Закачати DOC-файл | Надрукувати | Повернутися до списку навчальних планів


МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

 

 

 

“Затверджую”

Директор Інституту енергозбереження та енергоменеджменту

 _________________  А.В.Праховник

“___”_______________2007 р.

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА ДИСЦИПЛІНИ

«Тепломасообмін»

 

 

для спеціальності 7.000.008

«Енергетичний менеджмент»

 

 

Ухвалено методичною комісією Інституту енергозбереження і енергоменеджменту

Протокол №        від         

Голова методичної комісії

___________

“___”__________2007р.

 

Програму рекомендовано кафедрою теплотехніки та енергозбереження

Протокол №       від             .

   Завідувач кафедри

  _______________ проф. В.І.Дешко

  “____”______________2007р.

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Київ 2007

 

I. Загальні відомості

 

Дисципліна «Тепломасообмін» належить до належить до циклу професійної та практичної підготовки і входить у нормативну частину програми (код НП-22). Дисципліна забезпечує фундаментальну підготовку студентів в галузі розрахунків всіх видів теплообміну. На дисципліні «Тепломасообмін» базуються теплотехнічні курси, що пов’язані з розрахунками теплообмінних апаратів та енергоємних установок.

            Дисципліна «Тепломасообмін» знайомить студентів з методами розрахунків різних видів теплообміну: теплопровідність, конвекція, променевий теплообмін. 

            Сучасна промисловість включає надзвичайно широкий спектр різноманітних технічних та технологічних процесів, для багатьох з яких можна зробити наступні висновки:

·      для багатьох з промислових технологічних процесів теплота є головним джерелом енергії;  процеси теплообміну складають досить суттєву питому вагу серед енергетичних потоків;

·      всі технологічні процеси пов’язані з теплообміном можна узагальнити обмеженою кількістю базових процесів, які відтворюють їхню фізичну суть.

Метою вивчення дисципліни є розширення діапазону спеціальних знань стосовно розрахунків різних видів теплообміну, засвоєння методів інженерного аналізу тепломасообміну в промислових апаратах та конструкціях. 

Основні завдання дисципліни.

Навчити студента:

·      основним поняттям та законам термодинаміки, теплопровідності, конвективного і променевого теплообміну;

·      методам розвязання задач теплообміну;

·      способам використання основ теорії тепломасообміну до практичних задач;

·      методам аналізу отриманих рішень.

Ефективне вирішенням цих завдань можливе за умови знання основ теорії теплотехніки. 

            У цьому зв’язку функціональні обов’язки інженерів підприємств полягатимуть у тім, що вони повинні компетентно та на високому інженерному рівні володіти методами розрахунку тепломасообміну та аналізу отриманих результатів стосовно до конкретних задач.

            В процесі вивчення дисципліни студент повинен здобути вміння:

·      формулювати теплотехнічні задачі при різному тепловому впливі;

·      схематизувати умови однозначності стосовно конкретних задач теплопровідності при різних граничних умовах;

·      вибирати необхідні методи розвязання задач теплопровідності, конвективного та променевого теплообміну;

·      виконувати розрахунки температурних полів, коефіцієнтів тепловіддачі, теплових потоків для конкретних задач та аналізувати отримані результати.

Мета практичних занять з  дисципліни.

На основі аналітичних методів навчитися розвязувати:

·      стаціонарні та нестаціонарні задачі теплопровідності при граничних умовах 1-3-го родів без та з внутрішніми джерелами теплоти;

·      визначити поле температур та теплові потоки;

·      задачі променевого теплообміну між твердими тілами, які розділені прозорою середою.

На основі теорії подібності навчитися розвязувати:

·      задачі конвективного теплообміну - визначати коефіцієнти тепловіддачі;

·       визначати коефіцієнти тепловіддачі при фазових переходах 1-го роду (при конденсації та кипінні).

Мета лабораторних занять з  дисципліни:

·      оволодіти експериментальними методами визначення теплопровідності твердих матеріалів та навчитися експериментально досліджувати їх теплопровідність;

·      навчитися експериментально досліджувати коефіцієнти тепловіддачі для різного класу задач конвективного теплообміну;

·      отримати навички роботи з технічним обладнанням та приборами, що використовуються у теплотехнічних дослідженнях.

 

Розподіл навчальних годин за видами навчальних занять:

 

Форма навчання

Семестри

Всього

кред/годин

Розподіл навчального часу за видами занять

 

Семестрова атестація

 

Лекції

 

 

Практичні

заняття

 

 

Лаборатор. роботи

 

СРС

денна

4

5,5/198

50

16

16

116

екзамен

заочна

5

4,5/162

8

6

4

144

екзамен

 

 

II. Зміст навчального матеріалу

 

Розділ 1.  Вступ.

Тема 1. Предмет та задачі курсу. Види теплообміну. Методи дослідження теплопровідності та основні визначення. Закон Фур’є.

Предмет та задачі курсу. Види теплообміну. Основні визначення: кількість теплоти, тепловий потік, градієнт температури, густина теплового потоку, температурне поле, ізотермічна поверхня та ізотерма. Закон Фур’є. Фізичний зміст теплопровідності.

Розділ 2. Теплообмін теплопровідністю.

Тема 2.1. Диференційне рівняння теплопровідності. Умови однозначності.

Виведення диференціального рівняння теплопровідності. Запис рівняння теплопровідності в декартовій, циліндричній та сферичній системах координат. Фізичний зміст питомої теплоємності та температуропровідності. Умови однозначності: геометричні, фізичні, початкові, граничні. Граничні умови 1-4 родів.

Тема 2.2. Стаціонарна теплопровідність.

Теплопровідність нескінченної плоскої стінки при граничних умовах 1-3 родів (qv=0). Схематизація, формулювання та розв’язання задачі. Закон розподілення температури в плоскій стінці. Густина теплового потоку. Питомий термічний опір теплопровідності плоскої стінки, питомий термічний опір тепловіддачі, фізичний зміст. Коефіцієнт теплопередачі, фізичний зміст. Багатошарова стінка. Розподілення температур в стінці при температурній залежності теплопровідності.

Теплопровідність нескінченної циліндричної стінки при граничних умовах 1-3 родів  (qv=0). Схематизація, формулювання та розв’язання задачі. Закон розподілення температури в  циліндричній стінці. Лінійна густина теплового потоку. Питомий термічний опір теплопровідності циліндричної стінки, лінійний питомий термічний опір тепловіддачі, фізичний зміст. Лінійний коефіцієнт теплопередачі, фізичний зміст.

Багатошарова циліндрична стінка. Критичний діаметр ізоляції трубопроводу.

Інтенсифікація теплопередачі. Методи інтенсифікації. Оребрення. Теплопровідність стрижня (ребра) постійного поперечного перерізу. Постановка задачі, виведення диференціального рівняння та його розв’язання. Стрижень нескінченної та скінченої  довжини. Закон розподілення температур, тепловий потік.

Теплопередача через плоску ребристу стінку. Тепловий потік. Коефіцієнт ефективності ребра. Число Біо та його фізичний зміст. Приведений коефіцієнт теплопередачі через ребристу стінку. Коефіцієнт оребрення.     

Тема 2.3. Теплопровідність при наявності внутрішніх джерел теплоти.

Теплопровідність однорідної нескінченної пластини при граничних умовах 3-го роду. Схематизація, постановка та розв’язання задачі. Закон розподілення температури в пластині. Температури на осі та на поверхні пластини. Тепловий потік. Перехід до граничних умов 1-го роду.

Теплопровідність однорідного нескінченного циліндричного стрижня при граничних умовах 3-го роду. Схематизація, постановка та розв’язання задачі. Закон розподілення температури в стрижні. Температури на осі та на поверхні стрижня. Тепловий потік. Перехід до граничних умов 1-го роду.

Тема 2.4. Нестаціонарна теплопровідність.

Аналітичне описання нестаціонарної теплопровідності. Охолодження (нагрівання) нескінченної пластини при граничних умовах 3-го роду. Схематизація, формулювання та розв’язання задачі. Метод розподілу змінних - метод Фур’є. Закон розподілу безрозмірних температур в пластині в залежності від чисел Біо і Фур’є.

Розрахунок температур на осі та на поверхні пластини за допомогою таблиць та графіків. Три основних випадки температурних полів в пластині в залежності від числа Біо. Перехід до граничних умов 1-го роду. Визначення кількості теплоти в процесі охолодження пластини. Визначення середньої безрозмірної температури як функції часу.

Охолодження (нагрівання) нескінченного стрижня при граничних умовах 3-го роду. Схематизація, формулювання та розв’язання задачі. Закон розподілення безрозмірних температур в циліндрі в залежності від чисел Біо і Фур’є. Розрахунок температур на осі та на поверхні циліндра за допомогою таблиць та графіків. Перехід до граничних умов 1-го роду. Визначення кількості теплоти в процесі охолодження циліндра. Визначення середньої безрозмірної температури як функції часу.

Розділ 3. Конвективный теплообмін.

Тема 3.1. Основні поняття та визначення конвективного теплообміну. Моделювання процесів конвективного теплообміну.

Система диференціальних рівнянь конвективного теплообміну: енергії,  імпульсу,  нерозривності,  теплопередачі. Субстанціональна похідна. Теорія подібності. Основні положення. Критерії подібності та їх фізичний зміст. Загальний вигляд рівняння подібності. Визначальна температура та визначальний розмір.

Тема 3.2. Окремі задачі конвективного теплообміну.

Тепловіддача при вільній конвекції.

Гідродинамічний та тепловий граничні шари. Вільна конвекція у необмеженому та обмеженому просторах.

Тепловіддача при примусовій конвекції в однофазних середовищах: омиванні плоскої поверхні; при примусовій течії рідини в трубах та каналах.

Тепловіддача при примусовій конвекції в однофазних середовищах: при поперечному омиванні одинокої труби; при поперечному омиванні пучків труб.

Розділ 4. Теплообмін при агрегатних перетвореннях рідини.

Тема 4.1. Теплообмін при конденсації чистої пари.

Основні положення. Види конденсації: плівкова та крапельна. Вплив режиму течії на термічний опір плівки конденсату. Теплообмін при плівковій конденсації нерухомого пару. Ламінарна та турбулентна течія плівки на вертикальній стінці. Конденсація на горизонтальних трубах.

Теплообмін при плівковій конденсації при русі пару в трубах. Ламінарна та турбулентна течія плівки конденсату. Теплообмін при крапельній конденсації пару.

Тема 4.2. Тепловіддача  при кипінні.

Механізм процесу пароутворення при бульбашковому кипінні. Перегрів рідини. Відривний діаметр бульбашки. Середня швидкість зростання парових бульбашок. Інтенсивність пароутворення. Перша та друга кризи при кипінні. Плівковий режим кипіння. Формули для розрахунків тепловіддачі при кипінні.

Розділ 5. Променевий теплообмін.

Тема 5.1. Основні поняття та визначення променевого теплообміну. Закони променевого теплообміну.

Види променевих потоків: потік  монохроматичного випромінювання, інтегральний променевий потік, повний променевий потік, густина інтегрального випромінювання, спектральна інтенсивність випромінювання. Коефіцієнти поглинання, відбивання та пропускання. Визначення абсолютно чорного, білого, прозорого тіл.  Густина власного, ефективного та результуючого потоку випромінювання. Закони теплового випромінювання. Закон Планка, Стефана-Больцмана, Кірхгофа. Коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла. Поняття сірого тіла, степінь чорноти.

Тема 5.2. Окремі задачі теплообміну випромінюванням.

Теплообмін випромінюванням між твердими тілами, розділеними прозорим середовищем. Приведена степінь чорноти. Густина результуючого теплового потоку. Метод ефективних потоків. Теплообмін випромінюванням при наявності екранів. Теплообмін випромінюванням між тілом та оболонкою, що його оточує. Теплообмін випромінюванням у газах.

Розділ 6. Тепловий розрахунок теплообмінних апаратів.

Тема 6.1.  Тепловий розрахунок теплообмінних апаратів.

Класифікація теплообмінних апаратів. Проектний та перевірочний розрахунки теплообмінників. Основні положення та рівняння теплового розрахунку. Рівняння теплового балансу  і теплопередачі. Середня логарифмічна різниця температур та методи її обчислення. Розрахунок кінцевих температур теплоносіїв.

Тема 6.2.  Гідромеханічний розрахунок теплообмінних апаратів.

Задачі гідромеханічного розрахунку теплообмінних апаратів. Гідравлічний опір елементів теплообмінного апарата. Розрахунок потужності, яка необхідна для переміщення рідини. Приклади проектного та перевірочного розрахунків рекуперативних теплообмінних апаратів.

 

III. Тематика практичних занять

 

1.      Теплопровідність при стаціонарному режимі. Закон Фурє. Плоска одношарова та багатошарова стінка.

2.      Теплопровідність при стаціонарному режимі. Циліндрична одношарова та багатошарова стінка.

3.      Теплопровідність при стаціонарному режимі. Критичний діаметр ізоляції.

4.      Теплопровідність при стаціонарному режимі. Інтенсифікація процесів теплопередачі. Стрижень кінцевої довжини. Оребрення.

5.      Конвективний теплообмін. Тепловіддача при вільному русі рідини.

6.      Конвективний теплообмін. Тепловіддача при примусовому повздовжньому омиванні плоскої поверхні. Тепловіддача при примусовому русі рідини в трубі. Тепловіддача при примусовому поперечному омиванні одинокої труби.

7.      Тепловіддача при фазових переходах. Тепловіддача при конденсації та кипінні.

8.      Окремі задачі теплообміну випромінюванням: між твердими тілами, що розділені прозорим середовищем; при наявності екранів; між тілом та оболонкою, що його оточує; у газах.

9.      Теплообмінні апарати. Тепловий та гідромеханічний розрахунки.

 

IV. Перелік лабораторних робіт

 

1.      Визначення теплопровідності твердих тіл. Ознайомлення студентів з експериментальним стаціонарним методом плоского шару для дослідження теплопровідності твердих тіл.

2.      Тепловіддача горизонтальної труби при вільному русі повітря. Експериментальне дослідження та розрахунки по критеріальним залежностям коефіцієнта тепловіддачі.

3.      Тепловіддача горизонтальної оребреної труби при вільному русі повітря. Експериментальне дослідження коефіцієнтів тепловіддачі ребристої стінки: віднесеного до повної поверхні труби з врахуванням поверхні ребер, віднесеного до гладкої поверхні труби без врахування поверхні ребер, віднесеного до площі поверхні ребер. Аналіз інтенсифікації теплопередачі за рахунок оребрення.

4.      Визначення коефіцієнтів тепловіддачі у теплообміннику. Експериментальне дослідження роботи рекуперативного теплообмінника за різних робочих режимів.

    

V. Індивідуальні семестрові завдання

 

Тематика лекцій, лабораторних робіт, розрахунково-графічних робіт, розділів тем і окремих питань програми для самостійного вивчення враховують специфіку підготовки студентів окремих спеціальностей.

На лабораторних заняттях, в позааудиторній роботі при виконанні розрахунково-графічних робіт послідовно реалізується індивідуальний підхід до навчання. Для цього використовуються методичні вказівки до проведення лабораторних робіт за фронтальним методом і до самостійної роботи студентів.

 

Розрахунково-графічна робота.

 

Тема: Визначення теплових витрат та розрахунок опалювальної системи приміщення.

Мета РГР:

·      навчитись застосовувати методи теорії стаціонарної теплопровідності, конвективного та променевого теплообміну для задач, пов’язаних з проектуванням та розрахунком теплоенергетичних вузлів та систем;

·      навчитись пояснювати з фізичної та інженерної точки зору отримані результати; навчитись визначати теплові витрати та методи заощадження тепла.

 Завдання на РГР:

·        оціночний розрахунок теплових витрат приміщення;

·        оціночний розрахунок системи опалювання приміщення;

·        уточнюючий розрахунок тепловитрат;

·        уточнюючий розрахунок системи опалювання;

·        аналіз отриманих результатів та формулювання висновків;

·        оформлення розрахунків у відповідності з вимогами до курсових робіт.

 

VI. Контрольні роботи

 

  1. Стаціонарна теплопровідність плоскої  та циліндричної стінки за граничних умов I та III роду.
  2. Конвективний теплообмін при примусовому обтіканні плоскої поверхні, примусовій течії у трубах та каналах, поперечному обтіканні труб.

 

VII. Методичні вказівки

 

            Методичні вказівки наведені в навчально-методичних матеріалах, розроблених кафедрою теплотехніки і енергозбереження (див. розділ VIII). Вони містять у собі теоретичні відомості, розв’язання типових прикладів, картки для самостійної роботи. Подібна структура дозволяє використовувати їх як за аудиторних, так і позааудиторних форм самостійної роботи.

 

VIII. Навчально-методичні матеріали

 

Основна література

1.    Теплопередача: Учебник для вузов/ В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел. - 4-е изд. - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.

2.    Техническая термодинамика и теплопередача: Учебное пособие/ И.А.Недужий, А.Н.Алабовский. - Киев: «Вища школа»,  1981, - 248с.

3.    Теплотехника/ А.Н.Алабовский, С.М.Константинов, И.А.Недужий. - Киев: «Вища школа»,  1986, - 255с.

4.    Теплотехника: Учебник для вузов/ Под общед. И.Н.Щукина. - М.: «Металлургия», 1973. - 479с.

5.    Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче: Учеб.пособие. - М.: Энергия, 1980. - 288c.

Додаткова література

6.    Теория теплопроводности: Учебник для вузов/ А.В.Лыков. - М.: «Высшая школа», 1967. - 599с.

7.    Юдаев Б.Н. Теплопередача: Учебник для вузов. – 2-е изд. – М.: Высшая школа, 1981. – 319с.

8.     Тепло- и массообмен.  Теплотехнический эксперимент. Справочник / Под общ. Ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. – М.: Энергоиздат, 1982. – 512с.

9.    Методичні вказівки до лабораторної роботи «Визначення теплопровідності твердих тіл» /Укл. Г.М.Васильченко, В.І.Дешко, В.Г.Павловський. - К.: КПІ, 1993. - 16 с. 

10. Методичні вказівки до лабораторної роботи «Тепловіддача горизонтальної труби при вільному русі повітря» /Укл. Є.М.Панов. - К.: КПІ, 1992. - 16 с.

11. Методичні вказівки до лабораторної роботи «Тепловіддача горизонтальної оребреної труби при вільному русі повітря» /Укл. Г.М.Васильченко, І.Л.Шилович - К.: КПІ, 1997. - 5с.

 

Навчальну програму складено на основі освітньо-професійної програми СВО

спеціальності 7.000. 008 „Енергетичний менеджмент”.

 

Розробник програми: ст. викладач Студенець В.П.

 

                        ________________ / Студенець В.П./

 

 

Закачати DOC-файл | Надрукувати | Повернутися до списку навчальних планів | С початку >>