УТВЕРЖДАЮ
Директор-проректор ФТИ
___________
«___»_____________2012 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Термодинамика и теплопередача
НАПРАВЛЕНИЕ (СПЕЦИАЛЬНОСТЬ) ООП 140800 «Ядерные физика и технологии»
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) бакалавр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2012 г.
КУРС 2 СЕМЕСТР 3
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ 3
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: Б2.Б1.1 Математика 1.1, Б2.5.1 Физика 1.3
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции 24 час.
Практические занятия 24 час.
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ 48 час.
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 32 час.
ИТОГО 80 час.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ зачет (3 семестр)
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра ФЭУ ФТИ
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ | _____________() |
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП | _____________() |
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ | _____________() _____________() _____________() |
2012 г.
1. Цели освоения дисциплины
Целью дисциплины «Техническая термодинамика» является приобретение теоретических знаний, практических умений и навыков, необходимых для научно-исследовательской, практической и производственной деятельности бакалавра направления 140800 «Ядерные физика и технологии» специализации «Ядерные реакторы и энергетические установки», связанных с термодинамическими процессами, необходимых для усвоения принципов работы современных ядерных энергетических установок.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Термодинамика и теплопередача» относится к профильным дисциплинам цикла (Б2.В3) дисциплин направления 140800 «Ядерные физика и технологии».
Для успешного освоения дисциплины бакалавры должны иметь знания по следующим курсам: Математика, Физика.
Параллельно с данной дисциплиной могут изучаться следующие циклы: Физика, Математика, Творческий проект.
3. Результаты освоения дисциплины
При изучении дисциплины бакалавры должны научиться самостоятельно планировать выбирать оптимальные методики и оборудование для проведения расчетов, рационально определять условия работы оборудования, проводить обработку полученных результатов.
После изучения данной дисциплины бакалавры приобретают знания, умения и опыт, соответствующие результатам основной образовательной программы: Р1, Р7, Р9. Соответствие результатов освоения дисциплины «Тепловые процессы в ядерных энергетических установках» формируемым компетенциям ООП представлено в таблице.
Формируемые компетенции в соответствии с ООП | Результаты освоения дисциплины |
З.1.1, З.7.1 | В результате освоения дисциплины бакалавр должен знать: основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации; основные законы естественнонаучных дисциплин; |
У.1.1, У.7.1, У.9.1. | В результате освоения дисциплины бакалавр должен уметь: самообучаться, повышать свою квалификацию и мастерство; использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности; проводить расчеты, проектировать детали и узлы приборов, установок в соответствии с техническим заданием с использованием стандартных средств автоматизации проектирования. |
В.1.1, В.1.2, В.7.1, В.9.1. | В результате освоения дисциплины бакалавр должен владеть опытом: обобщения, анализа, восприятия информации, постановки цели и выбора путей ее достижения; работы с компьютером как средством управления информацией; математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования; проведения предварительного технического обоснования проектных расчетов установок и приборов. |
В процессе освоения дисциплины у бакалавров развиваются следующие компетенции:
1.Универсальные (общекультурные)
- готовность к кооперации с коллегами, работе в коллективе; к организации работы малых коллективов исполнителей, планированию работы персонала и фондов оплаты труда;
- способность генерировать организационно-управленческих решения в нестандартных ситуациях и нести за них ответственность;
- способность к разработке оперативных планов работы первичных производственных подразделений;
- способность к осуществлению и анализу исследовательской и технологической деятельности как объекта управления.
2. Профессиональные
- Использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования;
- Уметь производить расчет и проектирование деталей и узлов приборов и установок в соответствии с техническим заданием с использованием стандартных средств автоматизации проектирования; разрабатывать проектную и рабочую техническую документацию, оформление законченных проектно-конструкторских работ; проводить предварительного технико-экономического обоснования проектных расчетов установок и приборов.
- Готовность к эксплуатации современного физического оборудования и приборов, к освоению технологических процессов в ходе подготовки производства новых материалов, приборов, установок и систем; к наладке, настройке, регулировке и опытной проверке оборудования и программных средств.
- Способность использовать информационные технологии при разработке новых установок, материалов и приборов, к сбору и анализу информационных исходных данных для проектирования приборов и установок; технические средства для измерения основных параметров объектов исследования, к подготовке данных для составления обзоров, отчетов и научных публикаций; к составлению отчета по выполненному заданию, к участию во внедрении результатов исследований и разработок; и проведения математического моделирования процессов и объектов на базе стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований.
- Уметь готовить исходные данные для выбора и обоснования научно-технических и организационных решений на основе экономического анализа; использовать научно-техническую информацию, отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования, современные компьютерные технологии и базы данных в своей предметной области; и выполнять работы по стандартизации и подготовке к сертификации технических средств, систем, процессов, оборудования и материалов;
- Готовность к проведению физических экспериментов по заданной методике, составлению описания проводимых исследований и анализу результатов; анализу затрат и результатов деятельности производственных подразделений; к разработке способов применения ядерно-энергетических установок, электронных, нейтронных и протонных пучков, методов экспериментальной физики в решении технических, технологических и медицинских проблем.
- Способность к приемке и освоению вводимого оборудования, составлению инструкций по эксплуатации оборудования и программ испытаний; к составлению технической документации.
4. Структура и содержание дисциплины
4.1 Содержание разделов дисциплины «Термодинамика и теплопередача» (24 часа):
ВВЕДЕНИЕ
Термодинамическая система. Термодинамические параметры состояния. Уравнение состояния. Смеси идеальных газов. Теплоемкость газов. Термодинамический процесс.
ПЕРВЫЙ И ВТОРОЙ ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Внутренняя энергия. Работа расширения. Теплота. Первый закон термодинамики. Энтальпия. Второй закон термодинамики. Энтропия. Цикл Карно. Обратимый и необратимый термодинамический процесс.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ
Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах. Изохорный процесс. Изобарный процесс. Изотермический процесс. Адиабатный процесс. Политропный процесс. Ts- и pv-диаграммы.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ
Процесс парообразования. Основные понятия и определения. Определение параметров воды и водяного пара. Ts-, hs-, pv-диаграмма водяного пара. Основные термодинамические процессы водяного пара. Изохорный процесс. Изобарный процесс. Изотермический процесс. Адиабатный процесс.
ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИКИ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ
Уравнение первого закона термодинамики для потока. Истечение из суживающего сопла. Основные закономерности течения газа в соплах и диффузорах. Расчет процесса истечения с помощью hs-диаграммы. Дросселирование газов и паров. Эксэргия потока рабочего тела.
ЦИКЛЫ ТЕПЛОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК
Термодинамическая эффективность циклов теплосиловых установок. Цикл газотурбинной установки. Циклы паротурбинных установок: циклы Карно и Ренкина насыщенного пара, регенерация теплоты, цикл Ренкина на перегретом паре. Парогазовые циклы.
СХЕМЫ ПАРОТУРБИННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК АЭС
Схемы конденсационных атомных электростанций: одноконтурная, двухконтурная и трехконтурная. Схемы атомных теплоэлектроцентралей.
Содержание практического раздела дисциплины (24 часа)
Определение температуры, удельного объема и абсолютного давления термодинамической системы. Расчет смеси идеальных газов. Расчет процессов идеального газа. Построение процессов в Ts-, pv-диаграммах. Расчет внутренней энергии, энтальпии, энтропии, теплоты и работы процесса. Расчет процессов воды и водяного пара. Построение процессов в Ts-, hs-, pv-диаграммах. Расчет параметров потока при истечении через сопла, диффузоры. Дросселирование. Расчет циклов газотурбинной и паротурбинной установок. Определение термического КПД цикла. Расчет параметров влажного воздуха.Работы студентов на стенде «Механика жидкости»:
1. Изучение методов определения расхода воды: сравнение ручного и полуавтоматического способа.
2. Изучение режима течения жидкости: визуализация ламинарного и турбулентного режимов течения
3. Исследование характеристик трубопроводов при различных режимах течения от ламинарного до турбулентного в круглой трубе и потерь напора.
4. Исследование потерь давления (напора) при течении через местное сопротивление в виде резкого сужения потока. Определение коэффициента гидравлического сопротивления.
5. Исследование потерь давления (напора) при течении через местное сопротивление в виде резкого расширения потока. Определение коэффициента гидравлического сопротивления.
6. Исследование потерь давления (напора) при течении через местное сопротивление в виде диафрагмы. Определение коэффициента гидравлического сопротивления.
7. Исследование потерь давления (напора) при течении через местное сопротивление в виде задвижки. Определение коэффициента гидравлического сопротивления регулирующего устройства.
8. Изучение силового воздействия незатопленной струи на механическую преграду.
9. Иллюстрация уравнения Бернулли, диаграмма напоров.
10. Определение напорных характеристик насоса.
11. Исследование характеристики насосов при их последовательном соединении
12. Исследование характеристики насосов при их параллельном соединении
13. Тарировка расходомера с электронным выходным сигналом
14. Изучение гидравлических сопротивлений промышленных потерь в элементах водопроводных систем тройник, отвод
4.2 Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения приведена в таблице 1.
Таблица 1 – Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения
Название раздела/темы | Аудиторная работа (час) | СРС (час) | Итого | |
Лекции | Практ./сем. занятия | |||
Модуль «Ведение» | 2 | 2 | – | 4 |
Модуль «Первый и второй законы термодинамики» | 4 | 4 | 3 | 11 |
Модуль «Термодинамические процессы идеальных газов» | 2 | 4 | 4 | 10 |
Модуль «Термодинамические процессы реальных газов» | 4 | 4 | 5 | 13 |
Модуль «Особенности термодинамики открытых систем» | 4 | 4 | 4 | 12 |
Модуль «Циклы теплосиловых установок» | 4 | 4 | 4 | 12 |
Модуль «Схемы паротурбинных энергетических установок АЭС» | 4 | 2 | 4 | 10 |
Подготовка к лекциям и выполнение ИДЗ | – | – | 10 | 10 |
Углубленное самостоятельное изучение | – | – | 10 | 10 |
Подготовка к зачету | – | – | 4 | 4 |
Итого | 24 | 24 | 48 | 96 |
4.3 Распределение компетенций по разделам дисциплины
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения по основной образовательной программе, формируемых в рамках данной дисциплины и указанных в пункте 3.
Таблица 2 – Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения
№ | Формируемые компетенции | Разделы дисциплины | ||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | ||
1. | З.7.1 | + | + | + | + | |||
2. | З.10.1. | + | + | |||||
3. | З.14.1. | + | + | |||||
4. | У.7.1. | + | + | |||||
5. | У.10.1. | + | + | + | + | + | ||
6. | У.14.1. | + | ||||||
7. | В.7.1. | + | + | + | ||||
8. | В.10.1. | + | + | |||||
9. | В.14.1. | + | + | + | + |
5. Образовательные технологии
Обеспечение достижения планируемых результатов освоения дисциплины обеспечивается:
· повышением качества образования путем его фундаментализации, информирования обучаемого о современных достижениях науки в большем объеме и с большей скоростью;
· нацеленностью обучения на новые, в первую очередь, на информационно-коммуникационные технологии;
· повышение творческого начала в образовании.
Специфика сочетания методов и форм организации обучения отражается в матрице (см. табл. 3).
Таблица 3 – Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО Методы | Лекц. | Пр. зан./ Сем., | СРС |
IT-методы | + | ||
Работа в команде | + | + | |
Case-study | + | + | |
Методы проблемного обучения | + | ||
Обучение на основе опыта | + | ||
Опережающая самостоятельная работа | + |
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы магистров
Самостоятельная деятельность бакалавра рассматривается как вид учебного труда, позволяющий целенаправленно формировать и развивать его самостоятельность как личностное качество. Самостоятельная работа магистра организована в следующих направлениях:
6.1. Текущая самостоятельная работа бакалавра, направленная на углубление и закрепление знаний, развитие практических умений, характеризующаяся следующими видами и формами самостоятельной работы:
– работа с лекционным материалом;
– поиск и обзор литературы и электронных источников информации для углубленного изучения курса;
– изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
– подготовка к практическим занятиям, контрольным работам и зачету.
6.2. Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСР), ориентированная на развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала бакалавров, характеризующаяся следующими видами и формами самостоятельной работы:
– анализ фактических материалов по заданной теме;
6.3. Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателей.
Темы для самостоятельной проработки и углубленного изучения материала:
1. Основы технической термодинамики. Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная. Практическое использование этих параметров в расчетах.
2. Связь тепловой энергии с температурой, работа в газах, теплоемкость, внутренняя энергия газов. Первый закон термодинамики и его практическое использование.
3. Второй закон термодинамики и его практическое использование.
4. Обратимые и необратимые произвольные циклы.
5. Равновесие термодинамических систем и фазовые переходы.
6. Истечение газов и паров через сопла, диффузоры. Критическое отношение давлений. Критическая скорость. Влияние трения на истечение газов и паров.
7. Процесс дросселирования. Дроссель-эффект. Кривая инверсии.
8. Рабочий процесс компрессора. Одноступенчатое и многоступенчатое сжатие.
9. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.
10. Цикл реактивных двигателей.
11. Циклы холодильных установок.
12. Равновесие термодинамических систем с фазовыми и химическими превращениями.
13. Рабочая схема парогенератора и назначение его основных узлов. Тепловой баланс парогенератора. Способы повышения КПД парогенератора.
14. Техническая характеристика органического топлива и область его применения.
15. Конструкция и принцип работы паровых турбин. Энергетическая характеристика турбины. Основные типы турбин.
16. Принципиальные схемы газотурбинных и паротурбинных установок. Общая характеристика основных узлов установок.
17. Принципиальные схемы атомных реакторов и назначение основных ее элементов.
18. Особенности работы паротурбинных установок АЭС.
6.4 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы магистров
Список учебных пособий
1. и др. Техническая термодинамика. – М: Энергоатомиздат, 1983. – 416 с.
2. , , Обрезков установки электростанций. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 280 с.
3. Кудинов термодинамика. – М.: Высшая школа, 2000. – 261 с.
4. , Кириллов (в ядерной энергетике). – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 376 с.
5. , Ривкин СЛ., Александров АА. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. – М.: Издательство стандартов, 1969. – 408 с.
6. Ривкин свойства газов: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 288 с.
7. Юдаев термодинамика. Теплопередача: Учеб. для неэнергетич. спец. втузов. – М.: Высш. Шк., 1988. – 479 с.
8. Бэр термодинамика. – М: Мир, 1977. – 519 с
7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
Средства оценки текущей успеваемости и промежуточной аттестации бакалавров по итогам освоения дисциплины - перечень вопросов, ответы на которые позволяют оценить степень усвоения теоретических знаний; проблем, позволяющих оценить профессиональные и универсальные (общекультурные) компетенции магистров.
Вопросы текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины:
1. Понятие рабочего тела. Почему в качестве рабочего тела используются вещества в газообразном или парообразном состоянии?
2. Вывод выражения для определения газовой постоянной смеси идеальных газов.
3. Графическое изображение закона Гей-Люссака и поясните, каково соотношение между параметрами в начальной и конечной точках процесса.
4. Термодинамическая диаграмма состояний. Какие диаграммы имеют наибольшее практическое применение и почему? В какой диаграмме работа изображается площадью под кривой процесса?
5. Изображение в Ts-диаграмме тепло процесса? Каким образом при помощи аналитического выражения второго закона термодинамики можно определить знак тепла в процессе? Изобразите в Ts-диаграмме процесс с подводом тепла и обоснуйте его.
6. Адиабатный процесс. Соотношение между параметрами в адиабатном процессе, вычисления тепла и работы в процессе. Чему равен показатель политропы и теплоемкость этого процесса?
7. Изотермический процесс. Соотношение между параметрами в изотермическом процессе, вычисление тепла, работы и приращения энтропии в процессе. Почему в изотермическом процессе идеального газа внутренняя энергия не изменяется? Теплоемкость и показатель политропы в изотермическом процессе.
8. Энтальпия газа. Выражение первого закона термодинамики через тепло, энтальпию и работу. Как вычисляется тепло в изобарном процессе, если известна энтальпия?
9. Изобарный процесс. Соотношение между параметрами в изобарном процессе, вычисление тепла, работы и приращения энтропии в процессе. Физический смысл удельной газовой постоянной. Чему равен показатель политропы в изобарном процессе?
10. Изохорный процесс. Соотношение между параметрами в изохорном процессе, вычисление тепла, работы в процессе. Чему равен показатель политропы в изохорном процессе? Как вычисляется приращение энтропии в процессе?
11. Процессы испарения в кипении. Чем они отличаются друг от друга? Являются ли давление и температура при кипении независимыми параметрами?
12. Сущность второго закона термодинамики. Дайте основные формулировки этого закона и покажите их общность.
13. В чем сущность статистического толкования второго закона термодинамики? Физический смысл энтропии. Связь между энтропией и термодинамической вероятностью состояния.
14. Дайте определений политропного процесса. Почему и в каком случае частные процессы изменения состояния (изобарный, изохорный, адиабатный и изотермический) являются процессами политропными.
15. Как графически по Ts-диаграмме можно определить энтальпию кипящей жидкости, теплоту парообразования и теплоту перегрева?
16. Почему в идеальном цикле газотурбинной установки процесс отвода тепла принят изобарным?
17. Каково изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии рабочего тела в результате осуществления им цикла? Поясните, почему.
18. Изобразите схему паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, а также цикл этой установки в pv- и Ts-диаграммах и покажите, какой процесс и в каком элементе установки осуществляется.
19. Как и в какой области состояний водяного пара можно осуществить работу паросиловой установки по циклу Карно? Почему реальные установки не работают по этому циклу?
20. Изобразите цикл Ренкина в pv-диаграмме. Выведите выражение для подсчета полезной работы цикла.
21. Как подсчитывается секундный расход пара на турбину, секундный расход топлива и к. п.д. станции?
22. Опишите схему и цикл установки с магнитогидродинамическим генератором. Дайте примерные значения параметров рабочего тела в характерных точках цикла.
23. Что такое относительный внутренний, относительный эффективный и относительный электрический к. п.д.? как от относительных к. п.д. перейти к абсолютным?
24. Какими путями может быть повышена электропроводимость низкотемпературной плазмы в канале магнитогидродинамического генератора? На чем основано получение электроэнергии их энергии газового потока в канале, магнитогидродинамического генератора?
25. Какое практическое значение имеет закон Кирхгофа?
26. Что называется влажным воздухом? Какой влажный воздух считается ненасыщенным и какой насыщенным?
27. Сравните разомкнутую и замкнутую схемы установки с магнитогидродинамическим генератором. Циклы этих установок. В чем их положительные и отрицательные стороны?
28. Причины повышения термического к. п.д. цикла установки с газовым магнитогидродинамическим генератором по сравнению с циклов обычного паротурбинного цикла.
Пример задач для самостоятельного решения
Задача №1. В баллоне внутренним диаметром d=22 см, высотой 130 см находится углекислый газ. Манометр показывает давление газа 25 бар. Баллон находится в помещении с температурой 20 °С. Определить массу газа в баллоне.
Задача №2. Каков объем 1 киломоля воздуха при давлении 8 бар и температуре 250 °С?
Задача №3. Масса баллона с газом M1 = 2,9 кг, при этом давление в баллоне по манометру p1 = 4 МПа. После израсходования части газа при неизменной температуре давление в баллоне понизилось до p2 = 1,5 МПа, при этом масса баллона с газом уменьшилась до М2 = 1,4 кг. Определить плотность газа при давлении 760 мм. рт. ст., если вместимость баллона 0,5 м3.
Задача №4. Компрессор засасывает в минуту 3 м3 воздуха, температура которого 17 °С и давление 750 мм рт. ст. и подает воздух в резервуар объемом 10 м3. Определить за какой промежуток времени давление в резервуаре будет 8 атм., если начальное давление в резервуаре тоже атмосферное и температура 17 °С.
Задача №5. В процессе сжатия над воздухом совершается работа w = -270 кДж/кг и отводится теплота 119 кДж/кг. Определить конечную температуру воздуха и среднюю массовую теплоемкость процесса. Начальная температура 20 °С.
Задача №6. При нагревании 2 кмолей азота (N2) от температуры 230 К при постоянном давлении подводится 72 МДж теплоты. Определить конечную температуру, изменение энтальпии, внутренней энергии и энтропии.
Задача №7. Определить суточный расход топлива на станции мощностью N = 100000 кВт, если ее к. п.д. составляет 0,35, а теплота сгорания топлива QPH = 30000 кДж/кг. Определить также удельный расход топлива на 1 МДж выработанной энергии.
Задача №8. В изобарном процессе при p = 2 бар объем рабочего тела увеличился от v1 =0,8 м3 до v2 = l,2 м. Подведенная к рабочему телу теплота составляет Q = l02 кДж. Как изменилась внутренняя энергия рабочего тела? Показать процесс в pv-диаграмме.
Задача №9. В баллоне емкостью 1 м3 находится пар при p = 0,981 МПа и х = 0,78. Сколько теплоты нужно сообщить баллону, чтобы пар стал сухим насыщенным?
Задача №10. В процессе политропного расширения воздуху сообщается 80 кДж тепла. Определить изменение внутренней энергии воздуха и произведенную работу, если объем воздуха увеличился в 10 раз, а давление его уменьшилось в 8 раз.
Задача №11. 1 кг азота и 1 кг водорода сжимаются изотермически при t = 15 °C от 1 до 10 бар. Для какого газа изменение энтропии будет больше и во сколько раз.
Задача №12. К газу в круговом процессе подведено 250 кДж теплоты. Термический к. п.д. равен 0,46. Найти работу, полученную за цикл.
Задача №13. 3,8 м3 воздуха имеют начальные параметры: p1 = 64 бар и t1 = 412 ° C. Определить изменение внутренней энергии газа, если в процессе адиабатного расширения температура его падает до 212 °С. Определить также работу в процессе, изменение энтальпии и энтропии в процессе и параметры конечного состояния.
Задача №14. Для смеси газов СО2 и СО при t = 400 °C (rCO2 = 0,3) рассчитать изобарную и изохорную теплоемкости (CP и CV, кДж/кг×°С).
Задача №15. 5,2 м3 метана имеют начальные параметры: p1 = 73 бар и t1 = 536 ° C. Определить конечные параметры газа, если в процессе адиабатного расширения газа его внутренняя энергия уменьшилась на 3500 кДж. Определить также изменение энтальпии и энтропии в процессе.
Задача №16. В сосуде находится 10 т воды при давлении 12 бар и температуре насыщения. Определить объем сосуда, если сухой насыщенный пар занимает 10% общего объема.
Задача №17. Вычислить плотность теплового потока через плоскую однородную стенку, толщина которой значительно меньше ширины и высоты, если стенка выполнена: а) из стали (l = 40 Вт/(м×°С)); б) из бетона (l = 1,1 Вт/(м×°С)); в) из диатомитового кирпича (l = 0,11 Вт/(м×°С)). Во всех трех случаях толщина стенки 50 мм. Температуры на поверхностях стенки поддерживаются постоянными и равными tс1 = 100°C и tс2 = 90°С.
Задача №18. Плотность теплового потока через плоскую стенку толщиной 50 мм составляет q = 70 Вт/м2. Определить разность температур на поверхностях стенки и градиент температуры в стенке, если она выполнена: а) из латуни (l = 70 Вт/(м×°С)); б) из красного кирпича (l = 0,7 Вт/(м×°С)); в) из пробки (l = 0,07 Вт/(м×°С)).
Задача №19. Определить коэффициент теплопроводности материала стенки, если при толщине 40 мм и разности температур на поверхностях 20 оС, плотность теплового потока q = 145 Вт/м2.
Задача №20. Найти приращение энтропии 3 кг воздуха: а) при нагревании его по изобаре от 0 °С до 400 °С; б) при нагревании его по изохоре от 0 °С до 880 °С; в) при изотермическом расширении с увеличением объема в 16 раз. Теплоемкость считать постоянной.
Задача №21. 1 кг воздуха сжимается по политропе от 0,1 МПа и 20 °С до 0,8 МПа при n = 1,2. Определить конечную температуру, изменение энтропии, количество отведенной теплоты и затраченную работу.
Задача №22. 50 кг воды с температурой 95 °С смешиваются с 20 кг воды с температурой 25 °С. Теплоемкость воды CP = 4,19 кДж/(кг×°С). Тепловые потери отсутствуют. Опередить изменение энтропии этого процесса.
Задача №23. Какое количество тепла необходимо, чтобы превратить 300 кг воды с температурой 80 °С в сухой насыщенный пар с давлением 13 атм.?
Задача №24. В сосуде объемом V = 0,035 м3 содержится 0,1 кг водяного пара при давлении p = 0,6 МН/м2. Определить величину внутренней энергии пара.
Задача №25. В барабане котельного агрегата находится кипящая вода и над ней водяной пар под давлением p = 9,0 МН/м2. Масса воды 5000 кг. Объем барабана 8 м3. Какова масса пара, находящегося над зеркалом испарения, если пар считать сухим насыщенным?
Задача №26. Найти диаметр паропровода, по которому протекает пар при давлении p = 1,2 МПа и температуре t = 260 оС. Расход пара М = 350 кг/ч, скорость пара w = 50 м/с.
Задача №27. Энтальпия водяного пара, имеющего давление 100 бар, составляет 2390 кДж/кг. Определить параметры этого пара и его состояние.
Задача №28. В вертикальной трубе квадратного сечения (40×40×6000 мм) движется снизу вверх воздух. Определить: 1) режим движения и 2) коэффициент теплоотдачи воздухом стенке трубы, если средняя скорость воздуха 1,0 м/сек, температура воздуха на входе t1 = 150 ° C, на выходе t2 = 50 °С, средняя температура стенки tw = 40 °C.
Задача №29. Тепловыделяющие элементы из урана атомного реактора запрессованы в оболочки из нержавеющей стали. Температура наружной поверхности уранового стержня t1 = 400 ° C, диаметр стержня d1 = 30 мм. Наружный диаметр оболочки d3 = 34 мм. Количество выделившегося тепла 1 м стержня q = 85000 Вт/м. Определить температуру оболочки для следующих случаев: 1) запрессовка сделана абсолютно плотно, 2) между урановым стержнем и металлической оболочкой 50% поверхности разделены воздушным зазором толщиной 0,02 мм (lВ = 0,0505 Вт/(м×°С)), 3) 100% поверхности разделены воздушным зазором.
Задача №30. При каком абсолютном давлении вода, имея температуру 368 К, будет кипеть, если при p1 = 1,013 бар TКИП = 373 К, а теплота парообразования в пределах этих температур r = 2260 кДж/кг?
Задача №31. Паротурбинная установка работает по циклу Ренкина с начальными параметрами p1=100 бар и t1 = 450 ° C. Давление в конденсаторе p2 = 0,04 бар. Определить термический к. п.д. цикла и сравнить его с термическим к. п.д. цикла Карно в том же интервале температур.
Задача №32. Паротурбинная установка мощностью N = 200 МВт работает по циклу Ренкина при начальных параметрах p1 = 13 МПа и t1 = 565 0C. При давлении p = 2 МПа осуществляется промежуточный перегрев пара до первоначальной температуры. Давление в конденсаторе p2 = 0,004 МПа. Температура питательной воды tп. в. = 160 ° C определить часовой расход топлива, если теплота сгорания топлива QHP = 29,3 МДж/кг, а к. п.д. котельной установки составляет 0,92.
Примеры билетов на зачет
БИЛЕТ № 1
по дисциплине: Термодинамика и теплопередача
институт: ФТ
курс:2
ВОПРОСЫ:
1. Понятие рабочего тела. Почему в качестве рабочего тела используются вещества в газообразном или парообразном состоянии?
2. Как изменяется внутренняя энергия, энтальпия и энтропия рабочего тела в результате осуществления им цикла?
ЗАДАЧА:
В баллоне внутренним диаметром d = 22 см, высотой 130 см находится углекислый газ. Манометр показывает давление газа 25 бар. Баллон находится в помещении с температурой 20 °С. Определить массу газа в баллоне.
БИЛЕТ № 2
по дисциплине: Термодинамика и теплопередача
институт: ФТ
курс:2
ВОПРОСЫ:
1. Какой процесс называется изобарным? Соотношение между параметрами в изобарном процессе, вычисление тепла, работы и приращения энтропии в процессе. Чему равен показатель политропы в изобарном процессе?
2. Параметры влажного воздуха. Какой влажный воздух считается ненасыщенным и какой насыщенным?
ЗАДАЧА:
Определить коэффициент теплопроводности материала стенки, если при толщине 40 мм и разности температур на поверхностях 20 оС, плотность теплового потока q = 145 Вт/м2.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
· основная литература:
1. и др. Техническая термодинамика. – М: Энергоатомиздат, 1983. – 416 с.
2. , , Обрезков установки электростанций. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 280 с.
3. Кудинов термодинамика. – М.: Высшая школа, 2000. – 261 с.
4. , Кириллов (в ядерной энергетике). – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 376 с.
5. , Ривкин СЛ., Александров АА. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. – М.: Издательство стандартов, 1969. – 408 с.
6. Ривкин свойства газов: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 288 с.
7. Юдаев термодинамика. Теплопередача: Учеб. для неэнергетич. спец. втузов. – М.: Высш. Шк., 1988. – 479 с.
8. Бэр термодинамика. – М: Мир, 1977. – 519 с
· дополнительная литература:
1. Техническая термодинамика / Под ред. . – Л.: Изд-во ЛГУ, 1984. – 295 с.
2. Кузнецов термодинамика и основы теплообмена. – М.: Испо-Сервис, 1999. – 104 с.
3. Ривкин СЛ. Термодинамические свойства воды и водяного пара: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 80 с.
4. Арсеньев установки. – М.: Высшая школа, 1991. – 336 с.
5. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник / Под общ. ред. , . – М.: Энергоиздат, 1982. – 624 с.
6. Теплотехника: Учебник для вузов / , , O. K. Витт и др.; Под ред. . – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 224 с.
7. , , Сукомел . – М.: Энергия, 1969. – 440 с.
8. , Сукомел по теплопередаче. – М.: Энергия, 1969. – 264 с.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
При проведении лекций используются компьютеры, мультимедиа проигрыватели, корпоративная компьютерная сеть и ИНТЕРНЕТ
Рабочая программа составлена на основе ГОС по направлению 140800 «Ядерные физика и технологии» утвержденного «___» _________ ______ г. приказом МО РФ № ____. Номер государственной регистрации ______ от ___ __________ г.
Программа рассмотрена и одобрена на заседании обеспечивающей кафедры ФЭУ (протокол № ____ от «___» _______ 20___ г.).
Авторы:
Доцент ФЭУ ___________
Ассистент ФЭУ ___________
Ассистент ФЭУ ___________
Зав. обеспечивающей кафедрой ФЭУ _____________
