Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра теоретических основ тепло- и хладотехники

ТЕРМОДИНАМИКА

И ТЕПЛОМАССООБМЕН

Рабочая программа и контрольная работа для студентов факультета заочного обучения и экстерната специальностей 260601, 260602, 220301 Санкт-Петербург 2006 2 УДК 621.565 Ширяев Ю.Н. Термодинамика и тепломассообмен: Рабочая программа и контрольная работа для студентов факультета заочного обучения и экстерната специальностей 260601, 26060, 220301/ Под ред.

О.Б.Цветкова. СПб.: СПбГУНиПТ, 2006. - 16 с.

ISBN 5-89566-104- Приведены рабочая программа, задачи контрольной работы по термодинамике и тепломассообмену, список рекомендуемой учебной литературы.

Рецензент канд. техн. наук, доцент Е.В. Мовчанюк Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом университета.

ISBN 5-89566-104- © Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий, © Ширяев Ю.Н.,

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ИЗУЧЕНИЮ КУРСОВ

Курсы «Термодинамика» и «Тепломассообмен», изучаются студентами заочной формы обучения самостоятельно по рекомендованным в списке учебной литературы учебникам, учебным пособиям, методическим указаниям и закрепляется выполнением контрольной работы. В период лабораторно-экзаменационной сессии для студентов проводятся обзорные лекции по основным вопросам курсов и лабораторные работы. В процессе освоения дисциплины студенты получают консультации на кафедре ТОТХТ.

Изучение курсов рекомендуется вести в следующем порядке:

1. Внимательно ознакомиться с содержанием соответствующего раздела рабочей программы и методическими указаниями, прочитать по учебнику материал, рекомендуемый в программе для изучения данной темы. Изучение курсов полезно начинать с уяснения принципиальных положений, затем переходить к разбору его конкретных особенностей. Усвоив смысл изучаемого раздела и разобравшись в ходе математических выкладок, важно самостоятельно повторить вывод той или иной зависимости. Такой метод способствует лучшему усвоению идей и методов, положенных в основу математических выводов. При изучении материала полезно составлять конспекты по каждой теме изучаемых курсов.

2. В процессе изучения данной дисциплины студент выполнят одну контрольную работу по курсам термодинамики и теплопередачи и две лабораторные работы. Цель контрольной работы закрепление студентом пройденного материала.

Для получения положительной аттестации по дисциплине от студента требуется знание теоретических положений курсов, понимание физической сущности изучаемых явлений и процессов, умение применять теоретические положения к решению практических задач и выполнению лабораторных работ.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

КУРС I. ТЕРМОДИНАМИКА

Темы курса 1. Параметры состояния рабочих тел. Первый и второй законы термодинамики. Пары, параметры паров, процессы, таблицы и диаграммы.

2. Циклы паровых холодильных машин.

3. Циклы паросиловых установок.

4. Основы термодинамики влажного воздуха.

Предмет технической термодинамики, ее основные задачи.

Основные этапы развития и современное состояние термодинамики.

Роль русских и советских ученых в развитии термодинамики. Фундаментальное значение термодинамики в развитии теплоэнергетики и холодильной техники.

Тема 1. Параметры состояния рабочих тел. Первый и второй законы термодинамики. Пары, параметры паров, процессы, таблицы и диаграммы.

Рабочее вещество, его свойства. Параметры состояния рабочего вещества: абсолютное давление, температура, удельный объем.

Первый закон термодинамики. Работа и теплота как различные формы передачи энергии. Аналитическое выражение первого закона термодинамики. Рабочая диаграмма p-v и ее свойства. Сложные параметры: энтальпия и энтропия. Диаграмма T-s и ее свойства. Содержание и формулировки второго закона термодинамики. Условия получения работы в тепловом двигателе и условия переноса теплоты от источника низкой температуры к источнику с более высокой температуры.

Пары: основные понятия и определения. Диаграмма p-v для пара. Процессы подогрева жидкости, парообразования и перегрева пара. Параметры ненасыщенной и насыщенной жидкости, влажного, сухого и перегретого пара. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара, холодильных агентов. Диаграммы T-s, h-s, lg p-h.

Изохорный, изобарный, адиабатный и изотермический процессы.

Определение теплоты, работы и изменения внутренней энергии процессов. Изображение процессов в диаграммах.

Тема 2. Циклы паровых холодильных машин.

Холодильная машина, осуществляющая обратный цикл Карно:

схема машины, изображение цикла в диаграммах p-v, T-s, lg p-h, холодильный коэффициент. Практические недостатки обратного цикла Карно.

Замена расширительного цилиндра регулирующим вентилем. Всасывание компрессором сухого насыщенного пара. Переохлаждение холодильного агента после конденсации, эффект переохлаждения. Паровая компрессорная холодильная машина с регулирующим вентилем и переохлаждением:

схема, изображение цикла в диаграммах p-v, T-s, lg p-h. Тепловой баланс обратного цикла. Холодильный коэффициент.

Тема 3. Циклы паросиловых установок.

Цикл Ренкина для паросиловой установки с насыщенным и перегретым паром. Схема установки. Изображение цикла в диаграммах p-v, T-s, lg p-h. Термический КПД цикла. Влияние параметров пара на термический КПД. Теплофикация, ее термодинамические основы.

Тема 4. Основы термодинамики влажного воздуха.

Основные понятия. Абсолютная и относительная влажность, влагосодержание, энтальпия влажного воздуха. Точка росы. Температура мокрого термометра. Диаграмма h-d. Процессы нагревания и охлаждения влажного воздуха. Процессы в воздушной сушилке. Процесс смешения влажного воздуха.

КУРС II. ТЕПЛОМАССООБМЕН

1. Основные положения теории теплопроводности. Теплопроводность и теплопередача при стационарном режиме.

2. Теплопроводность при нестационарном режиме.

3. Основы теории подобия.

4. Конвективный теплообмен.

5. Основы расчета теплообменных аппаратов.

Курс тепломассообмена - область применения. Актуальность процессов теплопередачи в технике, роль этой дисциплины в подготовке современного инженера-технолога. Этапы развития учения о теплообмене. Основные способы переноса теплоты: теплопроводность, конвективная теплоотдача, тепловое излучение. Сложные процессы теплообмена и теплопередачи.

Тема 1. Основные положения теории теплопроводности. Теплопроводность и теплопередача при стационарном режиме.

Теплопроводности с позиций молекулярно-кинетической теории. Температурное поле, температурный градиент, тепловой поток.

Стационарный и нестационарный тепловые процессы. Закон Фурье, коэффициент теплопроводности. Дифференциальное уравнение теплопроводности в твердом теле. Коэффициент температуропроводности, его физический смысл. Условия однозначности для процессов теплопроводности. Закон Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Граничные условия первого, второго и третьего рода.

Передача теплоты через плоскую безграничную стенку. Распределение температур. Расчет теплового потока при граничных условиях первого и третьего рода. Коэффициент теплопередачи и термическое сопротивление. Многослойная плоская стенка.

Передача теплоты через стенку бесконечно длинного цилиндра. Распределение температур. Тепловой потока при граничных условиях первого и третьего рода. Коэффициент теплопередачи и термическое сопротивление, Их анализ. Многослойная цилиндрическая стенка.

Тема 2. Теплопроводность при нестационарном режиме.

Сущность процесса нестационарной теплопроводности и причины, его вызывающие. Изменение температурного поля и количества передаваемой теплоты во времени. Стадии (режимы) развития нестационарного процесса.

Нагревание (охлаждение) неограниченной пластины в среде с постоянной температурой: формулировка задачи, результаты аналитического решения для температурного поля и количества теплоты.

Критерии Био и Фурье, их физический смысл. Формулы и графики для расчета.

Нагревание (охлаждение) бесконечно длинного цилиндра в среде постоянной температуры, формулировка задачи, Формулы и графики для нахождения безразмерной температуры и безразмерной теплоты.

Нагревание (охлаждение) тел конечных размеров (параллелепипед, короткий цилиндр) в среде с постоянной температурой. Расчет температурного поля в виде произведения безразмерных температур.

Тема 3. Основы теории подобия.

Физическое описание конвективного теплообмена как совокупности нескольких процессов переноса теплоты. Факторы, влияющие на интенсивность процесса.

Математическое описание конвективного теплообмена: дифференциальное уравнение теплопроводности (уравнение энергии), уравнение конвективного теплообмена. Дифференциальные уравнения движения и сплошности (без выводов). Условия однозначности для стационарных процессов конвективного теплообмена.

Основы теории подобия. Подобные явления. Теоремы подобия. Критерии (числа) подобия как характеристики подобных явлений. Критерии определяющие и определяемые. Методы получения критериев подобия из дифференциальных уравнений. Критерии гидромеханического и теплового подобия. Критериальные уравнения (уравнения подобия) – основа обобщения данных единичного опыта.

Определяющая температура и определяющий размер. Примеры уравнений подобия. Границы применения обобщений.

Тема 4. Конвективный теплообмен.

4.1. Конвективный теплообмен в однофазной среде.

4.1.1. Теплоотдача при свободном движении жидкости.

Основные факторы, обусловливающие естественную конвекцию. Характер движения жидкости вблизи вертикальной пластины (ламинарная, турбулентная и переходная области), изменение коэффициента теплоотдачи по высоте пластины. Характер движения жидкости вблизи горизонтальных труб и горизонтальных пластин. Уравнение подобия для свободного движения в неограниченном объеме.

4.1.2. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости.

Теплоотдача при движении жидкости в трубах. Ламинарный и турбулентный режимы движения. Особенности гидродинамики и теплообмена при движении в трубах. Механизм теплообмена и общий вид уравнений подобия при ламинарном и турбулентном стабилизированном течении жидкости.

Теплоотдача при внешнем обтекании одиночных труб и трубных пучков. Критериальные зависимости для внешнего обтекания труб газом или жидкостями. Типы пучков труб. Характер движения газа и теплоотдача для коридорных и шахматных пучков.

4.2. Конвективный теплообмен при изменении агрегатного состояния.

4.2.1. Теплообмен при кипении жидкости.

Механизм кипения жидкости: перегрев жидкости и наличие центров парообразования как условия возникновения паровой фазы.

Механизм отрыва и движения пузырей, пузырьковый и пленочный режимы кипения. Зависимость коэффициента теплоотдачи и плотности теплового потока от температурного напора при кипении в большом объеме. Формулы для расчета коэффициента теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в большом объеме.

4.2.2. Теплообмен при конденсации пара.

Пленочная и капельная конденсация. Основы теории пленочной конденсации пара на вертикальной поверхности при ламинарном движении пленки. Расчет среднего коэффициента теплоотдачи. Теплоотдача при пленочной конденсации пара на одиночной горизонтальной трубе.

Тема 5. Основы расчета теплообменных аппаратов.

Назначение теплообменников, их классификация по принципам действия: рекуперативные, регенеративные и смесительные. Характерные конструктивные схемы рекуперативных теплообменников.

Основные схемы движения теплоносителей в рекуперативных теплообменниках: прямоток, противоток, перекрестный ток. Цели расчета теплообменников: расчет при проектировании и поверочный расчет.

Уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи в теплообменном аппарате. Вычисление коэффициента теплопередачи.

Определение среднего температурного напора для основных схем движения теплоносителей. Сравнение прямотока и противотока.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Требования к выполнению контрольной работы При выполнении контрольной работы необходимо придерживаться следующих правил:

- номер варианта (от 0 до 9) выбирать по последней цифре зачетной книжки;

- условия задач переписывать полностью;

- в процессе решения сначала приводить формулы, затем подставлять в них соответствующие численные значения, размерность приводить только для результата вычисления;

- вычисления проводить только в международной системе СИ;

- решения иллюстрировать схемами и графиками (если требуется по условию);

- в тексте работы необходимо привести ссылки на использованную литературу, а в конце контрольной работы дать список использованной литературы;

- таблицы и диаграммы свойств рабочих веществ, указанных в задачах, приведены в [5, 9 - 11].

Контрольная работа подписывается студентом. Прием контрольных работ на рецензию прекращается за 10 дней до начала лабораторно-экзаменационной сессии.

В компрессоре сжимают воздух. Процесс сжатия осуществляют: по изотерме, адиабате и политропе с показателем n. В начальном состоянии давление воздуха p1, температура t1, после сжатия – давление p2.

Определить для трех названных процессов: объем газа в начальном и конечном состояниях, температуру в конечном состоянии, работу процесса сжатия, количество теплоты, изменения внутренней энергии и энтропии. Сравнить работу каждого процесса сжатия и работу компрессора, в котором этот процесс происходит.

Принять: показатель адиабаты k = 1,4; среднюю массовую изохорную теплоемкость Сvm = 0,723 кДж/(кгК). Для определения удельной газовой постоянной использовать уравнение Майера. Масса воздуха М = 10 кг.

Дать совмещенное изображение всех процессов в координатах p-v и T-s (без масштаба). В координатах p-v показать работу компрессора для рассмотренных процессов сжатия.

Паровая компрессионная холодильная машина работает по циклу с дросселированием. Температура кипения хладагента в испарителе t0. В компрессор поступает холодильный агент в состоянии перегретого пара с температурой t1. Температура конденсации хладагента в конденсаторе tк. Хладагент перед дросселированием (регулирующим вентилем) охлаждается до температуры t5.

Определить параметры (p, v, t, h, s, x) узловых точек цикла, подведенную и отведенную теплоту, работу, теоретическую мощность привода компрессора, полную холодопроизводительность и холодильный коэффициент, если массовый расход циркулирующего хладагента М = 5 кг/с.

Изобразить схему установки, представить цикл в координатах p-v, T-s и ln p-h. Параметры узловых точек определить двумя способами: 1) с помощью диаграммы; 2) по таблицам термодинамических свойств холодильного агента (или путем расчета, когда это необходимо). Параметры ненасыщенной переохлажденной жидкости после конденсатора (кроме давления) определить условно по таблицам для насыщенной жидкости по температуре переохлаждения t5.

Параметры точек цикла свести в таблицу, форма которой приведена ниже.

* – параметры, определенные по диаграмме;

** – параметры, определенные по таблицам или полученные расчетом.

рианта Внутри стальной трубы длиной l = 5 м, наружный диаметр которой dнар и толщина стенки ст, движется трансформаторное масло с температурой tж1. Труба расположена в помещении с температурой tж2. Коэффициент теплоотдачи от масла к внутренней поверхности трубы 1, от поверхности трубы к воздуху, находящемуся в помещении, 2.

Обосновать целесообразность применения тепловой изоляции из бетона толщиной б для уменьшения теплопотерь от трубы (используя понятие о критическом диаметре изоляции).

Определить тепловой поток, линейную плотность теплового потока и линейный коэффициент теплопередачи через трубу без бетона и при его наличии. Найти для заданных условий максимальное значение коэффициента теплопроводности изоляции, накладываемой на трубу с целью уменьшения тепловых потерь от трубопровода.

Коэффициенты теплопроводности стали ст = 45 Вт/(мК), бетона б = 1,3 Вт/(мК).

риан- В пастеризаторе молоко со скоростью W движется внутри труб, диаметр которых dнарx. Средняя температура молока tж, температура поверхности труб теплообменника tст, внутренняя поверхность труб аппарата F.

Рассчитать коэффициент теплоотдачи при движении молока внутри труб теплообменного аппарата.

Определить количество теплоты, которое передается от внутренней поверхности трубы к молоку в единицу времени. Теплофизические свойства молока приведены ниже.

Теплообменный аппарат – водоохладитель, представляет собой n-рядный пучок с шагами S1 и S2 гладких стальных труб диаметром dнарxст. Коэффициент теплопроводности стали ст = 45 Вт/(мК).

Воздух поперечным потоком омывает пучок труб со скоростью W. Температура воздуха на входе в теплообменник t1, на выходе - t1. Вода на входе в аппарат движется внутри труб b имеет температуру t 2, на выходе t 2. Коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности труб к воде 2, расход воды – М.

Рассчитать средний коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности труб к воздуху, коэффициент теплопередачи и поверхность теплообмена водоохладителя. Схему движения воздуха и воды считать противоточной.

t1, °C t1, °C t 2, °C t 2, °C Вт/(м К) ложение 1. Теоретические основы хладотехники. Часть I. Термодинамика/ С.Н. Богданов Э.И. Гуйго, Г.Н. Данилова, О.П. Иванов, А.В.

Клецкий, В.Т. Плотников, В.Н. Филаткин, О.Б. Цветков; Под ред.

Э.И. Гуйго. – М.: Колос, 1994. – 288 с.

2. Теоретические основы хладотехники. Часть II. Тепломассообмен/ С.Н. Богданов, Н.А. Бучко, Э.И. Гуйго, Г.Н. Данилова, В.Т.

Плотников, В.Н. Филаткин, О.Б. Цветков; Под ред. Э.И. Гуйго. – М.:

Колос, 1994. – 368 с.

3. Богданов С.Н., Клецкий А.В., Куприянова А.В. Сборник задач по технической термодинамике. – СПб.: СПбГАХиПТ, 1996. – 189 с.

4. Сборник задач по процессам теплообмена в пищевой и холодильной промышленности/ Г.Н. Данилова, В.Н. Филаткин, М.Г.

Щербов, Н.А. Бучко. – М.: Колос, 1995. – 303 с.

5. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: Справочник/ С.Н. Богданов, С.И. Бурцев, О.П. Иванов, А.В. Куприянова; Под ред. С.Н. Богданова – СПб.: СПБГУНиПТ, 1999. – 308 с.

6. Теплотехника: Учебник для ВТУЗов/ А.А. Архаров, И.А.

Архаров, В.Н. Афанасьев и др.; Под ред. А.М. Архарова, В.Н. Афанасьева. – М.: Изд-во МГУ им. Баумана, 2004. – 712 с.

7. Лабораторный практикум по теплопередаче/ Данилова Г.Н., С.Н. Богданов, О.Б. Цветков и др.; Под общ. ред. Э.И. Гуйго, Ю.Н.

Ширяева. – СПб.: СПбТИХП, 1992. – 26 с.

8. Цветков О.Б. Термодинамика. Теплопередача. Методические указания к контрольным работам для студентов заочного факультета. – Л.:

ЛТИХП, 1987. – 23 с.

9. Цветков О.Б. Термодинамика. Теплопередача. Справочный материал к контрольным работам для студентов заочного факультета. – Л.:

ЛТИХП, 1987. – 45 с.

10. Цветков О.Б., Клецкий А.В., Лаптев Ю.А. Практикум по термодинамике и теплопередаче. Часть I. Свойства рабочих веществ и материалов холодильной и криогенной техники и систем кондиционирования воздуха: Методические указания для самостоятельной работы студентов всех специальностей. – СПб.: СПбТИХП, 1993. – 98 с.

11. Цветков О.Б. Клецкий А.В. Лаптев Ю.А. Теплофизические свойства и диаграммы альтернативных холодильных агентов: Учебное пособие. – СПб.: СПбГАХПТ, 1997. – 96 с.

12. Цветков О.Б., Лаптев Ю.А. Термодинамика. Теплопередача. Методические указания. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2002. – 43 с.

ТЕРМОДИНАМИКА

И ТЕПЛОМАССООБМЕН

Рабочая программа и контрольная работа для студентов факультета заочного обучения и экстерната специальностей260601, 260602, _ Подписано в печать 27.12.2006. Формат 60х84 1/16.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1, СПбГУНиПТ, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, ИПЦ СПбГУНиПТ, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова,