Теплообменные аппараты и системы

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
И.о. проректора-начальник
управления по научной работе
_______________________ Г.Ф. Ромашкина
__________ _____________ 2011 г.
ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ И СИСТЕМЫ
Учебно-методический комплекс.
Рабочая программа для аспирантов специальности
05.04.12 Турбомашины и комбинированные турбоустановки
(технические науки)
очная, заочная форма обучения
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор (ы) работы ______________/Бахмат Г.В/
______________/Шабаров А.Б./
______________/ Шастунова У.Ю./
«01» сентября 2011г.
Рассмотрено на заседании кафедры механики многофазных систем «03»сентября 2011 г.,
протокол № 2.
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем 12 стр.
Зав. кафедрой ______________________________/Шабаров А.Б./
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК ИМЕНИТ «___»______________2011 г., протокол № _____.
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________/Глухих И.Н./
«______»_____________2011г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Нач. отдела аспирантуры
и докторантуры_____________М.Р. Сорокина
«______»_____________2011 г.
2
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра Механики многофазных систем
БАХМАТ Г.В.
ШАБАРОВ А.Б.
ШАСТУНОВА У.Ю.
ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ И СИСТЕМЫ
Учебно-методический комплекс.
Рабочая программа для аспирантов специальности
05.04.12 Турбомашины и комбинированные турбоустановки
(технические науки)
очная, заочная форма обучения
Тюменский государственный университет
2011
3
Бахмат Геннадий Викторович, Шабаров Александр Борисович,
Шастунова Ульяна Юрьевна. Теплообменные аппараты и системы.
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для аспирантов специальности 05.04.12. Турбомашины и комбинированные турбоустановки, очная
и заочная форма обучения. Тюмень, 2011, 12 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с ФГТ к структуре основной профессиональной образовательной программы послевузовского
профессионального образования (аспирантура).
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте
ТюмГУ: Теплообменные аппараты и системы [электронный ресурс] / Режим
доступа: http://www.umk3.utmn.ru, свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой Механики многофазных систем.
Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного
университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой Механики многофазных систем, д.т.н., профессор Шабаров А.Б.
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Г.В. Бахмат, А.Б. Шабаров, У.Ю. Шастунова 2011.
4
1. Пояснительная записка
1.1.Цели и задачи дисциплины (модуля)
Цель дисциплины - ознакомить аспирантов с основными проблемами
теплообменных аппаратов и систем в нефтегазовом комплексе, с теплофизическими процессами спецпроизводств и подготовить студентов к изучению
спецкурсов, расчету проектов и выполнению индивидуального спецпрактикума, необходимого для написания кандидатской диссертации, а также подготовка аспирантов к теплофизическим исследованиям и совершенствованию
тепловых процессов в нефтегазовых технологиях.
Задачи дисциплины являются:
 изучение конструкций наиболее распространенных теплообменных аппаратов и систем охлаждения ГТ и КУ, методов их расчета и применения
совместно с другими технологическими аппаратами и оборудованием;
 изучение конструкций и методов расчета маслоагрегатов, воздухоохладителей, регенераторов, котельного оборудования;
 изучение особенностей применения теплофизических уравнений в инженерной практике.
1.2.Место дисциплины в структуре ОПППО
Дисциплина «Теплообменные аппараты и системы» – это специальная
дисциплина отрасли науки и специальности.
При изучении курса используются знания, полученные аспирантами
при изучении в специалитете и магистратуре курсов: «Физика», «Математический анализ», «Теплофизика», «Термогазодинамика», «Холодильные машины и установки», «Тепломассообменные аппараты низкотемпературной
установки», «Теория и расчет теплообменных аппаратов», «Проектирование
и эксплуатация теплообменных аппаратов», «Техника и технологии добычи
нефти и газа».
1.3.Компетенции выпускника аспирантуры, формируемые в результате
освоения данной ОПППО.
В результате освоения основной образовательной программы аспирант
должен обладать следующими компетенциями:

готовностью и способностью использовать фундаментальные законы природы и основные законы естественно-научных дисциплин в профессиональной деятельности;

способностью понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, сознавать опасности и
угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования безопасности, в том числе защиты государственной тайны;
5

способность вскрыть физическую, естественнонаучную сущность
проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, провести их
качественный и количественный анализ;

способность осуществлять научный поиск и разработку новых
перспективных подходов и методов к решению профессиональных задач, готовность к профессиональному росту, к активному участию в научной и инновационной деятельности, конференциях, выставках и презентациях.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
ЗНАТЬ:
1. Классификацию теплообменных аппаратов и систем охлаждения, их конструктивные особенности, особенности эксплуатации различных аппаратов.
2. Физико-математическое описание процессов в теплообменных аппаратах
и системах охлаждения ГТУ, методики инженерного расчета аппаратов
различного типа и назначения.
3. Классификацию, устройство и особенности применения систем охлаждения, котельных агрегатов, маслоагрегатов, регенераторов, воздухоохладителей.
4. Характеристики, состав и особенности применения наиболее распространенных видов органического топлива.
5. Методы расчета основных показателей ТА и систем.
УМЕТЬ:
1. Проводить расчет и анализ работы теплообменных аппаратов и систем,
производить подбор необходимого типа аппарата для конкретной области
применения и стыковку работы аппарата с другими звеньями технологической цепочки.
2. Анализировать режим работы аппаратов по объективным показателям и
управлять этими режимами.
3. Производить подбор необходимого котельного оборудования и расчет основных параметров его работы.
ВЛАДЕТЬ:
1. Методами анализа тепломассопереноса в технологическом процессе;
2. Методами совершенствования оборудования;
3. Методиками расчета процессов теплопередачи в промышленных аппаратах, и их совершенствовании.
ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ:
1. О достоинствах и недостатках различных видов теплообменной аппаратуры.
2. О вкладе выдающихся ученых и научных коллективов в изучение и совершенствование конструкций и методов расчета промышленных теплопередающих и теплогенерирующих устройств.
2. Структура и трудоемкость дисциплины.
6
Данная дисциплина читается в 1 семестре и содержит 108 часов: 24 часов лекций, 18 часов – практических занятий, 66 часов – самостоятельной работы. Форма промежуточной аттестации – контрольная работа, реферат, зачет.
3. Тематический план.
Таблица 1.
Тематический план
1.
2.
3.
1.
2.
7
8
9
10
10
13
3
Беседа
10
12
3
Беседа,
20
25
6
коллоквиум
10
17
5
Расчет
10
16
5
Расчет
10
18
5
Расчет
30
51
15
коллоквиум
3
8
17
5
Расчет
3
8
17
5
Расчет
6
16
24
10
коллоквиум
18
66
108
31
зачет
Лабораторные занятия*
Форма контроля
2.
Из них в интерактивной форме
1.
Итого часов по теме
1
Лекции*
недели семестра
Тема
Самостоятельная работа*
Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час.
Семинарские (практические)
занятия*
№
2
3
4
5
6
Модуль 1 Общая характеристика теплообменных аппаратов.
1. Классификация тепло1,2
2
1
обменных аппаратов.
2. Устройство и конструкции теплообменных аппа3,4
1
1
ратов.
Всего за 1 модуль
3
2
Модуль 2 Основные расчеты теплообменных аппаратов.
3. Тепловые расчеты теплообменных аппаратов
типа «жидкость5,6
3
4
жидкость». Маслоохладители ГТ и КУ.
4. Тепловые расчеты теплообменных аппаратов
7,8,9
2
4
типа «жидкость-газ». Воздухоохладители КТ и КУ.
5. Тепловые расчеты теплообменных
аппаратов
10,11
4
4
типа «газ-газ». Регенераторы ГТ и КУ.
Всего за 2 модуль
9
12
Модуль 3 Системы охлаждения ГТ и КУ.
6. Охлаждение высоко1
температурных газовых
6
12-14
турбин.
7. Охлаждение дисков и
15-18
6
корпусов турбин.
Всего за 3 модуль
12
Итого за курс дисциплины (часов)
24
Таблица 3.
Планирование самостоятельной работы аспирантов
7
№
Модули и темы
Модуль 1 Общая
1.1
1.2
Виды СРА
обязательные
дополнительные
Неделя
семестра
Объем
часов
1,2
10
3,4
10
характеристика теплообменных аппаратов.
1. Классификация теплообменных аппаратов.
2. Устройство и конструкции
теплообменных аппаратов.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Проработка лекций
1. Работа с учебной
литературой.
2. Проработка лекций
1. работа с дополнительной литературой
Всего по модулю 1:
Модуль 2
2.1
2.2
2.3
20
3. Тепловые расчеты теплообменных аппаратов типа
«жидкость-жидкость». Маслоохладители ГТ и КУ.
4. Тепловые расчеты теплообменных аппаратов типа
«жидкость-газ». Воздухоохладители КТ и КУ.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Проработка лекций
5. Тепловые расчеты теплообменных аппаратов типа
«газ-газ». Регенераторы ГТ и
КУ.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Проработка лекций
1. Работа с учебной
литературой.
2. Проработка лекций
1. работа с дополнительной литературой
1. работа с дополнительной литературой;
2. подготовка к
расчету
1. работа с дополнительной литературой;
2. подготовка к
расчету
5,6
10
7,8,9
10
10,11
10
Всего по модулю 2:
Модуль 3
3.1
3.2
6. Охлаждение высокотемпературных газовых турбин.
7. Охлаждение дисков и корпусов турбин.
30
1. Работа с учебной
литературой.
2. Проработка лекций
1. Работа с учебной
литературой.
2. Проработка лекций
1. работа с дополнительной литературой
2. подготовка к
расчету
1. работа с дополнительной литературой
2. подготовка к
зачету
12-14
8
15-18
8
Всего по модулю 3:
Всего за семестр:
4.
16
66
Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№
п/
п
Наименование
обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
1.
Подготовка кандидатской диссертации
Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
6
7
8
+
+
+
+
+
+
+
+
5.
Содержание дисциплины.
Модуль 1: Общая характеристика теплообменных аппаратов.
8
Тема 1. Классификация теплообменных аппаратов. ТА объемные и поверхностные, регенераторы и рекуператоры. Виды поверхностей ТА. Схемы
течений теплоносителей. АВО.
Тема 2. Устройство и конструкции теплообменных аппаратов. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты «труба в трубе», пластинчатые аппараты. Способы уменьшения термических напряжений в аппаратах различных
конструкций.
Модуль 2: Основные расчеты теплообменных аппаратов.
Тема 3. Тепловые расчеты теплообменных аппаратов типа «жидкостьжидкость». Маслоохладители ГТ и КУ. Режимы течения жидких теплоносителей и их влияние на его теплообмен. Расчеты конструкторские и поверочные: методики и основные уравнения.
Тема 4. Тепловые расчеты теплообменных аппаратов типа «жидкостьгаз». Воздухоохладители КТ и КУ. Режимы течения жидких и газообразных
теплоносителей и их влияние на его теплообмен. Расчеты конструкторские и
поверочные: методики и основные уравнения.
Тема 5. Тепловые расчеты теплообменных аппаратов типа «газ-газ». Регенераторы ГТ и КУ. Особенности расчета ТА «газ-газ». Методики расчета
пластинчатых и трубчатых регенераторов.
Модуль 3: Системы охлаждения ГТ и КУ.
Тема 6. Охлаждение высокотемпературных газовых турбин. Системы
охлаждения лопаток (конвективная, пористая и др.). Основы расчета систем
охлаждения лопаток. Конструктивные особенности охлаждения лопаток.
Тема 7. Охлаждение дисков и корпусов турбин. Охлаждение и прочность
дисков.
6.
Семинарские и лабораторные занятия
6.1.
Планы семинарских занятий.
Модуль 1: Общая характеристика теплообменных аппаратов.
Тема 1. Классификация теплообменных аппаратов. Теоретические основы
расчета теплообменных аппаратов. Уравнение теплопередачи и теплового
баланса. Классификация теплообменных аппаратов (1 час).
Тема 2. Устройство и конструкции теплообменных аппаратов.
Особенности теплообмена ребристых поверхностей. Характеристики ТА, области и особенности их применения в нефтяной и газовой промышленности
(1 час)
Модуль 2: Основные расчета теплообменных аппаратов.
Тема 3. Тепловые расчеты теплообменных аппаратов типа «жидкостьжидкость». Маслоохладители ГТ и КУ.
Методика расчета ТА типа «жидкость-жидкость». Пример расчета маслоохладителя. (4 часа)
9
Тема 4. Тепловые расчеты теплообменных аппаратов типа «жидкостьгаз». Воздухоохладители КТ и КУ.
Методика расчета ТА типа «жидкость-газ». Пример расчета воздухоохладителя. (4 часа)
Тема 5. Тепловые расчеты теплообменных аппаратов типа «газ-газ». Регенераторы ГТ и КУ.
Методика расчета ТА типа «газ-газ». Пример расчета регенераторов. (4 часа)
Модуль 3: Тепловые процессы в технологиях подготовки и транспорта
углеводородов.
Тема 6. Охлаждение высокотемпературных газовых турбин. (3 часа)
Тема 7. Охлаждение дисков и корпусов турбин. (3 часа)
7. Темы рефератов.
Темы рефератов формируются в зависимости от тем научного исследования аспирантов. Тема реферата может являться главой диссертации (расчет
основных параметров, создание методики теплофизического расчета и др.).
Объем реферата – 30-50 страниц. Реферат сдается на проверку преподавателю за 2 недели до окончании курса, после проверки защищается на зачетном
занятии.
8. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы аспирантов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля).
8.1. Примерные задачи к практическим занятиям с ответами
1. (4.1)Тонкая пластина длиной
и шириной
и обтекается
продольным потоком воздуха (рис.1.1). Скорость и температура набегающего потока равны соответственно
;
.
Определить пластины средний по длине коэффициент теплоотдачи и
количество теплоты, отдаваемой пластиной воздуху.
Ответ:
;
.
2. (4.2)Вычислить для условий предыдущей задачи толщину гидродинамического пограничного слоя и значения местных коэффициентов теплоотдачи на различных расстояниях от передней кромки пластины
;
;
и
. Построить график зависимости толщины гидродинамического пограничного слоя
и коэффициента теплоотдачи от относительного расстояния
.
10
Ответ:
0,1 0,2 0,5 1,0
4,66 6,58 10,4 14,7
7,73 5,65 3,45 2,44
3. (4.5)Тонкая константановая лента сечением
нагревается электрическим током силой
. Электрическое сопротивление
ленты
. Лента обтекается продольным потоком воды. Скорость и
температура набегающего потока
и
. Определить
температуру ленты на расстоянии 25 и 200 мм от передней кромки.
Ответ: при
; при
.
4. (4.6)Плоская пластина длиной
обтекается продольным потоком
воздуха. Скорость и температура набегающего потока воздуха
и
. Перед пластиной установлена турбулизирующая
решетка, вследствие чего движение в пограничном слое на всей длине
пластины турбулентное. Вычислить среднее значение коэффициента теплоотдачи с поверхности пластины и значение местного коэффициента
теплоотдачи на задней кромке. Вычислить также толщину гидродинамического пограничного слоя на задней кромке пластины.
Ответ: средний коэффициент теплоотдачи
Значение
местного коэффициента теплоотдачи
; толщина
гидродинамического пограничного слоя, при
5. (4.8)Плоская пластина обтекается продольным потоком воздуха. Скорость
и температура набегающего потока равны соответственно
и
. Вычислить количество теплоты, отдаваемое воздуху, при условии, что температура поверхности пластины
, длина
, ширина
Ответ:
.
6. (4.9)Тонкая пластина длиной
обтекается продольным потоком
воздуха. Скорость и температура набегающего потока равны соответственно
и
. Определить среднее значение коэффициента теплоотдачи и плотность теплового потока на поверхности пластины при условии, что температура пластины
. Расчет произвести в предположении, что всей длине пластины режим течения в пограничном слое турбулентный.
Ответ:
;q
.
7. (4.10)Вычислить среднее значение коэффициента теплоотдачи и количество теплоты, отдаваемой с поверхности пластины, омываемой продольным потоком воздуха. Скорость и температура набегающего потока равны
соответственно
и
. Температура поверхности пластины
. Длина пластины вдоль потока
, а ее ширина
. Расчет произвести в предположении, что на всей длине пластины пограничный слой является турбулентным.
Ответ:
;
.
8.2.Примерные вопросы к зачету.
11
1. Классификация теплообменных аппаратов.
2. ТА объемные и поверхностные, регенераторы и рекуператоры. Виды поверхностей ТА.
3. Схемы течений теплоносителей.
4. АВО.
5. Устройство и конструкции теплообменных аппаратов.
6. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты «труба в трубе», пластинчатые аппараты.
7. Способы уменьшения термических напряжений в аппаратах различных конструкций.
8. Тепловые расчеты теплообменных аппаратов типа «жидкостьжидкость».
9. Маслоохладители ГТ и КУ.
10.Режимы течения жидких теплоносителей и их влияние на его теплообмен.
11.Расчеты конструкторские и поверочные: методики и основные уравнения.
12.Тепловые расчеты теплообменных аппаратов типа «жидкость-газ».
Воздухоохладители КТ и КУ.
13.Режимы течения жидких и газообразных теплоносителей и их влияние на его теплообмен.
14.Тепловые расчеты теплообменных аппаратов типа «газ-газ». Регенераторы ГТ и КУ.
15.Особенности расчета ТА «газ-газ».
16.Методики расчета пластинчатых и трубчатых регенераторов.
17.Охлаждение дисков и корпусов турбин. Охлаждение и прочность
дисков.
18.Охлаждение высокотемпературных газовых турбин. Системы охлаждения лопаток (конвективная, пористая и др.).
19.Основы расчета систем охлаждения лопаток. Конструктивные особенности охлаждения лопаток.
9.Образовательные технологии.
В соответствии с ФГТ к структуре основной профессиональной ОПППО при реализации различных видов учебной работы в процессе изучения
дисциплины «Теплофизика в нефтегазовых технологиях» предусматривается
использование в учебном процессе следующих активных и интерактивных
форм проведения занятий:

лекции;

практические занятия;

работа в малых группах.
12
10. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля).
10.1. Основная литература
1. Бахмат Г.В., Еремин Н.В., Степанов О.А. Аппараты воздушного охлаждения на компрессорных станциях. – Спб.: Недра, 1994.
2. Антонова Е.О., Бахмат Г.В., Иванов И.А., Степанов О.А. Теплообмен при
трубопроводном транспорте нефти и газа. – СПб.: Недра,1999.
3. Бахмат Г.В. и др. Транспорт и хранение нефти и газа в примерах и задачах:
Учебное пособие. / Под общ. редак. Ю.Д. Земенкова. – СПб: Недра, 2004.
4.Соколов Б.А. Котельные установки и их эксплуатация. – М.: ACADEMIA,
2005.
5. Леонтьев А.П., Беев Э.А. Расчеты аппаратов воздушного охлаждения. –
ТюмГНГУ, 2000.
10.2. Дополнительная литература
1. Крюков Н.П. Аппараты воздушного охлаждения. – М.: Химия, 1983.
2. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. – М.: Наука, 1972.
3. Кузнецов А.А., Судаков Е.Н. Расчеты основных процессов и аппаратов. –
М.: Химия, 1983.
4. Степанов О.А. и др. Теплоснабжение на насосных станциях нефтепроводов. – М.: Недра, 1998.
10.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:
1. Электронная
библиотека
Попечительского
совета
механикоматематического факультета Московского государственного университета
http://lib.mexmat.ru
2. eLIBRARY – Научная электронная библиотека (Москва) http://elibrary.ru/
Для работы на практических занятиях необходим пакет программ Maple 12
(или выше);
3. www.libtech.ru – библиотека технической литературы «Нефть и газ»
11.Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля).
Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием, лекционная
аудитория для проведения практических занятий.