TENTAMEN I ENERGITEKNIK OCH MILJÖ (KVM033) i V-huset.

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "TENTAMEN I ENERGITEKNIK OCH MILJÖ (KVM033) i V-huset."

Agneta Lundström
för 7 år sedan
Visningar:

1 CHALMERS (4) Energi och miljö/ Värmeteknik och makinlära TENTAMEN I ENERGITEKNIK OCH MILJÖ (KVM033) i V-huet. Tentamen omfattar: Avdelning A: Avdelning B: Teori och bekrivande moment Inga hjälpmedel Problem Tillåtna hjälpmedel: Valfri kalkylator med tömt minne (kontrollera med tickprov). Föreläninganteckningar (äv. Handout ) i Energiteknik, kurmaterial i Energiteknik och miljö, Termodynamik och Tranportproceer (ej exempelamlingar), handböcker. OBS! Till tentamen får ej medföra löta exempel eller löninggång (ekven av information i yfte att kunna klara ett räknetal), om inte ingår i tillåtet kurmaterial. Sådana kall, om de medför, överlämna till tjäntgörande tentamenvakter omedelbart efter det att du tagit del av detta papper. När ekvationer använd utan härledningar bör källa ange. Använda ymboler kall definiera om dea inte är de amma om i kurmaterialet. För godkänt kräv mint 5 poäng. För betyg 4 kräv mint 0 poäng och för betyg 5 mint 5 poäng. Lennart Vamling (ankn. 30) kommer ca kl att vara tillgänglig för frågor i krivalen. Ytterligare en gång ca kl 5.30 Löningar anlå på VoM: anlagtavla. Tentamenreultatet meddela enat Grankning av rättning får ke kl amt kl i VoM: bibliotek Avdelning A måte lämna in innan avdelning B (med hjälpmedel) får påbörja!

2 CHALMERS (4) Energi och miljö/ Värmeteknik och makinlära AVDELNING A A. Vid förbränning bilda oftat NO x. a) Vilken miljöpåverkan har utläpp av NO x? ( p) b) Det finn flera olika bildningmekanimer för NO x. Redogör för de två viktigate mekanimerna. ( p) c) Bekriv mint två åtgärder i jälva förbränningproceen om kan minka mängden bildat NO x. ( p) 5 p A. De tre gaer om främt är förknippade med miljöapekter inom energiområdet är CO, SO x och NO x. Bekriv övergripande för var och en av dea: a) hur aboluta torleken av utläppen i Sverige förändrat edan 990 (torlekordningar) b) hur fördelningen i utläpp er ut mellan olika amhällektorer i Sverige genom att rangordna ektorerna (den med tört utläpp fört ov.). Med amhällektor ave ektorerna förbränning inom indutrin, tranporter, botäder och ervice, förbränning i el/ga/värmeverk amt indutriproceer. 5 p A3. Härled (dv täll upp och motivera) ett uttryck för en elmotordriven värmepump pecifika CO -emiioner, dv de CO -emiioner den ger upphov till per enhet levererad nyttig värme! Använd följande beteckningar: c HP Värmepumpen pecifika CO -emiion c fuel,pp CO -emiion per enhet (värmevärde) i (referen)elproduktionen el,pp Elverkninggrad i (referen)elproduktionen ditr Verkninggrad i tranmiion/ditribution av el från produktionen till värmepumpen COP Levererat (användbart) värme per tillförd el i värmepumpen Du får anta att eventuellt bidrag från läckande arbetmedium är förumbart. 5p

3 CHALMERS (4) Energi och miljö/ Värmeteknik och makinlära AVDELNING B B I fjärde generationen kärnreaktorer å är ett alternativ att använda helium om värmeöverförande medium från reaktorhärden och tillverka el mha. gaturbin, e figur. Den här uppgiften går ut på att underöka vilken elverkninggrad om kan uppnå. 8 Givna data: Tryck P = 6,83 MPa; P =,7 MPa; P 3 =,6 MPa; P 4 =,55 MPa; P 5 = 4,4 MPa; P 6 = 4, MPa; P 7 = 7,00 MPa; P 8 = 6,9 MPa Temperaturer T = 900 C; T 4 = T 6 = 35 C; Mekanika/generatorförluter 9 % ientropverkninggrader 0,90 (turbin) 0,89 (kompreor)

4 CHALMERS (4) Energi och miljö/ Värmeteknik och makinlära För helium (om får anta vara en idealga) i aktuellt temperaturområde (medelvärde får anta kontant): Cp 5,9 kj/( K) Cp/Cv,66 Temperaturkillnaden mellan den varma och den kalla idan i den regenerativa värmeväxlaren är 3 K. Detta värde är kontant genom värmeväxlaren efterom både maflöde och Cp är lika för de båda idorna. Beräkna med hjälp av dea uppgifter anläggningen elverkninggrad! B. Ett flygplan befinner ig på ca m höjd. Trycket i kabinen är 70 kpa och temperaturen 0 C. Trycket utanför planet är 4 kpa. Genom ett miöde å upptår ett litet hål med diametern,0 cm igenom kabinväggen. Hur tort blir läckaget av luft (i /) a) Initialt b) Om planet dyker till ca 5000 m höjd, där trycket på utidan är 54 kpa (kabinen tryck och temperatur ane oförändrade)? B3. En induntare har ofta förångning på den kalla idan och kondenation på den varma idan. En liten forkninginduntare betår av ett 5 m långt, vertikalt rör, med innerdiametern 50 mm och väggtjockleken 5 mm (detta är tjockare än normalt). Vid en provkörning gör värmningen med mättad vattenånga om kondenerar på inidan röret. På förångningidan jutera flödet in å att värmeöverföringtalet blir 8000 /(m K), och det får anta kontant. Mättnadtemperaturen på förångningidan är 30 C och på kondenationidan är den 40 C. Värmeledningförmågan i rörväggen är 6 /(m K). Hur tor bli den i induntaren överförda effekten (i k) a) om värmeöverföringmottåndet på kondenatidan anta förumbart (dv värmeöverföringtalet oändligt tort)? ( p) b) om värmeöverföringtalet på kondenatidan uppkatta med hjälp av lämplig korrelation för filmkondenation på vertikal yta. (3 p) Ledning: Svaret på a) ger en bra grund för att bedöma torlekordningar på förhållandena i b). Om iteration använd för löningen å räcker det att redovia beräkning av två nya värden för effekten (utöver tartginingen), förutatt att iterationerna då er ut att konvergera. 5p 5p 5p Lycka till!

5 kj 000J MJ 000kJ Mh M3600 Löningförlag till Energiteknik och miljö Uppgift B Vi använder figuren beteckningar på trömmar. Givet: J Rga MHe molk mol TrefK 73.5 ηturbin 0.9 ηkompreor 0.89 ηmg 0.9 T ( TrefK 900) K T4 ( TrefK 35) K T6 ( TrefK 35) K P 6.83MPa P.7MPa P4.55MPa P5 4.4MPa P6 4.MPa P7 7.00MPa CpHe 5.9 kj K.66 använd för att beteckna Cp/Cv Sökt är anläggningen elverkninggrad, dv netto levererad el per tillfört värme Tillfört värme: m*cp*(t-t8) Netto el: m*cp*(t-t - (T7-T6) - (T5-T4)) Vi behöver därför beräkna dea temperaturer. Vi börjar med att göra en beräkning av förloppet över turbinen för att få fram T: Idealt är förloppet ientropt. Utnyttja att R/Cp även kan uttrycka om (-)/ Ti T P P T T ( Ti T) ηturbin K K Vi fortätter nu och beräknar temperaturer kring den regenerativa värmeväxlaren. Efterom Cp är kontant och den regenerativa värmeväxlaren har amma flöde på båda idor, å är temperaturkillanden genom värmeväxlaren kontant: Tmin_rvvx 3K T8 T Tmin_rvvx K Vi behöver även T7 för att komma vidare. Den kan vi från kompreorberäkning P7 T7i T K T7 T6 P6 T3 T7 Tmin_rvvx K ( T7i T6) ηkompreor K

6 För att få tag på T5 gör vi en beräkning över den andra kompreorn P5 T5i T K T5 T4 P4 ( T5i T4) ηkompreor K Vi har nu fått tag på alla temperaturer och kan då beräkna den ökta elverkninggraden ηel [ T T ( T7 T6) ( T5 T4) ] ηmg T T Svar: Elverkninggraden är ca 44 % Uppgift B Hålet genom kabinväggen kan approximera med ett enkelt muntycke Givet P0 70kPa P0000 4kPa P kPa T0 ( ) K 93.5 K Hålet tvärnittarea: A π cm m Vi kontrollerar fört om vi har kritik trömning. För det behöver vi =Cp/Cv. För luft gäller Molw 90 3 mol.4 Pkrit_kvot Ekv 6.38 (eller tabell 6.) ger gränen för när vi får kriotik trömning Vi har för våra fall kvoterna ( ) 0.58 P0000 P P5000 P Detta gör att vi i det förta fallet har kritik trömning, medan vi inte når upp till det i andra fallet. I fall a har vi alltå machtalet Ma I fall b kan det t.ex. erhålla ur ekv 6.35 (omtuvad) eller genom interpolation i tabell A.

7 Mb P0 P Maflödet kan t.ex beräkna om maflöde=av, vilket gör att vi behöver få fram v För att få v från M å behöver vi ljudhatigheten. För den gäller c( T) RgaT Molw Temperaturer får vi ur 6.34 T( M) T0 M T( Ma) 44.9 K T( Mb) 7. K Alternativt kan dea få ur T/T0 i t.ex. tabell A T( Ma) T Deniteter få ur 6.36 (eller från /0 i tabell), men för den behöver vi 0 ρ0 MolwP0 RgaT m 3 ρ( M) ρ( Ma) 0.58 m 3 ρ( Mb) 0.69 m 3 Vi kan nu beräkna ökata hatigheter och maflöden ρ0 M v( M) Mc( T( M) ) v( Ma) m v( Mb) m ma ρ( Ma) Av( Ma) 0.05 mb ρ( Mb) Av( Mb) Alternativt kan ekvation 6.4 använda "direkt" mafl( M) AP0 T0 Molw Rga M M ( ) mafla mafl( Ma) 0.05 maflb mafl( Mb) Svar: Uttrömninghatighetern blir a) 0,05 / b) 0,045 /

8 Uppgift B3 Givet L 5m di 50mm δw 5mm do di δw Ldiπ m Ao Ldoπ 0.94 m ho 8000 k 6 m mk K 60mm toat ( ) K tiat ( ) K a) Vad blir överförd effekt om vi antar att vi har "oändligt" tor värmeöverföring på kondenatidan, dv /hi=0? Vi kan då direkt med givna uppgifter beräkna U (R ekv 5-8)! Uia 0 Aoho ln do πkl di m K Kondenation och förångning ker (för rent ämne) vid kontant temperatur - vilket ger Qa Uia( tiat toat) b) 0.88k Sökt är överförd effekt när vi tar med kondeneringen i beräkningen. För att beräkna den behöv U och för att beräkna U å behöv värmeöverföringtalet för kondenation. Det är i in tur beroende av Re om beror av kondenatflödet (om beror av överförd effekt). Vi väljer därför följande beräkninggång: ) Gia överförd effekt ) beräkna kondeneringflöde 3) beräkna Re 4) beräkna hi 5) beräkna U 6) beräkna effekt 7) åter till - iterera till konvergen Vi kan använda reultatet från a) om utgångpunkt - högre blir inte effekten Qgi Qa Hvap30 μw kj Qgi mkond Hvap Pa m mkond Γ πdi m Re 4Γ μw kw30 ( ) mk ρw m 3 Efterom Re < 000 å gäller ekv -

9 hi.5 kw30 3 ρw30 g μw Re m K Ui hi Aoho ln do πkl di m K Q Ui( tiat toat) Qgi Q 3.98k Qgi mkond Hvap mkond Γ πdi hi.5 4Γ Re μw30 kw30 3 ρw30 3 g 3 Re μw m m K Ui hi Aoho ln do πkl di m K Q Ui( tiat toat) Q 4.449k Qgi Q mkond Qgi Hvap Γ mkond πdi 0.04 m Re 4Γ μw hi.5 Ui hi kw30 3 ρw30 g Aoho μw Re ln do πkl di Q Ui( tiat toat) Q 4.399k m K m K Svar: a) 0. k överföre i induntaren b) 4.4 k överföre i induntaren

Relevanta dokument

TENTAMEN I ENERGITEKNIK OCH MILJÖ (KVM033) i M-huset.

CHALMERS 2011-01-15 1 (3) Energi och miljö/ Värmeteknik och maskinlära TENTAMEN I ENERGITEKNIK OCH MILJÖ (KVM033) 2011-01-15 8.30-12.30 i M-huset. Tentamen omfattar: Avdelning A: Avdelning B: Teori och