Задачи преподавания дисциплины

Общей задачей курса является привитие студентам научного мировоззрения и творческого подхода к применению полученных знаний в своей практической деятельности.

Определяющей задачей является подготовка бакалавра в совершенстве владеющего методиками анализа и оценки возможности использования теплотехнического оборудования в атомной энергетики.

Преподавание дисциплины обеспечивает выполнение следующих учебно-методических задач:

- сформировать у студентов ясное представление о роли и значении тепловой энергии в ряде видов энергий, используемых человеком в своей жизнедеятельности;

- установить связь закона сохранения и превращения энергии и массы с основными законами теории тепломассообмена (законами Фурье, Ньютона-Рихмана, Планка, Вина, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Ламберта.);

- показать физические и математические модели процессов теплопроводности, конвективного и лучистого теплообмена;

- раскрыть методы исследования и анализ тепловых процессов и оценки эффективности тепловых машин и установок;

- научить студентов правилам использования учебной, справочной и технической литературы при решении учебных задач;

- подготовить студентов к освоению смежных профессионально-ориен- тированных дисциплин и решения инженерных задач по профилю будущей профессиональной деятельности.

В результате изучения дисциплины «Тепломассообмен» студенты должны

ЗНАТЬ:

- основные понятия, принципы, законы и методы тепломассообмена;

- основные теплофизические величины (параметры) тепломассообмена;

- физический смысл, расчетные формулы, размерности и единицы измерения этих величин, соотношения значений величин в различных системах единиц;

- основные методы (аналитический, табличный, графический) и алгоритмы расчетов процессов тепломассообмена в различных средах;

- методы экспериментального определения тепловых параметров и исследования тепловых процессов;

- теплофизические свойства газов и жидкостей и их паров, используемых в качестве теплоносителей теплообменных аппаратов и энергетических установок.

УМЕТЬ:

- использовать основные аналитические уравнения законов тепломассообмена для вывода расчетных формул;

- использовать методы аналитического и графического анализа и расчета процессов тепло - и массообмена, используемых при проектировании теплоэнергетического оборудования;

- использовать таблицы теплофизических свойств газов, паров и жидкостей – теплоносителей АЭС;

- выполнять теплогидравлические (конструктивные и поверочные) расчеты теплового оборудования, оценивать их точность.

БЫТЬ ОЗНАКОМЛЕННЫМИ:

- с историей и перспективами развития теории и практики тепломассообмена, значением этой науки для инженера-энергетика;

- с современными проблемами, основными направлениями развития теплотехники;

- с перспективными методами анализа тепловых процессов в тепловых машинах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Общие сведения о видах теплообмена. Краткие сведения из истории развития науки о теплообмене. Основные тепловые характеристики тепломассообмена.

Глава 1. Теплопроводность

Тема 1.1. Основные понятия и определения теплопроводности

Физическая сущность теплопроводности. Температурное поле. Градиент температуры. Тепловой поток. Плотность теплового потока. Мощность внутренних источников теплоты. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности.

Тема 1.2. Дифференциальное уравнение теплопроводности

Дифференциальное уравнение энергии. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности. Дифференциальное уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат. Краевые условия для процессов теплопроводности. Закон Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплопередачи. Температурный напор.

Тема 1.3. Теплопроводность при стационарном режиме

Теплопроводность плоской однослойной и многослойной стенки. Понятия тепловой проводимости и термического сопротивления. Теплопередача плоской однослойной и многослойной стенки. Теплопроводность однослойной и многослойной цилиндрической стенки. Теплопередача однослойной и многослойной цилиндрической стенки. Контактный теплообмен. Критический диаметр теплопередачи цилиндрической стенки. Пути интенсификации теплопередачи.

Тема 1.4. Теплопроводность тел с внутренними источниками теплоты

Особенности процесса отвода теплоты от тел с внутренними источниками теплоты. Теплопроводность однородной пластины с внутренними источниками теплоты. Теплопроводность однородного цилиндрического стержня с внутренними источниками теплоты. Теплопроводность цилиндрической стенки с внутренними источниками теплоты. Расчет электронагревателей в стационарном режиме.

Тема 1.5. Теплопроводность при нестационарном режиме

Общие понятия нестационарной теплопроводности. Нестационарная теплопроводность в элементах энергетических установок. Аналитическое описание процесса нестационарной теплопроводности. Приведение аналитического описания процесса к безразмерному виду. Числа подобия Био и Фурье. Анализ решения задачи о нагревании (охлаждении) пластины неограниченных размеров. Номограммы для определения безразмерных температур. Построение температурных кривых в пластине для различных моментов времени. Нагревание (охлаждение) тел при очень малых и очень больших значениях числа Био. Нагревание (охлаждение) цилиндра бесконечной длины и шара. Нагревание (охлаждение) тел конечных размеров.

Глава 2. Конвективный теплообмен

Тема 2.1. Физическая сущность и дифференциальные уравнения конвективного теплообмена

Физическая сущность явления теплоотдачи. Основные факторы, влияющие на теплоотдачу. Влияние режима течения жидкости на коэффициент теплоотдачи. Гидродинамический пограничный слой. Тепловой пограничный слой. Влияние на теплоотдачу физических свойств жидкости. Методы расчета процесса теплоотдачи. Аналитический метод. Понятия о полной, локальной и конвективной производных. Уравнение теплоотдачи. Уравнение энергии, уравнение движения вязкой несжимаемой жидкости. Уравнение сплошности. Общая оценка аналитического метода.

Тема 2.2. Основы теории подобия процессов конвективного теплообмена

Роль эксперимента и значение теории подобии при изучении физических явлений. Общая схема расчетов процессов конвективного теплообмена с использованием теории подобия. Система дифференциальных уравнений конвективного теплообмена для конкретной краевой задачи. Приведение математического описания процесса к безразмерному виду. Числа подобия конвективного теплообмена, их классификация и физический смысл. Уравнения подобия. Методы получения уравнений подобия на основе экспериментальных данных. Условия подобия и моделирования процессов конвективного теплообмена. Константы подобия. Понятия автомодельности, методов размерностей и аналогии; локального моделирования.

Тема 2.3. Теплоотдача при свободном движении жидкости

Понятия о свободном движении жидкости. Теплоотдача при свободном движении в неограниченном пространстве. Расчетные формулы для теплоотдачи при свободной конвекции в неограниченном пространстве. Теплоотдача при свободном движении в ограниченном пространстве. Расчетные формулы. Практическое применение естественной конвекции.

Тема 2.4. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости

Особенности движения жидкости и теплообмена в трубах и каналах. Гидродинамическая и тепловая стабилизация потока. Неизотермическое движение жидкости. Определение коэффициента теплоотдачи при ламинарном, турбулентном и переходном движении жидкости в трубах. Теплоотдача при внешнем продольном обтекании пучка труб. Теплоотдача при поперечном обтекании одиночной трубы и пучка труб. Особенности, теплоотдачи жидких металлов.

Тема 2.5. Расчет теплообменных аппаратов

Назначение и классификация теплообменных аппаратов. Принципиальное устройство рекуперативных, регенеративных и смесительных аппаратов. Основные уравнения теплового расчета теплообменного аппарата. Осреднение температуры жидкости по сечению канала. Определение среднего температурного напора. Особенности работы рекуперативных теплообменных аппаратов. Сравнение схем прямотока и противотока. Определение конечных температур теплоносителей. Основы гидромеханического расчета теплообменных аппаратов.

Глава 3. Теплообмен при фазовых превращениях

Тема 3.1. Теплоотдача при кипении жидкости

Фазовые переходы в элементах энергетических установок. Особенности теплоотдачи при фазовых переходах. Основные понятия о процессе кипении. Условия кипения. Механизм передачи теплоты при кипении. Физические особенности процесса кипения жидкости в большом объеме. Кризис теплоотдачи при кипении первого рода. Уравнения подобия для процесса теплоотдачи при кипении в большом объеме. Расчетные формулы. Особенности процесса теплоотдачи при пленочном кипении жидкости. Структура двухфазного потока и теплообмен при кипении жидкости внутри труб. Кризис теплоотдачи при кипении второго рода. Определение коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении кипящей жидкости в трубах. Методы интенсификации процесса кипения.

Тема 3.2. Теплоотдача при конденсации пара

Основные понятия о процессе конденсации. Типы и схемы конденсаторов. Виды конденсации. Особенности теплоотдачи при капельной и пленочной конденсации. Теоретическое определение коэффициента теплоотдачи при конденсации на вертикальной поверхности (теория Нуссельта). Теплоотдача при пленочной конденсации на горизонтальных трубах. Влияние отдельных факторов на процесс теплоотдачи при конденсации. Схема получения экспериментальных уравнений подобия для теплоотдачи при конденсации пара. Связь чисел Нуссельта и Рейнольдса. Уравнения подобия для теплоотдачи при конденсации на вертикальной стенке и горизонтальных трубах, выраженные через определяемое число Рейнольдса. Теплоотдача при конденсации при вынужденном движении двухфазного потока в трубах.

Тема 3.3. Тепло- и массообмен в двухкомпонентных средах

Основные понятия и законы. Дифференциальные уравнения тепло- и массообмена. Тепло- и массоотдача. Аналогия процессов теплообмена и массообмена. Тепло- и массообмен при конденсации пара из парогазовой смеси. Тепло- и массообмен при испарении жидкости в парогазовую среду.

Глава 4. Теплообмен излучением

Тема 4.1. Тепловое излучение

Физическая сущность процесса излучения. Основные определения. Виды лучистых потоков. Идеальные тела в теории излучения. Основные законы теплового излучения и их следствия.

Тема 4.2. Лучистый теплообмен между телами

Лучистый теплообмен между эквидистантными поверхностями. Метод Поляка. Лучистый теплообмен при наличии экранов. Лучистый теплообмен между телами произвольной формы.

Тема 4.3. Тепловое излучение газов и паров

Особенности излучения газов и паров. Объемное излучение. Теплообмен между газом и окружающей его оболочкой.

Заключение

Основные проблемы и перспективы развития тепломассообмена.