Klausur 3 Februar 2010, Aufgaben PDF

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Beuth-Hochschule für Technik Fachbereich Maschinenbau, Verfahrens- und Umwelttechnik Prof. Dr.-Ing. Christoph Pels Leusden

Klausur Kraftwerkstechnik - erneuerbare Energien WS 2009/2010

1. Prüfungszeitraum

Mittwoch, 3. Februar 2010

Anzahl der Aufgabenblätter (inkl. dieser Seite)

1 (Teil 1); 1 (Teil 2)

Bearbeitungszeit:

Teil 1: 20 min; Teil 2: 80 min

Name

Vorname

Matr.-Nr.

E-Mail

Ist dies Ihr 3. Prüfungsversuch?

Ja / Nein (nicht Zutreffendes streichen)

Allgemeine Hinweise zur Klausur: • Geben Sie alle Aufgabenblätter und Lösungsblätter ab. • Versehen Sie alle Seiten mit Ihrem Namen und Ihrer Matrikelnummer. • Nummerieren Sie die Lösungsblätter. • Lassen Sie auf jeder Seite ca. 1/4 der Breite als Rand für Korrekturen frei. • Kennzeichnen Sie eindeutig, zu welcher Teilaufgabe Ihre Ausarbeitung gehört. • Die Verwendung von Tippex, Tintenkiller und Rotstift ist nicht gestattet. • Mobiltelefone sind auszuschalten und müssen sich außerhalb des Arbeitsbereichs befinden. Hinweise zur Bearbeitung: • Für jede Aufgabe ist zuerst ein allgemeiner Lösungsansatz zu entwickeln. • Rechengänge müssen mit eingesetzten Zahlenwerten nachvollziehbar ausgeführt sein. • Geben Sie für Ergebnisse 3 signifikante Stellen und die physikalische Einheit an. • Kennzeichnen Sie Ergebnisse durch doppelte Unterstreichung. Zugelassene Hilfmittel: Teil 1: Taschenrechner Teil 2: Taschenrechner, Vorlesungsunterlagen, eigene Aufzeichnungen, Fachbücher Täuschungsversuche und der Gebrauch anderer Hilfsmittel sind untersagt. Aufgabe

1

2

3

4

5

Σ

Erreichbare Punkte

12

12

19

21

36

100

Erreichte Punkte Note

Teil 1 Aufgabe 1: Definieren Sie den Begriff ‚Gegendruckbetrieb‘einer Dampfturbine und erläutern Sie die Auswirkungen auf die Kopplung zwischen Kraft- und Wärmeerzeugung. Aufgabe 2: Der Gesamtwirkungsgrad (Verhältnis von elektrischer Leistung zu eingestrahlter Sonnenleistung) bei der solar-thermischen Stromerzeugung (z.B. mit einem Parabolrinnen-Kraftwerk) liegt für heute übliche Anlagen in der Regel unter 25%. Dieser Wert ist damit deutlich niedriger als bei anderen Kraftwerken, die einen Wasserdampfkreislauf nutzen. Erläutern Sie hierfür 2 wesentliche Gründe. Nutzen Sie für Ihre Antwort geeignete Parameter oder Kennzahlen.

Name

Vorname

Matr.-Nr.

Teil 2 Aufgabe 3:

Der Speicher eines solar-thermischen Kraftwerks ist so auszulegen, dass die elektrische Nettoleistung von 50 MWel über einen Zeitraum von mindestens 4 Stunden allein aus dem Speicher geliefert werden kann. Der Speicher wird mit zwei zylindrischen Tanks ausgeführt, die mit einer Salzschmelze gefüllt sind. Im Ausspeicherbetrieb wird die Schmelze vom heißen Tank (Temperatur TH = 385◦ C) über einen Wärmetauscher in den kalten Tank (Temperatur TK = 290◦ C) umgepumpt. Weiterhin sind folgende Größen gegeben: • Total-Wirkungsgrad des konventionellen Anlagenteils ηkonv,tot = 0, 3 • Wärmetauscher-Wirkungsgrad ηW T = 0, 99 • spezifische Wärmekapazität der Salzschmelze cp,S = 1, 4 kJ/kgK • Dichte der Salzschmelze ρS = 850 kg/m3 Folgende Parameter sind zu bestimmen: a. Bestimmen Sie die erforderliche Mindestfüllmasse für den heißen Tank. b. Was ist der notwendige Behälterdurchmesser bei einer zulässigen Höhe von 25m? Aufgabe 4: Es wird ein Standort für die Errichtung eines Wellenkraftwerks untersucht. Im Auslegungszustand soll eine elektrische Leistung Pel = 400 kW erzeugt werden. Es wird angenommen, dass 10% der Wellenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Man rechnet mit einer Wellenhöhe von H = 5m und einer Wellenlänge von λ = 30m. Berechnen Sie die notwendige Breite des Wellenkraftwerks. Annahmen: Die Wassertiefe sei sehr viel größer als die Wellenlänge; ρW = 1000 kg/m3 Aufgabe 5: Ein Blockheizkraftwerk ist mit einem Otto-Motor ausgestattet, der bei einem Luftverhältnis von λ = 1 betrieben wird. Der Brennstoff ist Methan. Es wird angenommen, dass trockene Luft vom Motor angesaugt wird. Die Nutzwärme wird mit dem Trägermedium Wasser aus dem Bilanzraum geleitet. Folgende Messwerte werden bei voller Motorlast gemessen:

• Elektrische Leistung am Generator Pel = 500 kW • Massenanteile des Brennstoffs: c=0,75, h=0,25 • unterer Heizwert des Brennstoffs: ∆hu = 50 MJ/kg • Massenanteil Sauerstoff in trockener Luft ξO2,L = 0, 232 • Volumenstrom Brennstoff bei 5 bar Druck am Massenstrommessgerät: V˙Br = 10 l/s • Volumenstrom Nutzwasser V˙ N = 300 l/min • Kühlwassermassenstrom m ˙ KW = 6kg/s • Temperaturen im Kühlwasserkreislauf: TKW 1 = 96◦ C, TKW 2 = 70◦ C • Temperaturen im Nutzwasserkreislauf TN 1 = 40◦ C und TN 3 = 80◦ C • Abgastemperaturen TAbg2 = 110◦ C • spezifische Wärmekapazität von Wasser: cp,W = 4, 2J/gK • spezifische Wärmekapazität von Luft und Abgas: cp,L = cp,Abg = 1, 0J/gK Folgende Annahmen gelten: • Brennstoff und Luft haben beim Eintritt in den Bilanzraum die Referenztemperatur (TBr1 = TL1 = 25◦ C). • Es treten keine Wärmeverluste an den Wärmetauschern auf (ηW T = 1.0). • Methan soll als ideales Gas betrachtet werden (R = 0, 518J/gK ). • Die Dichte von Wasser sei einheitlich ρW = 1000 kg/m3 . Bitte berechnen Sie folgende Parameter: a. elektrischer Netto-Wirkungsgrad ηel b. Mindestluftbedarf Lmin c. Abgasmassenstrom m ˙ Abg d. Sauerstoff-Massenanteil im Abgas ξO2,Abg e. Temperatur TAbg,1 f. Brennstoffnutzungsgrad ω g. Stromkennzahl σ...