ВВЕДЕНИЕ
Стратегическим направлением развития образовательных систем в современном обществе является интеллектуальное и нравственное развитие человека на основе вовлечения его в разнообразную самостоятельную целесообразную деятельность в различных областях знания. При этом процесс реформирования направлен на решение двух задач: развитие принципов самостоятельной активности и осознанности познания, как ведущих в процессе обучения, и интеграция средств новых информационных технологий в образовательный процесс путем создания электронных образовательных ресурсов (ЭОР).
Современные инструментальные средства, ориентированные на Интернет-технологии, открывают широкие возможности для визуализации учебных материалов и построения интерактивных виртуальных лабораторных практикумов, органично встроенных в учебный процесс.
Основой преподавания в Высшей школе являются лабораторные (практические) работы. Между тем, в России практически не выпускается специализированного дешевого и разнообразного оборудования газоиспользующего профиля, предназначенного для обеспечения активных форм обучения. Высшая школа остро нуждается в современном учебном и учебно-исследовательском оборудовании, которое должно отвечать ряду требований.
Такое оборудование должно:
быть современным, дешевым и компактным;
предоставлять возможности создания удобного и адекватного задачам обучения интерфейса;
обеспечивать активные формы образовательного процесса и имитационные режимы работы, удобные для дистанционных режимов обучения;
обладать модульностью, полифункциональностью и легкой перестраиваемостью под конкретные задачи образовательного процесса и НИР;
иметь большие возможности регистрации, компьютерной обработки и анализа сигналов.
Все эти возможности могут быть реализованы новой виртуальной лабораторией, которая идеально подходит для обеспечения лабораторных практикумов и научно-исследовательской работы студентов и преподавателей.
Задачей проводимых исследований является разработка электронных образовательных ресурсов на базе имитационного моделирования комплекса лабораторных работ применительно к дисциплине «Газоснабжение».
Реализуемый проект по созданию первой версии виртуальной лаборатории осуществляется в рамках стратегического направления деятельности НОЦ «Теплоэнергетика» - "Создание прогрессивных форм обучения с использованием новых образовательных технологий", и непосредственно направлен на практическое решение приоритетных задач ГОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет». Представленный отчет отражает результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в результате научно-методической работы.
В первой главе произведено определение объекта моделирования с позиции общих теоретических сведений о системах газоснабжения, а также газопотребляющего и теплогенерирующего оборудования, применяемого в быту.
Во второй главе сделана идентификация объекта моделирования на основе технологии проектирования и построения виртуальных лабораторных работ. Описана лабораторно-техническая база с указанием основного приборного и контрольно-измерительного оборудования.
Третья глава посвящена результатам имитационного моделирования процесса проведения лабораторного практикума. Построен виртуальный приборный комплекс, позволяющий в рабочем режиме проводить изучение и испытание газового оборудования в условиях лабораторных работ.
Основные знания, умения и навыки, получаемые учащимся в процессе выполнения работы, соответствуют государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования 270100.65 «Строительство» и требованиям дисциплины СД.12 «Газоснабжение».
1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕКТА МОДЕЛИРОВАНИЯ
1.1 Общие сведения
Объектом моделирования является теплофизические процессы в лабораторной установке на базе бытовой газовой плиты. Произведем описание объекта моделирования на основе теоретических основ, известных из базового курса «Газоснабжение».
Газоснабжение. Газ используют как топливо для кухонных плит и газовых водонагревателей, для отопительных печей и котлов систем центрального отопления и горячего водоснабжения. Преимущества газа в сравнении с другими видами топлива: полное сгорание без дыма, золы и копоти; возможность транспортирования по трубам на большие расстояния; низкая стоимость; несложный уход за газовыми приборами. Газ бывает искусственный и природный (естественный).
Искусственный газ получается при переработке на заводах каменного угля, торфа, кокса, горючих сланцев и нефти, в зависимости от вида и способов переработки сырья получают газ: генераторный, коксовый и сланцевый. Выработанный на заводах газ очищают от вредных примесей (нафталина, сероводорода) и удаляют из него влагу. Неудаленная влага конденсируется в воду и в зимнее время замерзает, образуя в газопроводах ледяные пробки. Очищенный и осушенный газ поступает в городские хранилища газа — газгольдеры.
Жидкий (сжиженный) газ-продукт переработки газа, в жидком состоянии он находится при повышенном давлении в закрытых сосудах; при обычных условиях газ переходит в газообразное состояние. Теплотворная способность сжиженных газов 92 000 - 117 000 кДж/м3 при номинальном давлении 2,9 кПа.
Природный газ образуется в недрах земли, где он находится под большим давлением в порах и пустотах пластов горных пород. Природный газ добывают через естественные и искусственные скважины, откуда он выходит наружу и транспортируется по трубам на большие расстояния к месту потребления.
По теплотворной способности газ делится на низкокалорийный — до 2 500 ккал/м3, среднекалорийный — от 10 000 до 21 000 кДж/м3 и высококалорийный — выше 21 000 кДж/м3. Для бытовых нужд в коммунальном хозяйстве используют газ теплотворной способностью до 40 000 кДж/м3 при номинальном давлении газа у бытовых и газовых приборов 2 кПа.
Отрицательные свойства газа — ядовитость и взрывоопасность. Природный раз, например саратовский, не имеет запаха, но он взрывоопасен. Для того чтобы потребитель мог обнаружить утечку газа, его насыщают пахучими веществами, называемыми «одорантами».
Для систем газоснабжения городов и других населенных пунктов установлены следующие категории давления газа в газопроводах в МПа: низкое — не более 0,005; среднее — более 0,005 до 0,3; высокое II категории — более 0,3 до 0,6; высокое I категории — от 0,6 до 1,2.
В зависимости от максимального рабочего давления газа внутренние газопроводы подразделяются на газопроводы низкого, среднего и высокого давления.
Для газоснабжения жилых и общественных зданий, детских и лечебных учреждений, учебных заведений и предприятий общественного питания применяют газ низкого давления. Для газоснабжения промышленных предприятий используют газ давлением до 0,6 МПа и только при технико-экономическом обосновании может быть использован газ давлением до 1,2 МПа.
В небольших городах прокладывают газовую сеть низкого давления. В больших городах, где имеется газовая сеть высокого давления, газ из этой сети поступает в сеть среднего давления, откуда направляется в районные или квартальные регуляторные станции, которые снижают давление газа до 3 кПа и ниже и направляют газ в сеть низкого давления.
Городская сеть газопроводов бывает тупиковая, когда потребители снабжаются газом с одной стороны, и кольцевая, когда потребители снабжаются газом с двух сторон по замкнутому кольцу. Недостаток тупиковой сети: при капитальном ремонте какой-либо части газопровода приходится отключать большие участки сети, в результате снабжение газом потребителей прекращается. Этот недостаток отсутствует в кольцевой сети, когда выключается какой-либо участок между двумя задвижками, так как остальные потребители снабжаются газом с двух сторон. В кольцевой сети легче поддерживать постоянное давление газа, чем при тупиковой, в которой давление газа в конце участка падает ввиду того, что газ разбирают по пути.
Отключающие устройства на линиях газопровода необходимо устанавливать в следующих местах: на ответвлениях от распределительных газопроводов высокого и среднего давления; на газопроводах всех давлений для отключения отдельных микрорайонов; при пересечении газопроводами водных преград, железнодорожных путей и магистральных автомобильных дорог; на вводах и выходах из газорегуляторных пунктов и хранилищ газа; на вводах в отдельные здания и промышленные предприятия.
Бытовые газовые приборы. Газообразное топливо широко используется не только на промышленные и энергетические нужды, но и в быту: для приготовления пищи, отопления и горячего водоснабжения. Основными преимуществами газообразного топлива являются высокая теплота сгорания, хорошие теплотехнические и эксплуатационные свойства.
Отечественная промышленность выпускает различные газовые аппараты, которые позволяют эффективно и безопасно использовать горючие газы для удовлетворения бытовых и коммунально-бытовых нужд населения. Бытовые газовые приборы условно можно разделить на следующие группы:
1) приборы для приготовления пищи (газовые плиты различных конструкций, автономные духовые шкафы, жарочные устройства, одногорелочные газовые примусы);
2) приборы для горячего водоснабжения (проточные водонагреватели);
3) приборы для индивидуального отопления (емкостные водонагреватели, газовые камины, специальные газовые горелки, отопительные с водянымконтуром и отопительно-варочные аппараты, отопительные установки конвективного и излучающего обогрева);
4) приборы для освещения (переносные осветительные).
Эффективная и безопасная работа выпускаемых промышленностью бытовых аппаратов возможна только при их исправном состоянии и правильной эксплуатации.
К показателям, характеризующим работу газовых аппаратов, относятся тепловая мощность аппарата или установки, коэффициент полезного действия (КПД) и теплопроизводительность.
Различают номинальные и предельные значения указанных показателей. Номинальной тепловой мощностью называют такую, при которой аппарат или установка имеют наилучшие показатели работы: наибольшую полноту сгорания газа при наиболее высоком КПД; при этом в конструктивных элементах аппаратов не должны возникать опасные тепловые напряжения, которые могут сократить установленный срок службы. Номинальная тепловая мощность, являющаяся паспортной величиной аппарата, определяется при номинальной тепловой нагрузке. Предельной тепловой мощностью является максимальная тепловая нагрузка, превышающая номинальную.
|
