Mechanical Engineering

UPSC Mechanical Engineering 2021 — Paper II

All 8 questions from UPSC Civil Services Mains Mechanical Engineering 2021 Paper II (400 marks total). Every stem reproduced in full, with directive-word analysis, marks, word limits, and answer-approach pointers.

8Questions
400Total marks
2021Year
Paper IIPaper

Topics covered

Thermodynamics, fluid mechanics and heat transfer (1)Thermodynamics, boundary layer theory and gas turbines (1)Heat transfer and gas turbine thermodynamics (1)Heat conduction, compressible flow and IC engines (1)Thermodynamics, IC Engines, Refrigeration and Air Conditioning (1)IC Engines, Steam Cycles, Psychrometrics (1)Steam turbines, air conditioning, diesel engine fuel injection (1)Refrigeration, cogeneration, throttling processes (1)

A

Q1
50M Compulsory prove Thermodynamics, fluid mechanics and heat transfer

(a) Discuss briefly the functional differences between a fan, a blower and a compressor. (10 marks) (b) Prove that shock cannot occur in subsonic flow. (10 marks) (c) Consider a large plane wall of thickness L = 0·4 m, thermal conductivity k = 2·3 W/m°C and surface area A = 20 m². The left side of the wall is maintained at a constant temperature of T₁ = 80°C while the right side loses heat by convection to the surrounding air at Tₐ = 15°C with a heat transfer coefficient of h = 24 W/m²°C. Assuming constant thermal conductivity and no heat generation in the wall, (i) obtain a relation for the variation of temperature in the wall. (ii) evaluate the rate of heat transfer through the wall. (10 marks) (d) The following equation has been proposed for the heat transfer coefficient in natural convection from long vertical cylinders to air at atmospheric pressure: h̄_c = (536.5(Tₛ - T_∞)⁰.33)/T where T = the film temperature = ((Tₛ + T_∞))/2 and T is in the range 0 to 200°C. The corresponding equation in dimensionless form is (h̄_c L)/K = C(Gr Pr)^m. Compare the two equations to determine the values of C and m such that the second equation will give the same results as the first. Use properties of dry air at 100°C and one atmosphere: K = 0·0307 W/(mk), g = 9·8 m/sec², μ = 21·673×10⁻⁶ NS/m², Cₚ = 1022 J/(kg K). The absolute pressure of one atmosphere = 101,000 N/m². The gas constant R (for air) = 287 J/kg K. Symbols have their usual meaning. (10 marks) (e) Combustion in a diesel engine is assumed to begin at inner dead centre and to be at constant pressure. The air-fuel ratio is 27 : 1, the calorific value of the fuel is 43000 kJ/kg, and the specific heat (at constant volume) of the products of combustion is given by: Cᵥ = (0·71 + 20 × 10⁻⁵ T) kJ/(kg K). R for products = 0·287 kJ/(kg K). If the compression ratio is 15 : 1, and the temperature at the end of compression is 870 K, determine the percentage of stroke at which combustion is completed. (10 marks)

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(a) पंखा (फैन), आधमाता (ब्लोअर) और संपीडक के बीच प्रकार्यात्मक अंतरों को संक्षेप में समझाइए। (10 अंक) (b) सिद्ध कीजिए कि अवध्वनिक प्रवाह में प्रघात घटित नहीं हो सकता है। (10 अंक) (c) मोटाई L = 0·4 m, ऊष्मा चालकता k = 2·3 W/m°C और पृष्ठीय क्षेत्रफल A = 20 m² वाली एक बड़ी समतल दीवार पर विचार करें। दीवार के बायीं ओर का तापमान T₁ = 80°C पर स्थिर बनाए रखा जाता है, जबकि दाहिनी ओर Tₐ = 15°C तापमान पर परिवेश की हवा में संवहन द्वारा ऊष्मा-अंतरण गुणांक h = 24 W/m²°C के साथ ऊष्मा का ह्रास होता है। स्थिर ऊष्मा चालकता और दीवार में कोई भी ऊष्मा उत्पादन न होने को मानते हुए: (i) दीवार में तापमान परिवर्तन के लिए एक संबंध प्राप्त करें। (ii) दीवार के माध्यम से ऊष्मा हस्तांतरण की दर का मूल्यांकन करें। (10 अंक) (d) वायुमंडलीय दबाव पर लंबे उर्ध्वाधर सिलिंडर से हवा में प्राकृतिक संवहन के लिए ऊष्मा हस्तांतरण गुणांक का समीकरण h̄_c = (536 · 5(Tₛ-T_∞)⁰ · 33)/T द्वारा प्रस्तावित है। जहाँ T = फिल्म तापमान = ((Tₛ+T_∞))/2 और T, 0 से 200°C की सीमा में है। विमारहित रूप में संगत समीकरण (h̄_c L)/K = C(Gr Pr)^m है। दोनों समीकरणों की तुलना करके, दूसरे समीकरण में C और m के उपमानों को निर्धारित करें जो पहले समीकरण के एक सा परिणाम देगा। 100°C और एक वायुमंडलीय दबाव पर शुष्क हवा के निम्न गुणों का उपयोग करें: K = 0·0307 W/(mk), g = 9·8 m/sec², μ = 21·673×10⁻⁶ NS/m², Cₚ = 1022 J/(kg K), एक वायुमंडलीय यथार्थ दाब = 101,000 N/m², वायु के लिए गैस नियतांक R = 287 J/kg K। संकेताक्षरों का सामान्य अर्थ है। (10 अंक) (e) ऐसा माना जाता है कि डीजल इंजन में दहन आंतरिक निश्चल्य स्थिति पर शुरू होता है तथा दहन में दबाव स्थिर रहता है। वायु ईंधन अनुपात 27 : 1, ईंधन का ऊष्मीय मान 43000 kJ/kg, दहन के उत्पादों की विशिष्ट ऊष्मा (अचर आयतन पर) Cᵥ = (0·71 + 20 × 10⁻⁵ T) kJ/(kg K) एवं उत्पादों के लिए R = 0·287 kJ/(kg K) दिया गया है। यदि संपीडन अनुपात 15 : 1 है, और संपीडन के अंत में तापमान 870 K है, तो ज्ञात करें कि कितने प्रतिशत चरण (स्ट्रोक) पर दहन पूरा होता है। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) discuss: intro > 3-4 dimensions > example > balanced close | (b) justify: claim > 3-4 reasons > evidence > conclusion | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (d) analyse: intro > causes > effects > stakeholders/linkages > way forward | (e) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: All parts answered with correct method, clear steps, and accurate calculations.

  • Define pressure ratio for each device
  • Specify typical pressure ratio ranges
  • Identify flow type (incompressible vs compressible)
  • Mention typical applications for each
  • State the Second Law of Thermodynamics
  • Apply entropy change equation for normal shock
  • Show entropy change is negative for Ma < 1
  • Conclude that this violates the Second Law
Q2
50M calculate Thermodynamics, boundary layer theory and gas turbines

(a)(i) 3 kg of air is compressed in a reversible steady flow polytropic process from 100 kPa, 40°C to 1000 kPa. During this process the law of compression followed is PV^1.25 = C. Determine the shaft work, heat transferred and the change in entropy. Assume for air C_v = 0.717 kJ/kg K and R = 0.287 kJ/kg K. (ii) Distinguish between pdv work and -vdp work. (20 marks) (b) Calculate the displacement thickness and momentum thickness of a laminar boundary layer, in terms of the nominal boundary layer thickness δ, for the following velocity distribution: u/U_0 = sin(π/2 y/δ) (20 marks) (c) An ideal gas turbine engine operates with air as the working fluid at a pressure ratio 18 : 1 and a maximum temperature of 700°C. The air enters the compressor at 100 kPa and 20°C. Determine the thermal efficiency, the heat addition and the temperature of exhaust air. For air take C_p = 1.0035 kJ/kg K and γ = 1.4. (10 marks)

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(a)(i) 100 kPa, 40°C से 1000 kPa तक एक प्रतिक्रम्य अपरिवर्ती प्रवाह पॉलिट्रॉपिक प्रक्रम में 3 kg वायु संपीड़ित होती है। इस प्रक्रिया के दौरान संपीड़न नियम PV^1.25 = C का पालन होता है। शाफ्ट-कार्य, हस्तांतरित ऊष्मा तथा एन्ट्रॉपी में परिवर्तन निर्धारित करें। हवा के लिए C_v = 0.717 kJ/kg K और R = 0.287 kJ/kg K मान लें। (ii) pdv कार्य और -vdp कार्य के बीच अंतर करें। (20 अंक) (b) निम्नलिखित वेग वितरण के लिए अभिहित सीमांत परत मोटाई δ के संदर्भ में स्तरीय सीमांत परत की विस्थापन मोटाई और संवेग मोटाई की गणना करें: u/U_0 = sin(π/2 y/δ) (20 अंक) (c) एक आदर्श गैस टरबाइन इंजन दबाव अनुपात 18 : 1 और अधिकतम तापमान 700°C पर कार्यात्मक-तरल वायु से संचालित है। हवा 100 kPa और 20°C पर संपीड़क में प्रवेश करती है। ऊष्मीय दक्षता, ऊष्मा योग और रेचन हवा का तापमान निर्धारित करें। हवा के लिए C_p = 1.0035 kJ/kg K और γ = 1.4 लें। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a(i)) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (a(ii)) compare: paired headings or table > key differences > significance > conclusion | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: Complete method with all steps, correct calculations, clear interpretation, and diagrams

  • State initial and final states with units
  • Apply polytropic work formula for steady flow
  • Calculate heat transfer using first law
  • Compute entropy change using given constants
  • Define pdv work with context
  • Define -vdp work with context
  • Identify key differences clearly
  • Provide physical interpretation
Q3
50M derive Heat transfer and gas turbine thermodynamics

(a)(i) Show that the effective conductance, (A_1F̄₁₂) for two black, parallel plates of equal area connected by re-radiating walls at constant temperature is A_1F̄₁₋₂ = A₁((1+F₁₋₂)/2). (ii) Determine the steady-state temperatures of two radiation shields placed in the evacuated space between two infinite planes at temperatures of 555 K and 278 K. The emissivity of all surfaces is 0.8. [σ = Stefan-Boltzmann constant = 5.670 × 10⁻⁸ W/m²K⁴] (20 marks) (b) Assume that the velocity distribution in the turbulent core for tube flow may be represented by u/(u_c) = (1-r/(rₒ))¹/7 where u_c is the velocity at the centre of the tube and rₒ is the tube radius. Using the Blasius relation for friction factor, derive an equation for the thickness of the laminar sublayer. For this problem the average flow velocity may be calculated using the turbulent velocity distribution. Assume linear profile in sublayer. (20 marks) (c) Explain how the process of reheating in a gas turbine affects its operational performance. (10 marks)

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(a)(i) दर्शाइये कि स्थिर तापमान पर पुनःविकिरक दीवारों से जुड़ी दो श्याम, बराबर क्षेत्रफल की समानांतर प्लेटों के लिए प्रभावी चालकत्व (A_1F̄₁₂) | A_1F̄₁₋₂ = A₁((1+F₁₋₂)/2) होता है। (ii) 555 K और 278 K के तापमान पर दो अनंत समतलों के बीच खाली स्थान में रखे गए दो विकिरण कवचों के अपरिवर्ती अवस्था तापमानों का निर्धारण करें। सभी सतहों की उत्सर्जकता 0.8 है। [δ = स्टीफन बोल्ट्जमान स्थिरांक = 5.670 × 10⁻⁸ W/m²K⁴] (20 अंक) (b) मान लें नलिका प्रवाह के लिए अशांत कोर (कोर) में वेग वितरण का प्रतिनिधित्व u/(u_c) = (1-r/(rₒ))¹/7 द्वारा किया जा सकता है, जहाँ u_c नलिका के केंद्र पर वेग है और rₒ नलिका की त्रिज्या है। स्तरीय उप-परत की मोटाई के लिए ब्लेसियस के घर्षण गुणक संबंध का प्रयोग करते हुए एक समीकरण व्युत्पन्न करें। इस समस्या के लिए प्रक्षुब्ध वेग वितरण का उपयोग करके औसत वेग की गणना की जा सकती है। उप-परत में रैखिक परिछेदिका (प्रोफाइल) मान लें। (20 अंक) (c) एक गैस टर्बाइन का पुनःतापन उसके प्रचालनीय निष्पादन को कैसे प्रभावित करता है, इसकी व्याख्या करें। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a(i)) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check | (a(ii)) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check | (c) explain: definition/context > points in order > small example > short close Full marks: Complete derivations with clear schematics, all steps shown, physical interpretation included, units consistent throughout.

  • Define view factor F1-2 for parallel plates
  • Apply energy balance on re-radiating wall
  • Solve for effective conductance A1F̄1-2
  • Show final result A1(1+F1-2)/2
  • State Stefan-Boltzmann law for radiation
  • Set up energy balance for each shield
  • Solve simultaneous equations for T1, T2
  • Report temperatures in Kelvin
Q4
50M derive Heat conduction, compressible flow and IC engines

(a) Two walls A and B are maintained at temperatures T_A and T_B, respectively. One end of a metal rod of length l is embedded in the wall A, while the other end is fixed to wall B, the rod loses heat by convection to the environment at T_∞. Derive an expression to determine (i) the temperature distribution in the rod (ii) the total heat lost by the rod (iii) the heat transferred from the wall A (20 marks) (b) Air enters a constant-area duct at p_1 = 90 kPa, V_1 = 520 m/s and T_1 = 558°C. It is then cooled with negligible friction until it exists at p_2 = 160 kPa. Estimate : (i) V_2 (ii) T_2 and (iii) the total enthalpy of cooling in kJ/kg. Use attached chart. (20 marks) (c) Why is it more difficult to turbocharge spark ignition engines than compression ignition engines ? Under what circumstances might supercharger be more appropriate ? (10 marks)

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(a) दो दीवारों A और B को क्रमशः T_A और T_B तापमानों पर बनाए रखा जाता है। l लंबाई वाली धातु की छड़ का एक सिरा दीवार A में अंतःस्थापित है, जब कि दूसरा सिरा दीवार B में अंतःस्थापित है। छड़ T_∞ तापमान पर पर्यावरण में संवहन द्वारा ऊष्मा का ह्रास करता है। निम्नलिखित को निर्धारित करने के लिए एक व्यंजक की व्युत्पत्ति करें : (i) छड़ में तापमान वितरण (ii) छड़ द्वारा समग्र ऊष्मा ह्रास (iii) दीवार A से स्थानांतरित ऊष्मा (20 अंक) (b) वायु p₁ = 90 kPa, V₁ = 520 m/s और T₁ = 558°C के एक नियत क्षेत्रफल वाली बाहिनी में प्रवेश करती है। तब इसे नगण्य घर्षण के साथ ठंडा किया जाता है, जब तक कि यह p₂ = 160 kPa पर निर्गत न हो जाए। आकलन करें : (i) V₂ (ii) T₂ (iii) शीतलन की समग्र पूर्ण-ऊष्मा (एन्थैल्पी) kJ/kg में। संलग्न तालिका का उपयोग करें। (20 अंक) (c) संपीड़न प्रज्वलन इंजनों की तुलना में स्पार्किंग प्रज्वलन इंजनों को टर्बोचार्ज करना अधिक कठिन क्यों है ? किन परिस्थितियों में उच्चदाबी निवेशक (सुपरचार्जर) अधिक उपयुक्त हो सकता है। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) explain: definition/context > points in order > small example > short close Full marks: Rigorous derivation with clear assumptions; correct application of Rayleigh flow tables; clear distinction between SI and CI engine limitations.

  • State assumptions (steady state, 1D conduction, constant properties)
  • Formulate differential energy balance equation for the rod
  • Apply boundary conditions at x=0 and x=l
  • Derive final expressions for T(x), Q_total, and Q_A
  • Identify the flow as Rayleigh flow (constant area, frictionless, heat transfer)
  • Calculate inlet Mach number using given p, V, and T
  • Use the provided Rayleigh flow table to find exit properties
  • Calculate V2, T2, and enthalpy change (q = h2 - h1)

B

Q5
50M Compulsory explain Thermodynamics, IC Engines, Refrigeration and Air Conditioning

(a) What do you understand by the term EGR? Explain how EGR reduces NOₓ emission in CI engines. (10 marks) (b) The flue gas composition measured by Orsat apparatus for a boiler burning a fuel of unknown hydrocarbon CₓHᵧ is given as follows: CO₂: 8·0%, CO: 0·9%, O₂: 8·8% and N₂: 82·3%. Determine (i) the composition of the fuel (ii) the air fuel ratio on mole and mass basis (iii) the percentage of excess air used. (10 marks) (c) Describe the following terms with reference to stream nozzle: (i) Efficiency (ηₙ) (ii) Velocity coefficient (Cᵥ). (10 marks) (d) Explain the concept of balance point between the compressor and the capillary tube in refrigeration systems. (10 marks) (e) Briefly explain the 'Equal Friction Method' of air-conditioning duct design procedure. (10 marks)

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(a) EGR पद से आप क्या समझते हैं? समझायें कि EGR, NOₓ उत्सर्जन को कैसे कम करता है। (10 अंक) (b) अज्ञात हाइड्रोकार्बन CₓHᵧ के ईंधन को जलाने वाले वाष्पित्र के लिए ऑर्सेट उपकरण द्वारा मापी गई फ्लू गैस संरचना निम्नानुसार दी गई है: CO₂: 8·0%, CO: 0·9%, O₂: 8·8% और N₂: 82·3%। ज्ञात करें (i) ईंधन की संरचना (ii) मोल और द्रव्यमान के आधार पर वायु ईंधन का अनुपात (iii) प्रयोग की गई अतिरिक्त हवा का प्रतिशत। (10 अंक) (c) धारा तुंड के संदर्भ में निम्नलिखित शब्दों का वर्णन करें: (i) दक्षता (ηₙ) (ii) वेग गुणांक (Cᵥ)। (10 अंक) (d) प्रशीतन प्रणालियों में संपीड़क और केशिकानली के बीच संतुलन बिंदु की अवधारणा की व्याख्या करें। (10 अंक) (e) वातानुकूलन वाहिनी अभिकल्प प्रक्रिया के लिए 'समान घर्षण विधि' को संक्षेप में समझाएं। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) explain: definition/context > points in order > small example > short close | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) describe: define > structure or process in order > labelled diagram > significance | (d) explain: definition/context > points in order > small example > short close | (e) explain: definition/context > points in order > small example > short close Full marks: All parts answered with correct method, clear diagrams, and physical interpretation.

  • Define EGR as recirculation of exhaust gas
  • Explain reduction of peak combustion temperature
  • Link temperature drop to reduced thermal NOx formation
  • Mention dilution effect on oxygen concentration
  • Normalize flue gas composition to 100 moles
  • Determine C and H ratio from CO2 and CO
  • Calculate theoretical air requirement
  • Compute actual air from N2 balance
Q6
50M explain IC Engines, Steam Cycles, Psychrometrics

(a) (i) How does the mixture combustion in the combustion chamber of a C.I. engine differ from that of an S.I. engine? (ii) What is meant by combustion induced swirl? Show with sketches two important designs of C.I. combustion chamber using this method of swirl. (20 marks) (b) In a single-heater regenerative cycle the steam enters the turbine at 30 bar, 400°C and the exhaust pressure is 0·1 bar. The feed water heater is a direct-contact type which operates at 0·3 MPa. Find the efficiency of the cycle neglecting pump work. (At 30 bar, 400°C: h = 3230·9 kJ/kg and s = 6·9212 kJ/kg K. Also use steam tables given towards the end of booklet for steam/water properties). (20 marks) (c) A moist air sample has dry bulb temperature of 30°C and specific humidity of 11·5 gm of water vapour per kg dry air. If the saturation vapour pressure of water at 30°C is 4·24 kPa and the total pressure is 90 kPa then what is the relative humidity of the air sample? (10 marks)

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(a) (i) एक C.I. इंजन के दहन-कक्ष में मिश्रण दहन, S.I. इंजन से किस प्रकार भिन्न होता है? (ii) दहन प्रेरित भंवर से क्या तात्पर्य है? रेखाचित्रों के साथ C.I. दहन कक्ष के दो महत्वपूर्ण अभिकल्पों को दिखाइए जिसमें भंवर की इस पद्धति का उपयोग होता है। (20 अंक) (b) एक एकल तापक पुनर्जीवी चक्र में भाप 30 bar, 400°C पर टरबाइन में प्रवेश करती है और रेचक दबाव 0·1 bar है। प्रभरण जल तापक एक प्रत्यक्ष संपर्क प्रकार का है जो 0·3 MPa पर संचालित होता है। पंप कार्य की उपेक्षा करते हुए चक्र की दक्षता ज्ञात करें। (30 bar, 400°C पर: h = 3230·9 kJ/kg और s = 6·9212 kJ/kg K है। भाप/पानी के गुणों के लिए पुस्तिका के अंत में संलग्न भाप तालिका का भी प्रयोग करें)। (20 अंक) (c) एक नम हवा के नमूने का शुष्क बल्ब तापमान 30°C और विशिष्ट आर्द्रता 11·5 ग्राम जल वाष्प प्रति किलोग्राम शुष्क वायु है। यदि 30°C पर पानी का संतृप्त वाष्प दाब 4·24 kPa और कुल दाब 90 kPa है, तो वायु (हवा) के नमूने की सापेक्ष-आर्द्रता क्या है। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) compare: paired headings or table > key differences > significance > conclusion | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: Complete derivations, labelled diagrams, and physical interpretation of results.

  • Contrast premixed vs diffusion combustion
  • Define combustion induced swirl
  • Sketch two C.I. chamber designs
  • Label swirl direction in sketches
  • State given pressures and temperatures
  • Apply energy balance for direct contact heater
  • Calculate mass fraction of bled steam
  • Compute net work and heat input
Q7
50M calculate Steam turbines, air conditioning, diesel engine fuel injection

(a) (i) A single stage impulse steam turbine rotor has a diameter of 1·2 m and runs at 3000 rpm. The nozzle angle is 18°. The blade speed ratio is 0·42. The relative velocity at the outlet to the relative velocity at inlet is 0·9. The outlet angle of the blade is 3° smaller than the inlet angle. For a steam flow rate of 10 kg/s find Blade angles at inlet and outlet, Axial thrust on the bearing and Power developed. (20 marks) (ii) Describe the phenomenon of super saturated flow observed in steam nozzle using T-s diagram. How does it influence the mass flow rate through the nozzle ? (20 marks) (b) An air-conditioned space is maintained at 27°C DBT and 50% relative humidity. The ambient conditions are 40°C DBT and 27°C WBT. The space has a sensible heat gain of 14 kW. Air is supplied to the space at 7°C saturated. Determine the following : (i) Mass of moist air supplied to the space (ii) Latent heat gain of space (iii) Cooling load of air washer if 30% of the air supplied to the space is fresh, the remainder being recirculated. Assume humid specific heat = 1·022 kJ/kg K. Psychrometric chart is given. (20 marks) (c) A six-cylinder four-stroke diesel engine develops a power of 250 kW at 1500 rpm. The brake specific fuel consumption is 0·3 kg/kWh. The pressures of air in the cylinder at the beginning of injection and at the end of injection are 30 bar and 60 bar respectively. The fuel injection pressures at the beginning and end of injection are 220 bar and 550 bar respectively. Assume the coefficient of discharge for the injector to be 0·65, specific gravity of fuel to be 0·85 and the atmospheric pressure to be 1·013 bar. Also assume the effective pressure difference to be the average pressure difference over the injection period. Determine the nozzle area required per injection if the injection takes place over 15° crank angle. If the number of orifices used in the nozzle are 4, find the diameter of the orifice. (Conversion 1 bar = 10⁵ Pascal) (10 marks)

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(a) (i) एक एकल पद आवेग भाप टर्बाइन के चुंबक का व्यास 1·2 m है और वह 3000 rpm पर चलता है। नोजल कोण 18° है। फलक वेग अनुपात 0·42 है। निर्गम पर सापेक्ष वेग का प्रवेश पर सापेक्ष वेग से अनुपात 0·9 है। फलक का बहिर्गम कोण अंतर्गम कोण से 3° छोटा है। 10 kg/s की भाप प्रवाह दर के लिए अंतर्गम और बहिर्गम पर फलक कोणों का मान, विचरिंग पर अक्षीय प्रणोद और विकसित शक्ति का मान ज्ञात कीजिए। (20 अंक) (ii) T-s आरेख का उपयोग करते हुए भाप नोजल में अवलोकित अति-संतृप्त प्रवाह की घटना का वर्णन करें। यह नोजल में द्रव्यमान प्रवाह दर को कैसे प्रभावित करता है ? (20 अंक) (b) एक वातानुकूलित स्थान 27°C DBT और 50% (प्रतिशत) RH पर बनाए रखा जाता है। परिवेश की स्थिति 40°C DBT और 27°C WBT है। स्थान में 14 kW का संवेद उष्मा लाभ है। 7°C पर संतृप्त वायु की आपूर्ति इस स्थान में की जाती है। निम्नलिखित निर्धारित करें : (i) स्थान में आपूर्ति की गई नम हवा का द्रव्यमान (ii) स्थान में गुप्त उष्मा लाभ (iii) धावक (वॉशर) का शीतलन भार, यदि स्थान में 30 प्रतिशत ताजी हवा की आपूर्ति की जाती है, शेष हवा का पुनःप्रचालन किया जाता है। आर्द्र विशिष्ट उष्मा = 1·022 kJ/kg K मान लें। आर्द्रतामितीय लेखाचित्र संलग्न है। (20 अंक) (c) एक छः सिलेंडर चार स्ट्रोक डीजल इंजन 1500 rpm पर 250 kW की शक्ति विकसित करता है। ब्रेक विशिष्ट ईंधन की खपत 0·3 kg/kWh है। अंतःक्षेपण की शुरुआत में और अंतःक्षेपण के अंत में सिलेंडर में हवा का दाब क्रमशः: 30 बार और 60 बार है। शुरुआत में और अंतःक्षेपण के अंत में ईंधन अंतःक्षेपण का दाब क्रमशः: 220 बार और 550 बार है। अंतःक्षेपक के लिए विसर्जन गुणांक 0·65, ईंधन विशिष्ट घनत्व 0·85 और वायुमंडलीय दाब 1·013 बार मान लें। प्रभावी दाब अंतर को अंतःक्षेपण अवधि पर औसत दाब अंतर के रूप में लें। प्रति अंतःक्षेपण के लिए, अपेक्षित तुंड का क्षेत्रफल निर्धारित करें, यदि अंतःक्षेपण 15° क्रैंक कोण से अधिक पर है। यदि तुंड में प्रयुक्त ऑरिफिसों की संख्या 4 है, तो ऑरिफिस का व्यास ज्ञात करें। (संपरिवर्तन 1 बार = 10⁵ पास्कल) (10 अंक)

Answer approach & key points

(a(i)) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (a(ii)) describe: define > structure or process in order > labelled diagram > significance | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: All parts show complete method with labeled diagrams, correct units, and physical interpretation.

  • Velocity triangle construction with marked states
  • Blade speed (u) calculation from diameter and rpm
  • Inlet/outlet blade angle determination via trigonometry
  • Power and thrust formulas with unit consistency
  • T-s diagram showing metastable region
  • Explanation of delayed condensation (super saturation)
  • Comparison of actual vs equilibrium path
  • Impact on mass flow rate (increase)
Q8
50M solve Refrigeration, cogeneration, throttling processes

(a) An ammonia vapour compression refrigeration system works between temperature limits of −6·7°C and 26·7°C. The vapour is dry at the end of compression and there is no under cooling of the liquid which is further throttled to the lower temperature. Find the COP of the machine. Use the above properties of ammonia. (20 marks) (b) In a cogeneration plant, steam enters the HP stage of a two-stage turbine at 1 MPa, 200°C and leaves it at 0·3 MPa. At this point some of the steam is bled off and passed through a heat exchanger which it leaves as saturated liquid at 0·3 MPa. The remaining steam expands in the LP stage of the turbine to 40 kPa. The turbine is required to produce a total power of 1 MW and the heat exchanger is required to provide a heating rate of 500 kW. Assuming all processes to be ideal, calculate the required mass flow rate of steam into the HP stage of the turbine. (At 1 MPa, 200°C : h = 2827·9 kJ/kg and s = 6·6939 kJ/kg K) Also use Steam Tables given at the end of the booklet. (20 marks) (c) Compare the throttling processes happening at the following two locations in the steam power plant and using T-s diagrams contrast the observed phenomena : (i) throttling of steam at inlet to turbine for governing. (ii) throttling of condensate in closed feed heater trap exit. (10 marks)

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(a) एक अमोनिया वाष्प संपीडन प्रणाली −6·7°C और 26·7°C की ताप सीमाओं के बीच काम करती है। संपीडन के अंत में वाष्प शुष्क है और नीचे तापमान पर पुनः उपरोध किये जाने वाले तरल का कोई अवशीतन नहीं होता है। मशीन का सी.ओ.पी. ज्ञात करें। अमोनिया के निम्नलिखित गुणों का उपयोग करें। (20 अंक) (b) एक सहजनन संयंत्र में भाप द्विपद टरबाइन के HP पद में 1 MPa, 200°C पर प्रवेश करती है और इसे 0·3 MPa पर छोड़ देती है। इस बिंदु पर, कुछ भाप को निःश्वसित करते हुए एक उष्मा विनिमायक से पारित किया जाता है जो इसे 0·3 MPa पर संतृप्त तरल के रूप में छोड़ देता है। शेष भाप टरबाइन के LP पद में 40 kPa तक फैलती है। टरबाइन को 1 MW की समस्त शक्ति उत्पादन की और उष्मा विनिमायक को 500 kW की तापन दर के उत्पादन करने की आवश्यकता होती है। सभी प्रक्रियाओं को आदर्श मानते हुए टरबाइन के HP पद में भाप की अपेक्षित द्रव्यमान प्रवाह दर की गणना करें। (1 MPa, 200°C पर : h = 2827·9 kJ/kg और s = 6·6939 kJ/kg K) पुस्तिका के अंत में संलग्न भाप-तालिका का भी प्रयोग करें। (20 अंक) (c) भाप-शक्ति संयंत्र में निम्नलिखित स्थलों पर होने वाली उपरोधी प्रक्रियाओं की तुलना करें और T-s आरेखों का उपयोग करते हुए प्रेक्षित निम्नलिखित परिघटनाओं में व्यतिरेक करें : (i) अधिनियंत्रण के लिए टरबाइन के अंतर्गम पर भाप उपरोधन। (ii) संवृत प्रमरण तापक पाश निकास में द्रवितक उपरोधन। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) compare: paired headings or table > key differences > significance > conclusion Full marks: All parts show complete method, correct calculations, and clear diagrams with labeled states.

  • Identify state points on T-s diagram
  • Calculate enthalpy at compressor exit
  • Determine enthalpy at evaporator inlet
  • Apply COP formula with units
  • Apply energy balance to heat exchanger
  • Calculate enthalpy drop in HP turbine
  • Calculate enthalpy drop in LP turbine
  • Solve for total mass flow rate

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