Для самостоятельной работы студентов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КРЫМСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В.И. ВЕРНАДСКОГО»

АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ЗАДАНИЯ

ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

по дисциплине

«Тепломассообмен»

направления подготовки 08.03.01 «Строительство »

по профилю «Теплогазоснабжение и вентиляция»

для студентов всех форм обучения

Симферополь 2015

Методические указания и задания к самостоятельной работе по дисциплине «Тепломассообмен» для студентов дневной и заочной форм обучения / Сост. С.Н.Анисимов. - Симферополь: КФУ им. В.И. Вернадского, АСА, 2015. - с.,

Составитель С.Н.Анисимов

Цель данных методических указаний - научить студентов методически правильно изучать теоретический материал дисциплины и решать практические задачи.

В указаниях дан обзор тематики, подлежащей изучению и методические указания по усвоению материала тем, кроме того, примерная классификация задач, общий подход к решению и методика решения за­дач по конкретньм темам. С целью закрепления теоретического материала и приобретения практических навыков для самостоятельного решения даны типовые задачи и приведены примеры решения. Исходные данные для решения задач выбираются по предпоследней и последней цифрам шифра зачетной книжки.

Прежде, чем приступить к изучению конкретных тем раздела курса, необходимо усвоить предмет, место и роль дисциплины в подготовке инженерных кадров, ее связь со смежными науками, историческое развитие, современный уровень и проблемы, перспективы развития.

1. ПРОГРАММА И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

1.1. Основные положения

1.1.1. Программа. Предмет и задачи теории теплообмена. Связь со смежными науками. Значение теплообмена в промышленных процессах. Основные понятия и определения. Виды переноса теплоты: теплопроводность, конвекция, излучение. Сложный теплообмен.

1.1.2. Методические указания. Предмет изучения теории теплообмена - закономерности распространения теплоты. Тепло- и массообмен - весьма сложные процессы. Аналитические методы позволяют эти процессы описать в самом общем виде системой дифференциальных урав­нений, однако получить решение, за исключением простейших случаев, практически невозможно. Поэтому, наряду с аналитическими, широко применяют экспериментальные исследования. Совокупность указанных методов позволяет получить универсальный аппарат для постановки опытов и обработки экспериментальных данных. Задача значительно упрощается, если исследование вести, выделив в теплообмене его отдельные составляющие. Из практики известно, что теплота может передаваться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. При этом каждый вид теплообмена имеет свою физическую природу и описы­вается своей аналитической зависимостью, выражающей соответствующий закон: Фурье - для теплопроводности, Ньютона - Рихмана - для конвек­ции и Стефана - Больцмана - для излучения.

Процессы переноса теплоты по своей природе делятся на два класса:

- процессы, в которых принимают участие структурные элементы среды, встречающейся на пути переноса (теплопроводность, конвекция);

- процессы, в которых структурные элементы среды не принимают участие (излучение).

Различают молекулярный и конвективный механизмы переноса теплоты.

Молекулярный перенос теплоты осуществляется посредством тепло­вого движения микрочастиц в среде с неоднородным распределением тем­пературы.

Конвективный происходит в среде с неоднородным распределением скорости и температуры макроскопическими элементами среды при их перемещении.

Теплопроводностью называется молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента температуры.

Конвективный теплообмен - это процесс, обусловленный совместным действием конвективного и молекулярного переносов теплоты. Следует подчеркнуть, что в инженерной практике большое значение имеет частный случай этого способа переноса теплоты - теплоотдача. Теплоотдачей называют конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой: твердым телом, жидкостью или с газом.

Теплообмен излучением - это процесс, в котором, по крайней мере дважды, происходит превращение энергии: внутренняя энергия вещества превращается в энергию излучения (энергия фотонов или электромагнитных волн излучаемых телом или средой), далее происходит распространение излучения в пространстве (процесс переноса излучения), затем энергия излучения поглощается веществом, которое оказалось на пути фотонов или электромагнитных волн.

В природных объектах и инженерных сооружениях теплота передается всеми тремя способами одновременно - такой процесс называется теп­лопередачей.

Теплопередача связана со сложными процессами, поэтому надо знать законы и методы анализа, применяемые в физике, термодинамике, гидрогазодинамике, химии.

[ 1, с. 7-24; 2, с. 313-325]

1.2. Теплопроводность

1.2.1. Программа

1.2.1.1. Основные положения теплопроводности. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Механизм передачи теплоты теплопроводностью. Дифференциальное уравнение теплопроводности для однородных изотропных тел; условия однозначности. Коэффициент температуропроводности.

1.2.1.2. Теплопроводность при стационарном режиме. Теплопро­водность однослойной и многослойной плоской и цилиндрической стенок при граничных условиях I рода. Теплопроводность сферической стенки. Теплопроводность при граничных условиях Ш рода (теплопередача). Теплопередача через однослойную и многослойную плоские и цилиндрические стенки; коэффициент теплопередачи. Интенсификация теплопередачи. Тепловая изоляция. Выбор целесообразного материала тепловой изоляции.

1.2.1.3. Теплопроводность при нестационарном режиме. Методы решения задач нестационарной теплопроводности. Охлаждение (нагревание) неограниченной пластины. Граничные условии I, II и III рода. Регулярный режим теплопроводности. Теплопроводность тел с внутренним источником теплоты. Основы расчета задач теплопроводности на ЭВМ.

1.2.2. Методические указания. Изучение теплопроводности надо начинать с закона Фурье. Перед этим обычно даются понятия температурного поля, градиента и теплового потока. Поскольку расчет теплопроводности в значительной степени зависит от коэффициента теплопровоности , надо сразу же разобраться в его физическом смысле и запомнить размерность. Кроме того, необходимо запомнить хотя бы порядок значений этого коэффициента для различных веществ - газов, жидких тел, металлов, изоляционных материалов и т.п. Надо знать также зависимость величины от температуры и свойств материалов (например, влажности). Когда изучены основные понятия теплопроводности и влияющие на нее величины, можно перейти к примерам применения полученных знаний.

Рассматривая теплопроводность элементарных тел (пластина, труба, шар), студент должен уметь применить закон Фурье для каждого случая, т.е. вывести уравнения, определяющие закон распределения темпе­ратур по толщине стенки и количество теплоты передаваемой через стенку. Надо обратить внимание на вид графика изменения температуры по толщине стенки и на возможность использования для расчета не только коэффициента теплопроводности, но и обратной ему величины , называемой сопротивлением теплопроводности, аналогичного электрическому сопротивлению. Очевидно, что при расчете теплопроводности могут определяться любые величины, входящие в формулу Фурье, в зависимости от того, какие из них заданы. При изучении процесса теплопередачи через стенку уметь анализировать влияние отдельных термических сопротивлений на общее сопротивление, а также знать способы уменьшения термических сопротивлений. В нестационарной теплопроводности обратить внимание на решение конкретных задач с помощью критериев и , усвоив их физический смысл и влияние на протекание процессов нагрева или охлаждения.

[1, с. 24-108; 2, с. 325-363]

1.3. Конвективный теплообмен

1.3.1. Программа

1.3.1.1. Основные положения учения о конвективном теплообмене. Физическая сущность конвективного теплообмена. Уравнение Ньютона - Рихмана. Дифференциальное уравнение теплообмена; система уравнений движения вязкой жидкости (система уравнений Навье - Стокса), уравнение энергии для потока движущейся жидкости (уравнение Фурье - Кирхгофа), уравнение теплоотдачи на границе потока и стенки (уравнение Био - Фурье), уравнение закона сохранения массы (неразрывности). Условия однозначности в применении к дифференциальным уравнениям конвективного теплообмена. Основные положения теории пограничного слоя. Местный и средний коэффициент теплоотдачи.

1.3.1.2. Основы теории подобия и моделирования. Основные определения. Условия подобия физических явлений. Первая теорема подобия. Преобразования подобия. Критериальные уравнения. Вторая теорема подобия, Определяющие критерии. Третья теорема подобия. Метод моделирования. Физический смысл основных критериев подобия. Анализ. Понятие о математическом моделировании.

1.3.1.3. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости. Теплообмен при движении жидкости вдоль плоской поверхности; теплоотдача при ламинарном и турбулентном пограничном слоях; аналитическое решение и решение методом теории подобия; расчетные уравнения.

1.3.1.4. Теплоотдача при вынужденном течении жидкости в трубах; теплоотдача при ламинарном и турбулентном течениях жидкости в гладких и шероховатых, прямых и изогнутых трубах круглого и некруглого сечений. Расчетные уравнения подобия. Теплоотдача при поперечном омывании одиночной круглой трубы. Теплоотдача при поперечном омывании пучков труб, расположенных коридорно и шахматно. Расчетные уравнения.

1.3.1.5. Теплоотдача при свободном течении жидкости. Теплоотдача при свободном движении жидкости в неограниченном объеме; ламинарная и турбулентная конвекции у вертикальных поверхностей. Естественная конвекция у горизонтальных труб. Расчетные уравнения.

1.3.1.6. Теплообмен при изменении агрегатного состояния. Теплообмен при конденсации. Пленочная и капельная конденсации. Теплоотдача при конденсации чистых паров. Решение Нуссельта. Расчетные уравнения коэффициента теплоотдачи для вертикальных и горизонтальных труб. Влияние на теплообмен при конденсации присутствующих в паре неконденсирующихся газов.

1.3.1.7. Теплообмен при кипении; механизм процесса теплообмена при пузырьковом и пленочном режимах кипения. Кризисы кипения. Теплоотдача при пузырьковом и пленочном кипениях жидкости в большом объеме. Расчетные уравнения для определения коэффициента теплоотдачи.

1.3.2. Методические указания.

В основе расчета конвективного теплообмена лежит закон Ньютона - Рихмана. Следует обратить внимание на его внешнее сходство с формулой Фурье и разобраться в механизме конвективного теплообмена и значений пограничного слоя.

Конвективный теплообмен наиболее труден для исследования. Для расчета передачи теплоты конвекцией необходимо знать числовые значения коэффициента теплоотдачи для каждого конкретного случая, но в отличие от , который легко определяется для различных веществ, не является физической константой, так как этот коэффициент характеризует не отдельное тело, а тепловое взаимодействие двух тел: жидкости (или газа) и твердого тела. Поэтому зависит от большо­го числа факторов. Система уравнений, описывающая конвективный теплообмен и, следовательно, позволяющая (в принципе) определить , может быть решена только для ограниченного числа простейших случаев и то с определенными допущениями. Получение числовых значений из эксперимента на натуре экономически нецелесообразно: необходимо про­вести большое количество опытов, чтобы выяснить влияние на этот коэффициент каждого из действующих факторов, причем мы получим ответ лишь для частного случая. Дело осложняется еще и тем, что различные величины, от которых зависит , часто взаимосвязаны: например, при изменении температуры меняется вязкость, теплоемкость, коэффициент теплопроводности и др. Выход из положения дает теория подобия. Она, во-первых, дает возможность проводить эксперименты не на натуре, а на модели, и результаты опытов на модели распространить на всю группу подобных явлений (понятие группы явлений уже, чем понятие класса явлений, но шире понятия единичного явления); во-вторых, основываясь на системе дифференциальных уравнений конвективного теплообмена, она четко определяет условия подобия физических явлений и процессов. Обработка экспериментальных данных в критериальной форме позволяет выявить главные факторы, влияющие на значение , и отбросить второстепенные. Рассматривая, например, вынужденное движе­ние жидкости в трубе и считая температуру жидкости и стенки трубы раз­личными, можно определить тепловой поток между ними. Для этого необ­ходимо знать коэффициент теплоотдачи . Желательно иметь данные о величине , но только для выбранной трубы, рода жидкости и ее скорости, но и для других условий. Это оказывается возможным с помощью теории подобия. Определяемый критерий Нуссельта, в который входит , при вынужденном движении жидкости зависит в основном от двух параметров: критерия Рейнольдса: , определяющего режим движения жидкости, и критерия Прандтля; , определяющего физические свойства жидкости. Следователь­но, . Замеряя величины, входящие в критерии, в серии опытов получим таблицы, определяющие величину (а следовательно, и ) в зависимости от значений и , Результаты эти Обычно представляют приближенно в виде степенной функции .

По формулам такого типа обычно и рассчитывают коэффициент теплоотдачи . Студент должен четко уяснить физический смысл критериев (Рейнольдса, Прандтля, Грасгофа, Нуссельта) и применять при расчетах те критериальные зависимости, которые соответствуют конкретному виду задачи. Переходя к изучению отдельных видов теплоотдачи, а также конкретных задач, необходимо внимательно изучить те предположения и допущения, на базе которых строится их решение. Поэтому одна из основных задач для студента при изучении этой темы - четкое усвоение ответов на следующие вопросы:

1. Каким образом (с помощью каких аналитических зависимостей) находятся определяющие критерии?

2. Какой критериальной зависимостью следует воспользоваться для конкретного случая расчета коэффициента ? (Для этого нужно определить характер движения - ламинарный или турбулентный и природу его возникновения свободное или вынужденное.)

3. Каковы определяющий размер и определяющая температура? (Определяющей при экспериментах выбирается или температура стенки, или средняя температура в тепловом пограничном слое, или средняя температура потока жидкости. На выбор той или иной температуры указывает соответствующий индекс у критериев.)

4. Находятся ли параметры задачи в интервале значений крите­риев, для которого справедлива выбранная формула?

[1, с. 108-210; 2, с. 363-421]

1.4. Теплообмен излучением

1.4.1. Программа.

1.4.1.1. Общие понятия и определения; баланс лучистого теплообмена; интервал частот теплового излучения. Основные законы лучистого теплообмена. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой; коэффициент облученности; теплообмен излучением между телами, произвольно расположенными в пространстве. Защита от излучения. Излучение газов; лучистый теплообмен в топках и камерах сгорания.

1.4.2. Методические указания. При изучении этой темы студент должен прежде всего уяснить принципиальное отличие теплообмена излучением от теплообмена теплопроводностью и конвекцией. В процессе теплообмена излучением осуществляется двойное превращение энергии - сначала тепловой энергии в энергию электромагнитного излучения, а затем энергии электромагнитного излучения в тепловую. Поскольку тела поглощают лишь часть энергии электромагнитного излучения (частично отражая или пропуская ее через себя), основным вопросом при исследовании теплообмена излучением является вопрос о количественном соотношении между отраженной, поглощенной и пропущенной через тело энергиями. Действительно, при защите объектов от лучистой энергии на пути ее распространения нужно ставить экраны, мак­симально отражающие лучистую энергию. Наоборот, при необходимости получения максимального количества тепловой энергии излучения нужно телу, воспринимающему лучистую энергию, придать такие свойства, чтобы оно поглощало ее максимум (покрытие поверхности тела краской, шероховатость поверхности тела и т.п. И наконец, если требуется, чтобы максимум лучистой энергии пропускался через тело (твердую стенку), то выбирают стенку с соответствующими свойствами. Основные законы излучения и экспериментальные данные свойств отдельных тел позволяют решать конкретные задачи, связанные с лучистым теплообменом. Поэтому студенту следует усвоить законы Планка, Вина, Кирхгофа, Стефана - Больцмана, Ламберта, методику и область их применения. Поскольку на практике, как правило, участвуют все вицы тепло­обмена (теплопроводность, конвекция, излучение) совместно, то студент при решении тех или иных задач должен достаточно четко представлять себе: виды теплообмена, участвующие в рассматриваемом случае; каким видом теплообмена можно пренебречь для упрощения решения задачи (без больших погрешностей)?

[ 1, с. 312-379; 2, с. 421-4; 7]

1.5. Теплопередача. Основы расчета теплообменных аппаратов

1.5.1. Программа.

1.5.1.1. Теплопередача при переменных температурах, баланс теплопередачи при переменных температурах; основные схемы движения и теплообмена потоков теплоносителей. Теплоносители, их основные характеристики. Требования, предъявляемые к теплоносителям.

1.5.1.2. Обобщенные уравнения теплопередачи при переменных температурах для теплового потока и средней разности температур любой схемы теп­лообмена; средняя разность температур для любой схемы (по индексу противоточности); уравнения теплопередачи при переменных темпера­турах для прямотока, противотока, испарителя, конденсатора. Сложный теплообмен. Методы интенсификации теплопередачи.

1.5.1.3. Назначение, классификация и схемы теплообменных аппаратов. Принципы расчета теплообменных аппаратов. Конструктивный и повероч­ный тепловые расчеты теплообменных аппаратов. Основы гидродинамическо­го расчета теплообменных аппаратов. Применение ЭВМ для решения за­дач расчета, моделирования и оптимизации процессов теплообмена.

1.5.2. Методические указания. При изучении этой темы студент должен обратить внимание на способы интенсификации теплообмена в теплообменниках, уметь анализировать влияние на коэффициент тепло­передачи различных факторов и определять решающие из них. Усвоить методику вывода формулы среднего температурного напора для рекупе­ративных теплообменников, знать ограничения, допущенные при ее вы­воде, уметь рассчитывать теплообменники при различных схемах движе­ния теплоносителей (противоток и прямоток), а также анализировать полученные результаты.

[1, с. 379-400; 2, с. 447-460]

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

К решению задач следует приступать только после изучения соот­ветствующих разделов курса.

2.1. Примерная классификации задач

Как правило, задачи, связанные с расчетами теплопередачи, комплексные. Это означает, что в большинстве задач приходится рассматривать все виды теплообмена.

В общем случае задачи можно разделить на следующие группы расчетов:

- процессы передачи теплоты теплопроводностью;

- процессы передачи теплоты конвекцией;

- процессы передачи теплоты излучением;

- теплообменные аппараты.

2.2. Общий план решения задач

При решении задач можно выделить следующие этапы:

- ознакомление с условиями задачи и исходными данными;

- анализ условия и исходных данных, определение конкретного вида теплообмена;

- выбор уранненин, описывающего данный вид теплообмена;

- анализ выбранного уравнения совместно с условиями задачи с целью доопределения необходимых для проведения расчетов величин;

- определение величин, требуемых по условию задачи.

2.2.1. Расчет процессов передачи теплоты теплопроводностью.

Основные этапы решения задач:

- на основании условия задачи установить характер процесса теплопроводности (стационарный или нестационарный) и уяснить граничные условия;

- выбрать уравнения, соответствующие заданному процессу теплопроводности;

- на основе совместного анализа уравнения, описывающего заданный процесс, и условий задачи рассчитать все вспомогательные величины; определить все требуемые по условию задачи величины; провести анализ полученных результатов;

- в случае необходимости, дать графическую интерпретацию полученных результатов.

2.2.2. Расчет процессов передачи теплоты конвекцией.

Основные этапы решения задач:

- на основе анализа условий задачи установить характер конвекции (свободная или вынужденная);

- определить значения соответствующих критериев и установить режим движения жидкости (газа);

- подобрать критериальные уравнения, необходимые для данного режима;

- определить коэффициент теплоотдачи;

- найти все другие, требуемые по условию задачи величины; провести анализ подученных результатов;

- в случае необходимости₎ дать графическую интерпретацию полученных результатов.

2.2.3. Расчет процессов передачи теплоты излучением.

Основные этапы решения задач:

- на основе анализа условий задачи и исходных данных подобрать расчетные зависимости, описыващие данный процесс;

- рассчитать все вспомогательные величины;

- определить все другие, требуемые по условиям задачи, величины; провести анализ полученных результатов;

- в случае необходимости, дать графическую интерпретацию полученных результатов.

2.2.4. Расчет теплообменных аппаратов.

Основные этапы решения задач:

- на основе анализа условий задачи и исходных данных необходимо уяснить тип расчета (конструктивный или поверочный);

- провести анализ уравнения теплопередачи исходя из установленно­го типа расчета;

- рассчитать все вспомогательные величины; определить все требуемые по условию задачи величины; провести анализ полученных результатов;

- в случае необходимости, дать графическую интерпретацию получен­ных результатов.