det påpekt at det ikke ble bedt om matematiske uttrykk ved svar på dette delspørsmålet. En kortversjon av svaret på denne oppgaven kan således være: Irreversibiliteter fører til entropiøkning og eksergitap, altså er entropi og eksergi tilsvarende men motsatte mål på samme termodynamiske effekt (iii) Analogien her er sykliske prosesser som produserer kraft fra varme ved å ha interaksjon med termiske reservoarer, ett ved høy temperatur ( H ) og ett ved lav temperatur ( C ). Figuren nedenfor viser en slik prosess. I forhold til definisjonen av eksergi får vi en analogi dersom vi betrakter vårt system som det varme reservoaret (med temperatur H ) og omgivelsene som det kalde reservoaret (med temperatur C 0). Det maksimale arbeidet (jfr. definisjonen av Eksamen i emne EP 40 ermodynamikk

Side av 8 eksergi) oppnås når den sykliske prosessen er en Carnot-prosess, og for denne idealiserte prosessen gjelder: W Q Q Carnot: Benytter: Q Q Q Q cycle H C H C C C C C H H H H H int. H rev. Arbeidet for en Carnot-syklus blir derfor: W cycle QH C H Ved å benytte denne analogien vil det maksimale arbeidet og derfor eksergi-innholdet i en mengde termisk energi (varme Q) som kan produseres når et system ved konstant temperatur har interaksjon til likevekt med omgivelsene med temperatur 0 være: E x 0 Q (iv) I en ekspansjonsprosess omsettes strømmers entalpi til arbeid. Med fokus på energi og energibalanse kan man si at entalpireduksjonen som skjer for strømmen som utsettes for en ekspansjonsprosess (turbin eller ekspander) omformes til arbeid. Studerer vi samme prosess ut fra et eksergisynspunkt, må vi huske på at vi har å gjøre med både trykkbasert eksergi (knyttet til strømmens trykknivå) og temperaturbasert eksergi (knyttet til strømmens temperaturnivå). Disse to komponentene utgjør det som i pensumnotatet (. Gundersen, An Introduction to the Concept of Exergy and Energy Quality) refereres til som termomekanisk eksergi. For en ekspansjonsprosess som i sin helhet foregår over omgivelsestemperatur vil både trykkbasert eksergi og temperaturbasert eksergi reduseres (p, avtar og nærmer seg p 0, 0 ) og bidra til et betydelig arbeid: W E m e e p max x x x Her er altså endring i både trykkbasert og temperaturbasert eksergi negativ. For en ekspansjonsprosess som i sin helhet foregår under omgivelsestemperatur vil derimot de to eksergiformene ha ulik og motsatt oppførsel. rykket nærmer seg omgivelsestrykket, slik at trykkbasert eksergi reduseres som ved ekspansjon over Eksamen i emne EP 40 ermodynamikk

Side av 8 omgivelsestemperatur. Den temperaturbaserte eksergien derimot vil øke gjennom ekspansjonen ettersom temperaturen fjerner seg fra omgivelsestemperatur. Dette skyldes at eksergien til varme aldri er negativ, og i faget er det vist at eksergien til varme under omgivelsestemperatur kan uttrykkes som: E Q 0 x p Arbeidet som produseres er fortsatt: W max E x m ex ex Forskjellen er nå at det siste leddet for endring i temperaturbasert eksergi er positivt og motvirker endring i trykkbasert eksergi når det gjelder å produsere arbeid. Faktisk er motivasjonen for å ha en ekspansjonsprosess ved lave temperaturer oftest å produsere kulde mer enn å produsere varme. b) Setter opp ermodynamikkens. og. lov (hovedsetning) når vi tar hensyn til følgende antakelser i oppgaveteksten: dm de ds stasjonært 0 dt dt dt ett innløp og ett utløp me mi m m m neglisjerer endring i kinetisk og potensiell energi V V 0 g ( z z) De to likningene (. og. lov) forenkles dermed til: E-balanse: 0 W Q Q W m ( h h) eller ( h h) m m Qj S-balanse: 0 m ( s s ) j j For energibalansen er det den totale varmeoverføring mellom system og omgivelser ( Q ) som er av betydning, mens antall bidrag eller temperaturen som disse bidragene skjer ved er irrelevant. For entropibalansen derimot er entropioverføringene som følger varmeoverføring knyttet kvantitativt til den temperaturen dette skjer ved, derfor summeres det over flere mulige bidrag ( Q ) i S-balansen, samtidig som aktuell temperatur ( j ) inngår. j Dersom vi studerer varmeoverføring mellom kontrollvolum og omgivelser ved en konstant temperatur, samt tar med opplysningen i oppgaveteksten om reversibel prosess ( 0 ) kan S-balansen skrives på spesifikk form som følger: Q m int. rev. ( s s ) Eksamen i emne EP 40 ermodynamikk

Side 4 av 8 Dersom temperaturen varierer må høyresiden skrives som et integral: Q m int. rev. ds Før dette uttrykket settes inn i den spesifikke energibalansen benyttes. ds-likning: ds dhv dp Denne likningen kan selvsagt integreres og vi får: ds( h h) vdp Innsatt i uttrykket for spesifikk varmeoverføring som i sin tur settes inn i den spesifikke energibalansen (se over) gir dette: W m ( h h) vdp( h h ) vdp int. rev. OPPGAVE (5%) a) Med ideell gass modell refereres det til følgende (poengtert i læreboka og forelesninger): i) ilstandslikning: pv R ii) Indre energi avhenger kun av temperatur: u u( ) iii) Entalpi avhenger kun av temperatur: h h( ) Punkt (iii) følger av punktene (i) og (ii): h u pv u( ) R h( ) b) Den sykliske prosessen kan fremstilles i pv og v diagrammer som følger (merk at det ikke var sagt eksplisitt i oppgaveteksten at ideell gass skal antas, slik at også krumme isobarer i v diagrammet må godtas som korrekt svar på oppgaven): p p=p =C = =C = =C v v c) For å løse delspørsmål (iii) og (iv) må verdier for alle tilstander finnes. Delspørsmål (i) og (ii) kan imidlertid løses direkte fra ideell gass tilstandslikning. Eksamen i emne EP 40 ermodynamikk

Side 5 av 8 i) Benytter tilstandslikning pv R samt at volumet er konstant fra tilstand til tilstand, altså v v p v p v p 00 600K p ii) ilstand er gitt som følger: p p bar og 600K kj 8.4 600 K R R kmol K m v.7 p kg M p 5 N kj kg 8.97 0 0 kmol m Nm iii) renger indre energi for de ulike tilstandene, og verdier finnes i abell A-. 00 K u 4.07 kj/kg 600 K u u 44.78 kj/kg Prosess -: v v W 0 kj U QW Q U m u u kj Q kg44.784.07 0.7 kj kg Prosess -: uu Q W R m R v M v W m p dv m dv ln v p v p v p 600 m v v.7 0.86 600 kg p kj kg8.4 600K kmol K.7 W ln 9.4 kj kg 0.86 8.97 kmol Ettersom temperaturen er konstant for denne del-prosessen kan varmemengden beregnes ved hjelp av ds integralet. Entropiendringen for ideell gass kan beskrives ved følgende relasjon: 0 0 p p sss s ( ) s ( ) Rln Rln p p Eksamen i emne EP 40 ermodynamikk

Side 6 av 8 Forenklingen skyldes at temperaturen er konstant ( = ), som gjør at 0 0 s ( ) s ( ). Varmemengden (og dermed arbeidet) finnes nå som følger: p ln p W Q ds m ds m R 8.4 kj kg600k 0.699.4 kj 8.97kgK Prosess -: p p W m pdv m pv v v v 0.86 m /kg W 5 N kj m kg0 0 0.86.7 86. KJ m Nm kg Q U W m u u W kj kg4.0744.78 86.kJ06.8 kj kg iv) For hele syklusen har vi nå: Wnet Wcycle W W W 0.09.486.. kj Som en kontroll kan vi se på syklusens totale varmeutveksling: Qcycle Q Q Q 0.79.406.8. kj (OK) ermisk virkningsgrad kan nå beregnes som forholdet mellom netto produsert arbeid og tilført varmemengde (ikke netto varme!): W. 0.0979 9.8% net Qin 0.79.4 OPPGAVE (5%) Oppgaven løses greit ved å etablere entalpiverdier for tilstander i prosessen: ) ilstanden inn på turbinen ) Reell tilstand ut av turbinen s) Ideell tilstand ut av turbinen ved isentropisk oppførsel a) Massestrøm gjennom turbinen kan finnes når entalpiverdiene inn og ut av turbinen er kjent. Eksamen i emne EP 40 ermodynamikk

Side 7 av 8 ilstand : p 70 bar, 600 C abell A-: abell A-4: p70 bar gir 85.9C Overhetet damp sat h 658.4 64.0 650. kj/kg s 7.677 7.006 7.094 kj/(kgk) ilstand : p 0.5 bar, 50 C abell A-: p0.5 bar gir 8.C Overhetet damp sat abell A-4: renger verdier for 0.5 bar og 50C, og finner tabellverdier for hhv. 0.5 og 0.70 bar samt 0 og 60C. Må altså dobbeltinterpolere i dette tilfellet. Interpolerer på trykk først og finner entalpiverdier for det riktige trykket (0.5 bar) ved hhv. 0 og 60C: 0.50.5 h0 7. 79.67.7.6 kj/kg 0.70.5 0.50.5 h60 800.6 798.800.6799.6 kj/kg 0.70.5 500 h h0 h60 h0 600 7.6 799.67.6780. kj/kg 4 renger nå ermodynamikkens. lov (Energibalanse) for å løse oppgaven. På generell form for et åpent (strømmende) system er denne som følger: de dt V i V e Q W m i hi gzi me he gze i e For stasjonær tilstand, adiabatisk turbin og neglisjerbar endring i potensiell energi (det siste er ikke oppgitt, men bør være rimelig opplagt her), samt at det kun er ett innløp og ett utløp forenkler denne likningen seg til: 00W m h h V V Løser likningen med hensyn på spesifikt arbeid: Eksamen i emne EP 40 ermodynamikk

W t m h h 0.5 V V Side 8 av 8 kj m N kj 650.780. 0.580 40 0 kg s kgm/s Nm 870.6.6 86.5 kj/kg Massestrømmen gjennom turbinen blir med dette (gitt at effekten er 6 MW): kj 60 s m 6.95 kj 86.5 kg kg s b) For å finne turbinens isentropiske virkningsgrad må tilstand s etableres. ilstand s: ps p 0.5 bar, ss s 7.094 kj/(kgk) abell A-: p 0.5 bar sf.090 kj/(kgk), sg 7.599 kj/(kgk) Vi er altså i -fase området, og kan beregne dampkvaliteten: 7.094.090 x 0.9 7.599.090 Med dette kan entalpien beregnes: hs hf xhfg 40.490.905.4 468.7 kj/kg Dermed kan den isentropiske virkningsgraden for turbinen beregnes: h h 650. 780. is hhs 650.468.7 0.764 7.6% rondheim, 0..00 ruls Gundersen (s) Eksamen i emne EP 40 ermodynamikk