Теплотехника: Методические указания к выполнению лабораторных работ с применением персональных компьютеров

Министерство образования Российской Федерации Северо - Западный государственный заочный технический университет Кафедра металлургии и литейного производства

ТЕПЛОТЕХНИКА, Ч.2; ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ, Ч.1; МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА Методические указания к выполнению лабораторных работ с применением персональных компьютеров Направления и специальности подготовки дипломированных специалистов: Факультет технологии веществ и материалов Направление 651300 - металлургия Специальность 110400 - литейное производство черных и цветных металлов Специализация 110409 - литейное производство и экономика металлургии Направление 651700 – материаловедение, технологии новых материалов и покрытий Специальность 120800 - материаловедение в машиностроении Факультет экономики, менеджмента и автомобильного транспорта Специальность 060080 - экономика и управление на предприятии (по отрасли) Специализация 060802 - экономика и управление на предприятиях металлургии Направления подготовки бакалавров 55050 − металлургия, 551600 − материаловедение и технология новых материалов, 521500 − менеджмент

Санкт – Петербург 2003

2

Утверждено редакционно - издательским советом университета УДК 669.04 (075.8); 681.3 Теплотехника, Ч.2. Оборудование и автоматизация процессов тепловой обработки материалов и изделий, Ч.1, Металлургическая теплотехника: Методические указания к выполнению лабораторных работ с применением персональных компьютеров. - СПб. : СЗТУ, 2003. – 17 с. Приведена методика выполнения лабораторных работ студентами очно - заочной и заочной форм обучения на базе персональных компьютеров. В состав лабораторных работ включены темы компьютерного моделирования процессов горения топлива, теплопередачи и нагрева металла при различных краевых условиях. Тематика лабораторных работ соответствует содержанию рабочих программ и Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлениям подготовки дипломированных специалистов 651300 металлургия (специальность 110400 – литейное производство чёрных и цветных металлов, специализация 110409 – литейное производство и экономика металлургии), 651700 – материаловедение, технология материалов и покрытий (специальность 120800 – материаловедение в машиностроении), 521500 – менеджмент (специальность 060800 – экономика и управление на предприятиях (по отрасли), специализация 060802 – экономика и управление на предприятиях металлургии) и направлениям подготовки бакалавров 550500, 551600, 521500. Рассмотрено на заседании кафедры металлургии и литейного производства (протокол № 5 от 13.01.2003 г.). Одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов (протокол № 3 от 16.01.2003 г.). Рецензенты: кафедра металлургии и литейного производства СЗТУ (зав. кафедрой, А.А.Яценко, канд.техн.наук, доц.); Б.А.Шеверда, директор Ассоциации «Литьё сервис», канд.техн. наук. Составители: В.В. Дембовский, канд. техн. наук, проф.; Ю.Н. Зинин, канд. техн. наук, доц. © Северо-Западный Государственный заочный технический университет, 2003

3

Введение Главное назначение настоящего лабораторного практикума заключается в том, чтобы: 1) наглядно проиллюстрировать механизм важнейших тепловых процессов, теоретическое содержание которых изучается студентами по литературе и лекциям; 2) заменить отсутствующие в лабораториях металлургические процессы и агрегаты их математическими моделями; 3) предоставить студентам возможность непосредственно исследовать влияние технологических факторов на результирующие показатели процессов горения топлива, теплопередачи и нагрева материалов. Практикум по «Теплотехнике» предназначен для студентов специальности 110400, по «Оборудованию и автоматизации процессов тепловой обработки металлов» − для 120800, по «Металлургической теплотехнике» − для 060800. Для выполнения каждой работы студент в индивидуальном порядке получает исходные данные от руководителя, решает задачу с помощью компьютера и по полученным данным оформляет соответствующий общий отчет, предъявляемый профессорско – преподавательскому составу при сдаче зачета.

Охрана труда и техника безопасности при работе в компьютерном классе Изучение требований техники безопасности труда является обязанностью каждого студента. Термины и определения основных понятий в области электробезопасности установлены ГОСТ 12.1.009-76, общие требования электробезопасности – ГОСТ 12.1.019-79. Для обеспечения электробезопасности применяется защитное заземление и зануление, требования к которым установлены ГОСТ 12.1.030-81. Обязанности студентов при выполнении работ: а) прослушать подробный инструктаж руководителя о правилах безопасной работы на персональных компьютерах и расписаться в журнале учёта прохождения инструктажа по технике безопасности; б) получить от руководителя разрешение на проведение работы.

4

Запрещается: прикасаться к открытым токоведущим частям, захламлять рабочие места, производить на них какие либо действия, не связанные с выполнением лабораторного практикума.

Литература 1. Кривандин В.А., Марков Б.Л. Металлургические печи. - Л. : Металлургия, 1977. 2. Металлургическая теплотехника. / Под науч. ред. В.А. Кривандина. – М.: Металлургия, Т.1 – 2, 1986. 3. Лебедев П.Д., Щукин А.А. Промышленная теплотехника. – М – Л.: Госэнергоиздат,1956. 4. Дембовский В.В. Компьютерные технологии в металлургии и литейном производстве: Учеб. пособие в 2-х ч. - СПб.: СЗТУ, 2003.

Общие методические указания Сводка лабораторных работ и решаемых в процессе их выполнения задач представлена в табл.1. После загрузки компьютера устанавливают в дисковод дискету с необходимым программным обеспечением, выдаваемую руководителем. Для удобства использования программы заранее оттранслированы и представлены в виде выполняемых (exe) файлов. Отыскав нужную программу, делают на её имени один или два щелчка рабочей клавишей мыши (в зависимости от настройки компьютера). Программа запускается. После этого вступают в диалог с компьютером, вводят исходные данные и следуют дополнительным указаниям, приведенным ниже.

Задача № 1. Математическое моделирование процесса горения топлива 1. Цель решения задачи Определение расходов воздуха, выхода и состава продуктов сгорания, а также теоретической температуры горения в зависимости от химического состава топлива и условий его сжигания (обогащения воздуха кислородом, подогрева воздуха и его избытка).

5

Таблица Сводка лабораторных работ Общая задача 1.Математическое моделирование процесса горения топлива 2.Математическое моделирование процесса лучистой теплопередачи в системе “факел - кладка - металл”

3. Численное моделирование процесса нагрева тел

№№ работ

Имя программы

1 - Жидкое топливо 2 - Газообразное топливо

Р27

3 - В любом из двух вариантов (см. в тексте)

Р28

При краевых условиях 1-го рода: 4 – плита; 5 – цилиндр; 6 – шар. При краевых условиях 2-го рода: 7 – плита; 8 – цилиндр; 9 – шар; При краевых условиях 3-го рода: 10 – плита; 11 – цилиндр; 12 – шар;

Р43

2. Краткое теоретическое содержание Теоретический и практический расходы воздуха на единицу топлива, выход и состав продуктов сгорания при заданных условиях определяются из материального баланса процесса горения топлива с учетом стехиометрических соотношений в реакциях окисления горючих элементов (компонентов) топлива [2]. Теоретическая температура горения топлива θТ,°С находится из теплового баланса процесса горения и в настоящей работе для условий полного сгорания определяется по формуле Q НР + Q ВФИЗ θТ = , (1) С ПС VП

6 Р

где QН - рабочая низшая теплота сгорания топлива: жидкого в кДж / кг, газообразного − в кДж / м3; QВФИЗ - физическая теплота подогретого воздуха в кДж на единицу топлива, кг или м3, соответственно; C ПC - удельная объемная теплоёмкость продуктов сгорания, кДж / (м3 · K); 3 VП - практический выход продуктов сгорания в м на 1 кг жидкого или 1 м3 газообразного топлива. При этом:

QВФИЗ = С В LП θ В ,

(2)

где СВ - удельная объемная теплоемкость воздуха, кДж / (м3 · К); 3 LП - практический расход воздуха на единицу топлива, м / кг или м3/ м3 , определяемый выражением LП = L0 · α ,

(3)

где L0 – теоретический расход в тех же единицах, что и LП , α – коэффициент избытка воздуха. θВ – температура подогрева воздуха, ˚С. При определении теоретической температуры θT горения топлива следует иметь в виду, что теплоемкость продуктов его сгорания является аддитивной функцией состава и температуры. Поэтому задача решается с применением итерационной процедуры с использованием справочных данных в зависимости от самой искомой температуры θT. Используемая в работе компьютерная программа Р27 состоит из двух подпрограмм. Одна из них предназначена для расчёта горения жидкого топлива, другая – газообразного, согласно выполняемой работе. Блок исходных данных включает химический состав сухого топлива и его влагосодержание, состав воздуха, температуру его подогрева и коэффициент избытка воздуха. Состав топлива может быть взят из задания на курсовой проект по данной дисциплине.

7

В состав программы Р27 включены значения температуры (с шагом 100˚ С) и соответствующие им энтальпии двух и трёхатомных газов. Эти данные изменять не рекомендуется. По результатам счёта получают выводимый на дискету файл данных под именем Р27_0i.dat (где i – порядковый номер запуска программы), содержащий исходные данные и результаты счёта в программных обозначениях: - расходы воздуха – теоретический L0 и практический LP, м3 / кг или м3 / м3; - теплотворную способность топлива QRN, определяемую по его химическому составу c использованием формул Менделеева для жидкого топлива и Коновалова для газообразного, кДж / кг или кДж / м3; - практический выход продуктов сгорания VG, м3 / кг или м3 / м3 ; - состав продуктов сгорания, %; - энтальпию воздуха IV, кДж / м3; - теоретическую температуру горения TT, ˚С. 3. Постановка задачи Дано: - химический состав топлива - элементный для жидкого топлива, компонентный для газообразного, - содержание кислорода в воздухе, - коэффициент избытка воздуха, - температура воздуха. Найти: - теплотворную способность топлива, - практический выход и состав продуктов горения, - теоретическую температуру горения топлива. 4. Методика решения задачи 1. Запускают программу Р27. 2. В диалоговом (интерактивном) режиме, то есть по запросу компьютера, указывают вид исследуемого топлива.

8

3. Также в диалоговом режиме вводят запрашиваемые компьютером исходные данные, получаемые студентом от руководителя, в том числе из задания на курсовой проект. Вид и состав топлива фиксируют в журнале лабораторных работ (тетради для ведения черновых записей). Примечание. Если при вводе данных студент совершил ошибку, то программа предоставляет возможность эту ошибку исправить (см. сообщения на экране монитора). 4. При отсутствии ошибок на экране монитора появляется сообщение: “Cчёт успешно завершен. Исходные данные и результаты счета записаны в файл Р27_0i.dat по варианту i счёта” с последующим запросом: “Желаете повторить счёт ?”, на который необходимо ответить - Y (Д) или N (Н) от слов Yes (Да) или No(Нет). 5. При желании повторить счёт варьируют одно из исходных данных, например, содержание кислорода в воздухе, используемом для сжигания топлива, коэффициент избытка воздуха или температуру его подогрева в соответствии с указаниями руководителя. Всего повторяют счёт не менее трех раз при различных значениях исходных данных, каждый раз фиксируя значения варьируемого параметра и изменяющиеся результаты счёта. Записи в журнале лабораторных работ следует вести, например, по форме 1. После выполнения заданного числа повторений счёта на последний вопрос компьютера об очередном повторении отвечают нажатием на клавиши с буквами N (n) или Н (н) и закрывают информационное окно с заголовком «Сеанс завершен». Итоговые файлы просматривают с помощью текстового процессора WORD. Для этого запускают текстовый процессор (редактор текстов) WORD [4] и открывают в нём диск A:, то есть дискету, на которую записываются файлы исходных данных и результаты вычислений (с расширением имени dat). При определённой настройке компьютера WORD запускается автоматически после указания имени нужного файла. Во избежание искажения шрифтов, WORD устанавливают в режим СЕРВИС I ПАРАМЕТРЫ I ОБЩИЕ и далее указывают ; − Всегда подтверждать преобразование.

9

На запрос компьютера отвечают “Текст DOS”, и на экране появляется текст итогового файла. После просмотра всех итоговых файлов использование компьютера при решении настоящей задачи завершается. Остаётся закрыть окно с заголовком «Сеанс завершен». Форма 1 Данные к задаче 1 Постоянные параметры

Топливо……………………………………………………….. Состав топлива……………………………………………… ВарьируеРезультаты счёта мый параСодерVП , 3 метр жание м / ед. θТ, ˚С топлива О2 в продуктах сгорания, %

5. Содержание отчёта В отчёт включают наименование задачи, данные в виде формы 1, построенный в масштабе график, иллюстрирующий характер влияния варьируемого фактора на важнейшие показатели процесса горения топлива, соответствующие выводы из результатов проведенного вычислительного эксперимента. Литература [1], с. 154 … 183 или [3], с. 322 … 331, [4], ч.1, с.33 … 47

Задача № 2. Математическое моделирование процесса лучистой теплопередачи в системе “факел – кладка - металл” 1. Цель решения задачи Исследование характера влияния теплотехнических факторов на интенсивность лучистого теплового потока в системе

10

из трёх тел, которыми являются факел, огнеупорная кладка печи и нагреваемый металл. 2. Краткое теоретическое содержание Согласно Л.К.Рамзину и В.Н.Тимофееву [2, 3], тепловой поток, передаваемый лучеиспусканием от факела и кладки к металлу, выражается уравнением, Вт

(4 )

Л Q ГКМ = C ГКМ H Л δθСР ,

где СГКМ - видимый коэффициент излучения, Вт/(м2·к4);

Ψ = Нл / Fк; 2 Нл = ΨкмFк – лучевоспринимающая поверхность металла, м : Ψкм - угловой коэффициент от кладки на металл; 2 Fк – суммарная внутренняя поверхность кладки, м ;

εф, εм – степени черноты факела и металла, соответственно; δθср – средний эффективный температурный напор, К4 . При этом

ψ(1 − εГ ) + 1 ψ(1 − εГ )[εM + εГ (1 − εM )] + εГ

(5)

 TФ  4  TMK  4   TOГ  4  TMH  4   ,  −     −  100 100 100 100          

(6)

C ГКМ = 5,76 εМ εГ и

δθ =

где Тмн , Тмк – соответственно, начальная и конечная абсолютная температура металла, K за данный интервал времени; ТоГ – температура отходящих газов, К. Заметим, что величина 1 / Ψ называется степенью развития кладки, а степень черноты факела

εф = εог + εс – ∆ε,

(7)

где εог – степень черноты отходящих газов (продуктов сгорания топлива);

11

εс – степень черноты, создаваемая в факеле частицами углерода и высокомолекулярными углеводородными соединениями; ∆ε – поправка на частичное взаимное перекрытие спектральных полос СО2 и Н2О в продуктах сгорания топлива. За температуру факела в данной задаче можно принять теоретическую температуру горения топлива. 3. Постановка задачи Дано: набор исходных значений теплотехнических факторов, один из которых студент варьирует согласно указаниям руководителя. Найти: характер изменения исследуемого теплового потока в зависимости от варьируемого фактора. 4. Методика решения задачи а) Задачу № 2, решают с применением программы Р28, которая в соответствии с указаниями руководителя может быть реализована в диалоговом режиме в любом из следующих вариантов: - с вводом значения только одного фактора - температуры факела, варьируемой в заданных руководителем пределах, например, θф = θТ от 1800 до 2200 К с шагом 100 К при постоянных значениях остальных факторов, заранее введённых в программу; - с полным набором исходных данных, присутствующих в уравнениях (4) … (7) и задаваемых студенту в индивидуальном порядке, причём студент варьирует любой из факторов согласно рекомендациям руководителя. Выбор нужного варианта осуществляют вводом соответствующего кода варианта в диалоговом режиме после запуска программного пакета (см. на экране). б) Запускают программу P28. в) Вводят исходные данные, полученные от руководителя, и запускают программу на счёт.

12

г) Исходные данные и полученный результат счёта фиксируют в журнале лабораторных работ (черновик) по форме 2. Форма 2 Данные к задаче 2 Постоянные факторы

Значения варьируемого фактора

Тепловой поток, кВт / м2

Поскольку переменных для работы программы в этой задаче сравнительно немного, как исходные данные, так и результат счёта в отдельный файл здесь не предусмотрен, и студенты списывают информацию непосредственно с экрана монитора в журнал лабораторных работ. д) Повторяют счёт при новом – измененном значении варьируемого фактора, перезапуская программу. е) После выполнения расчётной процедуры заданное число раз работу с программой P28 завершают действиями, аналогичными применяемым при решении задачи №1. 5. Содержание отчета В отчёт включают наименование задачи, форму 2, вычерченный в масштабе график, показывающий характер изменения теплового потока в зависимости от варьируемого фактора, и соответствующие выводы. Литература [3], с.336 … 338

13

Задача № 3. Численное моделирование процесса нагрева тел 1. Цель решения задачи Исследование влияния теплофизических факторов и формы тела на скорость его нагрева при различных краевых (начальных и граничных) условиях. 2. Краткое теоретическое содержание Процесс нагрева тел описывается дифференциальными уравнениями Фурье в частных производных. Для тел простейшей (классической) формы эти уравнения имеют вид: - для плиты

∂θ ∂2 θ =a ; ∂t ∂ x2

(8)

- для цилиндра

- для

где a =

 ∂2 θ 1 ∂ θ  ∂θ  ; = a  2 + ⋅ ∂ ∂t r r r ∂  

(9)

 ∂2 θ 2 ∂ θ  ∂θ  , = a  2 + ⋅ ∂t r r r ∂ ∂  

(10)

шара

λ C⋅ρ

- коэффициент температуропроводности, м 2/ с;

λ - коэффициент теплопроводности, кВт/(м · K);

14

С – удельная теплоемкость, кДж / (кг · K); ρ - плотность, кг / м3; θ – температура, K или °С в данной точке с координатой х или r, м от начала координат; t – время от начала процесса нагрева, с. Краевые условия первого рода характеризуются заданием закона изменения температуры поверхности тела во времени. Например, эта температура принимается постоянной. При краевых условиях второго рода задается тепловой поток q, кВт/м2 через поверхность тела. Например, этот поток принимается постоянным во времени. Для краевых условий третьего рода характерно задание температуры внешней среды (печи) и закона теплопередачи на поверхности тела. Последний обычно имеет вид, кВт / м2 q = α (Tc – T),

(11)

где α - коэффициент теплоотдачи на поверхности тела, кВт / ( м2· K); Тс – температура внешней среды (рабочего пространства печи), K; Т – температура поверхности тела, K. Задача нестационарной теплопроводности здесь решается методом конечных разностей. Сущность этого метода заключается в том, что бесконечно малые величины приближенно заменяются их малыми, но конечными изменениями (разностями). В используемой для решения задачи программе P43 предусмотрено два условия выхода из режима счёта: - при достижении заданной температуры центра тела, - по контрольной длительности моделируемого процесса нагрева тела, задаваемой числом шагов по времени (например, 5000), во избежание зацикливания при неправильном вводе исходных данных. Это число введено непосредственно в программу. Работа программы автоматически прекращается при выполнении любого из данных условий. Начальные условия задают температурой поверхности и внутренних слоёв тела в начальный момент времени. Остальные данные принимают согласно рекомендациям руководителя.

15

3. Постановка задачи Дано: форма тела, его теплофизические свойства и краевые условия. Найти: характер изменения температуры поверхности и центра тела во времени. 4. Методика решения задачи а) Получив задание, студент запускает программу Р43 и в режиме диалога с компьютером вводит исходные данные по варианту, предложенному руководителем, в том числе – теплофизические свойства (приложение). б) Дождавшись на экране монитора сообщения “Счёт успешно завершен. Исходные данные и результаты счёта записаны в файл Р43_0i.dat по варианту i счёта. Повторить вычислительный эксперимент – Y (Д) или N (Н ) ?’’. На это отвечают “Y”, или “Д”, (как в задаче №1) и варьируют одно из исходных данных (например, размеры тела). в) Повторив запуск на счёт несколько раз – в соответствии с указаниями руководителя – на тот же запрос компьютера отвечают “N”, или “Н”, (аналогично задаче №1) и выходят из режима действия программы, закрыв информационное окно «Сеанс завершен». г) Знакомятся с содержанием файлов, полученных в результате счёта, открывая их в редакторе WORD аналогично тому как это выполнялось при решении задачи №1. д) Файлы просматривают и принимают решение: - либо их распечатать, если это доступно; - либо записать важнейшие показатели процесса теплопереноса по форме 3 в журнал лабораторных работ. е) Итоговых файлов должно быть не менее трёх, каждый из которых получают в результате очередного запуска программы Р43 на счёт с новыми исходными данными. По результатам просмотра в журнале лабораторных работ формируют формы 4, 5, …., аналогичные форме 3.

16

ж) Отключают компьютер и приводят в порядок рабочее место. Форма 3 Данные к задаче 3 Краевые условия………………………...…….; Форма тела…………; размер………………...; материал……………………………………….. . Время, с. Температура поверхности тела, °C

Температура печи, °C Температура центра тела, °C

5. Содержание отчета В отчёт включают наименование решаемой задачи, исходные данные и результаты счёта по формам 3, 4 и 5. По полученным данным в масштабе строят график подъёма температуры поверхности и центра тела во времени. Отчёт завершают выводами о характере влияния исследуемого фактора на скорость нагрева тела при заданных условиях. Литература [4], ч. 2, с. 110 … 117 ПРИЛОЖЕНИЕ . Теплофизические свойства материалов (усреднённые данные для задач учебного характера) Вид материала сталь чугун медь бронза латунь алюминий

λ, кВт(м·К) 0.0310 0.0419 0.3500 0.1164 0.0930 0.2310

c, кДж/(кг·К) 0.560 0.910 0.419 0.416 0.385 1.018

ρ, кг / м3 7800 7130 8600 8800 8400 2600

17

Содержание Введение Охрана труда и техника безопасности при работе в компьютерном классе Литература Общие методические указания Задача №1. Математическое моделирование процесса горения топлива Задача №2. Математическое моделирование процесса лучистой теплопередачи в системе «факел – кладка – металл» Задача № 3. Численное моделирование процесса нагрева тел Приложение

3 3 4 4 4 9 12 16

18

Сводный темплан 2003 г. Лицензия ЛР №029308 от 14.02.1997 Редактор И.Н.Садчикова ______________________________________________________ Подписано в печать Формат 60х84 1/16 Б.кн.-журн. СЗТУ

П.л. 1,25 Тираж 300

Б.л. 0,62

РТП РИО

Заказ

Северо – Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско – полиграфической ассоциации вузов Санкт – Петербурга 191186, Санкт – Петербург, ул.Миллионная,5