Противоточный теплообменный аппарат (компьютерный лабораторный стенд)

Противоточный теплообменный аппарат (компьютерный лабораторный стенд)

Eugene Kuznetsov

Лабораторный стенд представляет собой программу для персонального компьютера, моделирующую рабочие процессы в противоточном теплообменном аппарате (ТОА).

Стенд ТОА может быть использован при обучении специалистов ряда инженерных специальностей. В частности, в учебных заведениях, готовящих судовых механиков и электромехаников, на стенде могут выполняться лабораторные работы, перечень которых приведен в следующей таблице.

Перечень лабораторных работ на стенде ТОА

Программа тренажера разработана в системе визуального моделирования динамических процессов Visual Simulation (VisSim), версии 6.0. Предполагается, что методические указания к лабораторным работам на данном стенде ТОА, разрабатываются преподавателями соответствующих дисциплин с использованием данного описания стенда.

1. Описание компьютерного лабораторного стенда

1.1 Установка программы стенда на компьютер и ее настройка

Для работы программы необходим IBM-совместимый компьютер, на котором установлена операционная система Windows 2000/XP/NT/Vista.

Необходим свободный объем 60 Мб на жестком диске.

Какие-либо другие требования к характеристикам компьютера отсутствуют.

Дистрибутив программы представляет собой самораспаковывающийся файл SetupHeatEng.exe.

Порядок установки: 1 Проверить, что на мониторе установлен режим 1024×768. 2 Скопировать дистрибутивный файл SetupHeatEng.exe на любой жесткий диск компьютера в любую папку. Если на одном из жестких дисков компьютера имеется папка SimEK, то дистрибутивный файл следует скопировать в эту папку. 3 Распаковать дистрибутивный файл. После распаковки появится папка HeatEngineering, содержащая файлы программы стенда ТОА.

Программf работаtт в системе визуального моделирования Visual Simulation (Vissim). Поэтому в компьютер сначала загружается программа-оболочка Vissim/Viewer, а в эту оболочку — программа стенда.

После загрузки пакета CadetV6 необходимо настроить оболочку. Настройка производится один раз, но может потребоваться повторная настройка после сбоя в работе компьютера.

Настройка оболочки производится с помощью Главного меню, расположенного в самой верхней части экрана под заголовком окна:

1 Из папки HeatEngineering запустить программу Vissim32.exe. Эта программа вызывает на экран оболочку Vissim/Viewer, в которой работает стенд ТОА. На экране монитора появится окно оболочки, которое, как правило, будет иметь вид, показанный на рис. 1.1.

2 Левую границу поля для вывода задач сдвинуть на левый край экрана.

3 Выполнить команду главного меню View и удалить с экрана Status Bar и Tool Bar.

4 Выполнить команду главного меню View? Fonts. и установить шрифт:

MS Sans Serif, обычный, 8, черный.

5 Выполнить команду главного меню View? Colors. и установить цвета:

Window Background — темносерый, Plot Background — белый, Wires - синий, Text - черный.

6 Вызвать из главного меню окно View и установить отметки на опциях Presentation Mode. В результате настройки окно View должно иметь вид, показанный на рис. 1.2.

7 Выполнить команду главного меню Tools? Customize? Tool Bars и в появившемся диалоговом окне View Tool Bar установить отметку на Sim Control и убрать все остальные отметки (см. рис. 1.3).

8 Панель Sim Control переместить на строку главного меню. В результате окно оболочки должно иметь вид, показанный на рис. 1.4.

9 Выполнить команду главного меню Edit? Preferences… и в появившемся диалоговом окне Preferences:

— открыть закладку Preferences и установить ее параметры так, как это показано на рис. 1.5; - открыть закладку Addons (рис. 1.6) и подсоединить файл динамической библиотеки VisTrack.dll, находящийся в папке Tanker (для этого следует сделать двойной щелчок левой кнопкой мыши на многоточии).

10 Выйти из программы Vissim32.exe.

Рис. 1.1 Окно оболочки VisSim/Viewer при первом запуске ее на компьютере.

Рис. 1.2 Окно View после настройки.

Рис. 1.3 Окно настройки панели инструментов View Tool Bar.

Рис. 1.4 Окно оболочки VisSim/Viewer после ее настройки.

Рис. 1.5 Установка параметров на закладке Preferences.

Рис. 1.6 Подключение файла VisTrack.dll:

a) закладка Addons до подключения,

b) закладка Addons с подключенным файлом.

1.2 Загрузка программы стенда ТОА

Предварительно следует проверить, что монитор работает в режиме 1024×768. При необходимости следует установить указанный режим монитора.

Диск, на котором размещена программа, должен быть открыт для записи.

Программа стенда ТОА загружается в компьютер вместе с задачей, выбранной для выполнения. Перечень задач для стенда приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Перечень задач для лабораторного стенда противоточного теплообменного аппарата

Порядок загрузки:

1 Открыть папку HeatEngineering.

2 Открыть папку Загрузка тренажеров Cadet.

3 Открыть папку Противоточный теплообменный аппарат. На экране появится окно с файлами задач для выполнения на тренажере, показанное на рис. 1.7. 4 Загрузить командный файл выбранной задачи (при этом сначала автоматически загрузится оболочка Vissim/Viewer, а затем — файл выбранной задачи).

5 Выполнить команду главного меню Edit? Preferences… и в появившемся диалоговом окне убрать все отметки за исключением Color Display и Color Compound Blocks.

Программа стенда работает в системе визуального моделирования Visual Simulation (Vissim). Поэтому в компьютер загружается программа-оболочка Visim/Viewer с исходным файлом программы стенда ТОА (например, файл heatexc1.vsm). При этом на экране монитора появляется главная панель стенда, показанная на рис. 1.8.

После первой загрузки стенда становятся доступными для загрузки непосредственно из программы Visim/Viewer и другие файлы задач. Файлы задач находятся в папке Heatexc1, которая, в свою очередь, находится в папке HeatEngineering.

Рис. 1.7 Папка с командными файлами для загрузки стенда ТОА.

Для загрузки файла поставленной задачи непосредственно из программы Visim/Viewer следует выполнить команду главного меню File? Open и в появившемся диалоговом окне (см. рис. 1.9) открыть папку Heatexc1 (в папке HeatEngineering) и выбрать файл согласно таблице 1.1.

Эталонные файлы следует использовать только для восстановления поврежденных рабочих файлов.

Рис. 1.8 Главная панель лабораторного стенда противоточного теплообменного аппарата.

Рис. 1.9 Окно загрузки вариантов задач для лабораторного стенда противоточного ТОА.

После загрузки программы стенда можно настроить параметры моделирования: лабораторный стенд теплообменный аппарат шаг изменения времени при моделировании Time Step,

время окончания работы тренажера End (sec),

режим моделирования.

Порядок настройки параметров моделирования:

Открыть панель ИНФО (клавиша открытия расположена в нижней части экрана и нажимается правой кнопкой мыши).

Вызвать диалоговое окно свойств моделирования, выполнив команды главного меню Simulate? Simulation Properties.

На экране появится окно Simulation Properties, показанное на рис. 1.10.

Открыть закладку Range.

Для изменения какой-либо из величин Time Step или End (sec) следует щелкнуть правой кнопкой мыши на малом окне с численным значением соответствующего параметра.

В появившемся окне ввода необходимо ввести новое значение параметра.

При изменении значений параметров следует иметь в виду: — увеличение Time Step может привести к отказу работы программы,

— увеличение End (sec) может привести к ухудшению качества графиков изменения величин стенда.

Рис. 1.10 Окно настройки параметров моделирования.

7 Кроме того, в данном окне можно включить или отключить реальный масштаб времени. Режим моделирования задается отметкой Run in Real Time. При установленной отметке стенд работает в реальном масштабе времени. Если снять отметку Run in Real Time, то процессы на стенде будут идти со скоростью, определяемой быстродействием компьютера.

1.3 Структура лабораторного стенда ТОА

Для пользователя стенд ТОА представляет комплекс панелей, выводимых на экран монитора и содержащих элементы ввода исходных данных экспериментов на ТОА и индикации его параметров.

При загрузке программы тренажера на экране монитора появляется главная панель стенда, соответствующая выбранной задаче согласно рис. 1.7. Пример главной панели показан на рис. 1.8.

С главной панели стенда возможен переход на остальные панели в соответствии со структурой стенда. Вызов соответствующей панели производится щелчком правой кнопки мыши на клавише панели.

Для возвращения на главную панель следует щелкнуть правой кнопкой мыши на свободном поле панели (там, где указатель мыши имеет вид наклонной стрелки).

1.4 Управление работой стенда

Общее управление работой тренажера производится с панели управления Sim Control (см. рис. 1.11). На панели управления расположены кнопки выбора режима работы тренажера, нажимаемые левой кнопкой мыши.

Рис. 1.11 Верхняя часть главной панели стенда (на примере тренажера системы сброса нефтесодержащих вод).

Работа на тренажере начинается с запуска процесса моделирования кнопкой Go.

При работе тренажера процесс моделирования может быть остановлен кнопкой Stop.

Продолжение процесса моделирования после остановки производится кнопкой Continue.

Нажатие кнопки Go после остановки (вместо кнопки Continue), как правило, приводит к существенным ошибкам в работе тренажера.

Нажатие кнопки Single Step вызывает пошаговую работу тренажера (с остановкой после каждого шага).

Процесс моделирования длится 10 000 с (см. на рис. 1.10 параметр End), после чего работа тренажера полностью останавливается и на экран выводится сообщение об этом (см. рис. 1.12).

Рис. 1.12 Сообщение о полной остановке тренажера.

Повторный запуск тренажера с первоначальными исходными данными производится следующим образом:

— выгружается файл данной задачи нажатием кнопки выгрузки варианта задачи (см. рис. 1.11);

— выполняется команда главного меню File;

— в результате появляется окно (см. рис. 1.13), в нижней части которого находится список файлов, которые последними загружались в тренажер и выгружались из него;

— загружается файл, стоящий первым в этом списке.

Рис. 1.13 Главная панель тренажера с выгруженной задачей и списком последних файлов, которые загружались в тренажер.

В случае необходимости работы на тренажере с новым вариантом задачи необходимо:

— выгрузить файл данной задачи (см. выше); - выполнить команду главного меню File? Open и в появившемся диалоговом окне (см. рис. 1.9) найти папку Heatexc1 и выбрать нужный файл, поставленный вместе со стендом или подготовленный и сохраненный преподавателем (инструктором).

Полное окончание работы на тренажере (выход из программы) может быть выполнено после остановки работы тренажера (процесса моделирования) кнопкой Stop или вследствие окончания времени работы (см. рис. 1.12) одним из двух способов (см. рис. 1.9):

щелчком мыши на кнопке закрытия окна программы, которой служит самая правая кнопка на заголовке окна, выполнением команды главного меню File? Exit.

В случае необходимости работы на тренажере с новой задачей возможны два варианта действий:

1 Полностью выйти из задачи (выйти из оболочки Vissim/Viewer и загрузить новую задачу с помощью командного файла в папке Противоточный теплообменный аппарат.

2 Загрузить новую задачу без выхода из Vissim/Viewer: — выгрузить файл данной задачи (см. выше); - выполнить команду главного меню File? Open и в появившемся диалоговом окне (см. рис. 1.9) найти папку Heatexc1 и выбрать нужный файл, поставленный вместе с тренажером (см. таблицу 1.1) или подготовленный и сохраненный преподавателем (инструктором).

Управляющими устройствами данного тренажера являются слайдеры.

Слайдер, служит для задания какой-либо величины ТОА, например, для расхода горячей среды (см. рис. 1.8).

Изменение величины производится двумя способами:

непрерывно путем перемещения ползунка слайдера при нажатой левой кнопке мыши;

— дискретно щелчками левой кнопки мыши, когда ее указатель находится на линии справа или слева от ползунка.

Пользователь также может создать свой вариант задачи (новое упражнение), выполнив следующее:

— привести тренажер в состояние, которое будет исходным для новой задачи; - вызвать на экран панель ИНФО, — выполнить команду главного меню Simulate? Snap States;

— в результате все переменные задачи принимают текущие значения,

— сохранить задачу в новом файле с помощью команды главного меню File? Save As,

В этом случае существует опасность изменить исходный файл задачи, переписав какой-нибудь новый созданный файл на место исходного.

2. Описание лабораторного стенда противоточного теплообменного аппарата

Схема теплообменного аппарата, математическая модель которого заложена в программу лабораторного стенда ТОА, показана на рис. 1.8.

Данный ТОА характеризуется следующим: — холодная среда протекает внутри трубок поверхности нагрева, следовательно, в ТОА для холодной среды имеет место теплопередача при продольном обтекании, — ТОА имеет один ход по холодной среде, — горячая среда протекает в межтрубном пространстве, — перегородки в межтрубном пространстве формируют поперечное обтекание трубок поверхности нагрева, — схема подвода и отвода сред обеспечивает их противоток.

Программа лабораторного стенда ТОА имеет 2 варианта.

Вариант1: Изучение теплопередачи.

В данном варианте обучаемому доступны все исходные данные и все параметры ТОА: температуры и расходы сред, коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, температурный напор и др.

Вариант 1 предназначен для лекционных демонстраций и самостоятельного практического изучения теплопередачи.

Вариант2: Лабораторные работы.

В данном варианте обучаемому доступны только те исходные данные, которые необходимы для выполнения лабораторных работ и только те параметры ТОА, которые могут быть измерены на реальном ТОА. По исходным данным и результатам измерений в зависимости от задания по лабораторной работе обучаемый должен определить параметры процессов теплопередачи в ТОА: температурные напоры, коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, коэффициенты теплопроводности материалов, теплоемкости сред и др.

2.1 Лабораторный стенд: изучение теплопередачи

Этот вариант программы загружается в компьютер вызовом командного файла 1 Изучение теплопередачи.

После загрузки программы на экране появляется главная панель стеда для варианта 1, показанная на рис. 1.8.

Стенд «Изучение теплопередачи» состоит из следующих частей (панелей, выводимых на экран монитора): — главная панель стенда для изучения теплопередачи — рис. 1.8,

— панель ввода конструктивных и номинальных параметров ТОА — рис. 2.1,

— панель вывода графиков распределения температур сред и стенок трубок по длине ТОА — рис. 2.2,

— панель основной информации о стенде.

На главной панели имеется схематичное изображение ТОА с обозначением температур и расходов сред.

Под изображением ТОА помещен слайдер, который можно перемещать вдоль теплообменного аппарата. Для этого необходимо поместить курсор мыши на кнопку слайдера и перемещать слайдер вправо или влево при нажатой левой кнопке мыши. При этом

справа от слайдера на цифровые индикаторы будут выводиться значения: пространственной координаты Х и соответствущие ей температуры:

— холодной среды Тх,

— стенок трубок со стороны холодной среды Ттх,

— стенок трубок со стороны горячей среды Ттг,

— горячей среды Тг.

Кроме, того значения этих температур для наглядности выводятся на нерерывные вертикальные индикаторы.

Слева от изображения ТОА находятся слайдеры ввода изменений коструктивных характеристик ТОА и исходных данных режима работы ТОА.

Если величина какого-либо параметра задается в процентах, то при ее значении равном 100%, соответствующий параметр будет иметь размерное значение, введенное на панели настройки. Если задать значение такого параметра, отличное от 100%, это будет означать что ТОА работает при соответствующем изменении параметра (например, площади поверхности нагрева или расхода среды).

Под изображением ТОА размещены цифровые индиккаторы, неа которые выводятся значения темепартур и других параметров ТОА, соответствующих заданному режимк его работы. Значения температур дублируются на вертикальных непрерывных индикатора.

Панель ввода конструктивных и номинальных параметров ТОА, показанная на рис. 2.1, выводится на экран после нажатия правой кнопкой мышм клавиши НАСТРОЙКА.

Рис. 2.1 Панель ввода конструктивных и номинальных параметров ТОА.

В соответствии со своим названием данная панель служит для ввода значения площади поверхности нагрева и значений параметров ТОА на режиме работы, принимаемом за номинальный.

Дополнительно на панели имеется клавиша МОДЕЛЬ, щелкнув на которой правой кнопкой мыши можно посмотреть математическую модель ТОА, так как она выглядит в визуальной среде моделирования Visual Simulation.

Панель вывода графиков распределения температур сред и стенок трубок по длине ТОА, показанная на рис. 2.2, выводится на экран после нажатия правой кнопкой мышм клавиши ГРАФИКИ.

Рис. 2.2 Панель вывода графиков распределения температур сред и стенок трубок по длине ТОА.

Для вывода графиков температур следует щелкнуть правой кнопкой мыши на кнопке Пуск, расположенной в верхней правой части панели. После этого будут выводться графики изменения температур с разверткой во времени.

2.1 Лабораторный стенд: лабораторные работы

Этот вариант программы загружается в компьютер вызовом командного файла 2 Лабораторные работы на ТОА.

Стенд «Лабораторные работы» состоит из следующих частей (панелей, выводимых на экран монитора): — главная панель стенда для лабораторных работ — рис. 2.3,

— панель ввода конструктивных и номинальных параметров ТОА — рис. 2.4,

— панель ввода исходных данных для лабораторных работ — рис. 2.5,

— панель вывода графиков распределения температур сред и стенок трубок по длине ТОА — рис. 2.2,

— панель основной информации о стенде.

Отличие данного варианта стеда от предыдущего состоит в следующем: на главную панель выодятся только значения темеператур в ТОА, которы могут быть измерены при работе реального ТОА, — на панели ввода ввода конструктивных и номинальных параметровзадаются значения только тех параметров, которые используются при выполнении всех лабораторных работ, — панель вывода графиков температур остается без изменения. Для ввода остальных исходных данных для вполнения лабораторных работ необходимо щелкнуть правой кнопкой мыши на клавише ВВОД ДАННЫХ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ. На экране появится вызванная панель, показанная на рис. 2.5.

На эту панель также выводятся значения параметров ТОА, определение которых входит в задания по лабораторным работам.

Поскольку данные на этой панели должны быть недоступны обучаемому открыть панель можно после ввода пароля «heatxchla».

Рис. 2.3 Главная панель стенда для лабораторных работ.

Рис. 2.4 Панель ввода конструктивных и номинальных параметров ТОА (вариант2)

Рис. 2.5 Панель ввода исходных данных для лабораторных работ.

Если преподавателю будет необходимо обеспечить свободный доступ к вводу данных для лабораторных работ и определяемым параметрам ТОА, то можно здля загрузки задачи использовать командный файл 3 Лабораторные работы на ТОА NP (no password). В этом случае пароль отсутствует.

3. Работа на лабораторном стенде ТОА

Выполнение работ на лабораторном стенде содержит следующие этапы: — подготовка задачи, — ввод исходных данных задачи, — проверка исходных данных, — проведение экспериментов на стенде, — обработка измерений, — анализ полученных результатов.

Подготовка задачи для обоих вариантов программы заключается в выполнении поверочного расчета ТОА на режиме, который принимается за номинальный для работы стенда.

Для такого расчета необходимо: — выбрать все конструктивные характеристики, необходимые при поверочном расчете; - выбрать виды сред, — задаться значениями расходов и входных температур сред; - рассчитать скорости сред; - рассчитать коэффициенты теплоотдачи и коэффициент теплопередачи; - рассчитать средний логарифмический температурный напор; - рассчитать значения температур сред на выходе ТОА,

Результаты расчета следует ввести в качестве исходных данных: — для варианта 1 на панели ввода конструктивных и номинальных параметров ТОА (см. рис. 2.1); - для варианта 2 на панели ввода конструктивных и номинальных параметров ТОА (см, рис. 2.4) и панели ввода исходных данных для лабораторных работ (см. рис. 2.5).

Проверка правильности исходных данных заключается в запуске работы стенда. При правильных исходных данных значения всех определяемых на стенде параметров ТОА должны незначительно отличаться от результатов поверочного расчета ТОА.

Методики выполнения остальных работ на стенде должны быть разработаны преподавателями дисциплин, в учебном процессе которых используется данный лабораторный стенд.