QUESTION 1 (9 marks)

A piston cylinder containing 0.15 kg of hydrogen at 500 K and 50 kPa was heated so that it expanded isothermally until the volume was three times larger than the original volume.

(a) (2  marks)  Sketch  a  P- v diagram of the  process  indicating the  start  and  end states. Do not calculate values but please explain why your plot has the shape it does.

(b) (4 marks) During this process, how much boundary work, in kJ, was done by the hydrogen? In this work into or out of the system? Draw your system and state your assumptions.

(c) (3  marks)  During  this  process,  how  much  heat,  in  kJ,  was  added  to  the hydrogen? State any additional assumptions.

QUESTION 2 (6 marks)

2 kg of saturated R-134a vapour at 30 °C is compressed adiabatically in a piston. After compression, the temperature is 80 oC and the pressure is 1600 kPa.

(a) (4 marks) How much work, in kJ, is done during this process? Is it work into,

or out of, your system? Draw your system and state your assumptions. (b) (2 marks) Was the compression reversible?

QUESTION 3 (8 marks)

4 kg/s of saturated liquid water enters a throttling valve at 350 oC and leaves at 800 kPa. The fluid velocity at the inlet and outlet of the valve are the same.

(a) (4.5 marks) What is the temperature, in oC, at the exit of the valve? Draw your system and state your assumptions.

(b) (3.5 marks) What is the specific volume, in m3/kg, of the water at the outlet?

QUESTION 4 (7 marks)

A stream of helium is at 600 oC and 6 MPa. It is passed through a turbine where the exit pressure is 0.5 MPa. The inlet velocity is 5 m/s and the outlet velocity is 200 m/s. The mass flowrate for the turbine if 2 kg/s.

(a) (3.5 marks)  If the turbine is isentropic, what is the outlet temperature, in oC? Draw your system and state your assumptions.

(b) (3.5 marks) What is the power produced by the turbine, in MW? If you could not answer parts (a), assume 100 oC for the outlet temperature. State any additional assumptions.

QUESTION 5 (15 marks)

In very cold and hot climates, exchanging heat with the ground instead of the ambient air can be  more efficient. The diagram below shows a  heat pump that  heats oil  (at the condenser) that  is then used  in under floor heating. The evaporator gains  heat from water  (at  the  evaporator)  that  has  been  circulated  through  pipes  underground.  The temperature underground is significantly warmer than the ambient temperature in winter. The heat pump uses R-134a.

In each part below, state any assumptions used and number streams as per the diagram above so that your working is easy to follow.

(a) (2.5  marks)  This  vapour-liquid  heat  pump  cycle  is  non-ideal  due  to  a  non- isentropic compressor and superheated vapour leaving the evaporator. Draw a T- s diagram of this process. Show the vapour-liquid envelope, the direction of flow, and heat and work flow into/out of the cycle. Label points with the same numbers as above.

(b) (3 marks) During normal operation, there is 0.05 kg/s of R-134a circulating the heat pump. It leaves the compressor at 1 MPa and 60 oC. If the R-134a leaves the condenser as a saturated liquid, what is the rate of heat transfer, in kW, from this heat pump to the oil in the distribution system?

(c) (6 marks) If the heat pump has a COP of 4.3, what is the temperature, in oC, at the exit of the evaporator (point 4)? The pressure at point 4 is 0.2 MPa. If you could not answer part (b), you can assume the answer was 9 kW .

(d) (3.5 marks) Estimate the % increase in compressor work required to do the same amount of heating if ambient air is used to heat the evaporator instead of the water from the ground loop (e.g. 27% more work). Assume: the water heating the evaporator (from the ground loop) is at 15 oC, the ambient air is at – 10 oC, the oil cooling the condenser is at 30 oC, and the second law efficiency is the same for both scenarios.