universiti malaysia perlis dnt 233 thermo-fluid [termo...

14
SULIT SULIT UNIVERSITI MALAYSIA PERLIS Peperiksaan Semester Pertama Sidang Akademik 2015/2016 September / Oktober 2015 DNT 233 Thermo-Fluid [Termo-Bendalir] Masa : 3 jam Please make sure that this question paper has FOURTEEN (14) printed pages, including this front page, before you start the examination. [Sila pastikan bahawa kertas peperiksaan ini mengandungi EMPAT BELAS (14) muka surat yang bercetak, termasuk satu muka hadapan, sebelum anda memulakan peperiksaan ini.] This question paper has PART A and PART B. Answer FOUR (4) questions from PART A. It is COMPULSORY to answer question from PART B. The mark distribution for each question is 20 marks. [Kertas soalan ini mengandungi BAHAGIAN A dan BAHAGIAN B. Jawab EMPAT (4) soalan daripada BAHAGIAN A. Anda diWAJIBKAN menjawab BAHAGIAN B. Sumbangan markah bagi tiap-tiap soalan adalah 20 markah.] Note : Some formulas are given in the Appendix. [Nota : Beberapa formula diberikan dalam Lampiran.]

Upload: others

Post on 04-Feb-2021

6 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • SULIT

    SULIT

    UNIVERSITI MALAYSIA PERLIS

    Peperiksaan Semester Pertama

    Sidang Akademik 2015/2016

    September / Oktober 2015

    DNT 233 Thermo-Fluid

    [Termo-Bendalir]

    Masa : 3 jam

    Please make sure that this question paper has FOURTEEN (14) printed pages,

    including this front page, before you start the examination. [Sila pastikan bahawa kertas peperiksaan ini mengandungi EMPAT BELAS (14) muka surat yang

    bercetak, termasuk satu muka hadapan, sebelum anda memulakan peperiksaan ini.]

    This question paper has PART A and PART B. Answer FOUR (4) questions from

    PART A. It is COMPULSORY to answer question from PART B. The mark

    distribution for each question is 20 marks. [Kertas soalan ini mengandungi BAHAGIAN A dan BAHAGIAN B. Jawab EMPAT (4) soalan

    daripada BAHAGIAN A. Anda diWAJIBKAN menjawab BAHAGIAN B. Sumbangan markah bagi

    tiap-tiap soalan adalah 20 markah.]

    Note : Some formulas are given in the Appendix. [Nota : Beberapa formula diberikan dalam Lampiran.]

  • SULIT (DNT 233)

    SULIT

    -2-

    PART A

    Question 1 [Soalan 1]

    (a) Answer the following: [Jawab yang berikut:]

    (i) Differentiate between Gauge Pressure & Absolute Pressure. [Bezakan antara Tekanan Tolok & Tekanan Mutlak.]

    (2 Marks / Markah)

    (ii) Define Resultant Force in hydrostatic analysis. [Nyatakan Daya Paduan dalam analisis hidrostatik.] (2 Marks / Markah)

    (b) Two water tanks are connected to each other through a mercury manometer with inclined tubes, as shown in Figure 1. If the pressure difference between the two

    tanks is 20 kPa, determine a and θ. [Dua tangki air telah dihubungkan diantara satu sama lain melalui sebuah manometer mercury

    yang mempunyai tiub condong seperti yang ditunjukkan dalam Gambarajah 1. Sekiranya

    perbezaan tekanan diantara dua tangki air tersebut ialah 20kPa, tentukan nilai a dan θ.] (4 Marks / Markah)

    Figure 1

    [Gambarajah 1]

    ...3/-

  • SULIT (DNT 233)

    SULIT

    -3-

    (c) The 10 kg, 2 m wide rectangular gate shown in Figure 2 is hinged at A and leans

    against the floor at B making an angle of 30° with the horizontal. Water applies a

    resultant hydrostatic force on one side of the gate. The gate is to be opened from

    its lower edge by applying a normal force at B. [Pintu air bersegiempat dengan 10kg, 2m lebar ditunjukkan dalam Gambarajah 2 dihubungkan

    pada A dan bersandar pada lantai pada B membentuk sudut 30° dengan arah mendatar. Air

    mengenakan satu daya paduan hidrostatik pada satu bahagian pintu air tersebut. Pintu air

    tersebut akan dibuka dari bucu bawah dengan mengenakan satu daya normal pada B.]

    Figure 2 [Gambarajah 2]

    (i) Show the free body diagram of forces acting on the gate of Figure 2. [Tunjukkan gambarajah badan bebas daya yang bertindak pada pintu air dalam

    Gambarajah 2.] (2 Marks / Markah)

    (ii) Determine the resultant hydrostatic force on the gate due to water for the water level shown in the figure. [Tentukan daya hidrostatik paduan keatas pintu air disebabkan air bagi paras air yang

    ditunjukkan dalam gambarajah] (4 Marks / Markah)

    (iii) Determine the location for center of pressure [Tentukan lokasi pusat tekanan.]

    (3 Marks / Markah)

    (iv) Calculate the minimum force F required at point B to open the water gate. [Kirakan daya minima F yang diperlukan pada titik B untuk membuka pintu air tersebut.]

    (3 Marks / Markah)

  • SULIT (DNT 233)

    SULIT

    -4-

    Question 2 [Soalan 2]

    (a) State FOUR (4) limitation of the Bernoulli’s Equation . [Nyatakan DUA (2) had Persamaan Bernoulli.]

    (2 Marks / Markah)

    (b) Water flows through a horizontal branching pipe as shown in Figure 3. It enters

    at section (1) with a rate of 0.28 m3/s and exits through three sections (2), (3) and

    (4) respectively as shown in the figure. Other required details are given in the

    figure. Take the density of water as 1000 kg/m3 and disregard the viscous effects.

    [Air mengalir melalui satu paip bercabang dalam kedudukan melintang seperti yang ditunjukkan dalam Gambarajah 3. Ianya memasuki pada seksyen (1) dengan kadar 0.28 m3/s dan keluar melalui tiga seksyen

    (2), (3) dan (4) seperti ditunjukkan dalam gambarajah. Lain-lain butiran diberikan dalam gambarajah

    tersebut. Ambilkira ketumpatan air sebagai 1000 kg/m3dan abaikan kesan-kesan kelikatan.]

    Figure 3

    [Gambarajah 3]

    (i) Calculate the water velocity at section (2). [Kirakan halaju air pada bahagian (2).]

    (3 Marks / Markah)

    (ii) Calculate the pressure at section (3). [Kirakan tekanan air pada bahagian (3).]

    (3 Marks / Markah)

    (iii) Calculate the flowrate at section (4). [Kirakan kadaralir pada bahagian (3).]

    (2 Marks / Markah)

    ...5/-

    A2 = 6 x 10-3

    m2

    P2 = 34.475 kPa

    A3 = 18.6 x 10-3

    m2

    V3 = 6.1 m/s

    A1 = 0.28 m2

    P2 = 68.95 kPa

    Q1= 0.28 m3/s

  • SULIT (DNT 233)

    SULIT

    -5-

    (c) A pressurized tank of water has an orifice with 10 cm diameter at the bottom, where water

    discharges to the atmosphere as shown in Figure 4. The water level is 2.5 m above the

    outlet. The tank air pressure above the water level is 300 kPa (absolute) while the

    atmosphere pressure is 101 kPa. Neglecting frictional effects, determine the volume

    flowrate of water at the orifice. [Sebuah tangki air bertekanan mempunyai sebuah orifis berdiameter 10 cm pada bahagian

    bawah tangki dimana air mengalir keluar ke atmosfera seperti yang ditunjukkan dalam

    Gambarajah 4 . Paras air didalam tangki ialah 2.5 m di atas keluaran. Tekanan udara tangki

    tersebut di atas permukaan air ialah 300 kpa (mutlak) sementara tekanan atmosfera ialah 101

    kPa. Dengan mengabaikan kesan-kesan geseran, tentukan kadar alir isipadu air pada orifis. ]

    (4 Marks / Markah)

    Figure 4

    [Gambarajah 4]

    ...6/-

    2.5 m

  • SULIT (DNT 233)

    SULIT

    -6-

    (d) Oil with a specific gravity of 0.90 is flowing downward through a venturi meter shown in Figure 5. The elevation difference between the two points on the venturi meter where two

    arms of the manometer are attached is 700 mm. [Minyak dengan graviti tentu 0.90 mengalir ke bawah melalui sebuah meter venturi seperti yang

    ditunjukan dalam Gambarajah 5. Perbezaan ketinggian diantara dua titik pada meter venturi

    dimana dua lengan manometer dipasangkan adalah 700 mm.]

    Figure 5

    [Gambarajah 5]

    (i) Determine the velocity of oil at point A [Tentukan halaju minyak pada titik A.]

    (4 Marks / Markah)

    (ii) Calculate the volume flowrate of oil inside the venturi meter [Kirakan kadar alir isipadu minyak didalam meter venturi tersebut .]

    (2 Marks / Markah)

  • SULIT (DNT 233)

    SULIT

    -7-

    Question 3 [Soalan 3]

    (a) (i) Differentiate between closed system and open system. [Berikan perbezaan diantara sistem tertutup dan sistem terbuka.] (2 Marks / Markah)

    (ii) Define the state postulate and the pure substance. [Takrifkan keadaan Postulat dan bahan tulen.] (2 Marks / Markah)

    (b) A piston-cylinder device contains 0.1 m3 of liquid water and 0.9 m3 of water vapor in equilibrium at 800 kPa. Heat is transferred at constant pressure until the

    temperature reaches 350°C. [Sebuah alatan piston–silinder mengandungi 0.1 m

    3 air dan 0.9 m

    3 wap air dalam keseimbangan

    pada 800 kPa. Haba dipindahkan pada tekanan seragam sehingga suhu mencapai 350°C.]

    (i) Determine the initial temperature of the water. [Tentukan suhu awal air tersebut]

    (3 Marks / Markah)

    (ii) Calculate the total mass of the water. [Kirakan jumlah jisim air tersebut.]

    (3 Marks / Markah)

    (iii) Calculate the final volume. [Kirakan isipadu akhir.]

    (3 Marks / Markah)

    (iv) Show the process on a P-v diagram with respect to saturation lines. [Tunjukkan proses tersebut pada sebuah gambarajah P-v dengan mengambilkira

    garisan-garisan ketepuan.] (2 Marks / Markah)

    ...8/- ·

  • SULIT (DNT 233)

    SULIT

    -8-

    (c) A rigid tank contains an ideal gas at pressure 300 kPa and temperature 600 K as shown in Figure 6. After that half of the gas is withdrawn from the tank and the

    gas is found at 100 kPa at the end of the process. [Sebuah tangki tegar yang mengandungi gas ideal pada tekanan 300 kPa and dan suhu 600 K

    seperti yang ditunjukkan dalam Gambarajah 6. Seterusnya separuh daripada gas tersebut

    dikeluarkan dari tangki dan tekanan gas menjadi 100 kPa pada akhir proses tersebut.]

    Figure 6

    [Gambarajah 6]

    (i) Determine the final temperature of the gas [Tentukan suhu akhir gas tersebut.]

    (2 Marks / Markah)

    (ii) Calculate the final pressure if no mass was withdrawn from the tank and the same final temperature was reached as (i). [Kirakan tekanan akhir sekiranya tiada jisim gas dikeluarkan dari tangki dan suhu akhir

    yang sama dicapai seperti (i).]

    (3 Marks / Markah)

  • SULIT (DNT 233)

    SULIT

    -9-

    Question 4 [Soalan 4]

    (a) (i) State TWO (2) groups of energy form. [Nyatakan DUA (2) kumpulan bentuk tenaga .] (2 Marks / Markah)

    (ii) State TWO (2) similarities between heat and work. [Nyatakan DUA (2) kesamaan diantara haba dan kerja.] (2 Marks / Markah)

    (b) A cylinder fitted with a piston has a volume of 0.1 m3 and contains 0.5 kg of

    steam at 0.4 MPa. Heat is transferred to the steam until the temperature is 300oC,

    while the pressure remains constant.

    [Satu silinder dilekatkan bersama sebuah piston mempunyai isipadu 0.1 m3 and mengandungi 0.5 kg wap pada 0.4 MPa. Haba dipindahkan kepada wap tersebut sehingga suhu adalah 300

    oC,

    ketika tekanan malar.]

    (i) Determine the heat transfer for this process. [Tentukan pemindahan haba bagi proses ini.]

    (4 Marks / Markah)

    (ii) Determine the work for this process. [Tentukan kerja bagi proses ini.]

    (4 Marks / Markah)

    (c) A closed system containing 2 kg of air undergoes an isothermal process from

    600 kPa to 80 kPa at 200 oC.

    [Sebuah sistem tertutup mengandungi 2 kg udara yang melalui satu proses sesuhu dari 600 kPa

    kepada 80 kPa pada 200oC.]

    (i) Determine the initial volume of this system. [Tentukan isipadu awal sistem ini.]

    (3 Marks / Markah)

    (ii) Determine the work done during the process. [Tentukan kerja yang dilakukan semasa proses tersebut.] (3 Marks / Markah)

    (iii) Determine the heat transfer during the process. [Tentukan pemindahan haba semasa proses tersebut.] (2 Marks / Markah)

  • SULIT (DNT 233)

    SULIT

    -10-

    Question 5 [Soalan 5]

    (a) (i) State the Conservation of Mass Principle for a control volume. [Nyatakan Prinsip Keabadian Jisim bagi sebuah isipadu terkawal.]

    (2 Marks / Markah)

    (ii) State Intensive Property and Extensive Property. [Nyatakan Sifat Intensif dan Sifat Ekstensif.]

    (2 Marks / Markah)

    (b) Air at 90 kPa and 127°C enters an adiabatic diffuser steadily at a rate of 6000 kg/h and leaves at 100 kPa as shown in Figure 7. The velocity of the air stream is

    decreased from 230 m/s to 30 m/s as it passes through the diffuser. [Udara memasuki sebuah peresap adiabatik secara seragam pada kadar 6000 kg/jam dan keluar

    pada 100 kPa seperti yang ditunjukkan dalam Gambarajah 7. Kelajuan aliran udara dikurangkan

    dari 230 m/s kepada 30 m/s ketika ianya melalui peresap tersebut.]

    Figure 7 [Gambarajah 7]

    (i) Determine the exit temperature of the air. [Tentukan suhu keluaran udara tersebut.] (4 Marks / Markah)

    (ii) Calculate the exit area of the diffuser. [Tentukan keluasan kawasan keluaran peresap tersebut.]

    (4 Marks / Markah)

    …11/-

    AIR 1 2

    127C

    90 kPa

    230 m/s

    30 m/s

    100 kPa

  • SULIT (DNT 233)

    SULIT

    -11-

    (c) Steam flows steadily through an adiabatic turbine as shown in Figure 8. The inlet conditions of the steam are 10 MPa, 450°C, and 80 m/s, and the exit conditions

    are 10 kPa, 92 percent quality, and 50 m/s. The mass flow rate of the steam is

    12 kg/s. [Wap air mengalir secara mantap melalui sebuah turbin adiabatik seperti ditunjukkan dalam

    Gambarajah 8. Keadaan-keadaan masukan wap air tersebut adalah 10 MPa, 450°C, dan 80 m/s,

    dan keadaan-keadaan keluaran adalah 10 kPa, 92 peratus kualiti, dan 50 m/s. Kadar aliran jisim

    wap air tersebut adalah 12 kg/s.]

    Figure 8 [Gambarajah 8]

    (i) Determine the change in kinetic energy of the steam. [Tentukan perubahan tenaga kinetik wap air tersebut .]

    (4 Marks / Markah)

    (ii) Calculate the power output of the turbine. [Kirakan kuasa keluaran turbin tersebut.]

    (4 Marks / Markah)

    STEAM

    m = 12 kg/s ·

    P1 = 10 MPa

    T1 = 450C

    V1 = 80 m/s

    P2 = 10 kPa

    x2 = 0.92

    V2 = 50 m/s

    W ·

  • SULIT (DNT 233)

    SULIT

    -12-

    PART B

    Question 6 [Soalan 6]

    (a) Briefly describe and sketch heat transfer by conduction, convection and radiation. [Terangkan secara ringkas dan lakarkan pemindahan haba secara pengaliran, perolakan dan

    radiasi.]

    (3 Marks / Markah)

    (b) An electric resistance wire with 50 cm long and 2 mm diameter submerged in water is used to determine boiling heat transfer coefficient in water at 1 atm

    experimentally as in Figure 9. The wire temperature is measured to be 130˚C

    when a wattmeter indicates the electric power consumed to be 4.1 kW. Using

    Newton’s law of cooling, determine the boiling heat transfer coefficient. Take

    boiling temperature of water at 1 atm as 100oC.

    [Satu wayar rintangan elektrik dengan panjang 50 cm dan diameter 2 mm ditenggelamkan

    didalam air yang digunakan untuk menentukan pekali pemindahan haba pendidihan didalam air

    pada tekanan 1 atm secara ekperiment seperti dalam Gambarajah 9. Suhu wayar menjadi 130˚C

    apabila wattmeter menunjukkan kuasa elektrik yang digunakan 4.1 kW. Dengan menggunakan

    hukum penyejukan Newton, tentukan pekali pemindahan haba pendidihan tersebut. Ambilkira

    suhu didih air pada 1 atm sebagai 100oC.]

    (4 Marks / Markah)

    Figure 9

    [Gambarajah 9]

    …13/-

  • SULIT (DNT 233)

    SULIT

    -13-

    (c) Consider a 5 m high, 8 m long and 0.22 m thick wall whose representative cross section is as shown in the Figure 10 The thermal conducti ities of arious

    materials used, in m C, are kA = kF = 2, kB = 8, kC = 20, kD = 15, and kE = 35.

    The left and right surfaces of the wall are maintained at uniform temperature of

    300oC and 100

    oC, respectively. Assuming heat transfer through the wall to be one-

    dimensional. [Petimbangkan sebuah dinding dengan ketinggian 5 m , panjang 8 m dan tebal 0.22 m yang

    mewakili keratan rentas adalah seperti yang ditunjukkan dalam Gambarajah 10. Keberaliran

    haba bagi bahan yang digunakan dalam unit W/m.oC adalah kA = kF = 2, kB = 8, kC = 20, kD = 15,

    and kE = 35. Suhu pada permukaan kiri dan kanan dinding tersebut masing-masing dikekalkan

    pada 300oC dan 100

    oC. Anggapkan permindahan haba yang melalui dinding tersebut adalah

    satu-dimensi.]

    (i) Calculate the rate of heat transfer through the wall. [Kirakan kadar pemindahan haba melalui dinding tersebut.] (7 Marks / Markah)

    (ii) Calculate the temperature at the point where the section B, D and E meet. [Kirakan suhu pada titik dimana bahagain B, D dan E bertemu.] (3 Marks / Markah)

    (iii) Calculate the temperature drop across the section F.

    [Kirakan kejatuhan suhu merintasi bahagian F.]

    (3 Marks / Markah)

    Figure 10 [Gambarajah 10]

    -oooOooo-

    APPENDIX

  • SULIT (DNT 233)

    SULIT

    -14-

    Pc = Po + ρghc

    yp = yc + {Ixx,c / [yc + Po/[ρgsinӨ]]A}

    Ixx,c = ab3/12 (for rectangle)

    2

    2

    211

    2

    11

    22gz

    VPgz

    VP

    outinEE = E

    The energy balance for a general steady-flow system is given by:

    e

    e

    eeoutouti

    i

    iiiningz

    VhmWQgz

    VhmWQ

    22

    2...

    .

    2...

    Fourier’s Law of heat conduction: (Plane wall)

    dx

    dTkAqx W

    dx

    dTkqx

    W/m

    2

    Newton’s Law of Cooling: )( TThAq s W for TTs

    Change in internal, kinetic,

    potential, etc., energies Net energy transfer by

    Heat, work, and mass