MMVF01 Termodynamik och strömningslära 11 hp

Transkript

1 Institutionen för Energivetenskaper MMVF01 Termodynamik och strömningslära 11 hp Kursinformation 2018/2019 september 2018

2 SYFTE OCH INNEHÅLL Kursens syfte är att uppnå baskunskaper i termodynamik och strömningslära, vilket t.ex. inkluderar grundläggande förståelse och analys av tekniska termodynamiska processer (ex. ång-, kyl- och gascykler) och grundläggande insikter om förlopp och fenomen vid gasers och vätskors (fluiders) strömning i en fas. Speciell vikt fästs vid träning och förståelse av systematisk problemlösning, analys via kontrollvolyms- och dimensionshantering samt beräkning av tryckfall och flöden i enkla rörsystem vid inkompressibla stationära förhållanden. Inom termodynamik (motsvarande 6.5 hp) behandlas begreppen temperatur, arbete, värme, energi och entropi samt termodynamikens huvudsatser (främst första och andra) inklusive tillämpningar. Gasers och vätskors egenskaper liksom övergångar mellan dessa båda faser studeras. Tillståndsstorheter, tillståndsdiagram, termodynamiska samband, exergi, gasblandningar inklusive s.k. fuktig luft (torr luft + vatten) innefattas. Tillämpningar är inriktade mot förbränningsmotorer, gasturbiner, ångkraftsanläggningar, värmeväxlare, kylmaskiner, värmepumpar samt luftkonditionering. Härvid poängteras särskilt aspekter av irreversibilitet och entropigenerering. Inom strömningslära(motsvarande 4.5 hp) introduceras inledningsvis ett antal grundläggande begrepp och samband, ex. fluid, inkompressibel strömning och viskositet. Därefter genomgås och tillämpas olika metoder för problemlösning (integral-, differentialoch dimensionsanalys). Bland dessa ges Bernoullis ekvation, impulssatsen samt Reynolds likformighetslag ett förhållandevis stort utrymme. De fullständiga rörelseekvationerna vid inkompressibel strömning av en Newtonsk fluid presenteras. De begränsade möjligheterna till exakta lösningar diskuteras. Vidare behandlas laminär och turbulent rörströmning, gränsskikt, strömningsmotstånd inklusive avlösning, samt isentrop, kompressibel strömning i munstycken. KURSMOMENT Kursen bedrivs i form av föreläsningar, seminarier, gruppvisa räknestugor, en laboration samt obligatoriska, individuella hemuppgifter. Teoriavsnitt och viss problemlösning examineras via två korta prov (duggor), mot slutet av resp. läsperiod. Ett studiebesök vid en närliggande kraftvärmeanläggning kommer att erbjudas mot slutet av läsperiod 1 (läsvecka 8). Kursen avslutas med skriftlig tentamen, vilken främst avser problemlösning. KURSLITTERATUR 1. Y. A. Çengel & M. A. Boles, Thermodynamics An Engineering Approach, Eighth Edition in SI Units, McGraw-Hill (2015). 2. D. F. Young, B. R. Munson, T. H. Okiishi & W. W. Huebsch, Introduction to Fluid Mechanics, Fifth Edition in SI Units, Wiley (2012). Tillhörande formelsamlingar (gröna häften) finns att köpa på KFS AB; finns även på kursens hemsida (lösen). Laborations-PM finns på kursens hemsida. 1

3 EXAMINATION Examinator. Kursens examinator är professor Christoffer Norberg (tel , e-post Individuella obligatoriska hemuppgifter. Hemuppgifter väljs ur kurslitteraturen. 1 Institutionens personal rättar och godkänner uppgifterna. Felaktiga, ofullständiga eller uppenbart otydliga lösningar lämnas i retur. Lösningar skall vara väl strukturerade med tydligt angivna approximationer och/eller antaganden. I förekommande fall inkluderas schematiska men tydliga figurer/skisser. Källor för t.ex. använda samband och ämnesdata ska anges. Lösningar över flera sidor bör häftas ihop. Undvik fransade bladkanter! Namn och inskrivningsår (ex. M17) anges tydligt, längst upp till höger på första sidan (försättsblad är ej nödvändigt). Lösningar lämnas i trälåda på våning 5, norra delen. Ev. returer läggs i plastfack bredvid trälådan. Bonus á 0.5 poäng per uppgiftskombination (se nedan) utdelas om nöjaktiga lösningar inlämnats före kl. 17:00 nedan angivna datum (deadlines). Dessa poäng läggs till poängsumman vid tentamen. Om nöjaktiga lösningar till alla uppgifter inlämnats före kl. 17:00, måndag 14/ utdelas dessutom 0.5 poäng i bonus. Bonuspoäng gäller fram till nästföljande kursstart. Följande hemuppgifter är obligatoriska (deadlines för bonus inom parentes): 4-72 & (ons 26/9), 6-97 & (tor 4/10), 8-61 (ons 10/10), 9-88 (tor 25/10), OBS! ideal gas med varierande c p och c v (Table A-17) & 5.25 (tis 27/11), 6.77 & 7.41 (tor 6/12), 8.78 (mån 17/12). OBS! nytt rör av galvaniserat järn (inte given friktionsfaktor) Duggor. Två kortare prov, s.k. duggor, ingår som obligatoriska moment. Dessa genomförs mot slutet av resp. läsperiod och sker under ordinarie lektionstid. Det första provet (mot slutet av HT1) behandlar teori samt viss problemlösning inom termodynamik (teori: Ch samt Ch. 16-1/6 i Çengel & Boles; problem: Ch. 4 8 i Çengel & Boles). Det andra provet (mot slutet av HT2) behandlar teori inom grundläggande strömningslära (Ch. 17-1/2 i Çengel & Boles samt CH. 1 9 i Young, Munson & Okiishi). Vid det första provet får ett kortfattat formelblad användas vid problemlösningen, i övrigt inga hjälpmedel. Formelbladet delas ut i samband med provet. Vid det andra provet får inga hjälpmedel användas. För godkänt prov krävs minst 8 poäng av 20 möjliga. Tentamen. En skriftlig tentamen avslutar kursen. Skrivtiden är 5 timmar. Tentamen består av fyra problem om vardera 10 poäng. Problem inom termodynamik är väsentligen kopplade till Ch och Ch i Çengel & Boles, inom strömningslära till för denna del alla ingående kapitel (främst CH. 5 9 i Young et al. samt Ch i Çengel & Boles). Maximalt resultat på tentamen, inkl. bonus, är 44 poäng. För godkänt resultat krävs minst 19.5 poäng inklusive ev. bonus. Vid tentamen får räknedosa, matematiska tabeller, TEFYMA, Physics Handbook eller motsvarande, föreläsningsanteckningar, kopior av föreläsningsmaterial, formelblad i termodynamik samt häftena TERMODYNAMIK SAMMANFATTNINGAR M.M. och FORMELSAMLING till kursboken i strömningslära användas. Egna kompletteringar såsom formler, skisser av diagram och kortfattade kommentarer får förekomma i dessa båda häften. Lösta exempel eller skisser på lösningar av typiska problem får ej förekomma vid tentamen. 1 Uppgifter med udda nummer i Young et al. finns i Appendix L; nås via länk på kursens hemsida. 2

4 Betygssättning. För betyg 3 (tre), d.v.s. godkänt, krävs godkända prov (tentamen, två duggor, laboration, hemuppgifter). För överbetyg används följande viktning poäng = 0.4 D+0.6 T D är totala poängsumman på dugga 1 och 2 tillsammans, T poängsumman vid tentamen inklusive eventuell bonus (max. 4p). Maximalt viktat resultat är 42.4 poäng. För betyg 4 (fyra) krävs totalt minst 25.0 poäng, för betyg 5 (fem) minst 33.5 poäng. FÖRELÄSNINGAR, SEMINARIER OCH RÄKNESTUGOR Christoffer Norberg föreläser kursen. Problemlösning vid seminarier leds av universitetslektor Marcus Thern ( , marcus.thern@energy.lth.se) och Christoffer Norberg; räknestugor leds av gruppledare, enligt följande: Grupp 1: Lei Wang ( ), lei.wang@energy.lth.se Grupp 2: Gustav Nacke ( ) gustav.nacke.0147@student.lu.se Grupp 3: Marcus Hothar ( ) marcus.hothar@energy.lth.se Grupp 4: Astrid Svensson ( ) astrid.svensson@energy.lth.se Grupp 5 (MD2): Ali Al Sam ( ) ali.al sam@energy.lth.se Vid räknestugor sker individuell träning i problemlösning med möjlighet till assistans av gruppledare (anvisade uppgifter, se sista sidan). Indelning i grupper utifrån studentgrupper (labgrupper): Grupp Studentgrupp M M M M MD LABORATION Laborationen är ett obligatoriskt moment och behandlar termodynamiska kretsprocesser (Stirlingmotor och värmepump). Laborationen utförs under HT2 och ges av Institutionen för fysik. Total omfattning är ca. 6 timmar inkl. förberedelser och redovisning; utförandetid: 4 timmar. Lab-PM finns på kursens hemsida, > Utbildning > Kurser > Maskinteknik > MMVF01 Termodynamik och strömningslära. Vid laborationernas början ska varje student skriftligen och muntligen kunna redogöra för samtliga förberedelseuppgifter. Labgrupper (studentgrupper) bildas i läsvecka 1, HT1; läggs därefter ut på kursens hemsida. Sjukanmälan görs till sekreterare Kerstin Nilsson ( , kerstin.nilsson@fysik.lth.se). Vid schemafrågor ang. laborationen hänvisas till universitetslektor Charlotta Nilsson ( , charlotta.nilsson@nuclear.lu.se). ADMINISTRATION Kursen administreras av Institutionen för energivetenskaper. Kursadministratör är Isabelle Frej ( , isabelle.frej@energy.lth.se), tjänsterum 5:e vån, M-huset (norra delen, rum 5131). Resultat på prov och tentamen anslås på kursens hemsida samt i M-husets foajé, norra delen. Aktuell status över hemuppgifter finns tillgängligt invid inlämningslådan på våning 5, norra delen. forts. 3

5 KAPITELÖVERSIKT Termodynamik Ch. Anm. Çengel & Boles 1 Grundläggande begrepp 1-9 /10 ; s utgår 2 Energi, energiutbyte, allmän energianalys s. 79 (rad 41) 81, Work Done on Elastic Bars, Work Associated with...utgår; 2-8, TSI-2 3 Egenskaper för rena ämnen 3-8 utgår 4 Energianalys, slutna system TSI-4 utgår 5 Massutbyte och energianalys, öppna system TSI-5 6 Andra huvudsatsen 6-5, TSI-6 7 Entropi Isentropic Efficiency of Nozzles & TSI-7 utgår 8 Exergi: ett mått på arbetspotential TSI-8 utgår 9 Gascykler 9-11 utgår; 9-12 ; TSI-9 utgår 10 Ång- och kombinerade cykler 10-6 /7 /8 /9 ; TSI-10 utgår 11 Kylprocesser, köldmedier 11-5 /7 /8 ; 11-9/10 utgår; TSI Termodynamiska relationer 12-4 ; 12-6 utgår 13 Gasblandningar Real-Gas Mixtures & TSI-13 utgår 14 Fuktig luft, luftbehandling 14-6 ; Evaporative Cooling & Wet Cooling Towers utgår 16 Fasjämvikt 16-2/3/4/5 & Phase Equilibrium for a Multicomponent System utgår TSI = Topic of Special Interest Strömningslära Ch. Anm. Young, Munson, Okiishi & Huebsch 1 Inledning 1.2.1, 1.7.1, 1.8, 1.10 ; 1.9 utgår 2 Fluiders statik ; förutom 2.9 och utgår 3 Bernoullis ekvation Kinematik Ex. 4.3 utgår 5 Integralanalys ; 5.2.3, Ex. 5.11, utgår 6 Differentialanalys utgår; Dimensionsanalys och likformighet utgår 8 Rörströmning 8.3.2, Ex. 8.9 ; utgår; Omströmmade kroppar Compressibility Effects ; 9.4 utgår Çengel & Boles 17 Kompressibel strömning 17-3 /4 ; 17-5/6/7 utgår OBS! Med avses avsnitt som skall genomläsas (kursivt) för ökad förståelse alt. orientering kan ingå vid hemuppgift eller tentamen, dock ej vid duggor. Svarslistor till problem samt översättningslistor mellan upplagor, se kursens hemsida! 4

6 DETALJSCHEMA: hösttermin, läsperiod 1 (HT1) Föreläsningar och seminarier: Lv. Aktivitet Innehåll Tid Sal Lärare 1 Fö 1 Ch. 1 tis 4/9, 8 10 MA04 CN Fö 2 Ch. 2/3 ons 5/9, 8 10 MA01 CN Fö 3 Ch. 3/4 fre 7/9, 8 10 M:A CN 2 Sem 1 Ch. 3 tis 11/9, 8 10 MA02 MT Fö 4 Ch. 4 ons 12/9, 8 10 V:A CN Fö 5 Ch. 5/6 fre 14/9, 8 10 M:A CN 3 Sem 2 Ch. 4 tis 18/9, 8 10 MA02 MT Fö 6 Ch. 6/7 ons 19/9, 8 10 V:A CN Sem 3 Ch. 5 tor 20/9, E:A AA Fö 7 Ch. 7 fre 21/9, 8 10 M:A CN 4 Fö 8 Ch. 7 tis 25/9, 8 10 MA02 CN Fö 9 Ch. 8 ons 26/9, 8 10 V:A CN Sem 4 Ch. 6/7 fre 28/9, 8 10 M:A MT 5 Sem 5 Ch. 7/8 tis 2/10, 8 10 MA02 MT Fö 10 Ch. 9 ons 3/10, 8 10 V:A CN Fö 11 Ch. 9 fre 5/10, 8 10 M:A CN 6 Fö 12 Ch. 10/12 tis 9/10, 8 10 MA02 CN Fö 13 Ch. 12/16/11 ons 10/10, 8 10 M:A CN Fö 14 Ch. 11/13 tor 11/10, M:A CN Sem 6 Ch. 9/10 fre 12/10, 8 10 M:A MT 7 Sem 7 Ch. 7/8 (rep.) tis 16/10, 8 10 MA02 MT Sem 8 Ch. 10/11/13 ons 17/10, 8 10 M:A MT Fö 15 Ch teori ons 17/10, M:A CN 8 Prov 1 Teori+problem mån 22/10, 8:10 10:00 MA10:A-G CN Endast M2; Seminarium 3 för MD2 sker tors 20/9, kl , sal M:D (AA) Lv. = Läsvecka; Ch. = Kapitel i Çengel & Boles; Fö = Föreläsning; Sem = Seminarium (problemlösning); AA = Ali Al Sam; CN = Christoffer Norberg; MT = Marcus Thern Räknestugor: Se kursens hemsida alt. LTH:s schemagenerator (TimeEdit). Studiebesök: För intresserade genomförs under Lv. 8 ett studiebesök vid Öresundsverket i Malmö. Anmälningslista (40 platser) sätts upp i foajén, norra delen. Inklusive busstransport (t.o.r. M-huset, Ole Römers väg 1 Flintrännegatan 19, Malmö) tar studiebesöket ca. 2,5 timmar. 5

7 DETALJSCHEMA: hösttermin, läsperiod 2 (HT2) Föreläsningar och seminarier: Lv. Aktivitet Innehåll Tid Sal Lärare 1 Fö 1 Ch. 14, CH. 1/2 mån 5/11, MA07 CN Fö 2 CH. 3 tis 6/11, 8 10 MA01 CN Sem 1 Ch. 14, CH. 1/2/3 fre 9/11, 8 10 M:A MT 2 Fö 3 CH. 3/4 mån 12/11, MA07 CN Fö 4 CH. 4/5 tis 13/11, 8 10 MA01 CN Sem 2 CH. 3/4/5 fre 16/11, 8 10 M:A MT 3 Fö 5 CH. 5/6 mån 19/11, MA07 CN Fö 6 CH. 6 tis 20/11, 8 10 MA01 CN Sem 3 CH. 5 fre 23/11, 8 10 M:A MT 4 Fö 7 CH. 7 mån 26/11, MA07 CN Sem 4 CH. 6/7 tis 27/11, 8 10 MA01 MT Fö 8 CH. 7/8 tor 29/11, 8 10 V:A CN Fö 9 CH. 8/9 fre 30/11, 8 10 M:A CN 5 Fö 10 CH. 9 mån 3/12, MA07 CN Sem 5 CH. 8 tis 4/12, 8 10 MA01 MT Fö 11 CH. 9 tor 6/12, 8 10 V:A CN Sem 6 CH. 8/9 fre 7/12, 8 10 M:A MT 6 Fö 12 Ch. 17 mån 10/12, MA07 CN Sem 7 CH. 9/Ch. 17 tis 11/12, 8 10 MA01 CN Fö 13 Teorifrågor tor 13/12, 8 10 E:A CN Sem 8 Ch. 17 fre 14/12, 8 10 M:A MT 7 Sem 9 Tentatal tor 20/12, 8 10 E:A MT Prov 2 Teori fre 21/12, 14:00 15:30 Sparta:A-D CN Tentamen Problemlösning ons 16/1-2019, 8 13 Vic:3 CN CH. = Kap. i Young, Munson, Okiishi & Huebsch Räknestugor: Se kursens hemsida alt. LTH:s schemagenerator (TimeEdit). Laboration: Lablokal: Fys:H210B Lv. Datum Tid Labgrupper 1 ons 7/ M mån 12/ M ons 14/ M tor 15/ M mån 19/ M ons 21/ M2.17 ons 21/ M tor 22/ MD mån 26/ M tis 27/ MD ons 28/ M

8 DETALJPLAN PROBLEMLÖSNING Hösttermin, läsperiod 1 - HT1 Aktivitet Lv. Datum Uppgifter Sem /9 3-25, 3-125, Sem /9 4-19, 4-32, Sem /9 5-27, 5-68, 5-79, Sem / , 6-125, 7-29, 7-87 Sem 5 5 2/ , 7-169, Sem / , 9-78 (ǫ = 0,0.80), Sem / , 8-59, tidigare duggaproblem Sem / , 11-18, Lv. Rekommenderade uppgifter (hemstudier, räknestugor) , 2-41, 2-121, , 3-53, 3-67, 3-70, 3-134, 3-82, , 4-20, 4-28, 4-68, 4-126, 5-25, , 5-67, 6-52, 6-77, 6-92, 6-123, , 7-83, 7-92, 7-131, 7-143, 7-145, , 8-92, 8-120, 9-145, 9-44, 9-76, , , 11-17, 13-31, Obligatoriska hemuppgifter (deadline för bonus inom parentes) 4-72 & (26/9), 6-97 & (4/10), 8-61 (10/10), 9-88 (25/10). OBS! ideal gas med varierande c p och c v Hösttermin, läsperiod 2 - HT2 Aktivitet Lv. Datum Uppgifter Sem 1 1 9/ , , 1.48, 2.33, 3.60 Sem / , 4.22, 5.27, 5.44 Sem / , 5.91, 5.93, 5.95 Sem / , 6.79, 7.10, 7.45 Sem 5 5 4/ , 8.69 (ǫ = 0), 8.52, 8.75 (ǫ = mm) Sem 6 5 7/ , 8.83, (d = 3.5 cm), 9.1 Sem / , 9.42, 9.65, Sem / , tentatal Ch. 17 Sem /12 tentatal Lv. Rekommenderade uppgifter (hemstudier, räknestugor) , 14-65, 14-69, 14-90, 1.43, , 3.24, 3.37, 3.45, 3.78, 5.26, , 5.39, 5.69, 5.82, , 7.40, 7.57, 8.15, 8.62, , 8.76, 8.86, 8.94, 9.31, 9.44, , 17-41, , 17-54, 17-61, 7, 8 tentatal Obligatoriska hemuppgifter (deadline för bonus inom parentes) & 5.25 (27/11), 6.77 & 7.41 (6/12), 8.78 (rör av galvaniserat järn) (17/12). 7 3 september 2018, C. Norberg