“Розрахунок зміни кількості теплоти, яка передається крізь поверхню теплообміну при появі відкладень за допомогою електронної таблиці MS EXCEL”
ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД
«КИЇВСЬКИЙ ЕНЕРГЕТИЧНИЙ КОЛЕДЖ»
ЗАТВЕРДЖУЮ
Заступник директора
з навчальноЇ роботи
_______________Т.І.Свириденко
“_______”______________2019р.
МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ
для проведення інтегрованого практичного заняття
з дисциплін:
«Теплові електричні станції» та
«Комп’ютерні технології в енергетиці »
для спеціальності 144
“Теплоенергетика”
ТЕМА: “Розрахунок зміни кількості теплоти, яка передається крізь поверхню теплообміну при появі відкладень за допомогою електронної таблиці MS EXCEL”
Розроблено: викладач Томашевська О.М. _________________
викладач Сорока Є.М. _________________
Розглянуто і схвалено Розглянуто і схвалено
на засіданні ЦПК №2 на засіданні ЦПК №3
природничо-математичних спецдисциплін
дисциплін
“____”________2019р., протокол №____ “____”________2019р., протокол №____
Голова комісії __________ Л.М.Костенко Голова комісії __________Л.О. Подушко
2019
Інтегрований урок – практичне заняття
з дисциплін: «Основи енергозбереження» та «Комп’ютерні технології в енергетиці»
Тема: Розрахунок зміни кількості теплоти, яка передається крізь поверхню теплообміну при появі відкладень за допомогою електронної таблиці MS EXCEL
Завдання практичного заняття (Основи енергозбереження):
Відпрацювання практичних навиків розрахунку кількості теплоти крізь поверхню теплообміну при утворенні накипу і без неї на прикладі регенеративного підігрівника поверхневого типу.
Завдання практичного заняття (Комп’ютерні технології в енергетиці):
Відпрацювання практичних навиків запуску прикладної програми Microsoft Excel, введення даних в електронні таблиці, виконання елементарних обчислень, опрацювання табличної інформації за допомогою математичних та логічних функцій.
Тип практичного заняття:
засвоєння і використання знань, умінь і навиків.
Матеріальне забезпечення:
- комп’ютери с ОС MS Windows ;
- електронна таблиця MS EXCEL;
План практичного заняття:
- Організаційний момент.
- Перевірка теоретичних знань по темі.
- Розв’язування розрахункових завдань без використання ПК.
- Розв’язування розрахункових завдань з використанням ПК.
- Підведення підсумків.
Хід виконання практичного заняття :
1.Організаційний момент.
2.Перевірка теоретичних знань по темі.
Теплообмінними апаратами називаються пристрої, які призначені для передачі теплоти від більш нагрітого теплоносія до менш нагрітого теплоносія. За способом передачі теплоти розрізняють змішувальні і поверхневі теплообмінники. В змішувальних відбувається безпосередній контакт між гарячим і холодним теплоносіями, тому вони більш енергоефективні. В поверхневих підігрівниках – теплообмін через стінку. При появі відкладень на внутрішніх стінках трубок теплообмін погіршується і енергетична ефективність апарату суттєво знижується.
Тепловий розрахунок теплообмінного апарату, в тому числі і ПНТ (рисунок 1.1), може бути проектним, метою якого являється визначення поверхні теплообміну, і перевірним, в результаті якого при відомій поверхні нагріву визначається кількість теплоти, яка передається та кінцеві температури теплоносіїв.
В обох випадках застосовують основне рівняння теплопередачі для циліндричної стінки:
Q1= k1 Lt, Q2= k2 Lt ,
де Q – Кількість теплоти, яка передається від одного теплоносія до другого, Вт; k-коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2К); L – довжина трубки ,м; t- середній логарифмічний температурний напір,0С.
Коефіцієнт теплопередачі визначається за формулою: kl=
, ,
де - 1-коефіцієнт тепловіддачі від гріючого середовища до стінки трубки, Вт/(м2К); 2-коефіцієнт тепловіддачі від стінки до нагріваємого середовища , Вт/(м2К); d2/d1 –відповідно зовнішній та внутрішній діаметр трубок ,м; 1 - теплопровідність стінки трубки, Вт/(мК)
В процесі експлуатації на внутрішніх поверхнях трубок регенеративних підігрівників можуть з’явитися відкладення у вигляді накипу, що приведе до погіршення процесу теплообміну. Тоді формула, за якою визначається коефіцієнт теплопередачі, має вигляд: k2=
,
де d3 – діаметр трубки з урахуванням накипу,м; 2- теплопровідність накипу,Вт/(мК).
d3= d2+2*н, де н-товщина шару накипу,мм
Середній логарифмічний температурний напір простішого теплообмінника визначається за формулою:
t=
,
де tб=tн-tввх 0С; tм=tн-tввих 0С,
tн-температура насичення гріючої пари,0С; tввх-температура води на вході у підігрівник, 0С; tввих- температура води на виході з підігрівника 0С(рисунок 1.2)
Рисунок 1.1-Поверхневий ПНТ вертикального типу:водяна камера;2-трубна дошка;3-трубна система;4–патрубок підводу граючої пари;5-каркас трубної системи;6– корпус;7 – перегородка трубної системи
Рисунок 1.2 – Схематичне зображення ПНТ
3. Розв’язування розрахункових завдань без використання ПК:
1.Розглядання конструкції підігрівника поверхневого типу.
2.Розрахунок коефіцієнту теплопередачі для теплообмінника без урахування накипу на внутрішніх поверхнях трубок.
3.Розрахунок коефіцієнту теплопередачі з урахуванням накипу на внутрішніх поверхнях трубок.
4.Розрахунок середнього логарифмічного температурного напору підігрівника.
5.Розрахунок кількість теплоти, яка передається від пари до води у підігрівнику в обох випадках.
6.Визначити зміну кількості теплоти в результаті розрахунків.
7.Зробити висновок.
8.Відповісти на контрольні запитання.
Початкові дані
Таблиця 1
|
№ варіанту |
L,м |
2, Вт/(м2К) |
1, Вт/(м2К) |
d2/d1,мм |
н,м |
1, Вт/(мК) |
2, Вт/(мК) |
tн, 0С |
tввх, 0С |
tввих, 0С |
|
І |
10 |
1200 |
4000 |
30/28 |
0,5*10-3 |
50 |
0,5 |
164 |
148 |
160 |
|
ІІ |
12 |
2000 |
4825 |
28/26 |
0,6*10-3 |
50 |
1,0 |
151 |
135 |
147 |
|
ІІІ |
15 |
1163 |
4500 |
32/29 |
0,7*10-3 |
50 |
1,5 |
145 |
129 |
141 |
|
ІV |
14 |
1250 |
4230 |
29/26 |
0,4*10-3 |
50 |
2,0 |
136 |
118 |
132 |
4. Розв’язування розрахункових завдань з використання ПК
Теоретичні відомості
MS Excel належить до програмних продуктів, які загалом звуться електронні таблиці. Електронна таблиця — це інтерактивна програма, що складається з набору рядків і стовпців, зображених на екрані в спеціальному вікні. Ділянка, що перебуває на перетинанні рядка й стовпця, називається коміркою. В комірці можуть перебувати число, текст або формула, за допомогою якої здійснюють обчислення, що відносяться до однієї або декількох комірок. Комірку можна копіювати, переміщати, змінювати її розмір, форматувати, а також редагувати відображувану в них інформацію. При зміні вмісту комірки відбувається автоматичне перерахування вмісту всіх комірок, що використовують у формулах значення зміненої комірки.
Формулою в MS Excel називається вираз, що починається зі знака рівності. Формули можна копіювати, переміщати та видаляти. У формулах використовуються математичні операції, операції порівняння, конкатенації (злиття) рядків, адреси комірок або діапазонів, строкові константи, а також вбудовані й користувальницькі функції. Якщо ввести формулу в комірку, то в цій комірці на робочому листі відображається результат розрахунку по формулі. При виборі комірки текст формули видний у рядку формул.
У рядку редагування формули є три кнопки: щиглик по [v] підтверджує внесені у формулу зміни, по [x] – скасовує, а кнопка [fx] дозволяє вставити функцію MS Excel. Вставка у формулу пробілів і розривів рядка не впливає на результат обчислень, однак не можна відокремлювати ім'я книги від імені листа й комірки. Розрив рядка вводиться комбінацією <Alt+Enter>. Для того, щоб видалити з комірки формулу, залишивши тільки повернуте їй значення, потрібно вибрати комірку, а потім послідовно натиснути <F2>, <F9> та <Enter>.
У формулах припустимі наступні операції:
+ Додавання
- Вирахування або знак мінус
* Множення
/ Ділення
^ Зведення в ступінь
& Конкатенація (тобто зчеплення рядків)
= Логічне порівняння: дорівнює
< Логічне порівняння: більше ніж
> Логічне порівняння: менше ніж
<> Логічне порівняння: не дорівнює
>= Логічне порівняння: не менше ніж
<= Логічне порівняння: не більше ніж
Наведемо приклади формул робочого листа й виконувані формулами дії:
=3*2 Множить три на два
=А1+А2 Складає вміст комірок A1 й А2
= А2^2/3 Зводить вміст комірки А2 у ступінь 2/3
=СУММ(А1:А4) Повертає суму значень із діапазону комірок А1:А4
(використовується вбудована функція СУММ).
=А1>А2 Повертає значення ИСТИНА, якщо вміст комірки А1 більше вмісту комірки А2, і повертає ЛОЖЬ в противному випадку
=Al&B1 Конкатенація (з'єднання) двох текстових рядків з комірок А1 й В1 (якщо в комірці A1 введене – Иван, а в B1 – Сидоров, то формула поверне значення ИванСидоров).
За допомогою круглих дужок можна змінити у формулах звичайний порядок виконання операцій. При введенні у формулу посилання на комірку або діапазон переважніше не набирати це посилання із клавіатури, а вибрати мишею або шукану комірку, або діапазон. Посилання на обрану комірку або діапазон буде вставлене у формулу автоматично.
Використання майстра функцій
Введення формул в комірку можна робити або із клавіатури, або за допомогою діалогового вікна Мастер функций, що відображається або вибором команди Вставка -> Функция, або натисканням кнопки Вставка функции на панелі інструментів Стандартная. Майстер функцій містить список всіх функцій робочого листа, довідки по їхньому синтаксису та застосуванню.
Вбудовані функції
В Excel вбудовано велику кількість різних функцій, які полегшують виконання обчислень на робочому листі. Звертання до функції завжди складається з імені функції, круглих дужок і, як правило, арґументів функцій. Для більшості функцій необхідно задавати арґументи. Арґументи беруться в круглі дужки. Окремі арґументи слід розділяти крапкою з комою. Якщо для функції не потрібно вказувати арґументи, круглі дужки все рівно повинні бути введені. Функцію можна ввести звичайним шляхом, як і будь-який вміст комірки – з клавіатури. Регістр при введенні функції не враховується. Excel автоматично запише ім’я функції великими літерами. Для вставки функції Excel дозволяє користуватися майстром функцій.
Майстер функцій буде автоматично запущений після вибору команди Вставка->Функция. Майстер функцій послідовно виводить два діалогових вікна. В першому вибирається функція, в другому задаються арґументи. Якщо в комірку ввести знак “дорівнює” чи натиснути кнопку з цим знаком в рядку формул, то в полі імен з’явиться кнопка з іменем функції, яка використовувалась останньою. Поряд з цією кнопкою міститься кнопка зі стрілкою вниз, натиснувши яку можна розгорнути список функцій, які використовувались раніше. Якщо клацнути в цьому списку на деякій функції (або на кнопці з іменем функції, не розгортаючи список), то майстер розкриє для неї вікно вибору параметрів. Якщо необхідна функція в списку відсутня, слід клацнути на елементі Другие функции. Майстер функцій розкриє перше зі своїх вікон і надасть вам можливість вибору з повного списку доступних функцій.
В Excel вбудовано фінансові, математичні функції, функції дати та часу, статистичні, функції посилання і масиву, функції списку, текстові функції, логічні, інформаційні, технічні функції.
Розглянемо функцію ЕСЛИ, яка відноситься до логічних функцій.
Всі логічні функції, за винятком функції ЕСЛИ, повертають логічне значенння (true або false – правда або неправда).
ЕСЛИ(логічний вираз;значення, якщо true;значення, якщо false)
Функція ЕСЛИ повертає перше значення, якщо логічний вираз при обчисленні дає значення true і друге значення, якщо false.
Функція ЕСЛИ використовується для перевірки значень формул і організації переходів в залежності від результатів цієї перевірки. Результат перевірки визначає значення, яке повертає функція ЕСЛИ.
Рекомендації до виконання завдання:
Його виконання краще розбити на два етапи:
1-й етап. Створення таблиці.
Основна задача вмістити таблицю по ширині сторінки. Для цього:
- встановить поля, розмір і орієнтацію паперу (Файл → Параметры страницы…);
- виконавши команду Сервис → Параметры..., у групі перемикачів Параметры окна активізуйте перемикач Авторазбивка на страницы.
У результаті ви одержите у вигляді вертикальної і горизонтальної пунктирних ліній праву і нижню границі.
Авторозбивка на сторінки дозволяє вже в процесі набору даних і форматування таблиці стежити за тим, які стовпці містяться на сторінці, а які ні.
Створіть таблицю по запропонованому зразку з таким же числом рядків і стовпців.
- Вирівняйте і відформатуйте шрифт заголовків (Times New Roman, 14, жирний) та підберіть ширину стовпців, змінюючи її за допомогою миші.
- Уведіть нумерацію в першому стовпці таблиці, скориставшись допомогою маркера заповнення.
- Розлінуйте таблицю, використовуючи лінії різної товщини.
- Встановіть для рядка з заголовками колір для комірок та шрифту на ваш вибір.
На цьому етапі бажано виконати команду Файл → Предварительный просмотр, щоб переконатися, що таблиця цілком уміщається на сторінці по ширині і всі лінії обрамлення на потрібному місці.
2-й етап. Заповнення таблиці.
Полягає в заповненні таблиці, і використанні різних форматів числа.
- Заповніть стовпці "Найменування величини", "Позначення величини " і "Одиниці" по запропонованому зразку, при заповненні стовпчиків 2 та 3 використовуйте вставку символів Вставка – Символ і встановлення верхніх і нижніх індексів Формат – Ячейки – Шрифт.
- Установіть числовий формат числа в тих комірках таблиці, де будуть розміщені числа і розрахункові формули й установіть необхідне число десяткових знаків - 2. Для цього виконайте команду Формат → Ячейки...(перемикач Число).
- Заповніть стовпчик "Числові значення - початкові дані" відповідно до свого варіанту (Таблиця 1) Початкові дані.
- Уведіть формули для розрахунків по запропонованому зразку згідно з теоретичними даними до практичної роботи:
1)розрахунок коефіцієнту теплопередачі для теплообмінника без урахування накипу на внутрішніх поверхнях трубок:
kl=
,
2)розрахунок коефіцієнту теплопередачі з урахуванням накипу на внутрішніх поверхнях трубок:
k2=,
де d3 – діаметр трубки з урахуванням накипу,м; 2- теплопровідність накипу,Вт/(мК).
d3= d2+2*н, де н-товщина шару накипу,мм
3)розрахунок середнього логарифмічного температурного напору підігрівника:
t=,
де tб=tн-tввх 0С; tм=tн-tввих 0С,tн-температура насичення гріючої пари,0С; tввх-температура води на вході у підігрівник, 0С; tввих- температура води на виході з підігрівника 0С
4)розрахунок кількість теплоти, яка передається від пари до води у підігрівнику в обох випадках:
Q1= k1 Lt, Q2= k2 Lt ,
5)визначити зміну кількості теплоти в результаті розрахунків:
Q= Q1- Q2
6)Використовуючи логічну функцію ЕСЛИ зробіть висновок, якщо Q1 > Q2, то теплообмін без накипу кращий в іншому випадку теплообмін з накипом гірший.
Наберіть необхідний текст до і після таблиці. Стежте за вирівнюванням.
Виконаєте попередній перегляд документу.
5. Підведення підсумків.
Контрольні запитання
1. Призначення теплообмінних апаратів.
2. Якого типу бувають теплообмінні апарати?
- Які теплообмінні апарати використовуються на ТЕС?
- Які бувають розрахунки теплообмінників?
- Що таке проектний розрахунок теплообмінного апарату?
- Що таке перевірний розрахунок теплообмінного апарату?
- Основне рівняння теплопередачі і його складові.
- Від чого залежить коефіцієнт теплопередачі?
- Як розраховується середній логарифмічний температурний напір у підігрівнику?
- Як відкладення накипу впливають енергоефективність теплообмінника?
Зразок виконання розрахунку зміни кількості теплоти, яка передається крізь поверхню теплообміну при появі відкладень за допомогою електронної таблиці MS EXCEL
|
(Зразок виконання розрахункової практичної роботи РЕЖИМ ФОРМУЛ) Розрахунок зміни кількості теплоти, яка передається крізь поверхню теплообміну при появі відкладень за допомогою електронної таблиці MS EXCEL |
|||
|
Найменування величини |
Позначення величини |
Одиниця |
Числове значення |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Початкові дані |
|||
|
довжина трубки |
L |
м |
10 |
|
коефіцієнт тепловіддачі від гріючого середовища до стінки трубки, |
α1 |
Вт/(м2К) |
4000 |
|
коефіцієнт тепловіддачі від стінки до нагріваємого середовища |
α2 |
Вт/(м2К) |
1200 |
|
зовнішній діаметр трубки |
d2 |
М |
0,03 |
|
внутрішній діаметр трубки |
d1 |
М |
0,028 |
|
теплопровідність стінки трубки |
λ1 |
Вт/(мК) |
50 |
|
теплопровідність накипу |
λ2 |
Вт/(мК) |
0,5 |
|
температура насичення гріючої пари |
tн |
0С |
164 |
|
температура води на вході у підігрівник |
tв вх |
0С |
148 |
|
температура води на виході з підігрівника |
tв вих |
0С |
160 |
|
товщина шару накипу |
н |
м |
0,0005 |
|
Результати розрахунку |
|||
|
коефіцієнт теплопередачі для теплообмінника без урахування накипу на внутрішніх поверхнях трубок |
κ1 |
Вт/(м2К) |
=1/(1/(D6*D9)+1/(2*D10)*LN(D8/D9)+1/(D7*D8)) |
|
коефіцієнт теплопередачі для теплообмінника з урахуванням накипу на внутрішніх поверхнях трубок |
κ2 |
Вт/(м2К) |
=1/(1/(D6*D9)+1/(2*D10)*LN(D8/D9)+1/(2*D11)*LN((D7+2*D15)/D8)+1/(D7*(D8+2*D15))) |
|
середній логарифмічний температурний напір підігрівника |
|
0С |
=((D12-D13)-(D12-D14))/LN((D12-D13)/(D12-D14)) |
|
кількість теплоти, яка передається від пари до води у підігрівнику без урахування накипу на внутрішніх поверхнях трубок |
Q1 |
Вт |
=D17*D5*D19*3,14 |
|
кількість теплоти, яка передається від пари до води у підігрівнику з урахування накипу на внутрішніх поверхнях трубок |
Q2 |
Вт |
=D18*D5*D19*3,14 |
|
визначити зміну кількості теплоти в результаті розрахунків |
Q |
Вт |
=D20-D21 |
|
висновок |
|
|
=ЕСЛИ(D20>D21;"теплообмін без накипу кращий";"теплообмін з накипом гірший") |
|
(Зразок виконання розрахункової практичної роботи) Розрахунок зміни кількості теплоти, яка передається крізь поверхню теплообміну при появі відкладень за допомогою електронної таблиці MS EXCEL |
|||
|
Найменування величини |
Позначення величини |
Одиниця |
Числове значення |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Початкові дані |
|||
|
довжина трубки |
L |
м |
10 |
|
коефіцієнт тепловіддачі від гріючого середовища до стінки трубки, |
α1 |
Вт/(м2К) |
4000 |
|
коефіцієнт тепловіддачі від стінки до нагріваємого середовища |
α2 |
Вт/(м2К) |
1200 |
|
зовнішній діаметр трубки |
d2 |
М |
0,03 |
|
внутрішній діаметр трубки |
d1 |
М |
0,028 |
|
теплопровідність стінки трубки |
λ1 |
Вт/(мК) |
50 |
|
теплопровідність накипу |
λ2 |
Вт/(мК) |
0,5 |
|
температура насичення гріючої пари |
tн |
0С |
164 |
|
температура води на вході у підігрівник |
tв вх |
0С |
148 |
|
температура води на виході з підігрівника |
tв вих |
0С |
160 |
|
товщина шару накипу |
н |
м |
0,0005 |
|
Результати розрахунку |
|||
|
коефіцієнт теплопередачі для теплообмінника без урахування накипу на внутрішніх поверхнях трубок |
κ1 |
Вт/(м2К) |
26,74062916 |
|
коефіцієнт теплопередачі для теплообмінника з урахуванням накипу на внутрішніх поверхнях трубок |
κ2 |
Вт/(м2К) |
0,094045634 |
|
середній логарифмічний температурний напір підігрівника |
|
0С |
8,656170245 |
|
кількість теплоти, яка передається від пари до води у підігрівнику без урахування накипу на внутрішніх поверхнях трубок |
Q1 |
Вт |
7 268,20 |
|
кількість теплоти, яка передається від пари до води у підігрівнику з урахування накипу на внутрішніх поверхнях трубок |
Q2 |
Вт |
25,56 |
|
визначити зміну кількості теплоти в результаті розрахунків |
Q |
Вт |
7 242,64 |
|
висновок |
|
|
теплообмін без накипу кращий |
Перелік посилань
1 Теплотехника: Учебник для втузов/А.М.Архаров и др.,:под общ.ред. А.М.Архарова, В.Н.Афанасьева.-2-е изд. Перераб. и доп.-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана,2004.-712 с. : ил.
2 Степанов А.В., Кухар В.П. Достижения энерегетики и защита окружающей среды.- К.: «Наукова думка»,2004.206 с., ил.
3 Промышленная энергетика и теплотехника.: Справочник/ Под общ. ред.чл.-кор. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина 3-е изд., перераб. и доп. –М.: Издательство МЭИ, 2004.-632 с.: ил. – (Теплоэнергетика и теплотехника; кн. 4)
4 Енергетичні ресурси та потоки. – Київ: Українські енциклопедичні знання,2003.-472 с.
5 Стерман Л.С., Шарков А.Т., Тевлин С.А. Тепловые и атомныеэлектростанции. - М.: Энергия,1995.
6 Теплова енергетика. Нові виклики часу. За аг. Ред.. П. Омеляновського,
Й. Мисака.-Львів:НВФ «Українські технології»,2009.
- В.А. Баженов Інформатика. Комп’ютерна техніка. Комп’ютерні технології.
8 О.Ф. Клименко Інформатика та комп’ютерна техніка
1 Укладачі Томашевська О.М., Сорока Є.М. ДВНЗ «Київський енергетичний коледж»
про публікацію авторської розробки
Додати розробку