Современные энерготехнологические системы требуют от специалиста глубокого понимания законов и принципов действия теплового оборудования, встроенного в эти системы. Только достаточно высокий уровень общетеплотехнической подготовки позволит специалисту решать задачи по созданию современных экономически выгодных тепловых установок и находить пути повышения их энергетической эффективности. Данная статья рассматиривает образца разработки виртуальных лабораторных работ по дисциплине термодинамие. Адаптивные обучающие системы настраиваются в зависимости от возможностей обучающегося, что позволяет реализовать принцип индивидуализации [2]. Эта система позволяет повысить эффективность процесса обучения. В состав этой системы входят электронные лекции, семинарские занятия, промежуточные и итоговые тесты и виртуальные лаборатории такие как «Исследование процесса истечения воздуха из суживающегося сопла» и «Первой закон термодинамики». Виртуальные лабораторные работы разработаны в среде Microsoft Visual Studio 2005.
Обучающиеся во время выполнения лабораторных работ имитируют работу с реальными установками и приборами. Результаты выполнения лабораторных работ (показания приборов) сохраняются в текстовом файле. Затем обучающиеся выполняют обработку результатов измерения по полученным данным в соответствии с методическими указаниями, прилагаемыми в руководстве к лабораторным работам. Эта обработка может выполняться в любом доступном математическом пакете, в Excel и даже на обычном калькуляторе. Обучающимся не предоставляются полные образцы обработки результатов лабораторных работ, так как в соответствии с дидактическими требованиями они должны сделать это самостоятельно.
Виртуальные лабораторные работы включают в себя справочные материалы в виде текстового сопровождения как ко всему процессу выполнения лабораторных работ, так и к отдельным лабораторным установкам. Кроме того, в работу включены модули динамической визуализации приема лабораторных работ со звуковым сопровождением как помощь обучающимся, снятые с помощью программы Camtasia 3.0 от фирмы TechSmit.
Первая лабораторная работа по курсу посвящена экспериментальному исследованию адиабатического процесса истечения газа из суживающегося сопла. Она заключается в построении по опытным данным зависимости линейной и массовой скоростей газа в выходном сечении суживающегося сопла от отношения давлений в выходном и входном сечениях сопла; а также в определении параметров критического режима истечения и коэффициентов скорости и расхода. Обучающийся на экране компьютера после запуска насоса нажатием соответствующей кнопки может регулировать степень открытия вентиля. Все измерения производятся при стационарном режиме истечения, то есть, когда параметры потока газа в любом сечении во времени не меняются. В процессе опыта на каждом режиме дифференциальными манометрами замеряются перепады давления. Расход газа измеряется с помощью мерной шайбы диаметром dш = 5 мм, коэффициент расхода мерной шайбы μш = 0,95. С помощью вентиля устанавливают расход газа и производят все необходимые измерения [1]. В процессе эксперимента исследуются 6 различных режимов. Обработка опытных данных производится следующим образом [3]:
- Надо определить расход газа Gд, абсолютные давления потока в выходном сечении сопла p2 и в камере за соплом pср, отношение давлений b, действительную массовую скорость истечения и2д, действительную линейную скорость истечения c2д.
- Строится график зависимости и2д, c2д и P2 от соотношений давления b. По этому графику находится критическое отношение давлений bкр и определяется критическое давление Pкр, которое устанавливается в выходном сечении сопла в момент достижения максимальной массовой скорости.
- Сравниваются критические отношения давлений, полученных из опытных данных, с теоретическими, вычисляемыми для идеального газа по уравнению критического соотношения давлений bкр и рассчитывается теоретическая линейная скорость истечения c2 при b > bкр.
- Определяется коэффициент скорости j и расхода m.
Целью лабораторной работы по первому началу термодинамики является определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, отдаваемого в окружающую среду в условиях лабораторной установки. Вся термодинамическая система, представленная на рисунок, делится на два участка (две подсистемы): первый участок − от входного сечения I до сечения IIа, а второй – от сечения IIа до сечения II. Каждый из этих участков заключается в свою контрольную оболочку (на схеме показаны пунктирной линией) [4].
В результате подведенного тепла, воздух, проходя от сечения I−I, где его температура равна температуре окружающей среды t1 = tокр, нагревается до температуры t2а, которая измеряется термопарой 6 в комплекте с вторичным прибором. Для определения мощности, подведенной к электродвигателю компрессора, служит панель 8 «Работа компрессора» с размещенными на ней амперметром и вольтметром. Мощность, расходованная на нагрев горизонтального участка трубы 5, определяется по показаниям вольтметра и амперметра, расположенных на панели 10 «Нагрев трубы». Представлен протокол наблюдения [4].
Схема установки
Задание для данной лабораторной работы определяется следующими расчетными параметрами.
1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле:
Па.
2. Перепад давления воздуха в воздухомере:
Па,
где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м3; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2; Н – показание вакуумметра («горло») воздухомера, переведенное в м вод.ст.
3. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера:
кг/м3,
где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·°К.
4. Расход воздуха:
кг/с.
5. Абсолютное давление в сечении на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу:
где Нн – показание пьезометра (после компрессора), переведенное в м вод.ст.
6. Плотность воздуха на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу:
кг/м3,
где t2а – температура воздуха на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу (сечение IIа), °С.
7. Плотность воздуха на выходе из трубы:
кг/м3,
где t2 – температура воздуха на выходе из трубы (сечение II), °С.
8. Значение энтальпии воздуха h, в сечениях I, IIa и II определяется по общему уравнению
кДж/кг,
где ср – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры и равной 1,006 кДж/(кг·°С); tj – температура в рассматриваемом сечении, °С; j – индекс рассматриваемого сечения (I, IIa или II).
9. Средняя скорость потока Wj в сечениях IIa и II определяется по общему уравнению
м/с,
где F – площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечений IIa и II и равная 1,35·10–3 м2; ρj – плотность воздуха в рассматриваемом сечении, кг/м3; j – индекс рассматриваемого сечения (IIa или II).
Скорость потока воздуха в сечении I (на входе в воздухомер из окружающей среды) должна быть принята равной W1 = 0.
10. Изменение потенциальной энергии на участке I−IIа:
кДж/кг.
Так как в данной работе (Z2а – Z1) = 0,4 м, то ΔЭпот = 0,0039 кДж/кг одинаково для всех опытов и сравнительно мало. Поэтому величиной этого слагаемого в уравнении (1) можно пренебречь.
11. Работа электрического тока lэ1 на I-м участке (подсистеме):
кДж/кг,
где Iк – сила тока, потребляемая электродвигателем компрессора, а; Uк – напряжение, подаваемое на электродвигатель компрессора, в.
12. Работа электрического тока lэ2 на II-м участке (подсистеме):
кДж/кг,
где Iн – сила тока, потребляемая на нагрев трубы, а; Uн – напряжение, подаваемое на нагрев трубы.
Использование компьютерных технологий при выполнении лабораторных работ позволяет значительно расширить диапазон как качественных, так и количественных характеристик исследуемых процессов. Использование виртуальной лаборатории позволяет руководителю занятий ставить перед обучающимся индивидуальные задания по исследованию теплотехнических процессов.