Методы интенсификации теплообмена

Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана
Методы интенсификации теплообмена
(учебная программа)
Виды учебных работ
Выделено на дисциплину
Аудиторная работа
Лекции
Семинары
Самостоятельная работа
Домашние задания
ДЗ № 1
ДЗ № 2
Самостоятельная проработка курса
Виды отчетности по дисциплине
Зачет
Экзамен
Объем работ, час
Всего
11 сем
65
65
39
39
26
26
13
13
26
26
16
16
8
8 (10 нед.)
8
8 (15 нед.)
10
10
экзамен
экзамен
Раздел 1. Цели и задачи дисциплины
Дисциплина входит в цикл “Научные дисциплины специальности”
Основные цели дисциплины: подготовка специалистов к научноисследовательской работе и конструированию энергетического и тепломассообменного оборудования различного назначения.
Задачи дисциплины – приобретение знаний, умений и навыков, необходимых при выполнении тепловых расчетов, научно-исследовательских и проектноконструкторских задач, связанных с расчетом высокоэффективных компактных
энергетических установок и тепломассообменного оборудования.
Профессиональные навыки, умения и знания, приобретаемые в результате
изучения дисциплины.
Навыки и умения.
1.
2.
3.
4.
5.
Студент должен уметь:
Сформулировать цель рассматриваемой проблемы, связанной с выбором оптимальных методов интенсификации теплообмена.
Разработать физическую и расчетную модель процесса.
Рассчитывать характеристики тепломассообменных процессов в системах и
конструкциях энергоагрегатов.
Согласовать параметры тепломассообменных процессов с общими конструктивными решениями систем и агрегатов энергоустановок.
Оценить эффективность, технологичность, экономичность и надежность выбранного метода (методов) интенсификации.
Знания.
1.
2.
3.
4.
5.
Студент должен знать:
1. Законы:
Фундаментальные законы сохранения энергии, движения и массы, законы распространения теплоты в газах, жидкостях и в твердых веществах, основные законы передачи теплоты: Био-Фурье, Ньютона-Рихмана, Планка, Кирхгофа,
Стефана-Больцмана.
Соотношения для определения параметров теплопередачи через плоские, цилиндрические и сферические однослойные и многослойные оребренные стенки
конструкций.
Физические законы и дифференциальные уравнения теплопроводности, конвективного теплообмена и излучения.
Методы и способы тепловой защиты конструкций.
Зависимости для определения количественных характеристик теплоотдачи при
6.
7.
8.
9.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
ламинарном и турбулентном течениях в условиях внешней и внутренней задачи.
Соотношения для расчета характеристик теплоотдачи при изменении агрегатного состояния вещества, при взаимодействии неограниченных и струйных потоков с преградами.
Физические законы и уравнения лучистого теплообмена.
Компактные теплообменные аппараты, их классификация и основы теплового
расчета.
Способы интенсификации теплообмена в двигателях и энергетических установках.
2. Характеристики:
Теплофизические характеристики сред.
Характеристики массообмена, теплопроводности, конвективного и лучистого
теплообмена.
Характеристики ламинарного и турбулентного пограничных слоев.
Интегральные характеристики пограничного слоя.
Параметры тепломассообменных процессов при внутреннем и внешнем обтекании.
Обобщенные параметры и критерии тепломассообмена.
3. Понятия:
Теплопроводность, конвекция, излучение, теплопередача, тепломассообмен,
диффузия, интенсификация, изоляция. Тепловой поток, плотность теплового потока, плотность потока массы, коэффициенты: теплопроводности, температуропроводности, теплопередачи, теплоотдачи, массоотдачи, диффузии. Пограничный слой динамический, тепловой, диффузионный. Критерий, критериальные
уравнения. Абсолютно черное, белое и прозрачное тела, серое тело, излучательная, поглащательная и пропускательная способности тела, степень черноты. Теплообменный аппарат.
1.
2.
3.
4.
5.
4. Методики:
Расчета теплопередачи в многослойных конструкциях при наличии оребрения
поверхностей.
Расчета коэффициентов тепло и массопереноса при ламинарном и турбулентном течении жидкости в трубах при стандартных условиях и при наличии интенсификаторов.
Расчета и экспериментального определения характеристик тепло- и массоотдачи при турбулентном обтекании.
Выбора оптимальных методов интенсификации теплообмена.
Расчета характеристик компактных теплообменных аппаратов.
Основные исходные, профессиональные и интеллектуальные навыки,
умения, знания, необходимые для изучения дисциплины.
Изучению данной дисциплины предшествует подготовка студентов по
высшей математике, информатике, физике, химии, термодинамике, механике
жидкости и газа, теории тепломассообмена, теории пограничного слоя. При изучении указанных дисциплин студенты получают фундаментальную подготовку,
основные исходные профессиональные и интеллектуальные навыки, умения и
знания, необходимые для успешного усвоения данной дисциплины.
В процессе изучения дисциплины используются технические средства обучения, персональные ЭВМ.
Применяются активные формы обучения, включающие семинарские занятия, написание рефератов выполнение расчетных домашних заданий, самостоятельную работу студентов под контролем преподавателя. Текущий контроль качества усвоения материала осуществляется путем индивидуального собеседования преподавателя со студентами при защите рефератов, при приеме домашних
заданий, при выполнении самостоятельной работы студентов под контролем преподавателя.
Раздел 2. Содержание дисциплины - 65 час.
2.1. Аудиторная работа - 39 час.
2.1.1. Лекции - 26 час.
МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА
1. Введение. Интенсификация теплообмена – определение, основные законы теплообмена: Био-Фурье, Ньютона-Рихмана, Стефана-Больцмана. Методы пассивной
и активной интенсификации теплообмена. Достижения, проблемы, перспективы
(обзор существующих методов интенсификации). Условия, определяющие выбор
метода интенсификации теплообмена.
2 часа.
2. Интенсификация теплообмена развитием поверхности.
6 часов.
Интенсификация теплопередачи путем увеличения поверхности теплообмена: оребрение, виды оребрения, коэффициент оребрения и коэффициент эффективности ребра. Теплопроводность и теплопередача в ребрах – дифференциальное
уравнение и влияние геометрических, физических и граничных условий на интенсивность теплопередачи, приведенный коэффициент теплоотдачи. Технология
изготовления ребер. Контактный теплообмен и его интенсивность. Условия, тормозящие процесс интенсификации теплопередачи и методы воздействия на них.
3. Интенсификация теплообмена коэффициентом теплоотдачи
8 часов.
Методы интенсификации конвективного теплообмена. Оценка эффективности методов интенсификации теплообмена. Структура турбулентного потока: показательный и логарифмические профили скорости и температуры в пограничном
слое. Интегральные характеристики пограничного слоя. Стандартные законы трения, тепло и массообмена. Механизмы переноса импульса, тепла и вещества, соотношение между ними и их влияние на интенсивность конвективного теплообмена. Влияние режима течения на интенсивность теплообмена. Изучение способов целенаправленного изменения структуры потока с целью интенсификации
теплоотдачи. Интенсификация теплоотдачи за счет нанесения на поверхность
нагрева искусственной шероховатости, использования витых труб, сужения и
расширения канала, спиральных вставок и т.п. Теплообмен и трение на поверхности при наличии на ней выступов и углублений (сферических, цилиндрических
продольных, поперечных и др.). Влияние геометрии интенсификаторов и их взаимного расположения на интенсивность процессов теплообмена. Влияние чисел
Рейнольдса и Прандтля на интенсивность процессов теплоотдачи.
4. Комбинированные методы интенсификации теплообмена: вибрацией поверхности и жидкости; перемешиванием жидкости, вдувом и отсосом; электростатическими и акустическими полями; использованием фазовых переходов: кипения,
испарения, конденсации.
4 часа.
5. Результаты исследований процессов интенсификации, проведенных в МГТУ
им. Н.Э. Баумана. Сравнительный анализ различных методов интенсификации.
2 часа.
6. Методы интенсификации в компактных, высокоэффективных теплообменных
аппаратах: пластинчатых, матричных, капельных, тепловых трубах (виды, схемы,
возможности).
4 часа.
2.1.1. СЕМИНАРЫ — 13 часов.
№ упражнения
1
2
3
4
5
6
Тема практических занятий
Расчет интенсификации теплопередачи за счет оребрения
Расчет контактного теплообмена и его интенсификация
Расчет интенсификации теплообмена режимом течения
Конвективный теплообмен при течении жидкости в каналах с интенсификаторами
Конвективный теплообмен при изменении агрегатного состояния жидкости
Комбинированные методы интенсификации
2.1.2. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА - 26 часов.
а) Домашние задания (16 часов).
№
1
2
Наименование домашних заданий
Расчет интенсификации теплопередачи за счет оребрения
стенки (8 час.)
Конвективный теплообмен при движении жидкости в каналах с интенсификаторами (8 час.)
б) Самостоятельная проработка курса (10 час.).
РАЗДЕЛ 3.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
3.1. Основная литература
1. Курс лекций.
2. Теория тепломассообмена. Учебник для вузов (под ред. А.И. Леонтьева) 2-е
изд. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997.
3. Задачник по технической термодинамике и теории тепломассообмена. Учебное
пособие для машиностроительных вузов (под ред. В.И. Крутова и Г.Б. Петражицкого) М.: Высшая школа, 1986.
4. Калинин Э.К., Дрейцер А.Г. Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1990.
1.
2.
3.
4.
3.2. Дополнительная литература
Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Учебник для вузов. 4-ое изд. Энергоатомиздат, 1981.
С.С. Кутателадзе. Основы теории теплообмена. изд. М.: Атомиздат. 1979.
А.В. Лыков. Тепломассообмен. 2-ое изд. М.: Энергия. 1978.
Интенсификация теплообмена: Успехи теплопередачи. 2/Под ред. А.А. Жукаускаса, Э.К. Калинина. Вильнюс: Мокслас, 1988.
3.3. Перечень пособий.
1. Для демонстрации на лекциях используются наглядные пособия: комплект
плакатов.
3.4. Использование ЭВМ.
Для выполнения домашних заданий – 10 часов на ПЭВМ (на каждого
студента).
Программа составлена на основании Государственного образовательного
стандарта высшего профессионального образования по специальности 070700
“Теплофизика”.