НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 536.24 УДК 66.045

Пелевин Ф.В., Сапежинский М.Г.

Компьютерный учебно-лабораторный комплекс для исследования процессов тепло- и массопереноса в газообразных, жидких и твердых

средах

Московский государственный университет сервиса
Московский государственный технический университет

На кафедре "Безопасность производств" в лаборатории "Теплотехника" с весеннего семестра 2004 года введен в эксплуатацию и используется в учебном процессе компьютерный учебно-лабораторный комплекс для исследования в режиме реального времени процессов тепло- и массообмена в газообразных, жидких и твердых средах. Учебно-лабораторный комплекс предназначен для проведения последовательно восьми лабораторных работ:

1.                Исследование процесса стационарной теплопроводности в твердых телах
(ТП001);

2.       Исследование процесса теплопередачи от твердого тела к воздуху около внешней боковой поверхности горизонтального полого нагретых цилиндров в результате процесса естественной конвекции воздуха (ТП003);

3.                Исследование процесса теплопередачи от твердого тела к воздуху около внешней боковой поверхности вертикального полого нагретых цилиндров в результате процесса естественной конвекции воздуха ТП004);

4.       Исследование процесса сложного теплообмена от жидкости к воздуху через твердое тело при теплопередаче от движущейся по  цилиндрической трубе жидкости к внутренней поверхности цилиндрической стенки в результате процесса вынужденной конвекции жидкости, при теплопередаче от жидкости к воздуху в результате процесса стационарной теплопроводности через стенку трубы и при теплопередаче от внешней поверхности стенки трубы к воздуху в результате процесса естественной конвекции воздуха (ТП005);

5.       Исследование теплообмена излучением между нагретой металлической нитью и движущимся воздухом (ТП011);

6.    Исследование процесса сложного теплообмена в теплообменном аппарате от воздуха к воздуху через твердую стенку при движении их в одном и противоположных направлениях (теплообмен в результате вынужденной конвекции воздуха около внешней и внутренней боковых поверхностей стенок трубы ("прямоток"и "противоток") и теплопередача в результате процесса стационарной теплопроводности через стенку трубы, ТП014);

7.    Исследование процесса сложного теплообмена (аналогично работе ТП014) в теплообменном аппарате от жидкости, движущейся в межтрубочном
пространстве к жидкости движущейся по каналу с развитой поверхностью
(перпендикулярный ток, ТП014а);

8.    Исследование процесса течения воздуха через конфузор при условии
отсутствия теплообмена воздуха со стенками (адиабатический процесс,
ТП005d).

Лаборатория "Теплотехника" реконструирована согласно европейским стандартам (галогенные лампы , жалюзи, учебная доска для чтения лекций, новые учебные столы и стулья), соответствует международным нормам пожарной, электрической безопасности, нормам защиты от электромагнитных излучений, нормам освещенности учебных столов студентов, стендов и рабочего стола преподавателя.

Максимальное число студентов, присутствующих на учебном занятии, может составлять 25 человек. В учебно-лабораторном комплексе используется Автоматизированное рабочее место студента,включающее рабочий стол с пультом управления и аналого-цифровым преобразователем, персональный компьютер Pentium-4 (Процессор Duron с тактовой частотой 1300 Мгц, жестким диском объемом 20 Мб и оперативной памятью 128 Мб). Математическое обеспечение включает математическую модель, программное обеспечение и компьютерную визуализацию процессов тепло- и массопереноса в исследуемых средах и аппаратах при непрерывном изменении через блок управления регулируемых (управляемых) параметров :расход среды через насосы, сопротивление резистора в нагревательной электрической цепи, диаметр отверстия дросселя. Математическое, программное обеспечение и стенды разработаны ФГУ РНПО «Росучприбор» и Днепропетровским специальным КБ «Учприбор» Министерства образования Украины. На дисплее компьютера при "щелкании" оптической "мышью" по иконке, относящейся к соответствующей работе, появляется графическая тепловая, гидравлическая и электрическая мнемосхемы процессов или аппаратов, графическое изображение дросселей, труб , термопар, резисторов, нагревательных элементов, нитей накаливания, изображение течения рабочей жидкости .На мнемосхеме также отображается численное значение управляемых и исследуемых параметров: расход рабочей среды, перепад давлений, температура, напряжение и сила тока. Управляемые и исследуемые параметры также отображаются на пульте управления с помощью аналогово-цифрового преобразователя. Эти же параметры записываются в отдельные файлы на жестком диске компьютера для последующей статистической обработки, документирования и распечатки на принтере. Программное обеспечение включает графический интерфейс, что позволяет

изменять на дисплее компьютера параметры математической модели: состав рабочей газообразной, жидкой и твердой рабочих сред, размеры труб, цилиндров, с помощью "мыши" размыкать, включать электрические цепи нагревательных элементов, дросселей, регулировать нагрев, диаметр дросселей изменением сопротивления резистора и др. Особенностью данных лабораторных работ является расчетное определение всех основных характеристик в результате работы программы, реализующей алгоритм расчета конкретного процесса тепло- и массопереноса, для которого разработана адекватная математическая модель.

    В идеальном случае необходимо было бы сравнение результатов расчетов с конкретным экспериментом. Однако это не удается пока осуществить по экономическим соображениям, и мы пока вынуждены ограничиться только действующими муляжами экспериментальных установок, имитирующими в режиме реального времени нагрев цилиндров, труб, а также работу насосов. Предварительно в лаборатории проведена дополнительная работа по изменению схем крепления муляжей к промышленным стойкам и изготовление собственных стоек силами производственных служб университета.

Для более эффективного восприятия информации и усвоения материала для студентов предусмотрено использование современных аудиовизуальных средств, предоставляемых в коллективное пользование службой технических средств обучения университета (проекционный аппарат для вывода изображения с дисплея компьютера на большой экран), а также использование раздаточного материала с распечатками графических изображений мнемосхем отдельных работ.

В лаборатории также установлены современные шкафы для хранения соответствующей документации по лабораторным работам и канцелярские принадлежности к компьютеру. Также в лаборатории проводятся четыре лабораторные работы для проверки 1-го закона термодинамики , определения показателя адиабаты воздуха , определения коэффициента теплопроводности слоистых теплоизоляционных материалов, по исследованию процесса тепло- и массопереноса в результате естественной конвекции воздуха около вертикальной натянутой струны. В будущем планируется подключение используемого учебно-лабораторного комплекса к этим действующим установкам для обработки эксперимента в режиме реального времени и создание соответствующего программного и математического обеспечения силами сотрудников кафедры и университета.

Реконструированная и модернизированная лаборатория "Теплотехника" является современным замкнутым комплексом, где возможно проводить семестровый и годовой цикл обучения полной учебной группы студентов 2-го и 3-го курсов по теплотехнике и гидравлике, включающий чтение курса лекций и закрепление теоретических навыков на семинарских занятиях и при проведении лабораторных работ, с использованием современных установок, соответствующего развиваемого программного обеспечения и аудиовизуальных средств.

Литература:

1 .Сапежинский М.Г. "Компьютерный учебно-лабораторный комплекс: Труды Х-й международной научно-практической конференции "Наука-Сервису", Том. 1, Изд-во МГУ, 2005 с. 135.

v