(a) A piston-cylinder contains 2 kg of argon at T₁ = 300 K and V₁ = 1 m³ (state 1). Argon is heated by an electric heater of 10 A, 220 volts for 10 seconds at constant volume; during the process, 20% heat is lost (state 2). The gas is now allowed to expand from pressure P₂ to a final state with temperature T₃ = 40 °C and final pressure P₃ = 0·5P₂ (state 3). The process 2–3 follows PVⁿ = constant. Find the index of expansion n for the process 2–3. Take for argon R = 0·2081 kJ/kg-K and C_v = 0·312 kJ/kg-K. (10 marks)
(b) A gas turbine plant operates on ideal Brayton cycle between T_min = 300 K and T_max = 1200 K. Find the maximum work done per kg of air and the corresponding cycle efficiency. Assume C_p of air as 1·005 kJ/kg-K. (10 marks)
(c) An air jet (γ = 1·4, R = 287 J/kg-K) at 425 K has sonic velocity. Determine the (i) velocity of sound at the stagnation condition, (ii) maximum velocity of the jet and (iii) Crocco number. (10 marks)
(d) Determine the heat transfer across the composite wall shown in the figure given below. Take the thermal conductivities of A, B, C, D and E as 50, 10, 8, 20 and 25 W/m-K respectively and assume one-dimensional heat transfer : Determine the heat transfer through the composite wall shown in the figure below. Take the thermal conductivities of A, B, C, D and E as 50, 10, 8, 20 and 25 W/m-K, respectively and assume one-dimensional heat transfer : (10 marks)
(e) Consider a large plane wall of thickness 0·25 m, having thermal conductivity 3 W/m-°C and surface area 10 m². The left side of the wall is subjected to a net heat flux of 750 W/m². The surface temperature of the left side of the wall is 90 °C. Assuming constant thermal conductivity and no heat generation in the wall, express the differential equation and boundary conditions for steady one-dimensional heat conduction through the wall. Also, obtain a relation for the variation of temperature in the wall by solving the differential equation and find the temperature of the right side of the wall. (10 marks)
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(a) एक पिस्टन-सिलिण्डर में T₁ = 300 K तथा V₁ = 1 m³ पर 2 kg आर्गन निहित है (अवस्था 1)। स्थिर आयतन पर 10 A, 220 वोल्ट के वैद्युत तापक द्वारा आर्गन को 10 सेकण्ड के लिए गर्म किया जाता है; इस प्रक्रिया के दौरान 20% ऊष्मा लुप्त हो जाती है (अवस्था 2)। अब गैस को दाब P₂ से विस्तार कर अंतिम अवस्था में पहुँचने दिया जाता है, जहाँ तापमान T₃ = 40 °C तथा अंतिम दाब P₃ = 0·5P₂ होता है (अवस्था 3)। प्रक्रिया 2–3, PVⁿ = स्थिरांक का अनुसरण करती है। प्रक्रिया 2–3 हेतु विस्तार सूचकांक n ज्ञात कीजिए। आर्गन के लिए R = 0·2081 kJ/kg-K तथा C_v = 0·312 kJ/kg-K लीजिए। (10 अंक)
(b) एक गैस टर्बाइन संयंत्र T_min = 300 K तथा T_max = 1200 K के मध्य आदर्श ब्रेटन चक्र पर संचालित होता है। प्रति kg वायु द्वारा किया गया अधिकतम कार्य तथा संबंधित चक्र दक्षता ज्ञात कीजिए। वायु के लिए C_p को 1·005 kJ/kg-K मान लीजिए। (10 अंक)
(c) 425 K तापमान पर एक वायु प्रधार (γ = 1·4, R = 287 J/kg-K) ध्वनिक वेग पर होती है। ज्ञात कीजिए (i) स्थिर अवस्था में ध्वनिक वेग, (ii) प्रधार का अधिकतम वेग तथा (iii) क्रोको संख्या। (10 अंक)
(d) निचे दिए गए चित्र में दर्शाई गई मिश्रित भित्ति (दीवार) के आर-पार ऊष्मा स्थानांतरण ज्ञात कीजिए। A, B, C, D और E की ऊष्मा चालकताएँ क्रमश: 50, 10, 8, 20 और 25 W/m-K लीजिए तथा एक-आयामी ऊष्मा स्थानांतरण मान लीजिए : (10 अंक)
(e) मोटाई 0·25 m, 3 W/m-°C ऊष्मा चालकता तथा 10 m² पृष्ठीय क्षेत्रफल वाली एक बड़ी समतल भित्ति (दीवार) पर विचार कीजिए। भित्ति के बाएँ भाग पर 750 W/m² का कुल ऊष्मा अभिवाह लागू होता है। भित्ति की बाईं ओर का पृष्ठीय तापमान 90 °C है। स्थिर ऊष्मा चालकता तथा भित्ति में ऊष्मा उत्पादन न होने की धारणा के साथ, भित्ति के आर-पार स्थायी एक-आयामी ऊष्मा चालन के लिए अवकल समीकरण तथा परिसीमा प्रतिबंधों को व्यक्त कीजिए। साथ ही, अवकल समीकरण को हल करके भित्ति में तापमान के परिवर्तन के लिए एक संबंध प्राप्त कीजिए और भित्ति के दाहिने भाग का तापमान ज्ञात कीजिए। (10 अंक)
Answer approach & key points
(a) A three-state closed-system problem on argon: 'Find the index of expansion n' requires the candidate to fix state 1 from the ideal-gas equation, get state 2 from a constant-volume energy balance using the electrical work minus 20% heat loss, and then apply the polytropic P-T relation between states 2 and 3 to extract n. Only n is asked, but P1, T2 and P2 must be computed on the way. (b) 'Find the maximum work done per kg of air and the corresponding cycle efficiency' for an ideal Brayton cycle between fixed Tmin and Tmax: the candidate must recognise that maximum specific net work occurs at the optimum pressure ratio where T2 = T4 = sqrt(Tmin x Tmax), then compute w_net,max and the efficiency at that condition (not the Carnot efficiency). (c) Three separate values are demanded for an air jet whose static temperature is 425 K at sonic condition (M = 1): (i) the speed of sound at the stagnation state, (ii) the maximum (zero-temperature) velocity attainable by isentropic expansion, and (iii) the Crocco number. The key recognition is that 'has sonic velocity' fixes M = 1 so T = T* = 425 K and T0 = 1.2 T. (d) 'Determine the heat transfer across the composite wall shown in the figure' requires building the thermal-resistance network for the five-slab wall (A in series, B and C in parallel, then D, then E in series) and evaluating Q = (T1 - T2)/R_total for the 600 degC overall temperature difference. (e) Three linked demands: (1) write the governing differential equation and both boundary conditions for steady 1-D conduction in a plane wall with constant k and no generation, (2) solve it to obtain T(x), and (3) evaluate the right-face temperature. The left boundary is a specified-flux (Neumann) condition of 750 W/m^2 and the left surface temperature 90 degC is the second condition.
- P₁ = mRT₁/V₁ = 124.9 kPa
- Net energy 17.6 kJ from 22 kJ electrical input less 20%, giving T₂ = 328.2 K and P₂ = 136.6 kPa
- State 3: T₃ = 313.15 K and P₃ = 0.5P₂
- n from T₃/T₂ = (P₃/P₂)^((n−1)/n), giving n ≈ 1.07
- Optimum condition T₂ = T₄ = √(T_min T_max) = 600 K
- Pressure ratio (T₂/T₁)^(γ/(γ−1)) ≈ 11.3
- Maximum work = 301.5 kJ/kg
- Efficiency 1 − T₁/T₂ = 50%
- M = 1 at 425 K so T* = 425 K and T₀ = 1.2T* = 510 K
- a₀ = 452.7 m/s
- V_max = √(2C_pT₀) ≈ 1012 m/s
- Crocco number = V/V_max ≈ 0.408
- Series-parallel resistance network with B and C in parallel
- Individual resistances R = L/kA with the correct areas
- R_BC = 0.01111 and R_total = 0.01911 K/W
- Q = 600/0.01911 ≈ 31.4 kW
- d²T/dx² = 0 for steady one-dimensional conduction with constant k and no generation
- Boundary conditions −k dT/dx = 750 W/m² and T(0) = 90 °C
- T(x) = 90 − 250x
- Right face T(0.25) = 27.5 °C
(a) (i) During a heat transfer process, the entropy change of incompressible substances, such as water, can be determined from ΔS = mC_avg ln (T₂/T₁). Show that for thermal energy reservoirs, such as large lakes, this relation reduces to ΔS = Q/T. (10 marks)
(ii) A refrigeration system is to cool bread loaves with an average mass of 400 g from 25 °C to –10 °C at a rate of 400 loaves per hour by refrigerated air at –25 °C. Taking the average specific and latent heats of bread to be 2·90 kJ/kg-°C and 109·15 kJ/kg, respectively, determine (1) the rate of heat removal from the bread in kJ/hr and (2) the required volume flow rate of air in m³/hr, if the temperature rise of air is not to exceed 5 °C. The gas constant of air is 0·287 kPa-m³/kg-K. The specific heat of air at average temperature is 1·0 kJ/kg-°C. Take atmospheric air pressure as 101·3 kPa. (10 marks)
(b) (i) Show that the entropy change across the normal shock in an adiabatic flow in a duct is given by ΔS = −R ln (P₀Y / P₀X). (10 marks)
(ii) Differentiate between Fanno and Rayleigh flows. (10 marks)
(c) Wind is blowing at 50 km/hr along a 12 m long and 5 m high wall of a house. The atmospheric air is at 4 °C and the wall surface temperature is 10 °C. Determine the rate of heat loss from the wall by convection. The properties of air at 1 atmosphere and at mean film temperature may be taken as : k = 0·0248 W/m-°C, v = 1·412×10⁻⁵ m²/s, Pr = 0·72. Use the Nusselt number correlation for combined flow : Nu = (0·037 Re⁰·⁸ − 871) Pr⁰·³³ (10 marks)
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(a) (i) ऊष्मा अंतरण प्रक्रिया के दौरान, जल जैसे असंपीड्य पदार्थों के एन्ट्रॉपी परिवर्तन को ΔS = mC_avg ln (T₂/T₁) सूत्र से निर्धारित किया जा सकता है। दर्शाइए कि बड़ी झीलों जैसे ऊष्मीय ऊर्जा भंडारों के लिए, यह संबंध घटकर ΔS = Q/T में परिवर्तित हो जाता है। (10 अंक)
(ii) एक प्रशीतलन प्रणाली द्वारा 400 g औसत द्रव्यमान वाली ब्रेड की लोफ को, 400 लोफ प्रति घंटे की दर से, –25 °C वाली प्रशीतित हवा का उपयोग करके, 25 °C से –10 °C तक ठंडा करना है। ब्रेड की औसत विशिष्ट और गुप्त ऊष्माएँ क्रमशः 2·90 kJ/kg-°C तथा 109·15 kJ/kg लेते हुए निर्धारित कीजिए (1) kJ/hr में ब्रेड से ऊष्मा निष्कासन की दर और (2) m³/hr में हवा की आवश्यक आयतन प्रवाह दर, यदि हवा के तापमान में 5 °C से अधिक वृद्धि न हो। हवा के लिए गैस स्थिरांक 0·287 kPa-m³/kg-K है। औसत तापमान पर हवा की विशिष्ट ऊष्मा 1·0 kJ/kg-°C है। वायुमण्डलीय वायु दाब को 101·3 kPa लीजिए। (10 अंक)
(b) (i) दर्शाइए कि किसी वाहिनी में रुद्धोष्म प्रवाह के दौरान सामान्य प्रघात के आर-पार एन्ट्रॉपी परिवर्तन ΔS = −R ln (P₀Y / P₀X) द्वारा दिया जाता है। (10 अंक)
(ii) फैनो तथा रेले प्रवाहों के बीच अंतर स्पष्ट कीजिए। (10 अंक)
(c) एक घर की 12 m लंबी तथा 5 m ऊँची भित्ति के साथ-साथ 50 km/hr की गति से हवा बह रही है। वायुमण्डलीय हवा का तापमान 4 °C है तथा भित्ति का पृष्ठीय तापमान 10 °C है। संवहन द्वारा भित्ति से ऊष्मा हानि की दर निर्धारित कीजिए। 1 वायुमंडल दाब तथा औसत फिल्म तापमान पर हवा के गुणधर्मों को इस प्रकार लिया जा सकता है : k = 0·0248 W/m-°C, v = 1·412×10⁻⁵ m²/s, Pr = 0·72. संयुक्त प्रवाह के लिए नुसेल्ट संख्या सहसंबंध का उपयोग कीजिए : Nu = (0·037 Re⁰·⁸ − 871) Pr⁰·³³ (10 अंक)
Answer approach & key points
(a(i)) 'Show that' is a proof directive: starting from dS = m C_avg ln(T2/T1) for an incompressible substance, the candidate must argue that a thermal energy reservoir undergoes an infinitesimally small temperature change (T2 -> T1 = T) because its mass/heat capacity is very large, expand the logarithm, and recover dS = Q/T. (a(ii)) A refrigeration-load problem with two explicit sub-answers: (1) the total rate of heat removal from bread in kJ/hr, which must include both sensible cooling from 25 degC to -10 degC AND the latent heat of freezing, and (2) the volume flow rate of air in m^3/hr from the air-side energy balance with a 5 degC rise, converted using the ideal-gas specific volume at -25 degC and 101.3 kPa. (b(i)) 'Show that' the entropy rise across a normal shock in adiabatic duct flow equals -R ln(P0y/P0x): the candidate must start from the Tds/Gibbs entropy-change relation for a perfect gas written between the two stagnation states, invoke the adiabatic energy equation to prove T0y = T0x, and conclude that only the stagnation-pressure loss survives. (b(ii)) 'Differentiate between Fanno and Rayleigh flows' demands a point-by-point comparison of the two classical one-dimensional compressible-flow models: the physical assumptions, the governing conserved quantities, the shape and limit point of each curve on the h-s (or T-s) plane, and the direction of Mach-number change in each. (c) 'Determine the rate of heat loss from the wall by convection' for external parallel flow over a flat plate: convert the wind speed to m/s, form the Reynolds number on the 12 m flow length, apply the supplied combined laminar-turbulent Nusselt correlation, obtain h, and multiply by the 60 m^2 area and the 6 degC temperature difference.
- Reservoir has very large heat capacity so its temperature change is tiny, T₂ = T₁ + ΔT with ΔT ≪ T₁
- Expansion ln(1 + x) ≈ x with x = ΔT/T₁
- Q = mC(T₂ − T₁) substituted to give ΔS = Q/T₁
- Conclusion ΔS = Q/T with T ≈ T₁ ≈ T₂
- Bread mass rate 160 kg/h
- Sensible 101.5 kJ/kg plus latent 109.15 kJ/kg gives Q̇ = 33 704 kJ/h
- Air mass flow 6740.8 kg/h from ṁ c_p ΔT = Q̇
- Specific volume RT/P = 0.703 m³/kg at −25 °C and V̇ ≈ 4739 m³/h
- Gibbs relation ds = c_p dT/T − R dP/P for a perfect gas
- Stagnation states connected to the flow states isentropically
- Energy equation h₀x = h₀y gives T₀y = T₀x, so the temperature term vanishes
- Result ΔS = −R ln(P₀y/P₀x) with stagnation pressure loss
- Physical effect: friction in adiabatic flow (Fanno) versus heat transfer in frictionless flow (Rayleigh)
- Conserved quantities: mass and h₀ for Fanno, mass and impulse for Rayleigh
- Curves on the h–s plane with maximum entropy at M = 1
- Mach-number direction and choking limits of each
- Velocity 13.89 m/s and Re_L = 1.18 × 10⁷
- Nu = (0.037Re^0.8 − 871)Pr^0.33 ≈ 14 300
- h = Nu k/L ≈ 29.6 W/m²·°C with L = 12 m
- Q = hAΔT ≈ 10.6 kW with A = 60 m²
(a) Steam at 40 °C is condensed in a power plant using cooling water available at 12 °C. The flow rate of steam is 0·15 kg/s. The cooling water is circulated through a bank of 6 m long and 1·25 cm internal diameter thin copper tubes at a mean velocity of 3·5 m/s, and leaves at a temperature of 20 °C. The tubes are nearly isothermal at 40 °C. Calculate the average heat transfer coefficient between the water and the tubes, and find the number of tubes needed to achieve the indicated heat transfer rate in the condenser. The properties of water at an average temperature may be taken as :
ρ = 998·8 kg/m³
Cp = 4184·5 J/kg-°C
hfg (water) = 2406 kJ/kg (20 marks)
(b) The mean diameter of the rotor of an axial flow compressor is 0·5 m, and it rotates at 15000 r.p.m. The flow velocity is 220 m/s and is constant. The velocity of whirl at the inlet is 80 m/s. The inlet pressure and temperature are 1 bar and 300 K, respectively. The stage efficiency is 0·88. The pressure ratio through the stage is 1·5. Draw the velocity triangles and determine the (i) blade angles at inlet and outlet, (ii) power input and (iii) degree of reaction. Take ratio of specific heats for air = 1·4 and Cp = 1·005 kJ/kg-K. (20 marks)
(c) Thin square plates of size 2·5 m × 2·5 m are coming out of an oven at 280 °C in a material processing facility. The plates are cooled by blowing ambient air at 20 °C horizontally parallel to their surfaces. Determine the air velocity above which the natural convection effects on heat transfer are less than 12% and thus are negligible. The kinematic viscosity of air at 1 atmosphere may be taken as ν = 2·859 × 10⁻⁵ m²/s. (10 marks)
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(a) एक विद्युत् संयंत्र में 40 °C तापमान वाली भाप को 12 °C तापमान पर उपलब्ध शीतलन जल का उपयोग करके संघनित किया जाता है। भाप की प्रवाह दर 0·15 kg/s है। शीतलन जल को 6 m लंबी और 1·25 cm आंतरिक व्यास वाली पतली ताँबे की नलियों के एक समूह के माध्यम से 3·5 m/s के औसत वेग से प्रसारित किया जाता है, और यह 20 °C के तापमान पर बाहर निकलता है। 40 °C पर नलियाँ लगभग समतापी होती हैं। जल और नलियों के बीच औसत ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक की गणना कीजिए और संघनित्र में निर्दिष्ट ऊष्मा स्थानांतरण दर प्राप्त करने के लिए आवश्यक नलियों की संख्या ज्ञात कीजिए। औसत तापमान पर जल के गुणधर्मों को इस प्रकार लिया जा सकता है :
ρ = 998·8 kg/m³
Cp = 4184·5 J/kg-°C
hfg (जल) = 2406 kJ/kg (20 अंक)
(b) एक अक्षीय प्रवाह सम्पीडक के रोटर का औसत व्यास 0·5 m है, और यह 15000 r.p.m. पर घूमता है। प्रवाह वेग 220 m/s है और यह स्थिर है। अंतर्गम पर भँवर का वेग 80 m/s है। अंतर्गम पर दाब और तापमान क्रमशः 1 bar (bar) और 300 K हैं। पद-दक्षता 0·88 है। पद में दाब अनुपात 1·5 है। वेग त्रिभुज बनाइए और निर्धारित कीजिए (i) अंतर्गम तथा निर्गम पर फलक कोण, (ii) निविष्ट शक्ति तथा (iii) प्रतिक्रिया की मात्रा। हवा की विशिष्ट ऊष्माओं का अनुपात = 1·4 तथा Cp = 1·005 kJ/kg-K लीजिए। (20 अंक)
(c) एक पदार्थ प्रक्रमण संयंत्र की भट्टी से 2·5 m × 2·5 m आकार की पतली वर्गाकार पट्टिकाएँ 280 °C तापमान पर निर्माण कर रही हैं। इन पट्टिकाओं को उनकी सतह के क्षैतिज रूप से समानांतर 20 °C तापमान वाली परिवेशी हवा प्रवाहित करके ठंडा किया जाता है। उस हवा का वेग निर्धारित कीजिए जिसके ऊपर ऊष्मा स्थानांतरण पर स्वाभाविक संवहन का प्रभाव 12% से कम हो जाता है और इस प्रकार नगण्य हो जाता है। हवा की शुद्धगतिक श्यानता को 1 वायुमंडल दाब पर ν = 2·859×10⁻⁵ m²/s माना जा सकता है। (10 अंक)
Answer approach & key points
(a) Two explicit demands: 'calculate the average heat transfer coefficient between the water and the tubes' - obtained from an energy balance on the water together with the LMTD for the nearly isothermal 40 degC tube wall (the paper deliberately withholds k, nu and Pr) - and 'find the number of tubes needed to achieve the indicated heat transfer rate', which follows from the condenser duty 0.15 x 2406 kW divided by the duty carried by one tube. (b) An axial-flow compressor stage with four demands: draw the inlet and outlet velocity triangles, then determine (i) the blade angles at inlet and outlet, (ii) the power (work) input and (iii) the degree of reaction. The route is blade speed from pi D N/60, actual temperature rise from the isentropic rise divided by stage efficiency, work from Cp dT, whirl change from Euler's equation, and the angles from the constant axial velocity of 220 m/s. (c) 'Determine the air velocity above which the natural convection effects are less than 12%' is a mixed-convection criterion problem: the candidate must use the standard test Gr/Re^2 (the Richardson number), set it equal to 0.12, compute Gr at the film temperature for the 2.5 m plate, back out Re and hence the minimum forced velocity.
- Condenser duty Q = 0.15 × 2406 = 360.9 kW
- Water flow per tube 0.429 kg/s and heat per tube 14.36 kW
- LMTD = 8/ln(28/20) = 23.78 °C and h = Q_tube/(πDL × LMTD) ≈ 2564 W/m²·°C
- Number of tubes 25.1, rounded up to 26
- Blade speed U = 392.7 m/s and actual ΔT = 41.87 K from ΔT_s/η
- Work 42.08 kJ/kg and outlet whirl V_w2 = 187.2 m/s from Euler's equation
- Inlet and outlet velocity triangles with β₁ ≈ 54.9° and β₂ ≈ 43.1°
- Degree of reaction ≈ 0.66
- Criterion Gr/Re² = 0.12
- β = 1/T_film with T_film = 150 °C = 423 K
- Gr_L ≈ 1.15 × 10¹¹
- Re_L ≈ 9.8 × 10⁵ and V ≈ 11.2 m/s
(a) (i) What does the NTU of a heat exchanger represent? Is a heat exchanger with a very large NTU necessarily a good one? (10 marks)
(ii) Consider an oil-to-oil double-pipe heat exchanger, whose flow arrangement is not known. The temperature measurements indicate that the cold oil enters at 18 °C and leaves at 50 °C, while the hot oil enters at 75 °C and leaves at 40 °C. Assuming the mass flow rates of both the oils to be identical, determine the effectiveness and flow configuration of this heat exchanger. (10 marks)
(b) A frictionless and adiabatic piston is fitted in a horizontal insulated cylinder, held against stops by an external force of 500 kN, as shown in the figure below. The cross-sectional area of the piston is 0·5 m², and its initial volume is 0·25 m³. The helium gas in the cylinder is at 200 kPa, 100 °C. Now a valve in a line is opened, through which helium at 1·2 MPa, 200 °C flows. The helium enters until the pressure in the cylinder becomes exactly equal to the external force acting on the piston, and at this point the valve is closed. Take surroundings at T₀ = 300 K; for helium C_p = 5·193 kJ/kg-K, R = 2·0771 kJ/kg-K and C_v = 3·116 kJ/kg-K :
Determine :
(i) Final mass in the cylinder (in kg)
(ii) Final temperature in the cylinder (in K)
(iii) Total entropy production (in kJ/K)
(iv) Irreversibility (in kJ) (20 marks)
(c) Consider two black surfaces A₁ and A₂ as shown in the figure below. Define the term ‘radiation shape factors’. Also, find a general expression for the energy exchange between these surfaces when they are maintained at different temperatures T₁ and T₂, respectively. If both the surfaces are at the same temperature, find out the reciprocity relationship between them : (10 marks)
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(a) (i) ऊष्मा विनिमयित्र का एन० टी० यू० क्या दर्शाता है? क्या बहुत बड़े एन० टी० यू० मान वाला ऊष्मा विनिमयित्र आवश्यक रूप से अच्छा होता है? (10 अंक)
(ii) एक तेल-से-तेल द्वि-नली ऊष्मा विनिमयित्र पर विचार कीजिए, जहाँ प्रवाह व्यवस्था ज्ञात नहीं है। तापमान मापन से पता चलता है कि ठंडा तेल 18 °C पर प्रवेश करता है और 50 °C पर बाहर निकलता है, जबकि गर्म तेल 75 °C पर प्रवेश करता है और 40 °C पर बाहर निकलता है। दोनों तेलों की द्रव्यमान प्रवाह दर समान मानते हुए इस ऊष्मा विनिमयित्र की प्रभावशीलता और प्रवाह विन्यास निर्धारित कीजिए। (10 अंक)
(b) एक क्षैतिज ऊष्मारोधी सिलिन्डर में एक घर्षणहीन और रुद्धोष्म पिस्टन लगा है, जिसे 500 kN के बाह्य बल द्वारा स्टॉपों के सहारे रोककर रखा गया है, जैसा कि नीचे चित्र में दर्शाया गया है। पिस्टन का अनुप्रस्थ-काट क्षेत्रफल 0·5 m² है, और इसका प्रारंभिक आयतन 0·25 m³ है। सिलिन्डर में हीलियम गैस 200 kPa, 100 °C पर है। अब एक लाइन में वाल्व खोला जाता है, जिससे 1·2 MPa, 200 °C पर हीलियम प्रवाहित हो रही है। हीलियम तब तक अंदर आती है, जब तक कि सिलिन्डर का दाब पिस्टन पर लगे बाह्य बल के ठीक बराबर नहीं हो जाता, और इसी बिंदु पर वाल्व को बंद कर दिया जाता है। परिवेश को T₀ = 300 K; हीलियम के लिए C_p = 5·193 kJ/kg-K, R = 2·0771 kJ/kg-K तथा C_v = 3·116 kJ/kg-K मान लीजिए :
निर्धारित कीजिए :
(i) सिलिन्डर में अंतिम द्रव्यमान (kg में)
(ii) सिलिन्डर में अंतिम तापमान (K में)
(iii) कुल एन्ट्रॉपी उत्पादन (kJ/K में)
(iv) अप्रतिक्रम्यता (kJ में) (20 अंक)
(c) नीचे चित्र में दर्शाए गए अनुसार दो काले पृष्ठों A₁ तथा A₂ पर विचार कीजिए। ‘विकिरण आकृति गुणक’ पद को परिभाषित कीजिए। साथ ही, जब इन पृष्ठों को क्रमश: T₁ और T₂, भिन्न-भिन्न तापमानों पर रखा जाता है, तो इनके मध्य में होने वाले ऊर्जा विनिमय के लिए एक सामान्य व्यंजक भी ज्ञात कीजिए। यदि दोनों पृष्ठ समान तापमान पर हैं, तो उनके मध्य पारस्परिक संबंध ज्ञात कीजिए : (10 अंक)
Answer approach & key points
(a(i)) Two connected conceptual demands: explain what NTU (= UA/C_min) physically represents in a heat exchanger, and then answer the judgement question 'is a very large NTU necessarily a good one?' - which requires the diminishing-returns argument on the effectiveness-NTU curve plus the cost/size/pressure-drop penalty. (a(ii)) Two demands: 'determine the effectiveness' and 'determine the flow configuration' of a double-pipe oil-to-oil exchanger whose arrangement is unknown. The configuration follows from the temperature cross (cold outlet 50 degC exceeds hot outlet 40 degC, impossible in parallel flow), and the effectiveness follows from eps = (dT of the C_min stream)/(Th,in - Tc,in). (b) A transient charging (filling) problem on an insulated rigid volume with four numbered answers: (i) final mass, (ii) final temperature, (iii) total entropy production and (iv) irreversibility. The candidate must recognise that the piston stays on its stops (so V = 0.25 m^3 throughout and no boundary work is done), apply the unsteady open-system energy balance m2 u2 - m1 u1 = m_in h_in, and then the entropy balance with T0 = 300 K. (c) Three linked demands for two arbitrarily oriented black surfaces: define the radiation shape (view/configuration) factor, derive a general expression for the net radiant energy exchange when they are at T1 and T2, and show the reciprocity relation A1 F12 = A2 F21 that follows when both are at the same temperature.
- NTU = UA/C_min as a dimensionless measure of the thermal size of the exchanger
- Effectiveness increases with NTU but with diminishing returns, with a ceiling
- Large NTU means large area, higher cost, weight and pressure drop
- Conclusion: not necessarily good, and the design is a cost–effectiveness trade-off
- Counterflow identified because T_c,out = 50 °C exceeds T_h,out = 40 °C
- Hot stream has the larger temperature change, so C_min = C_h
- Q_max = C_min(T_h,in − T_c,in) = 57 C_h
- ε = 35/57 ≈ 0.614
- Final pressure P₂ = F/A = 1000 kPa with the piston on the stops, V = 0.25 m³ throughout
- Initial mass 0.0645 kg and unsteady energy balance C_v(m₂T₂ − m₁T₁) = (m₂ − m₁)C_pT_in
- m₂ ≈ 0.1866 kg and T₂ ≈ 645 K
- S_gen ≈ 0.210 kJ/K and irreversibility T₀S_gen ≈ 63.1 kJ
- Shape factor as the fraction of radiation leaving one surface that reaches the other, depending only on geometry
- Double-integral expression with cosθ₁ cosθ₂/(πr²)
- Net exchange A₁F₁₂σ(T₁⁴ − T₂⁴)
- Reciprocity A₁F₁₂ = A₂F₂₁ from zero net exchange at equal temperatures