Тепломассообмен. Конвекция и теплопроводность.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГТУ «МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ»
Утверждено
на заседании Президиума Методсовета университета
«___________»________________________200____г.
_____________________/______________________/
(Председатель Совета)
ПРОГРАММА
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
ТЕПЛОМАССООБМЕН. КОНВЕКЦИЯ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
Направление подготовки бакалавров 550500
Профиль 550503
Москва 2006 г.
1
Аннотация
Курс «Тепломассообмен. Конвекция и теплопроводность» представляет собой фундаментальную дисциплину профиля подготовки бакалавров 550503 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей» направления 550500 «Металлургия».
Дисциплина создает теоретическую основу для профессиональной подготовки бакалавров указанного профиля и представляет собой единое целое.
1. Цель обучения
Научить
–правильному мышлению в данной области знания;
– глубокому пониманию физических основ теории тепло-и массообмена, методологии
этой науки;
– анализу процессов конвективного переноса теплоты и массы компонента смеси при
различных режимах движения среды, а также процессов переноса теплоты в твердых
телах путем теплопроводности, методам математического описания этих процессов;
– анализу влияния основных параметров указанных процессов на основные характеристики теплообмена и массообмена;
– методике выполнения расчетов различных процессов конвективных теплообмена и
массообмена, кондуктивного теплообмена.
.
2. Приобретаемые компетентности
Студент, освоивший дисциплину «Тепломассообмен. Конвекция и теплопроводность», подготовлен к тому, чтобы:
– использовать методы теории подобия для приведения математической постановки различных задач теплофизики к безразмерному виду и для определения
условий физического моделирования (Л № 1.1–1.2, 7.1, 10.8) ОПК5, ОПК9;
– использовать методы математического описания процессов конвективного теплообмена, конвективного массообмена и кондуктивного теплообмена в различных
условиях (Л № 3.1–10.7; С № 2, 3–5, 10, 12) ОПК1, ОПК2;
– составлять математические модели для исследования процессов тепло-и массообмена в различных условиях (Л № 3.1–4.4, 6.1–6.2, 8.1–10.5; С № 1–5,10–13)
ОПК8, ОПК5;
– применять методы теории пограничного слоя для исследования конвективной
теплоотдачи и конвективной массоотдачи (Л 4.1–5.2; С № 3–8) ОПК9, ИК2, ИК7;
2
– обосновывать практические инженерные решения по нахождению рациональных условий реализации процессов тепло-и массообмена в металлургической
практике(Л № 5.1–5.4, 9.1–10.7; ПЗ № 1–3, ДЗ) ИК5, ИК6, ОПК4;
Он, кроме того, владеет навыками:
– самостоятельной работы с литературой для поиска информации об отдельных
определениях, понятиях и терминах, объяснения их применения в практических
ситуациях; решения теоретических и практических типовых и системных задач,
связанных с профессиональной деятельностью ЛС2, ЛС4, ЛС6, ИД1, ИД2, ИД6,
ИК1;
– логического творческого и системного мышления ИД3, СК1;
– проведения измерений температур в потоках жидкостей и газов, а также температур твердых тел (ЛР № 1–6) ИК2, ИК3, ИД4;
– экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи(ЛР № 2–3) ИК2, ИК3, ИД4;
– экспериментального определения теплофизических свойств материалов различными методами (ЛР № 4–5) ИК2, ИК3, ИД4;
– экспериментального определения радиационных свойств твердых поверхностей ( ЛР № 7) ИК2, ИК3, ИД4;
– выполнения расчетов процессов конвективной теплоотдачи и конвективной
массоотдачи на основе методов теории пограничного слоя (Л № 4.2–5.2; С № 3–
8) ИД2, ИД4, ОПК5, ОПК8;
– выполнения инженерных расчетов процессов конвективного тепло-и массообмена и кондуктивного теплообмена (ПЗ № 1–4; ЛР № 1–7) ИД2, ИД6, ОПК5,
ОПК8, СПК3.
3
3. Объем дисциплины и виды учебной работы (час)
Табл. 1
Часы в семестрах
Зачетных
Всего
единиц
часов
6й семестр
8
238
238
Аудиторные занятия
119
119
Лекции
68
68
Практические занятия (ПЗ)
8
8
Семинарские занятия (С)
26
26
Лабораторные работы (ЛР)
17
17
Самостоятельная работа
119
119
Вид учебной работы
Общая трудоемкость
4. Содержание учебной дисциплины
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
Табл. 2
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Раздел дисциплины
Элементы теории подобия и моделирования
Основные понятия теории тепло-и массообмена
Основные уравнения конвективного тепло-и массообмена
Тепловой и диффузионный пограничные
слои
Тепло-и массоотдача при вынужденном
движении
Тепло- и массоотдача при естественной
конвекции
Применение теории подобия для исследования процессов конвективной тепло-и
массоотдачи
Постановка задачи теплопроводности
Теплопроводность при стационарном режиме
Теплопроводность при нестационарном
режиме
Лекции
ПЗ
С
ЛР
4
2
7
4
2
10
6
4
8
6
4
6
1–2
2
3
4
4
4
5–6
2
2
6
16
2
4
4.2. Содержание лекционного курса
Раздел 1. Элементы теории подобия и моделирования /1а/
(4 часа)
1.1. Основные задачи и понятия теории подобия и моделирования. Подобие физических
явлений как обобщение понятия геометрического подобия. Связь между множителями
преобразования для потока реальной жидкости.
1.2. Основные критерии гидродинамического подобия. Связь между критериями подобия. Виды критериев подобия. Основная теорема теории подобия. Автомодельность.
Раздел 2. Основные понятия теории тепло- и массообмена /1а,2а/
(4 часа)
2.1. Поля температур и концентраций. Виды процессов тепло- и массообмена. Молекулярные теплопроводность и диффузия. Тройная аналогия.
2.2. Конвективный тепло- и массообмен. Вынужденная и естественная конвекция. Задачи расчета конвективных тепло- и массоотдачи.
Раздел 3. Основные уравнения конвективного тепло- и массообмена /1а,2а/
(4 часа)
3.1. Уравнения конвективных теплоотдачи и массоотдачи.
3.2. Уравнения энергии и конвективной диффузии. Постановка задачи для расчета процессов теплоотдачи и массоотдачи.
Раздел 4. Тепловой и диффузионный пограничные слои /1а,2а/
(10 часов)
4.1. Понятия теплового и диффузионного пограничных слоев. Критерии Прандтля и
Шмидта.
4.2. Уравнения энергии и конвективной диффузии для ламинарного пограничного слоя.
4.3. Уравнения энергии и конвективной диффузии для турбулентного пограничного
слоя.
4.4. Полуэмпирическая теория турбулентности для переноса тепла и массы примеси.
Турбулентные числа Прандтля и Шмидта.
4.5. Уравнения теплового потока и потока массы примеси для пограничного слоя (метод Г.Н. Кружилина).
Раздел 5. Тепло- и массоотдача при вынужденном движении /1а,2а/
(8 часов)
5.1. Тепло- и массотдача при вынужденном ламинарном движении жидкости вдоль
твердой поверхности. Расчет интегральным методом. Анализ результатов расчета. Влияние различных параметров на коэффициенты теплоотдачи и массоотдачи.
5.2. Тепло- и массоотдача при вынужденном турбулентном движении жидкости вдоль
твердой поверхности. Расчет на основе гидродинамической теории тепло- и массообмена. Анализ результатов расчета в сопоставлении с ламинарным режимом.
5.3. Теплоотдача при вынужденном стабилизированном ламинарном течении в трубе.
Анализ результатов.
5.4. Теплоотдача при вынужденном стабилизированном турбулентном течении в трубе. Анализ результатов.
Раздел 6. Тепло- и массоотдача при естественной конвекции
(4 часа)
/1а,2а/
5
6.1. Анализ процессов теплоотдачи и массоотдачи при естественной конвекции. Пограничные слои в этих условиях.
6.2. Критерии Архимеда и Грасгофа.
Раздел 7. Применение теории подобия для исследования процессов конвективных
теплоотдачи и массоотдачи /1а,2а/
(2 часа)
7.1. Приведение постановки задачи к безразмерному виду. Основные критерии подобия
для рассматриваемых процессов. Необходимые и достаточные условия подобия. Общий вид решений в критериальной форме.
Раздел 8. Постановка задачи теплопроводности /1а,2а/
(2 часа)
8.1. Общая характеристика и основные задачи теории теплопроводности. Вывод уравнения теплопроводности в различных формах. Канонический вид этого уравнения.
Краевые условия. Виды граничных условий.
Раздел 9. Теплопроводность при стационарном режиме /1а,2а/
(6 часов)
9.1. Стационарное температурное поле в неограниченной пластине без внутренних источников тепла при граничных условиях первого и третьего рода. Теплопередача через
плоскую стенку. Внутреннее, наружное и суммарное термические сопротивления. Коэффициент теплопередачи.
9.3. Стационарное температурное поле в цилиндрической стенке без внутренних источников тепла при граничных условиях первого и второго рода. Теплопередача через
цилиндрическую стенку.
9.4. Внутреннее, наружное и суммарное линейные термические сопротивления. Линейный коэффициент теплопередачи. Критический диаметр теплоизоляции.
Раздел 10. Теплопроводность при нестационарном режиме /1а,2а/
(16 часов)
10.1. Методы решения задач нестационарной теплопроводности. Нестационарное температурное поле без внутренних источников тепла в плоской стенке.
10.2. Граничные условия третьего рода. Физический смысл и роль критерия Био.
10.3. Нагрев (охлаждение) термически тонких тел.
10.4. Граничные условия первого рода – предельный случай термической массивности.
10.5. Граничные условия второго рода при постоянной плотности теплового потока на
поверхности; регулярный тепловой режим при этих условиях.
10.6. Регулярный тепловой режим при граничных условиях третьего и первого рода.
10.7. Приближенное (численное) решение задачи нестационарной теплопроводности с
граничными условиями третьего рода в случае радиационного теплообмена с окружающей средой.
10.8. Приведение постановки задачи к безразмерному виду. Основные критерии подобия для рассматриваемых процессов. Необходимые и достаточные условия подобия.
Общий вид решений в критериальной форме.
6
4.3. Перечень тем практических занятий
Табл. 3.1
№
1–3
4
Наименование
Кол-во часов
Тепло-и массоотдача при вынужденном
движении
Теплопроводность при стационарном
режиме
6
2
4.4. Перечень тем семинарских занятий
Табл. 4.1
№
1
2
3–5
6–8
9
10–11
12–13
Наименование
Кол-во часов
Основные понятия теории тепло-и массообмена
Основные уравнения конвективного тепло-и массообмена
Тепловой и диффузионный пограничные
слои
Тепло-и массоотдача при вынужденном
движении
Тепло- и массоотдача при естественной
конвекции
Теплопроводность при стационарном
режиме
Теплопроводность при нестационарном
режиме
2
2
6
6
2
4
4
4.5. Перечень тем лабораторных занятий
Табл. 5.1
№
1
2
3
4
5
6
7
Наименование
Исследование теплоотдачи при турбулентном течении жидкости в трубе
Исследование коэффициента теплопередачи при
вынужденном течении жидкости в трубе круглого
сечения
Определение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции на обогреваемом цилиндре
Определение коэффициента теплопроводности методом цилиндрического слоя
Определение теплофизических свойств материалов
методом регулярного теплового режима
Нагрев тел правильной формы
Излучение твердых тел
Кол-во часов
2
2
2
2
4
3
2
7
5. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
5.1. Рекомендуемая литература (основная и дополнительная)
а) основная литература
1а. Кривандин В.А., Арутюнов В.А., Белоусов В.В. и др. Теплотехника металлургического производства. В 2х томах. Т.1 Теоретические основы: Учебное пособие для вузов
– М.: МИСиС, 2002.– 343с.
2а. Арутюнов В.А., Левицкий И.А., Шибалов С.Н. Теплотехника и теплоэнергетика металлургических процессов. Раздел. Механика газов. Лабораторный практикум. – М.:
МИСиС, 1994. – 99с.
б) дополнительная литература
1б. Телегин А.С., Швыдкий В.С., Ярошенко Ю.Г. Тепломассоперенос: Учебное пособие
для вузов. – М.: Металлургия, 1995. – 400с.
5.2. Средства обеспечения освоения дисциплины (перечень обучающих, контролирующих и расчетных программ, диафильмов, кино- и телефильмов)
Программа компьютерного тестирования «Тепломассообмен»
6. Материально-техническое обеспечение дисциплины (указываются специализированные лаборатории и классы, основные установки и стенды)
Лаборатория механики жидкостей и газов и теплообмена
7. Методические рекомендации по организации обучения
Изучение дисциплины включает в себя лекции, практические занятия, семинарские занятия и лабораторные занятия. На практических занятиях рассматриваются решения задач, выполненных студентами в процессе подготовки к данному занятию. На
семинарских занятиях студенты совместно с преподавателем повторяют наиболее
сложные вопросы теоретического курса. Каждое практическое и семинарское занятие
начинается с того, что студенты задают преподавателю вопросы по тем лекциям, которые они прослушали в промежутке между двумя последовательными практическими,
либо семинарскими занятиями.
Домашнее задание выдает преподаватель, ведущий лабораторные занятия.
К экзаменам допускаются студенты, решившие и защитившие все задачи, рассматриваемые на практических занятиях, выполнившие и защитившие все лабораторные работы и домашнее задание, написавшие контрольную работу (вне зависимости от
полученной оценки).
8
8. Перечень заданий для самостоятельного выполнения
Семестр 1
Табл. 6.1
Задания
Срок выдачи
Срок сдачи
(№ недели)
(№ недели)
8
15
Номера разделов
дисциплины
Домашнее задание «Расчеты
процессов теплообмена»
2–10
9. Перечень контрольных мероприятий
Семестр 1
Табл. 7.1
Вид контрольного
Срок проведения
мероприятия
(№ недели)
Контрольная работа №1
11
Контролируемый объем
учебного курса
(№№ разделов)
2–6
Контрольная работа длительностью 1час проводится в часы лекций в указанные сроки.
Самоконтроль знаний проводится в дни и часы, устанавливаемые преподавателем в
среде e-learning.
Программа составлена в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов подготовки бакалавров и магистров по направлениям в области техники и технологии.
Автор программы
Арутюнов В.А., д.т.н., профессор кафедры теплофизики и экологии металлургического производства
Ибадуллаев Т.Б., к.т.н., ст.преподаватель кафедры теплофизики и экологии металлургического производства
Программа одобрена на заседании кафедры ТЭМП,_протокол № ______ от 14.12 2006.
Зав. каф. Прибытков И.А.
9