Подходы и средства для постановки теплотехнических экспериментов

В.Г. Казаков

Основы научных исследований

Курс лекций

Санкт - Петербург

Лекция 1

Подходы и средства для постановки теплотехнических экспериментов

Актуальность подходов и средства для постановки теплотехнических экспериментов. Цель работы в области техники. Выявление объективных закономерностей, определяющих протекание процессов в аппаратах, изучение физических и физико-химических явлений, из которых состоят эти процессы, эффективно использовать полученные результаты для создания разрабатываемой конструкции, оптимальной с точки зрения экономичности, металлоёмкости, ресурса эксплуатации, или какого либо другого важного качества.

Актуальность изучения методов теплотехнического эксперимента состоит в разработке эффективной технологии теплоты в изучаемых энергогенерирующих и теплопотребляющих процессах. Под технологией теплоты понимается последовательность операций, способ создания и последовательность взаимодействия материальных и тепловых потоков в термодинамической системе, а также пути их реализации. Под термодинамической системой понимается процессы, где осуществляется передача энергии в форме теплоты. Это могут быть процессы химической технологии, процессы генерации теплоты на электростанциях, котельных и др.

Понятие «технология теплоты» не ограничивается лишь оценкой степени термодинамической эффективности процесса и определения путей его совершенствования. Она включает также сопряженные с этим процессом и другие аспекты для реализации тепловой схемы с низкими энергозатратами: разработка высокоинтенсивных технологий и аппаратуры, статическая и динамическая оптимизация их параметров, экологическая безопасность технологических процессов. Другими словами это проблема синтеза эффективного потребления теплоты при минимальных капитальных затратах.

Целью работы в области техники является изучение и освоение способов, методов и средств постановки теплотехнических экспериментов.

Теория познания – учение о закономерностях процесса познания окружающего мира, о методах и формах этого процесса, об истине, критериях и условиях ее достоверности. Теория познания является основой любого научного исследования. Поэтому основы этой теории должен знать каждый начинающий исследователь. Методология научного исследования представляет учение о принципах построения, формах и способах научного познания.

В конкретных случаях процесс познания осуществляется с помощью определенных методов научного исследования. Метод исследования – совокупность приемов или операций, способствующих изучению окружающей действительности или практическому осуществлению, какого – либо явления или процесса.

Познание изучаемого предмета начинается с его непосредственного созерцания. Следующей ступенью процесса является анализ, заключающийся в мысленном расчленении исследуемого объекта (предмета, явления) на составные части. Анализ позволяет изучить строение этого объекта, его структуру, отделить существенное от второстепенного, познать часть как элемент сложного целого.

Далее познание на основе предшествующего анализа переходит в синтез изучаемого объекта, целостное его воссоздание.

В каждом научном исследовании можно выделить два основных уровня:

- эмпирический уровень, в котором происходит процесс чувственного восприятия, установления и накопления фактов;

- теоретический уровень, в котором достигается синтез знания, проявляющийся чаще всего в виде создания научной теории. В связи с этим общенаучные методы исследования можно разделить на три группы:

1. Методы эмпирического исследования.

2. Методы теоретического исследования.

3. Методы эмпирического и теоретического исследования

Задачей нашего курса является изучение методов постановки теплотехнического эксперимента, т.е. методы эмпирического исследования.

К основным методам эмпирического исследования относятся наблюдение, измерение и эксперимент.

Наблюдение – целенаправленное и организованное восприятие объекта исследования, позволяющее получить первичный материал для его изучения. Этот метод используется как самостоятельно, так и в сочетании с другими методами. В процессе наблюдения непосредственного воздействия наблюдателя на объект исследования не происходит.

Вследствие ограниченности человеческих органов чувств, при наблюдениях широко применяются различные приборы и инструменты. Наблюдение ведут по разработанному плану (схеме) и должно подчиняться определенной тактике.

Качество результатов, полученных в процессе инструментального наблюдения, определяются точностью применяемых приборов.

Измерение – процедура определения численного значения характеристик исследуемых материальных объектов (массы, длины, скорости, температуры, теплового потока и др.). Измерения выполняются с помощью соответствующих измерительных приборов. При измерениях большое значение уделяется оценке погрешности измерений.

В теплоэнергетических исследованиях вопросы измерения занимают первостепенное место. Чаще всего здесь измеряют температуру, давление, влажность, скорость, расход потока и другие параметры рабочей среды.

Эксперимент – система операций, воздействий и (или) наблюдений, направленных на получение информации об объекте при исследовательских испытаниях, которые могут осуществляться в естественных и искусственных условиях при изменении характера протекания процесса.

Эксперимент включает в себя выделение объекта исследования, создание необходимых условий для его выполнения, активное воздействие на объект исследования, процессы наблюдения и измерения.

Преимущества экспериментального изучения объекта по сравнению с простым наблюдением заключаются в следующем.

Явление может изучаться в «чистом» виде благодаря устранению побочных факторов;

эксперимент дает возможность изучения свойств объекта в экстремальных условиях (сверхвысокие и сверхнизкие температуры и давления и др.), что позволяет глубже проникнуть в суть явления;

Достоинством эксперимента является его повторяемость – возможность проведения заданного числа исследований.

Эксперименты могут быть натурными и модельными. Натурный эксперимент изучает явления и объекты в их естественном состоянии, модельный – моделирует эти процессы, позволяет изучать более широкий диапазон измерения определяющих факторов. Натурный и модельный эксперименты широко применяются при исследовании теплоэнергетических процессов.

Результатом обработки экспериментальных данных является:

- выявление объективных закономерностей, определяющих протекание процессов в аппаратах;

- изучение физических и физико-химических явлений, из которых состоят эти процессы;

- эффективное использование полученных результатов для создания разрабатываемой конструкции, оптимальной с точки зрения экономичности, металлоёмкости, ресурса эксплуатации, или какого либо другого важного качества.

Научные исследования направлены на решение различных научных и практических задач. В общем случае, рассматривая научно-исследовательскую работу, можно выделить фундаментальные и прикладные исследования и опытно-конструкторские разработки. Рассмотрим основные этапы выполнения фундаментальных и прикладных научных исследований, которые имеют общие особенности. Потребности науки и практики приводят к постановке определенных проблем в соответствующих областях знаний и отраслях производства, которые должны быть решены в процессе научного исследования.

Первым этапом научного исследования является подробный анализ современного состояния рассматриваемой проблемы. Он выполняется на основе информационного поиска и специальных методов анализа. В результате анализа состояния проблемы составляются обзоры, рефераты и экспресс-информации, составляется классификация основных направлений и ставятся конкретные задачи исследований. Далее осуществляется выбор метода исследования с использованием определенных критериев, составляется план-график выполнения работ, определяется ожидаемый экономический эффект.

Второй этап научного исследования сводится к выполнению поставленных на первом этапе задач. Чаще всего в фундаментальных и прикладных исследованиях используется математическое или физическое моделирование, а также сочетание этих методов.

Математическое моделирование включает несколько этапов. Это составление математической модели исследуемого процесса на основе имеющихся сведений или использование готовой модели с правильным учетом основных и второстепенных факторов, что во многих случаях позволит упростить составляемую модель.

Далее осуществляют выбор метода решения (аналитического, приближенного) учетом нескольких факторов: требуемой точности, затрачиваемого времени, материальных затрат. Вычислительный эксперимент позволяет получить результат исследований в виде численных данных, которые затем обрабатываются. В результате получают расчетные уравнения, графики и номограммы, характеризующие закономерности изучаемого процесса. Следует отметить, что при проведении расчетов и обобщения полученных результатов применяются методы теории подобия, методы планирования эксперимента, существенно сокращая время на постановку опытов и вычислительных процедур.

Физическое моделирование может выполняться на модельной (лабораторной) или натурной установке, которые разрабатываются с учетом основных положений теории подобия физических явлений. Это позволяет определить геометрические размеры установок, диапазон изменения основных параметров, наметить необходимые измерения и подобрать соответствующую измерительную аппаратуру, предварительно оценить погрешность полученных результатов. Для выполнения экспериментов составляется план (программа) исследований.

Третьим этапом научного исследования являются анализ полученных результатов и их оформление. Производится сравнение теории и эксперимента, определяется анализ их возможных расхождений. Окончательно оценивается экономическая эффективность проведения исследований. Конкретными результатами научно-исследовательской работы могут быть уточнение математической или физической модели явления, разработка новой методики расчета, новой теории, рекомендаций по совершенствованию машин и установок, подготовка данных для выполнения опытно-конструкторских работ и т.д.