Методические рекомендации к изучению дисциплины и к организации самостоятельной работы студентов для модульно-рейтинговой технологии обучения Бийск (стр. 17 из 29)
– Учебники [1, 2, 3, 4].
– Лабораторные установки (см. раздел «Лабораторные занятия»).
– ЭВМ с программным обеспечением.
4.5 Структурно-логическая схема модуля № 3
Для всякого химического производства, прямо или косвенно, температура является одним из решающих технологических или экономических факторов:
– движущей силой химико-технологических процессов является «свободная» энергия реагирующих веществ, которая есть функция температуры, поэтому управление химическими машинами сводится, прежде всего, к сообщению или отводу тепла для создания в аппарате требуемого температурного режима;
– экономика любого производства заставляет задуматься над вопросами теплопереноса: в химических производствах тепловая энергия составляет в среднем от15 до 20 % себестоимости продукта.
Поэтому с точки зрения рационального использования теплоэнергетических и сырьевых ресурсов значение тепловых процессов очень велико.
На рисунке 4.1 представлена структурно-логическая схема изучения основ теплопередачи.
Рассматриваются следующие стороны процесса: законы сохранения энергии и массы, движущая сила и кинетика процесса.
Законы сохранения энергии и массы позволяют определить
расходы теплоносителей и энергии для проведения теплообмена,
а также температуру теплоносителей; агрегатное состояние теплоносителей оказывает влияние на определение средней движущей силы процесса.
Кинетика определяет скорость теплообмена, характеризуемую коэффициентами теплоотдачи и тепловой проводимостью стенки, на основе которых рассчитывается коэффициент теплопередачи.
Совместное рассмотрение всех сторон процесса дает возможность определить и поверхность теплообмена. Схема наглядно показывает влияние отдельных факторов, характеризующих процесс, и их связь в расчете теплообмена. Определяющим звеном схемы и основной целью расчета является определение поверхности нагрева.
Более подробный анализ кинетики процесса и механизма теплообмена приведен на рисунке 4.2. Здесь показаны три основных способа передачи тепла (1)–(3): тепловое излучение, теплопроводность и конвекция, а также уравнения (4)–(8), описывающие эти процессы.
Путем подобного преобразования дифференциальных уравнений (5), (6), (8) находят критерии подобия (10). С учетом гидродинамического и геометрического подобия получают обобщенное критериальное уравнение конвективного теплообмена (11), которое позволяет определить коэффициенты теплоотдачи (12) для обоих теплоносителей и рассчитывать коэффициенты теплопередачи (13) из условия аддитивности частных сопротивлений теплопередаче.
При сложной теплопередаче учитывается передача тепла излучением (9); в этом случае вводится общий коэффициент теплоотдачи (14), равный сумме коэффициентов теплоотдачи при конвекции (12) и излучении (9).
II
Рисунок 4.1 – Структурно-логическая схема модуля № 3
| Неделя | № лекций | Краткое содержание лекции | Тема практического занятия | Название лабораторной работы | Самостоятельная работа студентов |
| 1 | 1 | Общие сведения о процессах переноса тепла. Основные понятия и определения. Три способа распространения тепла. Тепловые балансы | 1. Тепловые балансы | 1. Определение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции воздуха | Подготовка к занятиям |
| 2 | 2 | Тепловое излучение. Теплопроводность. Закон Фурье. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Теплопроводность плоской, цилиндрической стенок | 2. Тепло-проводность | Подготовка к занятиям. Самостоятельное изучение темы «Тепловое излечение» | |
| 3 | 3 | Конвективный перенос тепла. Тепловое подобие. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния теплоносителей. Теплоотдача при свободном и вынужденном движении. Теплоотдача в аппаратах с мешалкой | 3. Конвективный теплообмен | Определение коэффициента теплопередачи в теплообменнике «Труба в трубе» | Подготовка к занятиям |
| 4 | 4 | Теплопередача с постоянными и изменяющимися температурами теплоносителей | 4. Теплопередача | Подготовка к занятиям. Выполнение ИРЗ-3 | |
| 5 | 5 | Нестационарный процесс переноса тепла. Теплообмен при непосредственном контакте теплоносителей. Математическое моделирование тепловых процессов. Методы интенсификации | Нестационарный теплообмен. Теплообмен при непосредственном соприкосновении теплоносителей. Теплоизоляция | Защита результатов лабораторных работ | Подготовка к занятиям. Выполнение ИРЗ-3 |
| 6 | 6 | Консультации | |||
| Промежуточный экзамен 3 | |||||
4.7 Планы практических занятий
Занятие № 1
Тема: Тепловые балансы.
Цель: Изучение методов составления тепловых балансов.
План проведения занятия
1 Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) значение и особенности протекания тепловых процессов в химической промышленности (сообщение);
2) основные теплофизические свойства веществ;
3) цель и содержание расчета тепловых процессов. Основное уравнение теплопередачи;
4) общее балансовое соотношение. Методы и цель составления тепловых балансов (сообщение).
2 Решение задач: № 4–7, 8, 9, 10 [3].
Подготовка к занятию
1) Изучить материалы занятия в конспектах лекций и рекомендованной учебной литературе [1, C. 22–24; C. 264–267].
2) Знать определения основных терминов и понятий.
3) Подготовить мотивированные письменные ответы на тестовое задание № 1.
Основные термины и определения
температура
температурное поле
изотермическая поверхность
температурный градиент
теплообмен
теплопередача
удельная теплоемкость
удельная теплота фазовых превращений
энтальпия
тепловой поток
плотность теплового потока
основное уравнение теплопередачи
Занятие № 2
Тема: Механизмы переноса тепла.
Цель: Изучение закономерностей теплопереноса и их практическое применение.
План проведения занятия
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) классификация и содержание механизмов переноса субстанций. Общее уравнение переноса субстанций (устный опрос);
2) механизмы переноса тепла: модельные представления, условия существования, сравнительная характеристика (устный опрос);
3) дифференциальное уравнение переноса тепла Фурье–Кирхгофа и его модификации для различных условий теплопереноса.
2 Решение задач № 4–6, 2, 1, 3, 4, 52 [3] и обсуждение полученных результатов.
Подготовка к занятию
1. Проработать конспект лекций и рекомендованную литературу [1, C. 45–49, 52–53, 267–279)].
2. Выучить определения терминов и понятий темы.
3. Подготовить конспекты мотивированных ответов к тестовому занятию № 1.
Основные термины и понятия
тепловое излучение
абсолютно прозрачные, черные, белые тела
диатермичные тела
излучательная способность
интенсивность излучения
квантовый механизм переноса
молекулярный механизм переноса
конвективный механизм переноса
плотность потока субстанции
теплопроводность
термическое сопротивление системы
продольный и поперечный перенос тепла
Занятие № 3
Тема: Конвективный теплообмен.
Цель: Изучение основных закономерностей конвективного теплообмена и получение практических навыков расчета коэффициента теплоотдачи.
План проведения занятия
1. Обсуждение следующих тем:
1) основные модельные представления при конвективном теплообмене (сообщение);
2) методы расчета коэффициента теплоотдачи. Тепловое подобие (сообщение);
3) способы интенсификации конвективного теплообмена (устный опрос).
2. Решение задач: № 4–24, 36, 38, 40, 42 [2].
Подготовка к занятию
1. Проработать рекомендованную литературу [1, С. 64–69, 276–300; 2, С.150–168] и конспект лекций.
2. Выучить определения основных терминов и понятий темы.
3. Подготовить письменные мотивированные ответы к тестовому занятию № 3.
Основные термины и понятия
теплоотдача
тепловой пограничный слой
коэффициент теплоотдачи
критерии теплового подобия
определяемый критерий теплового подобия
пленочная и капельная конденсации пара
пузырьковое и пленочное кипение
критический температурный напор
критический коэффициент теплоотдачи
Занятие № 4
Тема: Расчет и интенсификация процессов теплопередачи.
Цель: Выйти на понимание сущности и основных закономерностей наиболее распространенного в химической промышленности вида теплообмена и получить практические навыки его расчета.
План проведения занятия
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) сущность и значение теплопередачи в химической промышленности;
2) структурно-логическая схема «Основы теплопередачи»;