Скачать 223.49 Kb.
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ (ИПЭЭф) ___________________________________________________________________________________________________________ Направление подготовки: 140100 Теплоэнергетика и теплотехника Профили подготовки: Промышленная теплоэнергетика; Энергетика теплотехнологии; Энергообеспечение предприятий; Автономные энергетические системы; Экономика и управление на предприятии теплоэнергетики Квалификация (степень) выпускника: бакалавр Форма обучения: очная РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ "ТЕПЛОМАССООБМЕН"
Москва - 2010 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Целью дисциплины является освоение обучающимися основ теории тепло- и массообмена как базовой дисциплины для изучения большинства дисциплин профессионального цикла, понимание обучающимися процессов переноса теплоты и массы протекающих в природе, в технологических процессах и технологических установках, привитие технического взгляда на окружающий мир, технического образа мышления. По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:
Задачами дисциплины являются:
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО Дисциплина относится к базовой части профессионального цикла Б.3 основной образовательной программы подготовки бакалавров по профилям "Тепловые электрические станции", "Технология воды и топлива на тепловых и атомных электрических станциях", " Автоматизация технологических процессов в теплоэнергетике", направления 140100 Теплоэнергетика и теплотехника. Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: "Математика", "Физика", "Теоретическая механика", "Динамика и прочность машин", "Техническая термодинамика", "Гидрогазодинамика", "Информационные технологии", "Численные методы моделирования. Прикладное программирование " , "Начертательная геометрия. Инженерная графика", Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении бакалаврской выпускной квалификационной работы и изучении большинства дисциплин профессионального цикла всех профилей ("Метрология, теплотехнические измерения. Теория автоматического управления", "Котельные установки и парогенераторы", "Ядерные энергетические установки", "Турбины ТЭС и АЭС", "Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологии", "Основы теории горения", "Схемы, оборудование и эксплуатация энергетических установок", "Технологические процессы и производства", "Основы централизованного теплоснабжения", "Тепломеханическое и вспомогательное оборудование электростанций", "Физико-химические процессы в энергетике", "Режимы работы и эксплуатация ТЭС" и др.), а также при реализации программ магистерской подготовки. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования: Знать:
Уметь:
Владеть:
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 4.1 Структура дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 11 зачетных единиц, 396 часов.
4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения 4.2.1. Лекции 4 семестр1. Введение в тепломассообмен. Способы переноса теплоты. Основные определения, терминология Способы тепло- и массопереноса: теплопроводность, конвекция, излучение, диффузия. Феноменологический метод изучения явлений тепло- и массообмена. Определение основных понятий: температурное поле, градиент температуры, тепловой поток, плотность теплового потока. Вектор плотности теплового потока. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности газов, жидкостей и твёрдых тел. Тепловое взаимодействие потока жидкости с обтекаемой поверхностью твердого тела. Закон Ньютона-Рихмана. Теплопередача. 2. Одномерные стационарные задачи теплопроводности Дифференциальное уравнение теплопроводности. Условия однозначности. Коэффициент температуропроводности. Перенос теплоты в плоской стенке при постоянном и переменном коэффициенте теплопроводности. Теплопередача через однослойную и многослойную плоскую стенку. Термические сопротивления. Коэффициент теплопередачи. Перенос теплоты в цилиндрической стенке при постоянном и переменном коэффициенте теплопроводности. Теплопередача через однослойную и многослойную цилиндрическую стенку. Критический диаметр тепловой изоляции. Выбор эффективной изоляции по её критическому диаметру. Температурное поле при наличии в теле источников теплоты (пластина, цилиндрический стержень). Оребрение поверхности нагрева как способ интенсификации процесса теплопередачи. Теплопередача через оребрённую стенку. Коэффициент эффективности ребра. Перенос теплоты по стержню (ребру). Тепловой поток с поверхности стержня (ребра).
Нестационарные задачи теплопроводности. Метод разделения переменных решения линейного уравнения теплопроводности (Фурье). Безразмерная форма задачи о нестационарном температурном поле в охлаждаемой пластине. Число Био. Безразмерное время (число Фурье). Температурное поле в процессе охлаждения (нагревания) бесконечно длинного цилиндра и некоторых тел конечных размеров. Задача об охлаждении (нагревании) полуограниченного тела как модель начального периода нестационарной теплопроводности тела произвольной формы. Регулярный режим охлаждения. Определение теплофизических свойств материалов методом регулярного режима. Теоремы Кондратьева.
Итеративные и вариативные методы решения дифференциальных уравнений математической физики; метод конечных разностей и метод конечных элементов. Метод контрольного объёма (Патанкар) применительно к решению одномерных стационарных и нестационарных задач теплопроводности.
Математическое описание процесса конвективного теплообмена: дифференциальные уравнения энергии, движения, неразрывности. Условия однозначности, уравнение теплоотдачи. Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена в приближении пограничного слоя Безразмерный вид математического описания конвективного теплообмена. Безразмерные комплексы: число Рейнольдса, число Грасгофа, число Релея, число Нуссельта. Физические свойства жидкостей и газов, существенные для процесса конвективного теплообмена. Классификация теплоносителей по числу Прандтля. Экспериментальное изучение процессов конвективного теплообмена. Тепловое моделирование. Элементы теории подобия и размерности. Пи – теорема. Турбулентность. Рейнольдсовы преобразования дифференциальных уравнений конвективного теплообмена. Турбулентная теплопроводность. Турбулентная вязкость. Турбулентное число Прандтля.
Теплообмен и сопротивление при ламинарном и турбулентном пограничном слое на пластине. Задачи Блазиуса и Польгаузена. Аналогия Рейнольдса. Теплообмен при вынужденном внешнем обтекании трубы и пучка труб. Теплоотдача при свободном движении жидкости около тел (пластина, труба), находящихся в неограниченном объёме жидкости. Свободная конвекция в ограниченном объёме (щели, зазоры).
Теплообмен при движении теплоносителей в трубах и каналах. Первое начало термодинамики для течения в трубах. Местный и средний коэффициенты теплоотдачи. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении в трубе. Вязкостный и вязкостно-гравитационный режимы. Турбулентное движение в трубах. Формулы Михеева и Петухова. Интеграл Лайона Теплоотдача при течении жидких металлов. Теплообмен сжимаемого газа. Теплообмен при сверх критическом состоянии жидкостей. Интенсификация конвективного теплообмена при течении теплоносителя в трубах и каналах. 5 семестр
Теплообмен при конденсации пара. Плёночная и капельная конденсация. Теория Нуссельта. Поправочные коэффициенты к теории Нуссельта по Д.А. Лабунцову (на волновое течение и переменность физических свойств конденсата). Турбулентное течение плёнки конденсата – расчёт коэффициента теплоотдачи (формула Лабунцова). Влияние скорости пара, состояния поверхности, влажности и перегрева пара, примесей воздуха в паре. Теплообмен при кипении жидкостей. Кривая кипения. Пузырьковое и плёночное кипение. Критический радиус пузырька. Скорость роста пузырька. Отрывной диаметр пузырька. Частота отрыва пузырьков. Расчёт коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении в большом объёме. Критические тепловые нагрузки при кипении. Теплоотдача при плёночном кипении. Кипение в трубах. Режим течения парожидкостной смеси. Гидродинамика и теплообмен при кипении в трубах. Кризисы теплоотдачи первого и второго рода. Расчёт коэффициентов запаса до кризиса.
Классификация теплообменных аппаратов. Уравнения теплового баланса и теплопередачи. Среднелогарифмический температурный напор. Прямоток, противоток, сложные схемы движения теплоносителей. Конструкторский и поверочный тепловые расчеты рекуперативного теплообменника. Сравнение прямотока и противотока. Гидравлическое сопротивление теплообменных аппаратов. Понятие о расчёте смесительных теплообменников и о расчёте регенеративных теплообменных аппаратов.
Физическая природа теплового излучения. Классификация потоков излучения. Формула Поляка. Интегральные и спектральные характеристики энергии излучения: поток, плотность потока и интенсивность излучения. Излучение реальных тел, идеальные тела. Законы излучения абсолютно черного тела. Законы Ламберта, Кирхгофа, понятие диффузной поверхности излучения и серого тела. Лучистый теплообмен в замкнутой системе серых тел, разделенных диатермичной средой. Угловые коэффициенты излучения. Лучистый теплообмен между двумя безграничными пластинами; телом и оболочкой; экранирование излучения. Теоретические основы современных зональных методов расчёта теплообмена излучением. Интегральные уравнения излучения.
Приближенный расчет лучистого теплообмена в замкнутой системе тел, разделенных излучающе-поглощающей средой (серое приближение). Расчёт теплообмена в системе типа «газ в оболочке». Закон Бугера. Определение поглощательной способности и степени черноты среды (продуктов сгорания). Эффективная длина луча. Понятие о методах расчёта сложного теплообмена (радиационно-кондуктивного и радиационно-конвективного).
Концентрационная диффузия (массы). Вектор плотности потока массы. Закон Фика. Коэффициент диффузии. Термо и бародиффузия. Дифференциальные уравнения совместных процессов массо- и теплообмена. Диффузионный пограничный слой. Аналогия процессов массо- и теплообмена. Диффузионные аналоги чисел Нуссельта и Прандтля. Соотношения материального и энергетического баланса для межфазной границы. Случай полупроницаемой межфазной границы. Формула Стефана. Стефанов поток. Массо- и теплообмен при испарении в парогазовую среду. Адиабатное испарение. Массо- и теплообмен при конденсации пара из парогазовой смеси. 4.2.2. Практические занятия 4 семестр
5 семестр
4.3. Лабораторные работы 4 семестр№1. Методы стационарной теплопроводности – 3 работы; №2. Методы нестационарной теплопроводности – 2 работы; №3. Теплоотдача при свободной конвекции жидкости – 2 работы; №4. Теплоотдача при вынужденной конвекции жидкости – 4 работы. 5 семестр№1. Теплоотдача при конденсации водяного пара – 1 работа; №2. Теплоотдача при кипении жидкостей в большом объёме – 2 работы; №3. Исследование теплообмена излучением – 2 работы; №4. Испытание рекуперативного теплообменника – 1 работа. 4.4. Расчетные задания 4 семестрРасчет стационарных и нестационарных полей температуры, тепловых потоков в телах простой геометрической формы. Расчет теплопередачи через гладкие и оребрённые поверхности. Расчет теплоотдачи в условиях вешней и внутренней задач теплообмена применительно к телам простой геометрической формы.5 семестрРасчёт теплоотдачи при фазовых превращениях теплоносителя. Расчет теплообменных аппаратов. Расчет теплообмена излучением в системе тел, разделенных диатермичной и поглощающей средами. Задачи массообмена. 4.5. Курсовые проекты и курсовые работы Курсовой проект (курсовая работа) учебным планом не предусмотрен. 5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Лекционные занятия проводятся как в традиционной форме, так и с использованием презентаций на базе математического пакета MathCad. Практические занятия проводятся в традиционной форме, но с использованием пакета MathCad, позволяющего провести исследование поведения решения задачи при изменении заданных входных параметров, а также расширить круг решаемых задач. Лабораторные занятия. В лаборатории тепломассообмена студенты наряду с работой на физических лабораторных стендах выполняют ряд работ на математических моделях изучаемых процессов. Самостоятельная работа студентов включает в себя подготовку к лекциям, практическим и лабораторным занятиям, выполнение расчетных заданий и подготовку к их защите, подготовку к тестам и контрольным работам, зачетам и экзаменам. 6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Для текущего контроля успеваемости используются: устный опрос, контрольные работы, тестирование, защита расчетных заданий. Промежуточная аттестация проводится в конце каждого семестра в виде дифференцированного зачета и экзамена. Оценка освоения дисциплины. Оценка на зачете определяется как 0,4х(среднеарифметическая оценка оценок устного опроса, тестирования и контрольных работ, защит лабораторных работ)+0,6х(оценка защиты расчетного задания). Оценка на экзамене складывается из оценок ответа студента на вопросы билета; весовой коэффициент теоретических вопросов 0,25, решения задачи – 0,5. Аттестация по дисциплине – экзамены в 4 и 5 семестрах. В приложение к диплому вносится оценка за 5 семестр. 7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 7.1. Литература: а) основная литература: 1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с. 2. Цветков Ф.Ф., Керимов Р.В., Величко В.И. Задачник по тепломассообмену. – М.: МЭИ, 2009. – 136 с. 3. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов. – М.: Издательство МЭИ, 2008. – 550 с., ил. б) дополнительная литература: 1. Галин Н.М., Кириллов П.Л. Тепломассообмен (в ядерной энергетике). – М.: Энергоатомиздат, 1987. 2. Краснощёков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. – М.: Энергия, 1980. 3. Практикум по теплопередаче: Учебное пособие для вузов / А.П. Солодов, Ф.Ф. Цветков, А.В. Елисеев, В.А. Осипова. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 296 с. 7.2. Электронные образовательные ресурсы: а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы: www.trie.ru; www.exponenta.ru. б) другие: 8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие лекционной аудитории, оборудованной мультимедийными средствами для представления презентаций лекций, компьютером с установленным лицензионным программным обеспечением (в частности, MS-Office, MathCad15), Web-камерой и доступом в Интернет. Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 140100 – Теплоэнергетика и теплотехника для профилей: Тепловые электрические станции; Технология воды и топлива на тепловых и атомных электрических станциях; Автоматизация технологических процессов в теплоэнергетике; ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ: к.т.н., доцент В.Ю. Демьяненко "СОГЛАСОВАНО": Директор ИПЭЭф д.т.н., член-кор. РАН А.В. Клименко "УТВЕРЖДАЮ": Зав. кафедрой ТОТ им. М.П.Вукаловича к.т.н., профессор А.А. Сухих |