Question 5.19: Determine the throat area, exit area and exit velocity for a...

Determine the throat area, exit area and exit velocity for a steam nozzle to pass a mass flow of 0.2 kg/s when inlet conditions are 10 bar and 250°C and the final pressure is 2 bar. Assume expansion is isentropic and that the inlet velocity is negligible. Use   pv^{1.3} constant. Do not calculate from h-s chart.                                                                                                                                                             (N.U.)

The blue check mark means that this solution has been answered and checked by an expert. This guarantees that the final answer is accurate.
Learn more on how we answer questions.

Mass of steam flowing through the nozzle,        \dot{m} _{s} = 0.2 kg/s
Inlet pressure,                                                          p_{1} = 10 bar
Inlet temperature,                                                    T_{1} = 250 + 273 = 523 K
Specific volume at 10 bar, 250°C                          = 0.233 m³/kg (From steam tables)
Final pressure,                                                            p_{3} = 2 bar

Throat area (  A_{2} ), exit area (  A_{3} ) and exit velocity (  C_{3} ) :

  \frac{p_{2} }{  p_{1}}    =   (\frac{2}{n  +  1}) ^{\frac{n}{n  –  1}}   =   (\frac{2}{1.3  +  1}) ^{\frac{1.3}{1.3    –  1}}   =  0.5457

∴                                                        p_{2} = 0.5457 ×   p_{1} = 0.5457 × 10 = 5.457 bar

At throat :

Velocity                                                                C_{2}  =    \sqrt {\frac{2  n}{n  –  1}    p_{1} v_{1}  [1   –   (   \frac{p_{2} }{  p_{1}}) ^{\frac{n  –  1}{n}}   ]}

    \sqrt {\frac{2    ×   1.3}{1.3    –  1}      ×   (10    ×   10^{5})     ×   0.233 [1   –   (   \frac{5.457}{  10}) ^{\frac{1.3   –  1}{1.3}}   ]}

  \sqrt{2019333.3   (1  –  0.8696)}   = 513.15 m/s

Also                                                                             v_{2} =    v_{1}     (   \frac{p_{1} }{  p_{2}}) ^{\frac{ 1}{n}}    =    0.233     ( \frac{10 }{  5.457}) ^{\frac{ 1}{1.3}}    =   0.3712     m³ / kg

Mass flow rate,                                                        \dot{m}_{s}   =  \frac{A_{2} C_{2}}{v_{2}}     or       0.2    =    \frac{A_{2}    ×    513.15}{0.3712}  

or                                                Throat area,              A_{2}  =  \frac{    0.2   ×    0.3712 }{ 513.15}  = 1.446  ×   10^{–4}  m². 

At exit :

Velocity,                                              C_{3}  =    \sqrt {\frac{2  n}{n  –  1}    p_{1}v_{1}    \left\{ 1   –   (\frac{p_{3} }{  p_{1}}) ^{\frac{n  –  1}{n}}  \right\}  }

    \sqrt {\frac{2    ×   1.3}{1.3    –  1}      ×   (10    ×   10^{5})     ×   0.233  \left\{  1   –   (   \frac{2}{  10}) ^{\frac{1.3   –  1}{1.3}}  \right\}  }

  \sqrt{2019333.33     ×   0.3102}   =   791.45   m /s

 v_{3}  =    v_{1}     (   \frac{p_{1} }{  p_{3}}) ^{1 / n}    =    0.233     ( \frac{10 }{  2}) ^{\frac{ 1}{1.3}}    =    0.8035 m³/kg

Mass flow rate,                                                  \dot{m} _{s}  =  \frac{A_{3} C_{3}}{v_{3}}  or       0.2    =    \frac{A_{3}    ×    791.45}{0.8035}  

or                                          Exit area,                A_{3}  =  \frac{    0.2   ×    0.8035 }{791.45}  =   2.03  ×   10^{–4}  m². 

Related Answered Questions