3) модели и общие принципы расчета теплопередачи;
4) методы интенсификации процессов теплопередачи.
2. Решение задач: № 4–21, 28, 44, 45 [3].
1. Проработать рекомендованную литературу [1, C. 293–318, 351–353; 2, С. 168–171] и конспект лекций.
2. Выучить определения основных терминов и понятий темы.
3. Составить мотивированные письменные ответы к тестовому занятию № 4.
Основные термины и понятия
скорость тепловых процессов
теплопередача
термическое сопротивление
уравнение аддитивности термических сопротивлений
лимитирующая стадия
средняя разность температур
коэффициент теплопередачи
критерий Био
Занятие № 5
Тема: Нестационарный теплообмен. Теплообмен при непосредственном контакте теплоносителей.
Цель: Изучение основных закономерностей процессов и получение практических навыков тепловых расчетов.
План проведения занятия
1. Устный опрос по темам:
1) нестационарный теплообмен с твердыми телами;
2) нагрев конденсирующимся паром интенсивно перемешиваемой жидкости;
3) тепловые потери.
2. Решение задач:
1) Определить количество воды с начальной температурой
20 °С, необходимое для конденсации 10000 кг/ч паров воды при
р = 0,22 атм.
2) Металлический шар диаметром d = 10 см, нагретый до 300° С, помещен в сосуд, находящийся под вакуумом; стенки сосуда имеют очень низкую температуру. Определить время, необходимое для охлаждения шара до 150 °С, если степень черноты равна 0,6; плотность
r = 8000 кг/м3, удельная теплоемкость с = 550 Дж/кг °С.
3) В сборнике с мешалкой, обеспечивающей практически полное перемешивание, находится этиловый спирт (G = 3000 кг/ч) при температуре 20 °С. Определить время, необходимое для нагревания спирта до 50 °С, а также температуру спирта через 0,2 ч после начала нагрева паром, поступающим в рубашку с давлением 2 атм. Поверхность нагрева F = 2,5 м2, коэффициент теплопередачи К = 1300 Вт/ м2×°С.
4) Задача № 4–53 [3].
Подготовка к занятию
1. Проработать литературу [1, С. 307–312]; [5, С. 574–577, 601–602].
4.8 План лабораторных занятий
Перечень возможных лабораторных работ:
– «Определение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции воздуха»;
– «Определение коэффициента теплопередачи в теплообменнике «труба в трубе»;
– «Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к воздушному потоку.
Для подготовки и проведения лабораторных работ используются методические указания, в частности [4], в которых указаны основные требования и обязанности студентов при выполнении этого вида учебных занятий.
4.9 Самостоятельная работа студентов
Самостоятельная работа студентов при изучении модуля «Основы теплопередачи» включает следующие виды:
1) изучение отдельных разделов модуля, которые не прорабатываются на аудиторных занятиях (определяются лектором с указанием рекомендуемой литературы);
2) подготовку к занятиям (изучение учебной литературы, конспектов лекций, работу с тестами, подготовку к практическим и лабораторным занятиям, устным опросам, составление сообщений и докладов);
3) решение типовых задач;
4) выполнение лабораторных работ, обработку и объяснение полученных результатов, оформление отчетов с последующей защитой;
5) выполнение индивидуального расчетного задания и его защиту;
6) сдачу экзамена по программе модуля.
Выполняя различные виды самостоятельной работы, важно акцентировать внимание на фундаментальных положениях курса, так как материал модуля базируется на уже известных законах и положениях (таблица 4.1).
Необходимо анализировать причинно-логические связи в изучаемом материале, выделяя общность в закономерностях, методических подходах к анализу различных явлений. В этом должны помочь математические преобразования, которые должны прорабатываться студентами очень тщательно и подробно, чтобы были ясны постановка задачи, канва вывода, анализ полученного результата. Структурно-логическая схема модуля (см. рисунок 4.2) указывает на наиболее важные для понимания материала раздела математические преобразования.
Таблица 4.1 – Фундаментальные положения курса и основы
теплопередачи
| Фундаментальные | Основы теплопередачи |
| Законы сохранения | Тепловые балансы |
| Законы переноса. | Уравнения Фурье, Фурье–Кирхгофа, |
| Единый кинетический закон | Движущая сила тепловых процессов. Основное уравнение теплопередачи. Термические сопротивления. Основные направления интенсификации тепловых процессов |
| Моделирование | Тепловой пограничный слой. Тепловое подобие. Критериальные уравнения теплопереноса |
| Многостадийный процесс. Лимитирующая стадия | Теплопередача. Аддитивность термических сопротивлений. Интенсификация тепловых процессов |
Необходимым и весьма важным видом СРС является работа с тестами на электронно-обучающем комплексе. При этом последовательность поиска ответов на поставленный вопрос может быть следующей:
– проанализировать поставленный вопрос, определить и сформулировать тот закон, понятия («свойства»), которые лежат в его основе (уяснить постановку задачи);
– вспомнить или выучить основные характеристики и закономерности этого «свойства»;
– на основе этих закономерностей установить характер влияния указанного в вопросе воздействия (параметра) на это «свойство»;
– сопоставить найденное решение с представленными вариантами ответов и выбрать идентичный.
Работа с тестами эффективна только при том условии, что во главу угла будет поставлена доказательная сторона этой работы.
Термины и понятия – это язык дисциплины, что и определяет важность изучения их сущности.
4.10 Индивидуальное расчетное задание к модулю № 3 (ИРЗ)
Основной целью выполнения индивидуального расчетного задания является освоение методики тепловых расчетов для различных случаев теплообмена.
При выполнении задания можно пользоваться учебниками
[2, 3, 7, 11]. Расчет поверхности теплообмена производится на основании уравнения теплопередачи, которое может использоваться в двух видах: для плоской стенки и цилиндрических труб.
Для определения тепловой нагрузки теплообменника, а также неизвестной температуры одного из теплоносителей составляется тепловой баланс аппарата.
Средний температурный напор определяется при известных значениях температур теплоносителей по обычным формулам [3, С. 169].
Основное внимание следует уделить определению коэффициентов теплоотдачи, которые рассчитываются в зависимости от характера процесса (кипение, конденсация, нагревание, охлаждение, вынужденное или свободное движение) по соответствующим критериальным уравнениям.
В заданиях предусмотрены расчеты для следующих случаев
теплообмена: конденсация–кипение; конденсация–нагревание; охлаждение–нагревание.
Задача № 1
В трубном пространстве проходит теплоноситель А в количестве G (кг/с), его температура в конденсаторе и холодильнике изменяется от t1 до t2 °С, в испарителе – равна температуре кипения при заданном давлении Ра. В межтрубном пространстве проходит теплоноситель
В, его температура в холодильнике меняется от T1 до T2, в конденсаторе конденсируется насыщенный пар давлением Ра и испарителе – кипит при Ра. Теплообменник изготовлен из стальных труб диаметром 25´2 мм, количество труб в одном ходу n, высота труб Н, диаметр кожуха D, число ходов i. Определить: достаточна ли поверхность теплообменника. Мотивированно перечислить методы интенсификации процессов теплообмена. Исходные данные к расчетному заданию приведены в таблице 4.2.
| Первая цифра варианта | Теплоноситель | Тип теплообменника | Параметры теплоносителя | Последняя цифра варианта | Расход теплоносителя G , кг/с | Характерис-тикатеплообмен-ника | ||||||||
| t1, 0C | t2, 0С | Ра×10-5Па | Т1, 0C | Т2, 0C | Ри×10-5Па | n | i | H, мм | D , м | |||||
| 0 | Толуол/ водя- ной пар | Испа-ритель | – | – | 2,5 | – | – | 2,7 | 0 | 2,8 | 473 | 1 | 2 | 0,8 |
| 1 | Этиловый спирт/ водяной пар | Испаритель | – | – | 3,5 | – | – | 1,7 | 1 | 2,5 | 783 | 1 | 3 | 1,0 |
| 2 | Вода/ водяной пар | Испаритель | – | – | 1,0 | – | – | 3,7 | 2 | 1,5 | 1549 | 1 | 4 | 1,4 |
| 3 | Бензол/ вода | Конденсатор | – | – | 2,0 | 25 | 45 | – | 3 | 3,2 | 1549 | 1 | 6 | 1,4 |
| 4 | Ацетон/ вода | Конденсатор | – | – | 3,0 | 20 | 40 | – | 4 | 4,0 | 122 | 2 | 3 | 0,6 |
| 5 | Этиловый спирт/вода | Конденсатор | – | – | 1,5 | 20 | 50 | – | 5 | 3,8 | 175 | 4 | 3 | 1,0 |
| 6 | Толуол/ вода | Конденсатор | – | – | 2,0 | 15 | 45 | – | 6 | 5,0 | 36 | 6 | 4 | 0,8 |
| 7 | Вода/ бензол | Холодильник | 80 | 50 | – | 20 | 45 | – | 7 | 15 | 120 | 2 | 6 | 0,6 |
| 8 | Вода/CCl4 | Холодильник | 78 | 50 | – | 15 | 50 | – | 8 | 8,0 | 122 | 2 | 4 | 0,8 |
| 9 | Вода/ толуол | Холодильник | 20 | 40 | – | 100 | 70 | – | 9 | 6,0 | 783 | 1 | 3 | 1,0 |
Таблица 4.2 – Исходные данные к расчетному заданию