МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ИНСТИТУТ ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИЯ И МЕХАНИКИ (ЭнМИ)
___________________________________________________________________________________________________________

Направление подготовки: 221000 Мехатроника и робототехника

Профиль подготовки: Компьютерные технологии управления в робототехнике и мехатронике

Квалификация (степень) выпускника: бакалавр

Форма обучения: очная


РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

"ТЕПЛОМАССООБМЕН"

Цикл:	математический и естест­веннонаучный
Часть цикла:	по выбору
№ дисциплины по учебному плану:	ЭнМИ: Б 2.10.2
Часов (всего) по учебному плану:	216
Трудоёмкость в зачётных единицах:	6	5 семестр – 6
Лекции	36 час	5 семестр
Практические занятия	36 час	5 семестр
Лабораторные работы	Не предусмотрены	5 семестр
Расчётные задания, рефераты	10 час самостоят. работы	5 семестр
Объём самостоятельной работы по учебному плану (всего)	144 час	5 семестр
Экзамены	36 час	5 семестр
Курсовые проекты (работы)	Не предусмотрены	5 семестр

Москва - 2010

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины является изучить принципы технической термодинамики и тепломассообмена как комплексной научной и инженерной дисциплины, включающей гидродинамику, а также методы их применения для анализа и расчёта процессов, происходящих на электрических станциях (включая АЭС) и других теплоэнергетических и теплотехнических установках. В результате изучения дисциплины студенты должны освоить методы расчёта основных процессов тепломассообмена: теплопроводности в элементах конструкций, тепломассообмена при свободной и вынужденной конвекции, двухфазного тепломассообмена, радиационного теплообмена, уметь рассчитывать теплообменные аппараты и применять методы интенсификации теплопередачи.

По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:

• 
  самостоятельно работать, принимать решения в рамках своей профессиональной деятельности (ОК-7);
  
• 
  анализировать различного рода рассуждения, публично выступать, аргументировано вести дискуссию и полемику (ОК-12);
  
• 
  использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического исследования (ПК-2);
  
• 
  рассчитывать количественные характеристики процессов, протекающих в конкретных технических системах на основе существующих методик (ПК-8, ПСК-2);
  
• 
  выполнять численные и экспериментальные исследования, проводить обработку и анализ результатов (ПК-10).
  
• 
  к проведению измерений и наблюдений, составлению описания проводимых исследований, подготовке данных для составления обзоров, отчетов и научных публикаций (ПК-19);
  

Задачами дисциплины являются:

• 
  обеспечение базовой и профессиональной теплотехнической подготовки, включающей освоение принципов и современных расчётных методов тепломассообмена для анализа, расчёта и оптимизации процессов и установок в атомной энергетике, тепловой энергетике и других теплотехнологиях;
  
• 
  обучение методам расчёта основных процессов тепломассообмена: теплопроводности в элементах конструкций, тепломассообмена при свободной и вынужденной конвекции, двухфазного тепломассообмена, радиационного теплообмена, а также основам расчёта теплообменных аппаратов;
  
• 
  обучение основам компьютерного моделирования тепломассообменных процессов и установок.
  

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина относится к вариативной части математического и естественнонаучного цикла Б.2 основной образовательной программы подготовки бакалавров по профилю “Ком­пьютерные технологии управления в робототехнике и мехатронике” направления 221000 Мехатроника и робототехника и является дисциплиной по выбору.

Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: “Математика”, “Физика”, “Хи­мия”, “Механика жидкости и газа”.

Знания, полученные после освоения дисциплины, необходимы для изучения дисциплин “Энергетические машины и установки”, “Спецглавы механики жидкости и газа” и ряда дисциплин магистерской программы, а также при выполнении бакалаврской выпускной квалификационной работы.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:

Знать:

• 
  основные принципы технической термодинамики и тепломассообмена и методы математического моделирования тепломассообменных процессов и установок (ПК-2, ПК-3);
  
• 
  методики расчёта процессов теплопроводности в элементах конструкций, тепломассообмена при свободной и вынужденной конвекции, двухфазного тепломассообмена, радиационного теплообмена (ПСК – 2, ПК-8, ПСК – 3);
  
• 
  методики расчёта теплообменных аппаратов АЭС и принципы и методы интенсификации теплопередачи (ПСК – 3, ПСК – 9);
  
• 
  основные источники научно-технической информации о новых разработках в области тепломассообмена (ПК-4)
  
• 
  основные источники информации о теплофизических свойствах теплоносителей АЭС (ОК-11, ПК-6);
  

Уметь:

• 
  самостоятельно анализировать процессы тепломассообмена и принимать оптимальные решения при конструировании и эксплуатации тепломассообменного оборудования (ОК-7);
  
• 
  самостоятельно ставить и решать задачи теплогидравлических процессов и выполнять численные расчёты (ПСК – 3, ПСК – 4);
  
• 
  разрабатывать компьютерные модели теплогидравлических процессов;
  
• 
  пользоваться справочными данными по теплофизическим свойствам теплоносителей (ОК-6, ПК-9).
  

Владеть:

• 
  навыками проведения научно-технических докладов, участия в профессиональной дискуссии (ОК-2, ОК-12);
  
• 
  основами термодинамического анализа рабочих процессов в тепловых машинах, определения параметров их работы, тепловой эффективности (ОК-6, ПК-6);
  
• 
  основными методами измерений, обработки результатов и оценки погрешностей измерений (ПК-18);
  
• 
  методиками лабораторного определения теплофизических свойств материалов (ПК-19);
  
• 
  терминологией в области технической термодинамики и тепломассообмена (ОК-2).
  

СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1. Структура дисциплины

Общая трудоёмкость дисциплины составляет 6 зачётных единиц, 216 часов.

№ п/п	Раздел дисциплины. Форма промежуточной аттестации (по семестрам)	Всего часов на раздел	Семестр	Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоёмкость (в часах)				Формы текущего контроля успеваемости (по разделам)
				лк	пр	лаб	сам.
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Основы технической термодинамики	26	5	6	6	-	14	Устный опрос
2	Принципы тепломассообмена	8	5	2	2	-	4	Устный опрос
3	Теплопроводность	32	5	6	6	-	20	Контрольная работа
4	Инженерные методы расчёта тепломассообмена	14	5	2	2	-	10	Защита расчётного задания
5	Конвективный тепломассообмен	30	5	6	6	-	18	Устный опрос
6	Двухфазный теплообмен	30	5	8	8	-	24	Контрольная работа
7	Теплообмен излучени- ем	28	5	6	6	-	16	Устный опрос
	Зачёт	2	5	-	-	-	2	Собеседование
	Экзамен	36	5	-	-	-	36	Устный
	Итого	216	5	36	36	-	144

4.2. Содержание лекционно-практических форм обучения

4.2.1. Лекции
1. Основы технической термодинамики
Термодинамическая система. Параметры состояния рабочего тела. Термодинамические процессы. Идеальные и реальные газы, их свойства. Внутренняя энергия, теплота и работа. Первый закон термодинамики. Энтальпия. Обратимые и необратимые процессы. Энтропия. Второй закон термодинамики. Термодинамические потенциалы. Характеристические функции и дифференциальные уравнения термодинамики. Цикл Карно. Эксергический метод термодинамического анализа. Фазовое равновесие и фазовые переходы. Циклы паросиловых установок. Циклы двигателей внутреннего сгорания. Циклы газотурбинных установок. Тепловая теорема Нернста. Третий закон термодинамики и его следствия.

Понятие о термодинамике необратимых процессов. Термодинамические потоки и термодинамические силы. Балансовые уравнения. Принцип локального равновесия. Производство энтропии. Законы Онсагера. Свойства кинетических коэффициентов.

2. Принципы тепломассообмена
Законы переноса теплоты, вещества, импульса. Теплообмен. Температурное поле. Изотермы. Градиент температуры. Плотность теплового потока. Закон теплопроводности Фурье. Конвективный перенос энергии. Массообмен. Концентрация компонентов смеси. Плотность потока массы. Закон диффузии Фика. Энтальпия смеси. Кондуктивный поток энергии при наличии диффузии.

Законы сохранения. Дифференциальные уравнения тепломассообмена. Общая форма балансового уравнения. Закон сохранения массы, уравнение неразрывности. Закон сохранения 1-компонента, уравнение конвективной диффузии. Закон сохранения энергии, уравнение энергии. Закон сохранения импульса, уравнение движения. Система дифференциальных уравнений конвективного тепломассообмена. Термодинамические соотношения и свойства теплоносителей.

3. Теплопроводность
Дифференциальное уравнение теплопроводности. Краевые условия. Типы граничных условий. Одномерные стационарные задачи теплопроводности. Плоская стенка. Цилиндрическая стенка. Сферическая стенка. Теплопередача. Критический диаметр изоляции. Принципы интенсификации теплопередачи. Интенсификация посредством оребрения. Теплопроводность вдоль стержня. Теплопроводность тел с внутренними источниками теплоты. Плоское тело. Цилиндрическое тело.

Нестационарная теплопроводность. Дифференциальные уравнения и краевые условия. Пластина. Цилиндр. Нестационарная теплопроводность тел, образованных пересечением пластин и цилиндров.

Численные методы теплопроводности. Метод контрольного объема для получения конечно-разностных аппроксимаций уравнения теплопроводности. Явные и неявные численные методы. Метод прогонки. Обзор математических пакетов для численного анализа.
4. Инженерные методы расчёта тепломассообмена в энергетических установках

Расчёт теплоотдачи в элементах теплообменных устройств. Методы подобия и размерностей. Теплоотдача при продольном обтекании пластины. Теплоотдача в поперечно-обтекаемых пучках труб. Теплоотдача в трубах. Теплообмен и сопротивление при течении в кольцевых каналах. Теплообмен и сопротивление при продольном обтекании пучков труб. Теплоотдача при свободной конвекции. Интенсификация теплообмена. Аналогия процессов тепло- и массообмена.

Основные соотношения для расчёта теплообменников. Типы теплообменников и схемы движения теплоносителей. Изменение температур теплоносителей и средний температурный напор для прямотока, противотока и перекрестного тока. Эффективность теплообменника. Тепловой и гидравлический расчёт теплообменников. Методы интенсификации теплопередачи. Методы оценки энергетической эффективности теплообменников.

5. Конвективный тепломассообмен
Теория пограничного слоя. Оценка порядка величин в дифференциальных уравнениях конвективного теплообмена для течений с большими числами Рейнольдса. Уравнения пограничного слоя. Преобразование подобия. Автомодельные переменные. Интегрирование уравнения Фолкнера – Скэн для пограничных слоев. Интегрирование уравнения теплового пограничного слоя. Интегрирование уравнений свободноконвективных пограничных слоев.

Интегральный метод решения задач пограничного слоя. Законы трения, теплообмена, массообмена. Стандартные законы. Условия ламинарно-турбулентного перехода.

Расчёт теплоотдачи при различных тепловых граничных условиях на обтекаемой поверхности.

Расчётные модели турбулентности в задачах конвективного теплообмена. Модели пути смешения. Дифференциальное уравнение переноса турбулентной энергии. Модель турбулентности k-eps.

Численное моделирование конвективного тепломассообмена и универсальные программные пакеты.
6. Двухфазный теплообмен
Условия динамического и теплового взаимодействия на поверхности раздела фаз. Структуры, режимы и количественные характеристики двухфазных потоков.

Теплообмен при кипении. Кривые кипения. Физика кипения. Модели теплообмена при пузырьковом кипении. Плотность центров парообразования. Рост пузырька пара в перегретой жидкости. Коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении. Расчетные соотношения для кипения в большом объеме. Кризис кипения. Пленочное кипение. Кипение в трубах. Структура потока и режимы кипения. Диагностика кризисов кипения в зависимости от давления, массовой скорости и паросодержания.

Теплообмен при конденсации. Пленочные течения. Теплообмен при конденсации на гравитационных ламинарных пленках жидкости. Гравитационные турбулентные пленки. Сдвиговые ламинарные пленки. Сдвиговые турбулентные пленки. Расчет трения на межфазной границе. Универсальные аппроксимации для расчета теплообмена при конденсации. Конденсация на трубных пучках. Конденсация в трубах. Влияние примесей неконденсирующихся газов. Конденсация при непосредственном контакте на сплошных и диспергированных струях жидкости. Расчёт тепломассообмена при конденсации парогазовой смеси.
6. Теплообмен излучением
Основные понятия и законы. Количественные характеристики излучения. Классификация потоков излучения. Закон Кирхгофа. Законы излучения абсолютно чёрного тела. Излучение и поглощение нечёрных тел.

Теплообмен излучением в прозрачной среде. Понятие углового коэффициента излучения. Расчет угловых коэффициентов. Замкнутая система поверхностей. Аналитические решения для простых систем. Примеры, приложения. Радиационные и конвективные тепловые потоки. Граничные условия. Задача о радиационных заморозках. Задача об экранных поверхностях нагрева. Компьютерное моделирование.

Теплообмен излучением в системе с излучающим и поглощающим газом. Расчет излучения и поглощения газов. Уравнение переноса излучения. Замкнутая система поверхностей. Радиационно-конвективный теплообмен в камере сгорания. Компьютерное моделирование.

4.2.2. Практические занятия
№ 1.Уравнения состояния рабочего тела.

№ 2.Циклы паросиловых установок.

№ 3.Циклы газотурбинных установок.

№ 4.Дифференциальные уравнения тепломассообмена.

№ 5.Расчёт теплопередачи через плоские, цилиндрические и сферические стенки.

№ 6.Расчёт теплоотдачи и критического диаметра изоляции.

№ 7.Расчёт теплопередачи через оребренные поверхности.

№ 8.Расчёт нестационарной теплопроводности пластины и цилиндра.

№ 9.Расчёт теплоотдачи при свободной конвекции.

№ 10.Расчёт теплоотдачи при обтекании пластины.

№ 11.Расчёт теплоотдачи и сопротивления при течении однофазной жидкости в трубах и каналах.

№ 12.Расчёт характеристик двухфазных потоков.

№ 13.Расчёт теплоотдачи при кипении на поверхности. Расчёт кризисов кипения 1-го рода.

№ 14.Расчёт теплоотдачи при кипении в трубах. Расчёт кризисов 2-го рода.

№ 15.Расчёт теплообмена при конденсации пара на поверхности вертикальных и горизонтальных трубы.

№ 16.Расчёт теплообмена излучением для простых систем.

№ 17.Расчёт угловых коэффициентов излучения и результирующих потоков излучения для сложных систем.

№ 18.Расчёт теплообмена излучением в системе с излучающим и поглощающим газом.

4.3. Лабораторные работы
Лабораторные работы учебным планом не предусмотрены.
4.4. Расчётные задания

1. 
   Тепловой и гидравлический расчёт регенеративного теплообменника методом численного моделирования в пакете Mathcad.
   
2. 
   Тепловой расчёт конденсатора (водяное и воздушное охлаждение) методом численного моделирования в пакете Mathcad.
   
3. 
   Исследование нестационарных температурных режимов стенок цилиндра с воздушным и водяным охлаждением в пакете Mathcad.
   
4. 
   Расчёт нестационарных температурных полей в телах параллелепипедной, цилиндрической, сферической формы.
   
5. 
   Исследование эффективности оребрения различной геометрии.
   
6. 
   Компьютерное моделирование локальной теплоотдачи при продольном обтекании пластины в пакете Mathcad.
   
7. 
   Расчёт эффективных, результирующих потоков в котле ТЭС методом численного моделирования в пакете Mathcad.
   

4.5. Курсовые проекты и курсовые работы
Курсовой проект (курсовая работа) учебным планом не предусмотрен.

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия
Лекционные занятия проводятся в традиционной форме.

Практические занятия
На практических занятиях студенты осваивают методику инженерных расчётов процессов тепломассообмена. Изучаются необходимые численные алгоритмы и их программная реализация в математическом пакете Mathcad.

Объём обучения с применением информационных технологий, разработанных на кафедре – 4 часа.

Самостоятельная работа
Для самостоятельной работы студентов рекомендуется использовать разработанный на кафедре теоретических основ теплотехники “Электронный курс тепломассообмена в энергетических установках”: https://twt.mpei.ac.ru/solodov/HMT-eBook_2009/index.htm, состоящий из электронной книги с изложением теории тепломассообмена, компьютерных лабораторных работ, презентаций и представительного набора Mathcad-программ.
6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Для текущего контроля успеваемости используются различные виды тестов, контрольные работы, расчётные задания, устный опрос.

Аттестация по дисциплине – экзамен.

Оценка за освоение дисциплины определяется как оценка на экзамене.

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература:

а) основная литература:

1. 
   Кириллин В.А., Сычёв В.В., Шейндлин А.Б. Техническая термодинамика: Учебник. М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 496 с.
   
2. 
   Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоатомиздат. 1981. 417 с.
   
3. 
   Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен: Учебное пособие для студентов. М.: Издательство МЭИ, 2006. 550 с.
   
4. 
   Цветков Ф.Ф., Р.В.Керимов, В.И.Величко. Задачник по тепломассообмену. М.: Издательство МЭИ, 1997. 136 с.
   
5. 
   Солодов А.П., Ежов Е.В. Элементарные модели теплообмена при конденсации: Учебное пособие для студентов. М.: Издательство МЭИ, 2006. 51 с.
   

б) дополнительная литература:

1. 
   Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных систем. М.: Издательство МЭИ, 2000. 374 с.
   
2. 
   Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалёв С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Энергоатомиздат, 1986. 472 с.
   
3. 
   Практикум по теплопередаче / Под ред. А.П.Солодова. М.: Энергоатомиздат, 1986. 296 с.
   
4. 
   Солодов А.П. Принципы тепломассообмена. М.: Издательство МЭИ, 2002. 96 с.
   
5. 
   Солодов А.П., Очков В.Ф. Mathcad. Дифференциальные модели. М.: Издательство МЭИ, 2002. 239 с.
   
6. 
   Солодов А.П. Электронный курс “Tепломассообмен в энергетических установках”. https://twt.mpei.ac.ru/solodov/HMT-eBook_2009/index.htm
   

в) Методические указания.

1.Барковский В.В. Расчёт процессов изменения состояния воды по справочнику «Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара». М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 32 с.

г) Технические и профессиональные справочники, обеспечивающие практическую деятельность по дисциплине.

1.Александров А.А., Орлов К.А., Очков В.Ф. Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: Справочник. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 224 с.

2.Теплоэнергетика и теплотехника: Справочник. Книга 2. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Ред.: Клименко А.В., Зорин В.М. М.: Издательский дом МЭИ. 2007 г.

3.Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчётам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат, 1990. 360 с.

4.Справочник по теплообменникам. Пер. с англ. / Под ред. Б.С.Петухова, В.К.Шикова. М.: Энергоатомиздат, 1987. Т.1, 560 с.


7.2. Электронные образовательные ресурсы:

• 
  программы вычисления свойств рабочих веществ, расположенные в Интернете на сайтах www.tpc.nm.ru и www.wsp.ru, и электронные калькуляторы свойств воды и водяного пара WaterSteamCalculator и свойств газов WaterSteamGasesCalculator;
  
• 
  Электронный курс: А.П..Солодов. «Тепломассообмена в энергетических установках»: https://twt.mpei.ac.ru/solodov/HMT-eBook_2009/index.htm
  

а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

Каждый обучающийся в МЭИ (ТУ) получает пароль для доступа к указанным выше электронным ресурсам для расчетов свойств веществ.

б) другие:

Не предусмотрены.

8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учётом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 221000 «Мехатроника и робототех­ника» и профилю «Компьютерные технологии управления в робототехнике и мехатронике».

ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:
к.т.н., доцент Ежов Е.В.
"СОГЛАСОВАНО":
Директор ЭнМИ

к.т.н. профессор Серков В.А.

"УТВЕРЖДАЮ":
Зав. кафедрой ТОТ

к.т.н., профессор Сухих А.А.