6F-3 : | Heat, Work and Efficiency of a Water Vapor Power Cycle | 8 pts |
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A piston-and-cylinder device containing 12 kg of water carries out a Carnot power cycle. The maximum pressure is 2.0 MPa and the minimum pressure is 110 kPa. | ||||||||||||||||||||||||||||
During the isothermal
expansion, the water is heated
from a quality of 14% until it is a saturated vapor. The cycle produces 433.2 kJ/kg of work during the adiabatic expansion. |
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a.) Sketch the process path for the cycle on a PV Diagram b.) Calculate Q and W, in kJ, for each process in the cycle c.) Calculate the thermal efficiency of the cycle. |
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Read : | Apply the 1st Law (for a closed system) to get Q and W. | |||||||||||||||||||||||||||
Use the 1st Law applied to step 2-3 to determine U3 and x3. | ||||||||||||||||||||||||||||
The trick is to get Q34. Use TC, TH, Q12 and the Carnot Efficiency of this reversible cycle to determine Q34. | ||||||||||||||||||||||||||||
Given: | P1 | 2 | MPa | P3 = P4 | 110 | kPa | ||||||||||||||||||||||
x1 | 0.14 | Q23 = Q41 | 0 | kJ/kg | ||||||||||||||||||||||||
P2 | 2 | MPa | W23 | 433.2 | kJ/kg | |||||||||||||||||||||||
x2 | 1 | m | 12 | kg | ||||||||||||||||||||||||
Find: | Part (a) | PV Diagram | ||||||||||||||||||||||||||
Part (b) | Q12,Q23,Q34,Q41 ? | kJ | ||||||||||||||||||||||||||
W12,W23,W34,W41 ? | kJ | |||||||||||||||||||||||||||
Part (c) | h | ? | ||||||||||||||||||||||||||
Diagram: | ||||||||||||||||||||||||||||
Part a.) | ![]() |
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Assumptions: | 1 - |
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- | Steps 1-2 and 3-4 are isothermal. | |||||||||||||||||||||||||||
- | Steps 2-3 and 4-1 are adiabatic. | |||||||||||||||||||||||||||
- | All steps are reversible. | |||||||||||||||||||||||||||
2 - | The water inside the cylinder is the system and it is a closed system. | |||||||||||||||||||||||||||
3 - | Changes in kinetic and potential energies are negligible. | |||||||||||||||||||||||||||
4 - | Boundary work is the only form of work interaction during the cycle. | |||||||||||||||||||||||||||
Equations / Data / Solve: | ||||||||||||||||||||||||||||
Part b.) | Begin by applying the 1st law for closed systems to each step in the Carnot Cycle. Assume that changes in kinetic and potential energies are negligible. | |||||||||||||||||||||||||||
![]() |
Eqn 1 | |||||||||||||||||||||||||||
Step 1 - 2 | ||||||||||||||||||||||||||||
Apply the 1st Law, Eqn 1, to step 1-2 : | ![]() |
Eqn 2 | ||||||||||||||||||||||||||
Boundary work at for a constant pressure process, like step 1-2, can be determined from : | ||||||||||||||||||||||||||||
![]() |
Eqn 3 | |||||||||||||||||||||||||||
Now, we can substitute Eqn 3 into Eqn 1 to get : | ![]() |
Eqn 4 | ||||||||||||||||||||||||||
The definition of enthalpy is: | ![]() |
Eqn 5 | ||||||||||||||||||||||||||
For isobaric processes, Eqn 5 becomes : | ![]() |
Eqn 6 | ||||||||||||||||||||||||||
Now, combine Eqns 4 and 6 to get : | ![]() |
Eqn 7 | ||||||||||||||||||||||||||
We know the pressure and the quality of states 1 and 2, so we can use the Saturation Table in the Steam Tables to evaluate V and H for states 1 and 2 so we can use Eqns 3 and 7 to evaluate Q12 and W12. | ||||||||||||||||||||||||||||
Properties are determined from NIST WebBook: | ||||||||||||||||||||||||||||
![]() |
Eqn 8 | |||||||||||||||||||||||||||
At P1 and x1: | Vsat liq, 1 | 0.0011767 | m3/kg | |||||||||||||||||||||||||
Vsat vap, 1 | 0.099585 | m3/kg | V1 | 0.014954 | m3/kg | |||||||||||||||||||||||
![]() |
Eqn 9 | |||||||||||||||||||||||||||
Usat liq, 1 | 906.14 | kJ/kg | ||||||||||||||||||||||||||
Usat vap, 1 | 2599.1 | kJ/kg | U1 | 1143.2 | kJ/kg | |||||||||||||||||||||||
![]() |
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Hsat liq, 1 | 908.50 | kJ/kg | ||||||||||||||||||||||||||
Hsat vap, 1 | 2798.3 | kJ/kg | H1 | 1173.1 | kJ/kg | |||||||||||||||||||||||
Saturated vapor at P2: | V2 | 0.099585 | m3/kg | |||||||||||||||||||||||||
U2 | 2599.1 | kJ/kg | W12 | 2031.147 | kJ | |||||||||||||||||||||||
H2 | 2798.3 | kJ/kg | Q12 | 19502.68 | kJ | |||||||||||||||||||||||
Step 2 - 3 | ||||||||||||||||||||||||||||
Apply the 1st Law, Eqn 1, to step 2-3 : | ![]() |
Eqn 10 | ||||||||||||||||||||||||||
The specific heat transferred and specific work for step 2-3 are given in the problem statement. | ||||||||||||||||||||||||||||
Q23 | 0 | kJ | W23 | 5198.4 | kJ | |||||||||||||||||||||||
We can plug these values into Eqn 8 to determine DU23 : | DU23 | -5198.4 | kJ | |||||||||||||||||||||||||
We already determined U2, so we can now determine U3 : | ![]() |
Eqn 11 | ||||||||||||||||||||||||||
U3 | 2165.9 | kJ/kg | ||||||||||||||||||||||||||
We can use this value of U3 to determine the unknown quality, x3 , using : | ![]() |
Eqn 12 | ||||||||||||||||||||||||||
Properties are determined from NIST WebBook: | ||||||||||||||||||||||||||||
At P3: | Usat liq, 3 | 428.72 | kJ/kg | |||||||||||||||||||||||||
Usat vap, 3 | 2508.7 | kJ/kg | x3 | 0.8352 | kg vap/kg | |||||||||||||||||||||||
![]() |
Eqn 13 | |||||||||||||||||||||||||||
At P3 and x3: | Vsat liq, 3 | 0.0010453 | m3/kg | |||||||||||||||||||||||||
Vsat vap, 3 | 1.54946 | m3/kg | V3 | 1.2943 | m3/kg | |||||||||||||||||||||||
![]() |
Eqn 14 | |||||||||||||||||||||||||||
Hsat liq, 3 | 428.84 | kJ/kg | ||||||||||||||||||||||||||
Hsat vap, 3 | 2679.2 | kJ/kg | H3 | 2308.3 | kJ/kg | |||||||||||||||||||||||
Step 3 - 4 | ||||||||||||||||||||||||||||
Apply the 1st Law, Eqn 1, to step 3-4 : | ![]() |
Eqn 15 | ||||||||||||||||||||||||||
Because step 3-4 is isobaric, just like step 1-2, Eqn 7 is the simplified form of the 1st Law : |
![]() |
Eqn 16 | ||||||||||||||||||||||||||
To determine the properties at state 4, we make use of the relationship between the absolute Kelvin temperature scale and heat transferred in a Carnot Cycle. | ||||||||||||||||||||||||||||
![]() |
Eqn 17 | |||||||||||||||||||||||||||
Solve Eqn 13 for Q34 : | ![]() |
Eqn 18 | ||||||||||||||||||||||||||
TH = Tsat(P1) : | TH | 485.53 | K | Q34 | -15080.8 | kJ | ||||||||||||||||||||||
TC = Tsat(P3) : | TC | 375.44 | K | Q34 | -1256.7 | kJ/kg | ||||||||||||||||||||||
Now, we can use Q34 and Eqn 12 to determine H4 as follows: | ||||||||||||||||||||||||||||
![]() |
Eqn 19 | or : | ![]() |
Eqn 20 | ||||||||||||||||||||||||
H4 | 1051.56 | kJ/kg | ||||||||||||||||||||||||||
Now that we know the values of two intensive properties at state 4, T4 and H4, we can evaluate all the other properties using the Saturation Tables in the Steam Tables. | ||||||||||||||||||||||||||||
Properties are determined from NIST WebBook: | ||||||||||||||||||||||||||||
![]() |
Eqn 21 | |||||||||||||||||||||||||||
At P4: | Hsat liq, 4 | 428.84 | kJ/kg | |||||||||||||||||||||||||
Hsat vap, 4 | 2679.2 | kJ/kg | x4 | 0.27672 | kg vap/kg | |||||||||||||||||||||||
![]() |
Eqn 22 | |||||||||||||||||||||||||||
At P4 and x4: | Vsat liq, 4 | 0.0010453 | m3/kg | |||||||||||||||||||||||||
Vsat vap, 4 | 1.54946 | m3/kg | V4 | 0.42953 | m3/kg | |||||||||||||||||||||||
![]() |
Eqn 23 | |||||||||||||||||||||||||||
Usat liq, 4 | 428.72 | kJ/kg | ||||||||||||||||||||||||||
Usat vap, 4 | 2508.7 | kJ/kg | U4 | 1004.31 | kJ/kg | |||||||||||||||||||||||
At last we have U4 and we can plug it into Eqn 11 to evaluate W34 : | ||||||||||||||||||||||||||||
![]() |
Eqn 24 | |||||||||||||||||||||||||||
W34 | -1141.45 | kJ/kg | ||||||||||||||||||||||||||
Step 4 - 1 | ||||||||||||||||||||||||||||
The heat transferred for step 4-1 is given in the problem statement. | ||||||||||||||||||||||||||||
Apply the 1st Law, Eqn 1, to step 4-1 : | ![]() |
Eqn 25 | ||||||||||||||||||||||||||
Solve Eqn 25 for W41 : | ![]() |
Eqn 26 | ||||||||||||||||||||||||||
W41 | -1666.19 | kJ | ||||||||||||||||||||||||||
Part c.) | The efficiency of a Carnot Cycle is defined by: | ![]() |
Eqn 27 | |||||||||||||||||||||||||
Where : | ![]() |
Eqn 28 | ||||||||||||||||||||||||||
And : | ![]() |
Eqn 29 | ||||||||||||||||||||||||||
Qin | 19502.7 | kJ | ||||||||||||||||||||||||||
Wcycle | 4421.9 | kJ | h | 0.2267 | ||||||||||||||||||||||||
Or the efficiency can be determined
in terms of reservoir temperatures: |
![]() |
Eqn 30 | ||||||||||||||||||||||||||
h | 0.2267 | |||||||||||||||||||||||||||
Verify: | The assumptions made in the solution of this problem cannot be verified with the given information. | |||||||||||||||||||||||||||
Answers : | Process | Q | W | |||||||||||||||||||||||||
1-2 | 19502.7 | 2031.1 | ||||||||||||||||||||||||||
2-3 | 0 | 5198.4 | ||||||||||||||||||||||||||
3-4 | -15080.8 | -1141.5 | ||||||||||||||||||||||||||
4-1 | 0.0 | -1666.2 | ||||||||||||||||||||||||||
Cycle | 4421.9 | 4421.9 | The thermal efficiency of the process is : | 22.7% |