Syllabus For The Subject Thermo Dynamics & Process Design

Thermo Dynamics & Process Design

TABLE OF CONTENTS

LIST OF FIGURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv

LIST OF TABLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii

REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii

OBJECTIVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x

THERMODYNAMIC PROPERTIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Mass and Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Specific Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Specific Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Humidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Intensive and Extensive Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

TEMPERATURE AND PRESSURE MEASUREMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Temperature Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Pressure Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

ENERGY, WORK, AND HEAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Potential Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Kinetic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Specific Internal Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Specific P-V Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Specific Enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Energy and Power Equivalences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

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TABLE OF CONTENTS Thermodynamics

TABLE OF CONTENTS (Cont.)

THERMODYNAMIC SYSTEMS AND PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Thermodynamic Systems and Surroundings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Types of Thermodynamic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Thermodynamic Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Control Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Steady State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Thermodynamic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Cyclic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Reversible Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Irreversible Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Adiabatic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Isentropic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Polytropic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Throttling Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

CHANGE OF PHASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Classification of Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Saturated and Subcooled Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Moisture Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Saturated and Superheated Vapors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Constant Pressure Heat Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Critical Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Sublimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Triple Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Condensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

PROPERTY DIAGRAMS AND STEAM TABLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Property Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Pressure-Temperature (P-T) Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Pressure-Specific Volume (P-v) Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Pressure-Enthalpy (P-h) Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Enthalpy-Temperature (h-T) Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

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Thermodynamics TABLE OF CONTENTS

TABLE OF CONTENTS (Cont.)

Temperature-Entropy (T-s) Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Enthalpy-Entropy (h-s) or Mollier Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Steam Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

FIRST LAW OF THERMODYNAMICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

SECOND LAW OF THERMODYNAMICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Second Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Carnot’s Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Diagrams of Ideal and Real Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Power Plant Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Heat Rejection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Typical Steam Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Causes of Inefficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

COMPRESSION PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Boyle’s and Charles’ Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Ideal Gas Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Compressibility of Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Constant Pressure Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Constant Volume Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Effects of Pressure Changes on Fluid Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Effects of Temperature Changes on Fluid Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

APPENDIX A Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-1

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LIST OF FIGURES Thermodynamics

LIST OF FIGURES

Figure 1 Comparison of Temperature Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Figure 2 Pressure Relationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Figure 3 Intensive Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Figure 4 Piston-Cylinder Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Figure 5 Vapor Pressure Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Figure 6 T-V Diagram Showing the Saturation Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Figure 7 T-V Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Figure 8 Pressure-Temperature Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Figure 9 P-T Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Figure 10 P-v Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Figure 11 P-h Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Figure 12 h-T Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Figure 13 T-s Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Figure 14 First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Figure 15 Control Volume Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Figure 16 Open System Control Volumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Figure 17 Open System Control Volumes (Cont.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Figure 18 Mulitple Control Volumes in Same System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Figure 19 T-s Diagram with Rankine Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

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Thermodynamics LIST OF FIGURES

LIST OF FIGURES (Cont.)

Figure 20 Typical Steam Plant Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Figure 21 Carnot Cycle Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Figure 22 Real Process Cycle Compared to Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Figure 23 Control Volume for Second Law Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Figure 24 Expansion and Compression Processes on T-s Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Figure 25 Expansion and Compression Processes on h-s Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Figure 26 Steam Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Figure 27 Comparison of Ideal and Actual Turbine Performances . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Figure 28 Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Figure 29 Carnot Cycle vs. Typical Power Cycle Available Energy . . . . . . . . . . . . . . . 86

Figure 30 Ideal Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Figure 31 Rankine Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Figure 32 Rankine Cycle with Real v.s. Ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Figure 33 Rankine Cycle Efficiencies T-s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Figure 34 h-s Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Figure 35 Typical Steam Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Figure 36 Steam Cycle (Ideal) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Figure 37 Steam Cycle (Real) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Figure 38 Mollier Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Figure 39 Ideal Gas Constant Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Figure 40 Pressure-Volume Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

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LIST OF FIGURES Thermodynamics

Thermo Dynamics & Process Design

LIST OF FIGURES (Cont.)

Figure A-1 Mollier Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-1

Figure A-2 Sample Steam Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3

Figure A-3 Thermodynamic Properties of Mercury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-5

Figure A-4 Thermodynamic Properties of CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-7