Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Липецкий государственный технический университет»
Металлургический институт
УТВЕРЖДАЮ
Директор
Чупров В.Б.
«» _ 2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Тепломассообменные аппараты Направление подготовки: 150400.62 «Металлургия»Профиль подготовки: «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей»
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр Форма обучения: очная г. Липецк – 2011 г.
1. Цели освоения дисциплины Целями освоения дисциплины «Тепломассообменные аппараты» являются:
ознакомление с основными типами тепло- и массообменных аппаратов, их конструкциями и режимами эксплуатации;
изучение методов расчета тепломассообменных аппаратов;
выработка знаний, умений, навыков и компетенций, необходимых для анализа и совершенствования режимов эксплуатации тепломассообменных аппаратов.
2. Место дисциплины в структуре ООП ВПО Дисциплина «Тепломассообменные аппараты» входит в раздел «Б.3. Профессиональный цикл. Вариативная часть» ФГОС ВПО по направлению подготовки 150400.62 «Металлургия»
(квалификация (степень) «бакалавр»), профиль подготовки «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей».
Для изучения дисциплины необходимы компетенции, сформированные при изучении следующих дисциплин:
- математика;
- физика;
- теплофизика;
- физическая химия;
- механика жидкостей и газов;
- техническая термодинамика;
- сопротивление материалов;
- теория и практика теплогенерации;
- тепло- и массообмен;
- металлургическая теплотехника.
Освоение дисциплины «Тепломассообменные аппараты» необходимо как предшествующее для изучения дисциплин «Автоматизация промышленных печей», «Автоматизация систем очистки», «Общая теория тепловой работы и конструкции промышленных печей», «Исследование и наладка систем автоматического регулирования», «Инженерная экология», «Экологическое проектирование».
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины В результате освоения дисциплины «Тепломассообменные аппараты» обучающийся должен обладать следующими общепрофессиональными компетенциями:
уметь использовать фундаментальные общеинженерные знания (ПК-1);
уметь сочетать теорию и практику для решения инженерных задач (ПК-4);
уметь применять в практической деятельности принципы рационального использования природных ресурсов и защиты окружающей среды (ПК-5);
уметь следовать метрологическим нормам и правилам, выполнять требования национальных и международных стандартов в области профессиональной деятельности (ПК-8);
уметь выявлять объекты для улучшения в технике и технологии (ПК-11);
уметь осуществлять выбор материалов для изделий различного назначения с учетом эксплуатационных требований и охраны окружающей среды (ПК-12);
иметь способности к анализу и синтезу (ПК-18);
уметь выбирать методы исследования, планировать и проводить необходимые эксперименты, интерпретировать результаты и делать выводы (ПК-19);
уметь использовать физико-математический аппарат для решения задач, возникающих в ходе профессиональной деятельности (ПК-20);
уметь использовать основные понятия, законы и модели термодинамики, химической кинетики, переноса тепла и массы (ПК-21);
уметь обосновывать выбор оборудования для осуществления технологических процессов (ПКВ результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
основные типы тепло- и массообменных аппаратов, их конструкции и режимы эксплуатации;
методы оценки эффективности работы тепломассообменных аппаратов;
методы расчета конструктивных параметров, теплового и материального балансов тепломассообменных аппаратов.
Уметь:
прогнозировать основные параметры функционирования аппаратов;
использовать критерии эффективности для разработки и/или выбора оптимальных конструкций и режимов эксплуатации тепломассообменных аппаратов;
Владеть:
методами расчета и анализа эффективности работы тепломассообменных аппаратов.
4. Структура и содержание дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единицы, 144 часа.
Распределение часов по учебному плану Классификация, конструкции, тепловые балансы и тепловой № Раздел дисциплины п/п 1 Классификация, конст- Классификация теплообменных аппаратов и теплоносителей. Конструкции и тепловой рукция теплообменных аппаратов поверхностного типа (2).
расчет теплообменных Кожухотрубчатые, секционные, пластинчатые, спиральные и ребриаппаратов стые теплообменные аппараты (2).
2 Классификация, конст- Классификация выпарных аппаратов и установок. Конструкции вырукции, тепловые ба- парных аппаратов с паровым обогревом (2).
лансы и тепловой рас- Сушильные установки. Механизм и кинетика сушки влажных матечет тепломассообмен- риалов (2).
ных аппаратов Варианты конвективной сушки. Основные типы и конструкции сушилок (2).
3 Гидравлический и ме- Гидравлический расчет тепломассообменных аппаратов (1).
ханический расчеты Расчет тепломассообменных аппаратов на прочность (2).
тепломассообменных аппаратов 1 Классификация, конструкции и Конструктивный расчет теплообменных аппаратов поверхтепловой расчет теплообменных ностного типа (3).
аппаратов Поверочный расчет теплообменных аппаратов поверхностного типа (3).
2 Классификация, конструкции, Тепловой расчет выпарных установок непрерывного дейсттепловые балансы и тепловой вия. Материальный и тепловой балансы (3).
расчет тепломассообменных ап- Тепловой расчет выпарных аппаратов периодического дейпаратов ствия (2).
3 Гидравлический и механический Гидравлический расчет тепломассообменных аппаратов (2).
расчеты тепломассообменных Расчет тепломассообменных аппаратов на прочность (4).
5. Образовательные технологии В соответствии с требованиями ФГОС ВПО при изучении дисциплины «Тепломассообменные аппараты» предусматривается использование в учебном процессе активных и интерактивных форм проведения занятий. При проведении практических занятий используются обсуждение постановки задач и способов их решения, обсуждение отдельных разделов дисциплины.
6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной 1) Текущий контроль.
Контрольные работы.
При изучении дисциплины по разделам 1 и 2 согласно таблице «Структура дисциплины»
проводятся контрольные работы.
Примерный перечень задач на контрольных работах.
Контрольная работа № 1.
1. Произвести тепловой и конструктивный расчеты основных деталей секционного водоводяного подогревателя теплосети Мосэнерго при следующих условиях:
схема движения теплоносителей — противоток;
производительность аппарата Q =1,5 Гкал/ч;
температуры греющей воды t'1 =130 0С и t''1 =100 0С;
температуры нагреваемой воды t'2 =62 0С и t'2 =92 0С;
поверхность нагрева выполнена из латунных трубок диаметром d=14/16 мм;
теплопроводность материала трубок =90 ккал/(м·ч·град);
толщина накипи н=0,2 мм;
теплопроводность накипи н=3 ккал/(м·ч·град);
коэффициент, учитывающий потери тепла поверхностью подогревателя в окружающую 2. Определить конечную температуру воздуха для воздухоохладителя с поверхностью нагрева F=1000 м2 при следующих условиях:
температура воздуха, поступающего в воздухоохладитель, t'=60 0С;
объем циркулирующего воздуха V1=100000 м3/ч;
начальная температура охлаждающей воды t'2=250 С;
расход воды V2=320 м3/ч;
коэффициент теплопередачи k=30,5 Вт/(м2К);
теплообмен между воздухом и водой в воздухоохладителе происходит при противотоке.
3. Определить коэффициент теплопередачи для ребристого воздухоохладителя при следующих условиях: расположение трубок в пучке шахматное; скорость воздуха между ребрами w=6 м/с;
диаметр трубки dн/dв =24/22 мм; материал трубок - латунь (=90 ккал/(м·ч·град)); наружный диаметр ребер D=55 мм; толщина ребер р =0,3 мм (теплопроводность ребер р= = 45 ккал/(м·ч·град); шаг ребер b=4,8 мм; средняя температура охлаждающей воды t2=260 оС;
температура горячего воздуха t1 =500 оС.
4. Определить температуру воздуха на выходе из скруббера и среднюю разность температур между теплоносителями при противотоке, если в скруббер поступает воздух в количестве 10000 кг/ч при t'1=1500 С и i=100ккал/кг. Охлаждающая вода имеет температуру на входе t'2= =15 0С и на выходе t''2=55 0С.
5. Рассчитать радиационный рекуператор, работающий в системе комбинированного радиационно-конвективного рекуператора. Температура воздуха на входе в радиационный рекуператор равна tнв=4200 С, конечная температура подогрева воздуха tкв =6000. Температура дымовых газов на входе в рекуператор tнд=10500 С. Количество нагреваемого воздуха Vво=0,695 м3/с, дыма Vдо=0,805 м3/с. Состав дымовых газов 19 % СО2; 1,0 % Н2О и 80 % N2. Толщина стенки рекуператора =6 мм.
6. Выполнить расчет карбошамотного рекуператора, предназначенного для установки на нагревательном колодце. Температура воздуха на входе в рекуператор равна tнв=00 С, конечная температура подогрева воздуха tкв =8500,температура дыма на входе в рекуператор tнд=12500 С. Количество нагреваемого воздуха Vв=1,46 м3/с, количество дыма Vд=2,31 м3/с. Состав дымовых газов 12 % СО2; 10 % Н2О и 75 % N2.
7. Определить поверхность теплообмена для отвода 1 Гкал/ч тепла от кипящего слоя мелкозернистого материала с эквивалентным диаметром dэ=3,75 мм и удельным весом н=850 кгс/м3. В качестве охлаждающего теплоносителя применяется кипящая в трубках вода при tн=1430 С, имеющая коэффициент теплообмена =5000 ккал/(м3·ч·град). Трубный пучок помещен в зернистый кипящий слой, температура которого по условиям технологического процесса должна поддерживаться постоянной на уровне 9500 С. Средняя порозность кипящего слоя =0,75 и скорость газа, поступающего под решетку кипящего слоя v=3,8 м/с.
Контрольная работа № 2.
1. Произвести упрощенный тепловой расчет барабанной сушилки при следующих условиях. Количество продукта поступающего в сушилку, G1=20000 кг/ч; начальная влажность продукта на общий вес w01 =18 %; конечная влажность w02 =10 %; теплоемкость высушенного продукта с =0,3 ккал/(кг град); температура воздуха, поступающего в калорифер, t0 =20 0С; относительная влажность воздуха =60 %; температура воздуха, после калорифера, t1 =150 0С; относительная влажность воздуха, выходящего из сушилки, =80 %; температура продукта при входе в сушилку =10 0С, температура продукта по выходе из сушилки =100 0С.
2. Рассчитать на прочность одноходовой теплообменный аппарат жесткой конструкции при следующих условиях: длина труб аппарата L=2l=400 cм; наружный диаметр трубок d=2,5 cм;
внутренний dв=2,1 cм; диаметр отверстий в решетке d0=2,58 cм; число трубок в трубной решетке n=121, шаг разбивки отверстий в трубной решетке s=3,2 см; внутренний диаметр аппарата D=2а=40 см; толщина стенки кожуха к=0,4 см; давление в трубном пространстве pк=3 кгс/см2 и в межтрубном пространстве pм =10 кгс/см2; расчетная температура трубок tТ=600 С; температура кожуха tТ=600 С; модуль упругости материала решетки, трубок и кожуха Ер=ЕТ=Ек=2,1 кгс/см % коэффициент температурного расширения трубок и кожуха т=к=11,8 10-6 см/град.
3. Нагрев смешанного коксодоменного газа до tкг=3000 С осуществляется в металлическом прямотрубном рекуператоре. Начальная температура газа tнг =200 С. Температура дыма перед рекуператором tнд=8500 С. Расход газа Vг=1,25 м3/с, количество дымовых газов Vд=1,53 м3/с; состав дымовых газов 15 % СО2; 15 % Н2О; 70 %N2 Определить необходимые размеры рекуператора и аэродинамические сопротивления по газовому и дымовому пути. В металлических петлевых рекуператорах дым движется горизонтально по борову, а газ – перекрестным током навстречу дыму.
4. В игольчатом рекуператоре воздух подогревается до t к=3000 С. Температура дыма на входе в рекуператор tнд=8500 С, начальная температура воздуха tнв=00 С; расход воздуха Vв=0,335 м3/с;
количество дымовых газов Vд=0,465 м3/с, состав дымовых газов 15 % СО2; 15 % Н2О и 70 % N2.
Определить размеры рекуператора и аэродинамическое сопротивление по воздушному и дымовому тракту.
5. Для подогрева воздуха до температуры tкв =2500 С используется термоблочный рекуператор.
Температура воздуха на входе в рекуператор равна tнв=200 С, температура дыма tнд=9000 С.
Объем нагреваемого воздуха Vв=0,05 м3/с, объем Vд=0,006 м3/с. Определить необходимые размеры термоблока и потери давления на пути движения дыма и воздуха.
Расчетное задание.
Примеры расчетного задания.
1. Определить поверхность нагрева и габаритные размеры насадки регенератора нагревательного колодца. Воздух подогревается до 950 оС, а газ – до 1000 оС. Тепловая мощность колодца 20 ГДж/ч. Насадка – системы Сименса с размером ячейки 65 мм. Средняя температура продуктов сгорания на входе в насадку 1200 оС. Топливо – смесь природного и доменного газов с теплотой сгорания 16 МДж/м3 – сжигается с коэффициентом расхода воздуха 1,1.
2. Определить поверхность нагрева и габаритные размеры радиационного противоточного рекуператора для подогрева 16200 м3/ч воздуха от температуры 20 оС до 500 оС. В рекуператор поступают 21000 м3/ч продуктов сгорания смешанного (коксового и доменного) газа с теплотой сгорания 10 МДж/м3 при температуре 1000 оС и коэффициенте расхода воздуха 1,2.
3. Доменная печь объемом 3200 м3 оборудована 4 воздухонагревателями, работающими последовательно. Расход воздуха на печь 100 м3/с. Температура нагрева воздуха 1250 0С. Насадка воздухонагревателя выполнена из блочного кирпича БНИ-12-2. Материал насадки – динас (верх) и шамот (низ). Нагрев воздухонагревателя производится смешанным коксодоменным газом с теплотой сгорания 6,7 МДж/м3. Определить геометрические размеры воздухонагревателя.
4. Определить высоту хордовой насадки из досок в скруббере, необходимую для охлаждения L=10000 кг/ч воздуха от t'1=150 0С до t''1=55 0С водой с начальной температурой t'2=15 0С и конечной t''2=55 0С. Энтальпия воздуха при входе в скруббер I1=100 ккал/кг сухого воздуха; энтальпия воздуха на выходе из скруббера составляет I2=50 ккал/кг сухого воздуха. Поверхность насадки в единице объема s=45 м2/м3; свободный объем насадки, равный ее живому сечению, Vсв=0,5 м3/м3 и гидравлический диаметр d=0,045 м, коэффициент смачиваемости =0,5.
5. Определить для тех же параметров теплоносителей, что и в предыдущем примере 4, объем скруббера без насадки с распыливанием воды форсунками, обеспечивающими средний диаметр капли d к=1,2 мм.
6. Рассчитать водонагреватель-аккумулятор с водяным обогревом для нагревания в течение =5 ч и G2=10000 кг воды от t'2=5 0С до t''2=50 0С; расход греющей воды G1=4000 кг/ч; температура греющей воды на входе t'1=70 0С. Греющая вода циркулирует по латунным трубкам диаметром d=21/25 мм.
7. Рассчитать двухкорпусную выпарную установку для глицериновой воды с одинаковыми поверхностями нагрева обоих корпусов. Начальная и конечная концентрации глицериновой воды b0=20 % и bкон=88 %. Производительность Gкон=643 кг/ч концентрированного глицерина. Давление греющего пара P0=5 кгс/cм2 (абс.) и tн=158 0С. Давление во втором корпусе p0= =0,147 кгc/cм2 (абс.) и температура вторичного пара =54 0C. Начальная температура раствора t'1=20 0С. Раствор подогревается в первом подогревателе экстрапаром до t''=80 0С, во втором острым паром до температуры кипения раствора в первом корпусе (t0=t1); теплоемкость чистого глицерина с=0,576 ккал/(кг·град). Выпарные аппараты имеют принудительную циркуляцию раствора. Скорость раствора в трубках: в первом аппарате - 1,5 м/с, во втором -3 м/с. Диаметры нагревательных трубок 38/32 мм. При определении коэффициентов теплопередачи принять толщину накипи в первом аппарате 1 мм и во втором 2 мм; ст=50 ккал/(м·ч·град). Установка работает без перепуска и переохлаждения конденсата.
8. В выпарной аппарат периодического действия подано G1=20000 кг раствора с начальной концентрацией b1=0,005 кг/кг при температуре t0 =20 0С. Начальная теплоемкость раствора с1=0,93 ккал/(кг·град). Аппарат имеет поверхность нагрева F=40 м2 и работает под вакуумом с pн=0,15 кгс/см2 (абс). Начальная температура кипения раствора t1=55 0С. Конечная концентрация раствора b2=0,5 кг/кг. Аппарат обогревается насыщенным водяным паром с температурой tн=120 0С. Требуется определить продолжительность нагрева раствора 1 от t1 =20 0С до t1 =55 0С при коэффициенте теплопередачи k=300 ккал/(м2 ч град); продолжительность выпаривания раствора 2 от b1=0,05 кг/кг до b2=0,5 кг/кг, полный расход греющего пара D; расход тепла на подогрев и выпаривание. Расчет следует выполнить для варианта постоянного уровня раствора в аппарате.
2) Промежуточная аттестация (контроль) Промежуточная аттестация (контроль) представляет собой экзамен, проходящий в виде ответа на теоретические вопросы и защиты результатов выполнения расчетного задания.
Примерный перечень теоретических вопросов к экзамену.
1. Классификация теплообменных аппаратов и теплоносителей.
2. Конструкции теплообменных аппаратов поверхностного типа.
3. Кожухотрубчатые, секционные, пластинчатые, спиральные и ребристые теплообменные аппараты.
4. Теплообменные аппараты со смешиванием теплоносителей.
5. Теплообменные аппараты периодического действия.
6. Теплообменные аппараты с кипящим слоем.
7. Классификация выпарных аппаратов и установок.
8. Конструкции выпарных аппаратов с паровым обогревом.
9. Сушильные установки.
10. Механизм и кинетика сушки влажных материалов.
11. Варианты конвективной сушки.
12. Основные типы и конструкции сушилок.
Гидравлический расчет тепломассообменных аппаратов.
13.
Расчет тепломассообменных аппаратов на прочность.
14.
Конструктивный расчет теплообменных аппаратов поверхностного типа.
15.
Поверочный расчет теплообменных аппаратов поверхностного типа.
16.
Расчет ребристого теплообменника.
17.
Тепловой расчет смесительных аппаратов.
18.
Тепловой расчет рекуперативных аппаратов периодического действия.
19.
Тепловой расчет регенеративных аппаратов.
20.
Расчет теплообменников с кипящим слоем.
21.
Тепловой расчет выпарных установок непрерывного действия.
22.
Материальный и тепловой балансы выпарных установок непрерывного действия.
23.
Тепловой расчет выпарных аппаратов периодического действия.
24.
Расчет конвективных сушилок.
25.
Материальный и тепловой балансы конвективных сушилок.
26.
3) Самостоятельная работа студентов в объеме 43 часа включает Обязательная часть (31 час):
- проработка материала лекций – 3 часа;
- подготовка к практическим занятиям – 28 часов;
Вариативная часть (12 часов):
- подготовка к контрольным работам – 4 часа;
- выполнение расчетного задания – 8 часов;
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение а) Основная литература:
1. Современные нагревательные и термические печи (конструкции и технические характеристики): Справочник. / В.Л.Гусовский, М.Г.Ладыгичев, А.Б.Усачев – М.: «Теплотехник», 2007.
2. Современные горелочные устройства (конструкции и технические характеристики):
Справочник. / А.А.Винтовкин, М.Г.Ладыгичев, В.Л.Гусовский, А.Б.Усачев – М.: «Машиностроение», 2001.
3. Плавильные агрегаты: теплотехника, управление и экология. Справочное издание в 4-х книгах/ В.Г.Лисиенко, Я.М.Щелоков, М.Г.Ладыгичев – М.: «Теплотехник», 2006.
4. Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология. Справочное издание в 2-х книгах/ В.Г.Лисиенко, Я.М.Щелоков, М.Г.Ладыгичев – М.: «Теплотехник», 2006.
5. Топливо: рациональное сжигание, управление и технологическое использование. Справочное издание в 3-х книгах/ В.Г.Лисиенко, Я.М.Щелоков, М.Г.Ладыгичев – М.: «Теплотехник», 2006.
6. Гущин С.Н. Теплотехника и теплоэнергетика металлургического производства. – М.:
«Металлургия», 1993. – 366 с.
б) Дополнительная литература:
1. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / А.М.Бакластов, В.М.Бродянский, Б.П.Голубев и др.; под общ. ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина – М.: «Энергоатомиздат», 1983. – 552 с., ил. – (Теплоэнергетика и теплотехника).
2. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки: Учебник для вузов/ И.И.Перелетов, Л.А.Бровкин, Ю.И.Розенгарт и др.; под ред. А.Д.Ключникова – М.: «Энергоатомиздат», 1989. – 336 с., ил.
«