Содержание

	стр.
ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.................................................................
1.	СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (ПРОГРАММА) И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ТЕМАМ ПЕРВОГО СЕМЕСТРА
	1.1.	Теория теплопроводности.....................................................................
	1.2.	Основы конвективного теплообмена и теории подобия. Теплообмен в однофазной среде.........................................................................
2.	СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (ПРОГРАММА) И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ТЕМАМ ВТОРОГО СЕМЕСТРА
	2.1.	Теплообмен при изменении агрегатного состояния...........................
	2.2.	Тепло- и массообмен в двухкомпонентных средах............................
	2.3.	Лучистый и сложный теплообмен........................................................
	2.4.	Теплообменные аппараты.....................................................................
3.	КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ........................................................................
	3.1.	Методические указания по выполнению контрольных работ...........
	3.2.	Контрольная работа № 1.......................................................................
	3.3.	Контрольная работа № 2.......................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Неуклонный рост потребления энергии является характерной чертой научно-технического развития общества, выдвигающей перед инженерной практикой все более сложные задачи по разработке высокоэффективного оборудования.

Холодильная и криогенная техника, как и кондиционирование воздуха, относятся к энергоемким потребляющим отраслям и являются потенциальными объектами энергосбережения. В условиях огромных масштабов производства энергии, истощения традиционных невозобновляемых источников ее производства и все более ощутимого влияния этих факторов на экологическую обстановку оптимизация энерготехнологического оборудования потребляющих отраслей становится актуальной задачей. Решение ее требует теоретической подготовки инженерно-технических кадров, овладения фундаментальными основами специальностей в практическом аспекте.

Дисциплина "Тепломассоперенос" наряду с технической термодинамикой является теоретической базой специальностей 090507 и 090520. Цель ее изучения – подготовить студентов не только к усвоению вопросов тепломассообмена в спецкурсах, но и к использованию полученных знаний, умений и навыков в дипломном проектировании и в профессиональной деятельности.

Изучение тепломассопереноса как раздела технической физики базируется на знаниях высшей математики, физики, гидравлики и технической термодинамики. В соответствии с действующими учебными планами изучение дисциплины "Тепломассообмен" проводится в течение двух семестров.

Во время установочной сессии студенты прослушивают краткий лекционный курс и получают контрольные задания с методическими указаниями. Цель установочных лекций – сформировать общее представление о предмете и дать рекомендации по его изучению. Освоение курса должно проводиться студентом-заочником, в основном, самостоятельно, путем схематического изучения разделов по рекомендуемой литературе с решением задач и подготовкой ответов на контрольные вопросы.

С целью более прочного и глубокого усвоения фактического материала и теоретических положений курса, а также приобретения расчетных и экспериментальных навыков, в период лабораторно-экзаменационной сессии студент проводит ряд лабораторных работ. В этот же период студентам читаются обзорные лекции, предназначенные для углубленного рассмотрения наиболее сложных и трудных для усвоения разделов. К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, изучившие методику их проведения (непосредственно в лаборатории) и подготовившие бланки протоколов по установленной форме.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная:

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – Москва: Энергия, 1981. – 416 с.

2. Сборник задач по процессам теплообмена и пищевой промышленности. / Данилова Г.Н. и др. – Москва, 1986.

3. Теоретические основы хладотехники. Тепломассообмен. / Под ред. проф. Гуйго Э.И. – Москва: Агропромиздат, 1986. – 320 с.

Дополнительная:

4. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Москва: Энергия, 1973. – 318 с.

5. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. – Москва: Энергия, 1980. – 288 с.

6. В.В. Авчухов, Б.Я. Паюсте. Задачник по процессам тепломассообмена. – М.: Энергоиздат, 1986. – 140 с.

7. Холодильная техника: Свойства веществ. Справочник / Сост. Богданов С.Н. и др. – Л.: Машиностроение, 1976 либо Агропромиздат, 1985.

8. Лабай В.Й. Тепломасообмін.– Львів: Тріада Плюс, 1998. – 256 с.

9. А.И. Погорелов. Тепломассообмен. – Одесса: Черноморье, 1999. – 120 с.

1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (ПРОГРАММА)

И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ТЕМАМ

ПЕРВОГО СЕМЕСТРА

Предмет курса тепломассоперенос. Области его применения. Значение тепломассопереноса в технике. Место этой дисциплины в подготовке холодильщиков и криогенщиков. Основные этапы развития учения о тепломассопереносе. Развитие учения о тепломассопереносе в Украине.

Основные способы распространения тепла: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение. Сложные процессы передачи тепла.

Литература: [1], [3], [4], [9].

1.1. Теория теплопроводности

Теплопроводность и теплопередача при стационарном режиме. Процесс теплопроводности с точки зрения кинетической теории материи, его макроскопическая модель. Температурное поле, температурный градиент, плотность теплового потока.

Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности, его зависимость от различных факторов. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности. Граничные условия I, II, III, IV рода. Закон Ньютона-Рихмана. Стационарные условия. Передача теплоты через одно- и многослойную плоские стенки при граничных условиях I и II родов. Термические сопротивления и коэффициент теплопередачи. Передача теплоты через цилиндрические стенки при граничных условия I и III родов. Линейные: плотность потока теплоты, термические сопротивления, коэффициент теплопередачи. Критический диаметр цилиндрической стенки, выбор толщины тепловой изоляции.

Нестационарный тепловой режим. Методы решения задач теплопроводности при нестационарном режиме. Охлаждение и нагрев тел (параллелепипеда и цилиндра) конечной длины. Теплоты в процессе нестационарной теплопроводности.

Регулярный режим нагревания (охлаждения) тел. Теорема Кондратьева. Роль теории регулярного режима при исследовании теплофизических характеристик тел.

Теплопроводность в стержне (ребре) постоянного поперечного сечения. Теплопередача через плоскую ребристую стенку. Способы интенсификации процессов теплопередачи. Связь вопросов интенсификации теплопередачи с проблемами экономии энергетических и материальных ресурсов.

Литература:

[1], гл. 1, 2, 3 (1.1–1.7, 2.1–2.3, 2.6, 2.7–2.8, 3.1–3.6, 3.8–3.11);

[3], гл. 1, 2, 3 (3.1–3.6), 13 (13.1–13.5);

[4], гл. 1 (1.1–1.3), 6 (6.1–6.4), 7, 10 (10.5–10.6);

[8], разд. I, II, VI;

[9], гл. 1 (1.1, 1.2.2, 1.2.4, 1.2.6, 1.3.1, 1.3.2).

Методические указания. В результате изучения темы студент должен получить отчетливое представление о трех механизмах переноса тепла, а также понять и усвоить метод вывода дифференциального уравнения теплопроводности. Следует обратить особое внимание на то, что дифференциальное уравнение теплопроводности выражает закон сохранения энергии применительно к особенностям процесса теплопроводности. Нужно уяснить, что дифференциальное уравнение теплопроводности описывает целый класс явлений и что для выделения из этого класса какого-то единичного явления необходимо к этому уравнению присоединить начальные и граничные условия, а также конкретизировать физические свойства (l, с, r) среды, в которой протекает процесс, и геометрическую форму тела. Необходимо обратить внимание на физический смысл частных производных от температуры, а также на то, что дифференциальное уравнение описывает протекание изучаемого процесса в любой "материальной точке" тела.

Следует отчетливо усвоить физический смысл коэффициентов теплопроводности, температуропроводности, теплоотдачи и теплопередачи и знать их размерности. Надо представлять себе порядок величин коэффициента теплопроводности для металлов, строительных и теплоизоляционных материалов, жидкостей и газов. Должен быть твердо усвоен общий метод решения задач о передаче тепла при установившемся режиме через плоскую и цилиндрическую стенку при граничных условиях первого и третьего рода. При этом следует обратить внимание на понятия коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопередачи. Надо уметь анализировать влияние отдельных термических сопротивлений на коэффициент теплопередачи и распределение температур. Необходимо обратить внимание на различие в закономерностях коэффициентов теплопередачи плоской и цилиндрической стенки и понять, чем оно объясняется.

При изучении материала по теме теплопроводность при нестационарном режиме ставится задача освоить метод решения задач на охлаждение (нагревание) твердых тел простейшей формы. Нахождение температурного поля в этом случае может быть осуществлено: путем аналитического решения задач; методом конечных разностей; в некоторых задачах – методом регулярного режима; экспериментальными методами. Полное аналитическое решение соответствующих задач связано с громоздкими математическими выкладками. Поэтому учебники содержат только постановку задачи, окончательный результат и примеры его применения к решению числовых задач. При этом оказывается возможным и весьма удобным представлять полученные аналитическим путем решения в безразмерном виде. В качестве определяемой величины служит избыточная температура тела, т.е. отношение избыточной температуры рассматриваемой точки в данный момент времени к начальной избыточной температуре: . Под избыточной температурой понимают разность между температурой тела и среды. Независимыми переменными, определяющими величину q, являются критерии Фурье (Fo) и Био (Bi). Если последние в процессах охлаждения тел с различными l, с, r, d (или r), t и a одинаковы, то q будет одинакова. Это обстоятельство позволяет зависимости для всех возможных случаев нестационарного теплообмена тела данной формы представлять в виде графиков. Такие графики для q и безразмерного тела приведены в учебниках.

Студент должен понимать физический смысл критериев Fo и Bi и уметь анализировать влияние каждого из них на q и . Обратить внимание на то, что при , , а при , q стремится к нулю.

Надо разобраться в геометрической интерпретации граничных условий третьего рода и физическом значении направляющей точки. Нужно отчетливо представлять себе, что в методе конечных разностей процесс непрерывный во времени и пространстве заменяется скачкообразным и хорошо разобраться в выводе формулы для температуры любой точки внутри тела и в любой момент времени.

Необходимо усвоить графический метод построения распределения температур внутри пластины и на ее границе со средой.

Надо знать математическую характеристику регулярного режима (первого рода), его графическую интерпретацию и физическую сущность, понимать разницу между коэффициентом температуропроводности а и темпом охлаждения. Необходимо уяснить себе метод опытного определения темпа охлаждения и коэффициента температуропроводности тел.

В результате изучения подтемы по оребрению студент должен овладеть методами расчета оребренных поверхностей, широко применяемых в технике. Надо разобраться в выводе зависимостей для распределения температур и для теплового потока в прямом ребре постоянной толщины в случае, когда теплоотдачей с торца ребра можно пренебречь. Нужно уметь написать и объяснить формулу для количества тепла, проходящего через круглое ребро постоянной толщины. Необходимо уяснить, как меняется температура по высоте прямого ребра постоянной толщины и от чего зависит передаваемое ребром тепло. Важно понять, что избыточная температура ребра, отсчитанная от температуры среды, уменьшается по высоте, что степень этого уменьшения зависит от толщины, теплопроводности и формы ребра, а также от условий теплообмена между ребром и средой. Важнейшая характеристика ребра – это степень его эффективности, его КПД, которое равно отношению средней избыточной температуры вершины ребра к избыточной температуре основания ребра . Если эффективность ребра известна, то количество тепла, передаваемого ребром может быть вычислено по закону Ньютона:

,

где – коэффициент теплообмена поверхности ребра с окружающей средой.

Эффективность ребра приходится учитывать и при расчете теплопередачи через оребренную стенку. На практике, как правило, . В этом случае удобно пользоваться величиной приведенного (условного) коэффициента теплоотдачи оребренной поверхности. Приведенным коэффициентом теплоотдачи называется отношение количества тепла, которым обменивается оребренная стенка со средой, к произведению поверхности стенки без ребер на избыточную температуру основания ребра. Приведенный коэффициент теплоотдачи может быть также отнесен ко всей оребренной поверхности. Введение этого понятия позволяет далее рассчитывать процесс теплопередачи через оребренную стенку по обычным формулам для гладкой стенки. Надо понять, что такое коэффициент оребрения, как он влияет на количество передаваемого через оребренную стенку тепла и как правильно выбрать его величину.

1.2. Основы конвективного теплообмена

и теории подобия. Теплообмен

в однофазной среде

Основные положения конвективного теплообмена. Теплоотдача при вынужденной и естественной конвекции. Физические свойства жидкостей и газов, существенные для процессов течения и теплоотдачи. Динамический и тепловой пограничные слои. Аналитическое описание процесса конвективного теплообмена. Условия однозначности.

Основы метода подобия и моделирования. Теоремы подобия. Приведение уравнений конвективного теплообмена к безразмерному виду. Сущность моделирования. Обобщение опытных данных и получение эмпирических зависимостей.

Теплоотдача при вынужденном продольном омывании плоской поверхности. Характер вынужденного неизотермического течения и теплообмена на плоской поверхности. Теплоотдача при ламинарном и турбулентном течении в пограничном слое. Расчетные уравнения. Специфика течения и теплообмена при вынужденном поперечном омывании труб и пучков труб. Расчетные уравнения.

Теплообмен при вынужденном течении в трубах и каналах. Особенности гидродинамики. Теплоотдача при ламинарном, переходном и турбулентном течении; расчетные уравнения, основные поправки.

Теплоотдача при свободном движении жидкости в большом объеме у вертикальной стенки вблизи труб и пластин. Основные расчетные уравнения и их анализ. Особенности теплообмена при естественной конвекции в ограниченном объеме. Расчет теплопередачи через плоские и цилиндрические прослойки.

Литература:

[1], гл. 4, 5,6, 7, 8, 9, 10, стр. 108–210;

[3], гл. 4, 5, 6;

[4], гл. 2, 3;

[8], разд. 3, 4;

[9], гл. 2.

Методические указания. В процессе изучения темы студент должен получить представление о таком сложном физическом процессе, как конвективный теплообмен, усвоить классификацию процессов конвективного теплообмена, методы решения его задач, а также приобрести практические навыки вычисления коэффициента теплоотдачи в наиболее характерных случаях.

Коэффициент теплоотдачи в отличие от коэффициента теплопроводности, например, не является физическим параметром какого-либо вещества, так как характеризует тепловое взаимодействие двух разнородных сред: твердой поверхности и жидкости. Это взаимодействие зависит от большого количества факторов, таких как физические свойства жидкости, распределение скоростей и температур и т.д. Дело осложняется еще и тем, что различные величины, от которых зависит теплоотдача, часто связаны между собой. Так, например, изменение температуры влечет за собой изменение вязкости жидкости, теплопроводности, плотности и т.д. Неравномерность плотности в объеме жидкости приводит к возникновению свободной конвекции, которая в свою очередь оказывает влияние на теплоотдачу.

Коэффициент теплоотдачи как комплексная характеристика конвективного теплообмена должен учитывать все особенности его протекания. Поэтому необходимо разобраться, прежде всего, в физической природе конвективного теплообмена, усвоить основные понятия и определения. Особое внимание обратите на ту роль, которую играет характер движения жидкости в теплообмене. Определитесь с условиями возникновения и развития теплового и динамического пограничных слоев, а также их ролью в процессах теплообмена. Внимательно проанализируйте математическое описание процесса при помощи системы уравнений, характеризующих процесс, с целью понимания необходимости привлечения для описания этого процесса не только уравнений теплопроводности и теплообмена, но и уравнений, характеризующих поле скоростей в потоке жидкости. Надо хорошо представлять себе физическую сущность вывода дифференциального уравнения теплообмена, описывающего процесс теплоотдачи на границах тела со средой, и уравнения теплопроводности в движущейся среде. Для того чтобы из бесчисленного количества описываемых дифференциальными уравнениями явлений выделить рассматриваемое конкретное явление, необходимо сформулировать краевые условия (условия однозначности). Надо знать сущность и математическую формулировку условий однозначности.

В связи с тем, что точное аналитическое решение дифференциальных уравнений ввиду сложности действительных процессов теплообмена оказывается невозможным, приходится прибегать к эксперименту. Надо понять, что дифференциальные уравнения описывают класс явлений; эксперимент дает сведения об единичном явлении. Ответ на вопрос, как надо ставить и обрабатывать эксперимент, чтобы его результаты можно было бы распространить на группу подобных явлений, дает теория подобия. Теория подобия позволяет изучать процессы, протекающие в промышленном аппарате на его увеличенной или уменьшенной модели. В результате изучения данной темы студент должен получить представление о теории подобия, как теоретической основе эксперимента.

Нужно отчетливо усвоить следующие понятия: геометрическое и физическое подобие, сходственные точки, сходственные моменты времени, константы подобия и критерии подобия. Надо разобраться в методе подобных преобразований дифференциальных уравнений, описывающих подобные процессы, и уметь применять этот метод для вывода критериев гидродинамического подобия (в частности, критериев Re и Gr) и теплового подобия (Nu, Fo, Pe, Pr). Надо понимать физическую сущность названных критериев. Обратить внимание на различие между определяющими и определяемыми критериями.

Необходимо обратить внимание на следующие различия между тремя основными теоремами подобия. Первая теорема констатирует свойства, вытекающие из существования подобия. Вторая теорема устанавливает возможность представления решения дифференциальных уравнений в виде зависимости между критериями подобия. Третья теорема формулирует условия, соблюдение которых необходимо и достаточно для реализации подобия. Надо уяснить себе методику обработки и обобщения опытов с помощью теории подобия; понять, что такое определяющая температура и определяющий размер, температурный напор.

Разобраться, как на основании опытных данных найти показатели критериев и коэффициенты в искомом критериальном уравнении; представлять, чем определяются границы его применения.

Запоминать численные значения коэффициентов и показателей степени в различных критериальных уравнениях не нужно.

Наиболее надежными данными в теплообмене являются результаты экспериментальных исследований конвективного теплообмена, обработанные с помощью теории подобия. При изучении материала экспериментальных исследований конвективного теплообмена необходимо обратить внимание на решающую роль гидродинамической стороны процесса. В этой связи следует уяснить себе механизм переноса тепла в пограничном слое и в турбулентном ядре потока.

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (ПРОГРАММА)

И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ТЕМАМ

ВТОРОГО СЕМЕСТРА

2.1. Теплообмен при изменении агрегатного

состояния

Теплообмен при кипении жидкости. Механизм кипения жидкости: перегрев жидкости и наличие центров парообразования как условия возникновения паровой фазы; влияние смачивания стенки жидкостью, краевой угол; пузырьковый и пленочный режимы кипения. Первый и второй кризисы кипения. Минимальный радиус центра парообразования. Влияние частоты отрыва пузырей и числа действующих центров парообразования на теплообмен при кипении. Теплообмен при пузырьковом кипении: между стенкой и жидкостью, между жидкостью и паром. Факторы, определяющие интенсивность теплообмена при кипении в большом объеме.

Зависимость коэффициента теплоотдачи и плотности теплового потока от температурного напора при кипении в большом объеме. Различные режимы в области кипения. Методы обобщения опытных данных и размерные формулы для коэффициента теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в большом объеме (для воды и холодильных агентов). Метод расчета теплоотдачи в области неразвитого кипения. Особенности теплообмена при кипении жидкости в трубах. Зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости и плотности теплового потока. Факторы, влияющие на теплообмен при кипении в трубах. Методика расчета коэффициента теплоотдачи.

Теплообмен при конденсации пара. Пленочная и капельная конденсация. Аналитическое решение задачи о пленочной конденсации неподвижного сухого насыщенного пара на чистой поверхности при ламинарном течении пленки (теория Нуссельта). Различные режимы течения пленки и характер изменения коэффициента теплоотдачи по высоте вертикальной стенки. Поправка к теории Нуссельта на волновое движение пленки. Применение теории подобия к исследованию теплоотдачи при конденсации. Теплоотдача на пучке горизонтальных труб.

Литература:

[1], гл. 12, 13 (стр. 226–281);

[3], гл. 7, 8 (стр. 137–148);

[4], гл. 4 (стр. 102–148);

[8], разд. 4 (стр. 86–97);

[9], гл. 3 (стр. 52–61).

Методические указания. Прежде всего, уясните особенности протекания кипения и конденсации в различных условиях. Конденсация может быть в объеме и на поверхности, пленочной и капельной, при неподвижном и движущемся паре, при паре насыщенном, влажном или перегретом. Вспомните из курса термодинамики как упомянутые состояния отражаются в диаграммах состояния T-S, P-V, P-T.

При пленочной конденсации различают режимы стекания пленки ламинарный и смешанный, т.е. ламинарный, существующий наряду с турбулентным.

При капельной конденсации различают режимы с малым и большим температурными напорами.

Обратите внимание на особенности интерпретации числа Re для пленки конденсата [1], на различие в определяющих размерах числа Рейнольдса для пленки и для пара, на то существенное обстоятельство, что число Рейнольдса пленки становится зависимым от коэффициента теплоотдачи, а также на использование в качестве независимых переменных ряда новых чисел подобия: Z, Ga, Ar.

Кипение может быть на поверхности и в объеме жидкости, пузырьковое и пленочное, в перегретой и недогретой жидкости, в неограниченном объеме и внутри труб, при регулируемой заданной плотности теплового потока и при регулируемой заданной температуре стенки , при свободной и при вынужденной конвекции.

При кипении потока жидкости в вертикальной трубе различают несколько режимов: режим подогрева, поверхностного кипения, эмульсионного, пробкового, стержневого кипения и режим подсыхания.

Для каждого из этих процессов и режимов кипения необходимо изучить методику определения коэффициентов теплоотдачи, плотности теплового потока или температуры стенки, иногда температуры жидкости. Усвоить понятие о критическом радиусе парового пузырька, который используется в качестве линейного размера в критериях подобия.

Рассмотрите приведенную скорость парообразования и скорость циркуляции, объясните как они используются в критериях подобия. Особое внимание обратите на кризисы кипения, условия их возникновения, опасность пленочного режима кипения в промышленных аппаратах.

Необходимо разобраться в расчетных зависимостях для коэффициентов теплоотдачи в двух областях пузырькового кипения.

Следует представлять себе, что для зоны развитого пузырькового кипения коэффициенты теплоотдачи подчиняются зависимости

или .

На основании экспериментов с различными жидкостями установлено, что . Величина А зависит от температуры (или давления) насыщенного пара, физических свойств жидкости, физических свойств системы: жидкость – поверхность нагрева. Надо понимать, что существующие зависимости для a при кипении являются эмпирическими или полуэмпирическими формулами. Существующие методы обобщения не дают удовлетворительного количественного результата для всех жидкостей; так, например, фреоны дают существенные отклонения в величинах коэффициентов теплоотдачи в сравнении с уравнением Г.Н. Кружилина. Поэтому для расчетов теплоотдачи при кипении фреонов мы пользуемся экспериментальными данными.

Надо представлять себе пленочный режим кипения и механизм "кризиса" кипения – переход от пузырькового кипения к пленочному. При этом надо иметь в виду, что помимо первого кризиса кипения, о котором сказано выше, существует второй кризис, при котором происходит разрушение паровой пленки и восстановление пузырькового кипения. Величина теплового потока, соответствующего втором кризису, существенно меньше, чем при первом кризисе.

Надо хорошо разобраться в механизме теплообмена при пленочной конденсации пара, а также основных предпосылках, физических принципах и математических выкладках теории пленочной конденсации. Обратите внимание на теорию процесса конденсации, развитую Нуссельтом в начале ХХ века и сохранившей свое значение до наших дней.

2.2. Тепло- и массообмен в двухкомпонентных

средах

Физическая сущность и движущие силы процессов массообмена (диффузии). Плотность потока массы, закон Фика. Концентрационная, термическая и бародиффузия. Дифференциальные уравнения тепло- и массообмена. Конвективный массообмен и массоотдача. Уравнение плотности потока массы при массоотдаче. Коэффициент массоотдачи и его размерность. Стефанов поток и его уравнение.

Аналогия процессов переноса вещества, теплоты и импульса. Соотношение Льюиса. Диффузионные критерии подобия, их физическая сущность.

Понятие диффузионного пограничного слоя и его дифференциальное уравнение. Аналогия между гидродинамическим и диффузионным пограничными слоями.

Поперечная составляющая плотности потока массы и ее влияние на коэффициенты тепло- и массоотдачи.

Процесс тепло- и массообмена при конденсации пара из парогазовой смеси. Схема распределения концентраций и температур при конденсации. Составляющие термического сопротивления при конденсации. Диффузионное термическое сопротивление. Определение коэффициентов тепло- и массоотдачи при конденсации.

Тепло- и массообмен при испарении жидкости в парогазовую среду. Динамика процесса испарения. Понятие коэффициента испарения. Процессы адиабатического и неадиабатического испарения. Температура мокрого термометра.

Тепло- и массообмен между водой и воздухом.

Литература:

[1], гл. 14 (стр. 282–311);

[3], гл. 10, 11 (стр. 205–241);

[8], разд. 8 (стр. 161–196);

[9] стр. 85–93.

Методические указания. В результате проработки темы "Тепло- и массообмен" студент должен изучить процессы, которые наряду с теплообменом сопровождаются переносом массы одного компонента относительно другого. Следует обратить особое внимание на физическую величину процессов масссопереноса и на движущие силы, вызывающие эти процессы. Необходимо помнить, что диффузия – это самопроизвольный процесс, направленный к установлению равновесного распределения концентраций; при этом происходит перенос массы из области с большей в область с меньшей концентрацией. Диффузия характеризуется плотностью массы – величиной векторной.

При изучении закона Фика необходимо уяснить, что этот закон справедлив только для концентрационной диффузии, а коэффициент пропорциональности D называют коэффициентом молекулярной диффузии.

Следует помнить, что всегда в неподвижной среде перенос массы путем молекулярной диффузии является следствием концентрационной, термической и бародиффузии. На практике же две последние составляющие часто не учитываются, а, прежде всего, обращается внимание на эффекты, вызванные концентрационной диффузией. В движущейся среде перенос массы осуществляется не только диффузией, но и конвекцией. Поэтому в общем случае на плотность теплового потока оказывают влияние теплопроводность, конвекция и молекулярная диффузия.

Следует обратить внимание, что перенос вещества в многокомпонентной среде совместно с происходящими процессами молекулярной диффузии и конвекции по аналогии с процессом конвективного теплообмена, называют конвективным массообменом. Также по аналогии конвективный массообмен между жидкой или твердой поверхностями и окружающей средой называют массоотдачей.

При рассмотрении коэффициента массоотдачи следует помнить, что его можно относить либо к разности концентраций диффундирующего вещества, либо к разности парциальных давлений.

Необходимо уяснить, что стефанов поток – это конвективный поток парогазовой смеси, направленный от жидкости в процессе ее испарения в парогазовую среду, в том случае, если для газа существует непроницаемая или полупроницаемая среда.

Сравнив уравнения массообмена (без термо- и бародиффузии), энергии (без учета массовых сил и в случае безнапорного движения) нетрудно заметить их аналогию. исходя из аналогии процессов тепло- и массообмена, рассматривают диффузионные критерии Нуссельта и Прандтля, а также критериальные уравнения процессов массообмена.

На основании аналогии между процессами тепло- и массообмена вводится понятие диффузионного слоя, в пределах которого происходит изменение концентраций активного компонента от значения на поверхности фаз до значения на границе слоя.

2.3. Лучистый и сложный теплообмен

Природа теплового излучения и факторы, определяющие интенсивность процесса. Баланс лучистого теплообмена. Поглощательная, отражательная и пропускная способность тел. Абсолютно черное тело. Основные законы теплового излучения. Излучение серых тел. Степень черноты тела.

Теплообмен излучением в замкнутой системе, разделенной диатермической средой: а) плоские параллельные тела; б) тело, заключенное внутри другого. Экраны, их назначение и принцип действия. Расчет теплообмена между плоскопараллельными телами при наличии экрана.

Сложный теплообмен: понятие сложного теплообмена; определение количества тепла, переданного путем конвективного теплообмена и излучения; коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием и формула для его расчета; эффективный (суммарный) коэффициент теплоотдачи.

Литература:

[1], гл. 16, 17 (стр. 312–360);

[3], гл. 12, 8 (стр. 242–255);

[4], гл. 5 (стр. 149–179);

[8], разд. 5 (стр. 98–115);

[9], гл. 4 (стр. 62–70).

Методические указания. При изучении лучистого и сложного теплообмена необходимо усвоить, что так называемые электромагнитные волны (видимые лучи, тепловые лучи, ультрафиолетовые лучи, лучи Рентгена, космические и гамма-лучи) имеют одинаковую природу и отличаются только длинами волн. Следует хорошо понять и усвоить основные понятия и определения (сплошной и селективный спектр, черное и серое излучение и др., коэффициенты поглощения, отражения и проницаемости, степень черноты и пр.)

Надо повторить основные физические законы теплового излучения: Планка, Вина, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, разобраться в физической сущности и характере протекания лучистого теплообмена между телами. Усвоить вывод и применение формул для вычисления лучистого тепла, которым обмениваются тела.

Необходимо различать черное (равновесное) излучение и излучение реальных тел. Равновесное излучение описывается законом Планка или его частными случаями, называемыми законом Релея-Джинса и законом Вина. Закон Стефана-Больцмана и закон смещения Вина вытекают как следствия закона Планка, первый – при его интегрировании, второй – при дифференцировании. При выводе формул лучистого теплообмена между реальными телами через плоский или криволинейный зазоры необходимо составить четкое представление о роли приведенной степени черноты, научиться ее определять при лучистом теплообмене двух тел простейшей конфигурации.

Рассмотрите основные способы повышения и снижения интенсивности теплообмена излучением. В частности обратите внимание на расчет лучистого теплового потока при наличии экранов. Подразделите случаи, когда степени черноты экранов и крайних стенок одинаковы и когда они различны. В первом случае формула проще, однако большее распространение получил второй случай, так как для экранов предпочтительнее использовать материалы с минимальной степенью черноты.

2.4. Теплообменные аппараты

Назначение теплообменников. Их классификация по принципам действия. Характерные типы рекуперативных теплообменников в холодильной технике. Два вида теплового расчета теплообменников: при проектировании и поверочный.

Уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи в теплообменном аппарате. Основные схемы движения жидкостей в аппарате и их влияние на средний температурный напор. Определение среднего температурного напора. Сравнение противотока и прямотока. Коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата. Плотность теплового потока или удельный теплосъем, как характеристика интенсивности теплообменных аппаратов. Метод расчета конечных температур теплоносителей при поверочном расчете. Интенсификация теплопередачи в аппаратах. Необходимость технико-экономического выбора скоростей сред и температурного напора в аппаратах.

Литература:

[1], гл. 19 (стр. 379–393);

[3], гл. 14 (стр. 272–299);

[4], гл. 8 (стр. 228–248);

[8], разд. 7 (стр. 144–160);

[9], гл. 6 (стр. 78–85).

Методические указания. Предыдущие темы имели целью познакомить студента с простейшими случаями теплообмена (теплопроводность, конвекция, излучение). На практике очень часто все указанные виды теплообмена происходят одновременно. В настоящей теме рассматривается приложение полученных в предыдущих темах представлений к анализу процесса теплообмена и расчету теплообменных аппаратов рекуперативного типа. При изучении этой темы необходимо хорошо представить основные уравнения, характеризующие процесс теплообмена в аппаратах, задачу и методику теплового расчета аппаратов. Нужно разобраться в понятии "водяной эквивалент", которое облегчает анализ предельного значения водяного эквивалента (кипение и конденсация). Необходимо представлять себе влияние водяных эквивалентов на характер изменения температур вдоль поверхности нагрева и уметь изображать графики изменения температурю.

Нужно хорошо разобраться в выводе среднего температурного напора и расчете коэффициента теплопередачи теплообменного аппарата. Надо понимать, что интенсивность аппарата определяется величиной удельного теплового потока , который в холодильной технике называется удельным теплосъемом. Важно уяснить, какими путями можно увеличить величину удельного теплосъема. В случае, когда коэффициент теплоотдачи одного или обоих теплоносителей зависит от неизвестной в начале разности температур между средой и поверхностью труб, (например, в случае кипения или конденсации) коэффициент теплоотдачи и удельный теплосъем аппарата находят графическим методом или методом последовательных приближений.

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

3.1. Методические указания по выполнению

контрольных работ

Согласно учебному плану студенту необходимо выполнить две контрольные работы, каждая из которых состоит из пяти вопросов и четырех задач. Отвечать на вопросы и решать задачи следует строго придерживаясь своего варианта.

Для вопросов вариант однозначно определяется последней цифрой в номере зачетной книжки студента.

Например, если номер зачетной книжки студента 89107, то в контрольной работе №1 (КР 1) он должен ответить на вопросы 1.7, 1.17, 1.27, 1.37, 1.47; а в КР 2 – на вопросы 2.7, 2.17, 2.27, 2.37, 2.47.

Основой для определения индивидуальных значений параметров задач является шифр задания. Он определяется следующим образом: записывается цифровая часть номера зачетной книжки и над полученным числом, начиная с последней цифры, справа налево надписываются подряд буквы русского алфавита. Например:

е	д	г	в	б	а

Если цифр в номере меньше чем использовано букв в таблице задания, то все недостающие цифры заменяются цифрой основного варианта (в нашем примере параметр е выбирается из седьмого варианта). Полученная таблица является шифром задания и должна приводиться перед условием каждой задачи.

1. Формулировки контрольных вопросов и условия задач в контрольной работе нужно переписывать полностью.

2. Далее после слова "Решение" следует решение задачи, сопровождаемое краткими пояснениями, рисунками с обозначениями и подробными вычислениями.

3. При этом всегда следует вначале привести формулы, по которым будут производиться вычисления, проделать с ними нужные преобразования (в буквенном виде), расшифровать каждую величину, входящую в них. Привести цифровые значения параметров, определяемых из справочной литературы с точной ссылкой на источник, и только после этого подставить соответствующие числовые значения и произвести вычисления.

4. Результаты расчетов желательно свести в таблицу.

5. В конце контрольной работы следует обязательной указать, какая литература была использована при решении задач.

6. Задачи необходимо решать в системе СИ.

7. Для заметок рецензента оставлять поля не менее 3 см.

Контрольные работы следует выполнять в отдельных тетрадях после изучения соответствующих разделов курса. На титульном листе необходимо указывать шифр для проверки правильности выбора варианта.

Желание составителя методических указаний индивидуализировать каждую контрольную работу с точки зрения расчетов может привести в отдельных случаях к несовместимости отдельных исходных параметров. В таком случае каждый исполнитель должен обосновать подобную несовместимость и решить задачу с собственными коррективами.

Ответы на контрольные вопросы должны быть исчерпывающими, но не слишком детализированными. Не допускается бездумное переписывание ответов из учебников и чрезмерная лаконичность. Задачи необходимо решать в системе СИ с использованием общепринятых в учебной литературе терминов и обозначений.

Перед выполнением контрольных заданий желательно ознакомится с решением аналогичных задач, приведенным в рекомендованной литературе.

Решение задач необходимо сопровождать короткими пояснениями, детальными вычислениями, рисунками (в случае необходимости) и расчетными формулами с расшифровкой входящих в них величин. Приводя формулы и численные значения параметров, следует непременно ссылаться на источники информации, включая последние в список использованной литературы (в конце работы). Контрольная работа должна быть подписана студентом.

Прием контрольных работ завершается за 5 дней до начала лабораторно-экзаменационной сессии.

3.2. Контрольная работа № 1