MMVF01 Termodynamik och strömningslära 11 hp

Institutionen för Energivetenskaper MMVF01 Termodynamik och strömningslära 11 hp Kursinformation hösten 2013 augusti 2013

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-, differential- och 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, storgruppsövningar (seminarier), gruppvisa räknestugor, en laboration samt obligatoriska, individuella hemuppgifter. Teoriavsnitt och viss problemlösning examineras via två korta prov (duggor), mot slutet av resp. läsperiod. Under början av andra läsperioden erbjuds ett kortare studiebesök vid Öresundsverket i Malmö. Kursen avslutas med skriftlig tentamen, vilken främst avser problemlösning. KURSLITTERATUR Y. A. Çengel & M. A. Boles, Thermodynamics An Engineering Approach, Seventh Edition in SI Units, McGraw-Hill (2011) samt 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. Laborations-PM finns på kursens hemsida. EXAMINATION Examinator. Kursens examinator är universitetslektor, docent Christoffer Norberg (tel. 046-2228606, e-post Christoffer.Norberg@energy.lth.se). Individuella hemuppgifter. Hemuppgifter väljs ur kurslitteraturen. 1 Institutionens personal rättar och godkänner uppgifterna. Felaktiga, ofullständiga eller uppenbart o- tydliga 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 1 Uppgifter med udda nummer i Young et al. finns i Appendix L; nås via länk på kursens hemsida. 1

skall anges. Lösningar över flera sidor bör häftas ihop. Undvik fransade bladkanter! Namn och inskrivningsår (ex. M12) 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, fredag 13/12-2013 utdelas dessutom 0.5 poäng i bonus. Bonuspoäng gäller fram till nästföljande kursstart. Följande hemuppgifter är obligatoriska (deadlines för bonus inom parentes): 4-77 & 5-132 (ons 25/9), 6-138 & 7-149 (tor 3/10), 8-62 (ons 9/10), 9-53 (tor 31/10), OBS! ideal gas med varierande c p och c v 14-79 & 5.36 (tor 21/11), 6.77 & 7.28 (tor 28/11), 8.76 (tor 5/12). 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. 1 13 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 luftkonditionering och grundläggande strömningslära (Ch. 14 och 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. Prov 1: onsdag 16 oktober 2013, 8:10 10:00 Prov 2: tisdag 10 december 2013, 8:30 10:00 Tentamen. En skriftlig tentamen avslutar kursen. Skrivtiden är 5 timmar. Tentamen består av fyra problem om vardera 10 poäng. Problem inom termodynamik är väsentligenkoppladetillch.7 11ochCh.13 14iÇengel &Boles,inomströmningsläratillför denna del alla ingående kapitel (främst CH. 5 9 i Young et al. samt Ch. 17-3 i Çengel & Boles). För godkänt resultat krävs minst 19 poäng inklusive ev. bonus. Vid tentamen får räknedosa, matematiska tabeller, TEFYMA, föreläsningsanteckningar, kopior av föreläsningsmaterial, formelblad i termodynamik samt häftena TERMODYNAMIK SAMMANFATTNINGAR M.M. och FORMELSAMLING till kursboken i strömningslära användas. Egna kompletteringar i form av formler, diagram och kortfattade kommentarer får förekomma i dessa häften. Lösta exempel eller skisser på lösningar av typiska problem får ej förekomma vid tentamen. Ordinarie tentamen: onsdag 18 december 2013, kl. 14:00 19:00 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). För betyg 4 (fyra) krävs totalt minst 25.0 poäng, för betyg 5 (fem) minst 33.0 poäng. 2

FÖRELÄSNINGAR, ÖVNINGAR OCH RÄKNESTUGOR Christoffer Norberg föreläser kursen. Problemlösning vid storgruppsövningar (seminarier) leds av Hedvig Paradis och Helgi S. Fridriksson; räknestugor leds av gruppledare, enligt följande: Grupp 1: Helgi Skuli Fridriksson (046-2224572), Helgi.Fridriksson@energy.lth.se Grupp 2: Maria Navasa, (046-2224105) Maria.Navasa@energy.lth.se Grupp 3: Erik Johansson (046-2223907) Erik.Johansson@energy.lth.se Grupp 4: Henrik Hofgren (046-2223907) Henrik.Hofgren@energy.lth.se Grupp 5: Hedvig Paradis (046-2224043) Hedvig.Paradis@energy.lth.se Grupp 6 (MD2): Martin Andersson (046-2224908), Martin.Andersson@energy.lth.se Vid räknestugor sker individuell träning i problemlösning med möjlighet till assistans av gruppledare. Indelning i grupper utifrån labgrupper: Grupp 1 2 3 4 5 6 Labgrupp M2.01-04 M2.05-08 M2.09-12 M2.13-16 M2.17-20 MD2 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 5 6 timmar inkl. förberedelser och redovisning. Lab-PM finns på kursens hemsida, www.energy.lth.se > Utbildning > Kurser > Maskinteknik > MM- VF01 Termodynamik och strömningslära. Labgrupper bildas i läsvecka 1, HT1; läggs därefter ut på kursens hemsida. Sjukanmälan görs till sekreterare Kerstin Nilsson (046-2227665, Kerstin.Nilsson@fysik.lth.se). ADMINISTRATION Kursen administreras av Inst. för energivetenskaper. Kurssekreterare är Gunvi Andersson (046-2228610, Gunvi.Andersson@energy.lth.se), tjänsterum 5:e vån, M-huset (norra delen, rum 5118). 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

KAPITELÖVERSIKT Termodynamik Ch. Anm. Çengel & Boles 1 Grundläggande begrepp 1-9 /10 /11, s. 35 37 utgår 2 Energi, energiutbyte, allmän energianalys s. 80 (rad 23) 82 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 10 Ång- och kombinerade cykler 10-6 /7 /9, 10-8 & TSI-10 utgår 11 Kylprocesser, köldmedier 11-5 /7 /8, 11-9/10 utgår, TSI-11 12 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 2.4 2.5, 2.7 2.12 förutom 2.11.1 utgår 3 Bernoullis ekvation 3.7 4 Kinematik Ex. 4.3 utgår 5 Integralanalys 5.2.4, 5.2.3, Ex. 5.11, 5.3.4 utgår 6 Differentialanalys 6.4.2 6.7 utgår, 6.10 7 Dimensionsanalys och likformighet 7.9.3 utgår 8 Rörströmning 8.3.2, Ex. 8.9, 8.5.2 utgår, 8.6 9 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. 4

DETALJSCHEMA: hösttermin, läsperiod 1 (HT1) Föreläsningar och storgruppsövningar (seminarier): Lv. Aktivitet Innehåll Tid Sal Lärare 1 Fö 1 Ch. 1 tis 3/9, 8 10 MA06 CN Fö 2 Ch. 2/3 ons 4/9, 10 12 MA06 CN Fö 3 Ch. 3/4 fre 6/9, 8 10 M:A CN 2 Stgö 1 Ch. 3 tis 10/9, 8 10 MA06 HP Fö 4 Ch. 4/5 ons 11/9, 10 12 MA06 CN Fö 5 Ch. 5/6 fre 13/9, 8 10 M:A CN 3 Stgö 2 Ch. 4 tis 17/9, 8 10 MA06 HP Fö 6 Ch. 6/7 ons 18/9, 10 12 MA06 CN Fö 7 Ch. 7 fre 20/9, 8 10 M:A CN Stgö 3 Ch. 5 fre 20/9, 13 15 E:A CN 4 Stgö 4 Ch. 6/7 tis 24/9, 8 10 MA06 HP Fö 8 Ch. 7/8 ons 25/9, 10 12 MA06 CN Fö 9 Ch. 8 fre 27/9, 8 10 M:A CN 5 Stgö 5 Ch. 7/8 tis 1/10, 8 10 MA06 HP Fö 10 Ch. 9 ons 2/10, 10 12 MA06 CN Fö 11 Ch. 9 fre 4/10, 8 10 M:A CN 6 Stgö 6 Ch. 9/10 tis 8/10, 8 10 MA06 HP Fö 12 Ch. 10/12 ons 9/10, 10 12 MA06 CN Fö 13 Ch. 12/16/11 ons 9/10, 15 17 M:A CN Fö 14 Ch. 11/13 fre 11/10, 8 10 M:A CN 7 Stgö 7 Ch. 7/8 (rep.) tis 15/10, 8 10 MA06 HP Fö 15 Ch. 14 + teori tis 15/10, 15 17 M:A CN Prov 1 teori+problem ons 16/10, 8:10 10:00 MA10:A-H CN Stgö 8 Ch. 10/11/13 fre 18/10, 8 10 M:A HP Endast M2; Stgö 3 för MD2 sker tors 19/9, kl. 15 17, sal M:D Lv. = Läsvecka; Ch. = KapiteliÇengel & Boles; Fö =Föreläsning; Stgö=Storgruppsövning CN = Christoffer Norberg; HF = Helgi Fredriksen; HP = Hedvig Paradis Räknestugor: Se kursens hemsida alt. LTH:s schemagenerator (TimeEdit)! 5

DETALJSCHEMA: hösttermin, läsperiod 2 (HT2) Föreläsningar och storgruppsövningar (seminarier): Lv. Aktivitet Innehåll Tid Sal Lärare 1 Fö 1 Ch. 14, CH. 1/2 mån 28/10, 13 15 M:A CN Fö 2 Ch. 3 tis 29/10, 8 10 M:A CN Stgö 1 Ch. 14, CH. 1/2/3 fre 1/11, 8 10 M:A HF 2 Fö 3 Ch. 3/4 mån 4/11, 13 15 M:A CN Fö 4 CH. 4/5 tis 5/11, 8 10 MA07 CN Stgö 2 CH. 3/4/5 fre 8/11, 8 10 M:A HF 3 Fö 5 CH. 5/6 mån 11/11, 13 15 M:A CN Fö 6 CH. 6 tis 12/11, 8 10 M:A CN Stgö 3 CH. 5 fre 15/11, 8 10 M:A HF 4 Fö 7 CH. 7 mån 18/11, 13 15 M:A CN Stgö 4 CH. 6/7 tis 19/11, 8 10 M:A HF Fö 8 CH. 7/8 tor 21/11, 8 10 M:A CN Fö 9 CH. 8/9 fre 22/11, 8 10 M:A CN 5 Fö 10 CH. 9 mån 25/11, 13 15 M:A CN Stgö 5 CH. 8 tis 26/11, 8 10 M:A HF Fö 11 CH. 9 tor 28/11, 8 10 M:A CN Stgö 6 CH. 8/9 fre 29/11, 8 10 M:A HF 6 Fö 12 Ch. 17 mån 2/12, 13 15 M:A CN Stgö 7 CH. 9/Ch. 17 tis 3/12, 8 10 M:A HF Fö 13 Teorifrågor tor 5/12, 8 10 M:A CN Stgö 8 Ch. 17 fre 6/12, 8 10 M:A HF 7 Prov 2 Teori tis 10/12, 8:30 10:00 Sparta:A-D CN Stgö 9 Tentatal tor 12/12, 8 10 M:A HF 8 Tentamen Problemlösning ons 18/12, 14 19 MA10:A-G 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 tis 29/10 13 17 M2.03-04 ons 30/10 15 19 M2.01-02 tor 31/10 15 19 MD2.01-02 2 mån 4/11 15 19 M2.13-14 tis 5/11 15 19 M2.11-12 ons 6/11 8 12 M2.15-16 ons 6/11 15 19 M2.05-06 tor 7/11 15 19 M2.07-08 3 tis 12/11 15 19 M2.09-10 ons 13/11 8 12 M2.17-18 4 ons 20/11 8 12 M2.19-20 ons 20/11 15 19 MD2.03-04 Studiebesök: Studiebesök vid Öresundsverket i Malmö genomförs under Lv. 2 och 3. Anmälningslistor 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. 6

DETALJPLAN PROBLEMLÖSNING Svarslistor samt översättningslistor mellan upplagor finns på kursens hemsida! Hösttermin, läsperiod 1 - HT1 Aktivitet Lv. Datum Uppgifter Stgö 1 2 10/9 3-23, 3-130, 3-77 Stgö 2 3 17/9 4-22, 4-35, 4-132 Stgö 3 3 19/9 (MD), 20/9 (M) 5-33, 5-48, 5-81, 5-115 Stgö 4 4 24/9 6-55, 6-132, 7-84, 7-125 Stgö 5 5 1/10 7-155, 8-79, 8-114 Stgö 6 6 8/10 9-50, 9-82, 10-19 Stgö 7 7 15/10 8-124, 8-125, tidigare duggaproblem Stgö 8 7 18/10 10-77, 11-16, 13-64 Lv. Rekommenderade uppgifter (hemstudier, räknestugor) 1 2-27, 2-43, 2-120, 2-123, 3-134 2 3-26, 3-54, 3-70, 3-91, 3-116, 3-117 3 4-6, 4-29, 4-40, 4-72, 4-137, 5-28, 5-46 4 5-63, 5-72, 6-54, 6-78, 6-93, 6-102, 6-130 5 7-65, 7-77, 7-121, 7-135, 7-150, 7-192, 8-38 6 8-55, 8-82, 8-98, 9-149, 9-71, 9-89 7 10-17, 10-20, 11-13, 11-30, 13-32 Obligatoriska hemuppgifter (deadline för bonus inom parentes) 4-77 & 5-132 (25/9), 6-138 & 7-149 (3/10), 8-62 (9/10), 9-53 (31/10). OBS! 4-77, 9-53: ideal gas med varierande c p och c v Hösttermin, läsperiod 2 - HT2 Aktivitet Lv. Datum Uppgifter Stgö 1 1 1/11 14-80, 14-128, 1.48, 2.33, 3.60 Stgö 2 2 8/11 3.77, 4.18, 5.24, 5.27 Stgö 3 3 15/11 5.47, 5.91, 5.93, 5.95 Stgö 4 4 19/11 6.73, 7.10, 7.45 Stgö 5 5 26/11 8.29, 8.44, 8.75 (ǫ = 0.045 mm) Stgö 6 5 30/11 8.62, 8.83, 8.98, 9.1 Stgö 7 6 3/12 9.33, 9.42, 9.65, 17-120 Stgö 8 6 6/12 17-122, Tentatal Ch. 17 Stgö 9 7 12/12 Tentatal Lv. Rekommenderade uppgifter (hemstudier, räknestugor) 1 13-55, 14-37, 14-74, 14-81, 1.43, 1.49 2 2.30, 3.24, 3.37, 3.45, 3.78, 5.25, 5.26 3 5.35, 5.39, 5.69, 5.82, 6.81 4 7.5, 7.40, 7.57, 8.15, 8.65 5 8.69, 8.86, 8.94, 9.31, 9.44, 9.68 6 9.70, 17-42, 17-54, 17-55, 17-112 7 tentatal Obligatoriska hemuppgifter (deadline för bonus inom parentes) 14-79 & 5.36 (21/11), 6.77 & 7.28 (28/11), 8.76 (5/12). 30 augusti 2013, C. Norberg 7