Мета і задачі дисципліни. Структурні модулі

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ І СПОРТУ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗЬКИЙ ГІДРОЕНЕРГЕТИЧНИЙ КОЛЕДЖ

ЗАПОРІЗЬКОЇ ДЕРЖАВНОЇ ІНЖЕНЕРНОЇ АКАДЕМІЇ

М Е Т О Д И Ч Н И Й П О С І Б Н И К

Для самостійного оволодіння навчальним матеріалом

З дисципліни “Теплотехніка” для студентів ІІ курсу

Спец. 5.05060103 “Монтаж і обслуговування теплотехнічного

устаткування і систем теплопостачання”

Укладач: викладач ЗГЕК ЗДІА

Потапова А.О.

Розглянуто і схвалено на

засіданні ПЦК

спец. 5.05060103

Протокол № __ від ____ 2012 р.

Голова ПЦК___ (Потапова А.О.)

Зміст

Вступ ............................................................................................................................................ 3

1 ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА ............................................................................................. 4

1.1 Мета і задачі дисципліни. Структурні модулі ................................................................... 4

1.2 Тематичний план самостійної роботи ………………………. .......................................... 5

1.3 Рекомендована література ………... ................................................................................... 5

2 ПІДГОТОВКА ДО ЛАБОРАТОРНИХ (ПРАКТИЧНИХ) ЗАНЯТЬ……………………. 6

3 ПІДГОТОВКА ДО СЕМІНАРСЬКИХ ЗАНЯТЬ………………………………………… 7

4 ТЕМИ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО ОПРАЦЮВАННЯ …… ................................................. 8

4.1 Викладення теоретичного матеріалу, завдання для перевірки засвоєння

нового матеріалу .................................................................................................................. 8

4.2 Перелік запитань для підготовки до модульного і рейтингового контролю ................. 38

Додатки

Вступ

Метою створення даних методичних вказівок є допомога студентам денної форми навчання в виконанні самостійної роботи в поза аудиторний час при вивченні дисципліни „Теплотехніка”, щоб вони більш глибокого розуміли сутність теплоенергетичних явищ і процесів, котрі вивча-ються.

Самостійна робота студентів із дисципліни „Теплотехніка” передбачає:

- підготовку до виконання практичних і лабораторних занять;

- підготовку до модульного і рейтингового контролю;

- підготовку до іспиту.

В загальній частині методичних вказівок наведені мета і задачі курсу, які відповідають нав-чальній програмі, місце дисципліни „Теплотехніка” серед інших дисциплін навчального плану під-готовки молодших спеціалістів спеціальності 5.05060103 „Монтаж і обслуговування теплотехніч-ного устаткування і систем теплопостачання”. Вказана кількість навчальних годин самостійної роботи з певних тем згідно тематичного плану, наведений перелік рекомендованої літератури, а також розділів програми, за якими виконується модульний контроль.

В розділі „Теми для самостійного опрацювання” міститься через нестачу підручників з даної дисципліни, виданих державною мовою, викладення теоретичного матеріалу з питань різних тем, винесених на самостійне оволодіння. Для перевірки якості засвоєння нових знань і їх закріплення наводиться перелік питань для самоконтролю, а також умови задач для розв’язання. Для підготовки до модульного і рейтингового контролю вказаний перелік питань.

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

Мета і задачі дисципліни. Структурні модулі

Теплотехніка – це наука, яка вивчає закономірності перетворення енергії. Вивчення теоре-тичних основ теплотехніки (технічної термодинаміки і теплопередачі) має за мету створення за-гальної бази для наступного засвоєння особливостей улаштування і роботи теплоенергетичних установок і систем. Вивченням останніх займаються спеціальні дисципліни, котрі мають більш конкретний прикладний характер.

Завданням „Теплотехніки” є отримання знань про процеси, що відбуваються в теплових двигунах, компресорних машинах, сушильних та холодильних установках, про підвищення їх економічності і властивості робочих тіл.

В результаті вивчення дисципліни студенти повинні знати:

- основні параметри стану робочого тіла, визначення та одиниці вимірювання;

- закони і рівняння стану ідеального газу;

- види теплоємностей;

- термодинамічні процеси;

- перший і другий закони термодинаміки;

- властивості водяної пари і вологого повітря як робочих тіл і теплоносіїв;

- цикли паросилових установок;

- теплообмінні апарати;

- закономірності теплообміну між тілами;

повинні вміти:

- визначати параметри стану робочого тіла, газових сумішей при їх заданні різними способами;

- застосовувати закони і рівняння стану ідеального газу при розв’язку задач;

- розраховувати різні види теплоємностей і визначати кількості теплоти при нагріванні

(охолодженні);

- аналітично розглядати термодинамічні процеси, досліджувати їх в термодинамічних діаграмах;

- застосовувати графічний і табличний методи розрахунку процесів з водяною парою і вологим

повітрям;

- визначати теплові потоки, температури при передачі теплоти теплопровідністю, конвекційним

теплообміном, випромінюванням і теплопередачею.

Дисципліна „Теплотехніка” є базовою технічною дисципліною для вивчення усіх фахових і профілюючих дисциплін. Отримані студентами знання і вміння використовуються при вивченні дисциплін „Котельні установки і водопідготовка”, „Гідравліка. Гідравлічні машини”, „Опалення, вентиляція і кондиціювання повітря”, „Теплотехнічне обладнання”, „Теплопостачання” тощо.
Контролюючими заходами з дисципліни є усні опитування під час семінарських і практич-них занять, включення питань курсу дисципліни, винесених на самостійну роботу, в модульні і підсумковий контроль.

1.2 Тематичний план самостійної роботи

Номер змістовного модулю	Назва тем	Кількість годин
перший модуль	РОЗДІЛ 1 ОСНОВИ ТЕОРІЇ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ
Тема 1.1Теплопровідність
Тема 1.2Конвекційний теплообмін
Тема 1.3Теплообмін випромінюванням
Тема 1.4Теплопередача
Тема 1.5 Теплообмінні апарати
Разом з модулю 1
другий модуль	РОЗДІЛ 2 ТЕХНІЧНА ТЕРМОДИНАМІКА
Тема 2.2Поняття про термодинамічний процес. Закони ідеального газу. Суміші ідеальних газів
Тема 2.3Теплоємність. Визначення кількості теплоти
Разом з модулю 2
третій модуль	Тема 2.4Перший закон термодинаміки. Ентальпія
Тема 2.6Другий закон термодинаміки. Ентропія. Тs - діаграма. Прямий і зворотний цикли Карно
Тема 2.7Реальні гази. Водяна пара
Разом з модулю 3
четвертий модуль	Тема 2.9Цикли паросилових установок
Разом з модулю 4
	Усього з дисципліни

Рекомендована література

1 Костерев Ф.М., Кушнырев В.И. Теоретические основы теплотехники. – М.: Энергия, 1978. -

360 с.

2 Чернов А.В. и др. Основы гидравлики и теплотехники. – М.: Энергия, 1975. - 416 с.

3 Лариков Н.Н. Общая теплотехника. – М.: Стройиздат, 1966. - 446 с.

4 Кузовлев В.А. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. /Под ред. Л.Р. Стоцкого. –

М.: Высшая школа, 1983. – 335 с.

5 Лабай В.Й. Тепломасообмін. – Львів: Тріада Плюс, 2004. – 260 с.

2 ПІДГОТОВКА ДО ЛАБОРАТОРНИХ (ПРАКТИЧНИХ) ЗАНЯТЬ

Результат виконання лабораторної (практичної) роботи залежить від попередньої підготов-ки студента до лабораторного (практичного) заняття в неаудиторний час. При підготовці до лабо-раторного (практичного) заняття студенту необхідно:

1 опрацювати конспект лекції з даної теми і теоретичний матеріал по методичному посібнику для

самостійної роботи (згідно таблиць 2.1 і 2.2);

2 ознайомитися з інструкцією лабораторної (практичної) роботи, користуючись методичними вка-

зівками до їх виконання;

3 звернути особливу увагу на мету роботи по інструкції лабораторної роботи, набір обладнання,

яке буде використано в лабораторній роботі, наведену схему установки, порядок проведення до-

сліджень і обробки результатів вимірювань. Для успішного виконання практичної роботи по-

трібно також ознайомитися з метою роботи, умовами задач, які будуть розв’язуватися, з запро-

понованим ходом їх розв’язання;

4 для перевірки готовності до виконання роботи дати відповіді на питання, наведені в інструкції.

При виникненні труднощів слід ще раз переглянути теоретичний матеріал і інструкцію до лабо-

раторної (практичної) роботи;

5 заготовити бланк для виконання лабораторної (практичної) роботи.

Таблиця 2.1 - Теоретичний матеріал для виконання лабораторної роботи

Тема лабораторної роботи	Теоретичний матеріал для опрацювання
по конспекту лекцій	по методпосібнику для самостійної роботи
Лабораторна робота № 1 Визначення коефіцієнту теплопровідності ізоляційного матеріалу	с. 6-9	с. 8-12

Таблиця 2.2 - Теоретичний матеріал для виконання практичних робіт

Тема практичної роботи	Теоретичний матеріал для опрацювання
по конспекту лекцій	по методпосібнику для самостійної роботи
Практична робота № 1 Визначення теплового по-току під час передачі теплоти теплопровідністю	с. 6-9	с. 8-12
Практична робота № 2 Визначення основних па-раметрів стану робочого тіла	с. 15-18	-
Практична робота № 3 Визначення параметрів суміші ідеальних газів	с. 18-21	с. 23-25
Практична робота № 4 Визначення теплоємкості суміші ідеальних газів	с. 21-23	с. 26-28
Практична робота № 5 Визначення параметрів у термодинамічних процесах	с. 24-27	-
Практична робота № 6 Визначення термодина-мічних параметрів за допомогою - діаграми	с. 31-34	-
Практична робота № 7 Визначення характерис-тик води і водяної пари за допомогою - діаг-рами	с. 35-40	с. 32-36
Практична робота № 8 Визначення параметрів вологого повітря за допомогою Іd- діаграми	с. 40-46.	-

3 ПІДГОТОВКА ДО СЕМІНАРСЬКИХ ЗАНЯТЬ

Навчальним планом дисципліни «Теплотехніка» передбачено проведення семінарських занять. Семінарські заняття в даному курсі проводяться в формі усного опитування, теплотехніч-них диктантів, розв’язання задач біля дошки, самостійного розв’язання задач по картках (30 варі-антів). Успішне засвоєння знань, отримання позитивних оцінок і високих балів рейтингу в значній мірі залежать від серйозної та осмисленої підготовки студентів до семінарських занять. Готуючись до семінарського заняття, необхідно:

1 повторити теоретичний матеріал тем по конспекту лекцій і теоретичний матеріал, винесений для

самостійного опрацювання по методичному посібнику (згідно таблиці 3.1);

2 напам'ять вивчити закони, їх формулювання, формули, позначення теплотехнічних величин та

одиниці їх вимірювання;

3 розглянути приклади розв'язаних задач у конспекті лекцій;

4 розв’язати задачі для самостійного опрацювання за даними темами.

Таблиця 3.1 - Теоретичний матеріал для виконання семінарських занять

Тема семінарського заняття	Теоретичний матеріал для опрацювання
по конспекту лекцій	по методпосібнику для самостійної роботи
Семінарське заняття № 1 за розділом 1 «Основи теорії теплопередачі»	с. 6-14	с. 8-21
Семінарське заняття № 2 по темі 2.7 «Реальні гази. Водяна пара»	с. 35-40	с. 32-36

4 ТЕМИ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО ОПРАЦЮВАННЯ

4.1 Викладення теоретичного матеріалу, завдання для перевірки засвоєння

нового матеріалу

РОЗДІЛ 1 ОCНОВИ ТЕОРІЇ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ

Тема 1.1 Теплопровідність

Самостійна робота № 1 Коефіцієнт теплопровідності, його залежність від різних факторів.

Теплопровідність у плоскій і циліндричній стінках (4 год.)

Питання 1 Коефіцієнт теплопровідності, його залежність від різних факторів

Коефіцієнт теплопровідності - фізичний параметр, який характеризує здатність речовин проводити теплоту. Чим більший, тим краще речовина проводить теплоту.

Незважаючи на те, що теплопровідність пов’язана з рухом мікрочасток речовини, характер руху різний для газів, рідин і твердих тіл. Процес теплопровідності здійснюється в газі в тому ви-падку, якщо в ньому є неоднорідне температурне поле. Теплообмін здійснюється в результаті об- міну молекулами. Кількість молекул, яка переходить з нагрітої області в холодну, дорівнює в се- редньому кількості молекул, що рухаються у зворотному напрямку. Але молекули нагрітої облас- ті несуть з собою більшу кількість енергії молекулярного руху, ніж молекули холодної області. Ре- зультуючий тепловий потік буде направлений із нагрітої області в холодну. Для газів

Найбільшу теплопровідність має найлегший газ – водень. За кімнатної температури (20 ) коефіцієнт теплопровідності водню У важчих газів теплопровідність менша: в діоксида вуглецю ( ) , в повітря

У рідинах молекули розташовані майже упритул (дуже близько) одна до одної. Кожна мо-лекула коливається біля положення рівноваги, стикаючись при цьому з сусідніми молекулами. Теплота в рідинах передається шляхом поширення цих безладних коливань. Для рідин

Для більшості органічних рідин у межах температур 0 ... 120 коефіцієнт теплопровіднос-ті , а для води в межах цих же температур . Вода є одним із кращих провідників теплоти.

Механізм поширення в твердих тілах залежить від того є тіло металом чи діелектриком. У металах носіями теплоти є вільні електрони („електронний газ”), які в три тисячі разів легші від молекул найлегшого газу - водню. Відповідно і теплопровідність металів значно вища, ніж газів. Крім того, електрони є також носіями і електричної енергії. Тому коефіцієнти теплопровідності та електропровідності пропорційні між собою. Для металів = 20 і більше Най-більший коефіцієнт теплопровідності мають чисті срібло і мідь: Для вуглеце-вих сталей , а для легованих сталей - Водночас у чистого заліза . Цей приклад характеризує загальну тенденцію різкого зменшення тепло-провідності металів за наявності в них домішок внаслідок того, що спотворення домішками крис-талічної гратки заважає рухові електронів. Із збільшенням температури коефіцієнт теплопровід-ності чистих металів зменшується, а сплавів зростає.

Діелектрики на практиці використовуються як будівельні і теплоізоляційні матеріали. Бага-то таких тіл мають пористу структуру. Тому вони характеризуються умовним (ефективним) коефі-цієнтом теплопровідності, який залежить від теплопровідності речовини твердого тіла і теплопро-

відності газу, який заповнює пори. Ефективна теплопровідність пористих матеріалів залежить від їх вологості: із збільшенням вологості підвищується. Як правило, для матеріалів з вищою гус-тиною коефіцієнт теплопровідності має вище значення. Він залежить від структури матеріалу, його пористості і вологості. Слід пам’ятати, що ефективна теплопровідність вологого матеріалу більше теплопровідності окремо взятих сухого матеріалу і води.

Теплоізоляційними вважаються матеріали з низьким значенням -

Коефіцієнти теплопровідності деяких матеріалів наведені в таблиці 1.1.

Питання 2 Теплопровідність плоскої одношарової стінки

Нехай теплота Q поширюється в стінці товщиною і площею F, яка обмежена паралельни-ми площинами (рисунок 1.1). Стінка виготовлена з однорідного матеріалу з коефіцієнтом тепло-провідності _, який не залежить від температури. Будемо вважати, що температури на поверхнях стінки t_с1 і t_с2 не змінюються в часі. Через те що t_с1 t_с2 , теплота буде передаватися зліва направо.

А через те що стінка однорідна, ізотермічні поверхні усередині стінки розташовуються паралель- но її бокових граней.

Таблиця 1.1 - Коефіцієнти теплопровідності різних матеріалів

Найменування матеріалів		Найменування матеріалів
Алюміній		Масляний шар забруднень	0,15
Азбестовий шнур	0,145	Мідь
Азбестовий картон	0,177	Накип	1,75
Бетон із кам’яним щебнем	1,28	Пісок річковий ( сухий)	0,30-0,38
Бронза		Пісок річковий ( вологий)	1,13
Вата мінеральна	0,052	Поліетилен	0,29
Вініпласт	0,165	Скло	0,78-0,88
Гума тверда звичайна	0,157-0,160	Сажа	0,09
Глина вогнетривка	1,04	Сталь вуглецева
Дерево	0,14-0,21	Сталь нержавіюча
Іржа	1,15	Скловата	0,047
Котельний накип	0,08-2,3	Титан
Латунь		Чавун

Рисунок 1.1 – Теплопровідність Рисунок 1.2 – Теплопровідність Рисунок 1.3 - Теплопровідність

плоскої одношарової стінки плоскої багатошарової стінки циліндричної одношарової стінки

Згідно з законом Фур’є загальний тепловий потік, який проходить через стінку, може бути визначений

Q =l/d t_c1-t_c2) , Дж (1.1)

Він прямо пропорційний , F, t_с1 і t_с2, але зворотно пропорційний .

Щільність теплового потоку

q = = = , (1.2)

де - називають термічним опором теплопровідності, .

Чим більше , тим щільність теплового потоку, навпаки, менша.

Якщо останнє рівняння записати відносно t_с2, то можна встановити, що температури в сере-дині плоскої стінки змінюються за законом прямої лінії (рисунок 1.1)

, . (1.3)

Питання 3 Теплопровідність багатошарової плоскої стінки

Розглянемо теплопровідність багатошарової плоскої стінки (рисунок 1.2); кожний шар є

однорідною стінкою. Загальна товщина її дорівнює сумі товщин окремих шарів. Щільність тепло-вого потоку через багатошарову (трьохшарову) плоску стінку можна визначити за формулою

(1.4)

а загальний тепловий потік

, Дж (1.5)

Графік температурного поля багатошарової плоскої стінки (рисунок 1.2) показує, що тем-ператури усередині кожного шару змінюються за законом прямої лінії.

Питання 4 Теплопровідність циліндричної одношарової стінки

Дана циліндрична стінка з однорідного матеріалу з коефіцієнтом теплопровідності (рису- нок 3). Її довжина значно перевищує середній діаметр. На внутрішньому боці температура t_с1, яка постійна у часі і не змінюється на поверхні, а на зовнішньому – t_с2. Ізотермічними в даному випа-ку є циліндричні поверхні. Кожна поверхня, що розташована від центру далі, ніж попередня, буде мати більш низьку температуру. Тепловий потік буде направлений за радіусом.

Температура в циліндричній одношаровій стінці змінюється уздовж радіуса за законом ло-гарифма (тобто за законом кривої лінії).

Лінійна щільність теплового потоку позначається і визначається

, (1.6)

де d₁ і d₂ - відповідно внутрішній і зовнішній діаметри стінки, м.

Знаменник називають термічним опором теплопровідності циліндрич-ної стінки. Ця величина має одиницю вимірювання .

Питання 5 Теплопровідність циліндричної багатошарової стінки

Метод розрахунку теплопровідності багатошарової циліндричної стін- ки (рисунок 1.4) будується на тих же принципах, що й для плоскої багатоша- рової.

Лінійна щільність теплового потоку через циліндричну (конкретно трьохшарову) стінку може бути підрахована за формулою

, (1.7)

де t_c1 і t_c4 - температури на зовнішній і внутрішній поверхнях стінки, ;

- коефіцієнти теплопровідності матеріалів кожного шару, .

Рисунок 1.4 – Теплопровідність

багатошарової циліндричної стінки

Загальний тепловий потік визначається за формулою

, (1.8)

Для виконання самостійної роботи № 1 необхідно:

1) законспектувати теоретичний матеріал;

2) проаналізувати:

- зміну теплопровідності речовин в залежності від їх агрегатного стану;

- зміну теплопровідності пористих матеріалів при підвищенні їх вологості;

- зміну теплового потоку теплопровідністю при зменшенні товщини стінки;

- зміну теплового потоку теплопровідністю при виборі матеріалу стінки з меншим l.

3) Порівняти особливості теплопровідності слідуючих матеріалів:

а) бетону і пінобетону; б) води і сталі; в) цегли і латуні.

4) Розв’язати задачу за вказаним варіантом.

Задача 1

Шар льоду на поверхні води має товщину , температури на нижній і верхній поверхнях відповідно t_c2 і t_c3. Визначте тепловий потік через поверхні льоду, якщо його коефіцієнт теп-лопровідності . Як зміниться тепловий потік, якщо льод покриється шаром снігу товщиною з коефіцієнтом теплопровідності , а температура на поверхні снігу буде t_c1 ? Вихідні дані наведені в таблиці 1.2.

Таблиця 1.2 - Вихідні дані для задачі 1

Варіант		tc2,
		-5	-15		-2
		-2	-10
		-5	-12
			-20
		-1	-5

Задача 2

Стінка нагрівальної пічі виготовлена з двох шарів цегли: внутрішній з вогнетривкої товщи-ною , зовнішній з червоної товщиною . Визначте температури на внутрішній поверхні стінки і з внутрішнього боку червоної цегли , якщо з зовнішнього боку температура , а втрата теплоти крізь стінки . Коефіцієнти теплопровідності вогнетривкої і червоної цегли відповід-но і . Вихідні дані наведені в таблиці 1.3.

Таблиця 1.3 - Вихідні дані для задачі 2

Варіант
					1.4	0.58
				1.2	1.6	0.56
					1.5	0.54
				1.3	1.7	0.6
				1.4	1.3	0.52

Задача 3

Визначте тепловий потік крізь поверхні цегляної стінки і глибину її промерзання до

. Товщина стінки , температури на її внутрішній поверхні , на зовнішній t_c3, коефіці-єнт теплопровідності λ. Вихідні дані наведені в таблиці 1.4.

Задача 4

Визначте тепловий потік через поверхню 1м паропроводу з внутрішнім діаметром d₁ і тов-

щиною δ₁, який ізольований двома шарами теплової ізоляції δ₂ і δ₃. Коефіцієнти теплопровідності

металу λ₁, шарів ізоляції λ₂ і λ₃. Температури на внутрішній поверхні трубопроводу t_c1, на зовніш-

Таблиця 1.4 - Вихідні дані для задачі 3

Варіант	δ, мм	tc1,	tc3,	λ,
			-30	0.55
			-35	0.58
			-25	0.56
			-20	0.54
			-15	0.57

ній t_c4. Як зміниться втрата теплоти паропроводом, якщо ізоляційні шари поміняти місцями? Вихідні дані наведені в таблиці 1.5.

Таблиця 1.5 - Вихідні дані для задачі 4

Вар.	D1, мм	δ1,мм	δ2,мм	δ3,мм	λ1,	λ2,	λ3,	tc1,	tc4,
						0.037	0.14
						0.039	0.18
						0.042	0.16
						0.040	0.15
						0.038	0.17

Задача 5

Стальний трубопровід діаметром d₂/d₁ з коефіцієнтом теплопровідності λ₁ покритий ізоляці-єю в два шари однакової товщини δ₂ = δ₃, коефіцієнти теплопровідності матеріалів яких λ₂ і λ₃. Температури внутрішньої поверхні труби t_c1, зовнішньої t_c4. Визначте теплові втрати з одиниці довжини труби. Як вони зміняться, якщо шари ізоляції поміняти місцями? Вихідні дані наведені в таблиці 1.6.

Таблиця 1.6 - Вихідні дані для задачі 5

Вар.	d2/d1, мм	λ1,	δ2 = δ3, мм	λ2,	λ3,	tc1,	tc4,
	120/110			0.06	0.12
	140/130			0.05	0.14
	160/150			0.04	0.13
	150/140			0.03	0.15
	110/100			0.07	0.16

Задача 6

Визначте необхідну товщину ізоляції, якщо допустимі температури її поверхонь t_с1 , t_с2, а

тепловий потік крізь ізоляцію не повинен перевищувати q. Коефіцієнт теплопровідності ізоляції λ. Задачу вирішити для плоскої стінки і для труби з зовнішнім діаметром d₂. Вихідні дані наведені в таблиці 1.7.

Таблиця 1.7 - Вихідні дані для задачі 6