संघ लोक सेवा आयोग सिविल सेवा - मुख्य परीक्षा
(Download) UPSC IAS Mains Exam Paper - 2017 : यांत्रिक - इंजीनियरी (Paper - 2)

यांत्रिक - इंजीनियरी
(प्रश्न पत्र - II)

निर्धारित समय : तीन घंटे

अधिकतम अंक : 250

प्रश्न-पत्र सम्बन्धी विशेष अनुदेश

कृपया प्रश्नों के उत्तर देने से पूर्व निम्नलिखित प्रत्येक अनुदेश को ध्यानपूर्वक पढ़े :

इसमें आठ (8) प्रश्न हैं जो दो खण्डों में विभाजित हैं तथा हिन्दी और अंग्रेज़ी दोनों में छपे हैं ।

परीक्षार्थी को कुल पाँच प्रश्नों के उत्तर देने हैं।

प्रश्न संख्या 1 और 5 अनिवार्य हैं तथा बाकी में प्रत्येक खण्ड से कम-से-कम एक प्रश्न चुनकर किन्हीं तीन प्रश्नों के उत्तर दीजिए । प्रत्येक प्रश्न/भाग के अंक उसके सामने दिए गए हैं ।

प्रश्नों के उत्तर उसी प्राधिकृत माध्यम में लिखे जाने चाहिए जिसका उल्लेख आपके प्रवेश-पत्र में किया गया है, और इस माध्यम का स्पष्ट उल्लेख प्रश्न-सह-उत्तर (क्यू.सी.ए.) पुस्तिका के मुख-पृष्ठ पर निर्दिष्ट स्थान पर किया जाना चाहिए । प्राधिकृत माध्यम के अतिरिक्त अन्य किसी माध्यम में लिखे गए उत्तर पर कोई अंक नहीं मिलेंगे।

प्रश्नों में शब्द सीमा, जहाँ विनिर्दिष्ट है, का अनुसरण किया जाना चाहिए ।

जहाँ आवश्यक हो, आरेख / चित्र उत्तर के लिए दिए गए स्थान में ही दर्शाइए ।

प्रश्नों के उत्तरों की गणना क्रमानुसार की जाएगी । यदि काटा नहीं हो, तो प्रश्न के उत्तर की गणना की जाएगी चाहे वह उत्तर अंशतः दिया गया हो । प्रश्न-सह-उत्तर पुस्तिका में खाली छोड़ा हुआ पृष्ठ या उसके अंश को स्पष्ट रूप से काटा जाना चाहिए ।

खण्ड - A

Q1. (a) एक अच्छी तरह से ऊष्मारोधी दृढ़ टैंक दो समान भागों में विभाजित हुआ है। प्रारंभ में एक भाग में 4 kg आदर्श गैस 800 kPa और 50°C पर है, जबकि दूसरा भाग निर्वातित है। अब बीच का विभाजन हटा दिया जाता है और गैस पूरे टैंक में फैल जाती हैं। टैंक में अंतिम तापमान और दाब का निर्धारण कीजिए ।
(b) संतृप्त वाष्प सम्पीड़न प्रशीतन चक्र के सभी प्रक्रमों को p-v, t-s और p-h आरेख पर दर्शाये और t-s आरेख पर प्रशीतन प्रभाव, संघनित्र से निष्कासित ऊष्मा और संपीडक कार्य को दर्शायें ।
(c) विकिरणीय ऊष्मा विनिमय के सम्बंध में आकृति गुणांक शेप फेक्टर क्या होता है ? चार आधारिक आकृति गुणांक नियमों का विवेचन कीजिए ।
(d) 4-आघात द्रुतक्रिय और निम्नक्रिय एरा.आई. अंतर्दहन इंजन वाल्व काल समंजन आरेख बनाइए।
(e) भाप की गुणता को परिभाषित करें और उसके विशिष्ट आयतन के व्यंजक को भाप की गुणता के रूप में व्युत्पन्न करें v= v_f + xv_fg

Q2. (a) एक गैस टरबाईन के सम्पीड़क (कम्प्रेसर) और टरबाईन की दक्षताएं क्रमशः 70% और 71% हैं। दहन कक्ष में प्रति किलो हवा में 476.35 kJ/kg अष्मा प्रदान की गई है । एक उचित दाब अनुपात दूकें, ताकि कार्य का अनुपात 0.054 रहे। इसके साथ संगत तापमान अनुपात को भी निकालें । प्रवेश वायु का कुल तापमान 300 K है ।
(b) एक फ्लू गैस का तापमान थर्मोकपल से नापना है। मापित तापमान का यथार्थतः पूर्वानुमान लगाने के लिए, समय अनुक्रिया के संदर्भ में, थर्मोकपल डिज़ाइन का मूल्यांकन करना आवश्यक है । थर्मोकपल के जड़ को 0.6 mm के व्यास का गोलक माना जा सकता है जिसके द्रव्य का घनत्व p= 8500 kg/m³, ऊष्मा चालकता K = 30 W/m-K और विशिष्ट ऊष्मा 0.3 kJ/kg-K हैं । जोड़ और पर्यावरण के बीच संबनी ऊष्मा अंतरण गुणांक (n) 300 W/m²-K है। प्रारंभिक तापमान अंतराल का 90 नापने के लिए कितना वक्त लगेगा ? विकिरण में ऊष्मा हानि और तापीय भौतिक गुणधर्म तापमान के साथ बदलना नज़र अंदाज कीजिए।
(c) विभिन्न प्रकारों के बॉयलरों को वर्गीकृत करें और बॉयलर चयन के लिये आवश्यक घटकों का विवेचन करे ।

Q3. (a) हृदय शल्यक्रिया करते समय, हायपोथक स्थिति में, रोगी का रक्त शल्यक्रिया के पहले ठंडा किया जाता है और फिर गर्म किया जाता है। इसके लिए 0.5 m लंबाई की समकेन्द्रित प्रतिवाह ऊष्मा विनिमवित्र नली का उपयोग किया गया है जिसकी अंदर की पतली दीवार वाली नली का व्यास 0.5 m है। 18°C, तापमान और 0.01 kg/s के प्रवाह के रक्त को गर्म करने के लिये 60°C तापमान का 0.1 kg/s प्रवाह का पानी प्रयोग किया है। ऊष्मा विनिमयत्र से बाहर निकलने वाले खून का तापमान ज्ञात कीजिए।
मानिए समग्र ऊष्मा अंतरण गुणांक (U) = 500 W/m²-K, रक्त की विशिष्ट ऊष्मा = 3.5 kJ/kg-K, पानी की विशिष्ट ऊष्मा C = 4.187 kJ/kg-K

(b) एकल सिलिंडर 4-स्ट्रोक पेट्रोल इंजन 20, संपूर्ण दक्षता के साथ 100 KM शक्ति उत्पन्न कर रहा है। इंजन का इंधन-वायु अनुपात 0.07 : 1 हैं। अगर हवा की घनता 12 kg/m³ हैं, वो कितने m³/hr की आवश्यकता होगी ? बाष्पीकृत धन को धनता हवा से 4 गुना ज्यादा हैं तो ईधन-वायु के मिश्रण को कितने m³/hr जरूरी है : ईधन का कैलोरी मान 4200kJ/kg है
(c) एक ऑटोगोबाइल टायर में दाब टावर में हवा के तापमान पर निर्भर करता है। जब हवा का तापमान 35 होता है, तो दवाब मापक 210 kPa बताता है। अगर टायर का आयतन 0.025 m³ हैं, तो निर्धारण करें कि टायर में कितना दाब बढ़ेगा, जब टायर में हवा का तापमान 50 तक बढ़ जाए। साथ ही, इस तापमान पर अपने मूल मान के दाब को बहाल करने के लिए वायु, की मात्रा का निर्धारण करें । मान लीजिए बि वायुमंडलीय दाब 100 kPa और वायु का गैस नियतांक R = 0.287 kPa m³/kg-K है ।

Q4. (a) एक 6-सिलिंडर 4-स्क डीज़ल इंजन का बोर 60 mm है और बैंक त्रिज्यां 32 mm है। इंजन का सम्पीड़न अनुपात (काप्रेशन रेसियो) 9:1 और इंजन आयतनी दक्षता (वोल्यूमेट्रिक एफिसेंसी) 90% है। निर्धारण कीजिए।

(i) स्ट्रोक की लंबाई
(ii) 1000 rpm पर पिस्टन की माध्य गति
(iii) प्रति सिलिंडर स्वेट आयतन
(iv) प्रति सिलिंडर क्लीयरेन्स आयतन
(v) इंजन की क्यूबिक क्षमता
(vi) हरेक सिलिंडर में प्रतिस्ट्रोक हवा का वास्तविक आयतन
(b) एक अक्षीय प्रवाह पंखे के रोटर का व्यास 30 cm है । यह 1470 आरपीएम पर चलता है । प्रवेश और निर्गम पर वेग त्रिभुज के बारे में निम्न आँकड़ों द्वारा बताया गया है : परिधीय वेग के घटक निरपेक्ष वैग के रूप में प्रवेश और निर्गत पर निम्न हैं :

C_y1 = 1/3u, C_y2 = 2/3u  है जहाँ C = द्रव वेग , u = परिधीय रफ़्तार

(ii) दाब उत्थान का परिकलन कीजिए, वायु का नियत घनत्व लीजिए, p = 1.25 kg/m³

(c) नली में से स्तरीय प्रवाह के लिए (i) स्थिर दीवार तापमान के संदर्भ में (ii) स्थिर ऊष्मा अभिवाह के संदर्भ में 'ऊष्मीयतः विकसित जोन'' क्या होता है, सुस्पष्ट कीजिए ।

खण्ड़ - B

Q5. (a) 'अभिनंब' और 'तिर्मक' प्रघात में क्या अंतर है। दोनों के महत्व का कथन कीजिए ।
(b) R-12 ब R-12 प्रशीतक द्रव्य के हानिकारक प्रभावों को स्पष्ट करें । उनका रासायनिक सूत्र तथा सामान्य क्वथनांक तापमान भी लिखें। साथ ही इन दोनों प्रशीतकों के स्थान पर काम आने वाले नये पर्यावरण हितैषी प्रतिस्थापी भी सुझाइए ।
(c) ठोस ईंधन के कैलोरिफिक मान के प्रायोगिक निर्धारण को स्वच्छ चित्र के द्वारा समझाते हुए, विवेचन करें ।
(d) पेट्रोल इंजन का बावु-ईंधन अनुपात शून्य भार से लेकर पूर्ण भार क्षमता की स्थिति तक बदलता रहता है। नीचे दी गई परिस्थितियों में इंजन के लिए वायु-ईंधन अनुपात आवश्यकताएं, कारण सहित, लिए :

(i) निष्कार्य दशा
(ii) असम (cruising) दशा
(iii) उच्च मार दशा
(iv) अतप्त प्रवर्तन दशा

(e) ईंधन के एक नमूने में भार के अनुसार निम्नलिखित प्रतिशतता विश्लेषण पाया गया : कार्बन 80 हाइड्रोजन 16; और राख आदि 4 । इस ईंधन के 1 kg के दहन हेतु आवश्यक वायु का न्यूनतम पार व आयतन निर्धारित कीजिए। आक्सीजन का घनत्व 1.429 कि.ग्रा./मी है ।

Q6. (a) एक चरण वाले एक चक्र के वाष्प सम्पीड़न प्रशीतन तंत्र में प्रशीतक R-134a का उपयोग किया गया है । संघनित्र और वाष्पनित्र के तापमान 35°C तथा –10°C है और प्रशीतक को 5°C से अवशीतल किया गया है। प्रति स्वैप्ट आयतन पर क्लियरेन्स आयतन 0.03 है । और स्वैट्र आयतन 260-4 सेमी हैं । सम्पइक को गति व दक्षता क्रमशः 2800 rpm और 80% । विस्तार सूचकांक 1.12 हैं । निर्धारण करे (1) सापक का निर्गम तापमान (ii) सम्पीड़क के निर्गम पर प्रशीतक की एन्थालपि (iii) अवशीतल्क 3, निर्गम पर एन्थालपि (i) सम्पादक की आयतनी दक्षता तथा (C) प्रशीतक की अमान प्रवाह दर । बाप व द्रव्य की विशिष्ट मा संघनित्र के दबाब पर क्रमशः 1.1 kJ/kg-K तथा 1.458 kJ/kg-K है । चूषण वाष्प को शुष्क संतृप्त और सम्पीड़न को सग एन्ट्रोपी मान लें ।

(b) किन चक्र पर आधारित एक शक्ति संयंत्र की निम्न दक्षताएं परिभाषित करें सम्पूर्ण दक्षता, बॉयलर की दक्षता, चक्र की दक्षता, यांत्रिक दक्षता और रैंकिन चक्र पर आधारित जेनरेटर की दक्षता । और इसके साथ निम्न को सिद्ध कीजिए :

(c) एक पराध्वनिक पवन सुरंग स्थिरण कक्ष परीक्षण अनुभाग में 10 बार से 4 बार के दाब से नौज़ल के माध्यम से हवा का विस्तार करता है। परीक्षण खंड में 500 m/s की गति प्राप्त करने के लिए स्थिरण कक्ष में आवश्यक ठहराव तापमान का परिकलन कीजिए । C = 1.025 kJ/kg-K और C_v =0.735 kJ/kg-K लें ।

Q7. (a) एक आवेग टरबाइन में एक पंक्ति के जश्के का उपयोग किया गया है और उसके ब्लैड़ का माध्य व्यास 105 सेमी हैं और गति 3000 आरपिएम है। नोज़ल कोण 18° हैं, लैड की गति और भाप की गति
को अनुपात 0.42 है, तथा इलैंड के निर्गम पर आपेक्षिक वेग और प्रवेश पर आपेक्षिक वेग का अनुपात 0.84 हैं । लैङ्ग का निर्गम को प्रवेश कोण से 3^o कम है। भाप को प्रवाह दर 8 किग्नासैकण्ड हैं । ब्लैड़ों के लिए वेग आरेख बनाइये तथा निम्नलिखित का प्रावकलन कीजिए (i) ब्लैड पर परिणामी प्रणोद (ii) ब्लैड पर स्पर्शीय प्रणोद (iii) ब्लैड पर अक्षीय प्रणोद (iv) ब्लैड्स में उत्पन्न शक्ति और (v) ब्लैइ दक्षता ।

(b) एक छोटा डिस्क की आकृति का उपग्रह जिसका व्यास | मीटर हैं, पृथ्वी (व्यास 6250 km) से पृष्ठ से 300km की दूरी पर चक्कर काट रहा है । डिरक का समतल पृष्ठ पृथ्वी की सतह पर स्पर्शीय है । उपग्रह के सतह को उत्सर्जकता 0.3 और तापमान -18^oC है। उपग्रह से ऊष्मा की अन्तरण को निवल दर का परिकलन कीजिए।
मान लीजिए।

(i) पृथ्वी एक कृष्णिका है और औसत पृथ्वी पृष्ठ तापमान 27°C है ।
(ii) उपग्रह भू-छाया में है ।
(iii) उपग्रह के पर्यावरण का जो भाग, जो पृथ्वी का भाग नहीं है, वह कृष्णिका है और तापमान O K है ।
(iv) स्टीफन बोटसमन गुणांक (C) = 5.67 x 10^-8 W/m2.K⁴।

(c) संबातन (वैन्टिलेशन) और अंतःस्पंदन (इनफिल्ट्रेशन) के बीच स्पष्टतया विभेदन कीजिए । इनफिल्ट्रेड वायु का प्राक्कलन करने की विधियों की विवेचना करें ।

Q8. (a) एक एकल सिलिंडर 4-स्ट्रोक डीज़ल इंजन के परीक्षण में निम्नलिखित आंकड़े पाये गये :

परीक्षण अवधि =1 hr
बोर x स्ट्रोक = 0.3m x 0.45 m
ईंधन खपत = 11.4 kg
ईंधन का कैलोरी मान = 42 MJ/kg
सूचित माध्य प्रभावी दाब = 6 bar
ब्रेक पर निवल भार = 1500 N
इंजन आर.पी.एम. = 300 rpm
ब्रेक ड्रम व्यास = 18 m
ब्रेक रज्जु व्यास = 20 mm
जैकेट शीतन जल की मात्रा = 600 kg
शीतन जल में ताप वृद्धि = 55°C
निकासी की मार्पित मात्रा = 290 kg
निकासी गैस का तापमान = 420°C
निकासी गैस की विशिष्ट ऊष्मा = 1.03 kJ/kg-K
परिवेश तापमान = 20°C

मालूम कीजिए :

(i) सूचित शक्ति
(ii) ब्रेक शक्ति
(iii) सूचित ऊष्मीय दक्षता
(iv) एक ऊर्जा तुलनपत्र बनाइए

(b) एक वातानुकूलन संयंत्र में वायु हैंडलिंग एकक कुल मिलाकर 4000 m³/min शुष्क वायु की पूर्ति करता है, जिसमें द्रव्यमान के अनुसार 20% ताजा हल्ला 39^oC DBT और 26°C WBT पर है तथा 80% पुनः परिसंचरित वा 24°C DBT और 50% RH पर है । वायु शीतन कुंडली (कूलिंग कॉएल) से 12°C पर संतृप्त अवस्था में बाहर निकलती है। साइक्रोमेट्रिक चार्ट का उपयोग करते हुए (i) कुल शीतन भार और (ii) कक्ष में ऊष्मालब्धि का परिकलन कीजिए । प्रक़म को साइक्लोमेट्रिक चार्ट पर. भी दर्शाए ।
(c) लौग माध्य ताप अंतर (एल.एम.टी.डी.) विधि का इस्तेमाल करते हुए प्रतिवाह विनिमायक के विश्लेषण के लिए अभिगृहीतों को लिखिए। अंतस्थ तापमान की मदद से, प्रति प्रवाह ऊष्मा विनिमवित्र में एल.एम.टी.डी. के लिए व्यंजक लिखिए।

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