TRANSZPORTFOLYAMATOK ÉS SZIMULÁCIÓJUK (MAKKEM 242M)

Átírás

1 TRANSZPORTFOLYAMATOK ÉS SZIMULÁCIÓJUK (MAKKEM 242M) ANYAGMÉRNÖK MESTERKÉPZÉS TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ MISKOLCI EGYETEM MŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR KÉMIAI INTÉZET Miskolc, 2012/13. 1

2 Tartalomjegyzék 1. Tantárgyleírás, tárgyjegyző, óraszám, kreditérték, a tantárgy célja, leírása, követelmények, oktatási módszer, oktatási segédeszközök 2. Tantárgytematika 3. Minta zárthelyi 4. Vizsgakérdések, vizsgáztatás módja, félévi érdemjegy számítása 5. Egyéb követelmények 1. Tantárgyleírás A tantárgy címe: TRANSZPORTFOLYAMATOK ÉS SZIMULÁCIÓJUK (MSC nappali tagozatos hallgatók részére) A tantárgy kódja: MAKKEM 242M A kurzus ideje: 3. félév A tantárgy előadója és jegyzője: Némethné Dr. Sóvágó Judit egyetemi docens Heti óraszám: 2 óra előadás + 2 óra gyakorlat Kreditek száma: 4 A tantárgy típusa: Anyagmérnök MSc szak, természettudományos alapismeretek törzsanyag, kötelező tantárgy A tantárgy felvételének előfeltétele: - Tantárgy gondozó intézmény MISKOLCI EGYETEM Műszaki Anyagtudományi Kar Kémiai Intézet A tantárgy célja: A tárgy az anyag- és energia megmaradás elvét tárgyalja a nyitott rendszerekre vonatkozó nem-egyensúlyi termodinamika eszközeivel. Különös hangsúlyt kap az impulzus- és hőátadás mellett a diffúziós anyagátadás termodinamikai elemzése, továbbá az elektromos töltéstranszport. A hallgatók számítási- és szimulációs gyakorlatokon keresztül ismerkednek a műveleti egységekben leggyakrabban előforduló geometriai feltételek mellett az impulzustranszport, ill. a hő- és komponens átadás folyamataival, valamint az egyes transzportfolyamatok közötti hasonlósági elméletekkel. A szimulációs gyakorlatokhoz a Honeywell UniSim Design szoftvere szolgál segítségül. A kurzus elméleti- és gyakorlati alapismeretet nyújt a mérnöki tervezéshez szükséges komplex tudás elmélyítéséhez. A tantárgy leírása: - A transzportfolyamatok általános jellemzése: a műszaki gyakorlatban fontos szerepet játszó áramok, gradiens és divergenciaképzés, műveleti egység fogalma, műveleti egység csoportosítása, a műveleti egységek matematikai leírása, a termodinamikai hajtóerő, az extenzív mennyiségek áramainak típusai, konvektív- és konduktív áramok, kereszteffektusok, Onsager féle linearitási törvény, Curie elv, az átadási áram, források és a lokális megváltozás, koordináta-rendszerek, globális- és lokális mérlegegyenletek, a mérlegek általános alakja (Benedek László egyenlet), a transzportjelenségek molekulárkinetikus értelmezése, vezetéses transzportegyütthatók 2

3 - A transzportfolyamatok fajtái: Anyagtarnszport (diffúzió): a diffúzió folyamatának értelmezése; diffúzió gázokban, gőzökben, Brown mozgás, öndiffúzió, öndiffúziós tényező, diffúzió időben állandósult állapotban: Fick I. törvény, diffúzió időben nem állandósult állapotban: Fick II. törvény, a diffúziós együttható meghatározásának módszerei, Fick törvények alkalmazása a mérnöki gyakorlatban: általános komponensmérleg Hőtranszport: hővezetés: Gázok és gázelegyek hővezetése, Szilárd anyagok és folyadékok hővezetése, Hővezetésre vonatkozó feladattípusok: stacionárius hővezetés számítása, hővezetési tényező meghatározása hőátadás, hősugárzás, általános hőmérleg Impulzustranszport: Gázok, gőzök és elegyeinek viszkozitása, dinamikai viszkozitási tényező meghatározása, a viszkozitás hőmérséklet- és nyomás függése, Newtoni- és nem Newtoni folyadékok, Térhálós folyadékok viszkozitása, A viszkozitás mérés módszerei, Az áramlástan alapjai, a folytonossági tétel, a Navier-Stokes tétel, az Euler- és Bernoulli-egyenlet, az áramlás sebességének mérése, Folyadékok lamináris- és turbulens áramlása csőben és porózus közegben, parabolikus sebességprofil átlagsebessége, a Kármán-örvénysor, a Hagen-Poiseuille-egyenletet alkalmazása, csővezetékek veszteségmagassága, az általános impulzusmérleg, Elektromos töltéstranszport: fajlagos- és moláris fajlagos elektromos vezetés, fajlagos ellenállás, ionmozgékonyság, átviteli szám, a hőmérséklet és összetétel hatása a fajlagos- és moláris fajlagos elektromos vezetésre, fémek elektromos vezetése, félvezetők elektromos vezetése - Globális és lokális mérlegegyenletek: Az átadási tag általános értelmezése, a munkavonal fogalma, egyen- és ellenáramú, kétfázisú műveleti egység leírása, stacionárius, izoterm kémiai reakciót nem tartalmazó rendszerben, az átadási áramok kétfilmelmélete, hasonlóságelmélet, dimenziómentes számok, dimenzióanalízis, analógiák: keverők teljesítményszükségletének meghatározása, töltött ágy nyomásesésének számítása, fluidizáció - Transzportfolyamatok szimulációja: A tárgy programjához illeszkedő, transzportfolyamattal kapcsolatos feladatok számítása és szimulációja UniSim Design modellező programmal. Követelmények: Az aláírás feltételei: - A számolási- és szimulációs gyakorlatokon való kötelező részvétel, az előadások legalább 60%- ának látogatása. - Az előadások- és a számítási gyakorlatok anyagából a félév során egy darab zárthelyi dolgozat elégséges szintű megírása (ZH időpont: május 7.). - Egy önálló modellezési feladat óraközi elkészítése az Unisim Design programmal. A tantárgy felvételének előfeltétele: A hallgató rendelkezzen fizikai kémiai előtanulmányokkal. Oktatási módszer: Előadások, kivetítő használatával. A kollokvium alapját képező előadások anyagát a hallgatók elektronikus formában megkapják. Számolási gyakorlat táblánál, krétával interaktív módon. A laboratóriumi gyakorlaton a hallgatók kis csoportokban konkrét mérést végeznek, majd a mérési adatok alapján számolnak ill. jegyzőkönyvet készítenek. A szimulációs gyakorlatokon a program ismertetése után a kiadott feladatot a hallgatók egyénileg oldják meg. 3

4 Oktatási segédeszközök: - P.W. Atkins: Fizikai kémia III. kötet (Változás) Nemzeti Tankönyvkiadó; Budapest, Dr. Szolcsányi Pál: Transzportfolyamatok; Tankönyvkiadó - Dr. Szentgyörgyi Sándor, Dr. Molnár Károly, Dr. Parti Mihály: Transzportfolyamatok; Tankönyvkiadó Kell-e jelentkezni a kurzusra: Igen, a regisztrációs héten, számítógépen a Netpun-rendszeren keresztül. 2. Tantárgytematika: Hét ELŐADÁS GYAKORLAT szept. 10. A transzportfolyamatok általános jellemzése: a műszaki gyakorlatban fontos szerepet játszó áramok, műveleti egység fogalma, műveleti egység csoportosítása, a műveleti egységek matematikai leírása, a termodinamikai hajtóerő, az extenzív mennyiségek áramainak típusai, konvektív- és konduktív áramok, kereszteffektusok szept. 17. Legfontosabb matematikai ismeretek áttekintése: gradiens és divergenciaképzés 2. Onsager féle linearitási törvény, Curie elv, az átadási áram, források és a lokális megváltozás, koordináta-rendszerek, globális- és lokális mérlegegyenletek, a mérlegek általános alakja (Benedek László egyenlet) szept. 24. Anyagtarnszport (diffúzió): a diffúzió folyamatának értelmezése; diffúzió gázokban, gőzökben, Brown mozgás, öndiffúzió, öndiffúziós tényező, diffúzió időben állandósult állapotban: Fick I.törvény, okt. 01. Diffúzió időben nem állandósult állapotban; Fick II. törvény, a diffúziós együttható meghatározásának módszerei: általános komponensmérleg okt. 08. Hőtranszport: hővezetés: Gázok és gázelegyek hővezetése, Szilárd anyagok és folyadékok hővezetése, hőátadás, hősugárzás, általános hőmérleg Diffúziós számítási feladatok Fick törvények alkalmazása a mérnöki gyakorlatban Hővezetésre vonatkozó feladattípusok: stacionárius hővezetés számítása, hővezetési tényező meghatározása okt. 15. Impulzustranszport: Gázok, gőzök és elegyeinek viszkozitása, dinamikai viszkozitási tényező meghatározása, a viszkozitás hőmérséklet- és nyomás függése, Newtoni- és nem Newtoni 4 Dinamikai viszkozitással kapcsolatos számítási példák

5 folyadékok, Térhálós folyadékok viszkozitása, A viszkozitás mérés módszerei okt. 29. Az áramlástan alapjai, a folytonossági tétel, a Navier-Stokes tétel, az Euler- és Bernoulli-egyenlet, az áramlás sebességének mérése, Folyadékok lamináris- és turbulens áramlása csőben és porózus közegben, parabolikus sebességprofil átlagsebessége, a Kármán-örvénysor, a Hagen-Poiseuilleegyenlet alkalmazása, csővezetékek veszteségmagassága, az általános impulzusmérleg nov. 05. Elektromos töltéstranszport: fajlagos- és moláris fajlagos elektromos vezetés, fajlagos ellenállás, ionmozgékonyság, átviteli szám, a hőmérséklet és összetétel hatása a fajlagos- és moláris fajlagos elektromos vezetésre, fémek elektromos vezetése, félvezetők elektromos vezetése Transzportfolyamatok elektrolit-oldatokban Számítási példák nov. 12. Globális és lokális mérlegegyenletek: az átadási tag általános értelmezése, a munkavonal fogalma, egyen- és ellenáramú, kétfázisú műveleti egység leírása i komponensre, stacionárius, izoterm kémiai reakciót nem tartalmazó rendszerben, az átadási áramok kétfilmelmélete, hasonlóságelmélet, dimenziómentes számok, dimenzióanalízis, analógiák; keverők teljesítményszükségletének meghatározása, töltött ágy nyomásesésének számítása, Példa fluidizációra nov. 19. Unisim Design szimulációs szoftver ismertetése. Szimulációs feladatok demonstrálása UnisimDesign szimulációs szoftverrel nov. 26. Beadandó szimulációs feladat önálló elvégzése dec. 03. Az éves anyag áttekintése, Kiselőadások, számítási feladatok dec. 10. Zárthelyi dolgozat 3. Minta zárthelyi 1. Definiálja a termodinamikai hajtóerőt! 1 pont 2. Sorolja fel a műszaki szempontból legfontosabb transzport fajtákat? 4 pont 3. Mi a gradiens fizikai értelme? 2 pont 5

6 4. Definiálja az extenzív mennyiséget, írjon 2 darab példát? 2 pont 5. Mit nevezünk konvektív és vezetéses hőáramnak? 2 pont 6. Jellemezze a turbulens áramlást! 2 pont 7. Mi a matematikai összefüggés az átadási és a vezetési tényező között a filmelmélet szerint? 3 pont 8. Mi a fizikai jelentése a mozgásegyenletekben a dimenziómentes számoknak? 2 pont 9. Értelmezze Fick I. törvényét! Írja fel a vonatkozó matematikai összefüggést! 2 pont 10. Mi az a Soret-effektus? 2 pont 11. Mit fejez ki a Reynolds szám? 4 pont 13. Miért és hogyan van kapcsolatban a Pr- és Sc-szám a határréteg-vastagsággal? 4 pont 14. Az egyik végén zárt, kis átmérőjű üvegcsövet acetonnal töltünk meg. Az üvegcső felett levegőt áramoltatunk állandó nyomáson és állandó hőmérsékleten. Az aceton felszínével érintkező levegő aceton gőzben telített, az áramló levegő viszont nem tartalmaz acetongőzt. A koncentrációkülönbség hatására diffúziós anyagáram indul meg az áramló közeg felé, s a folyadékfelszín csökken. Megmérve az adott idő alatt bekövetkező szintcsökkenést (z), a mérési adatból határozzuk meg az aceton-levegő kölcsönös diffúziós tényezőjét! A levegő inert komponensnek tekinthető. Adatok: z 1 = 18 mm z 2 = 27,5 mm τ = s T = 290 K Az acetonnak ehhez a hőmérséklethez tartozó telítési gőznyomása: Az aceton móltömege és sűrűsége: p A1 =p A *= 2,178* 10 4 Pa P = 1, Pa M A = 58 kg/kmol ρ A = 790 kg/m 3 Az univerzális gázállandó: R = 8314,4 J/ kmolk 6 10 pont 15. Kívülről fűtött csőben levegő áramlik. Az áramló közeg főtömegének a hőmérséklete 40 C, a fal belső hőmérséklete 60 C és a Reynolds szám: Re = A különböző analógiák (Reynolds

7 analógia, Chilton Colburn analógia, Kármán analógia) alkalmazásával határozzuk meg a Nusselt számot és ezt hasonlítsuk össze a mérési eredmények alapján felállított kriteriális egyenletből kapott eredménnyel. Az alkalmazható kriteriális egyenlet levegőre: A számításhoz szükséges anyagjellemzők: μ [Pas] Pr μ fal [Pas] levegő 0, ,711 0,00002 A csősúrlódási tényező turbulens áramlás esetén: 10 pont Pontozás: 0-25 pont elégtelen pont elégséges pont közepes pont jó pont jeles 4. Vizsgakérdések, a vizsgáztatás módja: A vizsgáztatás módja: szóbeli vizsga. A vizsgára jelentkezni Neptun rendszerben lehet. A jelentkezés feltétele, hogy a hallgató rendelkezzen fizikai-kémiai előtanulmányokkal. A vizsga szóbeli. 10 perc felkészülési idő igény szerint adható a hallgatónak. A szóbeli vizsga időtartama 15 perc. A vizsgázó 2 kérdést kap az előre kiadott tételsorból. Értékelés: Félévi munka eredménye: 1/3*önálló szimulációs feladat + 1/3*zárthelyi dolgozat eredménye + 1/3*laboratoriumi jegyzőkönyvek átlaga. Az értékelés minden esetben ötfokozatú érdemjegy. Vizsgajegy értékelése: 5 fokozatú értékelés. Félévi érdemjegy számítása: 50% félévi munka érdemjegye + 50% vizsga érdemjegye Vizsgatételek: 1. A transzportfolyamatok általános jellemzése 2. Műveleti egység fogalma, műveleti egység csoportosítása, a műveleti egységek matematikai leírása, a termodinamikai hajtóerő, 3. Az extenzív mennyiségek áramainak típusai, konvektív- és konduktív áramok. 4. Kereszteffektusok, Onsager féle linearitási törvény, Curie elv, az átadási áram, források és a lokális megváltozás. 7

8 5. Koordináta-rendszerek, globális- és lokális mérlegegyenletek, a mérlegek általános alakja (Benedek László egyenlet), 6. A transzportjelenségek molekulárkinetikus értelmezése, vezetéses transzportegyütthatók 7. Anyagtarnszport (diffúzió): a diffúzió folyamatának értelmezése; diffúzió gázokban, gőzökben, Brown mozgás, öndiffúzió, öndiffúziós tényező. 8. Diffúzió időben állandósult állapotban: Fick I.törvény, 9. Diffúzió időben nem állandósult állapotban: Fick II. törvény, a diffúziós együttható meghatározásának módszerei. 10. Hővezetés: Gázok és gázelegyek hővezetése, szilárd anyagok és folyadékok hővezetése. 11. Hőátadás, hősugárzás, általános hőmérleg 12. Impulzustranszport: Gázok, gőzök és elegyeinek viszkozitása, dinamikai viszkozitási tényező meghatározása, a viszkozitás hőmérséklet- és nyomás függése, Newtoni- és nem Newtoni folyadékok, Térhálós folyadékok viszkozitása, A viszkozitás mérés módszerei. 13. Az áramlástan alapjai, a folytonossági tétel, a Navier-Stokes tétel, 14. Az Euler- és a Bernoulli-egyenlet. 15. Folyadékok lamináris- és turbulens áramlása csőben 16. Folyadékok áramlása porózus közegben, az általános impulzusmérleg. 17. Elektromos töltéstranszport: fajlagos- és moláris fajlagos elektromos vezetés, fajlagos ellenállás, ionmozgékonyság, átviteli szám, a hőmérséklet és összetétel hatása a fajlagos- és moláris fajlagos elektromos vezetésre. 18. Fémek elektromos vezetése, félvezetők elektromos vezetése 19. Az átadási áramok kétfilmelmélete, 20. Hasonlóságelmélet, dimenziómentes számok, dimenzióanalízis, analógiák 5. Egyéb követelmények Miskolc szeptember 06.. Dr. Lakatos János Intézetigazgató Némethné Dr. Sóvágó Judit tantárgyjegyző 8