3. Макетное проектирование

Благодаря наглядности и объемности при макетном способе проектирования быстро и рационально решается задача размещения оборудования и трубопроводов, внутризаводского и цехового транспорта, освещения и вентиляции, пожарной безопасности и охраны труда в производственном помещении.

Макет выполняется в масштабах 1:25, 1:50, 1:100. Сборку макета объекта ведут из пластмассовых кассет­ных элементов здания, типового оборудования, трубо­проводов и др.

При макетном проектировании можно выбрать наиболее целесообразный вариант компоновки оборудова­ния, не прибегая к вычерчиванию всех вариантов на бу­маге. Это экономит время и позволяет глубоко анали­зировать достоинства и недостатки различных вариан­тов размещения оборудования. Фиксацию расположения оборудования осуществляют фотографированием модели, после чего модель разбирают для создания очередного варианта компоновки и монтажа.

В макетных мастерских для более легкого манипули­рования имеются металлические доски с нанесенной на их поверхности сеткой строительных размеров помеще­ния, что позволяет размещение оборудования вести с учетом требований строительных норм и правил. Устой­чивое закрепление кассет на доске достигается магни­тами. Макетирование трубопроводов ведется стальной, медной и алюминиевой проволокой или трубками диа­метром от 2 до 24 мм.

При макетном проектировании сокращается время проектирования, снижается стоимость технического про­екта, уменьшается объем проектной документации, возможны выбор лучшего варианта расположения обору­дования и трассировки трубопроводов и заблаговремен­ная разработка последовательности строительно-монтаж­ных работ, т. е. сокращаются сроки строительства объ­екта.

Наличие макета на строительной площадке позволя­ет уточнять инженерные решения по ходу монтажных работ и избегать ошибок или отклонений от проекта. На макете большого масштаба можно организовать тех­ническое обучение обслуживающего персонала в процес­се строительства объекта и тем самым содействовать быстрейшему пуску и вводу его в эксплуатацию.

4. Основы моделирования и оптимизации тепломассообменных установок

В настоящее время при проектировании объектов и систем для изучения процессов, происходящих в них, применяется метод моделирования. При использовании метода моделирования, объединяющего теоретические и экспериментальные исследования, повышается эффектив­ность проектируемых установок. Применение метода мо­делирования целесообразно в тех случаях, когда затруд­нительно или невозможно дать полное аналитическое ре­шение конкретной задачи, когда возможно создание модели, исследование на которой проще и целесообраз­нее, или ведется такое проектирование, в ходе которого меняются условия (поставленной задачи (например, на­хождение оптимума, сравнение вариантов и т. д.), а это связано с большими затратами времени и ресурсов.

Наибольшее применение в теплотехнических расче­тах и исследованиях нашли следующие методы модели­рования:

- физическое;

- математическое;

- кибернетиче­ское;

Физическое моделирование имеет в основе одина­ковую физическую природу соответственных величин оригинала и модели. При этом, для того чтобы по данным, полученным по мо­дели, судить о поведении объекта в натуре, необходимо предвари­тельно доказать, что натура и модель подобны, подчиняются одним и тем же физическим законам и описываются одинаковыми математическими зависимостями.

Математическое моделирование является мето­дом описания процессов с количественной и качественной сторон с помощью математических моделей. При построении математиче­ской модели реальное явление упрощается — схематизируется, а по­лученная схема описывается в зависимости от сложности явления с помощью математического аппарата.

Кибернетическое моделирование включает в себя как математическое, так и физическое моделирование и характери­зуется большим разнообразием приемов. В основу его положены функциональный и структурный подходы к построению моделей. Средствами математического и кибернетического моделирования являются вычислительные машины и устройства.

Все вычислительные машины можно классифициро­вать по двум основным признакам:

- методу решения за­дач;

- форме представления обрабатываемой информации ;

В зависимости от метода решения задач раз­личают вычислительные машины с аналоговым методом решения (АВМ), с программно-управляемым (ЦВМ), и комбинированным (КВМ), объединяющим оба эти ме­тода. При проектировании и исследовании тепломассооб­менных установок наибольшее применение нашли маши­ны типа ЭВМ и ЦВМ.

До начала решения задачи необходимо оценить необ­ходимость постановки ее решения на машине. По своему содержанию на аналоговых ЭВМ могут решаться зада­чи любого типа: экономические, физические, инженер­ные, промышленные и т. д. Возможности ЭВМ наклады­вают ограничение на тип и способ описания математической модели.

Исходными данными для аналоговой вычислительной машины являются дифференциальные уравнения, описывающие рассматри­ваемый процесс. Для набора дифференциальных уравнений на ана­логовых ЭВМ необходимо провести ряд подготовительные операции: составить структурную схему соединения решающих элементов со­гласно решаемому уравнению, выбрать масштабы представлении пе­ременных величин и времени, рассчитать параметры модели по ко­эффициентам исходных уравнений и выбранным значениям масшта­бов, определить начальные условия и возмущения модели в физи­ческих величинах, которые в АВМ будут представлять исходные переменные задачи.

Структурная схема для набора характеризуется максимальной детализацией: в ней указываются все основные вычислительные элементы, в том числе элементы входных цепей и цепей обратной связи решающих усилителей; в структурной схеме должны быть четко обозначены все основные связи и операционные блоки, участ­вующие в решении задачи.

Масштабы представления переменных выбираются на основании фактических данных об исследуемом процессе с соблюдением усло­вия минимальной погрешности решения задачи. Независимая пере­менная уравнения в аналоговых ЭВМ представляется временем. Масштаб времени выбирается, исходя из постановки задачи и тре­бования наилучших условий работы модели. На аналоговой ЭВМ можно работать в натуральном, укороченном или растянутом мас­штабах времени.

При подготовке уравнений к решению важно помнить, что любая аналоговая ЭВМ производит математические операции не с исходными величинами, входящими в уравнения и описывающими реальную физическую систему, а с электрическими (аналоговыми) величинами, заменяющими исходные величины; такой электрической величиной является напряжение постоянного тока.

Переменные физической системы уравнений могут меняться в широких пределах, а напряжения, представляющие эти перемен­ные, меняются в определенных пределах (например, от -100 до +100 В). Таким образом, возникает необходимость масштабирова­ния исходной физической переменной.

Масштаб физической переменной выбирается следующим образом:

N = U_макс/A_макс,

где U _макс—.максимальное допустимое машиной напряжение, В; A _макс — предполагаемое

максимальное (значение физической переменной)

Далее производятся набор схемы, проверка ее и регистрация решения.

Масштабный усилитель

у=-ах;

U=-(R_o.c/R)U_x,

где α= R_o.c/R - коэффициент передачи масштабного усилителя;

Сумматор

u= -

U_y= -

где α_j=R_o.c/R_j - коэффициент переда­чи сумматора но j-му входу;

Интегросумматор

u =

u =

α_j= — коэффициент передачи интегратора по j-му входу

Блок деления

z=x/y;

U₀=10 U_x/U_y;

10 - схемный масштаб блока деления

Порядок решения состоит из следующих этапов:

- постановка задачи — формулировка модели процесса;

- математическая формулировка задачи — составление математического описания;

- выбор численных методов решения уравнений;

- разработка общего алгоритма;

- программирование;

- выявление ошибок (отладка программы);

- решение.

Математическое «описание процесса зависит от степени изучен­ности' отдельных' составляющих элементов и степени их взаимосвязи.

После выбора метода решения задачи составляется описание алгоритма. Основными требованиями к форме записи алгоритма являются его наглядность, компактность и выразительность. На практике обычно используются два способа описания алгоритмов: графический и операторный.

Графический способ основан на представлении отдельных эле­ментов алгоритма графическими символами, а всего алгоритма —

специальных задач основные критерии выбираются по условиям поставленной задачи.

При решении теплотехнических задач оптимизации наиболее типовыми являются ограничения: по количест­ву или качеству продукции, по экономическим, конъюнк­турным или технологическим соображениям, по сообра­жениям экологии, охраны труда, санитарным требовани­ям и т. д.

Формулировка задачи оптимизации сводится к следующему:

- выбор критерия оптимальности К_опт;

- наложение ограничений;

- нахождёние зависимости к0пт от входных параметров, определяемых математическим описанием

процесса:

К _опт = К _опт ( х₁, х₂, х₃,...., x_m);

- анализ зависимости для определения того, ка­кие из x_i целесообразно отнести к числу оптимизирую­

щих воздействий.

Уравнение приобретает вид:

К _опт = К _опт ( х₁, х₂, х₃,....,х_i, x_i+1,....,x_m);

,где первые і факторов (оптимизирующие воздействия) в дальнейшем рассматриваются как

переменные, а ос­тальные— как фиксированные, причем их можно также рассматривать как

ограничения;

- окончательная формулировка задачи: найти значе­ния оптимизирующих факторов х₁, х₂, х₃,....,х_i, соответ­ствующие экстремальному значению функции при соблюдении наложенных ограничений; --

- решение этой за­дачи составляет содержание математической теории оп­тимизации.

- критерий оптимальности должен быть единственной величиной (числом или функцией), которая

наиболее полно соответствует поставленной задаче, так как при решении единственной задачи нельзя

обеспечить одно­временно максимум и минимум величины или функции при различных значениях’

рассматриваемых параметров.

Критериями оптимизации тепломассообменных уста­новок могут быть конструктивные (площадь или поверхность тепло- и массообмена, общая масса или объем ап­паратов, конструкционные материалы), термодинамиче­ские (к. п. д., теплогидродинамический критерий) или экономические показатели (критерий приведенных за­трат и др.).