18. Термодинамика - Тюменский индустриальный университет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
НЕФТЕГАЗОВЫЙ КОЛЛЕДЖ ИМЕНИ Ю.Г.ЭРВЬЕ
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ
ДИСЦИПЛИНЫ «ТЕРМОДИНАМИКА»
для специальности среднего профессионального образования
130503.51 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»
ТЮМЕНЬ, 2010
Одобрена на заседании ПЦК
Протокол № 1
«28»сентября 2010г.
Составлена в соответствии с государственными
требованиями к минимуму содержания и уровню
подготовки выпускника по специальности 130503.51
Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых
месторождений
Председатель
ПЦК
Л.А.Самопальникова
Автор программы
Н.М.Сироткина
Зам.директора по УПР _________________
В.В. Ческидов
Рецензент:
Л.А.Самопальникова
Пояснительная записка
Программа учебной дисциплины «Термодинамика» предназначена
для реализации государственных требований к минимуму содержания и
уровню подготовки выпускников по специальности 130503.51
«Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»
Учебная дисциплина «Термодинамика» является дисциплиной
общепрофессионального цикла в структуре основной образовательной
программы
по
специальностям.»
Данная дисциплина предусматривает изучение теоретических
основ термодинамики и теплопередачи, принципиальных особенностей
конструкции, действия и эксплуатации тепло- и парогенераторов,
тепловых машин, аппаратов и устройств, применяемых в нефтяной и
газовой промышленности.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать: основные понятия, законы и процессы термодинамики и
теплопередачи; методы расчета термодинамических и тепловых
процессов; классификацию, особенности конструкции, действия и
эксплуатации котельных установок, поршневых двигателей внутреннего
сгорания, газотурбинных и теплосиловых установок;
уметь: пользоваться необходимыми таблицами и энтропийными
диаграммами, производить расчеты требуемых физических величин в
соответствии с законами и уравнениями термодинамики и
теплопередачи;
Программа
рассчитана
на
132
часа.
Тематическое планирование учебной дисциплины «Термодинамика»
Самос
Максим
тоятел
.
ьная
учебная
работа
нагрузк
,
а, час.
час.
Введение
Раздел 1. Основы термодинамики
Тема 1.1. Исходные понятия и
определения термодинамики
Тема 1.2. Законы идеальных газов
Тема 1.3. Смеси жидкостей, паров и
газов
Тема 1.4. Теплоемкость вещества
Тема 1.5. Первое начало
термодинамики
Тема 1.6. Термодинамические
процессы изменения
состояния газов
Тема 1.7. Второе начало
термодинамики
Тема 1.8. Процессы
парообразования и
термодинамические
свойства
Тема 1.9. Истечение и
дросселирование газов и паров
Тема 1.10.
Термодинамическиие
процессы
компрессорных
машин
1
61
51
8
6
6
5
4
4
8
7
4
3
4
3
2
2
10
8
6
4
4
4
2
2
3
3
28
25
КОЛИЧЕСТВО ЧАСОВ
В том числе:
лаб. и
Всего, Лекцион.
практич.
час. занятия,
занятия,
час.
час.
1
10
2
1
5
2
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
2
1
Тема1.11Циклы
поршневых
двигателей
внутреннего
сгорания
Тема 1.12. Циклы паросиловых
установок
Раздел 2. Теория теплообмена
5
3
3
1
Тема 2.1. Формы передачи тепла
Тема 2.2. Теплообмен
теплопроводностью
Тема 2.3. Теплообмен конвекцией
Тема 2.4. Теплообмен излучением
Тема 2.5. Теплопередача между
теплоносителями через стенку
Тема 2.6. . Основы теплового
расчета теплообменных
аппаратов
Раздел 3. Основы теплотехники
Тема 3.1. Топливо, воздух,
продукты сгорания и их
характеристики
Тема 3.2. Топки и топочные устройства
Тема 3.3. Котельные агрегаты
Тема 3.4. Поршневые двигатели
внутреннего сгорания
Тема 3.5. Газотурбинные установки
Тема 3.6. Теплосиловые установки
Всего по дисциплине:
4
3
1
1
6
4
4
5
3
4
1
1
1
1
6
6
4
4
42
37
4
3
8
7
6
8
5
7
1
1
1
8
4
8
132
7
4
7
114
1
1
7
18
12
1
1
1
1
6
Содержание учебной дисциплины
Введение
Содержание дисциплины и ее роль в подготовке
техника. Понятие «теплота» и «работа».
Энергетический и технологический способы использование тепла, их
применение. Основные этапы развития теплотехники, проблемы
современной теплотехники в нефтяной и газовой промышленности. Главные
направления развития топливно -энергетического баланса страны, проблемы
экономии тепла, топлива и использования возобновляемых источников тепла
и вторичных ресурсов, защита окружающей среды.
Раздел 1. Основы термодинамики
Тема 1.1. Исходные понятия и определения термодинамики
Задачи и методы технической термодинамики. Окружающая среда,
термодинамическая
система,
их
термические
и
механические
взаимодействия. Рабочее тело. Термодинамический процесс. Обратимые и
необратимые процессы. Основные термодинамические характеристики
рабочего тела: температура, давление, плотность (удельный объем).
Студент должен:
Знать: термодинамические процессы, характеристики состояния
рабочего тела.
Тема 1.2. Законы идеальных газов
Идеальный газ. Применение понятия для реальных газов. Закон Шарля,
Авогадро, Гей-Люссака, Бойля - Мариотта. Уравнения состояния идеальных
и реальных газов. Студент должен:
Знать: основные законы идеальных газов.
Уметь: применять уравнения состояния идеальных газов при решении
практических задач.
Практическое занятие №1: Решение задач на газовые законы.
Тема 1.3. Смеси жидкостей, паров и газов
Понятие о смесях. Способы получения газовых смесей. Парциальное
давление и объем компонентов смеси. Основные характеристики смеси.
Закон Дальтона Студент должен:
Знать: основные характеристики газовых смесей.
Тема 1.4. Теплоемкость вещества
Понятие теплоемкости. Истинная и средняя теплоемкость. Виды удельной
теплоемкости. Теплоемкость газовой смеси. Студент должен:
Знать: виды теплоемкости, теплоемкость газовой смеси
Уметь: выполнять расчеты по теплоемкости газов и смесей
Практическое занятие №2: решение задач по расчету теплоемкости
газов и смесей
Тема 1.5. Первое начало термодинамики
Внутренняя энергия. Энтальпия как функция температуры, принципы
эквивалентности и сохранения энергии. Первое начало (закон)
термодинамики для замкнутой системы и потока газа и его связь с законом
сохранения и превращения энергии. Уравнение Майера, его анализ.
Студент должен:
Знать: первый закон термодинамики для замкнутой системы и потока
газа.
Тема 1.6. Термодинамические процессы изменения состояния газов
Классификация термодинамических процессов изменения состояния
рабочего тела. Анализ простейших термодинамических процессов
изохорного, изобарного, изотермического и адиабатного). Изображение
процессов в P-V- координатах. Политропные процессы. Обобщающее
значение политропного процесса.
Основные расчетные формулы определения тепла, работы, изменения
внутренней энергии и энтальпии.
Круговые процессы или циклы. Прямые и обратные циклы.
Термический КПД и холодильный коэффициент. Анализ прямого и
обратного цикла Карно. Квазистатические процессы.
Студент должен:
Знать: термодинамические процессы, прямые и обратные циклы, их
коэффициент полезного действия (КПД)
Уметь: проводить расчеты термодинамических
процессов.
Практическое занятие №3: расчет термодинамических
процессов
Тема 1.7. Второе начало термодинамики
Понятие об энтропии. Энтропия изолированных и неизолированных
систем. Изменение энтропии в простейших термодинамических процессах
изменения состояния рабочего тела. Изображение процессов в T-s и h-s координатах.
Второе начало (закон) термодинамики. Сущность и математическая
запись закона.
Студент должен:
Знать: сущность энтропии, второй закон термодинамики
Тема 1.8. Процессы парообразования и термодинамические свойства
Водяной пар как рабочее тело. Процессы нагревания, кипения и
парообразования и их изображение в координатах P-V, T-s и h-s. Основные
характеристики воды и водяного пара, и их определение. Таблицы паров.
Процессы изменения состояния водяного пара, их изображение на
диаграммах паров. Студент должен:
Знать: процессы нагревания, кипения, парообразования, их
изображение в координатах
P-V, T-s и h-s; процессы изменения состояния водяного пара.
Уметь: определять теплоту и работу по таблицам и диаграммам
водяных паров.
Практическое занятие №4: Определение параметров теплоты и работы
в процессах изменения состояния водяного пара по таблицам и диаграммам
водяных паров.
Тема 1.9. Истечение и дросселирование газов и паров
Понятие об истечении. Сопла и диффузоры. Особенности истечения из
суживающихся и комбинированных сопел. Режимы истечения. Критические
давления и скорость истечения. Максимальный расход газа.
Дросселирование газов и паров. Дроссельэффект. Использование
процессов истечения и дросселирования. Изображение процессов в
координатах h-s.
Студент должен:
Знать: сущность дросселирования, конструкции сопловых аппаратов и
диффузоров.
Уметь: решать практические задачи по определению скорости
истечения газа и пара при дросселировании.
Практическое занятие №5: Решение задач по определению скорости
истечения газа и пара из сопла.
Тема 1.10. Термодинамические процессы компрессорных машин
Назначение, устройство и принцип действия поршневых, центробежных и
осевых компрессоров. Одноступенчатое сжатие в поршневом компрессоре.
Отрицательное влияние «мертвого» пространства реального компрессора.
Цикл многоступенчатого компрессора.
Расчет мощности привода компрессора и числа
ступеней сжатия.
Студент должен:
Знать: устройство и принцип действия поршневых, центробежных и
осевых компрессоров;
Уметь: определять мощность привода компрессора и число ступеней
сжатия;
Тема 1.11. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
Назначение и классификация ДВС. Теоретические циклы поршневых
ДВС с изохорным, комбинированным и изобарным подводом тепла.
Сравнение этих циклов.Понятие о степени сжатия.
Студент должен:
Знать: теоретический цикл поршневых ДВС;
Тема 1.12. Циклы паросиловых установок
Схема простейшей паросиловой установки, работающей по циклу
Ренкина. Причины применения цикла Ренкина для водяных паров.
Изображение цикла в координатах P-V, T-s и h-s. Определение термического
КПД паросиловой установки. Пути интенсификации установок.
Студент должен:
Знать: схему паросиловой установки, работающей по циклу
Ренкина; Уметь: определять термический КПД паросиловой
установки;
Раздел 2. Теория теплообмена
Тема 2.1. Формы передачи тепла
Основные понятия теории теплообмена. Тепловой поток. Стационарные и
нестационарные процессы. Формы передачи тепла.
Студент должен: Знать: формы передачи тепла;
Тема 2.2. Теплообмен теплопроводностью.
Теплопроводность. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности, его
зависимость от плотности, электропроводности, температуры. Передача
теплоты теплопроводностью в телах различного агрегатного состояния.
Расчет стационарной теплопроводности в одно-и многослойных стенках.
Особенности расчета цилиндрических стенок.
Студент должен:
Знать:
теплопроводность,
зависимость
коэффициента
теплопроводности от различных факторов;
Уметь: выполнять расчеты стационарной теплопроводности расчета в
одно- и многослойных стенках.
Тема 2.3. Теплообмен конвекцией.
Свободная и вынужденная конвекция. Конвективный теплообмен.
Закон Ньютона -Рихмана. Коэффициент теплоотдачи и основные факторы,
влияющие на него.
Общие понятия о теории подобия и методике расчета коэффициента
теплоотдачи.
Коэффициенты
теплоотдачи,
определенные
экспериментальным путем, и их значение для различных случаев
конвективного теплообмена.
Особенности конвективного теплообмена при свободном и
вынужденном движении теплоносителя, при кипении конденсации.
Студент должен:
Знать: конвективный теплообмен, его особенности; факторы,
влияющие на коэффициенты теплоотдачи;
Уметь: применять экспериментальные коэффициенты теплоотдачи для
расчета количества тепла, переданного конвекцией;
Тема 2.4. Теплообмен излучением.
Тепловое излучение. Основные особенности лучистого теплообмена в
телах различного агрегатного состояния. Основные определения и законы
теплообмена излучением. Лучистый теплообмен между твердыми
поверхностями, между газом и ограждающей поверхностью.
Применение экранов.
Студент должен:
Знать: основы теплообмена излучением;
Тема 2.5. Теплопередача между теплоносителями через стенку.
Теплопередача - сложный вид теплообмена. Особенности расчета
теплопередачи через плоские, цилиндрические, одно - и многослойные
стенки. Коэффициент теплопередачи.
Методы интенсификации процесса теплопередачи. Тепловые процессы
вусловиях вечной мерзлоты.
Студент должен:
Знать: особенности теплопередачи через плоские, цилиндрические,
одно - и многослойные стенки;
Уметь: выполнять расчеты теплопередачи;
Тема 2.6. Основы теплового расчета теплообменных аппаратов.
Назначение и принцип действия основных типов теплообменных
агрегатов. Сравнительный анализ теплообменных аппаратов. Особенности
рекуперативных теплообменников.
Сущность конструктивного и проверочных расчетов
рекуперативных теплообменников. Уравнение теплового баланса. Студент
должен:
Знать: принцип действия основных типов теплообменных аппаратов;
Уметь: выполнять проверочный расчет рекуперативного
теплообменника;
Раздел 3. Основы теплотехники.
Тема 3.1. Топливо, воздух, продукты сгорания и их характеристики.
Виды топлива для котельных установок, Органическое топливо:
элементарный состав, высшая и низшая удельная теплота сгорания топлива.
Понятие об условном топливе и топливном эквиваленте. Горение топлива.
Теоретический и действительный расход воздуха, необходимый для горения.
Состав продуктов горения. Влияние процессов горения на окружающую
среду.
Студент должен:
Знать: виды топлива для котельных установок;
Уметь: производить расчет топлива и процесса горения;
Практическое занятие № 6: расчет топлива и процесса горения.
Тема 3.2. Топки и топочные устройства.
Назначение, классификация и основные показатели работы топок
котельных установок. Особенности сжигания жидкого и газообразного
топлива. Основные особенности мазутных форсунок и газовых горелок.
Студент должен:
Знать: классификация и основные показатели работы топок котельных
установок;
Тема 3.3. Котельные агрегаты.
Назначение, классификация, основные характеристики котлоагрегатов.
Дополнительные поверхности нагрева и вспомогательное оборудование
котлов. Схемы котельных установок.
Основы теплового расчета котельного агрегата. Паровые и
водогрейные котлы, применяемы в нефтегазовой промышленности. Охрана
окружающей среды от вредных выбросов.
Студент должен: Знать: конструкции и характеристики котлов, схемы
котельных установок;
Тема 3.4. Поршневые двигатели внутреннего сгорания.
Назначение, классификация, область применения поршневых
двигателей внутреннего сгорания. Основные элементы поршневых ДВС.
Характерные особенности идеальных и реальных циклов поршневых ДВС.
Дизельные и карбюраторные двигатели, основные особенности.
Устройство и принцип действия двух- и четырехтактных двигателей. Рабочие
процессы. Сравнительный анализ двигателей.
Топливо для поршневых ДВС. Характеристика топлива. Легкое и
тяжелое, жидкое и газообразное топливо. Основные требования,
предъявляемые к топливу.
Перевод поршневых ДВС на газообразное топливо, особенности
рабочего процесса. Газодизели.
Охрана окружающей среды.
Студент должен:
Знать: классификацию и общее устройство ДВС, принцип действия;
виды топлива, применяемы в ДВС.
Тема 3.5. Газотурбинные установки.
Назначение, классификация и область применения газотурбинных
двигателей (ГТД). Сравнительные характеристики поршневых и
газотурбинных двигателей. Перспективы использования газотурбинных
двигателей в нефтяной и газовой промышленности.
Студент должен: Знать: назначение и классификацию
газотурбинных двигателей.
Тема 3.6. Теплосиловые установки.
Классификация теплосиловых установок. Теплосиловые установки,
применяемые в нефтяной и газовой промышленности, особенности работы и
основные технико -экономические показатели. Перспективы развития.
Студент должен:
Знать: основные технико - экономические показатели работы
теплосиловых установок.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Перечень лабораторно-практических занятий
Практическое занятие № 1 Решение задач на газовые законы
Практическое занятие № 2 Решение задач по расчету теплоемкости
Практическое занятие № 3 Расчет термодинамических
процессов
Практическое занятие № 4 Определение параметров теплоты и
работы в процессах изменения состояния водяного пара по таблицам и
диаграммам водяных паров
Практическое занятие № 5 Решение задач по определению скорости
истечения газа и пара из сопла.
Практическое занятие № 6 Расчет топлива и процесса горения.
Вопросы к экзамену
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Исходные понятия и определения термодинамики
Законы идеальных газов
Смеси жидкостей, паров и газов
Теплоемкость вещества
Первое начало термодинамики
Термодинамические процессы изменения состояния газов
7. Второе начало термодинамики
8. Процессы парообразовании и термодинамические
свойства
9. Истечение и дросселирование газов и паров
10.Термодинамическиие процессы компрессорных машин
11.Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
12.Циклы паросиловых установок
13.Формы передачи тепла
14.Теплообмен теплопроводностью
15.Теплопередача между теплоносителями через стенку
16.Основы теплового расчета теплообменных аппаратов
17.Топливо, воздух, продукты сгорания и их характеристики
18.Топки и топочные устройства
19.Котельные агрегаты
20.Поршневые двигатели внутреннего сгорания
21.Газотурбинные установки
22. Теплосиловые установки
Литература
1. Мякишев Г.Я. Физика. 10 кл.: учебник для общеобразовательных
учреждений: базовый и профильный уровни/ Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.,
Сотский Н.Н.; под ред. Николаева В.И., Парфентьевой Н.А..- М.:
Просвещение, 2010
2. Новиков, Иван Иванович. Термодинамика [Текст] : учебное пособие / И. И.
Новиков. - 2-е изд., испр. - СПб. [и др.] : Лань, 2009.
3.Гидравлика, пневматика и термодинамика [Текст] : курс лекций для
студентов образовательных учреждений среднего профессионального
образования / ред. В. М. Филин. - М. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2008.
Дополнительная литература:
1. Теплотехника [Текст] : учебник для студентов инженерно-технических
специальностей вузов / А. П. Баскаков [и др.] ; ред. А. П. Баскаков. - 3-е изд.,
перераб. и доп. - М. : БАСТЕТ, 2010.
Электронные ресурсы:
Страница Библиотечно-издательского комплекса на портале ТюмГНГУ
http://www.tsogu.ru/lib
Полнотекстовая база данных на странице Библиотечно-издательского
комплекса ТюмГНГУ
http://elib.tsogu.ru/
Электронная библиотека диссертаций
http://diss.rsl.ru
Научная электронная библиотека eLibrary.ru
http://www.elibrary.ru
Электронная библиотечная система издательства «Лань»
http://e.lanbook.com
Базы данных Федерального института промышленной собственности
http://www1.fips.ru