Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
ОБНИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ИАТЭ)
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
С.Б. Бурухин
“______”____________ 2008_ г.
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
СД.Ф.4. ТЕПЛОМАССООБМЕН В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ
ОБОРУДОВАНИИ
для студентов специальности 140404 «Атомные электрические станции и установки»
направления 140400 «Техническая физика»
специализации «Эксплуатация АЭС»
Форма обучения: очная
Объем дисциплины и виды учебной работы по очной форме в соответствии с
учебным планом
Вид учебной работы
Всего
часов
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия и семинары
Лабораторные работы
Курсовой проект (работа)
Самостоятельная работа
Расчетно-графические работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
250
119
68
34
17
131
Обнинск 2008
Семестры
6
101
51
34
17
-
7
149
68
34
17
17
50
81
зачет
экзам
2
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 140400
Техническая физика
Программу составила:
_____________ Богословская Галина Павловна, доцент, к.т.н., доцент по специальности
Программа рассмотрена на заседании кафедры теплофизики (протокол № 34 от
26.06.2008 г.)
Заведующий кафедрой
теплофизики
___________________ Е.Ф.Авдеев
“____”_____________ 2008 г.
СОГЛАСОВАНО
Начальник Учебно
управления
–
методического Декан
факультета ФЭФ
___________________ Ю.Д. Соколова
___________________ В.И.Белозеров
“____”_____________ 2008_ г.
3
1. Цели и задачи дисциплины.
Целью изучения дисциплины является как фундаментальная, так и прикладная
подготовка специалистов в области явлений переноса тепла и массы и базирующихся на них технических систем и процессов.
Студенты должны изучить общие вопросы теории теплообмена, составляющие
научную базу для анализа и расчета процессов теплообмена и специальные вопросы
теплообмена, характерные для узлов ядерных энергетических установок, учитывая
профиль подготовки по специальности 140404.
Данная дисциплина опирается на курсы физики, механики жидкости и газа,
технической термодинамики и является основой для последующих курсов — тепловой расчет ядерных реакторов, парогенераторы и теплообменники, технология теплоносителей и др.
В результате изучения дисциплины, обучающиеся должны овладеть основами
теории и методиками расчета основных процессов теплообмена.
Основное внимание обращается на физическую сущность рассматриваемых
тепловых процессов и изучаемых физических параметров. Персональные компьютеры используются при выполнении домашних заданий и курсовых работ, а также при
проведении тестирования.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
В результате изучения дисциплины студент должен
знать:
 тепловые процессы, протекающие в устройствах для преобразования и использования энергии, элементах конструкций аппаратов и установок, которые разрабатываются, создаются и применяются в областях энергетической техники;
 основные законы, описывающие феноменологию, механизм и кинетику явлений и
процессов переноса тепла и массы, в том числе межфазного, в простых и многокомпонентных системах, а именно процессов теплопереноса (теплопроводности, конвективного и лучистого теплообмена, теплопередачи) и диффузии;
 теорию моделирования процессов переноса тепла и массы в различных средах и
геометрических условиях;
 обобщенные уравнения сохранения для одно- и многокомпонентных систем;
 основы теплопередачи, генерации тепла, теплоизоляции, принцип действия и
устройство теплообменных аппаратов, элементов энергетического оборудования;
 методы расчета теплогидравлических характеристик элементов энергетического
оборудования
уметь:
 формулировать цели решения задач, определения критериев и показателей достижения целей; разрабатывать обобщенные вариантов решения проблемы, анализировать
эти варианты, прогнозировать последствия, находить компромиссные решения в
условиях многокритериальности, неопределенности;
 разрабатывать проекты узлов аппаратов теплоэнергетической техники с учетом
сформулированных к ним требований;
4
 использовать в разработке технических проектов новые информационные технологии;
 проектировать основное тепловое оборудование атомных электростанций и других
ядерных энергетических установок с учетом экологических требований и безопасной
работы;
 разрабатывать режимы работы при производстве тепловой и электрической энергии
с использованием ядерного топлива;
 моделировать тепловые процессы, протекающие в конкретных технических системах, проводить физический и численный эксперимент, разрабатывать с этой целью
соответствующие экспериментальные стенды или программы расчета на ЭВМ на основе известных методов моделирования;
иметь навыки:
 участия в экспериментальных и расчетно- теоретических исследованиях тепловых
процессов, создании экспериментальных установок и программ расчета на ЭВМ;
 выполнения работы по проектированию, информационному обслуживанию, организации производства, труда и управлению, метрологическому обеспечению;
 проведения технико-экономического анализа, комплексного обоснования принимаемых и реализуемых решений;
 изучения и анализа необходимой информации, технических данных, показателей и
результатов работы, обобщения и систематизации их, проведения необходимых расчетов тепловых процессов, используя современные технические средства и информационные технологии;
 контроля за соблюдением установленных требований, действующих норм, правил и
стандартов.
3. Содержание дисциплины
3.1. Лекции
3.1.1. Введение. Физические основы процессов переноса тепла.
Понятие непрерывной среде. Процессы переноса тепла: теплопроводность, конвекция (вынужденная, свободная), излучение. Физические основы передачи тепла в различных средах. Роль процессов теплообмена в ядерной энергетике.
Основные понятия. Температурное поле. Плотность теплового потока. Коэффициенты теплопроводности, температуропроводности. Плотность источников тепла в ЯЭУ.
Линейный тепловой поток. Гипотеза Фурье.
Механизм теплопроводности в газах, жидкостях и твердых телах. Фононная и
электронная составляющие.
Теплоотдача (теплообмен) и теплопередача. Закон Ньютона. Коэффициент теплообмена, его физических смысл. тепловой пограничный слой. Теплопередача. Коэффициент
теплопередачи. Термические сопротивления теплообмену и теплопередачи. Аналогия с законами электротехники.
Процессы массообмена. Закон Фика. Коэффициент массообмена. Аналогия между
процессами переноса тепла и массы.
Теория размерностей и числа (критерии) подобия. Понимание критериев как отношения двух физических эффектов, отражаемых членами уравнений в дифференциаль-
5
ной форме. Критерии Рейнольдса, Нуссельта, Пекле, Прандтля, Грасгофа, Фруда, Маха,
Стантона.
Особенности размерностей и числа (критерии) подобия. Понимание критериев как
отношения двух физических эффектов, отражаемых членами уравнений в дифференциальной форме. Критерии Рейнольдса, Нуссельта, Пекле, Прандтля, Грасгофа, Фруда, Маха,
Стантона.
3.1.2. Тепловыделение в ядерных реакторах
Источники энергии. Процесс деления ядер. Распределение энергии между различными продуктами деления. Кинетическая энергия осколков деления ядерного топлива главная составляющая энергии деления. Оценка тепловой мощности ядерного реактора.
Процесс синтеза ядер.
Распределение энерговыделения в реакторе. Коэффициенты неравномерности по
радиусу, высоте, объему. Неравномерности по сечению твэла и ТВС.
Распределение температур в канале с тепловыделением. Уравнение баланса тепла
для элемента длины канала. Изменение средней температуры теплоносителя вдоль канала
(случаи: однофазного потока, потока с кипением). Распределение температур в цилиндрическом твэле (с оболочкой и газовым зазором).
Тепловыделение в конструкциях (в замедлителе, защите, стержнях управления).
Изменение интенсивности тепловыделения после отключения реактора. Формула обратных часов. Тепловыделение в отработанном топливе.
Особенности процессов теплообмена в ЯЭУ. Внутренние источники тепла в конструктивных элементах (топливо, замедлитель, защита, регулирующие органы и др.).
Необходимость высокой интенсивности теплообмена. Теплоносители разных классов.
Роль гидродинамики потока. Роль нестационарных процессов. Основная задача обоснования надежности конструкций.
3.1.3. Теплопроводность при стационарных процессах
Дифференциальное уравнение теплопроводности. Стационарные и нестационарные процессы. Внутренние источники тепла. Условия однозначности. Граничные условия
1, 2, 3 рода. Учет зависимости теплопроводности от температуры, переменная Кирхгофа.
Распределения температуры в телах разной формы. Исходные уравнения. Поле
температуры в пластине без- и с внутренними источниками тепла при разных граничных
условиях (1, 3 рода). Многослойная плоская стенка. Поле температуры в цилиндрической
стенке, сплошном цилиндре, шаре с тепловыделением. Критический диаметр тепловой
изоляции. Методы измерения коэффициента теплопроводности (по результатам лабораторных работ).
Перенос тепла в ребрах. распределение температуры в ребре. Тепловой поток через основание ребра. Коэффициент эффективности ребра. Условия, при которых выгодно
иметь ребристую поверхности. Теплоотдача через плоскую ребристую стенку.
3.1.4. Нестационарные процессы теплопроводности
Основное уравнение теплопроводности нестационарных процессов. Приведение
его к безразмерному виду. Безразмерные переменные. Две группы нестационарных процессов: стремление к тепловому равновесию, регулярные периодические изменения температуры.
Охлаждение (нагревание) тела без внутреннего термического сопротивления. Изменение температуры во времени. Количество тепла, отдаваемое или воспринимаемое те-
6
лом.
Поле температуры в полубесконечном массиве при внезапном повышении температуры поверхности. Теплопроницаемость (теплоусвояемость).
Поля температуры в телах простой формы (пластина, цилиндр, шар). Дифференциальное уравнение. Граничные условия. Роль критерия Био, его физический смысл. Решения для пластины при разных значениях критерия Био.
Периодические изменения температуры в полубесконечном твердом теле, температура поверхности которого изменяется по закону косинуса. Температурные волны. Изменение амплитуды колебаний температуры с увеличением глубины и частоты колебаний.
Время запаздывания, скорость распространения волны и ее длина.
Регулярные тепловые режимы. Две стадии охлаждения (нагревания) тела. Темп
режима. Виды регулярных режимов: экспоненциальный, линейный, периодический. Методы измерения коэффициента теплообмена и теплофизических свойств с помощью регулярного теплового режима.
Процессы теплопроводности при плавлении и затвердевании. особенности процессов - выделение или поглощение скрытой теплоты плавления. Два метода решения задач (Неймана, Стефана). Решение для случая тонкого слоя.
Тепловой взрыв. Поле температур в среде при точечном источнике тепла, мощность которого задана. Характер изменения температуры во времени.
3.1.5. Конвективный тепломассообмен в однофазных средах при вынужденном течении
Основные положения. Гидродинамический, тепловой и диффузионный пограничные слои. Вынужденная и свободная конвекция. Оценка толщины ламинарного гидродинамического пограничного слоя. Термическое сопротивление теплообмену и распределение температур в средах с различными числами Прандтля. Дифференциальные уравнения
конвективного теплообмена. Условия однозначности. Особенности теплообмена при ламинарном и турбулентном течениях. Пульсации скорости и температуры в турбулентном
потоке. Осреднение скорости и температуры по сечению канала. Изменения средней температуры жидкости вдоль обогреваемого канала.
Подобие и моделирование тепловых процессов. Задача теории подобия. Теоремы
подобия. Нахождение безразмерных величин с помощью теории размерностей и обработка
результатов эксперимента с их помощью. Примеры соотношений. Выбор определяющих
размеров и температур.
Основы теорий теплообмена. Соотношение теории и эксперимента. теплообмен
при ламинарном течении в трубе. турбулентный перенос тепла и количества движения.
Уравнения Рейнольдса, их осреднение. Полуэмпирические методы замыкания уравнений
Рейнольдса. Коэффициенты турбулентного переноса: турбулентная вязкость и теплопроводность. Турбулентное число Прандтля. турбулентный перенос в вязком подслое. Универсальный профиль скорости. Аналогия между теплообменом и переносом количества
движения - аналогия Рейнольдса. Модели Прандтля и Кармана. Интеграл Лайона. Предельные переходы. Методы расчета теплообмена в каналах некруглой формы.
Интенсивность теплообмена. Обтекание плоской поверхности ламинарным и турбулентным потоком. Гидродинамический и тепловой пограничные слои и методы их расчета. Соотношения толщин гидродинамического и теплового пограничных слоев. Изменение коэффициента теплообмена по длине пластины. Обтекание цилиндра, шара. Поперечное обтекание пучков труб. Влияние отрыва пограничного слоя. Изменение коэффициента
теплообмена по окружности трубы. Влияние угла атаки.
7
Вынужденное течение в каналах. Режимы: ламинарный, вязкостный вязкостногравитационный, переходный, турбулентный. Гидродинамический и тепловой начальные
участки. Гладкие и шероховатые трубы. Изогнутые трубы, змеевики. Кольцевые каналы,
каналы некруглой формы. Пучки стержней при продольном обтекании. теплообмен в закрученных потоках.
3.1.6. Теплообмен при свободной конвекции
Факторы, вызывающие свободное движение. Характер движения среды вдоль вертикальной поверхности. Оценка скорости течения при свободной конвекции. распределения температур и скоростей. Число Грасгофа. Параллельная и встречная свободная конвекция. Винтовое движение. Диаграммы режимов свободной, вынужденной и смешанной
конвекции. Расчеты теплообмена при свободной конвекции в средах с разными числами
Релея, Прандтля. Ламинарный, переходный и турбулентный (автомодельный) режим. теплообмен при свободном движении среды в ограниченном пространстве.
3.1.7. Особые случаи конвективного теплообмена
Особенности теплообмена в жидких металлах. Высокая теплопроводность, малые
числа Прандтля, контактное термическое сопротивление (его природа). Соотношение молекулярного и молярного переноса тепла. Влияние продольного потока тепла. Отношение
подогрева к температурному напору в теплообменных аппаратах. Роль гидродинамики.
Распределение температур в теплообменниках по сечению. Расчетные соотношения.
Теплообмен в околокритической области параметров состояния. Критические параметры и псевдокритическая температура. Изменения свойств с температурой. Взаимная
роль "вдува", турбулентности и естественной конвекции. Механизмы ухудшения теплообмена.
Перенос тепла в газах при высоких скоростях. Переход кинетической энергии в
тепловом пограничном слое. Учет сжимаемости потока. Статистические и динамические
характеристики газового потока. Температура торможения, адиабатическая температура
стенки. Коэффициент восстановления. Поле температуры и теплообмен.
3.1.8. Процессы диффузии
Основные механизмы процесса диффузии. Типы диффузии: концентрационная,
термодиффузия. Коэффициент диффузии. Тройная аналогия, соотношения для переноса
тепла, количества движения, массы.
Аналогия между переносом массы и переносом тепла. Диффузионные числа Нуссельта, Пекле, Шмидта. Экспериментальные исследования процессов теплообмена методом диффузии, условия его применимости. Расчет массообмена на основе аналогии с теплообменом.
Массообмен между фазами. Испарение жидкости в газ, плотность потока. Влагосодержание, температура мокрого термометра. Массообмен между твердой поверхностью
и теплоносителем.
Конвективный массообмен в пограничном слое. Три области пограничного слоя.
Коэффициент турбулентной диффузии. Малые и большие скорости массопереноса.
Массоперенос в контурах. Перенос примесей и образование отложений. Растворение в объеме неподвижной среды. Растворение материала стенки потоком. Распределение
концентрации примесей по контуру. Динамика образования отложений на поверхности.
8
3.1.9. Теплообмен при конденсации
Физические процессы при конденсации. Условия возникновения процесса конденсации пара. Центры конденсации. Переохлаждение пара, критический радиус зародыша капли. Процессы: подвод пара к поверхности, фазовый переход, отвод тепла, отвод
жидкости. Коэффициент конденсации. Термическое сопротивление фазового перехода.
Коэффициент конденсации. Кривая конденсации.
Капельная конденсация. Центры конденсации. Три составляющих суммарного
термического сопротивления теплообмену (сопротивление фазового перехода, капли, эффект их взаимного влияния). Предельные случаи. Расчет теплообмена.
Пленочная конденсация неподвижного сухого пара. Режимы течения пленки. Ламинарное течение пленки, теория Нуссельта, поправки к теории. Ламинарно-волновой и
турбулентно-волновой режимы. Конденсация перегретого или влажного пара. Особенности теплообмена при конденсации паров металлов.
Пленочная конденсация движущегося пара на вертикальной поверхности, влияние
направления движения пара на коэффициент теплообмена. Горизонтальная труба и пучки
труб. Характер обтекания пучков труб. Конденсация внутри трубы.
Конденсация из парогазовой смеси. Распределение парциального давления пара.
Встречные потоки парогазовой смеси и газа. Влияние газового барьера у стенки на коэффициент теплообмена. Поле температуры у поверхности. Расчетные соотношения для теплообмена.
Конденсация при прямом контакте фаз. Конденсация пузырей пара в недогретой
жидкости. Конденсация на струе жидкости (сплошной или диспергированной).
Интенсификация теплообмена при конденсации. Методы уменьшения средней толщины
пленки конденсата (гофрированные поверхности, ребра, желоба)
3.1.10. Процессы теплообмена при кипении
Механизмы процесса. Методы отвода тепла от поверхности. Виды кипения - пузырьковое, пленочное. Кризис теплообмена. перегрев жидкости перед началом кипения и
наличие центров парообразования - условия возникновения паровой фазы. Влияние смачиваемости стенки жидкостью и краевой угол. Критический радиус парового зародыша.
Зарождение, рост и движение паровых пузырей. Капиллярная постоянная.
Кипение в большом объеме. Кривая кипения. Пузырьковое кипение, две составляющих теплового потока. Влияние давления, шероховатости, отложений, свойств материала. Расчетные соотношения. Термодинамическое подобие. Кризис теплообмена. Термодинамическая и гидродинамическая теории кризиса. Кризис при кипении металлов.
Теплообмен при пленочном кипении, механизмы теплообмена. Толщина пленки пара.
3.1.11. Гидродинамика и теплообмен двухфазных потоков
Основные положения Гомогенные и гетерогенные, адиабатные и диабатные газожидкостные (парожидкостные) потоки. Термодинамически равновесные и неравновесные потоки. Приведенные скорости. Объемное, массовое, истинное паросодержание. Коэффициент скольжения. Скорость циркуляции. Массовая скорость. Формы, режимы течения двухфазных потоков в вертикальных и горизонтальных трубах. Распределение фаз и
скоростей. Расчет истинных паросодержаний.
Теплообмен в газожидкостном потоке без испарения.
Теплообмен в парогенерирующих каналах. Начало кипения. Процессы теплооб-
9
мена в различных зонах парогенерирующего канала (зона подогрева, поверхностного кипения, развитого кипения, высыхания пленки, кризиса, закризисная). Изменение температуры жидкости, стенки, паросодержания (массового, балансного, истинного) по длине
трубы.
Кипение недогретой жидкости. Область поверхностного кипения. Параметры,
влияющие на интенсивность теплообмена. Расчетные соотношения. Распределение температуры жидкости в поперечном сечении канала.
Кипение парожидкостной смеси. Зависимость интенсивности теплообмена от скорости смеси, объемного паросодержания и плотности теплового потока. Особенности теплообмена при кипении металлов. Расчетные соотношения.
Теплообмен в закризисной зоне парожидкостного потока. Структура потока. Термодинамическая неравновесность потока. Распределение температур в поперечном сечении канала. Расчет температуры пара. Колебания температуры стенки в начале закризисной зоны. Расчетные соотношения.
Теплообмен перегретого пара. Изменение свойств пара с температурой. Расчетные
соотношения.
3.1.12. Кризисы теплообмена при кипении в каналах
Общие положения. Кризис теплообмена как совокупность разных процессов.
Механизмы кризиса в круглых трубах в потоке недогретой жидкости (с разными
величинами недогрева), пузырьковом режиме, в дисперсно-кольцевом и дисперсном потоках. Кризис в потоке паро-металлической смеси.
Диаграмма уноса и сопоставление ее с зависимостью критического теплового потока (КТП) от массового содержания. Сложный характер зависимости КТП от паросодержания (пять зон). Граничное паросодержание.
Виды разных зависимостей для КТП и граничного паросодержания.
Змеевиковые трубы. Условия наступления кризиса в разных режимах. Роль гравитационных и центробежных сил. Изменение места кризиса при разных массовых скоростях и давлениях.
Кольцевые каналы. КТП при разных способах подвода тепла. Влияние ширины
кольцевого зазора на КТП.
Пучки стержней. Метод ячеек. Влияние геометрии и наличия необогреваемых поверхностей. Перемешивание в пучках. Влияние длины канала. Учет неравномерного тепловыделения по длине и сечению ТВС. Роль дистанционирующих решеток.
Влияние различных факторов на кризис. Методы интенсификации теплообмена
(турбулизация потока, закрутка). Влияние шероховатости поверхности и отложений. Моделирование кризиса. Правила пересчета КТП на разные жидкости.
3.1.13. Теплообмен излучением
Основные понятия. Спектр излучения. Поглощательная, отражательная, пропускная способности тел. Интегральное, монохроматическое излучение. Излучательная способность, яркость. Спектральная излучательная способность. Виды излучения - собственное, падающее, поглощенное, отраженное, эффективное, результирующее, их взаимная
связь.
Законы теплового излучения для абсолютно черного тела (Планка, Релея-Джинса,
Вина, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Ламберта). Черные температуры - радиационная,
цветовая, яркостная.
10
Радиационные характеристики. Излучательные, поглощательные и отражательные
характеристики реальных тел (металлов, диэлектриков, газов). Полусферическая излучательная способность. Прозрачность тел для теплового излучения.
Теплообмен излучением между телами (в прозрачной среде, при наличии экранов,
при произвольном расположении поверхностей). Угловые коэффициенты, расчетная поверхность. Теплообмен между телом и оболочкой. Коэффициент теплообмена излучением.
Теплообмен в поглощающих и излучающих средах. Оптическая толщина среды.
Особенности излучения газов и паров. Спектры излучения газов и их суммарное излучение.
3.1.14. Сложный теплообмен
Виды сложного теплообмена и методы расчета. Эффекты взаимодействия различных механизмов теплообмена.
Радиационный теплообмен между потоком излучающего газа и стенкой. Радиационно-кондуктивный теплообмен. Радиационно-конвективный теплообмен.
Контактный теплообмен. термические сопротивления контакта и параметры, влияющие на
него (шероховатость, давление). Тепловая проводимость газовой прослойки
3.1.15. Принципы теплогидравлических расчетов активных зон ядерных реакторов
Основные связи между теплогидравлическими параметрами. Метод ячеек, теплогидравлическая неравноценность, учет перемешивания. Средний подогрев в ТВС.
Теплогидравлический расчет активных зон, охлаждаемых однофазным потоком.
Разные определения коэффициента теплообмена, неравномерности температуры по периметру. Параметр подобия. Межканальное взаимодействие (обмен массой, количеством
движения, теплом). Расчет распределения скоростей и подогревов по сечению ТВС. Расчет
температурных напоров и неравномерностей температуры по периметру цилиндрического
твэла. Теплообмен шаровых твэлов в засыпке, охлаждаемых газом. Пористость слоя, скорость фильтрации.
Теплообмен в активной зоне, охлаждаемой двухфазным потоком. Начало кипения.
Расчет КТП в пучках, скелетные таблицы. Расчет запаса мощности до кризиса с учетом
погрешностей параметров.
Расчет температуры в твэле. Конструкции твэлов. Параметры, ограничивающие
мощность. Максимальные температуры оболочки и топлива. Термическое сопротивление
зазора между топливом и оболочкой. Теплопроводность диоксида урана, влияние стехиометрического состава, плотности, выгорания. Интегральная теплопроводность
Расчет температур в графитовом замедлителе. Тепловыделение в графите и охлаждение его. Распределение температуры, перепад температур в графитовом блоке.
3.1.16. Особенности процессов теплообмена в различных режимах работы реактора
Распределение энерговыделения в переходных режимах от одного уровня мощности к другому. Остаточное тепловыделение, изменение его во времени после остановки реактора.
Изменение температуры в переходных процессах. Среднее термическое сопротивление твэла. Постоянные времени для процессов внутри и вне твэла. Изменение температуры твэла. Времена запаздывания.
Кризис теплообмена в нестационарных условиях. Квазистационарный подход.
11
Критерии гидродинамической и тепловой нестационарности.
Тепловые удары. Изменение температуры изолированной трубы при быстром
снижении температуры теплоносителя. Оценка термических напряжений.
Особенности температурных режимов при расслоении теплоносителя. Опасность
стратифицированных течений, их устойчивость, критерии подобия.
3.1.17. Процессы теплообмена при аварийных ситуациях
Аварии с потерей теплоносителя. Общая характеристика процессов. Этапы: разгерметизация, залив активной зоны, повторное смачивание. Режимы теплообмена при этих
процессах.
Теплообмен в реакторах с охлаждением жидкими металлами при аварийных ситуациях. Кипение натрия в медленных переходных режимах. Плавление оболочки и топлива.
Взаимодействие расплава топлива с теплоносителем. Перечень явлений, сопровождающих тяжелую аварию. Паровой взрыв, его стадии. Коэффициент конверсии.
Охлаждение расплавленного кориума и корпуса реактора. Конвекция в расплаве.
Различные механизмы теплообмена. Критический тепловой поток на днище корпуса.
Тепломассоперенос паро-воздушной капельной среды в защитной оболочке. Объемная конденсация, конденсация пара на поверхностях.
Конденсационные гидроудары. Природа гидроударов. Скачок давления при торможении жидкого снаряда. Роль недогрева жидкости.
3.1.18. Основы теплового расчета теплообменников и парогенераторов
Типы теплообменников. Схемы движения теплоносителей: прямоток, противоток,
комбинированные схемы. Основные положения теплового расчета. Уравнения теплового
баланса и теплопередачи. Средний логарифмический температурный напор. Сравнение
прямотока и противотока. Расчет необходимой поверхности. Расчет конечных температур.
Эффективность теплообменника. Изменение характеристик во время эксплуатации.
Теплогидравлические неравномерности в теплообменниках.
Общие характеристики и принципы теплового расчета парогенераторов. Схемы
парогенераторов (с естественной и многократной циркуляцией, прямоточные). Особенности расчета теплопередачи в различных зонах парогенераторов. Q-t диаграмма. Определение плотностей теплового потока и температуры поверхностей. Интенсификация теплопередачи.
3.1.19. Процессы теплообмена в тепловых трубах
Принцип действия тепловой трубы. Теплоносителя. Конструктивные схемы. Область применения. Физические процессы в тепловых трубах. Теплообмен. ограничения
мощности тепловой трубы.
3.1.20. Теплообмен в космических ядерных установках (КЯЭУ)
Основные особенности КЯЭУ и проблемы теплообмена в них. Влияние изменения
силы тяжести на процессы теплообмена.
Термоэлектрические преобразователи теплоты (термоэлектрические генераторы).
Физические основы. Схема термоэлемента и распределение температуры, тепловые сопротивления в ТЭГ.
Термоэмиссионные преобразователи теплоты. Физические основы. принципиальная схема ТЭП и распределение электронов в межэлектродном пространстве. Конструкция
12
электрогенерирующего канала. Составляющие теплового потока от катода к аноду.
Отвод тепла в космосе. Холодильники-излучатели. Влияние формы поверхности.
Выбор поперечного сечения ребер.
Теплообмен в твердофазных и газофазных реакторах. Схема тепловыделяющего
элемента твердофазного реактора. Расчет максимальной температуры. Схема газофазного
реактора. Схема охлаждения стенок корпуса, роль зачерняющих добавок.
3.2. Практические и семинарские занятия
Раздел (ы) Тема практического или семинарского занятия
Литература
Введение. Физические основы процессов пере- 1, Глава 1
носа тепла.
Стационарная теплопроводность без внутрен- 1, Глава 3
3, Глава 1, 2
них источников тепла
4, Глава 2
Стационарная теплопроводность с объемным 1, Глава 2
4, Глава 1
тепловыделением
3.1.1
3.1.3
3.1.2
3.1.4
1, Глава 4
3, Глава 3
Конвективный тепломассообмен в однофазных 1, Глава 5
4, Глава 3, 6
средах при вынужденном течении
3, Глава 4-6
1, Глава 5
Теплообмен при свободной конвекции
3, Глава 7
Теплообмен при продольном и поперечном об- 1, Глава 5
3, Глава 11
текании трубных пучков
1, Глава 7
Теплообмен при конденсации
3, Глава 12
1, Глава 8
Кипение в большом объеме
3, Глава 13
4, Глава 10
Гидродинамика и теплообмен двухфазных по- 1, Глава 1
4, Глава 11
токов
Нестационарные процессы теплопроводности
3.1.5
3.1.6
3.1.5
3.1.9
3.1.10
3.1.11
3.1.12
Кризисы теплообмена при кипении в каналах
3.1.13
Теплообмен излучением
3.1.18
1, Глава 10
1, Глава 11
3, Глава 16
Основы теплового расчета теплообменных ап- 1, Глава 16
3, Глава 20, 21
паратов
4, Глава 13
3.3. Лабораторный практикум
Число
часов
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
13
№
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Тема лабораторной работы
Число
часов
Лабораторная работа №1. Теплоотдача вертикального цилиндра
2
при естественной конвекции
Лабораторная работа №2. Определение теплопроводности твер2
дых материалов методом пластины
Лабораторная работа №3. Определение коэффициента излучения
2
твердого тела калориметрическим методом
Лабораторная работа №4. Теплоотдача горизонтального цилиндра
2
при естественной конвекции воздуха
Лабораторная работа №5. Теплоотдача при вынужденном движе2
нии воздуха в трубе
Лабораторная работа №6. Исследование работы теплообменного
2
аппарата
2
Лабораторная работа №7. Определение теплопроводности твердых тел методом регулярного режима
3.4. Курсовые проекты (работы)
нет
3.5. Формы текущего контроля
Раздел (ы) Форма контроля
1.1-1.4
1.5
1.1-1.5
1.9-1.12
1.13
1.5, 1.18


-
Компьютерное тестирование
Компьютерное тестирование
Домашнее задание
Компьютерное тестирование
Компьютерное тестирование
Домашнее задание
Семестр
Неделя
6
6
12
16
6
12
16
7
3.6. Самостоятельная работа
Проводится по следующим темам (в скобках рекомендуемая литература):
Теплообмен в жидкометаллических теплоносителях
o (Кириллов П.Л., Богословская Г.П. Тепломассообмен в ядерных энергетических установках. – М., Энергоатомиздат, Учебное пособие
для вузов. 2000. – с. 123-128.)
o (Жидкометаллические теплоносители B.M. Боришанский, С.С. Кутателадзе, И.И. Новиков, О.С. Федынский. - 3-e изд. - М.: Атомиздат, 1976. – с. 171-215).
 Контроль:
 при сдаче домашних заданий,
 при сдаче зачета
 вопросы включены в экзаменационные билеты
Кризисы теплообмена при кипении воды в трубах
14


o (Кириллов П.Л., Богословская Г.П. Тепломассообмен в ядерных энергетических установках. – М., Энергоатомиздат, Учебное пособие
для вузов. 2000. – с. 228-250.)
o (Дорощук B.E. Кризисы теплообмена при кипении воды в трубах. М.: Энергоатомиздат, l983. – с. 30-62.)
o (Тонг Л. Кризис кипения и критический тепловой поток: Перев. с
англ., - М.: Атомиздат, 1976. – с. 21-51).
 Контроль:
 вопросы включены в экзаменационные билеты
Анализ подобия в теплофизике
o (Кириллов П.Л., Богословская Г.П. Тепломассообмен в ядерных энергетических установках. – М., Энергоатомиздат, Учебное пособие
для вузов. 2000. – с. 23-29, 86-92, 179-187)
o (Кутателадзе С.С. Анализ подобия в теплофизике. - Новосибирск:
Наука, 1982. – с. 21-68.)
o (Новиков И.И., Боришанский В.М. Теория подобия в термодинамике
и теплопередаче. - М.: Атомиздат, 1979. – с. 46-92).
 Контроль:
 при сдаче домашних заданий,
 при сдаче зачета
 при защите лабораторных работ
 вопросы включены в экзаменационные билеты
Теория и техника теплофизического эксперимента
o Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник. / под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина, - 2-е
изд., перер. - М.: Энергоатомиздат, 1988.- 560с.
 Контроль – при защите лабораторных работ
4.1. Рекомендуемая литература
4.1.1. Основная литература
1. Кириллов П.Л., Богословская Г.П. Тепломассообмен в ядерных энергетических
установках. – М., Энергоатомиздат, Учебное пособие для вузов. 2000. – 456 с.
(имеется в библиотеке ОГТУ АЭ).
2. Кириллов П.Л., Богословская Г.П. Тепломассообмен в ядерных энергетических
установках. – М., Энергоатомиздат, Издание 2-ое переработанное, Учебное пособие для вузов. 2008. – 346 с. (имеется в библиотеке ОГТУ АЭ).
3. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен. – М., Изд-во МЭИ. Учебное пособие для вузов. 2005. – 548 с. (имеется в библиотеке ОГТУ АЭ).
4. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А., Соловьев С.Л. Теплообмен в ядерных
энергетических установках. Учебное пособие для вузов. М.: Изд-во МЭИ, 2003. 548с. (имеется в библиотеке ОГТУ АЭ).
5. Гидравлические расчеты. Под редакцией Кириллова П.Л. Обнинск, Изд-во ГНЦ
РФ ФЭИ, 2007. - 250 с. (имеется в библиотеке ОГТУ АЭ).
15
6. Кириллов П.Л., Терентьева М.И., Денискина Н.Б. Теплофизические свойства материалов ядерной техники, Учебное справочное пособие. М., ИздАт, 2007. – 200с.
(имеется в библиотеке ОГТУ АЭ).
4.1.2. Дополнительная литература
1. Андреев Е.И. Расчет тепломассообмена в контактных аппаратах. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 192с.
2. Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках./ Авт. Субботин В.И., Ибрагимов М.Х.-Г., Ушаков П.А. и др. - М.: Атомиздат, 1975. - 408с.
3. Двайер О. Теплообмен при кипении жидких металлов-. Перев. с англ., - М.: Мир,
1980. - 516с.
4. Делайе Дж., Гио М., Ритмюллер М. Теплообмен и гидродинамика в атомной и тепловой энергетике: Перев. с англ., - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 424с.
5. Дорощук B.E. Кризисы теплообмена при кипении воды в трубах. - М.: Энергоатомиздат, l983. - 120с.
6. Жидкометаллические теплоносители B.M. Боришанский, С.С. Кутателадзе,
И.И. Новиков, О.С. Федынский. - 3-e изд. - М.: Атомиздат, 1976. - 328с.
7. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. - М.: Наука, 1982. 472с.
8. Жуков А.В., Сорокин А.П., Матюхин Н.М. Межканальный обмен в ТВС быстрых
реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 182с.
9. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. - М.: Мир, 1975. - 934с.
10. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. - М.: Энергия, 1977. - 240с.
11. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 1981
г., - 416 с.
12. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. 3-е изд., перер. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 208с.
13. Карташов З.М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел: Учебное
пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1979. - 415с.
14. Кириллов П.Л. Свойства материалов ядерной техники, Изд-во ИАТЭ, 1990.
15. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим
расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). - 2-е издание, переработанное и дополненное, - М.: Энергоатомиздат, 1990 г., - 360 с.
16. Кокорев Л.С., Харитонов В.В, Теплогидравлические расчеты и оптимизация ядерных энергетических установок: Учебное пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат,
1986. - 248с.
17. Крамеров А.Я., Шевелев Я.В, Инженерные расчеты ядерных реакторов. - 2-ое изд. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 736с.
18. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи: Перев. с англ., - М.: Мир, 1983. 512с.
16
19. Кузнецов В.А. Ядерные реакторы космических энергетических установок М.: Атомиздат, 1977. - 240с.
20. Кузнецов И.А. Аварийные и переходные процессы в быстрых реакторах. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 176с.
21. Кузнецов Ю.Н. Теплообмен в проблеме безопасности ядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 296с.
22. Кутателадзе С.С. Анализ подобия в теплофизике. - Новосибирск: Наука, 1982. 280с.
23. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном
граничном слое. - 2-ое изд., перер. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 320с.
по-
24. Кутателадзе С.С., Накоряков B.E. Тепломассообмен и волны в газожидкостных системах. - Новосибирск: Наука, 1984. - 301с.
25. Кутепов А.М., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании: Учебное пособие для вузов. - 3-e изд. - испр. М.: Высшая школа, 1986.
- 448с.
26. Лыков А.В. Теория теплопроводности: Учебное пособие для вузов. - М.; Высшая
школа, l967. - 599с.
27. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник. - 2-ое изд. - М.: Энергия, 1978. - 552с.
28. Мигай В.К., Фирсова Э.В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление пучков
труб. - Л.: Наука, 1986. - 195с.
29. Новиков И.И., Боришанский В.М. Теория подобия в термодинамике и теплопередаче. - М.: Атомиздат, 1979. - 184с.
30. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена: Учебное
пособие для теплоэнергетических спец. вузов.- 3-е изд., перер. и доп. М.: Энергия, 1979. - 319с.
31. Петухов Б.С Теплообмен в движущейся однофазной среде. - М., Изд-во МЭИ, 1993.
- 352с.
32. Проектирование теплообменных аппаратов АЭС I Ф.М. Митенков, В.Ф. Головко,
П.А. Ушаков, Ю.С. Юрьев. - М.: Энергоатомиздат, 1988.- 296с.
33. Справочник по теплообменникам /Перев. с англ. под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова, т.1, 2. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 560с.; - 352с.
34. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах / М. Х.-Г. Ибрагимов, В.И.Субботин, В.П. Бобков и др. - М.: Атомиздат, 1978.- 296с.
35. Стырикович М.А., Полонский В.С., Циклаури Г.В, Тепломассообмен и гидродинамика в двухфазных потоках атомных электрических станций, - М.: Наука, 1982. 370с.
36. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник.
/ под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина, - 2-е изд., перер. - М.: Энергоатомиздат,
1988.- 560с.
37. Теория тепломассообмена: Учебник для вузов I С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др. под ред. проф. А.И. Леонтьева. - М.: Высшая школа, 1979. - 495с.
17
38. Тепловыделение в ядерном реакторе / Е.С. Глушков, B.E. Демин, Н.Н. Пономарев Степной и др. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - l60c.
39. Теплообмен и гидродинамика в каналах сложной формы -I Ю.И. Данилов, Б.В.
Дзюбенко, Г.А. Дрейцер и др. под ред. чл. кор. АН В.И. Иевлева. - М.: Машиностроение, 1986. - 200с.
40. Теплопередача в двухфазном потоке / Под ред. Д. Баттерса и Г. Хьюитта: Перев. с
англ., - М.: Энергия, 1980. - 328с.
41. Теплопроводность твердых тел /А.С. Охотин, Р.П. Боровикова, Т.В. Нечаева и др. М.: Энергоатомиздат, 1984.
42. Тонг Л. Кризис кипения и критический тепловой поток: Перев. с англ., - М.: Атомиздат, 1976. - 100с.
43. Фаворский О.Н., Каданер Я.С. Вопросы теплообмена в космосе. - М.: Высшая школа, 1972. - 239с.
44. Федик И.И., Колесов В.С., Михайлов В.Н. Температурные поля и термонапряжения
в ядерных реакторах. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 280с.
45. Фрост Б. Твэлы ядерных реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 247с.
46. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.; Наука, 1974. - 712с.
4.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
4.2.1. Презентации для проведения лекций в соответствии с разделами курса
4.2.2. Тестовые программы по темам: «Теплопроводность» и «Конвективный теплообмен в однофазных средах»
4.2.3. Контрольные вопросы по разделам 3.1.1 –3.1.19
4.2.4. Задачи для практических занятий по разделам. 3.1.1 – 3.1.5; 3.1.7; 3.1.10 –
3.1.14; 3.1.19
5. Материально-техническое обеспечение дисциплины
5.1. Лаборатория тепломассообмена.
5.2. Персональные компьютеры и компьютерные классы.
Использование персональных компьютеров предусматривается:

Для обработки и анализа опытных данных, полученных в процессе
выполнения лабораторных работ.

Для выполнения расчетов при подготовке домашних заданий.

Для проведения тестирования по отдельным темам.