2

1. Цели освоения дисциплины

Основными целями изучения дисциплины «Теплотехника» студентами, обучающимися по направлению подготовки специалистов «Горное дело» являются: изучение студентами законов термодинамики и преобразования энергии, основных законов и

методов расчета тепло- и массопереноса в различных устройствах, применяющихся при

добыче полезных ископаемых, а также знакомство с энергетическими и экологическими проблемами использования и производства теплоты в горном деле.

2. Место дисциплины в структуре ООП Дисциплина «Теплотехника» входит в базовую (общепрофессиональную) часть профессионального цикла (С.3).

2.1. Перечень разделов дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения дисциплины «Теплотехника»

Математика: дифференциальное и интегральное исчисления, дифференциальные уравнения, элементы теории поля, численные методы.

Информатика: основы программирования.

Физика: молекулярная физика и термодинамика.

2.2. Дисциплины, для которых освоение дисциплины «Теплотехника»

необходимо как предшествующее Подземная разработка пластовых месторождений, взрывные работы, горные машины и оборудование, аэрология, геотехнологии и др.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Теплотехника»

Изучение дисциплины «Теплотехника» направлено на формирование у студентов компетенций:

– профессиональных:

- готовностью выполнять экспериментальные и лабораторные исследования, интерпретировать полученные результаты, составлять и защищать отчеты (ПК-22).

В результате освоения дисциплины «Теплотехника» студент должен:

– знать:

1. Основные свойства и параметры состояния термодинамических систем и законы преобразования энергии;

2. Законы термодинамики;

3. Термодинамические процессы и основы их анализа;

4. Термодинамику потока;

5. Элементы химической термодинамики;

6. Основные закономерности теплообмена и массообмена при стационарном и нестационарном режимах;

7. Способы управления параметрами теплообмена;

– уметь:

1. Оценивать параметры состояния термодинамических систем и эффективности термодинамических процессов;

2. Рассчитывать показатели и параметры теплообмена;

3. Анализировать термодинамические процессы в теплотехнических устройствах, применяющихся в горном деле;

– владеть:

1. Методами анализа эффективности термодинамических процессов горного производства и управления интенсивностью обмена энергией в них.

3.1. Матрица соотнесения тем/ разделов учебной дисциплины и формируемых в них профессиональных и общекультурных компетенций ПК- КолиВладеть Темы, чество Знать Уметь разделы дисциплины часов 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 Раздел 11 + + Тема Раздел 11 + Тема Раздел 12 + Тема 11 + Тема Раздел 11 + Тема Раздел 11 + Тема 11 + Тема Раздел 11 + + + + + Тема 11 + + + + + Тема 11 + + Тема Раздел 11 + + + 3. Структура и содержание дисциплины «Теплотехника»

Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц 180 часов.

4.1. Лекционные занятия 4.1.1. Очная форма обучения (26 часов), заочная форма обучения (8 часов)

ОФО ЗФО

1. Основные свойства и параметры состояния термодинамических систем и законы преобразования энергии 1.1.1. Термодинамические параметры макроскопических систем. Уравнения состояния идеального и реального газов. Теплоемкость газов и их смесей. [1–4] 1.2.2. Первый, второй и третий законы термодинамики [1–4] 2. Термодинамические процессы и основы их анализа 2.1. Изотермический, изохорный, изобарный, адиабатный 2.1.3. Анализ и расчет изменения термодинамических параметров при их течении. [1, 4] 2.1.4. Анализ термодинамических процессов с внутренними 2.1.5. Оценка параметров состояния термодинамических систем и эффективность термодинамических процессов. [1–2, 4] матическое выражение первого закона термодинамики для 3.2.7. Сопла и диффузоры, форма их каналов. Скорость и тические параметры газового потока. Истечение газа через 4. Элементы химической термодинамики 4.1.8. Термодинамическое равновесие в однородных и сложных системах. Химические реакции и тепловые эффекты.

Химическое равновесие. Закон Гесса и уравнение Кирхгофа.

ОФО ЗФО

5. Основные закономерности теплообмена и массообмена при стационарном и нестационарном режимах 5.1.9. Стационарные и нестационарные термодинамические 5.2.10. Опыт Джоуля – Томсона. Энергия как однозначная 6. Расчет показателей и параметров теплообмена при переносе 6.1.11. Расчет показателей и параметров теплообмена при 6.2.12. Способы управления параметрами теплообмена. Теплообменные аппараты и их типы. Тепловой эффект. [1–3, 4] 6.3.13. Анализ термодинамических процессов и расчет показателей и параметров теплообменного процесса производства водяного пара. ST-диаграмма. [1–2, 4] 7. Методы анализа эффективности термодинамических процессов горного производства и управления интенсивности обмена энергией в них 7.1.14. Процессы теплопереноса в массиве горных пород. [1– 7.2.15. Ледопородные ограждения. [3] 7.3.16. Термодинамические параметры процесса подземной газификации твердого топлива. Управление режимом подземной газификации. Термодинамика процессов подземной 4.2. Лабораторные занятия 4.2.1. Очная форма обучения (34 часа) На лабораторных занятиях учебная группа 25–30 студентов делится на две подгруппы по 12–15 студентов. Для выполнения лабораторных работ каждая подгруппа делится на 4 бригады по 3–4 студента, которые выполняют лабораторные работы в каждом семестре согласно своего графика, который приводится ниже. Объем каждой лабораторной работы в часах равен 2.

';

График выполнения лабораторных работ:

№ бригады № бригады Итого: каждая бригада выполняет за 6 семестр 4 лабораторных работы, но сдача отчета каждым студентом производится индивидуально.

раздела Теплотехника: лабораторный практикум:

1. Лабораторная работа № 1 «Определение коэффициента теплопроводности воздуха методом нагретой нити»;

2. Лабораторная работа № 2 «Определение коэффициента Пуассона для воздуха и расчет изменения энтропии при его изохорном нагревании»;

3. Лабораторная работа № 3 «Определение удельной теплоемкости воздуха 4. Лабораторная работа № 4 «Определение температуры плавления и теплоты кристаллизации олова».

№ 100 «Исследование нестационарного распределения температуры в № 192 «Определение коэффициента теплопроводности воздуха методом 4.2.2. Заочная форма обучения работ Исследование нестационарного распределения температуры в Определение коэффициента теплопроводности воздуха методом нагретой нити.

Студенты заочной формы обучения выполняют 2 лабораторные работы. Объем каждой лабораторной работы в часах равен 5.

4.4. Самостоятельная работа студента 4.4.1. Принятые сокращения Виды аудиторной учебной работы:

Виды самостоятельной учебной работы (СРС):

Формы текущего контроля (ТК):

Формы промежуточной аттестации (ПА):

4.4.2. Очная форма обучения (84 часа/ 2,34 ЗЕ) Лзп: Подготовка к лабораторной работе № 1 согласно графика лабораторных работ. Методические указания по выполнению лабораторной работы.

Лкп: Термодинамические процессы и основы их анализа [1, Лкп: Оценка параметров состояния термодинамических систем [1] 3 Лзп: Подготовка к лабораторной работе № 2 согласно графика лабораторных работ. Методические указания по выполнению лабораторной работы.

Сит: Термодинамические процессы с внутренними источниками тепла [1, 4] Лзп: Подготовка к лабораторной работе № 3 согласно графика лабораторных работ. Методические указания по выполне- 0, Сит: Дифференциальное уравнение теплопроводности [1, 4] 0, Лкп: Процессы теплопереноса в горных породах и выработках [2, 3] Сит: Уравнение теплоемкости массива с вентиляционной 14 Сит: Термодинамическое разрушение талых и связанных 4.4.3. Заочная форма обучения (126 часов/ 3,50 ЗЕ) Постулаты и понятия термодинамики. Теплоемкость идеального газа и смесей газов. Первый, второй и Раздел 1 третий начала термодинамики [1–4] Решение 2-х задач из контрольной работы по данной Термодинамический анализ процессов производства Раздел Джоуля – Томсона. Термодинамические процессы с источниками тепла, заданными различными функциями [2] Решение 1-ой задачи из контрольной работы по данной теме.

Термодинамика газовых потоков. Параметры газа в потоке и при его торможении. Математическое выражение первого закона термодинамики для потока Раздел Решение 1-ой задачи из контрольной работы по данной теме.

Химическая термодинамика. Тепловые эффекты.

Законы Гесса и Кирхгофа. Химическое равновесие Перенос теплоты и вещества. Основные законы теплообмена. Перенос тепла диффузией, конвекцией и излучением. Теплообменные аппараты. Теплообмен Раздел в массивах горных пород и горных выработках [1–4] Решение 2-х задач из контрольной работы по данной мораживания пород. Параметры ледопородных ограждений. Процессы подземной газификации.

4.4.4. Контрольная работа (заочная форма обучения) Самостоятельная работа при обучении студентов на заочном факультете включает выполнение 1-ой контрольной работы, позволяющей систематизировать полученные теоретические знания. В контрольной работе студент должен решить 6 задач того варианта, номер которого совпадает с последней цифрой его шифра.

Задачи подобраны таким образом, чтобы, решая их, студент-заочник проработал основную часть обязательного программного материала. Это поможет студенту успешно пройти промежуточный контроль знаний (экзамен).

Контрольная работа выполняется в соответствии с учебным планом.

4.5. Контроль текущей успеваемости студентов по трудоемкости 4.5.1. Очная форма обучения контроль контроль контроль контроль Итого:

контроль 5. Образовательные технологии В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки специалистов «Горное дело» с целью реализации компетентностного подхода предусмотрено проведение занятий по физике с использованием интерактивных методов:

– тестирование (2 ч);

– разбор конкретных примеров на лекциях и лабораторных занятиях (2 ч);

– выступление студентов в роли обучающего на лекциях (4 ч);

– мультимедийная презентация на лекциях (6 ч).

В целом интерактивные формы занимают 12 часов, что составляет 20 % от общего числа аудиторных занятий, что соответствует требованиям ФГОС.

6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов В соответствии с требованиями ФГОС ВПО для аттестации студентов на соответствие их персональных достижений поэтапным требованиям при изучении курса физики применяются следующие фонды оценочных средств:

– письменный опрос студентов на лекциях (5 мин);

– компьютерное тестирование и тестирование по отдельным темам и лабораторным работам на лабораторных занятиях;

– прием отчетов по лабораторным работам;

– опрос по темам Сит (самостоятельного изучения теоретических вопросов) на лабораторных занятиях;

– экзамен по итогам 6 семестра.

6.1. Примеры тестовых заданий 1. Средняя кинетическая энергия молекулы идеального газа при температуре Т свободы поступательного, вращательного и колебательного движений молекулы. При условии, что имеют место только поступательное и вращательное движение, для водяного пара (Н2О) число i равно … 2. На рисунке изображен цикл Карно в координатах (T, S), где S – энтропия. Теплота подводится к системе на участке … 3. На (P, V)-диаграмме изображены два циклических процесса.

Отношение работ АI/АII, совершенных в этих циклах, равно … 4. На рисунке представлен цикл тепловой машины в координатах Т, S, где Т – термодинамическая температура, S – энтропия (предполагается, что имеет место прямой цикл – по часовой стрелке). Укажите нагреватели и холодильники с соответствующими температурами:

циклу Карно (две изотермы 1–2 и 3–4 и две адиабаты 2–3 и 4–1). За один цикл работы тепловой машины энтропия рабочего тела … 6. Какой закон отражает состояние смеси идеальных газов?

Закон Менделеева – Клапейрона.

7. Каким образом любой газ можно перевести в жидкое состояние?

Подвергнуть сильному сжатию до давлений, превышающих критическое значение;

Подвергнуть сильному охлаждению до температуры ниже критической;

Подвергнуть охлаждению до температуры ниже критической и произвести изотермическое сжатие;

Подвергнуть охлаждению до температуры ниже критической и произвести неизотермическое сжатие.

8. За счет чего производится работа в адиабатном процессе?

2) за счет внутренней энергии;

3) за счет внешней энергии;

4) за счет изменения давления.

9. Какой параметр характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой?

Коэффициент температуропроводности;

Коэффициент теплопроводности;

Коэффициент теплопередачи;

10. В процессе обратимого адиабатического сжатия постоянной массы идеального газа его энтропия … 6.2. Пример вопросов для 5-минутного опроса на лекции (Лкп) На второй лекции по теме первой:

1. Как записывается первый закон термодинамики для адиабатного процесса?

2. В чем заключается физический и статистический смысл энтропии?

3. Как изменяются термодинамические коэффициенты по мере приближения к абсолютному нулю?

4. Как записываются основные уравнения термодинамики для равновесных и неравновесных процессах?

5. Изменяется ли энтропия замкнутой системы при неравновесных процессах?

6.3. Контроль на лабораторных занятиях (Лзп) До начала выполнения лабораторной работы студент должен получить допуск, затем оформить отчет по установленному образцу и при обсуждении полученных результатов ответить на контрольные вопросы, которые приведены в методических указаниях по подготовке к выполнению конкретной лабораторной работы.

Например, методические указания по выполнению лабораторной работы «Изучение явлений переноса» включает следующие контрольные вопросы:

1. Перечислите явления переноса. При каких условиях они возникают?

2. Запишите уравнения диффузии, внутреннего трения и теплопроводности. Что переносится в каждом из указанных явлений?

3. Каков физический смысл коэффициентов диффузии, внутреннего трения и теплопроводности?

4. Какова причина возникновения внутреннего трения? В чем отличие механизма возникновения силы внутреннего трения в газах и жидкостях?

5. Выведите формулу Пуазейля для определения объема жидкости, протекающей по трубе за единицу времени.

6. От каких параметров зависит коэффициент внутреннего трения? Каков характер зависимости коэффициента внутреннего трения жидкости от температуры?

7. Какое течение жидкости называют ламинарным? Турбулентным?

8. Назовите критерий определения характера течения жидкости.

9. Как зависит коэффициент теплопроводности от температуры?

Контроль может проводиться в виде устного опроса и тестирования по отдельным темам и лабораторным работам.

6.4. Контроль самостоятельного изучения теоретических вопросов (Сит) Контроль самостоятельного изучения теоретических вопросов ведется на консультациях и лабораторных занятиях. Контроль Сит включает обсуждение вопросов, вынесенных на самостоятельное изучение:

1. Теплоемкость идеальных газов и их смесей (1 неделя).

2. Уравнение политропного процесса (2 неделя).

3. Пар насыщенный и перегретый, его производство. Диаграмма ST для водяного пара (3 неделя).

4. Термодинамические процессы с внутренними источниками теплоты, заданных в виде линейной функции, квадратичной функции температуры (5 неделя).

5. Истечение газа через суживающееся сопло, сопло Лаваля (6 неделя).

6. Дросселирование газов и паров. Эжектирование (7 неделя).

7. Дифференциальное уравнение переноса теплоты (9 неделя).

8. Моделирование тепловых процессов (10 неделя).

9. Уравнение теплоемкости массива с вентиляционной струей в шахтной выработке (11 неделя).

10. Термическое разрушение скальных пород (13 неделя).

11. Термодинамическое разрушение талых и связанных горных пород (14 неделя).

6.5. Вопросы для подготовки к экзамену 1. Термодинамическая система: изолированная, замкнутая, открытая, адиабатная.

Параметры системы: интенсивные и экстенсивные.

2. Уравнения состояния идеального и реального газа.

3. Теплоемкость идеальных газов и их смесей.

4. Термодинамические процессы: изоэнтропный, изотермный, изобарный.

5. Законы термодинамики.

6. Уравнение политропного процесса.

7. Пар насыщенный и перегретый, его производство. Диаграмма ST для водяного 8. Необратимые термодинамические процессы. Опыт Джоуля – Томсона.

9. Термодинамические процессы с внутренними источниками теплоты, заданных в виде линейной функции, квадратичной функции температуры.

10. Уравнение первого закона термодинамики для газового потока.

11. Скорость и массовый расход газа в соплах и диффузорах.

12. Истечение газа через суживающееся сопло, сопло Лаваля.

13. Дросселирование газов и паров. Эжектирование.

14. Равновесие в химических однородных и сложных системах.

15. Понятие о фазовых переходах.

16. Химические реакции. Тепловые эффекты. Закон Гесса.

17. Константы равновесия.

18. Виды теплообмена. Теплопроводность газов и жидкостей.

19. Дифференциальное уравнение переноса теплоты.

20. Перенос вещества. Диффузия. Термодиффузия. Дифференциальное уравнение 21. Конвективный перенос. Движение вязкой жидкости. Уравнения Навье – Стокса.

22. Уравнение неразрывности.

23. Особенности процесса переноса в турбулентном потоке. Уравнения сохранения.

24. Элементы теории подобия для расчетов процессов переноса теплоты и вещества.

25. Пограничный слой при ламинарном и турбулентном потоке.

26. Тепловой поток источника в полуограниченном массиве.

27. Теплообмен излучением.

28. Типы теплообменных аппаратов и их расчет.

29. Сгорание топлива и токсичность продуктов сгорания.

30. Влияние теплового режима на процессы ведения горных работ.

31. Теплообмен при проветривании подземных выработок.

32. Источники тепла в подземных выработках.

33. Тепловой расчет формирования одиночного ледопородного цилиндра.

34. Технологические основы замораживания пород.

35. Физико-технические основы подземной газификации.

36. Распределение температуры по длине потока газификации.

6.6. Образец варианта контрольной работы для студентов ЗФО (6 задач) 1. В емкости содержится смесь кислорода и водорода при температуре 300 К и давлении 200 кПа. Ее плотность составляет 0,28 г/л. Определить концентрацию молекул кислорода и молекул водорода.

2. Выразите молярную теплоемкость идеального газа при политропном процессе через показатель политропы и теплоемкость при постоянном объеме и представьте зависимость СV f n графически.

3. Рассчитать изменение температуры рабочего тела в результате политропного процесса при наличии внутреннего источника теплоты в виде линейной функции температуры. Принять: М 0 const 0,3 кг ; В 5 Дж/К ; n 1, 2.

4. Рассчитать массовый расход газа в сечении сопла A 1,5 10 м в адиабатном процессе течения при k 1,33, T 300 К. Исходное давление составляет 3, 2 10 Па ; давление в сопле 1, 2 10 Па.

5. Подсчитать тепловой эффект реакции CH 4 2O 2 CO 2 2H 2O.

6. Определить парциальное давление паров воды, давление насыщенных паров воды, удельное влагосодержание, температуру «точки росы», плотность влажного и сухого воздуха, молярную массу влажного воздуха, если температура влажного воздуха t 23 C, давление 1,2 10 Па, относительная влажность воздуха 40 %.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины 7.1. Литература 7.1.1. Основная литература:

1. Кудинов, В. А. Теплотехника [Электронный ресурс] / В. А. Кудинов, Э. М.

Карташов, Е. В. Стефанюк. – М. : Абрис., 2012. – 426 с.

http://www.biblioclub.ru/book/117645/ 2. Термодинамика [Электронный ресурс] : учеб. пособие для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Горн. дело» / В. В. Дырдин [и др.] ; Кузбас.

гос. техн. ун-т. – 2-е изд., перераб. и доп. – Кемерово, 2009. – 176 с.

http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=90911&type=utchposob:common 7.1.2. Дополнительная литература:

3. Гончаров, С. А. Термодинамика / С. А. Гончаров. – М. : Изд-во МГГУ, 2001. – 441 с.

4. Луканин, В. Н. Теплотехника / В. Н. Луканин, М. Г. Шатров, Г. М. Камфер и др. – 5-е изд. – М. : Высш. шк., 2005. – 671 с.

5. Теплотехника : учебник для инж.-техн. специальностей вузов / под ред. А. П.

Баскакова. – 3-е изд., перераб. – М. : БАСТЕТ, 2010. – 328 с.

6. Техническая термодинамика и теплотехника : учеб. пособие для студентов вузов / Л. Т. Бахшиева [и др.] ; под ред. А. А. Захаровой. – М. : Академия, 2006. – 272 с.

7. Иванова, Г. М. Теплотехнические измерения и приборы : учебник для вузов / Г. М. Иванова, Н. Д. Кузнецова, В. С. Чистяков. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Издательство МЭИ, 2005. – 460 с.

8. Термодинамика равновесных процессов [Электронный ресурс] : учеб. пособие для организации самостоятельной работы студентов направления подготовки дипломированного специалиста 130400 «Горное дело» и специальности 280102 «Безопасность технологических процессов и производств (в угольной промышленности)» / Т. Л. Ким [и др.] ; Кузбас. гос. техн. ун-т. – Кемерово, 2010. – 176 с.

http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=90465&type=utchposob:common 9. Теплофизика [Электронный ресурс] : учеб. пособие для студентов, обучающихся по направлению подготовки 280700.62 «Техносферная безопасность» профиль 280702.62 «Безопасность технолог. процессов и пр-в» / В. В. Дырдин [и др.] ; ФГБОУ ВПО Кузбас. гос. техн. ун-т. им. Т. Ф. Горбачева – Кемерово, 2012. – 90 с.

http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=90886&type=utchposob:common 10. Основы теплофизики [Электронный ресурс] : учеб. пособие для организации самостоятельной работы студентов направления подготовки бакалавров 280700. «Техносферная безопасность» профиль 280702.62 «Безопасность технолог. процессов и пр-в» / В. В. Дырдин [и др.] ; ФГБОУ ВПО «Кузбас. гос. техн. ун-т. им. Т. Ф. Горбачева», Каф. физики – Кемерово, 2012. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=90904&type=utchposob:common 7.2. Программное обеспечение и Интернет-ресурсы 7.2.1. ГУ КузГТУ обеспечен необходимым комплектом лицензионного программного обеспечения.

7.2.2. Электронная библиотечная система издательства ЛАНЬ:

http://e.lanbook.com (пакет – инженерные науки).

7.2.3. Литературу по теплотехнике и тепломассообмену можно скачать бесплатно и без регистрации на сайте http://www.ph4s.ru/book_teplotehnika.html/ 7.2.4. Также книги по теплотехнике можно скачать:

а) http://knigi.tr200ru;

б) http://lib.sibnet.ru/books/teplotehnika;

в) http://theorphysics.info/boad/17.

7.2.4. Электронные учебные пособия, разработанные на кафедре физики:

Термодинамика равновесных процессов [электронный ресурс] : учеб. пособие для организации самостоятельной работы студентов направления подготовки дипломированного специалиста 130400 «Горное дело» и специальности 280102 «Безопасность технологических 2011. – 1 электрон. опт. диск (CDROM). – Сертификат № 269 внутренний на учебное электронное издание от http://library.kuzstu.ru/meto.php 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины Мультимедийные средства, интерактивная доска, проектор.

Лекционная № Демонстрационные приборы, материалы, оборудование.

Лекционных демонстраций № Лаборатория Молекулярная физика и термодинамика механики и моЛР: Исследование нестационарного распределения температуры в лекулярной фисплошной среде.

зики № Универсальный комплект лабораторного оборудования 1. Установка для определения удельной теплоемкости воздуха при Разделы 1– 2. Установка для определения температуры плавления и теплоты 3. Установка для определения теплопроводности методом Клемана ЛР: Определение коэффициента Пуассона методом Клемана – Дезорма.

ЛР: Определение коэффициента Пуассона для воздуха и расчет изменения энтропии при его изохорном нагревании.

4. Установка для определения коэффициента внутреннего трения 5. Установка для определения коэффициента внутреннего трения 6. Установка для измерения теплопроводности методом нагретой Аудитория (ла- Наименование учебного