Hello, dear friend, you can consult us at any time if you have any questions, add WeChat: daixieit

School of Chemical Engineering

EXAMINATION

Semester Two Final Examinations, 2017

ENGG1500 Engineering Thermodynamics

QUESTION 1 (10 marks)

A 50  litre  piston cylinder  contains  nitrogen at -20 oC  and  1.7  bar. The cylinder  is then

compressed until the temperature reaches 15 oC and the pressure 4 bar.

(a) (5.5 marks) During this process, 5 kJ of work was done on the nitrogen. How much heat was added or removed from the nitrogen during this process (in kJ)? As part of your solution, sketch a diagram of the process indicating the system and direction of all relevant mass and/or energy flows. List all your assumptions.

(b) (4.5 marks) From  15  oC  and  4  bar,  the  piston  is  expanded  adiabatically  and reversibly  until  the  pressure  reaches  2  bar .  How  much  boundary  work  (in  kJ)  is done in this process? List any additional assumptions (if any).

QUESTION 2 (7 marks)

6 kg/s of argon enters a diffuser with a temperature of 150 oC and a pressure of 0.2 MPa.

It leaves the diffuser a temperature of 200 oC and a pressure of 0.22 MPa . The inlet cross

sectional  area  is  0.01  m2 . What  is the  outlet velocity?  As  part  of  your  solution,  sketch  a

diagram  of  the  process  indicating  the  system  and  direction  of  all  relevant  mass  and/or

energy flows. List all your assumptions.

QUESTION 3 (5 marks)

Please answer the following in a few sentences by giving the answer and explaining why

that is the answer . Just stating the answer will not get any marks . Feel free to use

equations/diagrams if it helps your explanation.

(a) (3 marks) An ideal gas passes through a valve where the pressure is decreased from  1  MPa  to  0.2  MPa .  Will the  temperature  increase,  decrease,  or  remain  the same? Assume the velocity is the same at the inlet and the outlet of the valve.

(b) (2 marks) Which will have the larger change in specific entropy for an ideal gas maintained at constant temperature: (i) going from 1 bar to 2.5 bar or (ii) going from

Question 4 (6 marks)

Two streams of water are mixed together in a tank and leave as a single stream. Stream

1  enters the tank  at  25 oC with  a flowrate  of  0.3  kg/s .  Stream  2  enters  at  800 oC with  a

flowrate of 0.4 kg/s.  Both streams are at  a  pressure of  1  MPa . What  is the state and the

temperature of the outlet  (stream 3)? Assume that stream 3  is also at  1  MPa . As  part of

your solution, sketch a diagram of the process  indicating the system and directions of all

relevant mass and/or energy flows. List all your assumptions.

QUESTION 5 (14 marks)

Consider  an air conditioner with  refrigerant  R- 134a as the working fluid.  It  is cooling  a

building  in  Darwin to  maintain the  internal temperature at a comfortable 23 oC, whilst the

outside is at a toasty 32 oC.

(a) (2 marks) Assuming this is an idealised vapour compression refrigeration cycle, draw the process on a P-h diagram (with P as the y-axis) . Use the same numbering for  points  in  the  cycle  as  above  and  include  the  vapour-liquid  envelope  on  your diagram. Show where work and heat enters and leaves the cycle.

(b) (3.5 marks) The inlet to the compressor is a saturated vapour at 400 kPa. The outlet is at 1200 kPa and 70 oC . The refrigerant flow in the cycle is 0.05 kg/s . What is the power consumption of the compressor (in kW)? State your assumptions and number streams as per the diagram above so that your working is easy to follow.

(c) (6 marks) What is the coefficient of performance of this refrigeration system? State additional assumptions to part  (b) and number streams as per the diagram above so that your working is easy to follow. If you could not answer part (b), assume the compressor power is 2 kW .

(d) (2.5 marks) What is the 2nd  law efficiency of this air conditioner? If you could not answer part (c), assume the cycle has a COP of 5.

QUESTION 6 (18 marks)

A power station is using a steam reheat  Rankine cycle to generate power. The cycle is

depicted below. A furnace at 1000 oC supplies heat to the boiler and the super heater . The

condenser exchanges heat with a river that is at 20 oC . The boiler operates at 15 MPa and

has saturated water vapour leaving (point 2) . The condenser operates at 20 kPa. The mass

flow rate in the cycle is 10 kg/s.

(a) (4 marks) What is the specific enthalpy (in kJ/kg) of the water at point 1 in the cycle if the pump has a power input of 200 kW? State any assumption used and number streams as per the diagram above so that your working is easy to follow.

(b) (3 marks) What is the rate of heat input to the boiler (in MW)? State any additional assumptions and number streams as per the diagram above so that your working is easy to follow.

(c) (9 marks) Steam enters the low pressure turbine at 700 oC and 4 MPa (point 5). The  low  pressure  turbine  generates  12.5  MW  of  power .  What  is  the  isentropic efficiency of the turbine? State any additional assumptions and number streams as per the diagram above so that your working is easy to follow.

(d) (2 marks) What is the highest possible thermal efficiency for a power cycle using this heat source and heat sink?