Q5 50M Compulsory calculate Thermodynamics and IC Engines
(a) Show in the form of a table, how the increase in the following variables affects (increase or decrease) the ignition delay period of a compression ignition (CI) engine: (i) Self-ignition temperature, (ii) Cetane number, (iii) Compression ratio, (iv) Intake pressure, (v) Intake temperature, (vi) Air-fuel ratio, (vii) Exhaust gas recirculation. (10 marks)
(b) What are the desirable characteristics of an ideal working fluid for vapour power cycle? (10 marks)
(c) What is reheat factor of a steam turbine? Derive an expression to show that the reheat factor is always greater than unity. (10 marks)
(d) Compare vapour compression and vapour absorption refrigeration systems. (10 marks)
(e) Without using psychrometric chart, calculate (i) relative humidity, (ii) humidity ratio, (iii) dew point temperature and (iv) enthalpy of moist air, when DBT is 35 °C and WBT is 23 °C. The barometer reads 755 mm of Hg. Use modified Apjohn equation (take values of pressure in bar): p_v = p'_v - (1.8p(t-t'))/2700 where, p_v = partial pressure of water vapour (w.v.) corresponding to DPT, p'_v = partial pressure of w.v. corresponding to WBT, t = DBT, t' = WBT, p = barometric pressure. Use the properties of water vapour given below: t (°C) | Vapour pressure (bar) ---|--- 10 | 0·012272, 12 | 0·014017, 14 | 0·015977, 16 | 0·018173, 18 | 0·020630, 20 | 0·023373, 22 | 0·026431, 24 | 0·029832, 32 | 0·047552, 34 | 0·053201, 36 | 0·059423. (10 marks)
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(a) एक तालिका के रूप में दर्शाइए कि निम्नलिखित चरों में वृद्धि, संपीडन प्रज्वलन (सी. ओ.) इंजन के प्रज्वलन विलम्ब काल को कैसे प्रभावित (वृद्धि या कमी) करती है: (i) स्वतः प्रज्वलन तापमान, (ii) सीटेन संख्या, (iii) संपीडन अनुपात, (iv) अंतर्ग्राही दाब, (v) अंतर्ग्राही तापमान, (vi) वायु-ईंधन अनुपात, (vii) रेचन गैस पुनःसंचारण। (10 अंक)
(b) वाष्प शक्ति चक्र हेतु एक आदर्श कार्यकारी तरल की वांछनीय विशेषताएं क्या हैं? (10 अंक)
(c) भाप-टरबाइन का पुनःस्थाप गुणक क्या है? पुनःस्थाप गुणक हमेशा एक से बड़ा होता है, यह दर्शाने हेतु एक व्यंजक की व्युत्पत्ति कीजिए। (10 अंक)
(d) वाष्प संपीडन तथा वाष्प अवशोषण प्रशीतन प्रणालियों की तुलना कीजिए। (10 अंक)
(e) साइक्रोमीट्रिक चार्ट का उपयोग किए बिना गणना कीजिए (i) आपेक्षिक आर्द्रता, (ii) आर्द्रता अनुपात, (iii) ओसांक तापमान तथा (iv) आर्द्र वायु की एन्थैल्पी, जब डी० बी० टी० 35 °C और डब्ल्यू० बी० टी० 23 °C है। बैरोमीटर 755 mm Hg बता रहा है। संशोधित एपीजॉन समीकरण का प्रयोग कीजिए (bar में दाब का मान लीजिए): p_v = p'_v - (1.8p(t-t'))/2700 जहाँ, p_v = डी० पी० टी० के अनुरूप जलवाष्प का आंशिक दाब, p'_v = डब्ल्यू० बी० टी० के अनुरूप जलवाष्प का आंशिक दाब, t = डी० बी० टी०, t' = डब्ल्यू० बी० टी०, p = बैरोमीटरी दाब। निचे दिए गए जलवाष्प के गुणों का उपयोग कीजिए: t (°C) | वाष्प-दाब (bar) ---|--- 10 | 0·012272, 12 | 0·014017, 14 | 0·015977, 16 | 0·018173, 18 | 0·020630, 20 | 0·023373, 22 | 0·026431, 24 | 0·029832, 32 | 0·047552, 34 | 0·053201, 36 | 0·059423। (10 अंक)
Answer approach & key points
(a) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check | (b) write short notes: define > 3-4 key features > one example > one-line significance | (c) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check | (d) compare: paired headings or table > key differences > significance > conclusion | (e) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: All parts answered with correct method, clear derivations, and accurate calculations.
- Self-ignition temperature up: delay up
- Cetane number, compression ratio, intake pressure and temperature up: delay down
- Leaner air-fuel ratio: delay up
- More EGR: delay up
- High latent heat and critical temperature
- Moderate saturation pressures at boiler and condenser
- Low liquid specific volume and specific heat
- Stable, non-corrosive, non-toxic, cheap
- Definition sum of stage drops over overall drop
- Isentropic drop dh = v dp
- Entropy rises through the turbine, v increases with s at constant p
- Sum of stage drops exceeds overall drop
- Energy input: work versus heat
- Refrigerant versus refrigerant-absorbent pair
- COP and moving parts
- Size, cost and applications
- p = 1.0066 bar and p'_v = 0.028132 bar
- p_v = 0.020079 bar
- RH 35.7 percent and omega 0.01266
- Dew point 17.55 C and h 67.7 kJ/kg
Q6 50M calculate IC Engine Testing and Steam Turbines
(a) The power output of a six-cylinder, four-stroke CI engine is absorbed by a hydraulic dynamometer for which the law is P = WN/20000, where P is the power in kW, W is the brake load in newton and N is the engine speed in r.p.m. The following observations are made during a test on the engine: Bore = 100 mm; Stroke = 110 mm; Brake load = 540 N; Engine speed = 2500 r.p.m.; C/H ratio of the fuel (by mass) = 83/17; Ambient pressure = 1·0 bar; Ambient temperature = 27 °C; Time taken for 100 cc of fuel consumption = 18 s; Fuel density = 780 kg/m³; Calorific value of the fuel = 45 MJ/kg; Mass flow rate of atmospheric air consumed by the engine = 5·301126 kg/min. Calculate the bmep, bsfc, brake thermal efficiency, volumetric efficiency and the percentage of excess air. Given, R_air = 0·287 kJ/kg-K. (20 marks)
(b) (i) Draw typical velocity triangles of a stage of a reaction turbine, clearly showing the various velocities. (ii) Derive an expression to show that the optimum value of ρ, the blade-to-steam speed ratio for a Parsons reaction turbine is given by ρ = cos α, where α is the inlet angle of the fixed blades. (iii) Also, show that the maximum efficiency of the Parsons reaction turbine is given by η_maximum = (2 cos² α)/(1 + cos² α). (iv) Draw the velocity triangles of the Parsons reaction turbine operating at ρ_optimum. (20 marks)
(c) Explain briefly the various methods of air-conditioning duct design. (10 marks)
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(a) एक छः-सिलिंडर, चार-स्ट्रोक सी। आई। इंजन की निगम शक्ति एक द्रवचालित डायनमोमीटर द्वारा अवशोषित कर ली जाती है, जिसके लिए P = WN/20000 नियम है, जहाँ P, kW में शक्ति है, W न्यूटन में आरोध (ब्रेक) भार है तथा N, r.p.m. में इंजन की गति है। इंजन पर एक परीक्षण के दौरान निम्नलिखित अवलोकन किए गए: बोर = 100 mm; स्ट्रोक = 110 mm; आरोध (ब्रेक) भार = 540 N; इंजन गति = 2500 r.p.m.; ईंधन का C/H अनुपात (द्रव्यमान द्वारा) = 83/17; परिवेश दाब = 1·0 bar; परिवेश तापमान = 27 °C; 100 cc ईंधन खपत के लिए लिया गया समय = 18 s; ईंधन घनत्व = 780 kg/m³; ईंधन का ऊष्मीय मान = 45 MJ/kg; इंजन द्वारा उपभोग की गई वायुमंडलीय वायु की द्रव्यमान प्रवाह दर = 5·301126 kg/min. ब्रेक माध्य प्रभावी दाब, ब्रेक विशिष्ट ईंधन खपत, ब्रेक तापीय दक्षता, आयतनिक दक्षता तथा अतिरिक्त वायु के प्रतिशत की गणना कीजिए। R_वायु = 0·287 kJ/kg-K दिया गया है। (20 अंक)
(b) (i) प्रतिक्रिया टरबाइन के एक चरण के विरुद्ध वेग त्रिभुज बनाइए, जो स्पष्ट रूप से विभिन्न वेगों को दर्शाते हों। (ii) पार्संस प्रतिक्रिया टरबाइन के ब्लेड-से-भाप गति अनुपात, ρ का इष्टत मान ρ = cos α से दिया जाता है, यह दर्शाने हेतु एक व्यंजक व्युत्पन्न कीजिए, जहाँ α स्थिर ब्लेड का अंतर्गामी कोण है। (iii) यह भी दर्शाइए कि पार्संस प्रतिक्रिया टरबाइन की अधिकतम दक्षता η_अधिकतम = (2cos²α)/(1+cos²α) द्वारा दी गई है। (iv) ρ_इष्टत पर संचालित पार्संस प्रतिक्रिया टरबाइन के वेग त्रिभुज बनाइए। (20 अंक)
(c) वातानुकूलन वाहिनी अभिकल्पना की विभिन्न विधियों की संक्षेप में व्याख्या कीजिए। (10 अंक)
Answer approach & key points
(a) 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 diagrams; all calculations shown with units; concise and accurate explanations.
- Brake power 67.5 kW and swept rate 0.10799 m3/s
- bmep 6.25 bar, bsfc 0.231 kg/kWh
- Brake thermal efficiency 34.6%
- Volumetric efficiency 70.4% and excess air 32.4%
- Symmetrical triangles with V_r2 = C1
- Work U(2C1 cos alpha - U)
- rho = cos alpha from efficiency maximisation
- eta_max = 2cos^2 alpha/(1 + cos^2 alpha); right-angled triangles at optimum
- Velocity reduction method
- Equal friction method
- Static regain method
- Velocity pressure and T-methods
Q7 50M calculate Thermodynamics - Nozzles, Refrigeration, Lubricants
(a) A convergent-divergent nozzle receives steam at 5 bar, 250 °C and expands it isentropically into a space at 1 bar. Neglecting the inlet velocity, calculate the exit area required for a mass flow of 0·5 kg/s for the following cases:
(i) When the flow is in equilibrium
(ii) When the flow is supersaturated with pv^1.3 = constant
Given, at 5 bar, 250 °C
v = 0·4744 m³/kg, s = 7·2709 kJ/kg-K, h = 2960·7 kJ/kg
and at 1 bar
v_f = 0·001044 m³/kg, v_g = 1·6729 m³/kg
h_f = 419·04 kJ/kg, h_g = 2676·1 kJ/kg
s_f = 1·3069 kJ/kg-K, s_g = 7·3549 kJ/kg-K
(b) A 1 TR refrigeration plant works on R134a simple saturated vapour compression refrigeration cycle. The evaporator and condenser temperatures are –10 °C and 44 °C respectively. Determine the (i) mass flow rate of the refrigerant, (ii) compressor power, (iii) volumetric cooling capacity and (iv) COP. Also, calculate the (v) increase in the specific compressor work due to superheat horn and (vi) throttling loss, in comparison to reversed Carnot cycle operating between the same temperature limits. Consider the entry to compressor as saturated vapour and saturated liquid refrigerant is leaving the condenser in the reversed Carnot cycle. The properties of R134a are given in the table:
Take specific heat of vapour refrigerant as 1·26 kJ/kg-K.
(c) Explain how the following characteristics of the lubricating oils affect the operation of an internal combustion (IC) engine:
(i) Viscosity
(ii) Viscosity index
(iii) Pour point
(iv) Flash point and fire point
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(a) एक अभिसारी-अपसारी नोजल 5 bar, 250 °C पर भाप प्राप्त करता है और उसे 1 bar पर समएन्ट्रॉपी विधि से किसी क्षेत्र में प्रसारित करता है। अंतरिम वेग की उपेक्षा करते हुए निम्नलिखित मामलों के लिए 0·5 kg/s के द्रव्यमान प्रवाह के लिए आवश्यक निर्गम क्षेत्र की गणना कीजिए :
(i) जब प्रवाह संतुलन में हो
(ii) जब प्रवाह pv^1.3 = स्थिरांक से अतिसंतृप्त हो
दिया गया है, 5 bar, 250 °C पर
v = 0·4744 m³/kg, s = 7·2709 kJ/kg-K, h = 2960·7 kJ/kg
और 1 bar पर
v_f = 0·001044 m³/kg, v_g = 1·6729 m³/kg
h_f = 419·04 kJ/kg, h_g = 2676·1 kJ/kg
s_f = 1·3069 kJ/kg-K, s_g = 7·3549 kJ/kg-K
(b) एक 1 TR प्रशीतन संयंत्र R134a सरल संतृप्त वाष्प संपीडन प्रशीतन चक्र पर कार्य करता है। वाष्पीकरण और संघनन के तापमान क्रमशः: –10 °C और 44 °C हैं। ज्ञात कीजिए (i) प्रशीतक की द्रव्यमान प्रवाह दर, (ii) संपीडक शक्ति, (iii) आयतनिक शीतलन क्षमता तथा (iv) निष्पादन गुणांक (सी.ओ. पी.)। यह भी ज्ञात कीजिए (v) अतिताप श्रंग के कारण संपीडक के विशिष्ट कार्य में वृद्धि तथा (vi) उपरोधन हानि, समान तापमान सीमाओं के बीच चलने वाले व्युत्क्रम कार्नो चक्र की तुलना में। संपीडन में प्रवेश को संतृप्त वाष्प के रूप में मानिए और व्युत्क्रम कार्नो चक्र में संघनित्र से संतृप्त तरल प्रशीतक बाहर आ रहा है। R134a के गुण तालिका में दिए गए हैं :
(c) व्याख्या कीजिए कि स्नेहक तेल की निम्नलिखित विशेषताएँ अंतर्दहन (आई. सी.) इंजन के प्रचालन को कैसे प्रभावित करती हैं :
(i) श्यानता
(ii) श्यानता सूचकांक
(iii) बहाव बिंदु
(iv) स्फुरक एवं अग्नि तापांक
Answer approach & key points
(a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) explain: definition/context > points in order > small example > short close Full marks: Rigorous application of thermodynamic laws with clear diagrams and physical interpretation.
- Equilibrium: x2 0.9861, h2 2644.75, C2 794.9, v2 1.6497
- Equilibrium area 1038 mm2
- Supersaturated: v2 1.6361, dh 318.9, C2 798.6
- Area 1024 mm2 and comparison
- States 1 to 4 with h2 = 428.96 kJ/kg
- Mass flow 0.0270 kg/s and power 0.977 kW
- COP 3.60 and volumetric capacity 1309 kJ/m3
- Horn 0.07 kJ/kg and throttling 7.73 kJ/kg
- Viscosity: film strength versus friction
- Viscosity index: change with temperature
- Pour point: cold flow
- Flash and fire points: safety and evaporation
Q8 50M calculate IC Engines, Psychrometrics, Boiler and Chimney
(a) An SI engine working on the Otto cycle has cylinder bore of 210 mm and stroke length of 240 mm. The clearance volume is 1550 cc. The pressure and temperature at the beginning of compression are 1 bar and 17 °C respectively. The maximum pressure of the cycle is 50 bar. Determine the pressure and temperature at the salient points in the cycle, the air-standard efficiency, the work done and the mean effective pressure. Show the cycle on P-v and T-s diagrams. Evaluate the fuel consumption in kg/kWh, if the calorific value of the fuel is 40 MJ/kg.
Take Cp and Cv of air as 1·005 kJ/kg-K and 0·718 kJ/kg-K respectively.
(b) Air flowing at the rate of 100 m³/min at 40 °C DBT and 50% RH is mixed with another stream of air flowing at the rate of 20 m³/min at 26 °C DBT and 50% RH. The mixture flows over a cooling coil whose ADP temperature is 10 °C and bypass factor is 0·2. Find the DBT and RH of air leaving the coil. If this air is supplied to an air-conditioned room, where DBT of 26 °C and RH of 50% are maintained, then calculate the (i) room sensible heat factor and (ii) coil cooling capacity in tons of refrigeration.
Draw a schematic diagram of the system and show all the processes on a skeleton psychrometric chart.
Psychrometric chart is given.
(c) A process industry employs a medium pressure boiler to produce steam. The mass flow rate of fuel consumed is 0·847 kg/s and c.v. of the fuel is 44 MJ/kg. For efficient combustion, 16 kg of air per kg of fuel is required, for which a draught of 30 mm of the water column is required at the base of the chimney. The flue gases leave the boiler at 350 °C. The average temperature of gases in the stack may be taken as 300 °C. The atmosphere is at 20 °C.
Assuming the velocity of gases at the stack exit to be negligible, determine the height of the stack and the diameter at its base.
Also, calculate the mass flow rate of the gases.
Take Patmosphere = 101·3 kPa, Rair = Rgases = 0·287 kJ/kg-K, g = 9·81 m/s²,
ρwater = 1000 kg/m³.
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(a) ओटो चक्र पर कार्य करने वाले एक स्पार्क इग्निशन इंजन में सिलिंडर बोर 210 mm और स्ट्रोक लंबाई 240 mm है। अवकाश आयतन 1550 cc है। संपीडन के आरंभ में दाब और तापमान क्रमशः 1 bar और 17 °C है। चक्र का अधिकतम दाब 50 bar है। चक्र के मुख्य बिंदुओं पर दाब और तापमान, वायु-मानक दक्षता, कृतकार्य तथा माध्य प्रभावी दाब निर्धारित कीजिए। चक्र को P-v और T-s आरेख पर दर्शाइए। यदि ईंधन का उष्मीय मान 40 MJ/kg है, तो kg/kWh में ईंधन की खपत का मूल्यांकन कीजिए।
वायु के Cp और Cv को क्रमशः 1·005 kJ/kg-K और 0·718 kJ/kg-K लीजिए।
(b) 40 °C डी० बी० टी० और 50% आर० एच० पर 100 m³/min की दर से प्रवाहित वायु को 26 °C डी० बी० टी० और 50% आर० एच० पर 20 m³/min की दर से प्रवाहित वायु की दूसरी धारा के साथ मिलाया जाता है। मिश्रण शीतलन कुंडली पर से प्रवाहित होता है जिसका ए० डी० पी० तापमान 10 °C तथा उपमार्ग गुणक 0·2 है। कुंडली से निकलने वाली वायु का डी० बी० टी० और आर० एच० ज्ञात कीजिए। यदि यह वायु एक वातानुकूलित कक्ष में आपूर्ति की जाती है, जहाँ डी० बी० टी० 26 °C और आर० एच० 50% बनाए रखा जाता है, तो गणना कीजिए (i) कक्ष संवेदी उष्मा गुणक तथा (ii) प्रशीतन टन में कुंडली शीतलन क्षमता।
तंत्र का एक योजनाबद्ध आरेख बनाइए और सभी प्रक्रियाओं को एक साइक्रोमीट्रिक चार्ट के ढाँचे पर दर्शाइए।
साइक्रोमीट्रिक चार्ट दिया हुआ है।
(c) एक प्रक्रम उद्योग भाप का उत्पादन करने हेतु एक मध्यम दाब वाले बॉयलर का उपयोग करता है। उपभोग किए गए ईंधन की द्रव्यमान प्रवाह दर 0·847 kg/s है और ईंधन का उष्मीय मान (CV) 44 MJ/kg है। कुशल दहन हेतु, प्रति kg ईंधन में 16 kg वायु की आवश्यकता होती है, जिसके लिए चिमनी के आधार पर जल स्तंभ के 30 mm के प्रवात की आवश्यकता होती है। फ्लू गैस बॉयलर से 350 °C पर निकलती है। स्टैक में गैस का औसत तापमान 300 °C लिया जा सकता है। वातावरण 20 °C पर है।
यह मानते हुए कि स्टैक के निर्गम पर गैसों का वेग नगण्य है, स्टैक की ऊँचाई और उसके आधार का व्यास निर्धारित कीजिए।
इसके अलावा, गैसों की द्रव्यमान प्रवाह दर की भी गणना कीजिए।
Pवायुमंडल = 101·3 kPa, Rवायु = Rगैस = 0·287 kJ/kg-K, g = 9·81 m/s²,
ρजल = 1000 kg/m³ लीजिए।
Answer approach & key points
(a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: All parts fully solved with correct equations, units, and diagrams; clear interpretation of results.
- Compression ratio 6.363
- T2 607.9 K, p2 13.33 bar; T3 2280 K; T4 1088 K, p4 3.75 bar
- Efficiency 52.3%, work 7.43 kJ, mep 8.94 bar
- Fuel consumption 0.172 kg/kWh and diagrams
- Mixing: ṁ 2.197 kg/s, t_M 37.6 C
- Coil exit 15.5 C and RH about 94%
- RSHF about 0.97
- Coil capacity about 31.6 TR with diagrams
- Gas flow 14.4 kg/s
- Draught 294.3 Pa and densities 1.204 and 0.616 kg/m3
- Height 51 m
- Base diameter about 1.0 m