EKSAMENSOPPGAVE Emne: IRE36213/Energiteknikk og ......Hogskolen i Østfold Avdeling for ingeniorfag Oppgave 1. (30 %) Bygg Consult AS har gjennom vernerunder avdekket en del forhold

EKSAMENSOPPGAVE

Emne: IRE36213/Energiteknikk og bygningsinstallasjonerLærer/telefon: Ole Kristian Førrisdah1/97497378 og Bjørn Halvor Sture/46683781

Grupper: E3E, E3E-y Dato: 12.12.2013 Tid: 09.00 - 13.00

Antall oppgavesider: 7 Antall vedleggsider: 12

Sensurfrist til studentene: 14.1.2014Hjelpemidler: Kalkulator.

forskrifter for elektriske lavspenningsinstallasjoner (FEL),

NEK 400:2010,•- Formelsamling i Energiteknikk inkludert appendix i Cengel and Turner- utleveres påeksamen,

1 personlig A4 ark (to/begge sider) som utleveres på eksamen.

KANDIDATEN MÅ SELV KONTROLLERE AT OPPGAVESETTET ER FULLSTENDIG

Dersom du savner opplysninger som er nødvendige for at du skal kunne løse

oppgavene, bruker du symboler eller rimelige verdier med begrunnelse.

Oppgi alle svar i SI enheter hvis annet ikke er spesifisert.

Hogskolen i ØstfoldAvdeling for ingeniorfag

Oppgave 1. (30 %)

Bygg Consult AS har gjennom vernerunder avdekket en del forhold på bygget

som ledelsen nå ønsker å gjennomføre forbedringstiltak på. I kontorene har de

ansatte problemer med temperaturen inne både sommer og vinter, og det er

inngått avtale med firmaet Energien AS om levering av en varmepumpe som

skal løse disse problemene. Varmepumpen Toshiba Digital inverter 803 består

av en innedel og en utedel.

Utedelen monteres på ytterveggen under terrassen. Varmepumpemontøren

fra Energien AS utfører koplingen mellom ute - og innedelen. østneset Elektro

AS skal levere og kople til tilførselskabelen fra en TN-S underfordeling (+Vc) til

utedelen via et uttak. Dimensjonerende belastningsstrøm er 16 A og cos =

0,9. Merkespenningen (Un) til varmepumpen er 230 V og enfas. Avstanden

(kabellengden) fra fordelingsskapet til utedelen er 25 m. Som overstrømsvernfor denne kursen skal det benyttes en automatsikring med C-karakteristikk og

med Icn= 10 kA. Det skal legges kabel i rør i termisk isolert vegg og åpent på

trevegg frem til uttaket for utedelen. Maksimalt spenningsfall for denne kursen

settes til 3 %. Omgivelsestemperatur for denne kursen settes til maksimalt 35

°C på vegg og maksimalt 30 °C i rør i termisk isolert vegg. På vegg vil kabelen bli

klamret sammen med 2 andre strømførende kabler.

1Resistiviteten for kobber er:

S2nun2

57 111

I underfordelingen (+Vc) har vi oppgitt følgende verdier:

ik3pmaks= 3,8 kA og cos = 0,85 lklmin(pen)= 1,0 kA og cos p = 0,95

lklpmax(pen)= 2,1 kA og cos = 0,93 Ik2prnin= 2,9 kA og cos (I)= 0,9

(25 %)

Dimensjoner og dokumenter tilførselen til varmepumpen ved bruk av

minste tillatte kabeltversnitt i henhold til NEK400:2010.

(5 %)

Sett opp noen punkter som er viktige å få verifisert ved sluttkontroll av

ovennevnte arbeide.

2

flogskolen i ØstfoldAvdeling for ingeniørfag

Oppgave 2. (20 %)

Et rom i et eldre bygg som er restaurert skal oppvarmes med elektriskevarmeovner. Rommets dimensjoner er: Lengde 15 m. Bredde 6 m. Høyde 2,5 m.Rommets ene langvegg er en yttervegg, mens øvrige vegger, gulv og tak

grenser mot rom som har tilnærmet samme temperatur som det aktuelle

rommet. Ytterveggen er bygget opp som vist på figur 2.

2 em Tre

15 cm Steinull

2 cm Tre

Figur 2 Skisse av yttervegg

Dimensjonerende utetemperatur på stedet er -15 C. ønsket innetemperatur

på dagtid er satt til 20 C. Det er installert et ventilasjonsanlegg som gir 1,5

luftskift pr. time. Anlegget har varmegjenvinner med virkningsgrad lik 0,7. Itillegg kan det regnes med et infiltrasjonstap som gir 0,1 luftskift pr. time.

Det tas ikke hensyn til andre interne varmetilskudd.

Varmekapasitet for luft: 0,35 Wh/(m3K).

Varmeledningsevne for tre: 0,12 W/(mK).

Varmeledningsevne for steinull: 0,04 W/(mK).

(6 %)

Forklar hva som menes med transmisjonstap, ventilasjonstap oginfiltrasjonstap.

(14 %)

Bestem rommets effektbehov, når du ser bort fra stråling.

3

•

Høgskolen i ØstfoldAvdeling for ingeniørfag

Oppgave 3. (12 %)

I faget er det høsten 2013 gitt to (2) tekniske rapporter, hvor det skulle

skrives en kort rapport i henhold til utlevert oppgavetekst:

Teknisk rapport nr. 1 Solenergi og fornybar energi

Teknisk rapport nr. 2 Kjerneenergi, batterier, hydrogen og motorer,

varmekraftprosesser, kjøleanlegg, varmepumper og varmeoverføring

Antall like besvarelser som godkjennes av hver teknisk rapport er gitt i

oppgaveteksten til hver av de tekniske rapportene. Rapportene må

leveres i Fronter innen 20.12.2013 kl. 12.00.

(6 %)

Teknisk rapport nr. 1 levert i Fronter blir evaluert.

(6 %)

Teknisk rapport nr. 2 levert i Fronter blir evaluert

ø


Oppgave 4. (11 %)

p 1, T1, )(1, v1, z,

1---------------------

:,/—1>

Innløp: damphastighet v1 = 50 m/s

stedshøyde z1 = 9 m

trykk pi = 3.0 MPa

temperatur T1= 763 K

dampkvalitet X1 = 1.0

Utløp: damphastighet v2= 110 m/s

stedshøyde z2= 4 m

trykk p2= 0.1 MPa

temperatur T2 = ?

dampkvalitet X2 = ?

4vp2, T2, X2, 1/2, Z2• Vanndamp tilføres en turbin ved 30 bar og 763 K. Trykket ut av turbinen

er 1 bar. Turbinen opererer adiabatisk og stasjonært (steady-state).

Kjente tilstander ved innløp og utløp er gitt på figuren over. Forandringer

i den kinetiske og potensielle energien kan i denne oppgaven neglisjeres.

a) (2 %)

Bruk en damptabell eller Mollier-diagrammet (vedlegg 7) for å finne

spesifikk entalpi og antall grader overheting av dampen ved innløpet til

turbinen.

b) (3 %)

Estimer det spesifikke arbeidet turbinen kan utføre hvis turbinenopererer isentropisk.

c) (2 %)

lik Den isentropiske virkningsgraden er på 85 %. Beregn det spesifikke

arbeidet turbinen kan utføre med denne virkningsgraden og finn

temperaturen ut av turbinen.

d) (2 % )Hva er dampkvaliteten ved utløpet av turbin

for den isentropiske prosessen?

for den virkelige prosessen?

e) (2 %)Turbinen er koblet sammen med en generator som produserer

elektrisitet. Generatoren har en virkningsgrad på 97 %.

Hvor mye damp trenger turbinen per sekund hvis generatoren skal yte eneffekt på 17.5 MW?


Oppgave 5. (17 %)

Du har fått i oppdrag å prosjektere et kjøleanlegg som skal yte 100 kW.

Kuldemediet skal være R-134a. Alle trykktap i kjøleanlegget kan i første

omgang neglisjeres. Fordampertemperaturen skal ligge på —20°C og

kondensasjonstemperaturen på 20 °C. Kondensatoren avkjøles med vann

som ved innløpet holder en temperatur på 10 °C. Kuldemediet

kondenserer til mettet væske i kondensatoren. Kompressoren suger in

lavtrykksdamp som er 10 °C overhetet. Den isentropiske virkningsgraden

på kompressoren er gitt i figuren under der

trykkforhold = ,nkondensator/Pfordamper.

74 72 70

Isentropisk 68 verknads- 66grad %

6462 60 58

2 4 6 8 10

Trykkforhold

(2 %) Beregn den reversible Carnot kjølefaktoren (COPR,rev)for systemet.

(2 %) Finn trykkforholdet og den isentropiske virkningsgraden til

kompressoren.

(3 %) Tegn in prosessen i et pH-diagram (vedlegg 8).

(2 %) Beregn den spesifikke entalpidifferansen i fordamper.

(2 %) Vis at massestrømmen til kuldemediet er omtrent 0.6 kg/s.

(2 %) Vis effektforbruket til kompressoren er omtrent 27 kW.

(2 %) Beregn effektfaktoren (COPR)til kjøleanlegget.

(2 %) Beregn effekttapet i kondensatoren.

6

Flogskolen i ØstfoldAvdeling for ingeniorfag

Oppgave 6. (10 %)

Et solvarmeanlegg er

1.0 m brett og 5.0 m

langt. Det er en

konstant avstand på

3.0 cm mellom glasset

og den absorberende

flaten (collector plate).

Luften som strømmer

imellom glasset og den\

absorberende flaten i

solfangeren har en (gjennomsnittlig Insulation

temperatur på 47 °C.

Lufthastigheten er gjennomsnittlig 0.15 m3/s. Du kan neglisjere

friksjonstap på grunn av ruhet, innløp, utløp og bendet som er vist på

figuren.

(3 %)

Vis at strømningshastigheten i røret er omtrent 5 m/s.

(3 %)

Beregn Reynoldstallet til luftstrømmen for å avgjøre om luftstrømmen er

laminær eller turbulent.

(4 %)

Friksjonstapet ved strømning i et rett rør kan beregnes ved Fanningsligning

f —Lhf D 2g , derf er en friksjonsfaktor. Bruk vedlegg 9 til å estimere

friksjonsfaktoren, f, for vårt rørsystem.

AirGlass cover 0.15 m3/s

5 m

_

Collector plate

7


VEDLEGG

•

•

8


Ved legg 1

Bestemmelse av impedanser

Spenningsfaktoren"c"Spenningsfaktoren "c " er en faktor som skal kompensere forlastpåvirkning, overgangsmotstand, spenningsfall og erforskjellig for beregning av henholdsvis maksimum og

minimum kortslutningsstrøm og for ulike systemspenninger.

Faktoren er gitt i henhold til IEC909

Nominell spenning (kV) Maksimal strøm Minimal strøm

0,1 - 5 0,4 1,0 0,95

> 0,4 - 5 1 1,05 1,0

> 1 - 5 35 1,10 1,0

> 35 - 5 230 1,10 1,0

Bestemmelse av ledermaterialets

resistivitet

Materiale p (Omm2/m) a (K-1)

Aluminium 99,5% 0,0278 0,004

Kobber, glødet 0,0175 0,004

Kobber, hard 0,0178 0,0039

Bly 0,21 0,0038

Stål, magnetisert 0,21 —0,25 0,004

Stål, umagnetisert 0,74

Materialkonstanter for aktuelle ledermaterialer ved 20°C

9


Ved legg 2

Temperaturkompensering

Litt forenklet kan vi trekke følgende konklusjon

for ledertemperaturer ved beregning av

minste kortslutningsstrøm (se tabell under)

Hovedkurser

Alle typer vern

PVC- isolasjon70°C

EPR/PEX-90°C

isolasjon

Forbrukerkurser

SmeltesikringerAutomatsikringer

og effektbrytere

PVC-115°C PVC- isolasjon 70°C

isolasjon

EPR/PEX-160°C EPR/PEX-90°C

isolasjonisolasjon

Temperaturkorreksjonsfaktor for resistanser (kr2)

ku kt2t2 0C (1+aåt) t2 °C (1+aåt)

25 1,02 100 1,32

30 1,04 105 1,34

35 1,06 110 1,36

40 1,08 115 1,38

45 1,10 120 1,40

50 1,12 125 1,42

55 1,14 130 1,44

60 1,16 135 1,46

65 1,18 140 1,48

70 1,20 145 1,50

75 1,22 150 1,52

80 1,24 155 1,54

85 1,26 160 1,56

90 1,28 165 1,58

95 1,30 170 1,60

10


Vedlegg 3KabeldataCu-kabel med sk'erm

Fase/PE(mm 2)

r- fase

(mL1/m)Xfase

(ma/m)rPE

(mil/m)XPE

(mS//m)1,5/1,5 12,10 0,106 12,10 0,1502,5/2,5 7,41 0,103 7,41 0,140

4/4 4,61 0,100 4,61 0,1306/6 3,08 0,094 3,08 0,130

10/10 1,83 0,091 1,83 0,12016/16 1,15 0,085 1,15 1,10525/16 0,727 0,081 1,15 0,10035/16 0,524 0,079 1,15 0,09950/25 0,387 0,079 0,727 0,09870/35 0,268 0,075 0,524 0,09895/50 0,193 0,075 0,387 0,097120/70 0,153 0,072 0,268 0,095150/70 0,124 0,069 0,268 0,094185/95 0,099 0,069 0,193 0,095

240/120 0,075 0,069 0,153 0,097Cu-kabel uten skjerm 3 leder (2 leder + Pe leder)

Fase/PE rfase

(ma/m)Xfase

(mS1/m)rpE

(mn/m)XPE

(mn/m)1,5/1,5 12,10 0,106 12,10 0,1062,5/2,5 7,41 0,105 7,41 0,103

4/4 4,61 0,100 4,61 0,1006/6 3,08 0,094 3,08 0,094

10/10 1,83 0,091 1,83 0,09116/16 1,15 0,085 1,15 0,085

Cu-kabel uten sk'erm 4 leder (3 leder + Pe leder)1,5/1,5 12,10 0,135 12,10 0,122,5/2,5 7,41 0,132 7,41 0,12

4/4 4,61 0,129 4,61 0,116/6 3,08 0,123 3,08 0,109

10/10 1,83 0,120 1,83 0,10616/16 1,15 0,110 1,15 0,10025/25 0,73 0,108 0,73 0,09035/35 0,52 0,100 0,52 0,08050/50 0,39 0,097 0,39 0,080

Al-kabel med sk'ermFase/PE

(mm 2)rfase

(Infl/m)XfaserPE

(mWm) i(mWm)Xpi.

(mfi/m)16/10 1,910 0,085 1,83 0,10525/10 1,200 0,082 1,83 0,10050/16 0,641 0,079 1,15 0,09895/35 0,320 0,075 0,524 0,097150/50 0,206 0,072 0,387 0,094240/70 0,125 0,072 0,268 0,097

Al-kabel uten skjerm

25/25 1,200 0,084 1,200 0,08450/50 0,641 0,081 0,641 0,08195/95 0,320 0,078 0,320 0,078

11

Hogskolen i Østfold

Avdeling for ingeniørfag

Vern

Utløse-

karakteristikk

A-automat

B-automat

C-automat

D-automat

Merkestrøm

(in)

6 -63 A

6 - 63 A

0,5-63A

0,5 - 63 A

0,5 - 63A

0,5 - 63 A

s 63 A > 63 A

s 10 A 16 - 25 A

> 25 A

Verndata for automatsikringer

Termisk utløsning

MinsteStørsteprøvestrømprøvestrøm

(12)

1,13 x /n 1,45 x

1,13 Xin 1,45 x lr

1,13 x 1,45 x

1,13 X In 1,45 I,

1,05 x 1n 1,2in

1,05 X in 1,2 X

1,35 X I„ 1,25 X I,

1,2 X I.

Elektromagnetisk utløsning

HolderLøserutstrømstotmomentant

(14)(15)

2 x 1,3 x

3xI5 x ln

5 x 10 x

10 X /,, 20 x

8 X /fi 12 X

2 X 1„ 3 X In

Vedlegg4

Produkt-

norm

NEK EN 60898

NEK EN 60898

NEK EN 60898

NEK EN 60898

K-automat

Z-automat

Effektbryter

Motorvernbryter

Termisk rele

Patronsikring

NH-sikring (høy-

effektsikring)

NEK EN 60947-2

NEK EN 60947-2

NEK EN 60947-2

NEK EN 6094

NEK EN 60947-2

NEK EN 60269-1

1,05 X in

1,5 x 1,4 x 1,3 X I„

1,2 x

1,9 x Ir 1,75 X In 1.6 X /,

1,6 x

•

Hogskolen i ØstfoldAvdeling for ingeniørfag

Ved legg 5

Strøm —tid kurve for elementautomater med B og C - karakteristikk

•

7200

3600

2

1

1200

600

300

120

60

30

10

5

(1)

(1, 2

0.5

0.2

0,1

40.05

Utlaserkarakteristikketter EN61DG9

Festgelegter Nichtausl6s.estromInt= 1,13 t 1h

Fe.stgelegter Auslös.Gstrom1,=1,451:t.z1h

(- 3-) 2,55 In t - 1 - 60 s(I 32 A)t = 1 - 120 s (I., > 32 A)

Type B: 3 In : t > 0,1 s

(5)5I t < 0,1 s

Type C: 5 In > 0,1 5

,7J< 0,1 5

5 7

6

B C• 0.02

0,01

0.005

0.002

0.001

0.0005

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20 30 40 50


jennomsluppet

energi

12t

[A2

sec]

Vedlegg 6

Gjennomsluppet energi for elementautomater med C—karakteristikk

80000

7000060000

50000

40000

30000(j\iso.C,

20000

15000

GB10000 c‘390008000 GB

7000 C4

6000

5000

4000

3000

200002

1500

1000900800700

600

500

400

300

o o o o o o o o o o o o oin o ir) o o o o o 0 o o o 0, , N t") 'st (t) cel rs.. co tn 0 in

forventet kortslutningsstrøm [A]

14

Kandidat nummer: Vedlegg 7-••••••••1,7. ^,,,b

42005.0 6.0 7.0 8.0 9.0 9.5

4200

1100

740

4100 4100740

740

4000770

4000

700

3900

660

.0 3800'02

670

3900

3800 '

3700

3600

.."1]3500

3400

3100

3000

E'

4••2900

2800

2700

2600

2500

1

2400

3'

2300

•

4,‘

2200

41

2100

2000

4.5 5.0 6.0 7.0 _

Entropy, ki/kg,•K

600

0110

540

340

510

2.

4.1

40

44 0

420

400

1.

.0

140

320

302

3700

3600

3500

3400

3300CO

3200 n.

3100

1110

41'2. 3000740

220

200 I 124TERATURE .02900

1.0

1602800

140

los 2700

80

ao2600

110

2500

2400

2300

2200

2100

20008.0 9.0 9.5

3300

(a)Figure 2.4.1aEnthalpy—entropy or Mollier diagram for steam. (Source: ASME Steam Tablesin SI (Metric) Units for Instructional Use, American Society of MechanicalEngineers, New York, 1967. Used with permission.)

4:54200

Kandidat nummer:

1..11"1./py

5.06.0

Vedlegg

9.09.54200

7.0

8.0

740

4100

4100

760

740

4000

4000

720

700

3900

6817

3900

660

3800

440

3800

670

3700

600

3700

54.0UO

560

3600

3600

<4,

00

3500

3500

460

£

3400

1 ,

460

3400

I.4? i,!.'.,

44 0

s

410

3300

400

330050

1,

:=Q

s

3.

3200

'

760

3200

- 4b— i-s

310

3100

3100

-- 1--

3147

750

3000

3000

_

7.

770

2900

760 F.415 ENA11.11. 2900

1NO

r—

2800

160

2800

140

,

1.

2700

100

2700

60

2600

2600

.414

70

2500

2500

„

2400

9.? <s>t,

2400

2300

2300

2200

#

I

2200

'

2100

,

2100

2000

20004.55.06.07.0

Entropy. ki-/kg•K

(a)Figure 2.4.1aEnthalpy—entropy or Mollier diagrarn for steam. (Source: ASME Steam Tablesin SI (Metric) Units for Instructional Use, American Society of MechanicalEngineers, New York, 1967. Used with permission.)

8.09.09.5

Note:

The

referencepoint

usedfor

thechart

isdifferent

thanthat

usedin

theR

-134atables.

Therefore,

problems

shouldbe

solvedusing

allproperty

dataeither

fromthe

tablesor

fromthe

chart,but

notfrom

both.

FIG

UR

EA

-14

P-h

diagramfor

refrigerant-134a.(R

eprintedby

permission

ofA

merican

Societyof

Heating.

Refrigerating,

andA

ir-Conditioning

Engineers,

Ine.,Atlanta,

GA

.)

00100

15(1

b.020

11200)

,10

0.4'

0.4

4

n1(()

-21)

90,

7,0(4)

-540-2

650700

750550

600250

300350

400450

500

Enthalpy,

kJ/kg

250200

104

-ocu

62.4

.51.6

0.02

0.01100

0.2

150200

300

1

350400

450500

550600

650700

75020

Kan

did

at

nu

mm

er:

0.2

0.1

0.04

0.02

0.01

10020

150200

250300

350400

4.50500

550600

650700

75020•

104

..L

1-2

0.4

0.2

0.1

10

40.4

0.2

0.1

_42-.4

-4 -1

'4

',-;'',.

h-.8---0,04

—.

_,...it'z_.____,I.,

_,-

'`-'

..,,-0.6

0.02

r

0.01100150

250300

350400

450500

00

Enthalpy,kJ/kg

Note:

The

referencepoint

usedfor

thechart

isdifferent

thanthat

usedin

theR

-134atables.

Therefore,

problems

shouldbe

solvedusing

allproperty

dataeither

fromthe

tablesor

fromthe

chart,but

notfrom

both.

F1G

UR

EA

-14

P-h

diagramfor

refrigcrant- 134a.(R

eprintedby

permission

ofA

merican

Societyof

Heating.

Refrigerating,

andA

ir-Conditioning

Engineers.

Inc., Atlanta,

GA

.)

0.04,

!

0.02i

5506006500.01

700750K

and

idat

nu

mm

er:

•

Reynolds

number

Re

FIG

UR

EA

-27

The

Moody

chartfor

thefriction

factorfor

fullydeveloped

flowin

circulartuhes.

0.03

0.025

0.02

>725'

Larninar

CriticalT

ransitionflow

zonezone

,

I

0.05

0.04

Material

ft

Glass,plastk

0C

onerete

Wood

suive0.0016

Rubber,sm

oothed0.000033

Copperorbrass

tubing0.000005

Castiron

0.00085G

alvaniudiron

0.0005W

roughtiron0.00015

Stainksssteel

0.000007C

omm

ereialsteel0.00015

0.03

0.02

0.015

0.010.008

0.006

0.004

0.002

0.0010.00080.0006

0.0004

0.0002

0.000I

0.00005

0.000012(107)3

45

68

108

Roug

iness,e

min

0,50.01

0.00150.260.1500460.0020.045

-t-

Srnoothpipes'

.

ID=

0.000001-

-

1032(103)

34

56

8104

2(104)34

56

8105

2(105)3

45

68

1062(10()

34

56

8107

0.015

0.01

0.009

0.008

IIe/D=

0.000005

Relative

roughness

elD

0.10.09

0.08

0.07

0.06

Co

npleteturbulence,rough

pipes

0.05

0.04

ci)

Documents

EKSAMENSOPPGAVE Emne: IRE36213/Energiteknikk og ......Hogskolen i Østfold Avdeling for ingeniorfag Oppgave 1. (30 %) Bygg Consult AS har gjennom vernerunder avdekket en del forhold