Рабочая программа учебной дисциплины «Термодинамика и теплопередача»

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

«Согласовано»	«Утверждаю»
___________________ Руководитель ООП по направлению 151000 профессор	_______________________ Заведующий кафедрой ГТМ профессор

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

«ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА»

Направление подготовки:151000 Технологические машины и оборудование

Профиль подготовки: «Металлургические машины и оборудование»;

«Оборудование нефтегазопереработки»;

«Технологические машины и оборудование для

разработки торфяных месторождений»

«Технологические процессы в машиностроении»

Квалификация (степень) выпускника: бакалавр

Составитель: профессор

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2012

1 Цели и задачи дисциплины

В дисциплине изучаются теоретические основы технической термодинамики и теплопередачи. Цель преподавания дисциплины:

- получение студентами знаний по теоретическим основам классической термодинамики и законам теплопередачи, необходимых для изучения последующих специальных дисциплин, грамотной инженерной оценки тепловых явлений в системах и агрегатах;

- приобретение знаний и умений термодинамического исследования процессов и циклов тепловых машин;

- приобретение знаний о закономерностях распространения тепла в различных средах, подготовка к усвоению основных положений теории теплообмена, необходимых для выполнения курсовых работ, дипломного проектирования и дальнейшей профессиональной деятельности.

Задачей изучения дисциплины является формирование у студентов:

- методологического подхода к оценке термодинамических и теплообменных процессов;

- формирование навыков проведения термодинамического эксперимента;

- усвоение методики решения инженерных задач, в том числе самостоятельной работы.

Программа изучения дисциплины должна обеспечить приобретение знаний, умений и навыков в соответствии с государственным образовательным стандартом.

2 Место дисциплины в структуре ООП

Учебная дисциплина Термодинамика и теплопередача» относится к профессиональному циклу вариативной его части для подготовки по профилю – «Оборудование нефтегазопереработки».

Для успешного освоения дисциплины, приобретения необходимых знаний, умений и компетенций к началу изучения дисциплины «Термодинамика и теплопередача» студент должен обладать соответствующими знаниями, умениями и компетенциями, полученными при изучении Учебных дисциплин: Философии, Иностранного языка, Математики, Физики, Химии, Информационных технологий, Экологии, Теоретической механики, Компьютерной графики, Гидравлики, Основ научных исследований, Инженерной графики, Технической механики, Технологии конструкционных материалов, Материаловедения, Метрологии, стандартизации и сертификации, Электротехники и электроники, Основ проектирования.

Учебная дисциплина «Термодинамика и теплопередача» является предшествующей для ряда учебных дисциплин по направлению подготовки 151000 «Технологические машины и оборудование», профилю подготовки «Оборудование нефтегазопереработки» и на основе знаний, умений и компетенций, приобретенных студентом в процессе ее освоения формируются соответствующие знания, умения и компетенции для последующих учебных дисциплин, для которых учебная дисциплина «Термодинамика и теплопередача» является предшествующей. К таким дисциплинам относятся: Проектирование и расчет торфяных технологических машин и оборудования, Горные машины и оборудование, Машины и оборудование открытых разработок, Транспортные машины горного производства и др.

3 Требования к результатам освоения дисциплины

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

- способность на научной основе организовывать свой труд, оценивать с большой степенью самостоятельности результаты своей деятельности, владеть навыками самостоятельной работы (ОК-6);

- способность самостоятельно применять методы и средства познания, обучения и самоконтроля, выстраивание и реализация перспективных линий интеллектуального, нравственного, физического и профессионального саморазвития, самосовершенствования, способность с помощью коллег критически оценить свои достоинства и недостатки с необходимыми выводами (ОК-8);

- целенаправленное применение базовых знаний в области математических, естественных, гуманитарных и экономических наук в профессиональной деятельности (ОК-9);

- умение использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);

- свободное владение литературной и деловой письменной и устной речью на русском языке, навыками публичной и научной речи; умение создавать и редактировать тексты профессионального назначения, анализировать логику рассуждений и высказываний (ОК-14);

- умение использовать нормативные правовые документы в своей деятельности (ОК-16);

- способность обеспечивать технологичность изделий и процессов их изготовления, умение контролировать соблюдения технологической дисциплины при изготовлении изделий (ПК-1)

- умение применять современные методы для разработки малоотходных, энергосберегающих и экологически чистых машиностроительных технологий, обеспечивающих безопасность жизнедеятельности людей и их защиту от возможных последствий аварий, катастроф и стихийных бедствий, умение применять способы рационального использования сырьевых, энергетических и других видов ресурсов в машиностроении (ПК-8);

- умение применять стандартные методы расчета при проектировании деталей и узлов изделий машиностроения (ПК-21);

- способность принимать участие в работах по расчету и проектированию деталей и узлов машиностроительных конструкций в соответствии с техническими заданиями и использованием стандартных средств автоматизации проектирования (ПК-22);

- способность разрабатывать рабочую проектную и техническую документацию, оформлять законченные проектно-конструкторские работы с проверкой соответствия разрабатываемых проектов и технической документации стандартамЮ техническим условиям и другим нормативным документам (ПК-23);

- понимание основных тенденций развития оборудования и маши нефтегазопереработки (ПДК-1);

- владение методами конструктивных решений при проектировании соответственно – машин и оборудования в технологических процесса переработки нефти и газа (ПДК-2).

В результате изучения дисциплины студент должен:

- знать процессы переноса тепла и принципы тепловой работы нагревательных устройств, основу теплотехники и теплопередачи: температурные поля, теплопроводность, конвекцию, излучение, законы теплопередачи и критерии подобия тепловых явлений, сложный теплообмен;.

- уметь выполнять энергетические расчеты политропных термодинамических процессов, выполнять расчеты процессов истечения, выполнять расчеты процессов дросселирования при истечении, выполнять расчеты термодинамических процессов влажного воздуха;

- владеть навыками выполнения типовых термодинамических процессов, проведения энергетического расчета термодинамического цикла.

4. Объем дисциплины и виды учебной нагрузки

Общая трудоемкость дисциплины составляет 108 часов, 3 зачетных единиц

Вид учебной работы	Всего часов	Семестр
4
Аудиторные занятия (всего)	54	54
В том числе:	-	-
Лекции	18	18
Лабораторные работы	36	36
Практические занятия	-
Самостоятельная работа (всего)	54	54
В том числе:	-
Подготовка к лабораторным работам	9	9
Домашние задания	36	6 × 6 = 36
Реферат	9	9
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)	-	зачет
Общая трудоемкость, час зач. ед.	108	108
3	3

5 Содержание дисциплины

5.1 Содержание разделов дисциплины

№ п/п	Наименование раздела дисциплины	Содержание раздела дисциплины
1	Техническая термодинамика	Введение. Предмет и задачи дисциплины, ее связь с другими дисциплинами. Рабочее тело и его параметры. Термодинамическая система. Законы термодинамики. Параметры состояния рабочего тела и единицы их измерения. Тепловые свойства рабочих тел. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа. Газовая постоянная и ее физический смысл. Смеси газов: способы задания, определение газовой постоянной и молярной массы смеси. Теплоемкость. Виды теплоемкости: массовая, объемная, мольная. Теплоемкость, как функция процесса. Изохорная и изобарная теплоемкость, связь между ними. Зависимость теплоемкости от температуры. Истинная и средняя теплоемкость. Теплоемкость смеси газов.
2	Первый закон термодинамики. Термодинамические процессы	Уравнение первого закона термодинамики. Слагаемые первого закона термодинамики: теплота, работа, внутренняя энергия, энтальпия. Эквивалентность теплоты и работы. Обратимые и необратимые процессы. Основные рабочие процессы идеальных газов, их графическое изображение. Рабочая и тепловая диаграммы. Политропные процессы, их исследование. Энергетические характеристики политропных процессов.
3	Второй закон термодинамики	Сущность второго закона термодинамики и его различные формулировки (Клаузиуса, Томсона, Больцмана, Планка). Термодинамические циклы и их КПД. Циклы прямые и обратные. Термический КПД - как характеристика экономичности идеального цикла. Холодильный, отопительный коэффициенты. Идеальный термодинамический цикл Карно и его эффективность. Энтропия - параметр состояния, ее физический смысл, изменение в процессах. Тепловая диаграмма. Изображение политропных процессов в Т-S координатах. Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Идеальный термодинамический цикл газотурбинной установки (цикл Брайтона). Изображение циклов в рабочей и тепловой диаграммах. Сравнение циклов по основным параметрам и термическому КПД. Бинарные процессы и бинарные циклы. Идеальные обратные циклы.

Продолжение таблицы

№ п/п	Наименование раздела дисциплины	Содержание раздела дисциплины
4	Теплопроводность	Способы распространения теплоты: теплопроводность, конвекция, излучение. Их сравнительный анализ. Тепловой поток и его плотность. Температурное поле, температурный градиент. Теплопроводность, как механизм передачи теплоты в твердом теле. Тепловой баланс. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности. Условия однозначности: геометрические, теплофизические, краевые. Тепловые граничные условия. Теплопроводность при стационарном режиме. Температурное поле плоской и цилиндрической стенки (однослойной и многослойной).
5	Конвективный теплообмен. Теплопередача	Физическая природа конвективного теплообмена. Свободная конвекция. Ламинарный и турбулентный режимы течения. Тепловой и гидродинамический пограничные слои. Теплоотдача. Уравнение Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи, его физический смысл. Основы теории подобия. Условия подобия физических явлений. Числа подобия. Определяемый и определяющие критерии подобия. Виды уравнений подобия конвективного теплообмена. Определяющая температура и определяющий размер. Методы осреднения температуры теплоносителей. Частные случаи конвективного теплообмена при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения. Теплоотдача при движении жидкости в трубах/ Теплообмен при движении среды с большой скоростью. Теплоотдача при свободном движении теплоносителя. Теплопередача.
6	Радиационный и сложный теплообмен	Основные понятия и определения. Физическая сущность лучистого теплообмена, виды потоков излучения и радиационные характеристики тел. Основные законы излучения. Лучистый теплообмен между телами, разделенными прозрачной средой. Защита от теплового излучения. Сложный теплообмен. Моделирование сложного теплообмена граничными условиями третьего рода. Методы тепловой защиты поверхностей.

5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми

(последующими) дисциплинами

№ п/п	Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин	№№ разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1	2	3	4	5	6
1	Надежность технологических машин и оборудования	х	х	х	х	х	х
2	Стационарные установки нефтяной и газовой промышленности	х	х	х	х	х	х
3	Механическое оборудование нефтепроводов	х	х	х	х	х	х
4	Механика жидкости и газа	х	х	х	х	х	х
2	Трубопроводный транспорт	х	х	х	х	х	х

5.3 Разделы дисциплины и виды занятий

№ п/п	Наименование раздела дисциплины	Лекции	Лаборат. работы	Самостоят. работа	Всего часов
1	Техническая термодинамика	3	6	9	18
2	Первый закон термодинамики. Термодинамические процессы.	3	6	9	18
3	Второй закон термодинамики	3	6	9	18
4	Теплопроводность	3	6	9	18
5	Конвективный теплообмен. Теплопередача	3	6	9	18
6	Радиационный и сложный теплообмен	3	6	9	18
7	Итого	18	36	54	108

6 Лабораторный практикум

№ п/п	№ раздела дисциплины	Наименование лабораторных работ	Трудоемкость, час.
1	1	Исследование политропных процессов	6
2	2	Исследование работы компрессора	6
3	3	Определение коэффициента теплопроводности	6
4	4	Исследование теплоотдачи при свободном движении воздуха	6
5	5 - 6	Исследование теплоотдачи при вынужденном движении воздуха	6
6	6	Определение коэффициента излучения твердого тела калориметрическим методом	6

6.1 Самостоятельная работа студента – 54 часа

Подготовка к лабораторным занятиям, выполнение и оформление домашних заданий. Написание реферата. Подготовка к промежуточным контрольным работам и итоговому зачету. Работа с учебно-методической и справочной литературой. Углубленное изучение разделов курса.

7 Практические занятия(семинары) - не предусмотрены.

8 Примерная тематика курсовых проектов (работ) – не предусмотрены.

9 Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

а) литература основная:

1 , и др. Техническая термодинамика и теплотехника: учеб. Пособие для вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 20с.

2 , Шорниников и теплопередача./ СПГГИ(ТУ), СПб, 2008. – 130 с.

б) литература дополнительная:

1. , , Щукин и теплопередача. - М., Высшая школа, 1975. – 495 с.

2 Нащокин термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа,198с. .

3 Теплотехника: Учебник для вузов / , , ред. .- М.: Высшая школа, 1999. – 671 с.

в) программное обеспечение:

Microsoft Windows XP, Microsoft Office, MathCad 8. Универпсальная система автоматизированного проектирования КОМПАС-График.

10 Материально-техническое обеспечение дисциплины

Занятия по дисциплине проводятся в специально оборудованных аудиториях и с применением персональных компьютеров.

Компьютерный класс – ауд. 7309, общая площадь 57 м2. В компьютерном классе установлены 11 компьютеров Pentium, лазерный принтер и сканер. В классе проводятся занятия в соответствии с расписанием. В классе одновременно могут находиться 20 человек, из них 11 человек непосредственно за компьютерным рабочим местом.

11 Методические рекомендации по организации изучения дисциплины

На лекциях при изложении материала следует пользоваться иллюстративным материалом, ориентированным на использование мультимедийного презентационного оборудования, содержащим запись основных математических формулировок, методов и алгоритмов, а также отображающим характерные приемы вывода на экран компьютера текстовой, графической и цифровой информации. Посредством разборов примеров решения задач следует добиваться понимания обучающимися сути и прикладной значимости решаемых задач, и понимания основных законов термодинамики и теплопередачи, сути явлений сопровождающих теплообмен. В качестве форм текущей аттестации студентов используются такие формы как, защиты лабораторных работ, реферат (9 часов) и домашние задания (36 часов). По итогам защиты лабораторных работ, выполненных домашних заданий и реферата проводится зачет, а теоретические вопросы по дисциплине «Термодинамика и теплопередача» выносятся в междисциплинарный экзамен на ГЭК.

Составил:

Кафедра ГТМ профессор