4.2.4. Методика расчета аппаратов воздушного охлаждения.

Государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального
образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Директор ЭНИН
___________ Боровиков Ю.С.
«___» ____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ
СЖИЖЕННОГО ГАЗА
НАПРАВЛЕНИЕ ООП: 010700 ФИЗИКА
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ: 010700.32 ФИЗИКА И ТЕХНИКА НИЗКИХ
ТЕМПЕРАТУР
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): магистр физики
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2011 г.
КУРС 2; СЕМЕСТР 3;
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: физика, современные проблемы физики, компьютерные технологии в
науке и образовании, специальный физический практикум.
КОРЕКВИЗИТЫ: установки и системы низкотемпературной техники, холодильные
машины и установки, криовакуумная техника.
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
ЛЕКЦИИ
36 часов (ауд.)
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
ИТОГО
18
54
126
180
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ
часа (ауд.)
часов (ауд.)
часов
часов
часов
очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: ЭКЗАМЕН В 3 СЕМЕСТРЕ
ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ КАФЕДРА: Теоретической и промышленной теплотехники
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ:
__________________Г.В. Кузнецов
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП:
__________________Г.В. Кузнецов
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ:
_________________ В.И. Максимов
2010г.
1. Цели освоения дисциплины
Цель дисциплины - дать студентам необходимые знания, умения и навыки
по вопросам применения аппаратов и технологий, применяемых для
охлаждения газов, для анализа и инженерного расчета процессов в
современных теплообменных и холодильных устройствах.
Задача дисциплины - изучение конструкций наиболее распространенных
теплообменных аппаратов, методов их расчета и применения совместно с
другими технологическими аппаратами и оборудованием, изучение
конструкций и методов расчета холодильных аппаратов, основанных на
различных физических процессах, расчет этих аппаратов.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина (СДМ.Р.4) непосредственно связана с дисциплинами
естественнонаучного и математического цикла (физика, химия) и
общепрофессионального цикла и опирается на освоенные при изучении
данных дисциплин знания и умения. Кореквизитами для дисциплины
«Тепломассообмен» являются дисциплины ЕНМ и ОП циклов: специальный
физический практикум, установки и системы низкотемпературной техники,
холодильные машины и установки, физико-химические свойства газов.
3. Результаты освоения дисциплины
При изучении курса специальной дисциплины "Технология получения и
транспортировки сжиженного газа" будущий магистр направления 010700 «Физика и техника низких температур»,
должен знать и уметь:
- способы получения и использования низких температур;
- методы проектирования, конструирования и расчета низкотемпературных
систем, установок, систем кондиционирования, машин и аппаратов;
- принципы технического обслуживания и ремонта;
- методы обеспечения надёжности и долговечности разрабатываемой
техники;
- методы оценки термодинамической и экономической эффективности
проектируемого оборудования.
владеть:
- методами экспериментально-теоретического исследования оборудования;
- приёмами испытания, монтажа, пуско-наладочных работ и эксплуатации;
иметь опыт:
- определения области оптимального применения низкотемпературного
оборудования;
- расчета основных низкотемпературных и тепловлажностных процессов,
циклов, схем установок;
- расчета термодинамической
разрабатываемого оборудования.
и
экономической
эффективности
4. Структура и содержание дисциплины
4.1.
№
1
2
3
4
5
6
Структура дисциплины по разделам, формам организации и
контроля обучения
Название
раздела/темы
Области
применения
аппаратов
охлаждения газов,
физические принципы, лежащие в
основе
конструкций
аппаратов
охлаждения.
Теоретические
основы расчета
теплообменных
аппаратов.
Уравнение
теплопередачи и
теплового
баланса.
Характеристики
аппаратов
воздушного
охлаждения,
области и особенности их
применения в
газовой
промышленности.
Методика расчета
аппаратов
воздушного
охлаждения.
Пример расчета
аппаратов
воздушного
охлаждения.
Совместная
работа аппаратов
воздушного
охлаждения и
газопровода.
Аудиторная работа
(час)
Лек Практ./
Лаб.
ции семинар
зан.
2
2
СРС
(час)
8
Итого
12
Формы текущего
контроля и
аттестации
Устный отчет
2
-
2
8
12
Промежуточный
отчет
2
-
2
8
12
Отчеты по
лабораторным
работам
2
-
2
8
12
Презентация
2
-
2
8
12
Отчеты по
лабораторным
работам
2
-
8
10
Отчеты по
лабораторным
работам
7
8
9
10
11
12
13
14
Испарители и
конденсаторы.
Особенности
расчета
теплообмена в
мно-гофазных
средах.
Установки
охлаждения с
испаряющимся
рабочим телом.
Установки
охлаждения газа с
поршневыми и
осевыми
детандерами.
Сжижение газов.
Аппараты и
технологии.
Получение
газогидратов.
2
2
8
12
Отчеты по
лабораторным
работам
2
2
8
12
Отчеты по
лабораторным
работам
2
2
8
12
Отчеты по
лабораторным
работам
2
8
10
2
8
10
Регазификация
сжиженных газов,
их использование
в
технологических
установках.
Транспортировка
и хранение
охлажденных и
сжиженных газов.
Промежуточная
аттестация
Итого
2
8
10
Отчеты по
лабораторным
работам
Отчеты по
лабораторным
работам
Отчеты по
лабораторным
работам
30
54
12
2
Отчеты по
лабораторным
работам
Экзамен
36
18
126
180
При сдаче отчетов и письменных работ проводится устное собеседование.
4.2.
Содержание разделов дисциплины
4.2.1 Области применения аппаратов охлаждения газов, физические
принципы, лежащие в основе конструкций аппаратов охлаждения.
Охлаждение природного газа при транспортировке для увеличения
пропускной способности газопроводов и уменьшения термических
напряжений металла труб. Охлаждение воздуха в промышленных и бытовых
целях. Глубокое охлаждение и сжижение газов для транспортировки и (или)
использования в качестве хладоагента. Используемые физические принципы
охлаждения: дросселирование потока, применение испаряющихся и
неиспаряющихся теплоносителей в рекуперативных теплообменных
аппаратах, детандерные схемы с процессами глубокого расширения газов.
4.2.2 Теоретические основы расчета теплообменных аппаратов.
Уравнение теплопередачи и теплового баланса.
Конвективный теплообмен, критерии подобия, критериальные
уравнения, коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, водяные
эквиваленты поверхности теплопередачи и теплоносителя.
4.2.3. Характеристики аппаратов воздушного охлаждения, области и
особенности их применения в газовой промышленности.
Аппараты объемные и поверхностные, регенераторы и рекуператоры,
типы поверхностей по наличию или отсутствию оребрения. Схемы течения
теплоносителей в аппаратах. Аппараты кожухотрубчатые и «труба в
трубе».Аппараты воздушного охлаждения горизонтальные, вертикальные и
зигзагообразные.
Коэффициенты оребрения поверхности и теплопередачи, площади
теплопередающих поверхностей и другие геометрические характеристики.
Необходимость применения Аппараты воздушного охлаждения для
охлаждения газа и масла на компрессорных станциях магистральных
газопроводов. Вентиляторы воздушного охлаждения и их характеристики.
4.2.4. Методика расчета аппаратов воздушного охлаждения.
Исходные данные, свойства теплоносителей, их расходы и
температуры, среднелогарифмический температурный напор, индексы
противоточности для различных схем течения, последовательность расчета.
4.2.5. Пример расчета аппаратов воздушного охлаждения.
Задание численных значений температур, расходов и теплофизических
свойств теплоносителей, выбор конструкции и назначения аппарата,
проведение численного расчета.
4.2.6. Совместная работа аппаратов воздушного охлаждения и
газопровода.
Температура газа на выходе из компрессорной станции и ее изменение
по длине газопровода, температура наружного воздуха и ее влияние на
прцесс теплопередачи, влияние расхода газа и температуры грунта на режим
работы аппаратов воздушного охлаждения. Оценка влияния температур и
расходов теплоносителей на режим работы теплообменника. Глубина
охлаждения. Номограмма совместной работы аппаратов воздушного
охлаждения и газопровода.
4.2.7. Испарители и конденсаторы. Особенности расчета теплообмена в
многофазных средах.
Критериальные уравнения теплообмена с учетом фазовых переходов
при испарении и конденсации. Капельная и пленочная конденсация.
Механизм кипения на поверхности и в объеме, кризис кипения. Влияние
режима стекания пленки конденсата и формы пучка туб на процесс
конденсации.
4.2.8. Установки охлаждения с испаряющимся рабочим телом.
Принципиальные технологические схемы установок.
Термодинамический анализ влияния выбора хладоагента и характеристик
оборудования на коэффициент холодопроизводительности. Мощность
установки и ее расчет.
4.2.9. Установки охлаждения газа с поршневыми и осевыми
детандерами.
Принципиальные схемы установок, Устройство и принцип работы
детандеров, оценка их эффективности, достоинства и недостатки поршневых
и осевых детандеров. Области применения. Эффект Ранка-Хилша,
возможности вихревых труб.
4.2.10. Сжижение газов. Аппараты и технологии.
Свойства сжиженных газов. Термодинамический анализ процессов
сжижения газов. Типы установок, их устройство и основы расчета. Области
применения сжиженных газов.
4.2.11. Получение газогидратов.
Термодинамические условия получения газогидратов. Их образование
в газопроводах, борьба с газогидратными отложениями. Полезное
использование газогидратов, установки и оборудование для их получения,
хранения и транспортировки.
4.2.12. Регазификация сжиженных газов, их использование в
технологических установках.
Способы использования регазифицируемого сжиженного природного
газа в технологических установках. Наименьшая и действительная работа,
удельная работа при регазификации. Возможности использования
сжиженных газов в циклах паросиловых установок.
4.2.13. Транспортировка и хранение охлажденных и сжиженных газов.
Виды транспорта (морской, трубопроводный, сухопутный) и их
особенности. Расчет изотермического трубопровода. Расчет
термоизоляционного покрытия резервуаров, возможности подземного
хранения.
5. Образовательные технологии
При освоении дисциплины используются следующие сочетания видов
учебной работы с методами и формами активизации познавательной
деятельности магистрантов для достижения запланированных результатов
обучения и формирования компетенций.
Методы и формы
активизации
деятельности
Дискуссия
IT-методы
Командная работа
Разбор кейсов
Опережающая СРС
Индивидуальное
обучение
Проблемное обучение
Обучение на основе
опыта
ЛК
Виды учебной деятельности
Семинар
ЛБ
х
х
х
СРС
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины
реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия:
 изучение теоретического материала дисциплины на лекциях с
использованием компьютерных технологий;
 самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины с
использованием Internet-ресурсов, информационных баз, методических
разработок, специальной учебной и научной литературы;
 закрепление теоретического материала при проведении лабораторных
работ с использованием учебного и научного оборудования и приборов,
выполнения проблемно-ориентированных, поисковых, творческих заданий.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной
работы студентов (CРC)
6.1 Текущая и опережающая СРС, направленная на углубление и
закрепление знаний, а также развитие практических умений заключается в:
 работе магистрантов с лекционным материалом, поиск и анализ
литературы и электронных источников информации по заданной проблеме и
выбранной теме магистерской диссертации,
 выполнении домашних заданий,
 переводе материалов из тематических информационных ресурсов с
иностранных языков,
 изучении тем, вынесенных на самостоятельную проработку,
 изучении теоретического материала к лабораторным занятиям,
 изучении инструкций к приборам и подготовке к выполнению
лабораторных работ.
6.1.1. Темы, выносимые на самостоятельную проработку:
1. Дифференциальные уравнения тепломассообмена.
Студенты осваивают методику составления дифференциальных уравнений,
описывающих процессы тепломассообмена, используя концептуальный и
формальный подходы.
2. Кинетика химических реакций.
Студенты осваивают методику расчета кинетических параметров для
химических реакций различного типа.
3.Процессы горения.
Студенты осваивают методику расчета параметров при горении капли
жидкого топлива.
4. Расчет процессов массо-и теплообмена при испарении, конденсации и
химических реакциях.
Студенты осваивают методику расчета процессов тепломассообмена при
наличии влажного воздуха.
6.2 Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа
(ТСР) направлена на
развитие интеллектуальных умений, комплекса
универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций,
повышение творческого потенциала магистрантов и заключается в:
 поиске, анализе, структурировании и презентации информации, анализе
научных публикаций по определенной теме исследований,
 анализе статистических и фактических материалов по заданной теме,
проведении расчетов, составлении схем и моделей на основе статистических
материалов,
 выполнении расчетно-графических работ,
 исследовательской работе и участии в научных студенческих
конференциях, семинарах и олимпиадах.
6.2.1. Примерный перечень научных проблем и направлений научных
исследований:
 Исследование процессов сжижения газов;
 Исследование работы теплонасосной установки;
 Исследование работы морозильной установки.
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
(фонд оценочных средств)
Оценка успеваемости магистрантов осуществляется по результатам:
- самостоятельного (под контролем учебного мастера) выполнения
лабораторной работы,
- взаимного рецензирования магистрантами работ друг друга,
- анализа подготовленных магистрантами рефератов,
- устного опроса при сдаче выполненных индивидуальных заданий, защите
отчетов по лабораторным работам (для выявления знания и понимания
теоретического материала дисциплины).
8. Учебно-методическое
(дисциплины)
1.
2.
3.
4.
и
информационное
обеспечение
модуля
Основная
Бахмат Г.В.,Еремин Н.В.,Степанов О.А. Аппараты воздушного
охлаждения на компрессорных станциях.-Спб.: Недра,1994.
Антонова Е.О.,Бахмат Г.В.,Иванов И.А.,Степанов О.А. Теплообмен
при трубопроводном транспорте нефти и газа.-СПб.:Недра,1999.
Крюков Н.П. Аппараты воздушного охлаждения.-М.:Химия,1983.
Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и
жидкостей.-М.:Наука,1972.
Дополнительная
1. Кузнецов А.А., Судаков Е.Н. Расчеты основных процессов и
аппаратов.-М.:Химия,1983.
2. Степанов О.А. и др. Теплоснабжение на насосных санциях
нефтепроводов.-М.:Недра,1998.
Программа составлена на основе ГОС ВПО по направлению подготовки
профиль «Физика и техника низких температур».
Авторы:
В.И. Максимов
Программа одобрена на заседании кафедры ТПТ
(протокол № 5 от «28» декабря 2011 г.).
«Физика»,