Использование программного продукта по исследованию конвективного теплообмена при проведении виртуальных лабораторных работ

Цель работы состоит в программной реализации математических моделей процессов конвективного теплообмена, фазовых переходов и теплообменных аппаратов, создание виртуальных лабораторных работ в спецдисциплинах для подготовки бакалавров, магистрантов и докторантов по специальности «Теплоэнергетика».

Актуальность работы состоит в создании виртуальных лабораторных работ по исследованию процессов теплообмена и расчету теплообменного оборудования ТЭС, в повышении качества подготовки специалистов-теплоэнергетиков, владеющих информационно-компьютерными технологиями, методами математического моделирования.

Работа выполняется в рамках научного исследования по созданию, внедрению и оценке программных продуктов с получением методических рекомендаций по их использованию в учебном процессе согласно предлагаемой педагогической технологии при формировании у студентов-теплоэнергетиков профессиональной компетентности.

Программный продукт «КТИ»

Программный продукт реализован в табличном редакторе Microsoft Excel. В его структуру входят модули: информационно-справочная база по конвективному теплообмену; информационно-справочная база по теплообмену при фазовых переходах; модельные тепловые расчеты энергетических теплообменных аппаратов ТЭС; приложения [1, с. 158; 2, с. 171; 3, с. 288].

Первый модуль – информационно-справочная база по конвективному теплообмену включает в себя: классификацию конвективного теплообмена, справочные данные и расчет задач конвективного теплообмена.

Классификация видов конвективного теплообмена (КТО) проведена по: виду протекания процессов; режиму течения; форме тел; средам; граничным условиям. Схема классификации представлена на первом листе программы MS Excel (рис. 1).

Рис. 1. Окно классификации конвективного теплообмена

В справочные данные занесены формулы конвективного теплообмена в соответствии с выбранной классификацией. В MS Excel даны описания и графическое представление систем с заданием параметров и режимов течений [4, с. 53-73; 5, с. 124-361; 6, с. 125-255].

Второй модуль – информационно-справочная база по фазовым переходам включает разделы: классификация фазовых переходов, справочная база и расчет задач фазовых переходов.

Программа позволяет изменять параметры, находить значения чисел подобия, решать задачи для заданного вида КТО и ФП, т.е. проводить вычислительный эксперимент.

На основе этих двух модулей был создан третий модуль – теплообменные аппараты энергетических установок, в который входят: тепловые расчеты аппаратов, методы их интенсификации, а также расчеты показателей эффективности теплообменных аппаратов.

На данный момент созданы математические модели следующих теплообменных аппаратов: маслоохладитель, мазутоподогреватель, воздухоподогреватель, конденсатор, испаритель, подогреватель высокого давления, эжектор [7, с. 65-80; 8, с. 76-103; 10, с. 73-76].

На рисунке 3 показано Окно программного продукта «КТИ» - математическая модель конденсатора КГ2-6200.

Рис. 3. Окно программного продукта «КТИ» – математическая модель конденсатора КГ2-6200

В четвертый модуль программного продукта «КТИ» входят приложения, в которых даны зависимости теплофизических свойств воды, водяного пара, воздуха, масел от температуры (рис. 4) [8, с. 33; 9, с. 16-160].

Рис. 4. Окно программного продукта «КТИ» - Приложения

На основе программного продукта «КТИ» разработаны методические указания к выполнению виртуальных лабораторных работ по дисциплинам: «Теоретические основы теплотехники», «Спецвопросы технической термодинамики и тепломассообмена», «Вспомогательное оборудование ТЭС», «Компьютерные технологи в теплоэнергетических расчетах» и др.

Описание виртуальных лабораторных работ

Методические указания состоят из восьми лабораторных работ [3, с. 288]:

1. Лабораторная работа №1. Изучение теплоотдачи при вынужденном конвективном теплообмене.
2. Лабораторная работа №2. Изучение теплоотдачи при свободном конвективном теплообмене.
3. Лабораторная работа №3. Изучение теплоотдачи при конденсации водяного пара.
4. Лабораторная работа №4. Изучение теплоотдачи при кипении жидкости.
5. Лабораторная работа №5. Исследование математической модели маслоохладителя МБ-63-90 АлЭС ТЭЦ-2.
6. Лабораторная работа №6. Исследование математических моделей мазутоподогревателей ПМ40-30 и ПМР-64-30.
7. Лабораторная работа №7. Исследование математической модели воздухоподогревателя АлЭС ТЭЦ-2.
8. Лабораторная работа №8. Исследование математической модели конденсатора КГ2-6200 АлЭС ТЭЦ-2.

Виртуальные лабораторные работы выполняются студентами второго курса специальности «Теплоэнергетика» в Алматинском университете энергетики и связи им. Гумарбека Даукеева и в Казахстанско-Немецком Университете по дисциплинам «Теоретические основы теплотехники» и «Спецвопросы технической термодинамики и тепломассообмена».

Преимущества виртуальных лабораторных работ:

• проведение вычислительного эксперимента. Студент может изменять параметры, находить значения чисел подобия, строить графики;
• вариативность решения задач. Если при выполнении лабораторных работ за установкой, студент работает только с одним вариантом (например, горизонтальная пластина), то в виртуальных лабораторных работах студент работает сразу с несколькими вариантами: вертикальная пластина, пластина под наклоном, горизонтальная труба, сфера и др.
• расчеты реальных аппаратов: все теплообменные аппараты установлены на АлЭС ТЭЦ-2;
• простота и доступность каждому. Все расчеты проведены в MS Excel.

При выполнении лабораторных работ студенты овладевают приемами создания математических моделей, приобретают навыки проведения вычислительного эксперимента, получают возможность углубленного освоения учебного материала, способов ведения научного исследования с использованием компьютерных технологий.

Выводы

Разработан программный продукт «КТИ», состоящий из 4-х модулей: информационно-справочная база по КТО, информационно-справочная база по ФП, математические модели ТОА, приложения. Программа позволяет сократить время на поиски информации и способов решения задач КТО, ФП и ТОА.

Составлены методические указания к выполнению виртуальных лабораторных работ по спецдисциплинам: «Теоретические основы теплотехники», «Спецвопросы технической термодинамики и тепломассообмена», «Вспомогательное оборудование ТЭС», «Компьютерные технологи в теплоэнергетических расчетах» и др., состоящие из восьми лабораторных работ. Виртуальные лабораторные работы широко используются при подготовке специалистов-теплоэнергетиков.