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

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

Разработан программный продукт «Конвективный теплообмен, Теплообменные аппараты, Интенсификация» («КТИ»). В состав «КТИ» входят: информационно-справочная база по конвективному теплообмену, информационно-справочная база по фазовым переходам, математические модели теплообменных аппаратов теплоэнергетических установок, приложения. Разработаны математические модели воздухоподогревателя, мазутоподогревателя, маслоохладителя, конденсатора, испарителя, подогревателя высокого давления, эжектора. На основе программного продукта были созданы методические указания к выполнению виртуальных лабораторных работ по спецдисциплинам «Теоретические основы теплотехники», «Спецвопросы технической термодинамики и тепломассообмена», «Вспомогательное оборудование ТЭС» и т.д.

Аннотация статьи
фазовые переходы
теплообменные аппараты
математическая модель
программный продукт
конвективный теплообмен
информационно-справочная база
Ключевые слова

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.

Текст статьи
  1. ​​Джунусова М., Оразалинова Л., Борисова Н.Г. Информационно-справочная база по конвективному теплообмену для моделирования процессов тепломассообмена. Международная конференция XXX неделя науки СПбГПУ. – СПб, 2011.
  2. Неделя науки СПбПУ: материалы форума с международным участием. Институт энергетики и транспортных систем. Часть 1. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-ва, 2015. – 352 с.
  3. Шавдинова М. Разработка и использование программного продукта по исследованию конвективного теплообмена и теплоэнергетического оборудования в процессе обучения теплоэнергетиков. XIV Ежегодная международная научная конференция «Современные глобальные тренды: вызовы и риски для Центральной Азии», 2018 г.
  4. Уонг Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. Справочник. – М.: Атомиздат, 1979. – 212 с.
  5. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассобмен. – М.: Издательство МЭИ, 2011. – 547 с.
  6. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Учебник для вузов. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: «Энергия», 1975. – 483 с.
  7. Назмеев Ю.Г., Лавыгин В.М. Теплообменные аппараты ТЭС: учеб.пособие 3-е изд., перераб. – М.: Издательство МЭИ, 2005. – 260 с.
  8. Бродов Ю.М., Аронсон К.Э., Рябчиков А.Ю., Ниренштейн М.А. Справочник по теплообменным аппаратам паротурбинных установок. – М.: Издательство МЭИ, 2008. – 480 с.
  9. Александров А.А., Григорьев Б.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. – М.: МЭИ, 1999. - 168 с.
  10. Аронсон К.Э., Рябчиков А.Ю., Брезгин Д.В., Мурманский И.Б. Парогазотурбинные установки: эжекторы конденсационных установок: учеб. пособие для вузов. – М.: Издательство Юрайт, 2018. – 129 с.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 01 августа по 16 августа
Остался 1 день до окончания
Препринт статьи — после оплаты
Справка о публикации
БЕСПЛАТНО
Размещение электронной версии
20 августа
Загрузка в elibrary
20 августа
Рассылка печатных экземпляров
24 августа