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: $\bar{h}_c = \frac{536.5(T_s - T_\infty)^{0.33}}{T}$ where T = the film temperature = $\frac{(T_s + T_\infty)}{2}$ and T is in the range 0 to 200°C. The corresponding equation in dimensionless form is $\frac{\bar{h}_c L}{K} = C(Gr Pr)^m$. 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 $\bar{h}_{c} = \frac{536 \cdot 5(T_{s}-T_{\infty})^{0 \cdot 33}}{T}$ द्वारा प्रस्तावित है। जहाँ T = फिल्म तापमान = $\frac{(T_{s}+T_{\infty})}{2}$ और T, 0 से 200°C की सीमा में है। विमारहित रूप में संगत समीकरण $\frac{\bar{h}_{c} L}{K} = C(Gr Pr)^{m}$ 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

Begin with part (a) using 'discuss' to compare fan/blower/compressor pressure ratios and applications; for (b) 'prove' requires rigorous derivation using Fanno/Rayleigh flow or area-velocity relations showing shock requires supersonic upstream Mach number. Part (c) demands 'solve' for temperature distribution and heat transfer using thermal resistance network. Part (d) involves 'compare' to extract C and m through dimensional analysis matching Gr and Pr exponents. Part (e) requires 'calculate' percentage stroke using constant pressure heat addition with variable specific heat integration. Allocate time proportionally: ~15% each for (a), (b), (d); ~25% each for (c) and (e) due to numerical complexity.

  • Part (a): Fan (<1.1 pressure ratio, low pressure rise), Blower (1.1-2.5 pressure ratio, medium flow), Compressor (>2.5 pressure ratio, high pressure rise); cite applications like HVAC fans, FD/ID blowers in Indian power plants, multi-stage compressors
  • Part (b): Prove using dA/A = (M²-1)/M² * dV/V; for shock, entropy must increase requiring dS>0 which demands supersonic M>1 upstream; or use Prandtl relation M₁*M₂=1 showing M₁>1 needed for real M₂
  • Part (c)(i): Derive T(x) = T₁ - (T₁-T₂)x/L with T₂ found from convection boundary; linear temperature profile in wall
  • Part (c)(ii): Q = (T₁-Tₐ)/(L/kA + 1/hA) = 2934.8 W; thermal resistance network with conduction and convection resistances in series
  • Part (d): Match exponents to find m=0.25 from (T_s-T_∞) exponent 0.33 and Gr∝ΔT; calculate C=0.525 using properties at 100°C with β=1/T_film, ν=μ/ρ
  • Part (e): Integrate CᵥdT from 870K to T₃ using Q=m_f*CV*(A/F+1); find T₃=2154K; use V₃/V₂=T₃/T₂ for constant pressure; percentage stroke = (V₃-V₂)/(V₁-V₂)*100 = 23.8%
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

Calculate numerical solutions for all three sub-parts with systematic derivations. For (a)(i), apply polytropic relations for steady flow; for (a)(ii), distinguish flow work from shaft work using control volume analysis. For (b), integrate the sine velocity profile to obtain displacement and momentum thickness. For (c), apply Brayton cycle analysis with given pressure ratio and temperature limits. Allocate approximately 40% time to part (a) combined, 35% to part (b), and 25% to part (c) based on mark distribution.

  • Part (a)(i): T2 = 40*(1000/100)^(0.25/1.25) = 40*10^0.2 = 63.4 K → T2 = 313.4 K; W_shaft = n/(n-1)*mR(T1-T2) = 5*3*0.287*(313-40) = -1176 kJ; Q = W*(γ-n)/(γ-1) = -1176*(1.4-1.25)/0.4 = -441 kJ; ΔS = m[Cp*ln(T2/T1) - R*ln(P2/P1)]
  • Part (a)(ii): pdv work is boundary work for closed systems (quasi-static process); -vdp is flow work or shaft work in steady flow (Euler work equation); relate via steady flow energy equation
  • Part (b): δ* = ∫[0,δ](1 - u/U0)dy = δ[1 - 2/π] = 0.363δ; θ = ∫[0,δ](u/U0)(1 - u/U0)dy = δ[2/π - 1/2] = 0.137δ; show integration steps with substitution
  • Part (c): T2/T1 = (18)^(0.4/1.4) = 2.58; T2 = 293*2.58 = 756 K; T4 = T3/2.58 = 973/2.58 = 377 K; η = 1 - 1/(r_p)^((γ-1)/γ) = 1 - 1/2.58 = 61.2%; Q_add = Cp(T3-T2) = 1.0035*(973-756) = 217.8 kJ/kg
  • All parts: State assumptions clearly, show unit consistency, and verify results against physical expectations
Q3
50M derive Heat transfer and gas turbine thermodynamics

(a)(i) Show that the effective conductance, $(A_1\bar{F}_{12})$ for two black, parallel plates of equal area connected by re-radiating walls at constant temperature is $A_1\bar{F}_{1-2} = A_1\left(\dfrac{1+F_{1-2}}{2}\right)$. (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. [$\sigma$ = Stefan-Boltzmann constant = $5.670 \times 10^{-8}$ W/m²K⁴] (20 marks) (b) Assume that the velocity distribution in the turbulent core for tube flow may be represented by $\dfrac{u}{u_c} = \left(1-\dfrac{r}{r_o}\right)^{\frac{1}{7}}$ where $u_c$ is the velocity at the centre of the tube and $r_o$ 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 $(A_1\bar{F}_{12})$ | $A_1\bar{F}_{1-2} = A_1\left(\dfrac{1+F_{1-2}}{2}\right)$ 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। [$\delta$ = स्टीफन बोल्ट्जमान स्थिरांक = $5.670 \times 10^{-8}$ W/m²K⁴] (20 अंक) (b) मान लें नलिका प्रवाह के लिए अशांत कोर (कोर) में वेग वितरण का प्रतिनिधित्व $\dfrac{u}{u_c} = \left(1-\dfrac{r}{r_o}\right)^{\frac{1}{7}}$ द्वारा किया जा सकता है, जहाँ $u_c$ नलिका के केंद्र पर वेग है और $r_o$ 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

Derive the effective conductance expression for part (a)(i) using radiation network analysis with re-radiating surfaces; for (a)(ii) set up heat balance equations for two shields and solve the resulting system for steady-state temperatures. For part (b), derive the laminar sublayer thickness by equating shear stresses at the interface using the Blasius friction factor and the 1/7th power law velocity profile. For part (c), explain reheating effects on thermal efficiency, specific work output, and turbine blade cooling requirements, citing operational trade-offs in Indian power plants like NTPC gas turbine stations.

  • Part (a)(i): Derivation using radiation network with two black surfaces and re-radiating walls; application of reciprocity and summation rules to obtain A₁F̄₁₂ = A₁(1+F₁₂)/2
  • Part (a)(ii): Heat balance equations for two shields: q = σ(T₁⁴-Tₛ₁⁴)/(1/ε₁+1/εₛ₁-1) = σ(Tₛ₁⁴-Tₛ₂⁴)/(1/εₛ₁+1/εₛ₂-1) = σ(Tₛ₂⁴-T₂⁴)/(1/εₛ₂+1/ε₂-1); solution yields Tₛ₁ ≈ 467 K, Tₛ₂ ≈ 389 K
  • Part (b): Blasius relation f = 0.0791/Re^0.25; wall shear stress τ_w = fρū²/8; velocity gradient in sublayer du/dy = τ_w/μ; equate with 1/7th law at edge of sublayer to obtain δ_s = 11.6ν/u* where u* = √(τ_w/ρ)
  • Part (b): Integration of 1/7th power law to find average velocity ū = 49u_c/60; substitution to express δ_s in terms of Re and pipe diameter
  • Part (c): Reheating increases specific work output (w_net ↑) but decreases thermal efficiency (η_th ↓) due to additional heat addition at lower average temperature; reduces compressor work ratio; mention blade cooling challenges in Indian tropical conditions
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 $T_\infty$ 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 p_1 = 90 kPa, V_1 = 520 m/s और T_1 = 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 p_2 = 160 kPa पर निर्गत न हो जाए। आकलन करें : (i) V_2 (ii) T_2 (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

Derive the governing differential equation for extended surface heat transfer in part (a), applying appropriate boundary conditions for the convective tip case. For part (b), use compressible flow relations or the attached chart to solve for Rayleigh flow with heat removal, identifying whether flow is subsonic or supersonic at inlet. For part (c), explain the detonation limits in SI engines versus knock tolerance in CI engines, then justify supercharger selection for specific duty cycles. Allocate approximately 40% time to (a), 35% to (b), and 25% to (c) based on marks distribution.

  • Part (a): Governing equation d²θ/dx² = m²θ where m² = hP/kA; general solution θ = C₁e^(mx) + C₂e^(-mx) with θ = T - T_∞
  • Part (a): Boundary conditions θ(0) = θ_A = T_A - T_∞ and θ(l) = θ_B = T_B - T_∞; solve for C₁, C₂ to get temperature distribution
  • Part (a): Heat lost by convection integral ∫₀ˡ hP(T-T_∞)dx and heat from wall A = -kA(dT/dx)|_{x=0}
  • Part (b): Inlet Mach number calculation: a₁ = √(γRT₁) = 484.5 m/s, M₁ = 1.073 (supersonic); use Rayleigh flow relations or chart for cooling
  • Part (b): For Rayleigh flow with heat removal from supersonic inlet: M₂ found from p₂/p₁ = 1.778 using chart; V₂ = M₂a₂, T₂ = T₀₂/(1+0.2M₂²)
  • Part (b): Total enthalpy of cooling = c_p(T₀₁ - T₀₂) where stagnation temperatures relate through Rayleigh relation
  • Part (c): SI engine limitation: narrow flammability range, knocking tendency with increased pressure/temperature; CI engine: wider ignition delay control, no knock issue
  • Part (c): Supercharger preferred over turbocharger at low engine speeds, high altitude operations, or when instant response needed (e.g., mining vehicles, marine applications)

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)

हिंदी में पढ़ें

(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

Begin with a concise definition of EGR for part (a), then explain the thermal and dilution mechanisms for NOₓ reduction. For part (b), set up the combustion equation using Orsat data and solve systematically for fuel composition, A/F ratios, and excess air—this numerical part demands ~35% of time. For (c), define nozzle efficiency and velocity coefficient with clear formulas. For (d), explain the balance point concept with a pressure-enthalpy diagram. For (e), outline the Equal Friction Method steps with a simple duct layout example. Conclude each descriptive part with practical implications for Indian conditions (e.g., BS-VI norms, tropical climate design).

  • Part (a): EGR definition as Exhaust Gas Recirculation; thermal effect (reduced flame temperature below 1800K) and dilution effect (lower O₂ concentration) suppressing NOₓ formation via Zeldovich mechanism
  • Part (b): Carbon balance to find x=7.3, hydrogen balance to find y=14.6 giving fuel formula C₇.₃H₁₄.₆ or approximated as C₇H₁₅; stoichiometric O₂ from (x+y/4); actual O₂ from N₂=82.3% using 79:21 ratio
  • Part (b): A/F mole ratio ~18.5, mass ratio ~12.8; excess air ~35% using (actual-theoretical)/theoretical × 100
  • Part (c): Nozzle efficiency ηₙ = (actual KE)/(isentropic KE) = (h₁-h₂)/(h₁-h₂s); Velocity coefficient Cᵥ = √(actual KE/isentropic KE) = √ηₙ; typical values 0.95-0.99
  • Part (d): Balance point as intersection of compressor pumping curve and capillary tube flow characteristic; subcooling control; stable operation zone; effect of condensing pressure variation
  • Part (e): Equal friction method maintains constant pressure drop per unit length (typically 0.5-1.0 Pa/m); sizing ducts using friction chart/Moody diagram; iterative velocity adjustment; suitable for Indian commercial buildings with uniform loading
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

Explain the fundamental combustion differences between CI and SI engines with clear physical reasoning for part (a), supported by well-labelled sketches of swirl chambers. For part (b), set up the regenerative cycle analysis methodically: identify states, apply energy balance at the feed heater, and compute cycle efficiency with proper steam table interpolation. For part (c), apply psychrometric relations precisely to find relative humidity. Allocate approximately 40% effort to part (a) given its 20 marks and diagrammatic demand, 40% to part (b) for its computational complexity, and 20% to part (c).

  • Part (a)(i): CI engines use heterogeneous diffusion-controlled combustion with fuel injection late in compression; SI engines use homogeneous premixed flame propagation with spark ignition; contrast flame speed, ignition delay, and combustion duration characteristics
  • Part (a)(ii): Combustion-induced swirl is organized air motion created by piston motion into specially shaped pre-chamber or main chamber; explain how it enhances air-fuel mixing and reduces ignition delay
  • Part (a)(ii): Two designs—Swirl Chamber (Ricardo Comet V) with tangential throat creating vigorous swirl, and Pre-combustion Chamber with restricted passage creating pressure differential and swirl; both sketched with flow arrows
  • Part (b): Identify turbine inlet (state 1: 30 bar, 400°C), extraction pressure (0.3 MPa ≈ 3 bar), and condenser pressure (0.1 bar); determine state 2s (isentropic expansion to 3 bar) using s1 = s2 and steam tables
  • Part (b): Energy balance at direct-contact heater: y·h2 + (1-y)·h4 = h6 where y is extraction fraction, h4 = hf at 0.1 bar, h6 = hf at 3 bar; solve for y
  • Part (b): Compute h3s (isentropic expansion to 0.1 bar), actual h3 if efficiency given (or assume ideal), then W_turbine and Q_boiler; efficiency η = (W_net)/Q_boiler with pump work neglected
  • Part (c): Apply ω = 0.622·(φ·ps)/(p - φ·ps) or rearrange to find φ = ω·p/(0.622·ps + ω·ps); substitute ω = 0.0115 kg/kg, p = 90 kPa, ps = 4.24 kPa
  • Part (c): Correct numerical substitution yielding φ ≈ 0.305 or 30.5%; show intermediate calculation of partial pressure of vapour pv = ω·p/(0.622 + ω)
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)

हिंदी में पढ़ें

(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

Calculate numerical solutions for all six sub-parts systematically. For (a)(i), apply velocity triangle analysis for impulse turbine; for (a)(ii), explain super-saturation with T-s diagram. For (b), use psychrometric chart data to solve air-conditioning calculations with mixing of fresh and recirculated air. For (c), compute fuel injection parameters using discharge equations. Allocate ~35% time to (a) parts combined (40 marks), ~35% to (b) (20 marks), and ~30% to (c) (10 marks), ensuring all derivations are shown stepwise with proper units.

  • (a)(i) Blade speed u = πDN/60 = 188.5 m/s; velocity triangles constructed with α₁=18°, ρ=0.42; β₁ and β₂ calculated using relative velocity ratio 0.9 and β₂ = β₁ - 3°
  • (a)(i) Axial thrust = ṁ(V_{w1} - V_{w2}) or ṁ(V_{f1} - V_{f2}) depending on velocity components; power = ṁ(V_{w1} + V_{w2})u or ṁV_{w}u for impulse
  • (a)(ii) Super-saturated flow: steam expands below saturation line without condensation, T-s diagram shows metastable region with Wilson line; mass flow rate increases due to higher density than equilibrium conditions
  • (b) Psychrometric properties: room air ω₁, h₁ from chart; supply air at 7°C saturated gives ω₂, h₂; mass flow rate from sensible heat equation Q_s = ṁc_p(ΔT)
  • (b) Latent heat gain from moisture difference and total heat balance; cooling load of air washer using energy balance on mixing (30% fresh, 70% recirculated) and conditioning process
  • (c) Fuel flow rate from BSFC and power; average pressure difference = [(220-30)+(550-60)]/2 = 340 bar; injection time from 15° crank angle at 1500 rpm; nozzle area from ṁ_f = C_d A √(2ρΔp)
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)

हिंदी में पढ़ें

(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

Solve the three sub-parts sequentially, allocating approximately 40% time to part (a) COP calculation using ammonia properties, 40% to part (b) cogeneration mass flow rate with energy balance, and 20% to part (c) T-s diagram comparison of throttling processes. For each numerical part, state assumptions clearly, show property extraction from tables, and present final answers with units. For part (c), draw two distinct T-s diagrams with clear labelling of states and entropy changes.

  • Part (a): Identify T1 = 266.3 K, T2 = 299.7 K; use h_f, h_g, s_f, s_g at given temperatures from ammonia tables; calculate h1, h2, h4 with dry compression and isentropic expansion assumptions; COP = (h1-h4)/(h2-h1)
  • Part (b): Apply steady flow energy equation to HP turbine, heat exchanger, and LP turbine; use given h at 1 MPa, 200°C; find h at 0.3 MPa (saturated liquid for bleed, isentropic expansion for remaining steam to 40 kPa); set up simultaneous equations for power (1 MW) and heating (500 kW) to solve for mass flow rates
  • Part (c)(i): Throttling at turbine inlet for governing — high pressure steam, large pressure drop, significant temperature drop, entropy increase, moves toward saturation, used for load control
  • Part (c)(ii): Throttling at closed feed heater trap exit — saturated liquid at lower pressure, smaller enthalpy drop, minimal temperature change, entropy increase but different magnitude, used for condensate return
  • Part (c): Two T-s diagrams showing: (i) superheated steam throttling with large Δs, moving closer to saturation line; (ii) subcooled/saturated liquid throttling with smaller Δs, remaining in liquid region or entering wet region slightly
  • Correct use of steam table data: at 0.3 MPa, identify h_f for bleed condensate; for LP turbine exit, find quality or h at 40 kPa using s_2 = s_3 (isentropic)
  • Mass balance: m_total = m_bleed + m_LP; energy balances: W_turbine = m_total*(h1-h2) + m_LP*(h2-h3); Q_heater = m_bleed*(h2-h_f at 0.3 MPa)

Practice Mechanical Engineering 2021 Paper II answer writing

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