(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) ИНСТИТУТ ТЕПЛОВОЙ И АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ИТАЭ) ___________________________________________________________________________________________________________
Направление подготовки: 140700 Ядерная энергетика и теплофизика
Профили подготовки: теплофизика
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
"ТЕПЛОМАССООБМЕН"
Цикл:
профессиональных дисциплин
Часть цикла:
вариативная
№ дисциплины по учебному плану:
ИТАЭ; Б3.14
Часов (всего) по учебному плану:
288
Трудоемкость в зачетных единицах:
8
7 семестр – 5; 8 семестр - 3
Лекции
117 часов
7, 8 семестры
Практические занятия
66 часов
7, 8 семестры
Лабораторные работы
не предусмотрены
Расчетные задания, рефераты
18 часов самостоят. работы
7 семестр
Объем самостоятельной работы по учебному плану (всего)
105 часов
Экзамены
7, 8 семестры
Курсовые проекты (работы)
не предусмотрены
Москва - 2010
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью дисциплины является изучение механизмов основных видов конвективного однофазного теплообмена и теплообмена при фазовых превращениях и практическое освоение современных методов расчета этих процессов.
По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:
к самостоятельной, индивидуальной работе, принятию решений в рамках своей профессиональной компетенции (ОК-7);
применять основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации, использовать компьютер как средство работы с информацией (ОК-11);
к практическому анализу логики различного рода рассуждений, к публичным выступлениям, аргументации, ведению дискуссии и полемики (ОК-12);
анализировать научно-техническую информацию, изучать отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования (ПК-6);
к проведению физического и численного эксперимента, к разработке с этой целью соответствующих экспериментальных стендов (ПК-12);
проводить расчеты теплофизических характеристик процессов, протекающих в конкретных технических устройствах, по существующим методикам с использованием справочной литературы (ПСК – 1);
к участию в проведении теплофизического эксперимента и в обработке опытных данных (ПСК – 2).
Задачами дисциплины являются
обеспечить понимание содержания законов сохранения массы, импульса, энергии и массы компонента в смеси и роли этих общих законов в решении задач тепломассообмена;
научить составлять математическое описание процессов теплообмена применительно к типовым конструкциям и режимам работы теплообменного оборудования;
познакомить обучающихся с содержанием и методами теории подобия применительно к изучению процессов тепломассообмена;
дать анализ и обеспечить понимание физических механизмов переноса тепла в различных задачах однофазного конвективного теплообмена;
дать информацию о современных подходах к анализу содержания и методов моделирования процессов теплообмена при конденсации и кипении;
научить рассчитывать интенсивность различных видов теплообмена на основе научно обоснованных соотношений и определять температурный режим работы элементов теплообменных устройств.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО
Дисциплина относится к вариативной части профессионального цикла Б.3 основной образовательной программы подготовки бакалавров по профилю Теплофизика направления 140700 Ядерная энергетика и теплофизика
Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: Математика, Физика (общая), Физика специальная, Термодинамика.
Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении бакалаврской выпускной квалификационной работы и изучении дисциплин «Экспериментальная теплофизика», «Численное решение задач теплофизики», а также программы магистерской подготовки по теплофизике.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:
Знать:
содержание и математическое выражение законов сохранения массы, импульса, энергии и массы компонента в смеси, содержание и методы теории подобия применительно к решению задач теплообмена (ОК-7, ПК-2);
физические механизмы переноса тепла при вынужденной и свободной однофазной конвекции и методы расчета соответствующих процесссов теплообмена (ПК-2, ПСК-1);
закономерности процессов и методы расчета теплообмена при фазовых превращениях (ПК-2, ПСК-1);
источники научно-технической информации (журналы, сайты Интернет) по различным проблемам теплообмена (ПК-6);
основные источники научно-технической информации о методах расчета процессов теплообмена и теплофизических свойствах веществ (ОК-7, ПК-8).
Уметь:
составлять математическое описание процессов теплообмена применительно к типовым конструкциям и режимам работы теплообменного оборудования (ОК-7, ПК-2);
самостоятельно выбирать адекватную задаче методику расчета типовых поцессов теплообмена и определять температурный режим работы элементов теплообменных устройств (ОК-7, ПК-8);
использовать стандартные программы для численного моделирования процессов теплообмена (ПК-12);
осуществлять поиск и анализировать научную и научно-техническую информацию в текущей научной периодике и в Интернет (ПК-6);
участвовать в проведении теплофизических экспериментов по изучению процессов гидродинамики и теплообмена (ПК-12).
Владеть:
терминологией в области теплоомассобмена (ОК-2);
навыками дискуссии по профессиональной тематике (ОК-12);
методиками проведения расчетов типичных процессов теплообмена (ПК-8);
навыками самостоятельной работы на компьютере, проведения численных исследований теплообмена (ПК-12).
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1 Структура дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 8 зачетных единиц, 288 часов.
№
п/п
Раздел дисциплины.
Форма промежуточной аттестации (по семестрам)
Всего часов на раздел
Семестр
Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)
Формы текущего контроля успеваемости
(по разделам)
лк
пр
лаб
сам.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
Коэффициент теплоотдачи. Классификация процессов конвективного теплообмена. Качественное обоснование расчетных уравнений.
14
7
8
4
2
Контрольный опрос
2
Математическое описание процессов конвективного тепломассообмена
14
7
8
2
4
Индивидуальное задание, контрольный опрос
3
Применение теории подобия к анализу тепломассообмена
12
7
8
2
2
Контрольный опрос
4
Теплообмен при внешнем обтекании тела. Ламинарный пограничный слой. Переход к турбулентному течению. Осредненные уравнения.
18
7
8
6
4
Типовой расчет, контрольный опрос
5
Механизм турбулентного переноса импульса и методы его моделирования. Аналогия Рейнольдса. Расчетные соотношения для теплоотдачи. Теплообмен при поперечном обтекании пучков труб.
22
7
10
6
6
Типовой расчет, контрольный опрос
6
Теплообмен при свободной конвекции в пограничном слое и в замкнутых объемах
16
7
8
4
4
Домашнее задание, контрольный опрос
7
Математическое описание теплообмена в круглых трубах. Интеграл Лайона. Стабилизированный теплообмен при ламинарном и турбулентном течении.
22
7
10
6
6
Домашнее задание, контрольный опрос
8
Теплообмен при ламинарном течении жидкости в начальном участке круглой трубы. Начальный участок при турбулентном течении. Влияние переменности свойств теплоносителя. Влияние свободной конвекции. Теплообмен при СКД. Интенсификация конвективного теплообмена.
24
7
12
6
6
Домашнее задание, контрольный опрос, зачет
Зачет
2
7
--
--
--
2
Устный зачет
Экзамен
36
7
--
--
--
36
Устный экзамен
Итого
180
7
72
36
--
72
9
Модели двухфазных сред. Универсальные и специальные условия совместности; неравновесные эффекты. Количественные характеристики двухфазных потоков.
20
8
10
8
2
Контрольный опрос
10
Теплообмен при конденсации на вертикальной плоскости и поверхности горизонтальной трубы. Конденсация в трубах. Методы интенсификации.
22
8
10
8
4
Домашнее задание, контрольный опрос
11
Физика кипения: зарождение паровой фазы, рост паровых пузырьков, условия отрыва от стенки.
19
8
11
4
4
Контрольный опрос
12
Кривая кипения. Теплообмен при пленочном и переходном кипении. Механизм и методика расчета теплообмена при пузырьковом кипении. Кипение в потоке. Кризисы кипения.
27
8
14
10
3
Домашнее задание, контрольный опрос, зачет
Зачет
2
8
--
--
--
2
Устный зачет
Экзамен
18
8
--
--
--
18
Устный экзамен
Итого
108
8
45
30
33
Итого:
288
7,8
117
66
--
105
4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения
4.2.1. Лекции :
7 семестр
1.Введение
Содержание и классификация задач конвективного теплообмена. Связь молекулярного и конвективного переноса тепла в движущейся жидкости. Коэффициент теплоотдачи, число Нуссельта.
Качественные закономерности и расчетные формулы для тепллобмена при обтекании плоской пластины и для течения в круглых трубах.
2. Математическое описание процессов конвективного тепломассообмена
Общая форма уравнений сохранения при эйлеровом методе описания. Уравнение сохранения массы (неразрывности). Уравнение сохранения импульса; тензоры плотности потока импульса, давлений и вязких напряжений; различные формы дифференциального уравнения сохранения импульса. Уравнение сохранения энергии в движущейся среде; плотность потока полной энергии; различные формы дифференциального уравнения энергии. Уравнение сохранения массы компонента в бинарной смеси; влияние диффузионного потока массы компонента на перенос импульса и энергии в бинарной смеси. Аналогия процессов переноса импульса, энергии и массы компонента в смеси.
3. Основы теории подобия
Подобие физических явлений. Теоремы теории подобия. Подобие и аналогия. Теория подобия как научная основа экспериментальных исследований. Теория подобия и моделирование. Физический смысл чисел подобия в механике однофазных и двухфазных систем, в процессах конвективного тепло- и массообмена. Теория размерностей.
4. Теплообмен при внешнем обтекании тела.
Система уравнений температурного (теплового) пограничного слоя. Анализ теплообмена при ламинарном течении в погранслое методами размерностей. Теплообмен при ламинарном обтекании изотермической пластины; анализ предельных по числу Прандтля случаев.
Переход к турбулентному режиму течения в пограничном слое и в каналах: основные результаты теоретического анализа устойчивости, факторы, влияющие на переход к турбулентному течению. Осредненные уравнения движения и энергии для турбулентного течения; кажущиеся напряжения турбулентного трения, турбулентный тепловой поток. Структура пристенной турбулентной области. Механизм турбулентного переноса импульса и методы его моделирования.
Аналогия Рейнольдса для теплообмена при турбулентном течении в пограничном слое. Ее модернизированный вариант (двухслойная схема), расчетные соотношения для теплоотдачи.
Теплообмен при поперечном обтекании одиночного цилиндра и пучков труб.
5. Теплообмен при свободной конвекции
Механизм и математическое описание свободной конвекции, приближение Буссинеска, максимальная скорость свободной конвекции. Свободноконвективный пограничный слой на вертикальной плоскости, расчет коэффициента теплоотдачи при ламинарном и турбулентном течении. Свободная конвекция у поверхности горизонтального цилиндра и сферы. Свободная конвекция на горизонтальной плоскости, в прослойках и в замкнутых объемах.
6. Теплообмен при течении жидкости в каналах
Математическое описание теплообмена в круглых трубах. Тепловой баланс, среднемассовая скорость и температура. Стабилизированный теплообмен при граничных условиях 2-го рода, профили скорости, температуры, теплового потока при ламинарном и турбулентном течении; интеграл Лайона. Стабилизированный теплообмен при ламинарном течении. Стабилизированный теплообмен при турбулентном течении: результаты теоретического анализа для неметаллических жидкостей и жидких металлов, расчетные формулы. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в начальном термическом участке круглой трубы. Начальный гидродинамический участок. Начальный участок при турбулентном течении.
Влияние переменности свойств жидкости на теплообмен при течении в трубах капельных жидкостей и газов. Теплообмен в однофазной сверхкритической области. Влияние свободной конвекции на теплообмен при вынужденном течении жидкостей в трубах различной ориентации. Методы интенсификации процессов однофазного конвективного теплообмена.
8 семестр
7.Введение в механику двухфазных сред
Математическое описание и модели двухфазных сред. Скорость границы раздела фаз. Универсальные условия совместности на межфазных границах: вывод в общей форме, запись для потоков массы, импульса, энергии и массы компонента в смеси. Универсальные условия совместности в системе отсчета наблюдателя. Специальные условия совместности для процессов тепломассообмена. Неравновесность на межфазных границах; квазиравновесное приближение.
8.Теплообмен при конденсации пара
Пленочная и капельная конденсация. Теплообмен при пленочной конденсации на вертикальной плоскости (задача Нуссельта). Конденсация на поверхности горизонтального цилиндра. Анализ основных допущений в задаче Нуссельта, расчетные формулы. Теплообмен при конденсации в условиях турбулентного течения пленки. Конденсация движущегося пара. Теплообмен при конденсации в трубах при турбулентном течении двухфазной смеси. Конденсация на пучках труб и методы ее интенсификации. Качественные закономерности капельной конденсации.
9. Теплообмен при кипении жидкостей
Условия зарождения парового зародыша в объеме перегретой жидкости и на твердой поверхности нагрева. Рост паровых пузырьков в объеме однородно перегретой жидкости: анализ «предельных»схем роста, решения для динамической инерционной и тепловой энергетической схем роста, особенности роста при больших числах Якоба. Основные закономерности роста и отрыва паровых пузырьков на твердой поверхности. “Кривая кипения”. Теплообмен при пузырьковом кипении в большом объеме (механизм процесса, обоснование расчетного уравнения). Теплообмен при пленочном и переходном кипении. Кризисы кипения в большом объеме.
Количественные характеристики и режимы течения двухфазных потоков в трубах. Характер изменения среднемассовой температуры жидкости, температуры стенки, расходного массового паросодержания по длине обогреваемого канала. Теплообмен при кипении жидкости в условиях ее вынужденного движения. Кризис теплоотдачи при кипении в трубах.
4.2.2. Практические занятия
7 семестр
Составление математического описания процессов конвективного теплообмена.
Расчет теплоотдачи при продольном ламинарном и турбулентном обтекании пластины. Тепловой баланс и среднемассовая температура в канале.
Расчет теплоотдачи при поперечном обтекании трубы и пучков труб.
Расчет теплоотдачи при стабилизированном течении и в условиях начального гидродинамического и термического участков в трубах.
Теплообмен при свободной конвекции.
8 семестр
Расчет теплоотдачи с учетом переменности теплофизических свойств веществ.
Теплообмен в шероховатых трубах.
Расчет теплообмена при конденсации на наружной поверхности.
Расчет теплообмена при конденсации при течении в каналах.
Теплообмен при кипении в условиях свободного движения (в большом объеме).
Расчет теплообмена при кипении в каналах (при вынужденном течении).
Расчет критического теплового потока при кипении в объеме..
4.3. Лабораторные работы учебным планом не предусмотрены.
4.4. Расчетные задания.Примерные темы расчетных заданий:
Составление математического описания и решение задачи о теплообмене для простых геометрических условий (пластина, плоский канал).
Расчет поля температур и теплоотдачи при ламинарном течении жидкостей в каналах при различных граничных условиях.
Конкретные темы расчетных заданий включены в Учебно-методический комплекс по дисциплине. 4.5. Курсовые проекты и курсовые работы
Курсовой проект (курсовая работа) учебным планом не предусмотрен. 5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Лекционные занятия проводятся в традиционной форме, но с широким использованием специально подготовленных раздаточных материалов. На Интернет портале МЭИ на сайте кафедры ИТФ имеется раздел по курсу «Тепломассообмен», доступный каждому студенту. Представлены программа курса, программа государственного экзамена, варианты 6 контрольных опросов, типовые задачи по курсу, раздаточный материал (графики собственных функций и таблицы членов ряда в задаче Гретца-Нуссельта, таблицы поправочных множителей для расчета теплоотдачи при переменных свойствах теплоносителя и т.п.), справочная информация. Практические занятия. Многие практические занятия проводятся так, что в аудитории обсуждается общий алгоритм решения, а в качестве домашнего задания предлагается проведение многовариантных расчетов. Эти расчеты студенты выполняют обычно в среде Mathcad.
Проводится занятие с демонстрацией фотографий (с использованием компьютерного проектора) характерных картин течения жидкостей и газов у различных твердых поверхностей. Фотографии взяты из известного альбома течений Ван Дайка. За одно занятие удается обсудить более 40 характерных случаев течения.
Самостоятельная работа включает выполнение домашних заданий к практическим занятиям, выполнение расчетного задания, подготовку к контрольным опросам, подготовку к зачету и экзамену.
6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В каждом семестре проводится по три контрольных опроса, охватывающих весь теоретический материал. Это – форма контроля самостоятельной работы студентов. На практических занятиях проводится по три контрольных работы в семестр. Успешная сдача контрольных опросов и написание контрольных работ, самостоятельное решение обязательного набора домашних заданий, выполнение и защита типового расчета – условие получения семестрового зачета по курсу.
Темы типовых расчетов, варианты контрольных заданий и шести контрольных опросов для проведения текущего контроля, а также для контроля самостоятельной работы обучающегося по отдельным разделам дисциплины, и перечень вопросов для промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (зачет, экзамен), включены в Учебно-методический комплекс по дисциплине. Все эти материалы размещены на сайте кафедры в Интернет.
Аттестация по дисциплине – зачет и экзамен.
Оценка за освоение дисциплины, определяется по итогам экзамена, но с учетом работы студента в семестре. Последнее обычно существенно, когда результаты экзамена оказываются ниже, чем уровень работы студента в течение семестра.
В приложение к диплому вносится оценка за 8 семестр, поскольку по курсу «Тепломассообмен» предусмотрен итоговый госэкзамен.
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
7.1. Литература:
а) основная литература:
Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А., Соловьев С.Л. Теплообмен в ядерных энергетических установках. – М.: Издательство МЭИ, 2003.
Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассобмен. - 2-е изд., испр. и доп- М.: Издательство МЭИ, 2005.
Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных систем. - 2-е изд., испр. и доп. М.: Издательский дом МЭИ, 2007.
Цветков Ф.Ф., Керимов Р.В, Величко В.И. Задачник по тепломассообмену. - М.: Изд-во МЭИ, 1997.
б) дополнительная литература:
Теория тепломассообмена. Ред. А.И. Леонтьев. - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана. 1997.
Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общей ред. А.В. Клименко и В.М. Зорина. - М.: Изд-во МЭИ, 2001.
Варгафтик Н.Б. Теплофизические свойства газов и жидкостей. - М.: Наука, 1972.
Справочник по теплообменникам: В 2 т.: Пер. с англ. Под. ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. М.: Энергоатомиздат, 1987.
7.2. Электронные образовательные ресурсы
а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
На сайте кафедры ИТФ МЭИ имеется раздел «Материалы по курсу Тепломассообмен», о котором говорится в разделе 5 настоящей программы (http://itf-mpei.ru/kafedra/library/lection-examination/tmo). В этих материалах приводится около 80 типовых задач по расчету различных типов теплообмена, более 20 вариантов типовых расчетов, варианты 6 контрольных опросов для контроля текущей самостоятельной работы студентов, перечень вопросов для повторения перед экзаменом 7 семестра, программа госэкзамена, раздаточные и справочные материалы, дополнительная литература для самостоятельной работы, включающая монографии и научные статьи. б) другие:
Проводится занятие с демонстрацией слайдов (с использованием компьютерного проектора) характерных картин течения жидкостей и газов у различных твердых поверхностей. Фотографии взяты из известного альбома течений Ван Дайка. За одно занятие удается обсудить более 40 характерных случаев течения. 8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной компьютерным проектором для демонстрации слайдов и учебных фильмов.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 140700 «Ядерная энергетика и теплофизика» и профилю «Теплофизика».
Рабочая программа дисциплины (модуля) Теория автоматов входит в цикл профессиональных дисциплин в базовой части. Для её успешного изучения необходимы знания и умения,...