Рабочая тетрадь для практических занятий и лабораторных работ учебной дисциплины ОП.05 Теплотехника для специальности 15.02.09 Аддитивные технологии

Министерство общего и профессионального образования Свердловской области

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

Свердловской области

«Уральский политехнический колледж –

Межрегиональный центр компетенций»

Рабочая тетрадь

для практических занятий и лабораторных работ

учебной дисциплины ОП.05 Теплотехника

для специальности

15.02.09 Аддитивные технологии

Профессиональное образование

Молокова Н.В.

преподаватель спецдисциплин

Екатеринбург

2019 год

Рабочая тетрадь учебной дисциплины ОП.05 Теплотехника

Рабочая тетрадь предназначена для выполнения лабораторных и практических работ по учебной дисциплине ОП 05 Теплотехника для студентов специальности 15.02.09 Аддитивные технологии.

При выполнении практических и лабораторных работ студентам предлагается выполнить схемы и необходимые расчеты, объяснить теплотехнические процессы, заполнить таблицы, сделать выводы. Система заданий подкреплена тестами для контроля, контрольными вопросами, практическими задачами, что способствует формированию элементов ПК, а также закреплению и углублению имеющихся знаний.

В тетради представлены методические указания к практическим и лабораторным работам по всем разделам дисциплины.

Содержание

Введение

Объём и вид практических и лабораторных работ

Критерии оценивания практических и лабораторных работ

Практическая работа 1 Определение параметров идеальных газов

Лабораторная работа 1 Опытная проверка первого закона термодинамики на эквивалентности тепловой и электрической энергии

Литература

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Рабочая тетрадь является пособием, предназначенным для выполнения практических и лабораторных работ по дисциплине ОП 05 Теплотехника для студентов специальности 15.02.09 Аддитивные технологии, соответствует ФГОС и содержанию рабочей программы.

В тетради представлены методические указания к практическим и лабораторным работам по всем разделам дисциплины. Все указания имеют единую структуру: номер работы, тему, цели, перечень необходимых знаний и умений студентов, план и ход выполнения практического занятия (лабораторной работы), вопросы для самоподготовки, которые могут быть использованы как для самостоятельной работы студентов, так и в качестве контрольных на занятиях.

Рабочая тетрадь для выполнения практический и лабораторных работ призвана оказать помощь студентам в изучении основных законов теплообмена и термодинамики, методов получения, преобразования и использования тепловой энергии, происходящие в камерах построения установок для аддитивного производства, и приобрести навыки расчета теплообменных процессов нагрева и теплообмена в камерах построения установок для аддитивного производства, а также навыки работы со справочной и учебной литературой и анализа информации.

При выполнении практических и лабораторных работ студентам предлагается выполнить схемы и необходимые расчеты, объяснить теплотехнические процессы, заполнить таблицы, сделать выводы.

Система заданий подкреплена тестами для контроля, практическими задачами, что способствует более глубокому и детальному изучению материала.

Работая с данным пособием, студент получает целевую установку на самостоятельное изучение учебной и дополнительной литературы, их внимание акцентируется на вопросах, имеющих важное прикладное значение для последующего обучения.

Проведение практических занятий и лабораторных работ позволяет обеспечить научность учебной дисциплины, сформировать необходимые аналитические и профессиональные практические умения и освоить общие компетенции, включающими в себя способность:

ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

ОК 8. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 9. Ориентироваться в условиях смены технологий в профессиональной деятельности.

и профессиональные компетенции:

ПК 2.1. Организовывать и вести технологический процесс на установках для аддитивного производства

ПК 2.2. Контролировать правильность функционирования установки, регулировать ее элементы, корректировать программируемые параметры.

ПК 2.3. Проводить доводку и финишную обработку изделий, созданных на установках для аддитивного производства.

ПК 2.4. Подбирать параметры аддитивного технологического процесса и разрабатывать оптимальные режимы производства изделий на основе технического задания (компьютерной/цифровой модели).

1 Объем и вид практических и лабораторных работ

2 Критерии оценивания практических и лабораторных работ

Перечень знаний и умений, осваиваемых в рамках практических и лабораторных работ:

знания:

основные законы теплообмена и термодинамики;

методы получения, преобразования и использования тепловой энергии;

способы переноса теплоты,

устройство и принципы действия теплообменных аппаратов, силовых установок и других теплотехнических устройств;

тепловые процессы, происходящие в аппаратах и машинах;

устройство и принцип действия камер построения установок для аддитивного производства;

закономерности процессов теплообмена в камерах построения установок для аддитивного производства

умения:

- рассчитывать теплообменные процессы;

производить расчеты нагрева и теплообмена в камерах построения установок для аддитивного производства

Критерии оценивания выполнения отчета по практической и лабораторной работе

Отметка 5

соответствие содержания отчета теме работы

структурированность (четкость, последовательность выполнения, грамотность);

правильность выполнения расчетов, графиков и схем

оформление отчета в соответствии с требованиями оформления лабораторных работ

не нарушены сроки сдачи отчета.

Отметка 4

соответствие содержания отчета теме работы

нарушена структурированность (четкость, последовательность выполнения, грамотность);

правильность выполнения расчетов, графиков и схем

оформление отчета не соответствует требованиями оформления лабораторных работ

не нарушены сроки сдачи отчета

Отметка 3

соответствие содержания отчета теме работы

нарушена структурированность (четкость, последовательность выполнения, грамотность);

расчеты, графики и схемы выполнены с последующей корректировкой

оформление отчета не соответствует требованиями оформления лабораторных работ

не нарушены сроки сдачи отчета

Отметка 2

несоответствие содержания отчета теме работы

нарушена структурированность (четкость, последовательность выполнения, грамотность);

расчеты, графики и схемы выполнены с последующей корректировкой

оформление отчета не соответствует требованиями оформления лабораторных работ

нарушены сроки сдачи отчета

Критерии оценивания защиты отчета по практической и лабораторной работе

Отметка5 ставится в том случае, если студент:

-отвечает на все вопросы;

-может сделать самостоятельные выводы;

-строит ответ по собственному плану, сопровождает ответ новыми примерами, умеет применить знания в новой ситуации;

-может установить связь материалом, усвоенным при изучении других дисциплин.

Отметка 4ставится если ответ удовлетворяет основным требованиям к ответу на оценку «5», но нарушены причинно – следственные связи – студент не видит причин изучаемого события.

Студент не использует собственный план ответа, новые примеры, не применяет знания в новой ситуации, не использует связи с ранее изученным материалом и материалом, усвоенным при изучении других предметов.

Отметка 3 ставится, если большая часть ответа удовлетворяет требованиям к ответу на оценку «4», но в ответе обнаруживаются отдельные пробелы, не препятствующие дальнейшему усвоению программного материала.

Студент не может провести аналогии.

Отметка 2 ставится в том случае, если студент не овладел основными знаниями и умениями в соответствии с требованиями программы.

Перечень ошибок

Ошибка считается грубой, если студент не знает:

основных законов теплообмена и термодинамики;

способов переноса теплоты,

устройство и принцип действия теплообменных аппаратов, силовых установок и других теплотехнических устройств;

тепловых процессов, происходящих в аппаратах и машинах;

устройство и принцип действия камер построения установок для аддитивного производства;

закономерностей процессов теплообмена в камер построения установок для аддитивного производства

не умеет:

делать самостоятельные выводы;

рассчитывать теплообменные процессы;

производить расчеты нагрева и теплообмена в камерах построения установок для аддитивного производства

К негрубым ошибкам относятся:

неточности формулировок, определений, понятий, теории, вызванные неполнотой охвата основных признаков определяемого понятия;

ошибки в речи.

Недочетами считаются:

отдельные погрешности в формулировке ответа.

Оценка повышается на 1 балл - за творческий подход к выполнению отчета: наличие фотографий, интересной презентации, видео, и т.д.

Практическая работа1

Тема работы: определение параметров идеальных газов

Цель работы:

Формирование умений определения и расчета термодинамических параметров идеальных газов

Углубление и систематизация знаний законов идеального газа, уравнений Клапейрона и Менделеева – Клапейрона

Оборудование, материалы:

Рабочая тетрадь Практическая работа 1

Ход практического занятия (порядок выполнения):

Ознакомиться с практической работой

Изучить теоретическую часть

Выполнить задание по контролю знаний

Выполнить индивидуальное задание в соответствии с алгоритмом решения задачи

Оформить отчет по практической работе в соответствии с требованиями оформления отчетов по лабораторным и практическим работам

Теоретическая часть

Идеальный газ - это воображаемый газ, в котором отсутствуют силы притяжения между молекулами, а сами представляют собой материальные точки т.е. не имеют веса и объема

Реально существующие газы состоят из атомов и молекул, которые находятся в непрерывном хаотичном движении: между молекулами существуют силы притяжения и отталкивания, объем частиц имеет конечную величину.

При определенном состоянии газа силы взаимодействия и объем частиц ничтожны, поэтому ими можно пренебречь.

Введение понятия «идеальный газ» позволило составить простые математические зависимости между величинами, характеризующими состояние тела, и на основе законов для идеальных газов создать стройную теорию термодинамических процессов

Все реальные газы при высоких температурах и малых давлениях полностью подпадают под «идеальный газ» и практически по свойствам не отличаются от него.

Величины, характеризующие рабочее тело, в определенном состоянии, называют термодинамическими параметрами данного состояния. Состояние рабочего тела определяется следующими термодинамическими параметрами:

удельным объемом;

давлением ;

температурой.

Удельный объем( ) тела, представляет собой объем единицы массы тела и определяется по формуле

=, кг/м³

где³;

М – масса тела, кг.

Плотность, величина обратная удельному объему, представляет собой массу единицы объема и определяется по формуле

, м³/кг

Давлениев Международной системе единиц СИ измеряют в паскалях.

Паскаль (Па) – это давление, вызываемое силой в 1 (один ) ньютон, равномерно распределенное по нормальной к ней поверхности площадью 1 (один ) м² (Н/М²). Таким образом, паскаль измеряют в Н/М².

1 кПа = 10³ Па = 10³н/м²

1 МПА =10³ кПа = 10⁶ Па = 10⁶н/м²

Давление измеряется также высотой столба жидкости (ртути, воды, спирта), уравновешивающего давление газа (воздуха). Соотношение между единицами давления см. Приложение 1.

Для измерения давления применяют барометры, манометры и вакуумметры. Барометрами измеряют атмосферное давление, манометры служат для измерения давления выше атмосферного.

В термодинамике в качестве параметра рабочего тела используется только абсолютное давление

Р_абс = Р _ман + Р_б, Па

гдеР_б- атмосферное (барометрическое) давление

Вакуумметры служат для измерения давления ниже атмосферного. По показаниям вакуумметра определяют, насколько давление данной среды ниже атмосферного (вакуум, разрежение). Абсолютное давление в этом случае определяют по формуле

Р_абс = Р_б - Р _вак, Па

Температура характеризует степень нагретости тела. Ее измеряют по термодинамической температурной шкале или по Международной практической температурной шкале. Единицей термодинамической температуры является кельвин (К), представляющий собой 1/ 273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Эта температура равна 273,16 ⁰К и является единственной воспроизводимой опытным путем постоянной точкой термодинамической температурной шкалы (реперная точка).

Тройная точка воды – это температура, при которой все три фазы воды (твердая, жидкая и газообразная) находятся в равновесии. Нижним пределом шкалы является абсолютный нуль. Термодинамическую температурную шкалу называют абсолютной шкалой.

Параметром состояния рабочего тела является абсолютная температура, обозначаемая Т и измеренная в ⁰К.

Термодинамическая температура может быть выражена в градусах Цельсия (⁰С), t. Поэтому температура в градусах Цельсия определяется выражением

t = Т – Т₀

Законы идеального газа были открыты в 17 веке опытным путем. К ним относятся:

Закон Бойля - Мариотта, в котором установлено, что если постоянное количество газа при постоянной температуре будет переходить из одного состояния с параметрами Р₁и V₁ в другое – с параметрами Р₂и V₂, то его давление будет изменяться обратно пропорционально объему.

Р₁/Р₂= V₂/ V₁

Р₁V₁ = Р₂ V₂= const приТ = const

Закон Гей – Люссака, в котором было установлено, что постоянное количество газа при постоянном давлении изменяет свою температуру, то объем газа изменяется прямо пропорционально его температуре

₂/₁ = Т ₁ / Т ₂ при Р = const

Закон Авагадро в соответствии с которым, в равных объемах разных газов содержится одинаковое число молекул, если эти газы будут иметь одинаковые температуру и давление. Из закона Авагадро вытекает, что при одинаковых температурах и давлениях плотность газов прямо пропорциональна их молекулярным массам

₁/₂ = ₁/₂

₁₁ = /₂₂= const

Количество газа в граммах равное числу единиц молекулярной массы называется молем и обозначается Молекулярные массы отдельных газов см. Приложение 2.

Один моль любого газа при одинаковой температуре и давлении занимает одинаковый объем. При нормальных условиях (t =0⁰С, р =760 мм.рт.ст.,) объем одного киломоля любого газа равен 22,4 м³/кмоль

 =_ = 22,4 м³/кмоль

Поэтому плотность и удельный объем любого идеального газа при нормальных условиях определяются

 = 22,4/  = /22.4

Закон Шарля, в котором установлено, что если постоянное количество газа при постоянном объеме изменяет свою температуру, то изменение температуры вызывает прямо пропорциональное изменение давления.

Т ₁ / Т ₂ = Р₁/ Р₂

Опираясь на опытные законы идеального газа Бойля – Мариотта и Гей –Люссака, для равновесного состояния идеального газа Клапейроном установлена однозначная зависимость между его основными параметрами Р,  и Т, получившая название уравнение состояния идеального газа.

Для одного килограмма газа

Р = R  Т

Для произвольной массы газа (m)

РV = mR Т

Наиболее общее выражение имеет уравнение состояния для одного киломоля газа при объединении уравнения Клапейрона и закона Авагадро, предложенное Д. И. Менделеевым и называемоеуравнением Менделеева - Клапейрона

Р_ =R Т

Величина( R) называется универсальная газовая постоянная, так как для всех газов и в любом состоянии она имеет одно и тоже значение. Если параметры состояния газа взять при нормальных условиях, то

  R = 8314, Дж/кмоль ⁰К

ВеличинаR, Дж/кг ⁰К, является характеристикой данного вещества и называется газовой постоянной, определяется по формуле

R=8314/

Алгоритм решения задачи

1 Записать исходные данные с указанием единиц измерения

2 Записать понятие искомой величины

3 Выбрать и записать математическое выражение закона идеального газа для определения искомой величины

4 Записать определение искомой величины в буквенном выражении

5 Выполнить расчет искомой величины

6 Оценить полученный результат

Пример выполнения задачи

Какой объем занимает 1кг азота при температуре 70⁰С и давлении 0,2 МПа

Дано

Масса - 1кг

Газ – азот (N₂₎

t-70⁰С

Р = 0,2 МПа

Найти:

Решение: объем единицы массы тела(1кг) - это удельный объем ( ) тела, который определяется из уравнения Клапейрона для одного килограмма газа

Р = R  Т

гдеR –газовая постоянная азота,определяется по формуле

R=8314/

где –молекулярная масса азота,определяется по приложению 2

 = м³/кг

 ==0,509м³/кг

Вывод: При температуре 70⁰С и давлении 0,2 МПа 1кг азота занимает объем 0,509 м³

Задание по контролю знаний

Составьте структурную схему последовательного использования законов идеального газа (указать название закона и математическое выражение) открытия

УРАВНЕНИЯ МЕНДЕЛЕЕВА - КЛАПЕЙРОНА

Задачи для самостоятельного решения

Задача 1 Определить емкость баллона V с идеальным газом при абсолютном давлении Р_би температуре Т

(индивидуальные данные таблица 1)

Задача 2 Определить массу и силу тяжести идеального газа, содержащегося в баллоне емкостью V, при давлении Р и температуре t

(индивидуальные данные таблица 2)

Задача 3 Газы, образовавшиеся в камере построения аддитивной установки, охлаждаются с t₁ и t₂^оС. Во сколько раз уменьшится их объем, если давление газов не меняется (индивидуальные данные таблица 3).

Задача 4 Определить конечный объем газа V₂ при нагревании его от температуры t₁ до температуры t₂ при постоянном давлении и известном первоначальном объеме V₁

(индивидуальные данные таблица 4).

Таблица 1 Исходные данные к задаче 1

Таблица 2 Исходные данные к задаче 2

Таблица 3 Исходные данные к задаче 3

Таблица 4 Исходные данные к задаче 4

Вопросы для самоконтроля

Что такое идеальный и реальный газ, чем отличаются между собой ?

Какие термодинамические параметры определяют состояние рабочего тела?

Что представляют собой термодинамические параметры как величины, определяющие состояние рабочего тела?

Между какими термодинамическими параметрами устанавливается связь в законе Бойля – Мариотта и при каких условиях?

Между какими термодинамическими параметрами устанавливается связь в законе Гей – Люссака и при каких условиях?

Между какими термодинамическими параметрами устанавливается связь в законе Авагадро и при каких условиях?

Между какими термодинамическими параметрами устанавливается связь в законе Шарля и при каких условиях?

Между какими термодинамическими параметрами устанавливается связь в уравнении Клайперона и при каких условиях?

Между какими термодинамическими параметрами устанавливается связь в Уравнении Менделеева - Клайперона и при каких условиях?

В чем состоит физический смысл универсальной газовой постоянной?

Как рассчитывается газовая постоянная для любого газа ?

Лабораторная работа 1

Тема работы: опытная проверка первого закона термодинамики методом эквивалентности тепловой и электрической энергии

Цель работы:

Закрепление знаний по теории первого закона термодинамики.

Оборудование, материалы:

Лабораторная установка «Проверка первого закона термодинамики»

Рабочая тетрадь Лабораторная работа 1

Ход лабораторной работы (порядок выполнения работы):

Ознакомиться с практической работой

Изучить теоретическую часть

Изучить схему лабораторной установки

Выполнить работу в заданной последовательности

Сделать вывод о полученных результатах

Теоретическая часть

В 18 веке Ломоносов открыл абсолютный закон природы - Закон сохранения и превращения энергии «Энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических процессах» является фундаментальным законом природы.

Закон получен на основе обобщения огромного количества экспериментальных данных и применим ко всем явлениям природы.

Он утверждает, что энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одной формы в другую, причем убыль энергии одного вида дает эквивалентное количество энергии другого вида.

Первый закон термодинамики представляет собой частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам

В соответствии с законом устанавливается, что один вид энергии переходит в другой т.е. теплота и работа могут превращаться друг в друга, причем это преобразование совершается всегда по закону строгой эквивалентности.

Q = W (кДж)

гдеQ– количество теплоты, которое получает вода, залитая в калориметр, кДж;

W - количество электрической энергии, которое потребляет электронагреватель, Вт.

Количество теплоты, которое получает вода, залитая в калориметр, определяется по формуле

Q = m × (Т₁ – Т₂) ×r, кДж

гдеm - масса воды, залитая в калориметр, кг;

С_р- массовая теплоемкость воды при p=const ( = 4,19 кДж/кг⁰К);

Т_{1 и} Т₂- начальная и конечная температура воды в калориметре, ( );

r - время опыта, сек.

Количество электрической энергии, которое потребляет электронагреватель, нагревая воду определяется по формуле

W=IU, Вт

гдеI – сила тока в цепи, а;

U – напряжение электрического тока в цепи, В.

3.Описание установки

Опытная установка состоит из калориметра, которая представляет собой сосуд с двойными стенками для уменьшения теплообмена с окружающей средой. Калориметр залит водой. Вода перемешивается мешалкой, которая приводится во вращение электродвигателем. Электронагреватель нагревает воду, температура воды измеряется термометром.

4.Последовательность выполнения работы.

Опыт начинают с измерения температуры воды в калориметре с точностью 0,1 .

После измерения температуры включают установку в сеть, включают мешалку калориметра, засекают по секундомеру время начала опыта.

Первый опыт продолжается 2 мин. За то время записывают в таблицу показания амперметра, вольтметра, температуру воды и конец опыта.

Всего проводят 5 опытов, каждый продолжительностью по 2 мин. Затем заполняют таблицу и определяют процент ошибки опыта.

Таблица 1 Опытные данные

Таблица 2 Расчетные данные

Вывод:

Вопросы для самопроверки

1 Какой вид энергии преобразуется в тепловую?

2 На что расходуется мощность электронагревателя ?

3 Почему результаты расчета с поставленной задачей?

Литература

Основная:

Лапшев Н.Н. Основы гидравлики и теплотехники : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / Н. Н. Лапшев, Ю. Н. Леонтьева. -- М. : Издательский центр «Академия», 2012. -- 400 с.

Апальков А. Ф. Теплотехника: учебное пособие для студентов очной и заочной форм обучения.- Ростов н/Д: Феникс, 2010

Прибытков И. А. Теоретические основы теплотехники: Учебник для студентов учреждений сред. Проф. Образования- М.: Издательский центр «Академия», 2010

Краткий курс лекций по дисциплине "Теоретические основы теплотехники": Учеб. пособие / Л.В.Дементий, А.П.Авдеенко. – Краматорск: ДГМА, 2000. - 180 с.

Рабинович О. М.. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: Машиностроение, 2010

Новиков П. П. Термодинамика. – М.: Машиностроение, 2011

Краснощеков Е. А.,Сукомел А. С. Задачник по теплопередаче. – М.: Энергия, 2010

Дополнительная:

Костерев Ф. М.. Теоретические основы теплотехники. – М.: Энергоиздат, 1984

Ривкин С. Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. – М.: Энергоатомиздат, 2010

Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1977

Приложение 1

Соотношение между единицами давления

Приложение 2

Молекулярные массы отдельных газов

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/348344-rabochaja-tetrad-dlja-prakticheskih-zanjatij-