Теоретические основы теплотехники
| Вид материала | Программа |
- Методические указания к компьютерной лабораторной работе №005мтд, 275.63kb.
- Рабочая программа дисциплины опд. Ф. 07 «Перенос энергии и массы, основы теплотехники, 285.91kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины теоретические основы теплотехники Составлена кафедрой, 143.7kb.
- Рабочая программа дисциплины «теоретические основы теплотехники» Направление подготовки, 554.69kb.
- Рабочая программа по курсу «Теоретические основы теплотехники» для специальности 140106, 167.79kb.
- Методические указания и задания для выполнения домашних контрольных работ, 953.98kb.
- Методические указания к лабораторной работе по курсу "Техническая термодинамика" Иваново, 452.64kb.
- «Теоретические основы налогообложения», 1177.31kb.
- Рабочая программа по дисциплине Теоретические основы электротехники Рекомендуется для, 705.4kb.
- Тематика курсовых работ: по дисциплине «Теоретические основы товароведения и экспертизы», 12.47kb.
РГОТУПС
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ
Раздел ТЕПЛОМАССОБМЕН
Рабочая программа
для студентов IV курса
специальности
140104. ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
МОСКВА-2006
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования на основании примерной учебной программы данной дисциплины в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки инженер - промтеплоэнергетик по специальности 140104 (ПТ).
1. ЦЕЛЬ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Основной целью изучения дисциплины «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ», раздел «ТЕПЛОМАССООБМЕН» является овладение знаниями в области теоретических основ расчета процессов тепломассообмена и использование их в процессе дальнейшего изучения специальных дисциплин согласно учебного плана занятий по данной специальности.
2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ
СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Изучив дисциплину, студент должен:
а) знать основы теории передачи теплоты, массообмена в тепловых расчетах технических устройств, предназначенных для передачи тепла от одних теплоносителей к другим;
в) уметь решать инженерные задачи по реконструкции отдельных узлов теплообменного оборудования с целью повышения надежности и экономичности теплоснабжения потребителей.
З. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
| Вид учебной работы | Всего часов |
| Общая трудоемкость дисциплины | 220 ч |
| Аудиторные занятия: | 36 ч |
| Лекции | 20 ч |
| Лабораторный практикум | 16 ч |
| Самостоятельная работа: | 139 ч |
| Контрольные работы | № 4,5,6 |
| Зачет | 1 |
| Экзамен | 1 |
4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
В в е д е н и е
Предмет курса. Общие понятия. Основные процессы передачи тепла: теплопроводность, конвективный теплообмен, лучистый теплообмен. Теплопередача. Теплоотдача.
4.1. Основные положения теории теплопроводности
Механизм процесса теплопроводности в газах, жидкостях, твердых телах. Температурное поле. Тепловой поток и плотность теплового потока. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности, его зависимость от различных факторов. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности. Краевые условия для процессов теплопроводности. Граничные условия первого, второго, третьего рода. Закон Ньютона - Рихмана для теплоотдачи.
4.1.1Теплопроводность при стационарном режиме
Передача тепла через плоскую стенку. Формула для теплового потока, коэффициента теплопередачи и термического сопротивления и их анализ. Многослойная плоская стенка.
Передача тепла через цилиндрическую стенку. Выражение для теплового потока, его анализ, термическое сопротивление, критический диаметр изоляции. Многослойная цилиндрическая стенка. Коэффициент теплопередачи через многослойную цилиндрическую стенку.
Теплопередача через плоскую оребрённую стенку. Цель оребрения. Теплопроводность при наличии внутренних источников тепла в пластине, цилиндре, трубе.
4.1.2 Теплопроводность при нестационарном режиме.
Основные представления о методах решения задач теплопроводности при нестационарном режиме. Критерии Био и Фурье.
Теплопроводность тонкой стенки, длинного цилиндра, при граничных условиях третьего рода. Анализ решений, частные случаи.
Нагревание (охлаждение) стенки, цилиндра конечной длины. Регулярный тепловой режим нагревания (охлаждения) тел.
4.2. Основные положения конвективного теплообмена. Основы метода подобия и моделирования.
Конвективный теплообмен как совокупность молярного и молекулярного переноса. Естественная и вынужденная конвекция. Теплоотдача. Основные случаи теплоотдачи: теплоотдача в однофазных жидкостях и теплоотдача при фазовых и химических превращениях при вынужденной конвекции.
Основные физические параметры процессов течения и теплоотдачи. Понятие о тепловом пограничном слое. Особенности теплообмена при ламинарном и турбулентном течении жидкости. Температура в турбулентном потоке.
Система дифференциальных уравнений неизотермического течения, уравнения теплоотдачи, энергии, движения и неразрывности. Условия однозначности.
4.2.1 Основы метода подобия и моделирования .
Значение теорем подобия. Приведение уравнений конвективного теплообмена к безразмерному виду. Критерии подобия. Общие условия подобия физических процессов. Свойства подобных процессов. Метод размерностей.
Сущность моделирования Условия подобия процесса в образце и модели.
Осреднение коэффициента теплоотдачи. Осреднение температуры по сечению канала. Осреднение температурного напора по длине канала. Выбор определяющих размеров и температур. Обобщение опытных данных. Получение эмпирических критериальных уравнений.
4.2.2 Теплоотдача при свободном движении жидкости.
Факторы, обусловливающие свободное течение. Распределение температур и скоростей. Характер движения жидкости вдоль стенки, около горизонтальных труб и пластин. Экспериментальные исследования. Расчетные критериальные уравнения.
4.2.3 Теплоотдача при вынужденном продольном омывании плоской поверхности.
Характер вынужденного неизотермического течения вдоль плоской поверхности. Гидродинамический и тепловой пограничные слои. Методы расчета. Факторы, влияющие на режим течения в пограничном слое.
Теплоотдача при ламинарном течении в пограничном слое. Соотношение толщин гидродинамического и теплового пограничных слоев. Влияние физических параметров и температуры поверхности на теплоотдачу. Расчетные критериальные уравнения.
Расчет теплоотдачи при турбулентном пограничном слое на основе гидродинамической теории теплообмена. Область ее применения. Расчетные уравнения.
4.2.4 Теплоотдача при вынужденном поперечном омывании труб и пучков труб
Режимы течения в пограничном слое при поперечном омывании цилиндра и их связь с теплоотдачей. Влияние отрыва пограничного слоя. Характер изменения теплоотдачи по окружности цилиндра при различных условиях омывания. Средняя теплоотдача. Расчетные уравнения. Влияние степени турбулентности набегающего потока и угла атаки.
Основные типы пучков труб. Ламинарное и турбулентное течение жидкости в пучках. Изменение теплоотдачи по окружности трубы. Теплоотдача в зависимости от номера ряда. Влияние степени турбулентности набегающего потока.
Влияние величины относительных шагов. Расчетные уравнения. Сравнение теплоотдачи шахматных и коридорных пучков. Влияние угла атаки.
4.2.5 Конвективный теплообмен при вынужденном течении
жидкости в трубах
Особенности течения и теплообмена в трубах. Участки гидравлической и тепловой стабилизации. Вязкостный и вязкостно -гравитационный режимы течения. Методы расчёта теплоотдачи при стабилизированном течении в трубах.
Теплоотдача при ламинарном и турбулентном режимах течения жидкости в гладких трубах круглого поперечного сечения. Расчетные критериальные уравнения. Переходный режим.
Теплоотдача при течении жидкости в трубах некруглого поперечного сечения и в изогнутых и шероховатых трубах.
Теплоотдача при движении жидкометаллических теплоносителей.
4.2.6 Конвективный тепло- и массообмен в бинарных смесях
Основные наложения. Диффузия. Плотность диффузионного потока массы. Закон Фика. Коэффициент диффузии.
Конвективный массообмен как совокупность молярного и молекулярного переноса вещества. Масооотдача. Плотность потока массы. Массопроводимость и движущая сила массопереноса.
Диффузионный пограничный слой. Система дифференциальных уравнений диффузионного пограничного слоя. Общая форма упрощенных уравнений диффузионного пограничного слоя.
Граничные условия на поверхности раздела фаз. Определение массопроводимости и движущей силы массопереноса. Расчет массопроводимости на основании опытных данных по теплообмену. Расчет движущей силы массопереноса.
4.3. Теплообмен при фазовых превращениях
4.3.1 Теплообмен при конденсации чистого пара
Условия возникновения конденсации пара. Пленочная и капельная конденсация. Термическое сопротивление фазового перехода. Конденсация сухого насыщенного пара на вертикальных стенках; ламинарное и турбулентное течение пленки. Теоретический расчет теплоотдачи при ламинарном течении пленки, поправка на волновое движение пленки.
Конденсация сухого насыщенного пара на горизонтальных трубах и пучках труб. Результаты теоретического расчета теплоотдачи для одиночной трубы. Расчет теплоотдачи при конденсации пара на горизонтальных пучках труб. Теплоотдача при капельной конденсации пара.
Влияние перегрева и влажности пара на коэффициент теплоотдачи.
4.3.2 Теплообмен при кипении жидкости
Условия возникновения кипения. Механизм кипения жидкости; перегрев жидкости и наличие центров парообразования как условия возникновения паровой фазы; образование пузырей пара. Влияние смачиваемости стенки жидкостью, краевой угол.
Рост, отрыв и движение пузырей пара. Минимальный радиус
центра парообразования; число действующих центров парообразования. Характер образования пузыря. Отрывной диаметр. Теплообмен при пузырчатом кипении между стенкой и жидкой фазой, между жидкой и паровой фазами. Условия возникновения пленочного кипения.
Зависимость коэффициента теплоотдачи и плотности теплового потока от температурного напора при кипения в большом объеме для области пузырчатого кипения. Пленочный режим. Первая и вторая критические плотности теплового потока Изменение теплоотдачи и температуры стенки при пленочном режиме.
Зависимость коэффициента теплоотдачи от давления, физических свойств жидкости, состояния поверхности и других факторов при кипении в большом объеме. Метод обобщения опытных данных по теплообмену при пузырчатом кипении. Обобщенные и частные эмпирические зависимости для коэффициента теплоотдачи.
Теплообмен при кипении жидкости в трубах; характер движения парожидкостной смеси в горизонтальных и вертикальных трубах; развитие процесса кипения по длине трубы; зависимость теплоотдачи от скорости циркуляции, объемного паросодержания и плотности теплового потока.
Теплоотдача при кипении жидкости, недогретой до температуры насыщения; распределение температуры жидкости в поперечном сечения канала, протекание процесса.
Зависимость первой и второй критических плотностей теплового потока от различных факторов. Расчет критических тепловых нагрузок.
Механизм пленочного кипения. Расчет теплоотдачи при пленочном кипении жидкости.
4.4. Теплообмен излучением
4.4.1 Основные понятия и законы
Природа теплового излучения. Плотность лучистого потока. Поглощательная, отражательная и пропускная способности тел. Закон Кирхгофа для монохроматического и интегрального излучения.
Распределение энергии в спектре черного тела; законы Вина, Планка. Степень черноты. Абсолютно черное тело. Законы Стефана-Больцмана, Ламберта.
4.4.2 Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой
Расчет теплообмена излучением между телами с плоскопараллельными поверхностями; между телами с плоскопараллельными поверхностями и экраном между ними.
Теплообмен излучением в поглощающей среде . Коэффициент поглощения. Закон Бугера. Излучение и поглощение различных сред. Спектры поглощения многоатомных газов и коэффициенты черноты излучения.
Расчет лучистого теплообмена между излучающей средой и поверхностью твердого тела. Коэффициент лучистого теплообмена.
Сложный теплообмен как совокупность одновременно протекающих процессов теплопроводности, конвекции и излучения.
4.5. Теплообменники
Назначение теплообменников. Их классификация по принципам действия: рекуперативные, регенеративные и смесительные теплообменники. Характерные конструктивные схемы теплообменников. Основные схемы движения теплоносителей в теплообменниках: прямоток, противоток, перекрестный ток и комбинированные схемы. Расчет при конструировании и поверочный расчет.
Основы теплового и гидравлического расчета теплообменников. Уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи. Средний температурный напор. Определение среднего температурного напора для основных схем движения теплоносителей. Сравнение прямотока и противотока. Определение конечной температура теплоносителей. Интенсификация процессов теплопередачи. Особенности методики теплового расчета регенеративных теплообменников. Гидравлическое сопротивление трения и местные сопротивления. Влияние скорости потока. Мощность, необходимая для перемещения теплоносителей.
5. ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
ЛЕКЦИОННЫХ ЗАНЯТИЙ
| Тема | Количество часов |
| 1. Введение. Основы теории теплопроводности при стационарном и нестационарном режимах. 2. Конвективный тепломассообмен. Естественная и вынужденная конвекция. Критериальные уравнения. З. Теплообмен при фазовых превращениях. 4. Теплообмен излучением. Основные законы и расчетные формулы. 5. Теплообменники и основы их расчета. | 4 4 4 4 4 |
| Всего | 20 |
6. ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
| Тема | Количество часов |
| 1. Определение коэффициента теплопроводности воздуха методом нагретой нити. 2. Определение коэффициента теплопроводности изоляционного материала методом трубы. З. Определение теплофизических свойств твердых тел методом регулярного теплового режима. 4. Исследование процесса конвективной теплоотдачи при свободном движении воздуха около горизонтальной или вертикальной трубы. 5. Исследование процесса теплоотдачи конвекцией при вынужденном движения воздуха в трубе. 6. Определение коэффициента лучеиспускания твердого серого тела и степени его черноты. | 4 4 4 4 4 |
| Всего | 16 |
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
7.1. Рекомендуемая литература
Основная литература
1. Теплотехника /Под редакцией Архарова В., Афанасьева. - М., 2005.
Дополнительная литература
6. Бендерский Б.Я. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: РХД. 2007 г.
7. Теплотехника: Учебник для вузов. Луканин В.Н., Шатров М.Г., Камфер Г.М., ред . В.Н.Луканин. – М. : Высш. шк., 2000. – 671 с.
I. Исаченко В. П. , Осипова В. А. , Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергоиздат. 1991. 416 с.
2. Карминский В.Д. Техническая термодинамика и теплопередача. Курс лекций для ВУЗов ж.д. транспорта. М.: Маршрут. 2005 г.
3. Мухачёв Г.Н., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа. 1991 г.
4. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. Едиториал УРСС. 2003 г.
5. Краснощеков К. А. , Сукомел А. С.. Задачник по теплопередаче. М.: Энергия. 1980. 228 с.
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
Лабораторные установки лаборатории теоретических основ теплотехники.