Министерство образования и науки Республики Казахстан Карагандинский государственный технический университет     Утверждаю Первый проректор ___________   Исагулов А.З. «____» _________ 2006г.           УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ  ПРЕПОДАВАТЕЛЯ   по дисциплине «Нагрев и нагревательные устройства»                     для студентов специальности 050709     «Металлургия»   Факультет        машиностроительный   Кафедра    МЛП и КМ 2006

Учебно-методический комплекс дисциплины преподавателя разработан: Квон Светлана Сергеевна, доцент кафедры МЛП и КМ, к.т.н. Альжанов Марат Кайдарович, доцент кафедры МЛП и КМ, к.т.н.       Обсужден на заседании кафедры МЛП и КМ Протокол № _______ от «____»______________2006г. Зав. кафедрой ____________ Шарая О.А.        «____»____________2006 г.       Одобрен методическим бюро факультета машиностроительный Протокол № ________ от «_____»_____________2006 г. Председатель _____________ Турсунбаева А.К.       «____»________2006 г.

1 Рабочая учебная программа

 

1.1 Сведения о преподавателе и контактная информация.

Квон Светлана Сергеевна – доцент, к.т.н. кафедры МЛП и КМ

Альжанов Марат Кайдарович — доцент, к.т.н. кафедры МЛП и КМ

 

Кафедра  МЛП и КМ находится в главном корпусе КарГТУ, аудитория  313, контактный телефон  56-75-96 доб. 124

1.2 Трудоемкость дисциплины

 

Семестр	Количество кредитов	Вид занятий					Количество часов СРС	Общее количество часов	Форма контроля
		количество контактных часов			количество часов СРСП	всего часов
		лекции	практические занятия	лабораторные занятия
5	2	15	15		30	60	30	90	Курсовая работа

 

1.3 Характеристика дисциплины

Дисциплина «Нагрев и нагревательные устройства» является вузовской компонентой_цикла профильных дисциплин. Большинство современных технологий и производств подразумевают процессы нагрева различных материалов. Следовательно, для грамотного ведения технологического процесса, разработки режимов, обеспечивающих требуемые свойства и качество изделия, необходимо знание закономерностей процесса нагрева. Таким образом, данная дисциплина является базовой при  дальнейшем изучении таких специальных дисциплин, как «Технология термической обработки», «Упрочнение изделий в машиностроении» и т.д.

1.4 Цель дисциплины

Целью изучения данной дисциплины является: приобретение навыков анализа процессов теплообмена в различных нагревательных устройствах, расчет оптимальных режимов нагрева с целью экономии энергоресурсов и получения изделий с заданным уровнем качества.

 

1.5 Задачи дисциплины

Задачи дисциплины следующие:

выбор и расчет режимов нагрева, выбор вида топлива и нагревательных устройств_в зависимости от поставленных задач.

В результате изучения данной дисциплины студенты должны:

иметь представление о:

конструкции и принципах работы различных нагревательных устройств, видах топлива, огнеупорных и строительных материалах, используемых в нагревательных устройствах.

знать:

основные законы теплообмена, методики расчета режимов нагрева;

уметь:

анализировать явления и процессы, протекающие_в нагревательных устройствах, обрабатывать экспериментальные данные с использованием методов теории подобия и соответствующих диаграмм.

приобрести практические навыки:

расчета режимо; основных технологических и конструктивных параметров нагревательных  устройств.

 

1.6 Пререквизиты

Для изучения данной дисциплины необходимо усвоение следующих дисциплин (с указанием разделов (тем)):

 

 

 

1.7 Постреквизиты

Знания, полученные при изучении дисциплины, используются при освоении следующих дисциплин: «Оборудование термических цехов», «Физические свойства металлов», «Технология термической обработки», «Металлургическая теплотехника»

 

1.8 Содержание дисциплины

 

1.8.1 Содержание дисциплины по видам занятий и их трудоемкость

 

1.8.2 Тематика курсовых работ

Тема: Анализ процесса горения топлива, описание и принцип работы нагревательного устройства и расчет режима нагрева изделия. (по вариантам).

 

1.9 Список основной литературы

1. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.,1980

2. Кривандин В.А., Арутюнов В.А. и др. «Металлургическая теплотехника» т. 1,2. М.,1986

3. Краснощеков Е.А., Сукомел А.А. Задачник по теплопередаче.

4. Китаев Б.И. и др. Металлургические печи. М.,1970.

5. Николаев Е.Н. Термическая обработка и оборудование термических цехов, М., 1980.

6.Квон Св.С. Теплотехника. Учебное пособие, КарГТУ, 2003

7.Альжанов М.К. Расчеты термодинамических процессов. Учебное пособие, КарГТУ, 2003.

 

1.10 Список дополнительной литературы

8. Солодихин А.Г. Технология, организация и проектирование термических цехов. М.,1987.

9. Гусовский А.С. Термические печи и нагревательные устройства. Справочник, М., 2001.

10. Соколов К.П. Технология термообработки и проектирование термических цехов, М., 1988.

 

1.11 Критерии оценки знаний студентов

Экзаменационная оценка по дисциплине определяется как сумма максимальных показателей успеваемости по рубежным контролям (до 50%) и итоговой аттестации (экзамену) (до 50%) и составляет значение до 100% в соответствии с таблицей.

 

 

Рубежный контроль проводится на 5-й, 10-й и 15-й неделях обучения и складывается исходя из следующих видов контроля:

 

 

 

1.12 Политика и процедуры.

При изучении дисциплины «Нагрев и нагревательные устройства» прошу соблюдать следующие правила:

1. Не опаздывать на занятия.

2. Не пропускать занятия без уважительной причины, в случае болезни прошу представлять справку, в других случаях – объяснительную записку.

3. Активно участвовать в учебном процессе.

4. Быть терпимыми, открытыми, откровенными и доброжелательными к сокурсникам и преподавателям.

 

1.13 Учебно-методическая обеспеченность дисциплины.

 

Ф.И.О автора	Наименование учебно-методической литературы	Издательство, год издания	Количество экземпляров
			в библиотеке	на кафедре
Основная литература
Нащокин В.В.	Техническая термодинамика и теплопередача	Машиностроение, 1980	15	1
Кривандин В.А., Арутюнов В.А. и др.	Теплотехника	Машиностроение, 1986	7	1
Краснощеков Е.А., Сукомел А.А	Задачник по теплопередаче		2	1
Китаев Б.И. и др.	Металлургические печи	Машиностроение, 1970	2	1
Николаев Е.Н.	Термическая обработка и оборудование термических цехов	Машиностроение, 1980	12	1
Квон Св.С.	Теплотехника	Изд. КарГТУ, 2003	5	60
Альжанов М.К.	Расчеты термодинамических процессов	Изд. КарГТУ, 2003	5	80
Дополнительная литература
Солодихин А.Г.	Технология, организация и проектирование термических цехов	Машиностроение, 1980	4	1
Гусовский А.С.	Термические печи и нагревательные устройства.	Металлургия, 2001.	1	—
Соколов К.П.	Технология термообработки и проектирование термических цехов	Машиностроение,1988	2	1

 

2. График выполнения и сдачи заданий по дисциплине

Вид контроля	Цель и содержание задания	Рекомендуемая литература	Продолжительность выполнения	Форма контроля	Срок сдачи
Отчет по СРС (тема 1)	Углубить знания по данной теме	[1-3,6]	2 недели	текущий	2 –я неделя
Практическое занятие 1	Освоить методику расчета процесса горения топлива	[1-3,6]	2 недели	текущий	2 –я неделя
Отчет по СРС (тема 2)	Углубить знания по данной теме	[1-3,6]	2 недели	текущий	3 –я неделя
Практическое занятие 2	Решение задач по темам: уравнения состояния газовых систем, законы термодинамики.	[1-3,6]	2 недели	текущий	4 –я неделя
Отчет по СРС (тема 3)	Углубить знания по данной теме	[1-3,6]	2 недели	текущий	5 –я неделя
Практическое занятие 3	Решение задач по темам: энтальпия, энтропия. Теплопроводность стенок при г.у. 1-ого рода.	[1-3,6]	2 недели	текущий	6 –я неделя
Контрольная работа 1	Контроль знаний по основам термодинамики	[1-3,6], конспект лекций		рубежный	5-ая неделя
Отчет по СРС (тема 4)	Углубить знания по данной теме	[1-3,6]	2 недели	текущий	7 –я неделя
Практическое занятие 4	Решение задач по темам: решение задач конвективного теплообмена методом теории подобия.	[1-3,6]	2 недели	текущий	8 –я неделя
Отчет по СРС (тема 5)	Углубить знания по данной теме	[1-3,6]	2 недели	текущий	9 –я неделя
Практическое занятие 5	Решение задач по темам: решение задач лучистого теплообмена	[1-3,6]	2 недели	текущий	10 –я неделя
Контрольная работа 2	Контроль знаний по основам конвективного теплообмена	[1-3,6], конспект лекций		рубежный	10 –я неделя
Отчет по СРС (тема 6)	Углубить знания по данной теме	[1-3,6]	2 недели	текущий	11 –я неделя
Практическое занятие 6	Решение задач по темам: решение задач теплопроводности при г.у. 3-его рода.	[1-3,6]	2 недели	текущий	12 –я неделя
Отчет по СРС (тема 7)	Углубить знания по данной теме	[1-3,6]	2 недели	текущий	13 –я неделя
Практическое занятие 7	Решение задач по темам: решение задач теплопроводности при нестационарном режиме.	[1-3,6]	2 недели	текущий	12 –я неделя
Отчет по СРС (тема 8)	Углубить знания по данной теме	[1-3,6]	2 недели	текущий	14 –я неделя
Практическое занятие 8	Решение задач по темам: решение задач сложной теплопередачи.	[1-3,6]	2 недели	текущий	14 –я неделя
Контрольная работа 3	Контроль знаний по теплопроводности при нестационарном режиме	[1-3,6], конспект лекций		рубежный	15-ая неделя
Защита курсовой работы	Контроль знаний по курсу	вся рекомендуемая литература, конспект лекций		итоговый	15-ая неделя

 

3. Конспект лекций.

 

Раздел 1. Топливо и процессы горения.

Тема 1. Общая характеристика топлива и расчет процесса горения.(1 час)

План лекции

1. Классификация топлива на производное и природное.

2. Характеристика горючей массы.

3. Характеристика балласта.

4. Расчет процесса горения.

Современное топливо представляет собой смесь органических и минеральных веществ. По состоянию топливо можно разделить на твердое, жидкое и газообразное. По происхождению топливо можно разделить на природное (не прошедшее химическую обработку) и производное (прошедшее химическую обработку). Самой ценной частью топлива являются: углерод, водород, кислород и сера. Эти элементы составляют горючую массу топлива. Каждый из перечисленных элементов обладает своей теплотворной способностью и может находиться как в относительно свободном виде (легко извлекается), так и в связанном виде (составляет внутренний балласт топлива). В топочной технике помимо горючей массы различают также рабочую и сухую массы. Под рабочей массой топлива понимают массу топлива в том виде, в каком его загружают в печь. Под сухой массой топлива понимают массу обезвоженного топлива. Влага топлива и зола топлива составляют балласт топлива.

Главной задачей расчета топлива является определение низшей теплотворной способности топлива, состава и количества продуктов сгорания, плотность продуктов сгорания.

Расчет горения топлива

1. Пересчет состава топлива

Пересчет состава твердого и жидкого топлива выполняется умножением процентного содержания компонентов заданного состава на коэффициент, значения которого приведены в табл.1.

Тепловые расчеты производятся по рабочей массе топлива, характеризующей состав топлива в практических условиях его использования.

Для газообразного топлива коэффициент пересчета состава сухого газа на влажный (рабочую массу топлива) определяется из следующего выражения:                                                 (1)

           где                                                    (2)

Здесь Н₂О – содержание влаги в газе по объему, %;

W^c – содержание водяных паров в сухом газе, г/м³;

803,6 – плотность водяных паров при О^оС и 101,325 кн/м², г/м³.

Для доменного и коксового газов влагосодержание отвечает насыщению их при 25-35⁰С и может приниматься равным 25-50г/м³. Для природного газа влагосодержание соответствует температуре насыщения порядка 10^оС и равно 10г/м³. При таком влагосодержании природный газ можно считать практически сухим.

Состав влажного газа определяется умножением соответствующих компонентов сухого газа на коэффициент пересчета k:

 и т.д.                               (3)

Для твердого и жидкого топлива низшая теплота сгорания определяется по формуле Д.И.Менделеева:

Таблица 1

Коэффициенты для пересчета состава топлива

Заданный состав топлива	Состав топлива, на который ведется пересчет
	Органическая масса (о)	Условно горючая масса (г)	Сухая масса (с)	Рабочая масса(р)
Органическая масса (о)	1
Условная горючая масса (г)		1
Сухая масса (с)			1
Рабочая масса (р)				1

Для газообразного топлива

(5)

В формулах (4) и (5) С^р, Н^р, СО, Н₂ и т.д. – процентное содержание соответствующих компонентов в топливе. Член в формуле (5) выражает сумму произведений теплот сгорания непредельных углеводородов на их процентное содержание в газе.

При содержании в топливе небольшого количества (до3%) непредельных углеводородов неизвестного состава последние принимаются состоящими из этилена (С₂Н₄). Тогда    =0,596С_mH_n Мдж/м³.

 

Рекомендуемая литература к разделу 1:

1. [1], т.1 стр.13-25
2. [4], стр. 56-72
3. [7], стр.4-14.

 

Контрольные задания для СРС по теме 1:

1. Рассчитать состав рабочей массы топлива заданного состава (по вариантам).
2. Оценить качество данного топлива по влажности.

 

Раздел 2. Основы технической термодинамики.

Тема 2. Основные понятия  технической термодинамики. (2 часа)

План лекции

1. Понятие теплоты, работы, теплоемкости.

2. Первый закон термодинамики, его практическое значение.

3. Понятие энтропии, энтальпии.

4. Второй закон термодинамики.

Теплоемкостью называют количество теплоты, которое необходимо сообщить рабочему телу (газу), чтобы изменить его температуру на 1^оС.

Теплоемкость газа зависит от температуры. По этому признаку различают: среднюю теплоемкость: ;  истинную теплоемкость   .

В зависимости от выбранной количественной единицы вещества различают:

— мольную теплоемкость μс, ;  — объемную теплоемкость , ;

— массовую теплоемкость   с, .

Все эти величины связаны между собой следующими соотношениями:

,      ,    ,

где  ;        ρ – плотность.

Теплоемкость идеальных газов зависит не только от температуры, но и от характера процесса. Особо важное значение имеют:

— теплоемкость при изменении состояния при постоянном объеме – С_V;

— теплоемкость при изменении состояния при постоянном давлении – С_р;

Между этими параметрами существует соотношение:

      (уравнение Майера);       , где К – показатель адиабаты.

              Теплоемкость газовой смеси вычисляется как сумма теплоемкостей компонентов:  ;

Первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения и превращения энергии. Для бесконечно малого изменения состояния 1 кг любого газа аналитическое выражение I-го закона термодинамики в дифференциальной форме будет иметь вид:  .

Работа расширения 1 кг газа:  ;                       .

Изменение внутренней энергии идеального газа для любого процесса при бесконечно малом изменении состояния (для 1 кг):  .

В расчетах обычно надо знать изменение внутренней энергии . Поэтому в конечных величинах можно записать:  ;

Выражение  или для удельных величин  называется энтальпией.          Уравнение I-го закона термодинамики, выраженное через энтальпию, имеет вид:  . Для идеальных газов: .

Пользуясь I законом термодинамики можно определить коэффициент полезного действия (кпд), η – характеризующий степень совершенства превращения теплоты в работу.      КПД может быть вычислен, если известны расход топлива и теплота сгорания:      ,

где     – теплота сгорания топлива, кДЖ/кг; – удельный расход топлива, кг/(кВт·ч).

Второй закон термодинамики определяет направление, в котором протекают процессы, устанавливает условия преобразования тепловой энергии в механическую, а также определяет максимальное значение работы, которая может быть произведена тепловым двигателем.

II закон термодинамики аналитически может быть выражен следующим образом:   .

Знак неравенства соответствует необратимым процессам, а знак равенства – обратимым. Следовательно, для бесконечно малого обратимого процесса II закон термодинамики можно записать как:   ,

т.к. , то    .

Основным уравнением для определения изменения энтропии в обратимом процессе является выражение:  .

Рекомендуемая литература к разделу 2:

1. [1] с. 64-82

2. [6] с.19-24

3. [2] с. 33-45.

 

Контрольные задания для СРС по разделу 2 (тема 2):

1.Решить задачи 1-3, тема 1. [6].

2.Решить задачи 6-9, тема 3. [6].

 

Раздел 3. Основы теории теплообмена.

Тема 3. Теплопроводность, основные понятия и законы. (2 часа)

План лекции

1. Основные понятия теплопроводности.

2. Закон Фурье.

3. Теплопроводность стенок различной конфигурации при граничных условиях 1-ого рода и стационарном режиме.

Основным законом теплопроводности является закон Фурье. Этот закон был установлен экспериментально и гласит: количество переданной теплоты пропорционально падению во времени и площади сечения перпендикулярной направлению распространения теплоты:

,                                         (1)

где    —  плотность теплового потока, Вт/м²;

—  коэффициент.

Знак « — » показывает, что направления теплового потока и градиента температур противоположны.

Коэффициент λ называется коэффициентом теплопроводности. Он является физическим свойством вещества и характеризует его способность проводить тепло. Значение коэффициента теплопроводности представляет собой количество теплоты, которое происходит в единицу времени через единицу изотермической поверхности при grad  t^o = 1^oC.

,  [Вт/м·С^о]                                  (2)

Значение коэффициента λ зависит от очень многих факторов: природы материала, его структуры, плотности, влажности, наличия примесей, давления, температуры и т.д.

При выборе значения λ пользуются справочными данными, следя, чтобы при этом совпадали физические параметры и условия эксплуатации.

На практике большое значение имеет зависимость коэффициента λ от температуры. В большинстве случаев возможно использование следующей эмпирической зависимости:

,                                         (3)

Под температурным полем понимают совокупность значений температуры во всех точках в данный момент времени. Математическим уравнением температурного поля является выражение:

(4)

Если температура тела меняется во времени, т.е. , то такое поле называется нестационарным, а режим эксплуатации – соответственно, нестационарным режимом. Если температура тела постоянна во времени, то такое поле – стационарное, и процесс передачи теплоты осуществляется в стационарном режиме. Закон Фурье описывает процесс передачи теплоты в самом общем случае. Для решения конкретной задачи необходимо знать распределение температуры в теле в начальный момент времени, форму и размеры тела, физические параметры среды, и условия распределения температуры на поверхности тела. Совокупность всех этих условий называется граничными условиями (г.у.).

Используя основной закон теплопроводности – закон Фурье – и задавая г.у. I рода, можно вывести уравнения, определяющие значения теплового потока через стенки различной геометрической формы:

плоская стенка:  ;  цилиндрическая стенка:  .                  шаровая стенка: ;

Надо отметить, что все приведенные уравнения теплопроводности          справедливы при условии, что коэффициент λ не зависит от температуры. С учетом температурной зависимости величины λ уравнения      (5 – 12) несколько усложняются. Однако в большинстве практических случаев приведенные уравнения теплопроводности могут быть использованы, а полученные по ним результаты вполне достоверны.

Контрольные задания для СРС:

1. Решить задачи 4,5 [6].
2. Показать графически изменение температуры внутри стенок различной конфигурации.

 

Тема 4.  Конвективный теплообмен. (2 часа)

План лекции

1. Закон Ньютона-Рихмана.

2. Дифференциальные уравнения теплообмена.

3. Основы теории подобия.

4. Уравнения и числа подобия конвективного теплообмена.

Второй вид теплообмена – конвекция – происходит только в движущихся средах (газах или жидкостях), при этом перенос тепла осуществляется переносом объемов среды. Передача теплоты конвекцией всегда связана с теплопроводностью. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Различают вынужденную конвекцию (движение среды создается искусственно) и свободную – движение возникает в связи с ее нагреванием и изменением плотности. Основным законом конвективного теплообмена является закон Ньютона- Рихмана:

,                                   (1)

По своему физическому характеру конвективный теплообмен является весьма сложным процессом и зависит от большого числа факторов, определяющих процесс теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи  характеризует интенсивность теплообмена между средой и поверхностью, и численно равен количеству теплоты, отдаваемой единицей площади поверхности  в единицу времени при разнице температур между средой и поверхностью 1^оС. В общем случае коэффициент теплоотдачи является функцией физических параметров среды, характера течения, скорости движения, формы, размеров тела и т.д. Отсюда коэффициент теплоотдачи

.                                (2)

Уравнение (2) показывает, что коэффициент теплоотдачи – величина сложная, и для ее определения невозможно дать общую формулу. Обычно для определения  приходится прибегать к экспериментальным исследованиям.

Таким образом, использование закона Ньютона-Рихмана для описания конвективного теплообмена ограничено знанием численного значения коэффициента теплоотдачи  в разных условиях опыта.

Другим способом описания конвективного теплообмена является использование дифференциальных уравнений, учитывающие как тепловые, так и динамические явления процесса.   Вывод этих уравнений довольно сложен, поэтому приводим только их конечный вид. Конвективный теплообмен полностью описывается тремя дифференциальными уравнениями:

1)    уравнение теплопроводности Фурье-Кирхгофа, которое устанавливает связь между пространственным и временным изменением температуры в любой точке движущейся среды:   .         (3)

2)    уравнение движения Навье-Стокса:

для оси х:

(4)

аналогично, записываются уравнения для осей у и z.

3)    Уравнение сплошности и неразрывности:                                                                                                       (5)

Совместное решение этих уравнений, их дальнейшее интегрирование по всему объему процесса с учетом краевых условий задачи дает аналитическое описание процесса конвективного теплообмена.

Подобное решение задачи требует значительного математического аппарата и при решении практических задач обычно не используется.

Для описания сложных процессов, каким является конвективный теплообмен, на практике удобно использовать метод теории подобия.    Подобие можно перенести  на физические явления. Понятие «подобие» применимо только к тем физическим явлениям, которые качественно одинаковы по форме и по содержанию, т.е. имеют одинаковую физическую природу. Если это условие не соблюдается, то явления будут называться аналогичными, но не подобными (например, теплопроводность и диффузия). Обязательной предпосылкой подобия физических явлений должно быть геометрическое подобие систем, где они протекают. Иначе говоря, два физических явления будут подобны лишь в том случае, если будут подобны все величины их характеризующие. Это значит, что в сходственных точках пространства и времени однозначные величины будут связаны между собой соотношением:

(7)

где:   – величины 1-го явления;

– соответствующие величины 2-го явления;

k₁, k₂, k₃ – константа подобия.

Из этих положений вытекает основное свойство подобных явлений: для всех подобных систем существуют безразмерные комплексы величин, которые сохраняют одно и то же численное значение. Эти безразмерные комплексы называют числами или критериями подобия. Их принято называть именами ученых (Нуссельт, Прандтль и т.д.), они имеют нулевую размерность и с ними можно производить некоторые арифметические действия (умножение, деление, возведение в степень).

Числа подобия, описывающие теплообмен:  Rейнольдс (является гидромеханической характеристикой среды):   ;                                           (8)

Прандтль (является теплофизической характеристикой):

,                               (9)

Грасгоф (характеризует эффективность подъемной силы при свободной конвекции):                                         ,                                 (10)

Нуссельт (характеризует интенсивность конвективного теплообмена):

,                                                (11)

Фурье:                          ,                                                (13)

Критерий Фурье используется при решении задач, протекающих в нестационарном режиме.

С учетом числа подобия можно записать и уравнения подобия, характеризующие конвективный теплообмен. Так как свободная и вынужденная конвекции различны по своей природе, то и описываются они различными уравнениями подобия:

—         свободная конвекция:

,

Рr = idem,

Nu = f (Gr, Pr);                                          (14)

—         вынужденная конвекция:

Рr = idem,

Re,

Nu = f (Рr, Re);                                          (15)

—         свободно-вынужденная конвекция:

 Рr = idem,

Re,

,

Nu = f (Рr, Re, Gr).                                        (16)

При описании конвективного теплообмена критерии       Рr, Re и Gr являются определяющими, а критерий Нуссельта – определяемым.

Контрольные задания для СРС:

1. Решить задачи 4,5  тема 9. [6].
2. Указать свойства чисел подобия.

 

Тема 5. Лучистый теплообмен. (2 часа)

План лекции

1. Основные понятия лучистого теплообмена.

2. Законы лучистого теплообмена.

3. Лучистый теплообмен между телами при их различном взаиморасположении.

1. Законы теплового излучения.

Носителями лучистой энергии являются электромагнитные колебания с длиной волны от долей мкм до км. В зависимости от длины волн различают:

космическое излучение     0,05 – 10^-6 мкм

γ — излучение                      (0,5 – 1,0)10^-6 мкм

рентгеновское                     10 — 20·10^-3 мкм

ультрафиолет                      20·10^-3 — 0,4 мкм

видимое                               0,4 — 0,8 мкм

инфракрасное (тепловое)  0,8 мкм — 0,8 мм

радиоволны                         0,2 мм — … км

Это деление условное. Нас интересуют те лучи, которые определяются tº и оптическими свойствами тела, то есть световые и тепловые, длина волны 0,5-800 мкм — ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Тепловое излучение свойственно всем телам. При попадании на них энергии, часть поглощается, часть отражается, часть проходит сквозь тело. Погло­щенная энергия вновь превращается в тепловую, отраженная в поглощенную и так далее. То есть каждое тело непрерывно излучает и поглощает лучистую энергию (тепловая — лучистая — тепловая), и осуществляется процесс лучистого теплообмена. Суммарное излучение, проходящее через поверхность F в еди­ницу времени, называется потоком излучения Q, Вт. Лучистый поток испускаемый с единицы поверхности, называет­ся интегральной плотностью потока излучения Е, Вт/м ² :

Пусть на  тело падает энергия, при этом:

Qa — поглощается; Qд –проходит сквозь тело; Q_R — отражается;

(1)

или

А + R + Д = 1,                                                    (2)

где : А — характеризует поглощательную способность;

R — характеризует отражательную способность;

Д — характеризует пропускательную способность;

Все эти величины безразмерны и <1.

Если:

а) А = 1; R = 0; Д = 0, то есть вся падающая энергия полностью поглощается телом. Такие тела называются абсолютно ЧЕРНЫМИ.

б) R = 1; A = 0; Д = O, то есть вся падающая энергия полностью отражается телом. Такие тела называют зеркальными или абсолютно БЕЛЫМИ.

в) Д = l; A =0; R = O, то есть вся энергия проходит сквозь тело. Такие тела называют прозрачными или диатермичными.

1. Закон Планка устанавливает зависимость между спектральной плотностью теплового излучения, длиной волны и температурой:

,                                                              (3)

 

2. Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость плотностью интегрального излучения от температуры:

,                                                                 (4)

В технических расчетах, более распространена форма:

                                                             (5)

3. Закон Кирхгофа  устанавливает связь между собственным излучением тела и  его поглощательной способностью:

                                            (7)

4. Закон Ламберта определяет изменение излучения по отдельным направлениям:                                  ,

 

 

Контрольные задания для СРС:

1. Роль экрана, расчет потока теплового излучения при наличии экрана.
2. Тепловой поток излучения при различном взаиморасположении тел.

 

Тема 6 Сложная теплопередача. (2 часа)

План лекции

1. Сущность процесса сложной теплопередачи. Коэффициент сложной теплопередачи.

2. Теплопроводность при граничных условиях 3-его рода и стационарном режиме.

3. Теплопроводность при нестационарном режиме.

Если температура тела меняется во времени, т.е. , то такое поле называется нестационарным, а режим эксплуатации – соответственно, нестационарным режимом. На практике часто встречаются задачи, когда теплота передается от одной среды к другой через стенку какой-либо конфигурации. Перенос теплоты от одной подвижной среды (горячей) к другой через твердую стенку называется теплопередачей.       Примерами теплопередачи могут служить: передача теплоты от греющей воды к воздуху через стенки батарей, передача теплоты от нагретых газов к воде через стенку цилиндра двигателя внутреннего сгорания и т.д. Во всех рассматриваемых случаях стенка служит проводником теплоты и изготовляется из материала с высокой теплопроводностью.

Теплопередача представляет собой весьма сложный процесс, в котором передача теплоты передается всеми способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Действительно, при наличии стенки процесс теплопередачи складывается из трех   звеньев    (см. рис. 3). Первое звено — перенос  теплоты   конвекцией    стенке.

 

Рис.1. Теплопроводность стенок

при г.у. III рода

Конвекция всегда    сопровождается       теплопроводностью и часто — лучеиспусканием. Второе звено – перенос теплоты теплопроводностью через стенку. При распространении теплоты в пористых телах теплопроводность связана с конвекцией и излучением в порах. Третье звено – перенос теплоты конвекцией от второй поверхности стенки к холодному теплоносителю. В этой передаче теплоты конвекция также сопровождается теплопроводностью и часто излучением. Количество теплоты, переданной горячим теплоносителем стенке путем конвективного теплообмена, определяется по уравнению

  ,

где   – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя с температу-             рой  t₁ к поверхности стенки, учитывающий все виды теплообмена.

        А – расчетная площадь поверхности плоской стенки, м².

Тепловой поток, переданный теплопроводностью через плоскую стенку, определяется уравнением:  .

Тепловой поток, переданный от второй поверхности стенки к холодному теплоносителю, определяется по той же формуле конвективного теплообмена:

,

где   — коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к холодному  теплоносителю с температурой t₂.

Величины  во всех уравнениях одинаковы. Сколько теплоты воспринимает стенка при стационарном режиме, столько же она и отдает.

Решая эти уравнения относительно разности температур, получим:

     или

для плотности теплового потока:        .

Величина   обозначается буквой К, выражается в  и называется коэффициентом теплопередачи:  .

Числовое значение коэффициента теплопередачи выражает количество теплоты, проходящей через единицу поверхности стенки в единицу времени от горячего  к  холодному  теплоносителю   при разности   температур между ними в 1^о.          Полученное уравнение  называют уравнением теплопередачи плоской однородной стенки. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется общим термическим сопротивлением плоской однородной стенки:

.

Аналогично вышеизложенному имеем для других стенок:

—         цилиндрическая однослойная стенка:  .

Величину    называют линейным коэффициентом теплопередачи,   имеющие    размерность    .

—         цилиндрическая многослойная стенка:

;

—    шаровидная стенка:  ;

 

 

Контрольные задания для СРС:

1. Решить задачи 8-10 тема 8.2 [6].

 

Рекомендуемая литература к разделу 3:

1. [1] стр. 82-91

2. [6] стр. 20-54

3. [2] стр. 46-68

4. [3] стр. 123-167.

 

Раздел 4. Общая характеристика нагревательных устройств.

Тема 7. Классификация нагревательных устройств. (2 часа)

План лекции

1. Классификация нагревательных устройств по температуре.

2. Классификация нагревательных устройств по виду используемого топлива.

3. Классификация нагревательных устройств по принципу работы.

Нагревательные печи работают на электроэнергии, газообразном и, реже, жидком топливе (мазуте).

В отечественной промышленности создана единая классификация основного и вспомогательного  оборудования, в котором принято буквенно-цифровое обозначение видов оборудования. Первой бук­вой обозначается вид нагрева (Г — газовый, С — электрический — сопроти­вление, Т — пламенная, И — индукционный), второй буквой — основной конструктивный признак (К — конвейерная, Н — камерная, Ш — шахтная, В — ванна, Д — выдвижной под и т. д.), третьей буквой — характер среды (А — азот, В — вакуум, 3 — защитная атмосфера, О — окислительная атмос­фера, С — соль, Ц — цементационный газ) и четвертой буквой — агрегатность и другие дополнительные признаки (А — агрегат, Л — лабораторная, В — вертикальная, М — механизированная, Н — непрерывного действия, П — периодического действия). Следует иметь в виду, что в индексации га­зовых печей первая буква обозначает назначение печи: Т — термическая пламенная, Н — нагревательная пламенная (для кузнечных цехов). Цифра­ми обозначают основные размеры в дм (ширина, длина, высота или диа­метр и высота) и максимально допустимая рабочая температура в сотнях °С (в знаменателе).

Для нагрева под закалку, нормализацию и отжиг мелких и средних де­талей в термических цехах единичного и мелкосерийного производства применяют камерные печи с защитной атмосферой (СНЗ)  и без защитной атмосферы (СНО). Эти печи выпускают как с металлическим нагревателем (максимальная температура 1000°С), так и с корундовыми нагревателями (1250 — 1300^сС). Размеры рабочего пространства в зависимости от типа печи: ширина 300-800 мм, длина 600-1600 мм и высота 200-500 мм. Масса в одну садку от ОД до 0,8 т.

В электропечах типа СНЗ предусмотрена пламенная завеса (трубчатая горелка), равномерно перекрывающая загрузочный проем во время откры­вания дверцы. Защитный газ подается в печь от газоприготовительной установки через трубу в задней торцовой стенке. Контроль температуры производится термопарами и автоматическими самопишущими потенциометрами.

Для отжига и нормализации широко применяют камерные печи с вы­движным подом. На рисунке показана топливная печь с выдвижным по­дом типа ТДО (Т — термическая пламенная, Д — с выдвижным подом, О — без защитной атмосферы) с максимальной температурой нагрева 1100°С.

Для нагрева деталей большой длины применяют шахтные печи типа СШО и СШЗ. Рабочая температура печи до 1000°С, масса садки 0,6—1,2 т, диаметр рабочего пространства 600—1000 м и высота 600-3000 м.

При организации поточного производства в термических цехах широко применяют высокомеханизированные закалочно-отпускные агрегаты, имеющие как универсальное, так и специальное назначение.

Механизация трудоемких процессов на загрузочно-разгрузочных операциях позволяет уменьшить количество обслуживающего персонала, облегчить труд, улучшить использование оборудования, сэкономить электроэнергию, повысить производительность и качество термической обработки.

 

Контрольные задания для СРС:

1. Составить классификационную таблицу термических печей по температурному диапазону.
2. Сравнить топливные и электрические термические печи.

 

Тема 8. Описание и принцип работы некоторых видов термических печей. (2 часа)

План лекции

1. Описание и принцип работы камерных печей.

2. Описание и принцип работы шахтных печей.

3. Некоторые другие виды нагревательных устройств.

4. Принцип работы и описание камерной электрической печи

В термических цехах для нагрева мелких и средних деталей применяются камерные печи периодического и непрерывного действия, работающие на жидком и газообразном топливе или с применением электроэнергии. Камерные печи периодического действия широко применяются для отжига, нормализации, закалки, цементации и отпуска. В качестве жидкого топлива используют мазут. Мазут имеет большую вязкость, плохо распыляется и плохо смешивается с воздухом и, кроме того, при горении выделяет много дыма. В связи с этим затрудняется автоматизация теплового режима печей и нарушаются санитарно-технические условия в цехе. Поэтому жидкое топливо используется только при отсутствии газообразного.

Электропечи с выдвижным подом выполняются для работы при температуре до 700°С (низкотемпературные), до 1000°С (среднетемпературные) и до 1200°С (высокотемпературные).

Под камерных печей перемещается на колесиках или катках. Изделие (отливки) укладывается на под или снимается с пода мостовым краном. Под печи выкатывается из печи специальной лебёдкой или мостовым краном через блок. Эти печи применяются на машиностроительных и металлургических заводах для отжига отливок, поковок, заготовок, сортового и листового проката.

Конструкция камерной электрической печи типа СНО-8,5.17.5/10: камерная электрическая печь сопротивления периодического действия, с окислительной атмосферой, с размерами рабочего пространства 850*1700*500 мм, Т_тах=1000° С. питание нагревателей осуществляется от трёхфазной сети через трансформатор. Печь нагревается элементами 2 (сплав Х20Н80 — в виде проволоки d = 7 мм). Рабочая температура печи регулируется автоматически. Нагревательные элементы размещают на боковых стенках 4, своде 3 и на поду 5. двери поднимаются и опускаются с помощью электромеханического привода 1. производительность печи -300 кг/ч, электропечи типа СНО — компактны, производительны, с небольшим расходом электроэнергии и большим сроком службы металлических нагревателей. Недостатки этих печей — наличие окислительной атмосферы, ручной подъём и опускание дверей печей.

Шахтные печи

Шахтные печи применяют для закалки, отжига и отпуска деталей большой длины, например труб, осей, валов, втулок, профилей и др. Глубина рабочей камеры таких печей в несколько раз больше диаметра или ширины рабочей камеры. Шахтные печи небольших размеров с соотношением глубины и диаметра рабочей камеры примерно 1 : 1 предназначаются для отжига и отпуска насыпных садок мелких изделий. В этих печах создают принудительную циркуляцию печных газов или горячего воздуха, увеличи­вающую скорость и равномерность нагрева изделий.

Шахтные топливные печи работают в основном на газовом топливе и применяются для нагрева длинномерных изделий. Горелки размещают по высоте печи рядами в шахматном порядке с расстоянием между рядами 0,6— 1,2 м. С уменьшением расстояния между рядами горелок увеличивается равно мерность нагрева изделий. Чтобы предотвратить местный перегрев изделий, оси горелок направляют тангенциально к сечению рабочей камеры печи.

Хорошую равномерность нагрева изделий обеспечивает шахтная газовая печь с рециркуляцией дымовых газов.

Широкое  распространение в термических цехах получили электрические шахтные печи. Они применяются для нагрева изделий до высокой (1300°С),   средней (850 — 950° С)  и   низкой (до 650° С) температуры. Высокотемпературные печи имеют квадратное сечение рабочего пространства, по боковым стенкам которого горизонтально установлены карборундовые стержни. При нагреве   изделий    возможно применение контролируемой атмосферы. Печи Г-65 и Г-95 часто применяют для окончательного нагрева изделий большой длины из быстрорежущей стали   (например, протяжек). В этом случае для предохранительного   подогрева изделий применяют  печи  Ш-35, Ш-55 или Ш-70.

Печи серии Ц и ШЦН предназначены для газовой цементации. В рабочую камеру печей серии Ц устанавливают жароупорный литой муфель (реторту), в который загружают корзины или приспособления с цементуемыми изде­лиями. Сверху муфель закрывают металлической крышкой, на которой уста­новлен вентилятор для перемешивания газовой смеси. Для создания наугле­роживающей атмосферы в реторту самотеком из бачка через капельницу по­дается керосин, бензол или пиробензол. Капельница размещена на крышке печи, здесь же имеется второе отверстие с выводной трубкой для отработав­шего газа. На выходе из трубки газ поджигают. Подъем крышки печи производят гидравлическим механизмом с ручным насосом; а в печах с индексом «М» — гидравлическим приводом с маслонапорной установкой.

«М» — гидравлическим приводом с маслонапорной установкой. В печах серии Ц срок службы муфеля — около 1 года, что приводит к значительному расходу жароупорных сплавов.

Отличительной особенностью печей серии ТТТТЩ является отсутствие муфеля. Изделия помещают непосредственно в нагревательную камеру, футерованную легковесным шамотным кирпичом, покрытым со стороны рабочего пространства специальной газоплотной глазурью. Необходимая герметичность печи создается также наружным сварным металлическим кожухом. Нагревательные элементы изготовлены из сплава ЭИ595, не склонного к цементации. Отсутствие муфеля позволяет проводить ускоренную газовую цементацию деталей, что достигается повышением температуры (до 10500 С) печи. Применение печей типа ТТТТЩ дает возможность ускорить процесс цементации по сравнению с печами серии Ц в 2-3 раза, снизить удельный расход электроэнергии в 1,5 -2 раза и расход жароупорных сплавов в 2 раза.

На рисунке приведена конструкция печи ШЦН-45А. Ее цилиндрическая камера 1 закрывается сверху футерованной крышкой 2. Подъем и опускание крышки осуществляют электрическим приводом 3, отвод крышки в сторону проводят вручную. Ленточные нагревательные элементы 6 подвешены с помощью крючков на боковой стенке печи. Газообразующая жидкость (бензол, пиробензол, синтин или триэтаноламин) поступает из бачка, установленного на печи, и через капельницу 4 подается во всасывающий патрубок вентилятора. При наличии углеводородного газа (природный пропан, бутан и др.) можно, не изменяя конструкции печи, использовать его в качестве карбюризатора. Для создания циркуляции газовой атмосферы печи в отдельном канале от боковой стенки установлен вентилятор 5.

Для того чтобы изделия при охлаждении после цементации не окислялись, корзины с изделиями помещают в колодец, расположенный рядом с печью. Через колодец пропускают отработанный газовый карбюризатор.

В настоящее время разработаны и внедряются в производство новые типы шахтных печей для газового азотирования: ОКБ-3016, ОКБ-3017, ОКБ-3018, ОКБ-3019. На всех печах установлены вентиляторы для циркуляции азотирующего газа, температурный режим регулируется автоматически.

 

 

Контрольные задания для СРС [2, 4, 6, 7]:

1. Провести  расчет теплообмена в камерных печах.

2. Провести  расчет теплообмена в шахтных печах.

 

Рекомендуемая литература к разделу 4:

1. [4], стр. 56-70
2. [5], стр. 32-48
3. [7], стр.73-87
4. [2], том 2 стр. 123-178
5. [9].

 

4. Методические указания для выполнения практических (семинарских) занятий.

 

Тема 1 Расчет горения топлива (2 часа)

Цель занятия: овладеть навыками расчета процесса горения топлива.

 

План практического (семинарского) занятия

1. Пересчет горючей массы топлива на рабочую.
2. Расчет низшей теплоты сгорания топлива.
3. Расчет необходимого количества воздуха.
4. Расчет количества и состава продуктов сгорания.

 

Пример 1. Расчет горения мазута. Состав мазута приведен в таб.51Пересчитаем состав мазута на рабочую массу.

 

 

                                                                                             Таблица 1

Состав мазута, %

Cг	Hг	Oг	Nг	Sг	Wр	Aс
87,4	11,2	0,3	0,6	0,5	2,0	0,1

 

Содержание золы в рабочей массе :

%

Коэффициент пересчета с горючей на рабочую массу

Содержание компонентов в рабочей массе

  и т.д.

Результаты расчета состава рабочей массы мазута приведены в таб.2.

Таблица 2

Состав рабочей массы мазута, %

C	H	O	N	S	Wр	A	Сумма
85,53	11	0,29	0,59	0,49	2,0	0,1	100,0

Теплота сгорания мазута вычисляется по формуле :

 

Теоретически необходимое количество воздуха

Действительное количество воздуха при n = 1,15

L_Д = 1,15 · 9,66 = 11,11 м³/кг

Количество продуктов горения , м³/кг:

 

 

 

 

.

Общее количество продуктов горения

V_Д = 1,6 + 1,39 + 0,003 + 0,304 + 8,77 = 12,07 м³/кг.

Состав продуктов горения

и т.д.

Результаты расчета состава продуктов горения сведены в табл. 3.

Состав продуктов горения мазута, %

СО2	Н2О	SО2	О2	N2	Сумма
13,26	11,52	0,02	2,52	72,68	100,0

Плотность продуктов горения

 

 

 

Рекомендуемая литература к теме 1:

1. [2] том 1, стр. 13-34.
2. [7] стр. 3 — 9.

 

Контрольные задания для СРС (тема 1) [2,4,7] :

1. Сравнить процессы горения топлива при полном и неполном сгорании.

2. Дать краткую характеристику элементам горючей массы топлива.

3. Указать минеральный состав золы.

 

Тема 2. Основы технической термодинамики. (3 часа)

Цель занятия: овладеть навыками расчета параметров термодинамической системы и термодинамических процессов.

 

План практического (семинарского) занятия

1. Расчет параметров системы с использованием газовых законов.

2. Методы пересчета разных видов теплоемкости.

3. Использование 1-ого закона для решения практических инженерных задач.

4. Расчет энтропии в различных термодинамических процессах.

Пример 1.Найти  абсолютное  давление  пара  в  котле,  если  манометр  показывает р = 0,13 МПа,  а  атмосферное  давление  по   ртутному   барометру   составляет В = 680 мм рт.ст. при 25^оС.

Абсолютное давление определяется как:

         Показание барометра () получено при температуре 25^оС. Это показание надо привести к  0^оС (н.у.).

Зависимость показаний барометра от температуры

Тогда абсолютное давление пара в котле:

.

Пример 2. Масса газа составляет 2,3 кг, он занимает объем 600 л. Определить его плотность и удельный объем при данных условиях.

         Удельный объем – это объем, который занимает 1 кг газа:

.

Плотность связана с удельным объемом соотношением:

;

Ответ:

         Пример 3. Воздух в количестве 6 м³ при давлении  и температуре  нагревается при постоянном давлении до . Определить количество подведенной к воздуху теплоты, считая .

         Количество теплоты, которое надо затратить на нагревание (из  определения теплоемкости) от t₁  до  .

Найдем массу газа: ;

Объем газа при нормальных условиях из уравнения:

.

Зная, что:   ;     ;

 

;

Пример 4. 1 кг  воздуха сжимается   по   адиабате  так,  что объем его уменьшается  в 6 раз, а затем при  давление повышается в 1,5 раза. Найти общее изменение энтропии,  теплоемкость считать постоянной.

Изменение энтропии в адиабатном процессе равно нулю по определению: . Следовательно, при 0     .

Изменение энтропии в изохорном процессе определяется по формуле:

;

;

.

         Ответ: общее изменение энтропии в обоих процессах равно изменению энтропии в изохорном процессе и составляет 0,293 .

Рекомендуемая литература к теме 2:

1. [1], стр. 22-78.
2. [6], стр. 4-17.

 

Контрольные задания для СРС:

1. Решение задач 1-5 [6 стр. 5-7]

2. Решение задач 1-5 [6 стр. 9-11]

3. Решение задач 1-5 [6 стр. 15-17]

 

Тема 3. Теплопроводность, основные понятия и законы. (3 часа)

Цель занятия: овладеть навыками расчета параметров процесса теплопроводности при граничных условиях 1-ого рода и стационарном режиме для стенок различной конфигурации.

 

План практического (семинарского) занятия

1. Основные понятия: коэффициент теплопроводности, закон Фурье, граничные условия.

2. Теплопроводность плоской стенки.

3. Теплопроводность цилиндрической стенки.

 

Пример 1. Определить коэффициент теплопроводности материала стенки, если при толщине ее δ = 40 мм и разности температур на поверхности _∆t^о = 20^оС плотность теплового потока q = 145 Вт/м².

Используем уравнение теплопроводности для плоской однородной стенки:              .

Определим величину λ:    ;

Ответ: коэффициент теплопроводности .

            Рекомендуемая литература к теме 3:

1. [1], стр. 316-324.
2. [6], стр. 47-51.

 

Контрольные задания для СРС (тема 3)

1. Решение задач 1-5 [6 стр. 19-21]

2. Решение задач 1-5 [6 стр. 22-24]

3. Решение задач 1-5 [6 стр. 22-24]

 

Тема 4. Конвективный теплообмен, основные понятия и законы (3 часа).

Цель занятия: усвоить основные понятия и законы конвективного теплообмена, овладеть методом теории подобия для решения практических инженерных задач.

 

План практического (семинарского) занятия

1. Основные понятия: коэффициент теплоотдачи, закон Ньютона-Рихмана, дифференциальные уравнения теплообмена.

2. Основы теории подобия.

3. Решение задач теплообмена с  помощью метода теории подобия.

 

Пример 1

Необходимо опытным путем определить распределение температур в длинном стальном вале диаметром d=400мм через =2,5часа после загрузке его печь.

Для стали коэффициенты теплопроводности и температуропроводности равно соответственно: ; .

Коэффициент теплоотдачи к валу в печи .

Исследования режима проводить в небольшой печи на геометрически подобной модели вала, выполненной из стали. Для модели  ;

Определить диаметр модели вала d_м , модель вала в промежуточном времени, через который после загрузки модели в печь необходимо измерить распределение температур в модели.

Подобие температур вала и модели будет иметь место при равенстве критериев для образца и модели:

Вi _м= Вi    F_{0 м}=F₀

Критерии  Био и Фурье для вала равны:

Вi =

F₀=

Из условия Вi м =Вi находим диаметр модели вала:

 

Из условия F_0м=F₀ находим искомый промежуток времени:

 

 

Рекомендуемая литература к теме 4:

1. [1], стр. 348-369.

2.  [6], стр. 57-65.

Контрольные задания для СРС (тема 4)

1. Раскрыть сущность метода дифференциальных уравнений.

2. Записать условия подобия для конвективного теплообмена при конвекции разного происхождения.

3. Решение задач 1,2 [6 стр. 22-24]

 

Тема 5. Теплообмен излучением, основные понятия и законы. (2 часа)

Цель занятия: усвоить основные понятия и законы лучистого теплообмена, методы расчета задач лучистого теплообмена при различном взаиморасположении тел.

 

План практического (семинарского) занятия

1. Основные понятия: степень черноты, коэффициент излучения, законы Планка, Стефана-Больцмана, Кирхгофа.

2. Уравнения лучистого теплообмена для различных тел (решение задач).

3. Излучение газов.

 

Пример 1

Определить собственную излучательную способность стальной балки с коэффициентом излучения , если температура излучающей поверхностей t=1027⁰С. Найти также степень черноты стенки и длину волны, отвечающей максимальную интенсивность излучения.

Из формулы Стефана – Больцмана для серых тел находим:

 

Степень черноты определим из равенства:

 

Длина волны, отвечающая максимуму интенсивности излучения, определится по закону Вина:

 

Ответ: Е=1,295

 

 

Рекомендуемая литература к теме 5:

1. [1], стр. 402-422.
2. [3], стр. 112-143.

 

Контрольные задания для СРС (тема 5)

1. Сравнить процессы лучистого теплообмена для твердых тел и газов.

2. Сравнить поглощательную, отражательную и пропускательную способности различных тел.

 

Тема 6. Сложная теплопередача, основные понятия и законы. (2 часа)

Цель занятия: усвоить основные понятия и законы сложной теплопередачи,  методы расчета задач при граничных условиях 3-его рода.

 

План практического (семинарского) занятия

1. Понятия коэффициента сложной теплопередачи и термического сопротивления сложной теплопередачи.

2. Понятие граничных условий 3-его рода.

3. Решение задач теплопроводности при граничных условиях 3-его рода.

 

Пример 1. Вычислить тепловой поток через 1 м² чистой поверхности нагрева парового котла и температуры на поверхностях стенки, если заданы следующие величины: температура дымовых газов = 1000^оС, кипящей воды =200^оС; коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке α₁= 100 Вт/м²·С^о, и от стенки к кипящей воде α₂= 5000 Вт/м²·С^о. Коэффициент теплопроводности материала стенки  и толщина стенки δ = 12 мм.

По условию задачи задана однослойная плоская стенка. Уравнение теплопередачи в этом случае:

;

.

 

Рекомендуемая литература к теме 5:

1. [1], стр. 326-335.
2. [6], стр. 51-57.

 

Контрольные задания для СРС (тема 6)

1. 1.     Решение задач 1-5[6 стр. 22-24].

 

6. Тематический план самостоятельной работы студента с преподавателем

 

Наименование темы СРСП	Цель занятия	Форма проведения занятия	Содержание задания	Рекомендуемая литература
Тема 1 Общая характеристика топлива и расчет процесса горения	Углубление знаний по данной теме	Собеседование	Виды топлива, некоторые характеристики его	[1 стр.32-43]
Тема 2 Основные понятия  технической термодинамики	Углубление знаний по данной теме	Решение задач	Задачи №1,2,3	[6 стр.4-8]
Тема 3 Теплопроводность, основные понятия и законы	Углубление знаний по данной теме	Собеседование	Теплопроводность стенок различной конфигурации	[6 стр. 47-54]
Тема 4 Конвективный теплообмен.	Углубление знаний по данной теме	Решение задач	Задачи № 1,2,3,4	[6 стр.62-65]
Тема 5 Лучистый теплообмен.	Углубление знаний по данной теме	Собеседование	Ответы на поставленные вопросы	[6 стр.4-8]
Тема 6 Сложная теплопередача	Углубление знаний по данной теме	Собеседование	Ответы на поставленные вопросы	[3 стр.34-30]
Тема 7 Классификация нагревательных устройств	Углубление знаний по данной теме	Собеседование	Ответы на поставленные вопросы	[34 стр.23-30]
Тема 8 Описание и принцип работы некоторых видов термических печей.	Углубление знаний по данной теме	Собеседование	Ответы на поставленные вопросы	[5 стр.112-118]

 

7. Материалы для контроля знаний студентов в период рубежного контроля и итоговой аттестации.

 

7.1 Тематика письменных работ по дисциплине.

Тематика контрольных работ

1. Топливо. Основные характеристики, расчет процессов горения.
2. Первый закон термодинамики. Теория теплоемкости.
3. Способы передачи теплоты. Основные понятия теплопроводности.

 

7.2 Вопросы (тестовые задания) для самоконтроля.

1.Основные параметры термодинамической системы.

2.Уравнения состояния газовой системы.

3.Виды теплоемкости термодинамических систем.

4. I закон термодинамики. Энтальпия.

5. II закон термодинамики. Энтропия.

6. Термодинамические процессы идеальных газов.

7. Теплопроводность при стационарном режиме. Закон Фурье.

8. Теплопроводность стенок различной конфигурации при г.у. I рода.

9. Теплопроводность стенок различной конфигурации при г.у. III рода.

10. Коэффициент теплопередачи.

11. Конвективный теплообмен.

12. Теория подобия.

13. Числа подобия: Рейнольдс, Прандтль, Грасгоф, Нуссельт.

14. Нагрев металла. Основные характеристики процесса.

15. Теплообмен излучением.

16. Лучистый теплообмен между телами при их различном взаиморасположении.

17. Теплопроводность при нестационарном режиме.

18. Сложная теплопередача.

19. Классификация нагревательных устройств.

20. Принцип работы некоторых видов нагревательных устройств.