Mechanical Engineering

UPSC Mechanical Engineering 2023 — Paper II

All 8 questions from UPSC Civil Services Mains Mechanical Engineering 2023 Paper II (400 marks total). Every stem reproduced in full, with directive-word analysis, marks, word limits, and answer-approach pointers.

8Questions
400Total marks
2023Year
Paper IIPaper

Topics covered

Thermodynamics, gas dynamics, heat transfer, heat exchangers (1)Thermodynamics, gas turbine cycles, nozzle flow (1)Heat transfer and thermodynamics (1)Fluid mechanics and thermodynamics (1)Thermodynamics and IC Engines (1)IC Engine Testing and Steam Turbines (1)Thermodynamics - Nozzles, Refrigeration, Lubricants (1)IC Engines, Psychrometrics, Boiler and Chimney (1)

A

Q1
50M Compulsory solve Thermodynamics, gas dynamics, heat transfer, heat exchangers

(a) A 50 kg block of iron at 500 K is placed into open atmosphere which is at a temperature of 285 K. The iron block eventually reaches thermal equilibrium with the atmosphere. Assuming an average specific heat of 0·45 kJ/kg-K for iron, determine the (i) entropy change for the iron block and the atmosphere, and (ii) irreversibility. (10 marks) (b) Show that for normal shock in a perfect gas, M*ₓ M*ᵧ = 1. (10 marks) (c) In the axial flow compressor, for 50% reaction, the blading design is sometimes called symmetrical blading. Explain, with proper equations and justification, why it is called so. (10 marks) (d) An industrial furnace (blackbody) is emitting radiation at 2700 °C. Calculate the following: (i) Spectral emissive power at λ = 1·2 μm, (ii) Wavelength at which the emissive power is maximum, (iii) Maximum spectral emissive power, (iv) Total emissive power. Use Planck's distribution law equation given below: $$E_{b\lambda} = \frac{C_1}{\lambda^5 \left[\exp(C_2/\lambda T)-1\right]}$$ where $C_1 = 3.742 \times 10^8$ W-μm⁴/m², $C_2 = 1.438 \times 10^4$ μm-K. Take $\sigma = 5.67 \times 10^{-8}$ W/m²-K⁴. (10 marks) (e) (i) Write down the basic assumptions for LMTD method in case of heat exchanger analysis. (5 marks) (ii) Write down in which case LMTD method and in which case NTU method will be applicable in basic heat exchanger analysis. (5 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) 500 K पर लोहे के 50 kg के एक खंड को खुले वातावरण में रखा जाता है, जिसका तापमान 285 K है। लोह खंड अंततः वायुमंडल के साथ ऊष्मीय साम्यावस्था तक पहुँच जाता है। लोहे के लिए 0·45 kJ/kg-K की औसत विशिष्ट ऊष्मा मानकर (i) लोहे के खंड और वायुमंडल के एन्ट्रॉपी परिवर्तन तथा (ii) अप्रतिक्रम्यता का निर्धारण कीजिए। (10 अंक) (b) दर्शाइए कि एक आदर्श गैस में सामान्य प्रघात के लिए M*ₓ M*ᵧ = 1. (10 अंक) (c) अक्षीय प्रवाह संपीडक में, 50% प्रतिक्रिया हेतु, फलक अभिकल्प को कभी-कभी सममित फलक कहा जाता है। उचित समीकरणों और औचित्य के साथ समझाइए कि इसे ऐसा क्यों कहा जाता है। (10 अंक) (d) 2700 °C पर एक औद्योगिक भट्टी (कृष्णिका) विकिरण उत्सर्जित करती है। निम्नलिखित की गणना कीजिए: (i) λ = 1·2 μm पर स्पेक्ट्रमी उत्सर्जन शक्ति, (ii) तरंगदैर्ध्य, जिस पर उत्सर्जन शक्ति अधिकतम होती है, (iii) अधिकतम स्पेक्ट्रमी उत्सर्जन शक्ति, (iv) कुल उत्सर्जन शक्ति। नीचे दिए गए प्लैंक वितरण नियम समीकरण का उपयोग कीजिए: E_{bλ} = \frac{C_1}{λ^5 [\exp(C_2/λT)-1]} जहाँ, C₁ = 3·742×10⁸ W-μm⁴/m², C₂ = 1·438×10⁴ μm-K. σ = 5·67×10⁻⁸ W/m²-K⁴ लीजिए। (10 अंक) (e) (i) उष्मा विनिमयक विश्लेषण के मामले में एल० एम० टी० डी० विधि के लिए मूल अभिधारणाएँ लिखिए। (5 अंक) (ii) लिखिए कि मूल उष्मा विनिमयक विश्लेषण में किस स्थिति में एल० एम० टी० डी० विधि और किस स्थिति में एन० टी० यू० विधि लागू होगी। (5 अंक)

Answer approach & key points

Solve each sub-part systematically with clear section headings. For (a), apply entropy balance for irreversible heat transfer to surroundings; for (b), derive the characteristic Mach number relation using normal shock relations; for (c), prove symmetrical velocity triangles using reaction definition; for (d), apply Planck's law and Wien's displacement law with proper unit conversions; for (e), state LMTD assumptions and compare method applicability. Allocate time proportionally: ~15% each to (a), (b), (c), (d) and ~20% to (e) combined.

  • (a) Entropy change of iron: ΔS_iron = mc ln(T2/T1) = 50×0.45×ln(285/500) = -12.52 kJ/K; heat transfer Q = mcΔT = 4837.5 kJ; ΔS_atm = Q/T_atm = +16.97 kJ/K; S_gen = +4.45 kJ/K; Irreversibility I = T0×S_gen = 285×4.45 = 1268.25 kJ
  • (b) Characteristic Mach number M* = V/a* where a* is critical speed of sound; using M*² = [(γ+1)M²]/[2+(γ-1)M²]; apply across normal shock using M_y² = [2+(γ-1)M_x²]/[2γM_x²-(γ-1)]; algebraic manipulation yields M*_x × M*_y = 1
  • (c) 50% reaction R = (Δh_rotor)/(Δh_stage) = 0.5 implies equal enthalpy rise in rotor and stator; from velocity triangles, R = 0.5 gives V1 = V3 and V2 = V4 (mirror symmetry); blade shapes are mirror images → symmetrical blading
  • (d) T = 2973 K; (i) E_bλ at 1.2 μm using Planck's law = 2.42×10¹⁴ W/m²·μm; (ii) λ_max = 2898/2973 = 0.974 μm (Wien's law); (iii) E_bλ,max using Planck's law at λ_max = 4.10×10¹⁴ W/m²·μm; (iv) E_b = σT⁴ = 3.72×10⁶ W/m²
  • (e)(i) LMTD assumptions: steady-state, constant overall heat transfer coefficient U, constant specific heats, no phase change, negligible heat loss to surroundings, counter-flow or parallel-flow configuration
  • (e)(ii) LMTD method: suitable when inlet/outlet temperatures are known, design problem; NTU method: suitable when effectiveness is required, rating problem, or when outlet temperatures are unknown
Q2
50M solve Thermodynamics, gas turbine cycles, nozzle flow

(a) A 15 m high cylinder with a cross-sectional area of 0.6 m² contains 3 m³ of liquid water at 25 °C on the top of a thin insulated piston of mass 20 kg. Below the piston, argon gas is at 15 °C with a volume of 3 m³, as shown in the figure. Heat is supplied to argon such that the piston rises and pushes the water out over the top edge. Find the (i) work done (kJ) to remove the whole water from the top of the piston and (ii) heat transferred (kJ) to argon during the process. (iii) Plot the process on P-v diagram for argon. Assume atmospheric pressure (P₀) as 101 kPa, Cᵥ and R for argon as 0·312 kJ/kg-K and 0·2081 kJ/kg-K respectively. The specific volume of water at 25 °C is 0·001003 m³/kg. Neglect piston thickness. (20 marks) (b) Air at 100 kPa and 290 K enters a gas turbine cycle with two stages of compression and two stages of expansion. This system uses ideal regenerator, reheater and intercooler. The pressure ratio across each stage is 4. 300 kJ/kg of heat is added in combustion chamber and reheater each. The regenerator increases the air temperature by 20 °C. Draw T-s plot and determine the (i) total heat rejected (kJ/kg), (ii) net work output (kJ/kg) and (iii) thermal efficiency of the system. Assume isentropic operation for all compressors and turbines. Take Cₚ of air = 1·005 kJ/kg-K and γ = 1·4. (20 marks) (c) A convergent-divergent nozzle has a throat area of 250 mm² and an exit area of 500 mm². Air enters the nozzle with a stagnation temperature of 350 K and stagnation pressure of 1 MPa. Determine the maximum flow rate of air through the nozzle and the static pressure, static temperature, Mach number and velocity at the exit from the nozzle. Given γ = 1·4, R = 0·287 kJ/kg-K. Use Gas Table to solve the problem. (10 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) 0.6 m² के अनुप्रस्थ-काट क्षेत्रफल वाले एक 15 m ऊँचे सिलिंडर में 20 kg द्रव्यमान के पतले उष्मारोधित पिस्टन के शीर्ष पर 25 °C पर 3 m³ तरल पानी निहित है। पिस्टन के नीचे, 15 °C पर 3 m³ आयतन के साथ आर्गन गैस है, जैसा कि चित्र में दर्शाया गया है। आर्गन को उष्मा की आपूर्ति इस प्रकार की जाती है कि पिस्टन ऊपर उठता है और पानी को ऊपरी किनारे से बाहर धकेलता है। ज्ञात कीजिए (i) पिस्टन के ऊपर से पूरा पानी निकालने के लिए किया गया कार्य (kJ) और (ii) प्रक्रम के दौरान आर्गन को उष्मा अंतरण (kJ). (iii) आर्गन के लिए प्रक्रम का P-v आरेख खींचिए। वायुमंडलीय दाब (P₀) को 101 kPa, आर्गन के लिए Cᵥ और R क्रमशः: 0.312 kJ/kg-K और 0.2081 kJ/kg-K मान लीजिए। 25 °C पर पानी का विशिष्ट आयतन 0.001003 m³/kg है। पिस्टन की मोटाई की उपेक्षा कीजिए। (20 अंक) (b) 100 kPa और 290 K पर वायु संपीडन के दो चरणों और प्रसरण के दो चरणों के साथ एक गैस टरबाइन चक्र में प्रवेश करती है। यह निकाय आदर्श पुन्योजक, पुनस्तापक तथा अंतराशीतक का उपयोग करता है। प्रत्येक चरण में दाब अनुपात 4 है। दहन कक्ष और पुनस्तापक प्रत्येक में 300 kJ/kg ऊष्मा डाली जाती है। पुन्योजक वायु का तापमान 20 °C से बढ़ा देता है। T-s आरेख खींचिए और ज्ञात कीजिए (i) कुल परित्यक्त ऊष्मा (kJ/kg), (ii) शुद्ध उत्पादित कार्य (kJ/kg) तथा (iii) निकाय की तापीय दक्षता। सभी संपीडकों और टरबाइनों के लिए समएंट्रॉपी प्रचालन मान लीजिए। वायु के लिए Cₚ = 1·005 kJ/kg-K तथा γ = 1·4 लीजिए। (20 अंक) (c) एक अभिसारी-अपसारी टुंड का कंठ क्षेत्र 250 mm² तथा निकास क्षेत्र 500 mm² है। वायु 350 K के स्थिर तापमान तथा 1 MPa के स्थिर दाब के साथ टुंड में प्रवेश करती है। टुंड के माध्यम से वायु की अधिकतम प्रवाह दर तथा स्थैतिक दाब, स्थैतिक तापमान, मैक संख्या और वेग, टुंड के निकास पर, ज्ञात कीजिए। γ = 1·4, R = 0·287 kJ/kg-K दिया गया है। प्रश्न के हल हेतु गैस तालिका का उपयोग कीजिए। (10 अंक)

Answer approach & key points

Solve all three parts systematically, allocating approximately 40% time to part (a) as it carries the highest marks (20), and 30% each to parts (b) and (c). For (a), establish equilibrium states of argon gas with varying water head; for (b), construct the complete T-s diagram for the modified Brayton cycle with regeneration, reheating and intercooling; for (c), use isentropic flow tables to determine choked conditions and exit properties. Present derivations clearly with state points labelled on all diagrams.

  • Part (a): Initial argon pressure = P₀ + (m_piston·g)/A + (ρ_water·g·h_water)/A = 101 + 0.327 + 49.05 ≈ 150.4 kPa; mass of argon calculated using ideal gas law
  • Part (a): Work done = ∫P_ext dV = area under P-V curve = P_avg·ΔV + mgh term for water lifting; final answer ~90-95 kJ
  • Part (a): Heat transfer using First Law Q = ΔU + W = m·Cv·(T₂-T₁) + W; temperature rise from ideal gas law with variable pressure
  • Part (b): T-s diagram shows 6 state points with two isentropic compressions (intercooled), two isentropic expansions (reheated), regenerator heat exchange, and heat addition/rejection
  • Part (b): With pressure ratio 4 per stage, overall ratio = 16; regenerator effectiveness implied by 20°C temperature rise; net work and efficiency calculated from enthalpy changes
  • Part (c): Check if nozzle choked: A_exit/A* = 2.0 > 1, so subsonic or supersonic solution possible; from gas tables at γ=1.4, A/A*=2.0 gives Mach ~0.3 (subsonic) or ~2.2 (supersonic)
  • Part (c): Maximum flow occurs when throat is choked (M=1 at throat); use choked flow equation with stagnation conditions; mass flow rate ~0.45-0.50 kg/s
  • Part (c): For supersonic exit solution: static pressure ~0.1 MPa, temperature ~175 K, velocity ~450 m/s; subsonic alternative also acceptable if justified
Q3
50M calculate Heat transfer and thermodynamics

(a) Heat is generated in a stainless steel plate (thermal conductivity = 22 W/m-K) of thickness 1 cm, at a uniform rate of 600 MW/m³. The left side of the plate is maintained at 200 °C and the right side is maintained at 100 °C. What will be the (i) temperature distribution across the plate, (ii) location and value of maximum temperature and (iii) heat flux from both sides of the plate and its direction? Assume one-dimensional, steady-state heat conduction. (20 marks) (b) A combination of a heat engine driving a heat pump (see the figure) takes waste energy at 50 °C as a source, Q̇W1, to the heat engine rejecting heat at 30 °C. The remainder, Q̇W2, goes into the heat pump that delivers Q̇H at 150 °C. If the total waste energy is 5 MW, find the rate of energy delivered at the higher temperature. Assume heat engine and heat pump as reversible : (20 marks) (c) A centrifugal compressor delivers 1·25 kg/s of air while running at 6000 r.p.m. The diameters at the inlet and outlet are 0·5 m and 1 m respectively. The power input factor is 1·04, while the slip factor is unity. The power consumed by the compressor is 50 kW. State the type of impeller used, whether forward, radial or backward curved. Draw velocity triangles. Assume no prewhirl at the inlet. (10 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) 1 cm मोटाई की एक जंगरोधी इस्पात पट्टिका (ऊष्मा चालकता = 22 W/m-K) में 600 MW/m³ की एकसमान दर से ऊष्मा उत्पन्न होती है। पट्टिका के बायीं ओर का तापमान 200 °C पर स्थिर बनाए रखा जाता है और दाहिनी ओर को 100 °C पर स्थिर बनाए रखा जाता है। (i) पट्टिका में तापमान वितरण, (ii) अधिकतम तापमान का स्थान और मान क्या होगा तथा (iii) पट्टिका के दोनों ओर से ऊष्मा फ्लक्स और उसकी दिशा क्या होगी? एक-आयामी, स्थायी-दशा ऊष्मा चालन मान लीजिए। (20 अंक) (b) ऊष्मा पम्प चलाने वाले ऊष्मा इंजन का एक संयोजन (चित्र देखिए) 50 °C पर अपशिष्ट ऊर्जा को एक स्रोत, Q̇W1, के रूप में, 30 °C पर ऊष्मा परित्याग करने वाले ऊष्मा इंजन में ले जाता है। शेष, Q̇W2, ऊष्मा पम्प में चली जाती है जो 150 °C पर Q̇H प्रदान करता है। यदि कुल अपशिष्ट ऊर्जा 5 MW है, तो उच्च तापमान पर वितरित ऊर्जा की दर ज्ञात कीजिए। ऊष्मा इंजन और ऊष्मा पम्प को प्रतिक्रम्य मान लीजिए : (20 अंक) (c) एक अपकेन्द्री संपीडक 6000 r.p.m. पर चलते समय 1·25 kg/s वायु प्रदान करता है। अन्तर्गम तथा निर्गम पर व्यास क्रमशः: 0·5 m और 1 m हैं। शक्ति निवेश गुणक 1·04 है, जबकि सर्पण गुणक इकाई है। संपीडक द्वारा खपत की गई शक्ति 50 kW है। उपयोग किए गए प्रणोदक का प्रकार बताइए, चाहे वह अग्र, विप्र या पश्च वक्र है। वेग त्रिभुज बनाइए। मान लीजिए कि अन्तर्गम पर कोई पूर्व-आवर्त नहीं है। (10 अंक)

Answer approach & key points

Calculate solutions for all three sub-parts systematically: spend ~40% time on part (a) given its 20 marks, ~35% on part (b) for 20 marks, and ~25% on part (c) for 10 marks. For (a), derive the temperature distribution from the heat conduction equation with internal generation; for (b), apply Carnot efficiency and COP relationships for the reversible heat engine-pump combination; for (c), use Euler's pump equation with slip factor and power input factor to determine impeller type. Present each part with clear headings, governing equations, substitutions, and final answers with units.

  • Part (a): Governing equation d²T/dx² + q̇/k = 0 integrated to T(x) = -q̇x²/2k + C₁x + C₂; boundary conditions T(0)=200°C, T(L)=100°C applied to find C₁, C₂
  • Part (a): Temperature distribution T(x) = -13.636x² - 954.55x + 200 (x in m, T in °C); maximum temperature location x = -0.035 m (outside plate, so max at left boundary) or recalculated correctly if interior
  • Part (a): Heat fluxes q''_L = -k(dT/dx)|_{x=0} and q''_R = -k(dT/dx)|_{x=L} with directions stated (leftward at left face, rightward at right face)
  • Part (b): Carnot efficiency η = 1 - T_L/T_H = 1 - 303/323 for engine; COP_HP = T_H/(T_H - T_L) = 423/(423-303) for heat pump; energy balance Q̇_W1 + Q̇_W2 = 5 MW
  • Part (b): Work output from engine Ẇ = ηQ̇_W1 drives heat pump; simultaneous solution yields Q̇_H delivered at 150°C
  • Part (c): Euler work W = σψu₂²/g where σ=1, ψ=1.04; compare with actual power to find u₂; then tanβ₂ = V_f2/(u₂ - V_w2) to determine blade angle and impeller type
  • Part (c): Velocity triangles drawn with inlet radial flow (α₁=90°, V_w1=0) and outlet with calculated blade angle β₂
Q4
50M derive Fluid mechanics and thermodynamics

(a) Considering an ideal, isentropic gas flow through a nozzle, show that choking will occur at Mach number (M) = 1. (20 marks) (b) Water at 30 °C enters a 1·5 cm diameter horizontal tube with a velocity of 1 m/s. The tube wall is maintained at a constant temperature of 90 °C. Calculate the length of the tube if the exit water temperature is 65 °C. One may assume that the flow is turbulent, fully developed and the internal surface of the tube is smooth. The properties of water are given: Thermal conductivity (k) = 0·656 W/m-K Density (ρ) = 984·4 kg/m³ Kinematic viscosity (ν) = 0·497×10⁻⁶ m²/s Specific heat (Cp) = 4178 J/kg-K Prandtl number (Pr) = 3·12 Friction factor (F) = 0·079 (Reynolds number)⁻⁰·²⁵ Reynolds number ≡ ReD Average Nusselt number (NuD) = [(F/2)(ReD - 1000)Pr] / [1 + 12·7(F/2)¹/²(Pr²/³ - 1)] Also, calculate the water temperature at the middle of the tube and pressure drop across the tube. (20 marks) (c) An evacuated 150 L tank is connected to a line flowing air (constant specific heat) at room temperature 25 °C and 8 MPa pressure. The valve is opened, allowing air to flow into the tank until the pressure inside is 6 MPa. At this point, the valve is closed. The filling process occurs rapidly and is essentially adiabatic. The tank is then placed in storage, where it eventually returns to room temperature. What is the final pressure inside the tank? (10 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) एक नोजल के माध्यम से होने वाले एक आदर्श, समएन्ट्रॉपी गैस प्रवाह पर विचार करते हुए दर्शाइए कि मैक संख्या (M) = 1 पर प्रोधन होगा। (20 अंक) (b) 30 °C पर पानी 1 m/s के वेग से 1·5 cm व्यास वाली एक क्षैतिज नलिका में प्रवेश करता है। नलिका की दीवार को 90 °C के स्थिर तापमान पर बनाए रखा जाता है। यदि निकास पानी का तापमान 65 °C है, तो नलिका की लम्बाई की गणना कीजिए। कोई यह मान सकता है कि प्रवाह विषमुख है, पूरी तरह से विकसित है और नलिका का आंतरिक पृष्ठ चिकना है। पानी के गुणधर्म दिए गए हैं: ऊष्मा चालकता (k) = 0·656 W/m-K घनत्व (ρ) = 984·4 kg/m³ श्यानता (ν) = 0·497×10⁻⁶ m²/s विशिष्ट ऊष्मा (Cₚ) = 4178 J/kg-K प्रांडल संख्या (Pr) = 3·12 घर्षण गुणक (F) = 0·079 (रेनॉल्ड्स संख्या)⁻⁰·²⁵ रेनॉल्ड्स संख्या ≡ Reᴅ औसत नुसेल्ट संख्या (Nuᴅ) = [(F/2)(Reᴅ - 1000)Pr] / [1 + 12·7(F/2)¹/²(Pr²/³ - 1)] इसके अलावा, नलिका के मध्य में पानी के तापमान और नलिका में दाब-पात की गणना कीजिए। (20 अंक) (c) एक खाली की गई 150 L की टंकी कमरे के तापमान 25 °C और 8 MPa दाब पर बहने वाली वायु (स्थिर विशिष्ट ऊष्मा) की एक लाइन से जुड़ी है। वाल्व खोला जाता है, जिससे वायु को टंकी में तब तक प्रवाहित होने दिया जाता है, जब तक कि अंदर का दाब 6 MPa न हो जाए। इस क्षण पर वाल्व बंद किया जाता है। यह भरने की प्रक्रिया तेजी से होती है और मूलतः रूद्धोष्म है। फिर टंकी को भंडारण में रखा जाता है, जहाँ वह अंततः कमरे के तापमान पर वापस आ जाती है। टंकी के अंदर अंतिम दाब क्या है? (10 अंक)

Answer approach & key points

Derive the choking condition in part (a) by starting from isentropic relations and showing that mass flow rate maximizes at M=1. For part (b), calculate Reynolds number first, then apply the given Nusselt number correlation to find heat transfer coefficient, use the LMTD or energy balance to find tube length, then compute midpoint temperature and pressure drop. For part (c), apply unsteady filling analysis with adiabatic assumption first, then isochoric cooling to find final pressure. Allocate approximately 40% time to (a), 40% to (b), and 20% to (c) based on marks distribution.

  • Part (a): Derivation showing d(m_dot)/dM = 0 leads to M=1; area-Mach relation A/A* = (1/M)[(2/(γ+1))(1+(γ-1)M²/2)]^((γ+1)/(2(γ-1)))
  • Part (a): Physical explanation that sonic throat is the minimum area where upstream information cannot propagate
  • Part (b): Re_D = VD/ν = 1×0.015/(0.497×10⁻⁶) ≈ 30181 (turbulent, valid for correlation)
  • Part (b): Application of Gnielinski correlation (given) to find h, then energy balance Q = m_dot×Cp×(T_out-T_in) = h×A_s×LMTD to solve for length L
  • Part (b): Midpoint temperature found from exponential temperature profile or iterative energy balance; pressure drop from ΔP = f(L/D)(ρV²/2)
  • Part (c): Adiabatic filling gives T_tank = γT_line for ideal gas with constant specific heats; final pressure after cooling p_f = p_tank×(T_room/T_tank)
  • Part (c): Final pressure calculation yielding approximately 4.5 MPa (or exact value based on γ=1.4)

B

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)

हिंदी में पढ़ें

(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

Begin with part (a) presenting a clear table with seven variables and their effects on ignition delay, citing physical reasoning for each. For (b), enumerate 6-8 desirable characteristics of working fluids with brief justification. Part (c) requires defining reheat factor, then deriving the inequality RF > 1 using T-s diagram and isentropic efficiency concepts. Part (d) should present a structured comparison across 5-6 parameters (energy source, COP, components, applications). Part (e) demands systematic calculation: apply modified Apjohn equation, interpolate vapor pressures, then compute all four psychrometric properties with proper units. Allocate time proportionally: (e) ~25%, (a)-(d) ~18.75% each.

  • Table in (a): Self-ignition temp ↑ → delay ↑; Cetane number ↑ → delay ↓; Compression ratio ↑ → delay ↓; Intake pressure ↑ → delay ↓; Intake temp ↑ → delay ↓; Air-fuel ratio ↑ → delay ↑; EGR ↑ → delay ↑
  • Part (b): Ideal working fluid characteristics—high critical temp, low triple point, high latent heat, chemically stable, non-toxic, low cost, easy availability (water/steam, ammonia, refrigerants cited)
  • Part (c): Reheat factor definition as ratio of cumulative enthalpy drop to single isentropic enthalpy drop; derivation showing RF = Σ(Δh_actual)/Δh_single > 1 due to reheat effect and increasing isentropic efficiency at lower pressures
  • Part (d): Comparison table covering—energy input (work vs heat), COP range, moving parts, noise, maintenance, suitability for waste heat/remote areas (vapour absorption preferred for solar/EGR applications in Indian context)
  • Part (e): Correct application of modified Apjohn equation with p = 1.0066 bar; interpolation for p'_v at 23°C (between 22°C and 24°C); calculation of p_v, then RH, ω, DPT by interpolation, and h = c_p*t + ω*h_g
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)

हिंदी में पढ़ें

(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

Calculate all engine performance parameters in part (a) using systematic thermodynamic formulas, ensuring unit consistency throughout. For part (b), derive the optimum blade speed ratio and maximum efficiency expressions using velocity triangle analysis, with clear diagrams at ρ_optimum. For part (c), enumerate duct design methods with brief explanations. Allocate approximately 40% time to (a), 40% to (b), and 20% to (c) based on marks distribution.

  • Part (a): Brake power P = WN/20000 = 67.5 kW; bmep = (60×P×1000)/(L×A×n×N/2) = 7.82 bar; bsfc = ṁ_f/P = 0.208 kg/kWh; brake thermal efficiency = P/(ṁ_f×CV) = 38.46%; volumetric efficiency = (ṁ_a×R×T_a)/(P_a×V_s×N/2×n) = 85.2%; stoichiometric air-fuel ratio from C/H=83/17 gives excess air ≈ 25%
  • Part (b)(i): Velocity triangles showing inlet/outlet absolute velocities (V₁, V₂), relative velocities (V_{r1}, V_{r2}), blade velocities (u), and angles (α, β, φ, ψ) for 50% reaction stage
  • Part (b)(ii): Derivation using symmetrical triangles (V_{r1}=V₂, V₁=V_{r2}), power output expression, and dP/du = 0 leading to ρ_opt = u/V₁ = cos α
  • Part (b)(iii): Substitution of ρ_opt into efficiency expression η = 2ρ(cos α - ρ)/(1 - 2ρ cos α + ρ²) yielding η_max = 2cos²α/(1+cos²α)
  • Part (b)(iv): Velocity triangles at ρ_opt showing α = β₂ and φ = ψ with V_{r2} perpendicular to blade or specific geometric relationships
  • Part (c): Equal friction method, velocity reduction method, static regain method, and T-method (total pressure method) with brief principles of each
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

Calculate numerical solutions for all sub-parts with systematic working. For (a), apply isentropic flow relations for both equilibrium and supersaturated steam, determining exit area using continuity equation. For (b), use given R134a properties to compute cycle parameters and compare with reversed Carnot cycle. For (c), explain lubricant properties with clear IC engine operational implications. Allocate approximately 40% time to part (a) due to dual cases, 35% to part (b) for six numerical outputs, and 25% to part (c) for conceptual explanations.

  • Part (a)(i): Determine exit enthalpy at 1 bar using s_1 = s_2 = 7.2709 kJ/kg-K, find quality x_2, then velocity from h_0 = h_2 + V_2^2/2000, and exit area A_2 = m_dot*v_2/V_2
  • Part (a)(ii): Apply pv^1.3 = constant for supersaturated flow, calculate T_2 from isentropic relation, find v_2, h_2 using c_p for superheated steam, then velocity and area
  • Part (b): Use 1 TR = 3.517 kW, extract h_f, h_g at -10°C and 44°C from tables, compute refrigerant effect, mass flow rate, compressor work using h_2 = h_g at 44°C + c_p(T_2' - T_2), COP = RE/W
  • Part (b)(v)-(vi): Calculate Carnot COP and work, then find superheat horn loss (area under superheat on T-s diagram) and throttling loss (h_4 - h_4' on enthalpy basis)
  • Part (c): Viscosity affects film strength and pumping losses; VI ensures performance across temperature; pour point determines cold-start capability; flash/fire points indicate safety against crankcase ignition
  • Steam tables interpolation skills demonstrated where needed; all units consistent (kJ/kg, m/s, m², kg/s, kW, kJ/m³)
  • Comparison between actual VCRS and reversed Carnot cycle clearly quantified with percentage or absolute differences
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

Calculate systematically across all three sub-parts: spend ~40% time on (a) Otto cycle (highest computational load with multiple salient points, efficiency, work, MEP and fuel consumption), ~35% on (b) psychrometric mixing and cooling coil analysis (requires chart reading and bypass factor application), and ~25% on (c) chimney draught and stack design (natural draught formula with temperature-dependent density). Present each part with clear headings, state assumptions, show all formulae with substitutions, and conclude with labelled diagrams as demanded.

  • Part (a): Compression ratio r = (V_s + V_c)/V_c = 6.32; T2 = 562 K, p2 = 12.6 bar; T3 = 2233 K after heat addition; T4 = 1125 K, p4 = 3.97 bar; η_otto = 51.1%; W_net = 287 kJ/kg; MEP = 4.52 bar; fuel consumption = 0.202 kg/kWh
  • Part (b): Mixing line on psychrometric chart yields mixture at ~37°C DBT, 50% RH; after cooling coil with BPF=0.2, outlet DBT = 15.4°C, RH ~95%; room SHF = 0.82; coil cooling capacity = 8.6 TR
  • Part (c): Chimney height H = 42.3 m using draught equation Δp = gH(ρ_a - ρ_g); base diameter D = 1.85 m from continuity with mass flow; mass flow rate of flue gases = 14.4 kg/s
  • P-v and T-s diagrams for Otto cycle with all four states labelled and heat/work arrows indicated; skeleton psychrometric chart showing mixing, cooling coil process, and room condition line
  • Correct application of isentropic relations pV^γ = constant and T2/T1 = (V1/V2)^(γ-1) for Otto cycle; use of psychrometric relations ω = 0.622p_v/(p-p_v) and bypass factor definition
  • Unit consistency throughout: pressures in bar or kPa, temperatures in K for calculations, specific volumes in m³/kg, mass flow rates in kg/s or kg/min as appropriate

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