Рабочая программа по курсу Теплотехника

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по дисциплине

ТЕПЛОТЕХНИКА

Специальность «Автомобили и автомобильное хозяйство»

Кафедра Энергетика и транспорт

Курс 2

Семестр 3

Лекции_______34________________час

Экзамен__________-_________

(семестр)

Практические (семинарские)

Занятия________-_______________час

Зачет___________3________________

(семестр)

Лабораторные занятия

________________17_______________час

Реферат

________________________________час

Всего аудиторной работы

___________________51_____________час

Всего самостоятельной работы

________________49________________час

Итого по дисциплине_____100_______________час

1. Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе

1.1 Цели и задачи изучения дисциплины

Дисциплина «Теплотехника» входит в цикл общепрофессиональных дисциплин подготовки специалистов и является основой для изучения ряда профилирующих дисциплин.

Цель изучения данной учебной дисциплины - теоретически и практически подготовить будущих специалистов по методам получения, преобразования, передачи и использования теплоты в такой степени оптимизации, чтобы они могли выбирать и при необходимости могли эксплуатировать необходимое теплотехническое оборудование автомобильной отрасли народного хозяйства в целях максимальной экономии ТЭР и материалов, интенсификации, технологических процессов и выявления использования вторичных энергоресурсов, защиты окружающей среды

Общей задачей дисциплины является приобретение знаний основ преобразования энергии, законов термодинамики и тепломассообмена, термодинамических процессов и циклов, энерготехнологии, энергосбережения, расчета теплообменных аппаратов, способов теплообмена, принципа действия и устройства теплообменных аппаратов, теплосиловых установок и других теплотехнических устройств, применяемых в отрасли,; умения рассчитывать состояния рабочих тел, термодинамические процессы и циклы, теплообменные процессы, аппараты и другие основные технические устройства отрасли, определять меры по тепловой защите и организации систем охлаждения, рассчитывать и выбирать рациональные системы теплоснабжения, преобразования и использования энергии.

Цель преподавания - главная задача обучения состоит в изучении дисциплины на уровне, позволяющем достаточно грамотно производить анализ тепловых и массообменных процессов, происходящих в окружающей среде и теплотехнических устройствах, решать задачи по расчету и оптимизации параметров термодинамических систем и теплотехнических устройств.

Cmудент должен знать и уметь использовать:

- основные законы преобразования энергии, законы термодинамики и тепломассообмена;

- термодинамические процессы и циклы;

- основные свойства рабочих тел, применяемых в отрасли;

-принцип действия и устройства теплообменных аппаратов, теплосиловых установок и других теплотехнологических устройств, применяемых в отрасли;

- основные способы энергосбережения;

- связь теплоэнергетических установок с проблемой защиты окружающей среды.

Студент должен приобрести навыки:

- проводить термодинамические расчеты рабочих процессов в теплотехнических устройствах, применяемых в отрасли;

- проводить теплогидравлические расчеты теплообменных аппаратов;

- рассчитывать и выбирать рациональные системы теплоснабжения, преобразования и использования энергии, рациональные системы охлаждения и термостатирования оборудования, применяемого в отрасли;

- рассчитывать тепловые режимы энергоустановок, их узлов и элементов.

1.2. Краткая характеристика дисциплины, ее место в учебном процессе

Дисциплина «Теплотехника» является базовой общеобразовательной для обучения специалистов инженерно-технической ориентации.

При изучении дисциплины особое внимание уделяется знанию основных законов термодинамики и тепломассообмена, умению использовать их при анализе и расчетах реальных систем.

Изучение дисциплины способствует формированию у студентов инженерно-физического мышления и выработке навыков решения технических задач по анализу и расчету тепловых процессов и теплотехнических устройств.

1.3. Связь с предшествующими и последующими дисциплинами

Содержание дисциплины базируется на знаниях физики, высшей математики, гидравлики, химии.

При выполнении лабораторных работ студенты осваивают практические приемы по опытному исследованию и проверке изучаемых законов и явлений, вырабатывают навыки работы с лабораторным оборудованием, контрольно-измерительными приборами и вычислительной техникой, правильно анализировать и представлять полученный результат.

Самостоятельная работа является составной частью учебной работы студентов и проводится с целью закрепления и углубления полученных знаний и навыков, которая проводится с использованием технических средств обучения и ЭВМ.

В ходе изучения дисциплины осуществляется текущий контроль успеваемости и знаний студентов.

С этой целью проводятся: индивидуальные и групповые опросы, письменные ответы на вопросы-тесты, индивидуальная защита лабораторных работ.

2. Распределение тем и часов занятий по семестрам.

третий семестр

Номера тем

Количество часов аудиторных занятий

Самост.

работа

студентов

Итого

часов по дисципл.

лекции

лаб.занят.

Всего

1

2

3

10

12

12

-

-

-

1

3

6

1

4

9

2

7

15

Итого:

34

-

68

58

122

Форма отчетности - зачет.

3. Содержание дисциплины

3.1. Наименование тем лекций, их содержание и объем в часах

Тема 1. Основы термодинамики. (10 часов)

1.1 Введение. Основные понятия и определения термодинамики (2 часа)

Определение предмета и его назначение в подготовке специалистов. Роль теплотехники в развитии энергетики страны; основные направления развития топливно-энергетического комплекса страны. Краткие сведения по истории развития теплотехники. Проблемы топливно-энергетических ресурсов и охраны окружающей среды.

Термодинамическая система и окружающая среда. Термодинамические системы: закрытая, открытая, изолированная.

Смеси идеальных газов. Основные термодинамические параметры смеси идеальных газов. Уравнения состояния для идеальных и реальных газов. Теплоемкость идеальных газов. Энтальпия идеального газа.

Понятие о внутренней энергии газа.

1.2. Первый и второй законы термодинамики. Круговые процессы (2 часа)

Определение работы газа при его расширении. Аналитическое выражение первого закона термодинамики. Процессы изменения состояния идеальных газов. Второй закон термодинамики. Регенеративный цикл.

Интеграл Клаузиуса. Аналитическое выражение второго закона термодинамики. Круговые процессы (циклы). Прямой и обратный циклы Карно.

1.3 Термодинамические процессы (2 часа)

Метод исследования термодинамических процессов. Изопроцессы идеального газа. Политропный процесс. Уравнение Пуассона.

1.4 Реальные газы. Водяной пар. Влажность воздуха (2 часа)

Реальные газы. Свойства реальных газов. Уравнение состояния реальных газов. Понятие о водяном паре. Процесс парообразования в P - V диаграмме. Определение параметров состояния водяного пара. Процессы изменения состояния водяного пара.

Основные характеристики влажного воздуха. Абсолютная и относительная влажности воздуха. Измерение влажности.

1.5 Истечение и дросселирование газов и паров (2 часа)

Основные понятия. Уравнение истечения. Располагаемая работа и скорость истечения. Секундный расход при истечении. Критическое отношение давлений. Расчет скорости истечения и секундного массового расхода для критического режима. Сопло Лаваля. Расчет процесса истечения водяного пара с помощью hs - диаграммы.

Дросселирование газов и паров. Сущность процесса дросселирования и его уравнение. Понятие об эффекте Джоуля - Томсона.

Тема 2.Основы теплообмена (12 часов)

2.1. Теплопроводность. (2 часа)

Основные понятия и определения. Способы переноса тепловой энергии. Стационарный и нестационарный теплообмен. Температурное поле и градиент температур. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности и его зависимость от физических параметров.

Стационарная теплопроводность однослойной и многослойной плоской, цилиндрической и сферической стенок. Дифференциальное уравнение теплопроводности при наличии и отсутствии внутренних источников теплоты.

2. Конвективный теплообмен. (2 часа)

Конвективный теплообмен. Основные факторы, влияющие на интенсивность конвективного теплообмена. Свободная, смешанная и вынужденная конвекция. Уравнение Ньютона - Рихмана. Коэффициент теплоотдачи.

Коэффициент теплопередачи. Термическое сопротивление теплопередачи. Основное уравнение теплопередачи.

2.3. Основы теории подобия. (2 часа)

Основные сведения из теории подобия и анализа размерностей.

Условия подобия физических явлений. Преобразование подобия. Критериальные уравнения. Определяющие критерии.

Метод моделирования. Физический смысл основных критериев подобия. Понятие о математическом моделировании.

2.4. Процесс теплообмена при ламинарном и турбулентном режимах движения жидкости. (2 часа)

Процессы теплоотдачи при свободной конвекции в неограниченном объеме. Конвективный теплообмен при вынужденном (ламинарном и турбулентном) движении жидкости в трубах и каналах. Методы интенсификации теплообмена. Уравнения теплового баланса.

2.5. Теплообмен излучением. (2 часа)

Основные понятия процесса теплообмена излучением. Степень черноты и поглощательная способность. Закон Планка. Закон смещения Вина, Законы Стефана - Больцмана, Кирхгофа. Излучение и поглощение лучистой энергии нечерными телами и газами. Серое тело. Эффективное излучение.

Теплообмен излучением между серыми телами, разделенными прозрачной средой. Лучистый теплообмен между двумя параллельными телами. Влияние экранов на теплообмен излучением. Закон Бугера. Поглощательная способность серых тел. Особенности излучения и поглощения газов.

2.6. Теплопередача. Теплообменные аппараты (2 часа)

Сложный теплообмен. Теплопередача через плоскую, цилиндрическую, сферическую стенки. Коэффициент теплопередачи. Пути интенсификации процесса теплопередачи. Тепловая изоляция. Понятие о критическом диаметре теплоизоляции. Теплообменные аппараты

Назначение и классификация. Средний температурный напор. Типы теплообменных аппаратов и их основные характеристики. Конструктивный расчет теплообменного аппарата поверхностного типа. Основы расчетов смешивающих теплообменных аппаратов.

Тема 3. Термодинамические циклы. ( 12 часов)

3.1. Основные понятия. Энергетическое топливо. (2 часа)

Виды сжигаемого топлива и их характеристика. Классификация топлив. Теплота сгорания. Состав и основные характеристики автомобильных топлив. Моторные топлива для поршневых ДВС. Реакции окисления и продукты сгорания. Количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива. Структура топливного баланса страны и отрасли. Проблема экономии топлива и пути ее решения.

3.2 Циклы поршневых ДВС. (2 часа)

Двигатели внутреннего сгорания. Принцип действия поршневых ДВС. Классификация и основные характеристики ДВС. Параметры цикла. Циклы с изобарным подводом теплоты ( цикл Отто). Циклы с изохорным подводом теплоты (цикл Дизеля). Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера - Собатэ). Изображение циклов в PV и TS диаграммах. Индикаторная мощность двигателя. Эффективная мощность двигателя.

3.3 КПД циклов поршневых ДВС (2 часа)

Термодинамические КПД циклов ДВС. Сравнительный анализ термодинамических циклов ДВС. Механический и эффективный КПД двигателя. Удельный индикаторный и эффективный расход топлива. Энергетический баланс ДВС. Особенности рабочих процессов в двигателях, работающих на газообразном топливе. Показатели экономичности работы ДВС.

3.4. Циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей.

(2 часа)

Принцип действия ГТУ. Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты. Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты. Регенеративные циклы. Изображение циклов в PV и TS диаграммах. КПД ГТУ.

Воздушно-реактивные двигатели (ВРД). Принцип действия бескомпрессорного ВРД. Цикл бескомпрессорного ВРД, термический КПД цикла. Компрессорный ВРД. Термодинамический цикл компрессорного ВРД, определение термодинамического КПД цикла.

Жидкостно-реактивные двигатели (ЖРД). Цикл ЖРД, термодинамический КПД цикла. Ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ). Цикл РДТТ, термодинамический КПД цикла.

3.5 Циклы паросиловых установок. Обратные циклы паровых машин. Цикл Стирлинга(2 часа)

Принципиальная схема паросиловой установки. Цикл Карно. Цикл Ренкина и его исследование. Влияние начальных и конечных параметров на термический КПД цикла Ренкина. Изображение цикла в PV, TS и HS диаграммах. Пути повышения экономичности цикла Ренкина. Регеративный цикл. Теплофикационный цикл.

Обратные циклы паровых машин. Цикл воздушной холодильной установки. Циклы паровых компрессорных холодильных установок. Тепловые насосы.Цикл Стирлинга.

3.6 Утилизация теплоты (2 часа)

Прирост термического КПД при утилизации теплоты, переданной первому теплоприемнику. Утилизация теплоты. Прирост термического КПД при утилизации теплоты, переданной второму теплоприемнику.

3.2. Лабораторные занятия, их наименование и объем в часах.

Третий семестр

1.

Лабораторная работа № 1.

Измерение влажности воздуха и определение точки росы

2

2.

Лабораторная работа № 2.

Изучение способов измерения температуры

2

3.

Лабораторная работа № 3.

Определение постоянной адиабаты воздуха включении активного и реактивных сопротивлений

2

4.

Лабораторная работа № 4.

Определение вязкости жидкости методом Стокса

2

5.

Лабораторная работа №5.

Определение зависимости вязкости жидкости методом капиллярного вискозиметра

2

6.

Лабораторная работа №6.

Определение коэффициента вязкости и средней длины свободного пробега молекул воздуха.

2

7.

Лабораторная работа № 7.

Определение постоянной Больцмана.

2

8.

Лабораторная работа № 8.

Определение приращения энтропии для процесса нагревания и плавления олова.

2

9.

Итоговое занятие

1

3.3. Перечень лабораторных работ выполняемых с использованием ЭВМ

1. Диффузия в газах.

2. Вязкость газов.

3. Теплопроводность.

4. Полупроницаемая мембрана.

5. Энтропия.

6. Изотерма. Адиабата.

7. Цикл Карно.

При выполнении лабораторных работ студенты осваивают практические приемы по опытному исследованию и проверке изучаемых законов и явлений, вырабатывают навыки работы с лабораторным оборудованием, контрольно-измерительными приборами и вычислительной техникой, правильно анализировать и представлять полученный результат. Студент обязан предварительно подготовиться к очередной лабораторной работе, проработав теоретический материал и составив краткий конспект по данной работе. Отчет по лабораторной работе защищается перед преподавателем в индивидуальном порядке.

3.4. Тематика курсовых работ

Курсовая работа (проект) программой не предусмотрена.

3.5. Самостоятельная работа студентов

№ п.п

Виды самостоятельной работы

объем в часах

форма текущего контроля

1

подготовка к лекциям

10

устный опрос

2

самостоятельное изучение тем теоретического курса.

14

устный опрос

3

подготовка к лабораторным занятиям

16

устный опрос, проверка протоколов

4

подготовка к экзамену

9

итого

49

Самостоятельная работа является составной частью учебной работы студентов и проводится с целью закрепления и углубления полученных знаний и навыков.

4. Учебно-методические материалы

Литература

Основная

1. Теплотехника. /Под ред. В.Н. Луканина. Учебник. - М: Высшая школа, 2004.

2. Котиков Ю.Г., Ложкин В.Н. Транспортная энергетика: Учебное пособие. М.:ИЦ «Академия», 2005. - 288 с.

3. Ганькин Ю.А., Карелина М.Ю., Кравченко В.А., Яровой В.Г. Основы теории автотранспортных двигателей. - М.: Издательство РГАЗУ, 1997.

4. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. - М: Высшая школа, 2002. - 496 с.

Дополнительная

1. Драганов Б.Х., Кузнецов А.В., Рудобашта СП. Теплотехника с применением теплоты в сельском хозяйстве. - М.: Агропромиздат, 1990.

2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М: Высшая школа, 1975.

3. Техническая термодинамика. Под ред. В.И. Крутова - М.: Высшая школа, 1991.

4. Теплотехника./Под ред. Баскакова А.П. -М.: Энергоатомиздат, 1991.

5. Николаенко, А-В. Теория, конструкция и расчет автотранспортных двигателей. Учебное пособие; - М..: Колос, 1984.

5. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Лаборатория физики

Оборудование:

1. Лабораторная установка "Определение коэффициента вязкости жидкости методом Стокса",

2. Лабораторная установка "Определение постоянной адиабаты воздуха ",

3. Лабораторная установка "Определение коэффициента вязкости и средней длины пробега молекул воздуха",

4. Лабораторная установка «Определение приращения энтропии для процесса нагревания и плавления олова»,

5. Лабораторная установка «Определение зависимости вязкости жидкости методом капиллярного вискозиметра»,

6. Лабораторная установка «Определение постоянной Больцмана».

Генератор звуковой ГЗ-18, осциллограф С1-5, осциллограф- 3013, потенциометр УПЛ-60-2, источник питания универсальный УИП-1., источник питания Б-5, счетчик-секундомер ССЭШ-63, вискозиметр стеклянный, гигрометр волосяной, выпрямитель тока, набор термометров, мультиметр, микрометр МВМ-75, авометр Ц-4315, секундомер, рефрактометр ИРФ-454Б, строботахометр СТ-1, барометр-анероид, электронагреватель пробирок.

Лаборатория информатики

Оборудование:

Комплекс электронных лабораторных работ по физике «Открытая физика», версия 1.1 сервер INTEL Pentium - IV HT 3,0 ГГц, HDD 2*80 Gb SATA, LAN 2*100 Мбит/с, ADSL 128 кбит/с; GeForce4 MX440, Samsung 17".

Intel P-IV 2.8 ГГц, 512 Mb ОЗУ, HDD 80 Gb, Benq 19" - 14 шт.

6. Контроль знаний студентов

В ходе изучения дисциплины осуществляется текущий контроль успеваемости и знаний студентов, защита лабораторных работ.

контроль знаний студентов заключается в:

• индивидуальных и групповых опросах,

• проведении письменных тестов,

• опросе студентов на лабораторных занятиях по темам работ;

• индивидуальной защите лабораторных работ;

• проведении итогового зачета по дисциплине.

Список контрольных вопросов

1. Термодинамическая система и окружающая среда.

2. Теплота термодинамического процесса. Теплоемкость, ее виды.

3. Основные газовые законы.

4. Процессы изменения состояния идеальных газов.

5. Газовые смеси. Закон Дальтона.

6. Смеси идеальных газов. Основные параметры смеси идеальных газов. Теплоемкость идеальных газов. Энтальпия идеального газа.

7. Процессы изменения состояния идеальных газов. Определение работы газа при его расширении.

8. Цикл Карно теплового двигателя.

9. Циклы и их виды.

10. Действительная индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя

11. Газотурбинные установки.

12. Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера).

13. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто).

14. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля).

15. Круговые процессы (циклы). Прямой и обратный цикл Карно.

16. Поршневые двигатели внутреннего сгорания.

17. Критерии подобия и их физический смысл.

18. Принципы теории подобия. Основные критерии подобия.

19. Аналитическое выражение первого закона термодинамики.

20. Второй закон термодинамики. Аналитическое выражение второго закона термодинамики.

21. I - d - диаграмма для влажного воздуха. Построение процессов изменения состояния влажного воздуха на I - d - диаграмме.

22. Краевые условия. Граничные условия 1-го рода. Физический смысл коэффициента теплоотдачи

23. Краевые условия. Граничные условия 2-го рода. Физический смысл коэффициента теплоотдачи.

24. Краевые условия. Граничные условия 3-гои 4-го рода.

25. Процесс парообразования в Р - V - диаграмме.

26. Процессы изменения состояния водяного пара.

27. Основные характеристики влажного воздуха.

28. Определение параметров состояния водяного пара

29. Конвективный теплообмен. Закон Ньютона - Рихмана.

30. Расчетные формулы для стационарной теплопроводности через многослойную плоскую стенку.

31. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности.

32. Теплопроводность через многослойную плоскую стенку.

33. Расчетные формулы для стационарной теплопроводности через однослойную цилиндрическую стенку.

34. Расчетные формулы для стационарной теплопроводности через однослойную плоскую стенку.

35. Способы передачи теплоты. Количественные характеристики переноса теплоты. Дайте определение, что такое: температурное поле, изотермическая поверхность, градиент температуры.

36. Конвективный теплообмен при вынужденном турбулентном движении жидкости в трубах и каналах.

37. Термическое сопротивление теплопередачи

38. Конвективный теплообмен, свободная, смешанная и вынужденная конвекция.

39. Конвективный теплообмен при вынужденном ламинарном движении жидкости в трубах и каналах.

40. Теплообмен при конденсации пара.

41. Процесс теплоотдачи при свободной конвекции в неограниченном объеме.

42. Теплообмен при кипении жидкости.

43. Теплообмен излучением между серыми телами. Влияние экранов на теплообмен излучением.

44. Закон Бугера. Поглотительная способность серых тел.

45. Особенность излучения и поглощения газов.

46. Излучение и поглощение лучистой энергии серыми телами.

47. Основные законы теплового излучения.

48. Типы теплообменных аппаратов и их основные характеристики. В чем заключается проектный и проверочный расчеты теплообменных аппаратов?

49. Двигатели внутреннего сгорания. Принцип действия поршневых ДВС.

50. Цикл с изобарным подводом теплоты ( цикл Отто).

51. Цикл с изохорным подводом теплоты (цикл Дизеля).

52. Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера - Собатэ).

53. Индикаторная мощность двигателя.

54. Эффективная мощность двигателя.

55. Термодинамические КПД циклов ДВС

56. Сравнительный анализ термодинамических циклов ДВС.

57. Энергетический баланс ДВС.

58. Особенности рабочих процессов в двигателях, работающих на газообразном топливе.

59. Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты.

60. Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты.

61. Воздушно-реактивные двигатели (ВРД). Принцип действия бескомпрессорного ВРД.

62. Цикл бескомпрессорного ВРД, термический КПД цикла.

Компрессорный ВРД. Термодинамический цикл компрессорного ВРД, определение термодинамического КПД цикла.

63. Жидкостно-реактивные двигатели (ЖРД). Цикл ЖРД, термодинамический КПД цикла.

64. Ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ). Цикл РДТТ, термодинамический КПД цикла.

65. Принципиальная схема паросиловой установки. Цикл Карно.

66. Цикл Ренкина и его исследование.

67. Влияние начальных и конечных параметров на термический КПД цикла Ренкина.

68. Пути повышения экономичности цикла Ренкина.

69. Регеративный цикл. Теплофикационный цикл.

70. Обратные циклы паровых машин.

71. Цикл воздушной холодильной установки.

72. Циклы паровых компрессорных холодильных установок.

73. Тепловые насосы.

74. Цикл Стирлинга.

75. Прирост термического КПД при утилизации теплоты, переданной первому теплоприемнику.

76. Утилизация теплоты. Прирост термического КПД при утилизации теплоты, переданной второму теплоприемнику.

77. Основы энергосбережения. Основные направления экономики энергоресурсов. Использование вторичных энергоресурсов.