Värme- och strömningsteknik Thermal and flow engineering ...

page 1 of 6

Värme- och strömningsteknik Thermal and flow engineering Refrigeration 424159.0 Kylteknik Ron Zevenhoven Exam 24-3-2017

4 questions, max. points = 4 + 6 + 10 + 10 = 30

All support material is allowed except for telecommunication devices.

301.  1 m3 (1000 kg) of water of 25°C  is to be cooled quickly to 0°C 

and  dry  ice  (solid  CO2)  will  be  used  for  that.  The  CO2  will 

evaporate and  leave  the water at 0°C. The water will  stay  in 

liquid state. 

a. How much dry ice (in kg), available at 1 atm, ‐78.69 °C is 

needed for this? (2 p.) 

Pressure  is  1  atm;  specific  heat  water  cp  =  4.19  kJ/(kg∙K); 

dissolution of CO2 in the water can be assumed to be negligible. 

The table gives thermodynamic data for superheated CO2 at 1 

atm. Enthalpy for dry ice at 1 atm, ‐78.69°C is h = ‐259.51 kJ/kg. 

b.    In the above‐mentioned water, 200 kg of shrimp (specific 

heat  cp  =  3.62  kJ/kg∙K)  delivered  at  15°C, would  be  cooled  to  and  stored  at  0°C. An 

engineer suggests to use the CO2 vapour from the water tank (at 1 atm, 0°C) to pre‐cool 

the shrimp, using some sort of heat exchanger. The CO2 would leave that heat exchanger 

at 10°C.  For this case, again calculate how much dry ice (in kg), available at 1 atm, ‐78.69 

°C is needed for this? (2 p.) 

302.    A natural gas (from Snøhvit, Norway) containing 89.7 + 5.5 + 1.8 + 2.8 wt‐% of methane (C1) + 

 ethane/ethylene (C2) + propane/propylene (C3) + nitrogen, respectively, is cooled, at ~ 60 bar  

from 12°C to  ‐155°C and then throttled. A 3‐stage mechanical vapour compression system  is 

used with cooling against propane 3, ethylene 2 and methane 1, as in the process schematic 

shown below (next page). Also given below is an enthalpy‐pressure diagram for this natural gas, 

showing also the cooling down to ‐155°C, ~ 60 bar, followed by throttling. 

a. How much cooling in kJ/kg NG is needed to bring it from 12°C to ‐155°C and how much of 

that is done in the methane cooling loop 1 ? (3 p.) 

                         …………continues on next page 

dm3/kg kJ/kg kJ/(kg·K)

page 2 of 6

The methane in cooling loop 1 leaves the last heat exchanger at ‐157°C, 1.4 bar (point * in the process 

scheme) as a saturated vapour. It is then compressed from 1.4 bar to 45 bar and cooled (using heat 

exchanger ** in the process scheme) to ‐20°C.  

b. How much heat will be  transferred per  kg methane  in heat exchanger **? A pressure‐

enthalpy diagram  for methane  (R50)  is given below as well  (page 3). Assume  isentropic 

efficiency 90% for the compressor. (3 p.) 

1 

* 

2 

3 

**

page 3 of 6

1.40

page 4 of 6

303.    An air conditioning system is used to change the 

temperature, T, and relative humidity, RH = Φ , of a V

= 45 m3/min air stream from T1=10°C,  Φ = 30% to 

T3=25°C,  Φ = 60%. For that, the air stream is first 

heated to 22°C in a heating section, followed by injection 

of hot steam in a humifier.  

See  the process figure and the schematic trajectory in 

a psychrometric chart. Ambient pressure is 100 kPa. 

Determine  

a.  the mass flow rate ṁa (kg/s) of dry air, (2 p.) 

b.  the  heat  input  rate  Q   (kW)  into  the  heating 

section, (4 p.) 

c.   the mass flow rate ṁw (kg/s) of the steam that is 

injected into the humidifier section (4 p.) 

Data can be found from the psychrometric chart above and/or the table below. 

Data water / water vapour: 

  5°C  10°C  15°C  20°C  25°C 

psat Pa  872,1  1227,6  1705,1  2339,0  3169,0 

hsat,liq kJ/kg  20,98  42,01  62,99  83,96  104,89 

hsat,vap kJ/kg  2510,6  2519,8  2528,9  2538,1  2547,2 

page 5 of 6

304.   Liquefied air is produced using a series of five compressors with   intercooling  to  the ambient  surroundings  (at  temperature  T0  =  290  K),  followed  by  throttling  and  gas/liquid separation,  as  shown  in  the  process  schematic  and  T,s  diagram  below.  The  five‐stage compression  increases  the pressure  from 100 kPa  (= p0, ambient pressure)  to 15 MPa. The compressors  have  an  isentropic  efficiency  of  86%, with  inlet  temperature  T0  =  290  K,  exit temperature T1 = 400 K. A production rate of 100 kg/h liquid air is needed.  

  Note the log p, h diagram for air given on the next page. 

a. For  the  compression  stages,  the optimum pressures are p1/p0 = p2/p1 = p3/p2 = p4/p3 = p5/p4. 

Calculate p1, p2, p3 and p4 (in MPa) for p0 = 100 kPa and p5 = 15 MPa. (1p.) 

b.  1) Give the values for enthalpies hA, hB, hC, hDl (for the liquid air) and hDv (for the vapor air),  

  2) give temperature T at point C;  

  3) calculate the produced liquefied air amount γ (kg liquid air per kg air input) produced, and  

  4) calculate the necessary input stream of air (kg/h) (3p.) 

c.  Plot the process  in the  log p, h diagram for air given on the next page and hand  it  in with your 

answers. (Extrapolate to obtain values for T1 = 400 K). (2p.). 

d.  Calculate  the compressor power demand  (as 5×  the power demand  for 1 compressor!) of  this 

process plant (in kW).  (3p.) 

e.  If nitrogen would be used in this process, producing liquid N2, which significant differences would 

you expect? (1p.) 

page 6 of 6

ÅA FNT KT VST Refrigeration 424519.0 exam 24-3-2017 Name: Matriculate number: