Diplomprüfung FA5S Technische Thermodynamik Teil II WS 00/01

Diplomprüfung FA5S
Technische Thermodynamik Teil II
WS 00/01
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Aufgabe 1: Kolbenmotor (FA5S)
Ein Kolbenmotor soll zunächst anhand eines Gleichdruck- (Diesel)- Prozesses beurteilt werden. Als
Arbeitsmedium wird Luft angenommen (ideales Gas mit R = 287 J/kg K ; cp = 1023 J/kg K ; κ = 1,39)
Skizzieren Sie den Prozess im pv- und Ts-Diagramm und geben Sie an, längs welcher Zustandsänderung dem System Wärme zugeführt wird. Nummerieren Sie die Eckpunkte von 1 bis 4
beginnend mit dem Ansaugzustand 1.
Bekannt sind weiterhin:
Temperatur vor der Kompression
T1 = 298 K
Spezifisches Volumen vor der Kompression
v1 = 0,90 m3 / kg
Spezifisches Volumen nach der Kompression
v2 = 0,045 m3 / kg
Spezifisches Volumen nach der Wärmezufuhr v3 = 0,090 m3 / kg
2. Wie groß ist der Druck im Ansaugzustand p1 ? (Im Notfall kann mit p1 = 0,95 bar
weitergerechnet werden)
3. Wie groß ist der thermische Wirkungsgrad ?
4. Wie groß sind Druck p2 und Temperatur T2 nach der Kompression ?
5. Wie groß ist die Temperatur T3 nach der Wärmezufuhr ? (Im Notfall kann mit T3 = 1920 K
weitergerechnet werden)
6. Wie groß sind Druck p4 und Temperatur T4 nach der Expansion ?
7. Berechnen Sie die zugeführte spezifische Wärme qzu.
8. Berechnen Sie die spezifische technische Nutzarbeit wt,nutz.
Um den Vergleichsprozess an den realen Motorbetrieb anzunähern, soll anstelle der isentropen
Expansion eine polytrope Expansion (n = 1,51) gerechnet werden.
9. Skizzieren Sie mit Farbstift die polytrope Expansion in die unter Frage 1 gezeichneten
Diagrammdarstellungen. Bezeichnen Sie den Endpunkt der Expansion mit 4r.
10. Welcher Zustand stellt sich nun nach der Expansion ein? Berechnen Sie hierzu T4r und p4r.
1
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Aufgabe 2: Kühlanlage (FA5S)
Eine Kühlanlage mit zwei verschiedenen zu kühlenden Kammern wird mit Propan als Kältemittel
betrieben.
Umgebung
Q& Kond
WT∞
5
6
V2
KR2
4
Q& KR 2
3
Mischkammer
m& 2
Verd.2
7
m& 1
2
KR1
V2
1
Q& KR1
8
Verd.1
2
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Der Prozeß ist im Anlagenschema dargestellt und arbeitet nach folgendem Prinzip:
'8'-'1':
& 1 wird im Verdampfer des Kühlraums KR1 beim Druck p1 = 3.4 bar
Der Teilmassenstrom m
gerade vollständig verdampft. Bei der isobaren Verdampfung nimmt dieser Teilmassenstrom
m& 1 einen Wärmestrom von Q& KR1 = 490 W auf.
'1'-'2':
Das Propan wird auf den Druck p2 verdichtet.
'7'-'3':
& 2 wird im Verdampfer des Kühlraums KR2 isobar (p3 = p7 = p2) gerade
Der Massenstrom m
vollständig verdampft und besitzt dann eine spezifische Enthalpie von h3 = 802.9 kJ/kg. Dabei
wird dem Kühlraum KR2 ein Wärmestrom von Q& KR 2 = 774 W entzogen.
& 1 und m& 2 isobar gemischt.
'2','3'-'4' In der adiabaten Mischkammer werden beide Massenströme m
'4'-'5':
Der Gesamtmassenstrom wird auf den Druck p5 = 9.5 bar verdichtet und hat dann eine
spezifische Enthalpie von h5 = 856.4 kJ/kg.
'5'-'6':
Das Propan kondensiert gerade vollständig, wobei an die Umgebung der Wärmestrom Q& Kond
abgegeben wird.
'6'-7':
das Propan wird adiabat auf den Druck p7 gedrosselt.
'7'-'8':
& 1 wird adiabat auf den Druck p8 gedrosselt.
Der Teilmassenstrom m
Die Gesamtleistung der beiden adiabaten Verdichter beträgt Pges = 240 W. Beide Verdichter werden
nicht reversibel durchströmt. Stoffwerte von Propan sind in der Tabelle angegeben.
a)
Stellen Sie den Prozeß in einem h,s-Diagramm oder T,s-Diagramm qualitativ dar.
b)
Geben Sie den Druck p7 an.
c)
& 1 und m& 2 .
Berechnen Sie die beiden Massenströme m
d)
Berechnen Sie den Dampfgehalt x7 .
e)
Berechnen Sie den am Kondensator an die Umgebung abzuführenden Wärmestrom Q& Kond .
f)
Berechnen Sie die Leistungsziffer εK (auch Kälteziffer oder Leistungszahl genannt) des
Prozesses.
Dampftafelauszug von Propan
ps [bar] Ts [°C] h' [kJ/kg] h'' [kJ/kg]
3.4
-10
394.8
787.6
4.0
-5
406.5
792.1
4.7
0
418.7
797.3
5.5
5
430.9
802.9
6.3
10
442.9
807.1
7.3
15
455.3
811.9
8.3
20
468.7
816.2
9.5
25
480.4
820.5
Viel Erfolg!
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