Тема 12. Теплообменные аппараты.

Назначение, классификация и схемы теплообменных аппаратов. Принцип расчета теплообменных аппаратов. Конструктивный и поверочный тепловые расчеты теплообменных аппаратов. Средний температурный напор. Расчет температур теплоносителей на выходе из аппарата при оценке безопасных условий работы.

Рекомендованная литература: 1-7, 9-14, 16.

Модуль 3. Лучистый теплообмен

Тема 13. Лучистый теплообмен.

Общие понятия и определения; тепловой баланс лучистого теплообмена. Законы теплового излучения: Планка, Стефана-Больцмана, Вина, Кирхгофа, Ламберта. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой; коэффициент облучения. Защита от излучения. Тепловые экраны. Излучение факела пламени при пожаре. Условие пожарной безопасности по лучистому потоку. Расчет безопасного расстояния от факела пламени.

Излучение газов. Расчет теплообмена с излучением в среде, которая поглощает и излучает. Лучистый теплообмен между полостью и высокотемпературной газовой средой, находящейся внутри нее.

Рекомендованная литература: 1-7, 9-15, 19.

Модуль 4. Нестационарная теплопроводность

Тема 14. Нестационарная теплопроводность.

Нестационарный процесс теплопроводности. Способы решения задач нестационарной теплопроводности. Задача теплопроводности в обобщенных переменных (критерии Био, Фурье). Нестационарный процесс теплопроводности в телах конечных размеров.

Физические особенности процессов нагревания строительных конструкций и технологического оборудования при пожаре и испытаниях в печах. Математическая постановка задач о нагревании тел в условиях реального и "стандартного" пожаров. Методика решения задач прогрева полуограниченного, слоистого и цилиндрического тела при стационарных граничных условиях 1-го, 2-го, 3-го рода и при стандартном температурном режиме.

Понятие о численных методах расчета температурного поля при нестационарных граничных условиях. Метод конечных разностей.

Рекомендованная литература: 1-7, 9-15.

Дисциплина разбита на смысловые модули.

Модуль 1: "Основы термодинамики" состоит из тем №1-7 и совпадает с одноименным разделом .

Модуль 2: "Стационарный теплоперенос в среде" содержит темы №8-12 раздела "Теплопередача".

Модуль 3: "Лучистый теплообмен" совпадает с темой №13 раздела "Теплопередача".

Модуль 4: "Нестационарная теплопроводность" совпадает с темой №14 раздела "Теплопередача".

При наличии времени из модуля №2 может быть выделен отдельный дополнительный модуль "Конвективный теплообмен", включающий в себя темы №9, 10.

Общие указания к изучению дисциплины

Прежде чем начать изучение термодинамики, необходимо привести к системе основные сведения о свойствах рабочих тел и главное - идеальных газов. Необходимо усвоить основные законы идеальных газов, уравнение состояния, определение газовой постоянной, понятия и законы, связанные с часто встречающимися в пожарной практике смесями идеальных газов. Надо разобраться в определениях, основных формулах и расчетах, имеющих отношение к теплоемкости газов и газовых смесей. Дальше следует перейти к рассмотрению основных процессов термодинамики, научиться применять их уравнения для определения безопасных параметров рабочих тел в технологических процессах производств.

После усвоения этих понятий необходимо перейти к изучению двух основных законов термодинамики. Первый - закон сохранения и преобразование энергии. Надо понять и запомнить его математическую формулировку, разобраться в применяемых понятиях (теплота, внутренняя энергия, энтальпия и работа термодинамической системы), усвоить различие между функциями состояния и функциями протекания процесса.

Дальше следует перейти к второму закону термодинамики, определяющему направление энергетических процессов и условия превращения теплоты в работу. Он может быть высказан несколькими формулировками, которые подчеркивают разные стороны закона. Наиболее простой из них является постулат Клаузиуса об одностороннем направлении произвольного теплового потока (от горячего к холодному). Важное значение имеет и формулировка о невозможности полного преобразования теплоты горячего источника в работу в непрерывно действующей машине. Это положение подводит к необходимости изучения круговых процессов (циклов) и критериев их эффективности.

Дальше надо изучить цикл Карно, как теоретически наиболее эффективный в заданном интервале температур, и понятие энтропии, как меры необратимости процессов, энергетической ценности теплоты и одновременно меры неупорядоченности системы микрочастиц.

Выучив первый и второй законы термодинамики, необходимо перейти к изучению основных свойств реальных газов, уравнению Ван-дер-Ваальса, изучению разнообразных агрегатных состояний, а также критического состояния вещества. Дальше следует подробно рассмотреть водяной пар, как основное рабочее тело современной энергетики и как рабочее тело при объемном пожаротушении. Следует разобраться в закономерностях парообразования при различных давлениях, фазовых состояниях воды, в определении основных параметров пара по таблицам и диаграммам.

При изучении законов истечения газов и пара прежде всего необходимо усвоить основной закон, согласно которому увеличение кинетической энергии рабочего тела равняется уменьшению его энтальпии. Дальнейший расчет ведется неодинаково: для газов аналитически, для пара - при помощи i-s- диаграммы.

Следует обратить внимание на физическое содержание критического режима истечения и осознать, почему в сопле Лаваля возможно получение скорости превышающей критическую. Также необходимо выучить основы адиабатного дросселирования и возможные изменения параметров реального газа в этом процессе в зависимости от температуры инверсии.

Далее необходимо изучить принцип сжатия газов и паров (циклы компрессоров) и три теоретических цикла поршневых двигателей внутреннего сгорания, циклы газотурбинных и паротурбинных установок. В завершение необходимо рассмотреть циклы холодильных машин.

Изучение раздела "Теплопередача" следует начинать с рассмотрения механизма трех элементарных видов теплообмена: теплопроводности, конвекционного теплообмена и теплообмена излучением.

Слушатель должен усвоить закон Фурье, понятия: температурное поле, изотермическая поверхность, температурный градиент, разобраться в физической сути коэффициента теплопроводности.

В результате изучения стационарной теплопроводности слушатель должен научиться определять тепловой поток, передающийся сквозь однослойные и многослойные плоские стенки, а также стенки цилиндра (трубы) и стенку пустотелого шара.

В условиях пожара теплообмен имеет нестационарный характер, поэтому слушатель должен понять вывод дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности, усвоить сущность граничных условий при решении теплотехнических задач, овладеть методикой расчета температурного поля в плоской стенке, сплошном цилиндре и полуограниченном теле при заданных граничных условиях.

Как известно из опытов, конвективный теплообмен зависит от многих факторов: условий движения жидкости, ее физических свойств и других обстоятельств. Изучается он в основном экспериментально с использованием теории гидродинамического и теплового подобия. Слушатель должен представлять сущность теории подобия и усвоить применение ее методов при рассмотрении вопросов конвективного теплообмена.

Необходимо овладеть методикой расчета конвекционного теплообмена при различных вариантах движения теплоносителя. Не надо запоминать конкретные эмпирические уравнения, но необходимо знать методологию их поиска, для чего надо уметь определять числа подобия: Нуссельта Nu, Грасгофа Gr, Рейнольдса Re, Прандтля Рг.

Рассматривая теплообмен при изменении агрегатного состояния рабочего тела, следует понять физическую природу уменьшения коэффициента теплоотдачи во время перехода от пузырькового режима кипения к пленочному и связанную с этим обстоятельством опасность работы кипятильного оборудования при пленочном режиме.

Изучая теплообмен при конденсации пара, надо обратить внимание на необходимость учета этого явления во время проектирования и эксплуатации установок пожаротушения.

Во время пожаров значительная часть тепловой энергии от горящих тел к окружающим предметам передается излучением. Необходимо изучить основные законы лучистого теплообмена и овладеть методикой расчета тепловых потоков излучения, а также методикой расчета безопасных расстояний. Полезно ознакомиться с особенностями излучения и поглощения излучения газами.

Под теплопередачей понимают сложный процесс теплообмена. Его прямое использование осуществляется в теплообменных аппаратах. Следует выяснить классификацию теплообменных аппаратов по принципу действия, уметь рассчитывать температурный напор при разнообразных схемах течения теплоносителей, овладеть методикой расчета теплообменных аппаратов по требованиям пожарной безопасности.

При изучении тепло- и массообмена необходимо усвоить суть соответствующих процессов и разобраться в расчетных экспериментальных уравнениях.

В практике пожарного дела важно уметь прогнозировать температуру газов во время пожара в помещении. В связи с этим необходимо овладеть методикой расчета температурного режима пожара.