EXERCISE 1.
2
Steam at 20 bar and 3000C enters a convergent-divergent nozzle at the rate of 0.3kg/s with negligible
inlet velocity and expands into a space at 3 bar.
(a) Assuming that the steam expands isentropically according to a law 3 .1PV = const, estimate the
throat and exit areas of the nozzle.
(b) Recalculate the throat and exit areas of the nozzle taking a coefficient of discharge of 0.98 and a
coefficient of velocity of 0.92.
Given data
P0=20 ¯¿
0
t 0=300 c
P1=3 ¯¿
C d=0.98
∅ =0.92
For isentropic work
1.3
P V =Canstant
Unknown/find
¿
a . A =?
A1=¿?
Solution
The nozzle inlet is at superheated condition.
h 0=3023.5 KJ / Kg From table of superheated steam at p0=20 ¯¿, t 0=300 ℃
s0 =6.766 KJ / Kg
2
v 0=0.125 m / Kg
¿
P
But =0.546 for superheated condition.
P0
¿
P =10.92 ¯¿
From adiabatic work.
1.3 ¿ ¿ 1.3 1.3
P0 v 0 =P v =P1 v 1 ………….. ( 1 )
From ( 1 )
v ¿=
√
1.3 P 0 V 1.3
P ¿
0
√
1.3
¿ 1.3 20× ( 0.125 )
v=
10.92
¿ 3
v =0.1991 m / Kg
Similarly,
√
¿
1.3 P0 v 0
v 1=
P1
√
1.3
1.3 20 × ( 0.125 )
v 1=
3
3
v 1=0.54 m / Kg
1
V =44.72 ( h 0−h )
¿ ¿ 2
Along isentropic path
¿
S0 =S s=6.766 KJ / Kg
¿ ¿
S s=Sf + x s S fg
¿
¿S −S f
x= f
s
S sg
¿
At P =10.92 KJ / Kg
¿
S f =2.1786
S fg=4.3711
¿ 6.766−2.1786
x s= =1
4.3711
¿ ¿ ¿
Hence h f =hf + x s h fg at p =11 ¯
¿
¿
h s=751.1+(1× 1998.5)=2779.6 KJ / Kg
1
¿ 2
V =44.72 ( 3023.5−2779.6 ) =698.41 m/s
Also
1
{
V =44.72 ( h0 −h ) + ( h −h 1) }
¿ ¿
1
¿ 2
¿
S −S f
At exit P1=3 ¯¿
¿
x= f
s
S sg
¿ 6.766−1.6716
x s= ¿ 0.96
5.3193
Therefore,
h s=h f + x 1 s hfg
h s=561.4+ 0.96 ( 2163.2 )=2638.08 KJ / Kg
V 1=44.72¿ ¿
V 1=877.9 m/ s
¿
¿ m v 0.3 ×0.1991 2
a) A = ¿ = =0.85 c m
v 698.4
m v 1 0.3× 0.54 2
A 1= = =1.85 c m
v1 877.9
b) C d=0.98
ma
=0.98
ms
ma=0.98× 0.3=0.294
V1
∅=
V 1S
V 1=∅ V 1 S=0.92× 877.9=0.294 m/s
¿
V
∅= ¿
V 1s
¿ ¿
V =∅ V s=0.92 ×698.4=642.5 m/ s
Therefore
¿
¿ mv
A= ¿
v
¿ 0.294 × 0.1991
A=
642.5
¿ 2
A =0.91 c m
ma v 1
A 1=
v1
0.294 × 0.1991
A 1=
642.5
A1=¿1.97c m2