ENERGITEKNIK II 7,5 högskolepoäng Provmoment: Ladokkod: Tentamen ges för: Tentamen 41N05B En2 Namn: ------------------------------------------------------------------------------------------------------- Personnummer: ------------------------------------------------------------------------------------------- Tentamensdatum: Måndag 28 maj 2012 Tid: 14.00 18.00 Hjälpmedel: Valfri miniräknare, Formelsamling: Energiteknik-Formler och tabeller(s O Elovsson och H Alvarez, Studentlitteratur) Totalt antal poäng på tentamen: 60p Allmänna anvisningar: Läs noga igenom frågorna och följ anvisningarna i uppgifterna. Var noga med att redovisa arbetsgången vid beräkningar och problem samt motivera eventuella antaganden/tabellvärden. Om du använder diagrammet för att hitta värde, måste du visa alla punkter och linjer i diagrammet och bifoga det till tentamen. OBS! Börja besvara varje fråga på ny sidan. Rättningstiden är i normalfall tre veckor. Viktigt! Glöm inte att skriva namn på alla blad du lämnar in. Lycka till! Ansvarig lärare: Kamran Rousta Telefonnummer: 033-4354644, 0732300861
1) Ångkraftanläggning (25p) Anta en kondenskraftanläggning med ett matarvatten tank (M-V) med följande koppling schema och information: - Högtrycks turbiner har isentropisk verkningsgrad 0,88. - Totalt ångflödet som leds till högtryckturbin är 65 kg/s - η r =1, η p =0,85 och η e.η g =0,85 och η m =0,85 a) Rita processen i bifogat T-s diagram. (2p) b) Hitta alla entalpier som behövs för att analysera processen och skriva in i följande tabell OBS! Om du hittar entalpin från Diagrammet skriv D, från Tabell skriv T och med hjälp av beräkning skriv R, i referens kolumn i tabell. (6p) c) Beräkna ångans delflöde efter högtrycksturbin till M-V (i tillstånd 4) (2p) d) Beräkna arbetet för varje turbin per kg ånga (3p) e) Beräkna totalt elproduktion i MW (2p) f) Beräkna total värmeeffekt som tillförs till vatten inom ångpanna i MW (3p) g) Beräkna bränsleflödet om bränslet har det effektiva värmevärde 22 MJ/kg (2p) h) Beräkna total verkningsgrad (2p) i) Beräkna teoretiska termiska verkningsgrad (3p) Tillstånd P (bar) T ( C) Övrigt i (kj/kg) Referens 1 60 500 2, 3, 4 6 5 500 6 0.04 X=0,98 (ånghalt) 7 Mättad vatten 8 123 9 Mättad vatten 10 680
2) Gasturbinprocess (16p) En ideal gasturbinanläggning med mellanförbränning enligt figuren med följande information: (anta luft som arbetsmedium och för luft c p =1,005 och c v =0,718 kj/kg K, κ=1,4) - P 11 = 1 bar, T 11 =300K, P 12 =10 bar, T 13 =T 15 =1400 K, P 14 = 3,5bar, massflödet av luft är 80 kg/s, - Isentropisk verkningsgrad för lågtryckturbin och kompressorn är 0,85 - Högtrycksturbiner används uteslutande för att driva kompressorn d.v.s. att arbete i högtrycksturbin och kompressor är lika Besvara följande uppgifter: a) Beräkna temperaturen vid tillstånden (12), (14), och (16) (6p) b) Beräkna isentropisk verkningsgrad för högtryckturbin (2p) c) Beräkna total värmeeffekt som tillförs till processen (3p) d) Beräkna nettoeffekt som produceras i anläggningen om högtrycksturbin har η m =0,88 och generator har η g =0,89 (3p) e) Beräkna bränsleflödet om bränslet har det effektiva värmevärde 38 MJ/kg (2p)
3) Kombination av gasturbin- och ångkraftanläggning (10p) Med hjälp av en värmeväxlare (VVX) kombinerar vi fråga (1) och (2) och skapar en ny anläggning enligt följande kopplings schema: - Vatten temperatur i tillstånd (10 ) (tillstånd efter VVX för vatten) blir 270 C - Alla information från frågor 1 och 2 gäller här Beräkna: a) Temperatur av luft i tillstånd (17) efter VVX (2p) b) Massflödet av bränslet för ångpanna (3p) c) Total verkningsgrad för anläggningen (5p) 4) Kylmaskin (9p) R134a arbetar som köldmedium i en kylmaskin mellan -10 C och +45 C. Underkylning sker i underkylare till 20 C. Cirkulerande köldmediemängd är 1,5kg/s. Kompressorns har isentropisk verkningsgrad 0,85 och mekanisk verkningsgrad 0,90. a) Rita in processen i bifogat P-i diagram för R134a (2p) b) Beräkna kyleffekten (2p) c) Beräkna totalt effekt förbrukning för kompressor (2p) d) Beräkna Carnot köldfaktorn (2p) e) Bestäm temperaturen av köldmedium efter kompressorn (1p)
Kompressorer Termodynamikens första huvudsats för öppna system 2 Polytropprocess Tekniskt arbete för polytropprocess 1 Värme för polytropprocess 1 1 1 OBS! alla formler i polytrop process gäller för isentrop process med n Vid okyld kompression Vid kyld kompression Verkningsgrad Isentrop Isoterm Mekanisk Total ==== steget. z= antal steg, är tryck efter sista steget, är tryck före första
Kylmaskin Köldmediets köldfaktor: ö = Värmepump Köldmediets värmefaktor:. = öå öå ŋ = ŋ ŋ Ö ŋ ŋ = drivmotornsverkningsgrad ŋ = total verkningsgrad för kompressor =. ŋ ŋ ö kraftöverförningens verkningsgrad öå. 1
Turbin Ångkraftscykel Kondensor P (inre arbete för turbin) q bortf = = (Δi) kondensor Ångpanna q tillf = =(Δi) ångpanna Total verkningsgrad η tot = Pump v 1 * (p 2 p 1 ) w p(isentrop) =(Δi) pump Kondenskraftanläggningar Teoretiska termiska verkningsgrad η tt = å η tot = η tt * η s * η p * η m * η g * η r * η e = Nettoeleffekt, P n = η η η Turbinens isentropiska verkningsgrad Pannverkningsgrad η s = η p = å Turbinens mekaniska verkningsgrad η m = = Effekt vid turbinaxel Elgeneratorverkningsgrad η g = = brutto eleffekt vid generatorklämmorna Rörledningsverkningsgrad Egenförbrukningsfaktor η r = å Anläggningens totala verkningsgrad η tot = η e = - = Hjälpmaskinerites effektförbrukning Mottrycksanläggningar
0,0060 0,0080 0,010 0,020 0,040 0,060 0,080 0,10 0,20 0,0040 0,0020 s = 1,70 s = 1,85 s = 1,80 s = 1,75 s = 1,90 s = 1,95 s = 2,00 s = 2,05 s = 2,10 40,00 30,00 20,00 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,90-25 100-20 -10-15 -5 0 5 10 15 100 20 25 30 35 45 40 95 55 50 90 85 80 75 70 65 60-30 -30 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 Enthalpy [kj/kg] -20 0 20 40 60 80 100 Pressure [Bar] -25-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 R134a Ref :D.P.Wilson & R.S.Basu, ASHRAE Transactions 1988, Vol. 94 part 2. DTU, Department of Energy Engineering s in [kj/(kg K)]. v in [m^3/kg]. T in [ºC] M.J. Skovrup & H.J.H Knudsen. 04-05-02 v= 0,0020 v= 0,0040 v= 0,0060 v= 0,0080 v= 0,010 v= 0,020 v= 0,040 v= 0,060 v= 0,080 v= 0,10 x = 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 s = 1,00 1,20 1,40 1,60