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2. Thermodynamik-Klausur Sommersemester 2015 ± Fakultät 5/Abt. Maschinenbau Termin: 23.09.2015 - Dozenten: Graaf, Magdon, Seifert-Rühl, Staffeldt, Strauß

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Bitte jedes abgegebene Blatt mit Matrikelnummer kennzeichnen. Ergebnisse sind nur mit Angabe der Einheit gültig! Sie werden nur gewertet, wenn der zu wertende Lösungsweg eindeutig und anhand der gegebenen Formelsammlung und Aufgabenstellung nachvollziehbar ist! Zugelassen sind Taschenrechner und ausgeteilte, nicht ergänzte Formelsammlung

. Aufg. max. erreicht 1 18 2 16 3 36 4 10 Summe 80

Zeitdauer: 135 Minuten

Aufgabe 1 In einem gekühlten, reibungsfreien Hubkolben-Verdichter befindet sich im Zustand 1 (V1=0,8x10-³ m³; p1 = 3,9 bar) gasförmiges Propan (ideales Gas; N =1,05, R=0,189 kJ/kgK, m1 = 6,9x10-3 kg). Dieses wird anschließend auf den Zustand 2 verdichtet (p2 = 10,8 bar; n=1,02), wobei das Auslassventil gerade noch nicht geöffnet ist. Die Änderungen der äußeren Energien sind zu vernachlässigen. a. Bestimmen Sie die abzuführende Wärmemenge Q12 sowie b. die technisch Arbeit Wt12 und zeichnen Sie diese qualitativ in ein p,V-Diagramm. c. Mit welcher bzw. welchen Zustandsänderungen lässt sich das Gas auf den gleichen Druck p2 verdichten, so dass sich die kleinstmögliche technische Arbeit W*t12 ergibt? Skizzieren Sie diesen Prozess ebenfalls in das Diagramm unter b). Wie groß ist diese?

Aufgabe 2 Ein Druckluft-Kompressor saugt feuchte, ungesättigte Luft (-1 = 20°C, x1 = 11,9 gW/kgL, p1 = . pU = 1 bar, U = 1,18 kg/m³, V 1 = 1,2 m ³ /min). Im Kompressionsprozess wird die Luft isentrop auf einen Druck von p2 = 8 bar verdichtet (k = 1,4). Anschließend wird die Druckluft in einem isobaren Wärmetauscher auf -3 = 35°C (M3 = 100 %) abgekühlt und das dabei ausfallende . Kondensat mK isotherm abgeführt. Die Änderungen der äußeren Energien können vernachlässigt werden und es gelten die üblichen Annahmen für feuchte Luft. Hinweis: Die Aufgabe ist ohne h,x-Diagramm zu lösen.

a. Welche Leistungsaufnahme P12 hat der Verdichter (unter Vernachlässigung aller mechanischen Verluste)? . b. Welche Menge an Druckluftkondensat mK fällt pro Stunde insgesamt im Wärmetauscher an und . c. welcher Wärmestrom Q23 muss im Wärmetauscher abgeführt werden?

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2. Thermodynamik-Klausur Sommersemester 2015 ± Fakultät 5/Abt. Maschinenbau Termin: 23.09.2015 - Dozenten: Graaf, Magdon, Seifert-Rühl, Staffeldt, Strauß

Aufgabe 3 Für die Fertigung eines Produktes werden mechanische und thermische Energie (bei Tm=320 K) im Verhältnis 1:2,7 benötigt. Da beide Energieformen zur gleichen Zeit eingesetzt werden, soll eine Dampfkraftanlage, die nach dem Clausius-Rankine-Prozess arbeitet, verwendet werden. Deren Turbine stellt die mechanische und deren Kondensator die thermische Energie genau in diesem Verhältnis bereit. In der Dampfkraftanlage wird überhitzter Dampf (p3 = 20 bar, cP,d =2,55 kJ/kgK) in einer Turbine auf den Druck p4 = 0,2 bar (x4 = 0,95) entspannt und anschließend im Kondensator gerade vollständig verflüssigt. Das flüssige Wasser wird anschließend auf den Druck p2 = p3 komprimiert und auf den Zustand 3 erhitzt. Die Umgebungstemperatur beträgt TU=298 K. Die Änderung der äußeren Energien sowie Wärmeverluste können vernachlässigt werden. Bis auf die Turbine sind alle Komponenten reibungsfrei. a. Skizzieren Sie den Kreisprozess in einem T,s-Diagramm. b. Berechnen Sie die spezifische Enthalpie h3 sowie die Temperatur -3 , c. den isentropen Turbinenwirkungsgrad Șis ,T = (h3-h4)/(h3-h4,s), d. den Wirkungsgrad Ș der Anlage unter der Annahme, dass der Dampferzeuger einen Wirkungsgrad von ȘDE = 0,92 aufweist und die von der Speisepumpe aufgenommene technische Arbeit vernachlässigt werden soll, sowie e. den spezifischen Exergieverlust eV31 in Turbine und Kondensator. f.

Wie groß ist die Energieeinsparung ER dieser KWK-Anlage im Vergleich zu einer getrennten Erzeugung, die aus einem Kraftwerk (ȘKW = 0,6) und einem Motor (zur Erzeugung der mechanischen Energie, ȘM = 0,95) sowie einem Heizkessel (ȘHK = 0,98) besteht? Hinweis: Falls Unterpunkt e) nicht gelöst werden kann, kann der Wirkungsgrad der Anlage mit Ș = 0,9 angenommen werden.

Aufgabe 4 Von dem Dach eines fahrenden Autos werden durch Sonneneinstrahlung 400 W/m² aufgenommen. Vereinfachend soll angenommen werden, dass diese gesamte Energie durch Konvektion an die Umgebungsluft (-U = 20 °C, Q = 1558‫ڄ‬10í m²/s, Pr = 0,7, Ȝ = 0,0262 W/mK) abgegeben wird (keine Wärme an das Innere des Wagens). Das Dach ist als Aluminium± Platte (ȜAlu = 236 W/mK) mit 1,2m Breite, 1,5m Länge und 3mm Dicke anzusetzen. a) Welche Temperatur an der Oberseite des Daches stellt sich im Beharrungszustand ein, wenn sich das Auto sich mit c = 100 km/h fortbewegt? b) Wie groß wäre der innere Wärmeübergangkoeffizient, wenn 30% der Sonneneinstrahlung nicht an die Umgebung abgegeben wird und sich die Luft im inneren des Autos auf 45°C aufheizt?

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