ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет» Научно-образовательный центр «Теплоэнергетика»

ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет»
Научно-образовательный центр «Теплоэнергетика»
Поисковый научно-исследовательский студенческий кружок
«Проблемы изучения современных информационных
и теплоэнергетических систем и технологий» («ИнЭнТех»)
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
по теме «ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ»
Разработчик:
Синицын Антон Александрович
Вологда 2012
РЕФЕРАТ
Отчет 44 с., 1ч., 17 рис., 0 прил.,14 источников.
БЫТОВАЯ ПЛИТА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ, ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ,
ИНФОРМАЦИОННО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ СРЕДА
Цель работы – разработка комплекса виртуальных лабораторных работ по газоснабжению на основе реально действующих лабораторных стендов для систем высшего и открытого инженерного образования.
Применяемый метод исследования – экспериментально-теоретический.
В процессе работы проанализированы методы математического моделирования теплоэнергетических систем, разработаны схемы испытаний, математический аппарат для
проведения исследований, проведены теоретические и экспериментальные исследования
работы газовой плиты, а также компьютерное моделирование экспериментальных работ,
связанных с испытанием таких плит.
Результаты научно-методической работы: научно-методические основы построения
виртуальных лабораторных практикумов в системе высшего и открытого инженерного
образования; программно-инструментальные средства для разработки и проведения виртуальных лабораторных практикумов; примеры виртуальных лабораторных работ по общеобразовательным и специальным курсам инженерной подготовки; программноинструментальное средство для реализации виртуальных лабораторных практикумов с
опубликованием наиболее значимых докладов.
Применимость результатов работы – создание базового инструментария для дистанционного и открытого инженерного образования. В настоящее время в РФ и в странах
СНГ не существует аналогов данной разработке. Может быть альтернативой программноинструментальной среде LabView в части компьютерной имитации контрольноизмерительной и управляющей аппаратуры при создании виртуальных лабораторных
стендов и аналитических тренажеров. Внедрение виртуальных лабораторных работ по
курсам «Газоснабжение» и «Теплогенерирующие установки».
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ......................................................................................................................... 4
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................................. 5
1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕКТА МОДЕЛИРОВАНИЯ ............................................................. 7
1.1 Общие сведения ............................................................................................................. 7
1.2 Устройство и установка газовых плит ...................................................................... 10
2 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТА МОДЕЛИРОВАНИЯ .................................................... 19
2.1 Обоснование научно-методической работы ............................................................. 19
2.2 Описание этапов и средств моделирования .............................................................. 22
2.3 Постановка задачи моделирования ............................................................................. 24
2.4 Разработка сценария выполнения лабораторной работы ......................................... 25
2.5 Разработка теоретического описания явления, которое исследуется в
процессе выполнения лабораторной работы ................................................................... 26
3
РЕЗУЛЬТАТЫ
ИМИТАЦИОННОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
ПРОВЕДЕНИЯ
ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ........................................................................................ 36
3.1 Разработка алгоритма поведения учащегося при работе с виртуальной
лабораторной установкой в процессе выполнения заданий........................................... 36
3.2 Интерфейс программы ................................................................................................. 37
3.3 Результаты апробации виртуальных лабораторных работ .......................................... 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................................... 42
ЛИТЕРАТУРА .......................................................................................................................... 43
3
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В настоящем отчете о НМР применяют следующие определения:
Научно-методическая работа (НМР): комплекс теоретических и (или)
экспериментальных исследований и методических разработок, проводимых с
целью совершенствования материально-технических и учебно-методических
условий преподавания предмета.
Техническое задание на научно-методическую работу (ТЗ): исходный
технический документ для проведения НМР, устанавливающий требования к
содержанию, объемам и срокам выполнения этих работ.
Отчетная научно–техническая документация (ОНТД): комплект документов, отражающих объективную информацию о содержании и результатах НМР, а также содержащих рекомендации по ее использованию.
Модель: Изделие, воспроизводящее или имитирующее конкретные
свойства заданного изделия и изготовленное для проверки принципа его действия и определения характеристик.
4
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 Интернеттехнологии, 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.
5
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 научнометодической 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».
6
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
7
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 техникоэкономическом 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.
8
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);
9
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.
1.2 Устройство и установка газовых плит
Газовая плита — кухонная техника, представляющая собой несколько
(обычно от 2 до 4) газовых горелок. Используется для приготовления пищи
практически всеми возможными способами (варка, жарка, парка, тушение).
Газовые плиты классифицируются по качественным показателям – высший класс «а» и «б», первый класс «а» и «б». Плиты высшего класса оснащают автоматическими устройствами для зажигания и отключения горелок и
для регулирования температуры духового шкафа. Рассмотрим устройство ос10
новных узлов и частей унифицированных газовых плит. Отечественные бытовые газовые плиты изготавливают двух-, трех- и четырехконфорочными с
духовыми шкафами и без них [9].
Природный газ поступает в горелки из городской газовой сети, сжиженный газ - из баллонов с газом. При использовании баллонов со сжатым газом
необходим газовый редуктор.
Регулирование пламени осуществляется регулированием потока поступающего в горелку газа. Газ проходит
через сопло (жиклер), смешивается с
воздухом, полученная газо-воздушная
смесь через рассекатель горелки, выходит через боковые отверстия, воспламеняется.
Рис.1.1 – Горение газа в горелке плиты
Поджог горелки ручной (любым источником открытого огня, чаще всего
спичками, электрическими зажигалками) или пьезоэлектрический. В наиболее совершенных моделях имеется контроль за выключением газа (когда
огонь гаснет, перекрывается подача газа), термостат для регулировки температуры, а также электронный программатор, способный отключать в заданное время духовку и конфорки. В России с 2007 года газовый контроль обязателен на всех горелках духового шкафа.
Горение газа в горелке.
Бытовые газовые плиты оборудуют атмосферными горелками с отводом
продуктов сгорания непосредственно в кухню. Часть воздуха, необходимого
для горения (первичный воздух), эжектируется газом, вытекающим из сопел
горелок; остальная часть (вторичный воздух) поступает к пламени непосредственно из окружающей среды. Воздух к горелкам духового шкафа поступает через специальные щели и отверстия в плите. Продукты сгорания конфорочных горелок проходят через щель между дном посуды и рабочим столом
плиты, поднимаются вдоль стенок посуды, обогревая их, и поступают в
11
окружающую атмосферу. Продукты сгорания горелок духового шкафа обогревают его и поступают в кухню через отверстия в боковых или задней
стенках плиты. Отвод продуктов сгорания непосредственно в помещение
предъявляет высокие требования к конструктивным качествам горелок, которые должны обеспечивать полное сгорание газа.
Основными причинами, вызывающими химическую неполноту сгорания
газа у конфорочных горелок, являются:
 охлаждающее действие стенок посуды, которое может привести к неполному протеканию химических реакций горения, образованию угарного газа и сажи;
 неудовлетворительное перемешивание газа с первичным воздухом в
проточной части эжектора;
 плохая организация подвода вторичного воздуха и отвода продуктов
сгорания;
 повышенное давление газа.
Внешнее описание.
Бытовые газовые плиты изготавливают двух-, трёх- и четырёхконфорочными с духовыми шкафами и без них. Они состоят из следующих основных
частей: корпуса, рабочего ствола с конфорочными вкладышами, духового
шкафа, газовых горелок (конфорочных и для шкафа), газораспределительного устройства с кранами. Детали бытовых плит изготавливают из термически
стойких, коррозионно-устойчивых и долговечных материалов. Поверхность и
детали плиты (кроме задней поверхности) покрываются эмалью (как правило, белой), либо изготавливаются из нержавеющей стали. Высота рабочего
стола бытовых плит 850 мм, а ширина - не менее 500 мм. Расстояние между
центрами соседних конфорок 230 мм. Номинальная нагрузка горелок должна
обеспечивать равномерный разогрев духового шкафа до температуры 285 ..
300 °С не более чем за 25 минут.
12
Конструкция газовых плит.
Унифицированная газовая плита (рис. 1.2) состоит из следующих основных частей: корпуса, рабочего стола с конфорочными вкладышами, духового шкафа, газовых горелок (конфорочных и для духового шкафа), газораспределительного устройства с кранами.
1 - крышка плиты или щиток; 2 - крышка горелки; 3 - насадка горелки
стола; 4 - решетка духового шкафа; 5 - противень для выпечки; 6 - жаровня;
7 - горелка духового шкафа; 8 - дверка сушильного шкафа; 9 - дверка духового шкафа; 10 – распределительный щиток; 11 - стол плиты; 12 - решетка
стола; 13 - сушильный шкаф; 14 – термоуказатель.
Рис. 1.2 - Общий вид унифицированной газовой плиты ПГ-4
Корпус плиты является несущей конструкцией и одновременно выполняет функции внешнего оформления. Снаружи корпус покрывают защитнодекоративным слоем керамической эмали, способной противостоять значи13
тельным температурным перепадам. На лицевой стороне плиты размещен
распределительный щиток с пятью ручками и их указателями.
На задней кромке стола плиты установлен щиток-экран (в некоторых
модификациях заменен откидной крышкой). Конфорочные решетки – прутковые, эмалированные или оксидированные. Духовой шкаф – цельносварной,
снабжен съемным дном и подвесками для трех полок; объем духового шкафа
52 дм3.
Дверца духового шкафа имеет смотровое стекло, за которым размещен
биметаллический термоуказатель.
Открытие (закрытие) прохода газа к горелке и регулирование высоты
пламени осуществляется с помощью пробковых газовых кранов (рис. 1.3).
Корпус 2 крана имеет наружную или внутреннюю резьбу для присоединения
к горелкам и боковой штуцер 3 с резьбой для присоединения к коллекторной
трубке. Хвостовик или отверстие в верхней части пробки 4 служит для посадки втулки или стержня 7. На втулку насаживается пластмассовая рукоятка
для поворота крана. Между стержнем и пробкой крана находится пружина 6,
обеспечивающая поступательное движение втулки перед поворотом крана на
открытие. Это исключает случайное открытие крана.
1 – штуцер для присоединения к газопроводу; 2 – корпус; 3 – штуцер
для присоединения к коллектору; 4 – пробка; 5 – стопорный винт; 6 – пружина; 7 – стержень
Рис. 1.3 - Унифицированный пробковый кран газовой плиты
В последние годы производятся 4-конфорочные газовые плиты повышенной комфортности, оснащенные термоэлектрическим клапаном, терморегулятором и устройством пьезозажигания. По габаритным размерам они от-
14
личаются от унифицированных, например, объем духового шкафа для плиты
ПГ4-ВК увеличен до 70 дм3.
Типы, устройство и принцип действия горелок бытовых плит. Газовой
горелкой называется устройство, обеспечивающее устойчивое сжигание газообразного топлива и регулирование процесса горения. На отечественных
бытовых газовых плитах используются многофакельные инжекционные горелки низкого давления (рис. 1.4).
а – вертикальная; б – вертикальная с пилотным пламенем; в – с горизонтальным смесителем; г – без регулятора первичного воздуха; 1 - колпачок; 2 - огневой насадок; 3 - диффузор; 4 - окно для подсоса воздуха; 5 –
ниппель сопла; 6 - корпус сопла; 7 - трубка смеситель; 8 – коллектор
Рис. 1.4 - Конфорочные горелки
15
Номинальная мощность конфорочных горелок 1,75 – 2 кВт, повышенная
2,7 – 2,9 кВт, КПД не менее 55 %. В этих горелках содержание первичного
воздуха в смеси с природным газом составляет примерно 55 % от теоретически необходимого.
В горелках (рис. 1.4 а) колпачок 1, диффузор 3 и сопло 5 размещены на
одной вертикальной оси. Для обеспечения полноты сжигания в горелках
(рис. 1.4 б) была изменена конструкция огневого насадка-распределителя горелки. Особенностями горелок (рис. 1.4 в,г) являются наличие развитого по
длине трубчатого смесителя и новый способ регулирования подсоса первичного воздуха с помощью мундштука диффузора.
В духовых шкафах на всех отечественных плитах устанавливают дисковые штампованные горелки с пилотным пламенем. Продукты сгорания обогревают духовой шкаф и поступают в кухню через отверстия в боковых стенках, или задней стенке плиты.
Схема
движения
тепловых
потоков в духовых шкафах показана на рис. 1.5.
Отвод
продуктов
непосредственно
в
сгорания
помещение
предъявляет высокие требования к
а – московская плита; б – ленинградская плита
Рис. 1.5 - Схема движения теп-
конструктивным качествам горелок, которые должны обеспечивать полное сгорание газа.
ловых потоков в духовых шкафах
Установка газовых плит в помещении. Газовые плиты устанавливают в
кухнях высотой не менее 2,2 м, имеющих окно с форточкой или фрамугой,
вентиляционный канал и естественное освещение. Установка газовых плит
разрешена в кухнях, имеющих объем не менее 15 м3 для 4-хконфорочной
плиты, 12 м3 для 3-хконфорочной и 8 м3 для 2-хконфорочной.
16
Газовые плиты рекомендуется размещать таким образом, чтобы обеспечить удобное пользование ими и свободный доступ не менее чем с двух
сторон. Плиты не следует ставить вблизи или против окон, т.к. при открытом
окне пламя горелки, работающей с низкой тепловой нагрузкой или в режиме,
близком к пределу отрыва пламени, может быть сдуто. Расстояние между
верхним краем плиты и стеной следует принимать не менее 50 мм. Проход
между плитой и противоположной стеной должен быть не менее 1 м. Деревянные стены при установке плит покрывают мокрой штукатуркой или изолируют асбестовой фанерой, кровельной сталью по листу асбеста толщиной
3 мм или войлоку, пропитанному глиняным раствором, или другими негорючими материалами.
Установка газовой плиты ПГ- 4
показана на рис. 1.6. Газовый стояк 1
или 2 может быть расположен сзади
(вариант I) плиты или в углу (вариант
II).
Расстояние от неизолированной
боковой стены духового шкафа плиты до деревянных элементов встроенной мебели должно быть не менее
150 мм. Подводку газопровода к
двух-, трех- и четырехгорелочным
плитам с духовым шкафом устраивают из труб диаметром 20 мм, а для
1 — газовый стояк (вариант I), 2
двухгорелочных плит без духового
— газовый стояк (вариант II), 3, 4
шкафа и таганов — из труб диамет-
— гильзы, 5 — натяжной газовый
ром 15 мм.
муфтовый кран
Рис. 1.6 - Установка плиты
К плите трубопроводы присоединяют с помощью угольника и сгона.
Пробковый кран устанавливают на вертикальном участке подводки на высоте
1100 мм от пола. В кухнях квартир, расположенных под жилыми комнатами
17
разрешается установка только одной газовой плиты, установка других газовых
приборов запрещается.
Установка газовых плит не допускается:
 в кухнях или других помещениях без естественного освещения, расположенных в подвальных помещениях;
 в кухнях или других помещениях, расположенных в цокольных этажах
или подвалах, при газоснабжении сжиженными газами;
 в коридорах общего пользования;
 в кухнях жилых домов высотой 10 этажей и более и в общежитиях (независимо от этажности).
Нельзя устанавливать газовое оборудование в кухнях, расположенных
непосредственно под помещениями с большим скоплением людей.
18
2 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТА МОДЕЛИРОВАНИЯ
2.1 Обоснование научно-методической работы
В связи с усложнением производственных процессов на предприятиях
в настоящее время требуются все более квалифицированные кадры. Этот
факт требует и модернизации самого учебного процесса. В качестве вспомогательных образовательных ресурсов все чаще используются электронные.
Среди них можно выделить компьютерные имитационные тренажеры (КИТ),
виртуальные лабораторные работы (ВЛР), электронные справочные системы
и др. Преимущества КИТ и ВЛР заключаются в том, что нет необходимости в
создании дорогостоящих лабораторных или учебных установок.
Области применения компьютерных имитационных тренажеров постоянно расширяются. Сегодня в Европе и США они применяются в вооруженных силах, авиации, медицине, машиностроении, космонавтике и некоторых
других областях. Многие крупные корпорации, такие как Ford, Boeing, General Motors и другие, имеют на вооружении полномасштабные тренажерные
комплексы. Тренажеры с использованием виртуальной реальности все шире
применяются и в гражданской сфере.
Применение ВЛР экономически целесообразно в высших учебных заведениях, научно-образовательных центрах и центрах повышения квалификации и переподготовки кадров в связи с возможностью индивидуального
подхода к каждому обучаемому. Кроме того, при самостоятельном выполнении работ степень усвоения материала значительно повышается. Еще одно
преимущество виртуальных тренажеров заключается в безопасности обучения, т.к. обучение практиканта на действующем технологическом оборудовании иногда не просто нежелательно, но и опасно (машинисты турбин, котлов, другого сложного оборудования).
Причина возрастающей популярности электронных образовательных ресурсов (ЭОР) заключается в их способности реализовать принципиально новый и очень эффективный способ обмена информацией между человеком и
19
окружающим миром. Возможности исследования и запоминания информации в несколько раз превосходит традиционные способы. В вопросе эффективности восприятия и запоминания информации наблюдается большая схожесть взглядов. Так, например, по мнению Haskett consulting inc. (HCI): "Люди запоминают 20 % того, что они видят, 40 % того, что они видят и слышат
и 70 % того, что они видят, слышат и делают" [7].
Как видно из приведенных данных на рис.2.1,
КИТ и ВЛР имеют достаточно высокую эффективность среди других ЭОР.
Соответственно,
для
быстрого и эффективного
обучения требуется максимально реалистичные интерактивные
Рис.2.1 - Процентное распределение по
обучающие
технологии и системы.
степени усвоения материала.
Эти и другие качества КИТ и ВЛР имеют огромную значимость при
подготовке и повышении квалификации специалистов, особенно, занятых на
опасных участках производства там, где цена возможной ошибки несоизмеримо выше расходов на обучение.
ВЛР является копией реально существующей установки с точно воссозданными физическими характеристиками. В качестве дополнительного преимущества виртуального ресурса можно назвать индивидуальность выполнения работы, что весьма сложно осуществить на реальной установке. Это
следствие невозможности изменения конструктивных параметров самой
установки, либо, как в случае с теплотехнической, параметров окружающей
среды.
Существует множество рекомендаций по увеличению эффективности
ЭОР. В процессе исследования методов их создания в работе [8] были опре20
делены основные факторы, влияющие на эффективность имитационных тренажеров:

высокий уровень подобия виртуального изображения оригиналу;

возможность синтеза изображения с просчетом математической мо-
дели и взаимодействия с пользователем, как в “реальном времени”, так и с
изменением масштаба времени;

достаточно точная модель оборудования и процесса.
Высокий уровень подобия виртуального изображения оригиналу является ключевым при оценке эффективности ВЛР. Пользователь должен понимать, что он видит, а не терять времени на угадывание.
Точность воссозданного процесса увеличивает эффективность тренажера за счет реалистичности поведения модели. Дело в том, что правдоподобное поведение модели создает так называемый эффект личного участия
(ощущается меньшая разница между реальной и виртуальной обстановкой).
Эффект личного участия, в свою очередь, влияет на запоминание информации.
Развитая имитационная модель позволяет учитывать влияние большего числа параметров, что представляет больший научно-исследовательский
интерес. При работе с реальным оборудованием часто возникают ситуации,
влияющие на качество и результат его работы. Примерами могут служить
изменение состояния атмосферного воздуха (температура, давление, влажность), износ оборудования, аварии и т.д. Очень важно предусматривать возможность корректировки работы виртуальной установки, а также использование заранее подготовленных сценариев. Сценарии представляют собой отмеченные на временной шкале вероятности появления каких-либо событий,
изменений или аварийных ситуаций. Применение сценариев позволяет повысить эффективность эксплуатации тренажера за счет имитации большего количества различных ситуаций.
Возможность изменения масштаба времени является также важной
функцией, т.к. учебное время ограничено, а некоторые установки выходят на
21
стационарный режим за достаточно продолжительное время. Зачастую невозможно провести работу полностью из-за дефицита времени. Таким образом, актуальность применения ЭОР очевидна как с экономической, так и с
практической точки зрения.
Анализ КИТ и ВЛР в сфере подготовки специалистов теплоэнергетических специальностей выявил слабые стороны предлагаемых программных
продуктов. Во многих из них присутствует только имитация выхода на стационарный режим работы без описания этого выхода. Зачастую именно изучение нестационарного процесса изменения параметров теплотехнической
установки определяет ход решения самой задачи. У большинства существующих программных продуктов эта функция не решена, лишь ограничена математическим описанием установившегося рабочего процесса. Кроме того,
предлагаемые на рынке программы очень узконаправленны и не могут быть
использованы для изучения специальных дисциплин по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» и «Промышленная теплоэнергетика» [9].
Для решения указанных проблем на кафедре «Теплогазоснабжения и
вентиляции» ГОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет» в соответствии с основными направлениями работы НОЦ «Теплоэнергетика» было принято решение о создании комплекса ВЛР и КИТ для теплоэнергетических специальностей. Одной из первых работ стала разработка
виртуальной лабораторной работы по дисциплине «Газоснабжение».
2.2 Описание этапов и средств моделирования
В качестве технологической основы реализации виртуальных лабораторных работ выбран язык Delphi, с использованием библиотеки трехмерной
графики OPENGL. Основными причинами такого выбора являются универсальность и совместимость языка с другими приложениями.
Работа над созданием виртуального лабораторного практикума по курсу «Газоснабжение» осуществлялся коллективом, в состав которого входили
22
преподаватель-методист кафедры «Теплогазоснабжения и вентиляции», осуществляющий постановку задачи моделирования лабораторной установки и
сценарии ее реализации, подготовку теоретического материала, заданий и
контрольных вопросов; программист, моделирующий лабораторную установку и художник-дизайнер, разрабатывающий иллюстративный материал и
создающий окончательный дизайн лабораторной работы.
Технология проектирования и построения виртуальной лабораторной работы. Технология состоит из следующих этапов:
1.
Постановка задачи. Здесь определяются цель лабораторной работы,
знания, умения и навыки, которые учащийся должен приобрести в процессе ее выполнения.
2.
Разработка сценария, реализующего процесс выполнения лабораторной
работы.
3.
Разработка теоретического описания явления, которое исследуется в
процессе выполнения лабораторной работы.
4.
Разработка заданий, которые выполняются в процессе проведения лабораторной работы.
5.
Разработка технического задания на программу, реализующую виртуальную лабораторную установку.
6.
Разработка моделей и алгоритмов, описывающих исследуемое явление.
7.
Разработка алгоритма поведения учащегося при работе с виртуальной
лабораторной установкой в процессе выполнения заданий.
8.
Разработка дизайна виртуальной лабораторной установки.
9.
Программирование разработанных алгоритмов на языке Delphi.
10.
Отладка разработанных программ.
11.
Альфа-тестирование разработанных программ.
12.
Бета-тестирование
разработанных
программ
преподавателем-
методистом.
13.
Корректировка программного обеспечения по результатам бетатестирования.
23
14.
Разработка графических иллюстративных материалов.
15.
Разработка дизайна лабораторной работы.
16.
Разработка модели описания виртуальной лабораторной работы.
17.
Сборка лабораторной работы в соответствии с моделью.
18.
Оптимизация работы программного обеспечения.
19.
Тестирование лабораторной работы и доработка по результатам тестирования.
20.
Разработка документации.
21.
Опытная эксплуатация и доработка лабораторной работы по ее результатам.
В табл. 2.1 приведен состав и функциональное назначение программного
обеспечения, использующегося в процессе создания виртуального лабораторного практикума.
Таблица 2.1 – Программное обеспечение для создания модели
№
п/п
Программа
Назначение
1
MS Word
Разработка текстовых документов
2
MathType
Разработка формул
3
Adobe Photoshop
Разработка графических иллюстраций
4
3D max
Библиотека трехмерной графики OPENGL
5
Delphi
Разработка, отладка и тестирование программы
2.3 Постановка задачи моделирования
В работе ставится задача по разработке комплекса виртуальных лабораторных работ по газоснабжению на основе реально действующих лабораторных стендов.
24
В ходе выполнения лабораторных работ учащиеся получат основные
знания, умения и навыки, необходимые для усвоения дисциплины «Газоснабжение», по таким направлениям, как:
 виды потребления газа;
 теоретические основы сжигания газа;
 бытовое газовое оборудование;

повышение эффективности использования газа,
что соответствует требованиям дисциплины СД.12 «Газоснабжение».
2.4 Разработка сценария выполнения лабораторной работы
Сценарий выполнения виртуальной лабораторной работы разработан в
соответствии с установленным порядком выполнения работы по [13]:
1. Взвесить пустой сосуд.
2. В сосуд налить воду, взвесить сосуд с водой и определить массу воды
Мв и ее начальную температуру tн с помощью термометра, вставленного в
крышку сосуда. Объем воды в сосуде должен быть достаточным, чтобы
термометр оказался погруженным в воду.
3. В течение 10 мин сжигать газ, включив горелку и следя за тем, чтобы
движение стрелки газовых часов было равномерным, а давление газа установилось.
4. Через 10 мин поставить сосуд на плиту, замечая время и показание газовых часов.
5. При достижении температуры воды 95С горелку выключить, записать показания газовых часов и секундомера.
6. Полученные данные записать и обработать по установленной форме
(см. табл. 2 [13]).
7. Опыт провести не менее 2-х раз и усреднить полученные значения.
25
2.5 Разработка теоретического описания явления, которое исследуется в процессе выполнения лабораторной работы
А. Описание экспериментального комплекса.
На кафедре «Теплогазоснабжения и вентиляции» для проведения лабораторных и практических работ по дисциплинам «Газоснабжение» и «Теплогенерирующие установки» разработаны следующие лабораторные стенды:
 измерение расхода газа барабанным газовым счетчиком и реометром;
 определение КПД бытовой газовой плиты;
 исследование эффективности работы газовых сопел.
На рис.2.2 представлен общий вид лабораторного стенда, переназначенного для исследования КПД бытовых газовых плит.
4
6
5
2
7
1
3
8
1 – плита газовая «Брест»; 2 – зонт вытяжной вентиляции; 3 – мойка;
4 – газовый баллон; 5 – лабораторные весы; 6 – газовый барабанный счетчик; 7 – манометр; 8 – исследуемые сопла.
Рис.2.2 – Лабораторный стенд «Определение КПД бытовой газовой
плиты»
Более детальное представление оборудования стенда дано на рис.2.3.
Лабораторная установка обеспечена полнофункциональной системой кон26
трольно-измерительного оборудования, предназначенного для мониторинга и
фиксирования изменения параметров газовой среды и масс воды. На рис.2.4
показан лабораторный стенд для проведения исследований эффективности
газовых сопел.
1
2
3
4
5
2
1
3
4
1 – газовый баллон; 2 – манометр;
1 – ресивер; 2 – пылесос
3 – барабанный газовый счетчик; 4 –
ETA0405; 3 – газовый счетчик
реометр; 5 – лабораторные весы
СГК-4; 4 – контрольный манометр
Рис.2.3
–
Лабораторный
стенд
Рис.2.4 – Лабораторный стенд
«Измерение расхода газа барабанным га-
«Исследование
эффективно-
зовым счетчиком и реометром»
сти газовых сопел»
На рис.2.5 – 2.6 представлены фотографии выполнения замеров параметров газовой среды во время проведения лабораторных работ.
Далее в табл.2.2 – 2.8 приведены технические характеристики основного оборудования, применяемого для лабораторных стендов.
27
Рис.2.5 – Выполнение замеров
Рис.2.6 – Выполнение замеров пара-
начальной температуры воды в
метров газовой среды
нагреваемой емкости
Таблица 2.2 – Технические характеристики газовой плиты БРЕСТ 14110-03
№
Параметр
п\п
1 Марка
2 Габариты
3 Количество конфорок
Максимальная температура
4
духовки
Значение
14110-03
85х50х52,4
4 шт
290°С
5
Топливо
6
Дополнительная характеристика
природный или сжиженный газ
газовая духовка,
газ-контроль духовки
Таблица 2.3 – Технические характеристики баллона газового Р150 П
№
Параметр
п\п
1
Объем баллона
Значение
40 л
2
Масса баллона
80 кг
3
Наружный диаметр
219,0 мм
4
Рабочее давлением
150 кгс/см2
5
Пробное давление
225 кгс/см2
28
Таблица 2.4 – Технические характеристики барабанного газового счетчика ГСБ-400
№ п\п
Параметр
Значение
Верхний предел измерения роликового ме-
1
до 999999 дм3
ханизма
2
Цена деления
1дм3
3
Номинальный расход газа
4
Пределы измерения
5
Объем измерительной камеры
6
Порог чувствительности
7
Габаритные размеры
370х295х315 мм.
8
Масса без жидкости
6,6 кг.
0,4м3/час
0,02...0,6м3/ч
5дм3
1% от ном. расхода
Таблица 2.5 – Технические характеристики газового счетчика СГК-4
Таблица 2.6 – Технические характеристики весов лабораторных ВЛА200г-М
№
Параметр
п\п
Значение
1
Наибольший предел взвешивания
200 г.
2
Цена деления шкалы
1 мг.
3
Поверочная цена деления.
0,5 мг
4
Диапазон взвешивания по шкале
0..100 мг.
5
Погрешность взвешивания по шкале
±0,15 мг.
6
Погрешность от неравноплечести коромысла,
1 мг.
не более
7
Допускаемая погрешность взвешивания
до 25 г
±0,25 мг.
29
Продолжение табл. 2.6
№
Параметр
Значение
от 25 до 100 г
±0,5 мг.
от 100 до 200 г
±0,75 мг.
Диапазон взвешивания с помощью гиревого
100..900 мг.
п\п
8
механизма
9
Габаритные размеры, не более
10
Масса весов, не более
405х310х415
12 кг.
Б. Описания физического явления.
Описание физического явления следует производить в соответствии с
принципом работы лабораторной установки, описанной в [13].
Для испытания газовой плиты служит лабораторная установка, изображенная на рис. 2.7, состоящая из газовой плиты, газовых часов и манометра.
В лаборатории кафедры используется сжиженный газ, основными компонентами которого являются пропан С3Н8 и бутан С4Н10 с небольшими примесями этана С2Н6 и пентана С5 Н12. Теплота сгорания газа рассчитывается в
зависимости от его состава, определенного методом хроматографии, заранее
согласно [13].
Целью работы является определение теплопроизводительности и КПД
горелок газовой плиты. Теплопроизводительностью горелки Q называется
количество теплоты, выделяющееся в единицу времени при работе горелки:
Q ñí V í
Q
, кВт,
3600
(1)
где Q сн – низшая теплота сгорания сухого газа при нормальных условиях, кДж/м3;
30
Vн - расход газа, поступающего в горелку, взятый при нормальных условиях, м3/ч.
К.п.д. горелки называется отношение полезно использованной теплоты к
затраченной [1]:
=
(2)
Qïîë
 100 ,%,
Q çàòð
В общем случае
 
Qíñ   ri Qíñ i , кДж/м3,
(3)
где ri – объемная доля i–го компонента в газовой смеси;
Q 
ñ
í i
- теплота сгорания i–го компонента, кДж/м3.
Значения Q ñí различных компонентов газовой смеси даны в табл. 2.7.
Таблица 2.7 - Теплота сгорания компонентов газовой смеси
Газ
Теплота сгорания,
МДж/м3
Метан С Н4
35,840
Этан С2 Н6
63,730
Пропан С3 Н8
93,370
Н-Бутан С4 Н10
123,770
Изобутан С4 Н10
121,840
Пентан С5 Н12
146,340
Для определения теплопроизводительности горелки определяют объем
сгоревшего газа V, м3, за время , мин. Часовой расход газа в этом случае
определяется как
V1 
60  V

, м3/ч
(4)
31
1 – газовая плита; 2 – газопровод; 3 – газовый кран; 4 газовые часы; 5 –
манометр
Рис.2.7 – Схема лабораторной установки
Найденный расход следует привести к нормальным условиям, воспользовавшись уравнением Клапейрона [1]:
pV=RT,
(5)
откуда
Pí Ví P1 V1

,
Tí
T1
где
(6)
Рн = 101,3 кПа;
Тн= 273 К;
Р1 – абсолютное давление газа, кПа;
Т1 – абсолютная температура газа, К.
32
Абсолютное давление определяется как:
Р1 = Ри + Рб , кПа ,
(7)
где Ри – избыточное давление газа, измеренное с помощью манометра,
кПа;
Рб – барометрическое давление, кПа.
Абсолютная температура равна
Т1 = tг + 273, К,
(8)
где tг – температура газа, С.
Поскольку в лаборатории используется сжиженный газ, который поступает из газобаллонной установки, размещенной снаружи здания, можно
считать его температуру примерно равной температуре наружного воздуха.
Определение теплопроизводительности горелки и ее КПД выполняют
следующим образом [14]. На горелку ставят сосуд с водой, нагревая ее до
95С. Количество теплоты, использованной полезно, находят как
Qпол =Qв +Qс +Qотд, кДж,
(9)
где Qв - теплота, пошедшая на нагрев воды, кДж;
Qс - теплота, пошедшая на нагрев сосуда, кДж;
Qотд - теплота, отданная сосудом в окружающую среду, кДж.
Qв = cв  Mв  (tк – tн), кДж,
(10)
где cв - теплоемкость воды, кДж/(кгК)
Mв - масса воды, кг;
tк , tн - соответственно конечная и начальная температура воды, С.
33
Qс = cс  Mс  ( tс’ – tс’’ ), кДж,
(11)
где cс - теплоемкость сосуда (для алюминия с = 0,91 кДж/(кгК));
tс’, tс’’ - соответственно конечная и начальная температура сосуда, принимаемая равной начальной и конечной температуре воды, С;
Mс - масса сосуда, кг.
Qотд складывается в общем случае из лучистой и конвективной составляющих:
Qотд = Qл + Qк , кДж,
(12)
но, поскольку стенки сосуда омываются продуктами горения газа, Qк не
учитывают, и
Qотд = Qл, кДж;
 T1  4  T2  4 
Q ë    Ñ î  F  
 
     60 , кДж,
 100   100  
(13)
(14)
где - степень черноты стенок сосуда; для алюминиевого сосуда = 0,22;
С0- коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; С0=5,710-3
кВт/(м2 К4);
F- поверхность теплообмена, м2;
T1 , T2- температура, соответственно, сосуда и окружающей среды, К;
T1 
t c  t c
 273 , К,
2
(15)
где  - время опыта, мин.
Затраченная теплота находится как
34
Qзатр = Qнс  Vг , кДж,
(16)
где Vг – объем газа, израсходованного за время опыта, приведенный к
нормальным условиям, м3.
2.6 Разработка заданий, для выполнения лабораторной работы
Технологическая карта лабораторно-практической работы содержит:
1) тему из программы по дисциплине «Газоснабжение»;
2) цель лабораторной работы;
3) краткие теоретические положения и понятия;
4) порядок выполнения, краткое описание приемов деятельности учащихся, формы представления результатов;
5) выводы по работе;
6) контрольные вопросы или задания.
35
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА
3.1 Разработка алгоритма поведения учащегося при работе с виртуальной лабораторной установкой в процессе выполнения заданий
Виртуальные лабораторные работы выполнены в среде программирования Delphi с применением графического редактора 3D Studio MAX, который является радикально новым подходом к трехмерному моделированию и
визуализации. Возможности синтеза этих двух пакетов позволяют создавать
на экране монитора образы объектов экспериментов, измерительных приборов, идентичные реальным физическим устройствам.
Алгоритм работы виртуального лабораторного стенда моделирует поведение и процессы в реальных устройствах. В целом визуальное восприятие
виртуальной лабораторной работы идентично восприятию реальной лабораторной работы на физическом оборудовании.
Программа позволяет получить экспериментальные данные, не прибегая к натуральному физическому опыту. Пользовательская среда программы
имитирует реальную лабораторию, оборудование и газоиспользующие установки. Все необходимые расчеты, согласно целям и задачам той или иной лабораторной работы, студенты делают самостоятельно, пользуясь соответствующими методическими указаниями к выполнению лабораторных работ
по газоснабжению.
Работа студентов происходит в том же порядке, что и при выполнении
работ в учебной лаборатории кафедры на физических моделях:
1) изучение методических указаний к проведению лабораторных работ;
2) аудиторное закрепление теоретических аспектов, основных положений
и последовательности проведения лабораторных работ;
3) изучение и закрепление принципов техники безопасности работы с газораспределительными установками;
36
4) получение индивидуального задания и работа с виртуальным лабораторным комплексом;
5) анализ результатов экспериментальных данных;
6) составление отчета по лабораторным работам.
3.2 Интерфейс программы
Программа имеет простой, интуитивно понятный внешний вид. При
запуске программы открывается окно выбора лабораторной работы, представленное на рис. 3.1.
Рис.3.1. - Главное меню выбора лабораторных работ
Лицевая панель имитирует панель реального стенда и содержит несколько лабораторных работ.
Предусмотрено несколько режимов проведения работ:
1) ознакомление с лабораторным комплексом;
2) выполнение лабораторной работы.
Режим «ознакомление».
При наведении курсора на любое оборудование, происходит его увеличенное изображение и описание (см.рис.3.2). Справа располагается панель
«Протокол испытаний». В нее во время опыта заносятся результаты. В ниж37
ней части окна даются подсказки по проведению опыта, а также диалоговые
окна для ввода данных. В верхней части окна находятся три выпадающих
меню: Работа, Справка, Выход.
Рис.3.2. – Режим ознакомления с лабораторной работой
В меню Работа находятся пункты: Выполнение – для перехода в режим
«Выполнение лабораторной работы»; Сохранить результаты - для сохранения результатов опыта.
В меню Справка находятся пункты: Порядок выполнения – для представления порядка выполнения лабораторной работы; О программе – общая
информация о программе.
В меню Выход находятся пункты: Главное меню – для перехода в меню
выбора лабораторной работы; Выход – нажмите ее, чтобы выйти из программы.
Режим «выполнение лабораторной работы».
38
При выполнении работ в Протоколе испытаний фиксируются исходные данные, выбираемые компьютером из 500 различных вариантов, заложенных в базе данных, а также заносятся значения оперируемых параметров.
Вероятность совпадения начальных параметров у студентов группы мала.
Рис.3.3. – Режим выполнения лабораторной работой
В нижнем правом углу рабочего окна активируется приборная панель, на
которой отражаются циферблаты контрольно-измерительных приборов: весов,
манометра, секундомера, расходомера газа, ртутного термометра.
Оперируя только мышью, студент может менять режимы работы оборудования и пределы измерения приборов, т.е. выполнять все те же операции, что
и на физическом лабораторном оборудовании.
Методическая разработка вариантов исходных данных и параметров элементов виртуальной панели обеспечивают разнообразие режимов работы исследуемых устройств, вариантов индивидуальных заданий при выполнении
учебного лабораторного практикума.
39
Органы управления и навигации виртуального практикума позволяют обращаться к методическим указаниям и рекомендациям, которые могут открываться в отдельном окне без потери основного окна.
Анимированные элементы виртуальной лабораторной панели позволяют
управлять виртуальными устройствами с помощью манипулятора «мышь». При
этом не требуется владения специальными прикладными программами. Достаточно лишь элементарных практических навыков пользователя ПК.
По окончании эксперимента будет предложено сохранить результаты в
электронную таблицу MS EXCEL или текстовый файл (см. рис. 3.4).
Рис.3.4. – Фрагмент окна экспорта результатов работы
Таким образом, основные требования, предъявляемые к студентам при
выполнении виртуальной лабораторной работы, не отличаются от тех, которые
предъявляются при работе на физических лабораторных установках.
3.3 Результаты апробации виртуальных лабораторных работ
При организации лабораторных занятий с использованием виртуальных
практикумов студенты выполняли работы индивидуально, либо группой по 2
человека. При этом исключалось дублирование параметров элементов виртуального стенда (каждый студент получал индивидуальный вариант параметров
элементов и режимов работы виртуального стенда).
40
Такая организация работы позволила планировать и выполнять работу в
индивидуальном темпе в соответствии с индивидуальными возможностями
студента, степенью его подготовленности, достигая необходимого результата.
При этом стимулируется персональная ответственность, самостоятельность,
проявляется заинтересованность студентов, обеспечивается поддержка методов
активного обучения, создаются условия для активизации работы студента.
Виртуальный практикум вполне может выполняться студентом как под
руководством преподавателя в аудитории, так и в рамках самостоятельной работы. Части студентов была предоставлена возможность самостоятельного выполнения виртуального практикума вне учебной аудитории (в домашних условиях, наиболее комфортных для них). При этом отчеты по выполненным работам предоставлялись по согласованным индивидуальным графикам, удобным
для студентов.
Он также позволяет использовать его в качестве лекционных демонстраций, без громоздкости и существенных материальных затрат, присущим демонстрационным экспериментам на физических моделях.
Достоинства виртуального практикума способствуют большей эффективности учебного процесса, позволяют сформировать учебно-методический комплекс, отвечающий современным требованиям инновационного образования.
Необходимо отметить, что при выполнении практической части дисциплины не следует ограничиваться виртуальными практикумами. Выполнение
работ на лабораторных стендах с физическими моделями должно быть неотъемлемой частью процесса обучения. Очевидно, что виртуальная лаборатория не
может полностью заменить реальную физическую установку. Тем не менее, при
выполнении компьютерных лабораторных работ у учащихся формируются
определенные навыки, которые им необходимы для постановки реальных физических экспериментов.
Комплексное использование виртуальной лаборатории и физического
эксперимента способствует эффективному процессу формирования практических умений и навыков при обучении специалистов.
41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения научно-методической работы получены следующие
результаты:
 созданы учебно-методические материалы применительно к задачам разработки новых виртуальных лабораторных практикумов для систем высшего и открытого инженерного образования;
 созданы современные программно-инструментальные средства, предназначенные для разработки и проведения виртуальных лабораторных
практикумов в системе открытого инженерного образования;
 разработаны примеры виртуальных лабораторных работ по курсам «Газоснабжение» и «Теплогенерирующие установки» в виде первой версии
виртуальной лаборатории газоснабжения.
В процессе работы проанализированы методы математического моделирования теплоэнергетических систем, разработаны схемы испытаний, математический аппарат для проведения исследований, проведены теоретические и
экспериментальные исследования работы газовой плиты, а также компьютерное
моделирование экспериментальных работ, связанных с испытанием таких плит.
Применимость результатов работы – создание базового инструментария
для дистанционного и открытого инженерного образования. В настоящее время
в РФ и в странах СНГ не существует аналогов данной разработке. Может быть
альтернативой программно-инструментальной среде LabView в части компьютерной имитации контрольно-измерительной и управляющей аппаратуры при
создании виртуальных лабораторных стендов и аналитических тренажеров.
Результаты работы опубликованы в 4-х научных статьях [7 - 10], докладывались и обсуждались на VII всероссийской научно – технической конференции
«Вузовская наука – региону», г. Вологда, IV и V международной научнотехнической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования», г. Вологда, IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», г. Казань.
42
ЛИТЕРАТУРА
1 Ионин, А. А. Газоснабжение / А. А. Ионин. – М.: Стройиздат, 1989.
2 СНиП 42-01-2002. Газораспределительные системы. – М.: Госстрой
России. ГУП ЦПП, 2003.
3 СНиП 2.04.08-87*. Газоснабжение / Госстрой СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988.
4 ГОСТ 10798-85. Плиты газовые бытовые. Общие технические условия /
5 Стаскевич, Н. Л. Справочник по газоснабжению и использованию газа /
Н. Л. Стаскевич, Г. Н. Северинец, Д. Я. Вигдорчик. – Л.: Недра, 1990.
6 Кязимов, К. Г. Основы газового хозяйства / К. Г. Кязимов, В. Е. Гусев.
– М.: Высшая школа, 2000.
7 Кязимов, К. Г. Справочник газовика: справ. пособие. – М.: Высшая
школа, 2000.
8 Кечиев, Л.Н., Путилов, Г.П., Тумковский, С. Р. Подготовка учебных
материалов для включения в состав информационно-образовательной
среды. - М., МГИЭМ, 1999. – 34 с.
9 Орлов, М.Е. Бытовые газовые приборы: Методические указания к лабораторным и практическим занятиям / М. Е. Орлов. – Ульяновск: УлГТУ, 2004. – 32 с.
10 Тимошенко, П.О. К разработке виртуального лабораторного стенда
«Изучение процессов теплопередачи в условиях свободной конвекции»
/ А.А. Синицын, П.О. Тимошенко / Вузовская наука – региону: Материалы седьмой всероссийской научно – технической конференции. В
2–х т. – Вологда: ВоГТУ, 2009. – Т. 1. – С. 162 – 163.
11 Тимошенко, П.О. Разработка виртуальной модели процессов теплопереноса в цилиндрической трубе в условиях свободной конвекции /
А.А. Синицын, П.О. Тимошенко // Материалы докладов IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» /
43
Под. общ. ред. д-ра физ-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т.2.
– Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2009. – С.217 – 218.
12 Тимошенко, П.О. Исследование возможности создания виртуальной
лабораторной базы / А.А. Синицын, И.А. Суханов, П.О. Тимошенко //
Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования:
материалы четвертой международной научно-технической конференции. Т.2. – Вологда: ВоГТУ, 2008. – С.131 – 134.
13 Сыцянко, Е.В. Газоснабжение: Методические указания к лабораторным
работам. - Вологда.: ВоГТУ, 2003.-30 с.
14 Озельский, Э.Х. Лабораторный практикум по теплоснабжению и вентиляции/ Э.Х. Озельский, О.А. Мухин. – Минск: Вышэйшая школа,
1973. – 208с.
44