Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Директор ЭНИН
___________
«___» ____________201__ г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
теплотехника и гидравлика
НАПРАВЛЕНИЕ ООП: 140100 Теплоэнергетика и теплотехника
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ: 220301 Автоматизация технологических процессов и производств в теплоэнергетике и теплотехнике
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): инженер
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2009 г.
КУРС 2, 3; СЕМЕСТР 4, 5;
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ:
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Математика», «Физика», «Химия»
КОРЕКВИЗИТЫ: «Технические измерения и приборы», «Тепловые и атомные электрические станции»
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции | 70 | часов (ауд.) |
Лабораторные занятия | 18 | часов (ауд.) |
Практические занятия | 51 | час (ауд.) |
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ | 139 | часов |
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА | 122,5 | часов |
ИТОГО | 261,5 | часов |
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ | очная |
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: зачет – 4 сем., экзамен – 5 сем.
Обеспечивающая кафедра: «Теоретической и промышленной теплотехники»
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ: д. ф.-м. н., профессор
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП: к. т.н., доцент
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: к. т.н., доцент
2010г.
1. Цели освоения дисциплины
Целью изучения дисциплины является формирование знаний об происходящих в теплотехническом оборудовании процессов, получение основ знаний по его расчету, эксплуатации и совершенствованию.
Задачей изучения дисциплины является:
изучение основных законов термодинамики, теплообмена и гидравлики;
овладение методами расчета параметров и процессов различных рабочих тел;
овладение количественными и качественными методами термодинамического анализа процессов и циклов тепловых двигателей и аппаратов с целью повышения тепловой экономичности;
умение произвести необходимые гидравлические и тепловые расчеты при проектно-конструкторских, производственно-технологических видах профессиональной деятельности.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к дисциплинам общепрофессионального цикла. Она непосредственно связана с дисциплинами естественнонаучного и математического цикла (математика, физика, химия) и общепрофессионального цикла (материаловедение) и опирается на освоенные при изучении данных дисциплин знания и умения. Кореквизитами для дисциплины «Теплотехника и гидравлика» являются специальные дисциплины: «Технические измерения и приборы», «Тепловые и атомные электрические станции».
3. Результаты освоения дисциплины
После изучения курса дисциплины «Теплотехника и гидравлика» студент должен иметь представление:
1. Об основных математических моделях физических процессов тепломассопереноса и гидрогазодинамики;
2. О существующих аппаратах, предназначенных для передачи тепла и массы.
Студент должен знать и использовать:
1. Терминологию, основные законы и методы исследований теорий тепломассопереноса и гидрогазодинамики;
2. Особенности конструкции, функционирования и основы расчета общего гидравлического и тепломассообменного оборудования.
Студент должен иметь следующие навыки:
1. Определения параметров рабочих тел при реализации различных механизмов теплообмена;
2. Расчета основных термодинамических циклов и процессов переноса тепла и массы в простейших гидравлических и тепломассообменных аппаратах и устройствах.
4. Структура и содержание дисциплины
4.1. Структура дисциплины по разделам, формам организации и контроля обучения
№ | Название раздела/темы | Аудиторная работа (час) | СРС (час) | Итого | Формы текущего контроля и аттестации | |||
ЛК | ПР | ЛБ | ||||||
1. | Техническая термодинамика | Введение и газовые смеси | 2 | 2 | 2 | 4 | 10 | Отчеты по лабораторным работам |
2 | Первый закон термодинамики и теплоемкость | 4 | 2 | 2 | 4 | 12 | Отчеты по лабораторным работам | |
3 | Термодинамические процессы | 2 | 2 | 2 | 4 | 10 | Отчеты по лабораторным работам | |
4 | Второй закон термодинамики | 2 | 2 | 2 | 4 | 10 | Отчеты по лабораторным работам | |
5 | Водяной пар | 2 | 2 | 4 | 8 | Устный отчет | ||
6 | Истечение газов | 4 | 2 | 4 | 10 | Промежуточный отчет | ||
7 | Циклы тепловых машин | 6 | 2 | 4 | 12 | Промежуточный отчет | ||
8 | Гидравлика | Введение | 2 | 4 | 4 | 10 | Устный отчет | |
9 | Гидростатика | 2 | 4 | 4 | 10 | Промежуточный отчет | ||
10 | Гидродинамика | 2 | 4 | 4 | 10 | Промежуточный отчет | ||
11 | Гидравлические сопротивления | 2 | 4 | 4 | 10 | Промежуточный отчет | ||
12 | Гидравлический расчет трубопроводов | 4 | 4 | 4 | 12 | Промежуточный отчет | ||
13 | Теплопередача | Введение | 4 | 4 | 8 | Устный отчет | ||
14 | Дифференциальные уравнения и методы решения задач теплообмена | 6 | 2 | 4 | 12 | Промежуточный отчет | ||
15 | Стационарная теплопроводность | 4 | 2 | 2 | 4 | 12 | Отчеты по лабораторным работам | |
16 | Нестационарная теплопроводность | 4 | 2 | 4 | 10 | Промежуточный отчет | ||
17 | Конвективный теплообмен | 8 | 5 | 4 | 4 | 21 | Отчеты по лабораторным работам | |
18 | Теплоотдача при фазовых переходах | 4 | 2 | 2 | 4 | 12 | Отчеты по лабораторным работам | |
19 | Теплообмен излучением | 4 | 2 | 2 | 4 | 12 | Отчеты по лабораторным работам | |
20 | Теплообменные аппараты | 2 | 2 | 4 | 8 | Промежуточный отчет | ||
21 | Промежуточная и итоговая аттестация | 42,5 | 42,5 | Зачет, экзамен | ||||
ИТОГО | 70 | 51 | 18 | 122.5 | 261.5 |
4.2. Содержание разделов дисциплины
Техническая термодинамика
1. Введение и газовые смеси.
Основные параметры состояния тела Уравнение состояния идеального газа. Газовые смеси. Реальные газы.
Лабораторная работа: «Эффект Джоуля-Томсона»
2. Первый закон термодинамики и теплоемкость.
Определение первого закона термодинамики. Внутренняя энергия тела. Работа и теплота. Процессы обратимые и необратимые. Уравнение первого закона термодинамики. Энтальпия. Теплота и энтропия. Теплоемкость газов. Истинная и средняя теплоемкости. Теплоемкость смеси газов. Отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме.
Лабораторная работа: «Определение средней удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении»
3. Термодинамические процессы.
Термодинамические процессы идеальных газов. Изменение энтальпии и энтропии в обратимых процессов. Изохорный процесс. Изобарный процесс. Изотермический процесс. Адиабатный процесс. Политропный процесс.
Лабораторная работа: «Исследование процессов во влажном воздухе»
4. Второй закон термодинамики.
Второй закон термодинамики. Общее выражение второго закона термодинамики. Круговой термодинамический процесс. Обратимые и необратимые циклы.
Лабораторная работа: «Определение проницаемости воздуха через мелкопористые керамические перегородки»
5. Водяной пар.
Диаграммы водяного пара. Паровые процессы. Изохорный процесс. Изобарный процесс. Изотермический процесс. Адиабатный процесс.
6. Истечение газов.
Уравнение первого закона термодинамики для стационарного потока газа. Располагаемая работа. Адиабатный процесс истечения. Критическое отношение давлений. Критическая скорость. Сверхзвуковая скорость. Истечение паров. Влияние трения на истечение газов и паров. Дросселирование газов и паров. Процесс дросселирования. Дроссель-эффект.
7. Циклы тепловых машин.
Рабочий процесс компрессора. Одноступенчатое сжатие. Многоступенчатое сжатие. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Рабочий процесс. Цикл с подводом теплоты по изохоре. Цикл с подводом теплоты по изобаре. Цикл со смешанным подводом теплоты. Цикл газотурбинной установки. Циклы паротурбинных установок. Цикл Карно. Цикл Ренкина. Циклы холодильных установок. Цикл холодильной установки. Цикл воздушной холодильной установки. Цикл паровой компрессорной холодильной установки.
Гидравлика
8. Введение.
Предмет гидравлики. Основные физические свойства жидкостей. Невязкая жидкость. Равновесие жидкости и газа.
9. Гидростатика.
Гидростатическое давление. Дифференциальные уравнения равновесия жидкости (уравнения Эйлера) Равновесие жидкости в поле силы тяжести. Относительное равновесие жидкости в поле силы тяжести. Давление жидкости на плоские поверхности. Давление жидкости на криволинейные поверхности. Закон Архимеда.
10. Гидродинамика.
Основы динамики жидкости и газа. Уравнение неразрывности. Дифференциальные уравнения движения невязкой жидкости (уравнения Эйлера). Интегрирование уравнений Эйлера. Уравнение Бернулли. Дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости (уравнения Навье-Стокса). Уравнение Бернулли для вязкой жидкости при равенстве скоростей в каждой точке сечения. Уравнение Бернулли для потока вязкой жидкости. Уравнение изменения количества движения.
11. Гидравлические сопротивления.
Основные сведения о гидравлических сопротивлениях. Ламинарное равномерное движение жидкости в трубах. Турбулентное движение жидкости. Местные гидравлические сопротивления.
12. Гидравлический расчет трубопроводов.
Общие сведения. Простой трубопровод. Расчет длинных трубопроводов в квадратичной области сопротивления. Расчет длинных трубопроводов в не квадратичной области сопротивления. Расчет сложных трубопроводов. Особенности расчета коротких труб.
Теплопередача
13. Введение.
Теплопроводность веществ. Механизмы передачи тепла. Коэффициент теплоотдачи. Теплоотдача и теплопередача.
14. Дифференциальные уравнения и методы решения задач теплообмена.
Основные дифференциальные уравнения теплообмена. Краевые условия. Метод обобщенных переменных. Обобщенные переменные. Обобщенные уравнения. Моделирование. Анализ размерностей. Приближенные методы решения задач теплопроводности. Основные понятия метода конечных разностей и его применение для стационарного режима. Численные методы решения задач теплопроводности при нестационарном режиме.
15. Стационарная теплопроводность.
Теплопроводность при стационарном режиме. Тела с одномерным полем температуры. Тела с внутренними источниками теплоты. Тела с двумерным полем температуры. Ребро постоянного поперечного сечения.
Лабораторная работа: «Определение коэффициента теплопроводности воздуха методом нагретой нити»
16. Нестационарная теплопроводность.
Теплопроводность при нестационарном режиме. Общее решение уравнения теплопроводности. Неограниченная плоская стенка. Тело ограниченных размеров.
17. Конвективный теплообмен.
Теплоотдача при вынужденной конвекции. Вынужденное движение жидкости в трубах. Поперечное обтекание труб. Теплоотдача в жидких металлах. Теплоотдача при свободной конвекции. Свободная конвекция в неограниченном пространстве. Свободная конвекция в ограниченном пространстве.
Лабораторная работа: «Исследование коэффициента теплопередачи при вынужденном течении жидкости в трубе круглого сечения»
18. Теплоотдача при фазовых переходах.
Теплоотдача при конденсации газа. Ламинарное течение пленки. Турбулентное течение пленки. Теплоотдача при кипении жидкости. Кипение в большом объеме. Кривые кипения. Теплоотдача при пузырьковом кипении жидкости в большом объеме. Теплоотдача при пузырьковом кипении в условиях вынужденной конвекции жидкости. Теплоотдача при пленочном кипении жидкости. Кризис теплоотдачи при кипении.
Лабораторная работа: «Определение коэффициента теплоотдачи при пленочном кипении жидкости на цилиндре»
19. Теплообмен излучением.
Законы теплового излучения. Теплообмен излучением абсолютно черных тел. Теплообмен излучением между диффузно-серыми поверхностями. Совместное действие излучения, теплопроводности и конвекции. Теплообмен излучением в поглощающей среде.
Лабораторная работа: «Исследование теплообмена излучением»
20. Теплообменные аппараты.
Классификация теплообменных аппаратов. Основы теплового и гидравлического расчета теплообменных аппаратов.
5. Образовательные технологии
При освоении дисциплины используются следующие сочетания видов учебной работы с методами и формами активизации познавательной деятельности обучающихся для достижения запланированных результатов обучения и формирования соответствующих компетенций.
Методы и формы активизации деятельности | Виды учебной деятельности | |||
ЛК | ПР | ЛБ | СРС | |
Дискуссия | х | х | ||
IT-методы | х | х | х | |
Командная работа | х | х | х | |
Разбор кейсов | х | |||
Опережающая СРС | х | х | х | х |
Индивидуальное обучение | х | х | ||
Проблемное обучение | х | х | х | |
Обучение на основе опыта | х | х | х |
Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия:
- изучение теоретического материала дисциплины на лекциях с использованием компьютерных технологий;
- самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины с использованием Internet-ресурсов, информационных баз, методических разработок, специальной учебной и научной литературы;
- закрепление теоретического материала при проведении лабораторных работ с использованием учебного и научного оборудования и приборов, выполнения проблемно-ориентированных, поисковых, творческих заданий.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов (CРC)
6.1. Текущая и опережающая СРС
Текущая и опережающая самостоятельная работа студентов направленная на углубление и закрепление знаний, а также развитие практических умений заключается в:
1. Работе обучающихся с лекционным материалом, поиск и анализ литературы и электронных источников информации по заданной проблеме;
2. Выполнении домашних заданий;
3. Переводе материалов из тематических информационных ресурсов с иностранных языков;
4. Изучении тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
5. Изучении теоретического материала к лабораторным занятиям;
6. Изучении инструкций к приборам и подготовке к выполнению лабораторных работ;
7. Подготовке к зачету и экзамену.
6.1.1. Темы, выносимые на самостоятельную проработку:
1. Вывод уравнения теплопроводности
2. Вывод уравнения неразрывности
3. Регулярный тепловой режим
4. Массообмен в процессах сушки
5. Теплообмен, осложненный химическими реакциями
6. Методы решения нелинейных задач теплопроводности
7. Численные методы решения уравнения теплопроводности
8. Граничные условия четвертого рода (не идеальный тепловой контакт)
9. Методы экспериментального определения коэффициента теплоотдачи
10. Расчетные и экспериментальные методы определения коэффициента теплопроводности
6.2. Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа направлена на развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала обучающихся и заключается в:
1. Поиске, анализе, структурировании и презентации информации, анализе научных публикаций по определенной теме;
2. Выполнении расчетно-графических работ;
3. Исследовательской работе и участии в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах.
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины (фонд оценочных средств)
Оценка успеваемости обучающихся осуществляется по результатам:
1. Самостоятельного (под контролем учебного мастера) выполнения лабораторной работы;
2. Взаимного рецензирования обучающимися работ друг друга;
3. Анализа подготовленных обучающимися рефератов;
4. Устного опроса при сдаче выполненных индивидуальных заданий, защите отчетов по лабораторным работам, а также во время зачета и экзамена (для выявления знаний и понимания теоретического материала дисциплины).
7.1. Требования к содержанию экзаменационных вопросов
Экзаменационные билеты включают три типа заданий:
1. Теоретический вопрос;
2. Проблемный вопрос или расчетная задача;
3. Творческое проблемно-ориентированное задание.
7.2. Примеры экзаменационных вопросов
Часть 1. Техническая термодинамика
1. - диаграмма водяного пара;
2. Истечение газов и паров;
3. Дросселирование;
4. Влажный воздух;
5. Цикл газотурбинной установки;
6. Цикл паротурбинной установки;
7. Цикл Карно на водяном паре;
8. Цикл Ренкина.
Часть 2. Гидравлика
1. Уравнение Бернулли;
2. Потенциальное течение жидкости;
3. Вихревое течение жидкости;
4. Уравнение неразрывности;
5. Уравнения Навье-Стокса;
6. Гидравлические сопротивления;
7. Гидравлический расчет трубопроводов;
8. Гидравлический удар;
9. Гидродинамическое подобие.
Часть 3. Теплопередача
1. Температурное поле и температурный градиент;
2. Теплопроводность веществ, факторы, влияющие на нее;
3. Условия однозначности процессов теплопередачи;
4. Критический диаметр тепловой изоляции;
5. Теплопроводность цилиндрической стенки с внутренними источниками тепла при граничных условиях первого рода;
6. Нестационарная теплопроводность пластины неограниченных размеров;
7. Теорема о перемножении решений;
8. Теплообмен излучением между твердыми телами;
9. Связь лучистых потоков;
10. Понятия и законы теплового излучения;
11. Дифференциальные уравнения теплообмена;
12. Основы теории подобия;
13. Моделирование теплоотдачи;
14. Физические особенности процесса теплоотдачи;
15. Теплоотдача при свободном движении;
16. Теплоотдача при кипении;
17. Уравнения для расчета теплообменников.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература
1. , , Сукомел . - М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.
2. , Сукомел по теплопередаче. – М.: Энергия, 1980. –288 с.
3. , , Александров теплофизических свойств воды и водяного пара. – М.: Изд. стандартов, 1969. – 408 с.
4. Техническая термодинамика /Под ред. . М.:, 1981.
5. Юдаев термодинамика. 1988.
6. Теплотехника: Учебн. для вузов /Под ред. М, 1991.
7. Фукс термодинамика. Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1973.
8. Емцев гидромеханика: М.: Машиностроение, 1987.
9. , С, Иванов и аэродинамика: М.: Стройиздат, 1987.
10. Сборник задач по технической термодинамике / и др. М., 1981.
11. Сборник задач по машиностроительной гидравлике: / и др. М., 1981.
Дополнительная литература
1. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Кн. 2 / Под общ. ред. и . – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 512 с.
2. , Недужий термодинамика и теплопередача. – К.: Высш. шк., 1990. – 255 с.
3. , Михеева теплопередачи. – М.: Энергия, 1977. – 344 с.
Интернет-ресурсы
1. http://www. / - Фирма Теплотехника предлагает для частных лиц и строительных организаций поквартирное отопление (ПО).
2. http://*****/ - Сборник бесплатных лекций по теплотехнике.
3. http://www. *****/ - Пневматическое и гидравлическое оборудование. Производство, продажа. Склад.
4. http://www. *****/ - Технический Центр Гидравлика организован группой специалистов в 2002 году, с целью оказания услуг по обслуживанию и ремонту гидравлических систем рулевого управления автомобилей (рулевая рейка, рулевой редуктор, насос ГУР, РВД... и т. д.). В настоящее время квалификация наших специалистов, в совокупности с техническим оснащением, позволяют нам в оптимальные сроки решать различные по сложности задачи, связанные с ремонтом и восстановлением агрегатов с гидравлическим и электрическим приводом.
5. http://www. *****/ - Гидравлика | Основы гидравлики | Скачать книги по гидравлике | Задачи, статьи, лекции по гидравлике.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
При изучении основных разделов дисциплины, выполнении лабораторных работ обучающиеся используют оборудование, оснащенное автоматизированными системами с выводом данных на персональные компьютеры, применяя навыки компьютерной обработки экспериментальных результатов.
При освоении дисциплины используются технические средства и лабораторное оборудование Энергетического института:
1. Лаборатория гидродинамических исследований;
2. Лаборатория технической термодинамики;
3. Лаборатория теплопередачи
приложение – Рейтинг-план освоения дисциплины.
Программа составлена на основе ОС ТПУ «210200 - Автоматизация технологических процессов и производств (В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ)», ГОС № 000тех/дс, утвержденным «28» февраля 2000г. в соответствии с учебным планом специальности 220301 – Автоматизация технологических процессов и производств, утвержденным «03» апреля 2009г.
Автор:
Программа одобрена на заседании кафедры ТПТ ЭНИН
(протокол № ____ от «___» _______ 2010 г.).
