Цель и задачи дисциплины
Целью и задачами курса является глубокое и всестороннее усвоение закономерностей, описывающих процессы тепломассообмена в твердых, жидких и газообразных средах путем теплопроводности, конвекции и излучения, что способствует изучению других дисциплин и предопределяет в дальнейшем успешную деятельность специалиста при решении конкретных задач в области теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Изучение материала базируется на знании студентами курсов физики, гидрогазодинамики, технической термодинамики, высшей математики – особенно основ дифференциального и интегрального исчисления, векторного анализа, уравнений математической физики.
Требования к уровню освоения дисциплины
В результате изучения курса студент должен знать основы аналитической теории теплопроводности, теоретический и экспериментальный методы исследования конвективного тепломассообмена, отдельные задачи конвективного теплообмена, теплообмен излучением, тепловой, гидродинамический и экономический расчеты теплообменников, основы массообмена; понимать сущность различных способов переноса тепла и массы, уметь анализировать тепловые процессы и на этой основе осуществлять приемлемую схематизацию различных процессов переноса тепла и массы, иметь представления о современных проблемах тепломассообмена.
Студент должен уметь пользоваться справочной литературой по тепломассообмену, выполнять расчеты, связанные с использованием теоретических положений в конкретных задачах, в том числе с применением ЭВМ, а в лабораторном практикуме получить навыки теплотехнического эксперимента с соблюдением техники безопасности.
Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы | Всего часов | Семестр 4 | Семестр 5 |
Общая трудоемкость дисциплины | 150 | 50 | 100 |
Аудиторные занятия | 102 | 34 | 68 |
Лекции (Л) | 51 | 17 | 34 |
Практические занятия (ПЗ) | 17 | 17 | – |
Лабораторные работы (ЛР) | 34 | – | 34 |
Самостоятельная работа (СР) | 48 | 16 | 32 |
Вид итогового контроля | зачет | экзамен |
Содержание дисциплины
Разделы дисциплины и виды занятий
№ п/п | Тематический план | Л | ПЗ | ЛР |
1 | Введение. Основные понятия и определения тепломассообмена | 1 | – | – |
2 | Основные положения теории теплопроводности. | 3 | – | – |
3 | Теплопроводность при стационарном режиме | 6 | 6 | 3 |
4 | Теплопроводность при нестационарном режиме | 4 | 4 | 3 |
5 | Основные положения конвективного теплообмена | 2 | – | – |
6 | Основные положения теории подобия и моделирования | 4 | – | – |
7 | Отдельные задачи конвективного теплообмена (при вынужденном продольном омывании тонкой пластины, при движении жидкости внутри труб и каналов, при поперечном омывании труб и пучков, свободная конвекция) | 12 | 6 | 8 |
8 | Теплообмен при фазовых превращениях (конденсации и кипения) | 5 | – | 6 |
9 | Тепломассообмен в двухкомпонентных средах | 3 | 1 | – |
10 | Теплообмен излучением | 6 | – | 8 |
11 | Теплообменные аппараты | 3 | – | 6 |
12 | Экспериментальные методы исследования тепломассообмена | 2 | – | – |
Содержание разделов дисциплины
Введение. Основные понятия и положения тепломассообмена.
Определение тепломассообмена как науки. Значение курса для специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция». Связь с другими науками. Основные способы переноса теплоты и массы: теплопроводность, конвекция, излучение, различные виды диффузии. Сложный тепломассообмен: конвективный тепломассообмен, радиационно-кондуктивный и радиационно – конвективный теплообмен, тепло - и массоотдача, теплопередача. Феноменологический метод исследования процессов тепломассообмена. Современные проблемы тепломассообмена в теплоэнергетических установках.
Определение теплопроводности, температурное поле, температурный градиент, виды тепловых потоков. Гипотеза Био-Фурье – основной закон теплопроводности, коэффициент теплопроводности и его зависимость от различных факторов. Механизм процесса теплопроводности в металлах и сплавах, твердых телах - неметаллах, в жидкостях и газах.
Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности. Условия однозначности для процессов теплопроводности: геометрические, физические, начальные и граничные условия первого, второго, третьего и четвертого рода. Уравнение Ньютона-Рихмана.
Теплопроводность при стационарном режиме.
Теплопроводность плоской однослойной и многослойной стенки при граничных условиях первого рода. Термическое сопротивление теплопроводности плоской стенки, эквивалентный коэффициент теплопроводности. Теплопроводность плоской однослойной и многослойной стенки при граничных условиях третьего рода. Термическое сопротивление теплоотдачи для плоской стенки. Полное термическое сопротивление и коэффициент теплопередачи для плоской стенки.
Теплопроводность однослойной и многослойной цилиндрической стенки при граничных условиях первого рода. Линейная плотность теплового потока, линейное термическое сопротивление теплопроводности цилиндрической стенки. Теплопроводность однослойной и многослойной цилиндрической стенки при граничных условиях третьего рода. Термическое сопротивление теплоотдачи для цилиндрической стенки. Полное линейное термическое сопротивление и линейный коэффициент теплопередачи для цилиндрической стенки. Критический диаметр изоляции, его значение для выбора тепловой изоляции трубопроводов.
Теплопроводность и теплопередача через тонкие стенки произвольной геометрической формы.
Теплопроводность вдоль прямого стержня постоянного поперечного сечения. Применение ребристой поверхности – один из способов интенсификации теплопередачи. Разновидности ребристых стенок и профилей ребер. Коэффициент эффективности работы ребра. Теплопередача через ребристую стенку с прямыми ребрами. Коэффициент оребрения.
Теплопроводность плоской стенки и круглого стержня с внутренними источниками тепла: распределение температуры, выражение для теплового потока.
Теплопроводность при нестационарном режиме.
Нестационарное температурное поле, нестационарный процесс теплопроводности. Переходные и периодические процессы. Общая характеристика нестационарных процессов теплопроводности. Методы решения дифференциального уравнения теплопроводности. Охлаждение (нагревание) бесконечной пластины при граничных условиях третьего рода. Решение в безразмерном виде. Числа Bi и Fo. Анализ полученного решения, частные случаи (Bi = 0 и Bi = ∞ ). Определение количества тепла, отданного (полученного) пластиной в процессе охлаждения (нагревания). Номограммы для расчета температуры и количества теплоты.
Охлаждение (нагревание) бесконечного цилиндра при граничных условиях третьего рода, определение количества теплоты, отданного (или полученного) цилиндром в процессе охлаждения (или нагревания).
Охлаждение (нагревание) составных тел. Теорема о перемножении решений. Охлаждение (нагревание) тел произвольной формы с малым числом Био. Регулярный тепловой режим охлаждения (нагревания) тел. Темп охлаждения, первая и вторая теоремы Кондратьева.
5.Основные положения конвективного теплообмена.
Определение конвекции, вынужденное и свободное движение жидкости, основное уравнение конвекции. Конвективный теплообмен, основное уравнение конвективного теплообмена. Теплоотдача, уравнение Ньютона-Рихмана, коэффициент теплоотдачи. Факторы, влияющие на коэффициент теплоотдачи. Физические свойства жидкости, существенные для процесса теплоотдачи. Закон Ньютона для вязких жидкостей. Установившееся и неустановившееся движение жидкости, основные характеристики потока жидкости, ламинарный и турбулентный режимы, пульсации температуры и скорости в турбулентном потоке. Механизм переноса тепла в ламинарном и турбулентном потоке жидкости. Гипотеза прилипания, понятие о гидродинамическом и тепловом пограничных слоях. Основные уравнения гидродинамики (уравнение сплошности и уравнение движения). Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена. Условия однозначности.
Основы теории подобия и моделирования
Теория подобия как учение об обобщенных переменных, существенных для рассматриваемого процесса. Определение подобных процессов. Методы получения безразмерных комплексов (обобщенных переменных). Метод масштабных преобразований. Приведение дифференциальных уравнений конвективного теплообмена к безразмерному виду. Числа подобия. Общие условия подобия физических процессов. Уравнения подобия. Основные числа подобия, определяющие и определяемые числа подобия. Свойства подобных процессов, константы подобия. Метод анализа размерностей. 
– теорема.
Сущность моделирования. Условия подобия модели и образца. Приближенное моделирование. Постановка и проведение эксперимента, обработка и обобщение опытных данных, эмпирические уравнения подобия. Определяющие размер и температура.
Теплоотдача при вынужденном продольном омывании тонкой пластины.
Ламинарный и турбулентный пограничные слои. Условия перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный. Уравнение теплового потока для пограничного слоя (уравнение Кружилина). Теплоотдача при ламинарном течении в пограничном слое. Расчетные уравнения.
Теплоотдача при омывании пластины турбулентным пограничным слоем. Распределение скорости в турбулентном пограничном слое. Ламинарный (вязкий) подслой, двухслойная модель турбулентного пограничного слоя. Аналогия Рейнольдса. Турбулентные касательные напряжения. Трехслойная модель турбулентного пограничного слоя. Коэффициенты турбулентного переноса теплоты и турбулентных касательных напряжений. Логарифмический закон распределения скорости в буферном слое. Расчетные уравнения
Теплоотдача при вынужденном движении жидкости внутри труб и каналов.
Особенности течения и теплообмена в трубах. Начальные участки гидродинамической и тепловой стабилизации. Стабилизированное течение. Изменение коэффициента теплоотдачи по длине трубы.. Вязкостный и вязкостно-гравитационный режимы течения. Методы расчета теплоотдачи при стабилизированном течении жидкости в трубе. Интеграл Лайона. Теплоотдача при ламинарном режиме течения в трубах. Расчетные уравнения.
Теплоотдача при турбулентном режиме течения в трубе. Теплоотдача при переходном режиме. Особенности теплоотдачи при движении жидкости в шероховатых и изогнутых трубах. Теплообмен в каналах некруглого поперечного сечения.
Теплоотдача при вынужденном поперечном омывании труб и пучков.
Характер омывания трубы поперечным потоком жидкости. Изменение коэффициента теплоотдачи по окружности трубы при различных условиях омывания. Расчетные уравнения для определения среднего по окружности трубы коэффициента теплоотдачи. Типы пучков: коридорный и шахматный. Особенности омывания труб, расположенных в пучке. Изменение коэффициента теплоотдачи по окружности труб для различных рядов труб в пучке. Ламинарный, смешанный и турбулентный режимы движения жидкости в пучке труб. Расчетные уравнения. Сравнение теплоотдачи коридорных и шахматных пучков.
Теплоотдача при свободном движении жидкости.
Условия возникновения и развития свободного движения жидкости в поле сил тяжести (гравитационной конвекции). Характер свободного движения вдоль вертикальной стенки и трубы, вблизи горизонтальных труб и пластин. Расчетные уравнения при свободном движении жидкости в большом объеме.
Теплоотдача при свободном движении жидкости в ограниченном пространстве. Методика расчета переноса тепла через жидкостные прослойки. Коэффициент конвекции, Эквивалентный коэффициент теплопроводности.
Теплоотдача при конденсации паров.
Определение конденсации. Условия возникновения конденсации пара. Капельная и пленочная конденсация. Общая характеристика теплообмена при пленочной конденсации. Режимы течения пленки конденсата. Теплоотдача при пленочной конденсации сухого насыщенного неподвижного пара на вертикальной стенке при ламинарном течении пленки. Теплообмен при пленочной конденсации на наклонной плоской поверхности, на горизонтальных одиночных трубах и пучках труб. Факторы, влияющие на теплообмен при пленочной конденсации: скорость пара и направление его движения, влажность и перегрев пара, наличие неконденсирующихся паров.
Теплообмен при кипении жидкостей.
Определение кипения. Кипение на поверхности нагрева, расположенной в большом объеме жидкости. Условия возникновения кипения жидкости. Динамика кипения жидкости. Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении в большом объеме от перегрева жидкости. Режимы кипения. Зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока. Кризисы кипения. Обобщенные и частные эмпирические зависимости для коэффициентов теплоотдачи при кипении в большом объеме.
Теплообмен при кипении жидкости, движущейся внутри трубы. Изменение структуры потока по длине трубы. Количественные характеристики парожидкостного потока. Зависимость коэффициента теплоотдачи от паросодержания, скорости циркуляции и плотности теплового потока. Расчет теплоотдачи в трубах при пузырьковом режиме кипения.
Основы массообмена и тепломассообмен в двухкомпонентных средах.
Определение массообмена. Молекулярный и молярный перенос массы. Определение диффузии. Концентрационная диффузия, закон Фика, коэффициент диффузии, массосодержание. Термическая диффузия и бародиффузия. Определение конвекции, конвективного массообмена, основное уравнение конвективного массообмена и конвективного тепломассообмена.
Дифференциальные уравнения конвективного тепломассообмена. Условия однозначности. Массоотдача, уравнение массоотдачи, коэффициент массоотдачи. Стйфанов поток, уравнение Стйфана. Тепломассообмен при конденсации пара из парогазовой среды и при испарении жидкости в парогазовую среду.
Теплообмен излучением.
Природа теплового излучения, спектр излучения твердых, жидких и газообразных тел. Поверхностное излучение. Количественные характеристики поверхностного излучения. Разновидности полусферического излучения. Поглощательная, отражательная и пропускательная способности тел. Основные законы теплового излучения: законы Планка, Вина, Стйфана-Больцмана, Кирхгофа, косинусов Ламберта. Степень черноты тел, серое тело.
Теплообмен излучением между телами с плоскопараллельными поверхностями. Роль экранов. Теплообмен излучением между телами, когда одно тело лежит в полости другого, частные случаи. Теплообмен излучением между телами, произвольно расположенными в пространстве. Угловые коэффициенты излучения. Геометрические свойства угловых коэффициентов излучения. Методы определения угловых коэффициентов излучения.
Объемное излучение. Характеристики объемного излучения. Коэффициенты поглощения и рассеяния. Эффективное и результирующее объемное излучения. Уравнение переноса лучистой энергии в газовых средах. Закон Бэгера для поглощающей среды. Коэффициент ослабления луча. Оптическая толщина среды. Особенности излучения газов и паров. Степень черноты газовой смеси, сажистых и запыленных газовых сред. Теплообмен излучением между газовой средой и поверхностью твердого тела. Средняя длина пути луча.
Сложный теплообмен как совокупность одновременно протекающих процессов теплопроводности, конвекции и излучения. Метод эффективной величины – один из приближенных способов расчета сложного теплообмена.
Теплообменные аппараты.
Назначение теплообменников, их классификация по принципу действия: рекуперативные, регенеративные, смесительные теплообменники. Основы теплового расчета теплообменников. Виды тепловых расчетов: конструкторский и поверочный. Уравнения теплового баланса и теплопередачи для рекуперативных теплообменников. Средний температурный напор. Схемы движения теплоносителей: прямоток, противоток, перекрестный ток и комбинированные схемы. Определение температурного напора для прямотока и противотока. Сравнение прямотока и противотока. Особенности теплового расчета регенеративных теплообменников. Основы гидродинамического расчета теплообменников. Оценка экономической эффективности теплообменников.
Экспериментальные методы исследования тепломассообмена.
Стационарные методы исследования теплопроводности: методы плиты, трубы и шара, метод нагретой нити. Определение коэффициента температуропроводности методом теплового регулярного режима. Методы электротепловой аналогии и конечных разностей исследования температурного поля.
Экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи. Определение теплового потока методами конденсации, кипящей жидкости, энтальпии, постоянного теплового потока и толстостенной трубы. Исследование теплоотдачи методом регулярного теплового режима.
5. Практические занятия.
№ п/п | № раздела | Наименование практических занятий |
1 | 3 | Теплопроводность и теплопередача при стационарном режиме через плоскую и цилиндрическую стенки. |
2 | 3 | Критический диаметр изоляции. Теплопроводность вдоль прямого стержня постоянного поперечного сечения и теплопередача через ребристую стенку. Теплопроводность с внутренними источниками тепла. |
3 | 4 | Охлаждение (нагревание) тел простой геометрической формы, составных тел и тел произвольной формы с малым числом Био. |
4 | 7 | Теплоотдача при вынужденном продольном омывании тонкой пластины и при движении жидкости внутри труб и каналов. |
5 | 7 | Теплоотдача при вынужденном поперечном омывании одиночной трубы и пучков труб. Теплоотдача при свободном движении жидкости в большом объеме и в жидкостных прослойках. |
6 | 8 | Теплообмен при конденсации паров, при кипении жидкости в большом объеме и при движении в трубах. |
7 | 10 | Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой. Особенности теплообмена излучением газов и паров. |
8 | 11 | Основы теплового расчета теплообменников. Определение среднего температурного напора. Тепловой расчет рекуперативных теплообменников |
6. Лабораторные занятия.
№ п/п | № раздела | Наименование лабораторных работ |
1 | 3 | Определение коэффициентов теплопроводности теплоизоляционных материалов методом трубы. |
2 | 3 | Исследование процессов теплопроводности методом электротепловой аналогии. |
3 | 4 | Определение коэффициента температуропроводности методом теплового регулярного режима. |
4 | 7 | Определение коэффициента теплоотдачи при движении жидкости внутри труб. |
5 | 7 | Исследование теплоотдачи при движении воздуха в пучке труб. |
6 | 7 | Исследование теплоотдачи при свободном движении жидкости в неограниченном пространстве. |
7 | 8 | Изучение теплоотдачи при кипении в большом объеме. |
8 | 10 | Определение коэффициента теплоотдачи излучением между двумя телами. |
7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
7.1. Рекомендуемая литература
а) основная:
, , Сукомел . М.: Энергия. 1981. 415 с. , Григорьев : Учебн. нособие для вузов. М.: Изд-во МЭИ, 2005. 550 с. , Сукомел по теплопередаче. М.: Энергия. 1980. 288 с. Осипова исследование процессов теплообмена. М.: Энергия. 1969. 392 с.б) дополнительная:
Королев : учебное пособие /. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. 2006. 300 с. , Михеева теплопередачи. М.: Энергия. 1973. 319 с. Лыков теплопроводности. М.: Высшая школа. 1967. 599 с. Кэйс тепло - и массообмен. М.: Энергия. 1972. 446 с. Невский теплообмен в печах и топках. М.: Металлургия. 1971. 439 с. , Калинин аппараты и теплоносители. М.: Металлургия. 1971 . 200 с. , , Зеленкова (теплопроводность и конвективный теплообмен): Методические указания к лабораторным работам. Екатеринбург: УПИ. 2003. 32с. , , Зеленкова (конвективный и лучистый теплообмен): Методические указания к лабораторным работам. Екатеринбург: УПИ. 2003. 29 с. ТЕПЛОМАССООБМЕН: Приложение к лабораторным работам /, , . Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. 2006. 35 с.7.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
Вопросы для программированного контроля к лабораторному практикуму по курсу «Тепломассообмен». Диафильмы и кинофильмы по конвективному теплообмену, теплообмену при свободной конвекции, конденсации и кипению.
Материально-техническое обеспечение дисциплины
Специализированная лаборатория по тепломассообмену (установки для определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов методом трубы и теплового регулярного режима, для исследования теплопроводности методом электротепловой аналогии, для исследования теплоотдачи при движении жидкости в трубе и при поперечном омывании пучка труб, при свободной конвекции и при кипении в большом объеме).
