Компьютерная обработка данных (курсовой)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Белгородский государственный технологический университет
им. В. Г. Шухова
Утверждено
научно-методической комиссией
университета
В.А. ДОРОГАНОВ, Е.А. ДОРОГАНОВ
КОМПЬТЕРНАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ
методические указания к выполнению курсовой работы для студентов
направления бакалавриата 18.03.01 «Химическая технология»
профиль подготовки «Химическая технология стекла и керамики»
Белгород
2017
УДК 004
ББК 32.973
П 76
Дороганов В.А.
П 76
Компьютерная обработка данных: методические указания/
В.А. Дороганов, Е.А. Дороганов. – Белгород: Изд-во БГТУ,
2017. – 17 с.
В методических указаниях представлены необходимые рекомендации по
выполнению и оформлению курсовой работы по дисциплине "Компьютерная обработка
данных". Даются теоретические и практические руководства для расчета температур в
процессе прогрева стен тепловых агрегатов с помощью компьютерных программ,
использую метод конечных разностей.
Методические указания предназначены для студентов направления
бакалавриата 18.03.01 «Химическая технология» профиль подготовки «Химическая
технология стекла и керамики».
Данное издание публикуется в авторской редакции.
УДК 004
ББК 32.973
©Белгородский государственный
технологический университет
им. В.Г. Шухова
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ. ......................................................................................... 4
1. ЗАДАНИЕ ДЛЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ......................................... 4
2. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ
ЗАПИСКИ ....................................................................................... 5
3. РАСЧЕТ ПРОГРЕВА ПЕЧНЫХ СТЕН .......................................... 6
4. ПРИМЕР РСЧЕТА ПРОГРЕВА ПЕЧНЫХ СТЕН ......................... 8
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................. 14
Приложение 1 ....................................................................................... 15
Приложение 2 ....................................................................................... 16
3
ВВЕДЕНИЕ
Курсовая работа – одна из наиболее активных форм учебного
процесса, которая выполняется студентом самостоятельно и он несет
ответственность за правильность вычислений и оформление
материалов. Цель курсовой работы – закрепить знания, полученные
студентами на лабораторных занятиях. Самостоятельно работая над
курсовой работой, студент глубже изучает закономерности изменения
различных технологических параметров и свойств керамических и
стекольных изделий при их производстве и эксплуатации.
При выполнении курсовой работы студент должен научиться
применять современные компьютерные программы, на примере
Microsoft Excel, для расчетов прогрева стен тепловых агрегатов, а
также пользоваться технической, справочной и научной литературой,
ГОСТами. Это расширяет кругозор студента, приобщает его к
самостоятельной работе над книгой.
1. ЗАДАНИЕ ДЛЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Курсовая работа выполняется по заданию, индивидуальному для
каждого студента. Необходимые исходные данные для выполнения
курсовой работы выбираются из табл. 1 в зависимости от варианта и
табл. 2.
Таблица 1
Варианты заданий
Температура, оС
Максимальная
Конечная
3
Начальная
3, 18
Окружающей среды
2
Охлаждения
2, 17
Высокоглин
оземистый
Шамот
Шамотный
легковес
Выдержки при максимальной
температуре
1
Нагрева
Вариант
1, 16
Материал
0,34
15
5
2
20
40
1800
700
0,27
11
4
6
22
30
1500
900
0,32
17
6
3
25
25
1200
500
Толщина слоя, м
Номер в журнале
Время, ч
4
4, 19
5, 20
4
5
6, 21
6
7, 22
7
8, 23
8
9, 24
9
10, 25
11, 26
10
11
12, 27
12
13, 28
13
14, 29
14
15, 30
15
Корунд
Динас
Диатомитов
ый легковес
Высокоглин
оземистый
Шамот
Шамотный
легковес
Корунд
Динас
Диатомитов
ый легковес
Высокоглин
оземистый
Шамот
Шамотный
легковес
0,5
0,43
25
38
10
9
4
2
30
27
30
35
1700
1600
800
900
0,25
16
8
6
18
50
900
300
0,4
10
4
4
15
28
1600
800
0,38
18
3
3
17
32
1400
700
0,27
22
2
5
23
45
1000
500
0,32
0,41
29
35
7
15
4
2
24
10
25
20
1500
1400
900
600
0,35
16
6
3
28
40
800
200
0,3
14
17
5
32
35
1500
900
0,36
19
20
4
19
25
1300
700
0,28
21
13
2
26
30
900
400
Таблица 2.
Основные свойства материалов печных стен
Материал
Плотность
(ρ), кг/м3
Высокоглиноземистый
Шамот
Шамотный легковес
Корунд
Динас
Диатомитовый легковес
2500
1900
600
2900
2000
700
Коэффициент
теплолпроводно
сти (λ),
Вт/(м оС)
2,09
1,08
0,22
2,14
1,09
0,18
Массовая
теплоемкость
(с),
кДж/(кг оС)
0,84
0,99
0,99
0,44
0,80
0,89
2. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ
ЗАПИСКИ
Пояснительная записка должна содержать следующие разделы:
- титульный лист;
- задание на курсовую работу
- расчет прогрева стен, в зависимости от варианта;
- графическая часть.
Титульный лист оформляется в соответствии с примером,
представленным в прил. 1.
Задание на курсовую работу оформляется в текстовом виде,
соответствии с прил. 2.
5
Расчетно-пояснительной записки выполняется на листах бумаги
формата А4 со следующими значениями полей отступа: левое - 2,5 см,
правое 1,5 см., верхнее и нижнее - 1,5 см., абзац - 0,75 см. Основной
текст выполняется шрифтом Times New Roman размером 14,
межстрочный интервал 1,5.
Графическая часть выполняется на формате А4 (ориентация
альбомная) в виде графика зависимости температуры от времени
нагрева, выдержки и охлаждения по слоям. На графике строится 7
кривых: 1 - зависимость температуры внутреннего слоя от времени
термообработки, 2-6 - зависимость температуры по отдельным слоям и
7 - зависимость температуры наружного слоя от времени прогрева
материала.
3. РАСЧЕТ ПРОГРЕВА ПЕЧНЫХ СТЕН
При разогреве печей непрерывно происходит изменение
температур стен. Стены аккумулируют тепло и их теплосодержание
изменяется пропорционально изменению температуры. Чтобы
рассчитать изменение теплосодержания (аккумуляцию тепла),
необходимо выполнить расчет температурной кривой по толщине
стены за определенное время прогрева.
Одним из приближенных методов расчета изменения температур в
процессе прогрева печных стен является метод конечных разностей.
Сущность этого метода заключается в следующем: толщина печной
стенки разделяется на несколько равных слоев ∆s, период времени
нагрева разделяется на промежутки ∆τ, которые определяются из
дифференциального уравнения теплопроводности путем замены
конечными приращениям и находятся исходя из выражение (1):
∆� =
∆�2
, (1)
2�
где α - коэффициент температуропроводности материала, м2/ч.
Коэффициент температуропроводности материала находится
исходя из выражения (2):
�=
3,6�
�с
, (2)
где λ - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м оС);
ρ - плотность материала, кг/м3;
с - массовая теплоемкость, кДж/(кг оС).
6
Количества тепла Q1, поступающего через первый слой ∆s за
время ∆τ во второй слой, будет равно:
�1 =
3.6�(�1−�2)
Δ�, (3)
Δ�
где t1 - температура поверхности 1-го слоя материала (наружная
температура слоя), оС;
t2 - температура поверхности второго слоя, оС.
Через второй слой в третий за это же время будет передано
тепло:
� =
3.6�(�2−�3)
Δ�
2
Δ�, (4)
где t3 - температура поверхности третьего слоя, оС.
Тепло, оставшееся во втором слое пойдет на повышение его
температуры на ∆t будет находится из выражений:
Δ� = �1 − �2 = Δ���Δ�, (5)
���� =
3.6�(�1−�2)
Δ�
Δ� −
3.6�(�2−�3)
Δ�
Δ�, (6).
Отсюда можно получить уравнение теплопроводности в
конечных разностях:
� +�3
(� − � ) − (� − � ) = 2 ( 1
1
2
2
3
2
− � ), (7).
2
Из уравнения (7) повышение температуры в слое будет равно:
Δ� =
2�Δ� �1+�3
(
Δ�2
− � ),(8)
2
2
Если принять если подставить выражение (1) в выражение (8)
вместо ∆τ, то выражение перед скобками будет равно единице, значит
выражение (8) можно записать в следующем виде:
Δ� =
�1+�3
2
− � ,(9)
2
Тогда нахождение значения температуры упрощается и эта
температура равна полусумме температур соседних слоев, которые
были для прошедшего промежутка времени.
7
�2 =
�1 +
�3
2
, (10)
Таким образом, зная начальные температуры на оси слоя слева
и справа, легко определить новую температуру для рассматриваемого
слоя в следующем промежутке времени путем составления расчетной
таблицы. Однако таким способом невозможно определить
температуры внутренней и наружной поверхностей. Температуру
внутренней поверхности стенки может быть определена по скорости
подъема температуры.
Температура внешней поверхности стенки в первый период
времени остается неизменной и по мере прогревание начинает
возрастать. С этого момента температура внешней поверхности стенки
находится исходя из выражения:
�нар
пов=
���окр.+��Δ�
�+��
,(11)
где μ - коэффициент теплоотдачи от поверхности в
окружающую среду, Вт/(м2 оС);
l - толщина слоя футеровки, м;
tокр. - температура окружающей среды, оС;
t∆s - температура слоя на глубине ∆s от поверхности в
данный промежуток времени.
4. ПРИМЕР РСЧЕТА ПРОГРЕВА ПЕЧНЫХ СТЕН
Задание: продолжительность нагрева стенки печи до
максимальной температуры (tmax) 1200 оС составляет 15 ч. (τн),
выдержки - 3 ч. (τв), охлаждения - 4 ч. (τох) до конечной температура
(tк) 800 оС. Стенка состоит из шамотного материала толщиной (l) 0,345
м. Начальная температура стенки 20 оС (tmin), а температура
окружающей среды 20 оС (tокр). Найти распределение температур при
разогреве печной стенки.
Разделим толщину шамотного слоя на шесть равных частей:
� 0.345
∆� = =
= 0.0575 м.
6
6
Рассчитаем толщину каждого слоя и заносим данные в шапку
"Расстояние от внутренней поверхность" табл. 3:
8
∆�1 = ∆� = 0.0575 м.
∆�2 = ∆�1 + ∆� = 0.0575 + 0.0575 = 0.115 м.
∆�3 = ∆�2 + ∆� = 0.115 + 0.0575 = 0.1725 м. и т. д.
Определим коэффициент температуропроводности, используя
выражение (2):
3,6�
�
=
3.6∙1.08
�с
Определяем
выражения (1):
расчетные
∆� =
= 0.00207 м2/ч
=
1900∙0.99
промежутки
времени,
исходя
из
0.05752
∆�2
=
= 0.799 ч.
2� 2 ∙ 0,00207
Исходное значение промежутка времени ∆τ1=0. Рассчитываем
промежутки времени всего периода прогрева и выдержки и заносим
данные в колонку "Время" табл. 3:
∆�2 = ∆� = 0.799 ч.
∆�3 = ∆�2 + ∆� = 0.799 + 0.799 = 1.599 ч.
∆�4 = ∆�3 + ∆� = 1.599 + 0.799 = 2.399 ч. и т. д.
Конечное время подъема и выдержки температуры будет
составлять:
∆�24 = ∆�23 + ∆� = 17.595 + 0.799 = 18.395 ч.
Конечное время охлаждения будет составлять:
∆�29 = ∆�28 + ∆� = 21.594 + 0.799 = 22.394 ч.
Расчет температур выполняется табличным методом (табл. 3).
Скорость подъема температуры составляет:
9
1200 − 20
���� −
=
= 78.7
����
15
�н
Скорость охлаждения составит:
�под =
о
С
ч
.
о
1200 − 800
С
���� −
=
= 100
.
�к
4
ч
�ох
За каждый промежуток времени ∆τ повышение температуры
внутренней поверхности стенки составит:
�охл =
∆�вн = ∆� ∙ � = 0.799 ∙ 78.7 = 62.9 ��
пов
под
Таким образом, температура внутренней поверхности в разные
промежутки времени буде составлять:
�вн0 = ���� = 20 ��,
�вн = �вн + ∆�вн = 20 + 62.9 = 82.9 ��,
0.799
вн
�
=�
1.599
вн
�
2.399
пов
0
вн
+ ∆�вн = 82.9 + 62.9 = 145.8 ��,
пов
0.799
вн
=�
1.599
вн
+ ∆�
пов
= 145.8 + 62.9 = 208.7 �� и т. д.
Эти температуры вносятся в колонку "Внутренняя поверхность"
табл.3.
Температура внутренней поверхности при достижении времени
нагрева 15 ч будет, ровняться максимальной температуре (tmax):
�
�вн
15.196= ���� = 1200 � .
Выдержка при максимальной температуре составляет 3 ч. и
соответственно температура внутренней поверхности буде не
изменятся до промежутка времени ∆τ23 = 17,595 ч.:
�
�вн
17.593= ���� = 1200 � .
После 18 ч. нагрева и выдержки начинается снижение
температуры. Для промежутка времени ∆τ24 = 18,395 ч. температура
внутренней поверхности буде составлять менее 1200 оС и равняется:
10
�вн
= ���� − (∆�24 − �н − �в) ∙ �охл =
18.395
11
= 1200 − (18.395 − 15 − 3) ∙ 100 = 1160,5 �� .
Далее температура внутренней поверхности будет понижаться
на величину:
∆�вн = ∆� ∙ � = 0.799 ∙ 100 = 79.9 ��
пов
охл
Тогда температура внутренней поверхности буде снижаться
следующим образом:
�вн
= �вн
19.195
�вн
= �вн
19.994
− ∆�вн = 1160.5 − 79.9 = 1080.5 ��
пов
18.395
− ∆�вн = 1080.5 − 79.9 = 1000.6 �� и т. д.
пов
19.195
Температура внутренней поверхности при конечном заданном
промежутке времени ∆τ29 = 22,394 ч. будет составлять 760,6 оС.
На начальном этапе времени ∆τ1 = 0 ч., так как прогрев еще не
начался, на всем расстоянии от внутренней поверхности и на
наружной поверхности температура слоев будет равна tmin и составлять
20 оС.
Температура в отдельных слоях (кроме наружной поверхности),
находящихся на расчетном расстоянии от внутренней поверхности
(∆s), для каждого нового промежутка времени (∆τ) находится как
среднее арифметическое значение температур соседних слоев за
предыдущий промежуток времени:
вн
0,115
0.0575 =�0 + 0
�0.799
2
0.115 =
�0.799
0.1725 =
�0.799
0.23
�15.196
=
=
2
= 20 оС,
2
20 + 20
�0,115
+
0,2875
0 �
0
=
2
2 �нар
20 + 20 = 20 оС,
2
20 + 20
�0,0575
+
0,1725
0 �
0
0,1725
�0,2875
+
�
14,396
14,396
�0,23
=
= 20 оС,
2
332 + 125.6
=
+
12
= 228.8 оС,
377.5 + 71.5
2
0.2875
�21.594
=
20.794
2
20.794
= 259.8 оС, и т. д.
=
2
13
Температура наружной поверхности находится из выражения
(11), принимая коэффициент теплоотдачи от поверхности в
окружающую среду μ = 8 Вт/(м2 оС):
нар
0.799
�
=
���окр. +
8 ∙ 0.345 ∙ 20 + 1.08 ∙ 20
=
= 20 оС,
��0.28750.799
1.08 + 8 ∙ 0.345
� + ��
0.2875
���окр. + ��
8 ∙ 0.345 ∙ 20 + 1.08 ∙ 99.2
12.796
нар
=
�
=
= 39.9 оС и т. д.
12.796
1.08 + 8 ∙ 0.345
� + ��
Таблица 3
Расчет распределение температур
№
Временного
промежутка
Время
ч
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
0
0,799
1,599
2,399
3,199
3,999
4,799
5,598
6,398
7,198
7,998
8,798
9,597
10,397
11,197
11,997
12,796
13,596
14,396
15,196
15,996
16,795
17,595
18,395
19,195
19,994
20,794
Температура по слоям, оС
Расстояние от внутренней поверхность, м
Внутренняя
поверхность
20
82,9
145,8
208,7
271,7
334,6
397,5
460,4
523,3
586,2
649,2
712,1
775,0
837,9
900,8
963,7
1026,7
1089,6
1152,5
1200,0
1200,0
1200,0
1200,0
1160,5
1080,5
1000,6
920,6
0,345
0,0575 0,115 0,1725
0,23
0,2875
(наружная
поверхность)
20
20,0
51,5
82,9
122,2
161,6
204,8
248,1
293,8
339,5
386,9
434,4
483,1
531,8
581,5
631,3
681,8
732,4
783,6
834,8
878,9
899,2
918,1
931,0
923,5
892,9
857,0
20
20,0
20,0
20,0
20,0
23,9
27,9
35,7
43,6
54,9
66,2
80,5
94,8
111,5
128,3
147,0
165,9
186,3
206,9
228,8
250,8
273,9
297,1
320,2
340,4
360,4
377,5
20
20,0
20,0
20,0
20,0
20,0
22,0
23,9
28,4
32,8
39,7
46,6
55,7
64,8
75,7
86,7
99,2
111,8
125,6
139,6
154,5
169,5
185,4
201,3
217,4
232,2
246,9
20,0
20,0
20,0
20,0
20,0
20,0
20,6
21,2
22,4
23,7
25,4
27,3
29,5
31,8
34,4
37,0
39,9
42,8
45,9
49,0
52,3
55,6
59,0
62,4
65,8
68,7
71,5
14
20
20,0
20,0
35,7
51,5
75,1
98,6
127,2
155,7
187,6
219,6
254,1
288,6
325,2
361,8
399,9
438,1
477,7
517,2
557,8
598,5
636,1
661,9
686,5
705,2
713,4
707,9
20
20,0
20,0
20,0
27,9
35,7
49,5
63,3
81,4
99,6
121,3
142,9
167,3
191,7
218,3
245,0
273,5
302,0
332,0
362,1
393,3
424,6
455,0
479,5
503,4
522,8
536,9
28
29
21,594
22,394
840,6
760,6
814,2
768,8
697,0
678,5
542,7
544,4
391,9
401,2
259,8
271,2
73,9
75,8
По результатам расчета прогрева стены строится график
зависимости температуры нагрева каждого слоя от времени прогрева
(рис. 1).
140
0
Температура нагрева, оС
120
0
100
0
800
600
400
200
0
0
5
10
15
Время прогрева, ч
Внутренняя
поверхность
0,115 м
м
0,0575
м
0,1725
0,23 м
м
0,2875
20
Рис. 1 Зависимость температуры стены от времени прогрева в
разных слоях материала.
15
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Левченко П.В. Расчеты печей и сушилок силикатной
промышленности: Учебное пособие для ВУЗов. М.: ООО ИД
"Альянс", 2007. – 366 с.
16
Приложение 1
Министерство образования и науки
Российской Федерации
БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г. Шухова
Кафедра
Технологии стекла и керамики
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по дисциплине
"Компьютерная обработка данных"
на тему: "Расчет прогрева печной стены, выполненной из (название
материала по выбранному варианту), толщиной (по выбранному
варианту)"
Выполнил: студент группы (название группы)
(Ф.И.О.)
Принял: (должность, степень, Ф.И.О. преподавателя)
Белгород 20 г.
17
Приложение 2
Задание на курсовую работу.
Найти распределение температур при разогреве печной стенки,
используя следующие исходные данные:
Наименование
Продолжительность нагрева стенки печи до
максимальной температуры
(τн), ч
Продолжительность выдержки стенки печи при
максимальной температуре
(τв), ч
Продолжительность охлаждения стенки печи
(τох), ч
Максимальная температура прогрева
(tmax), оС
Конечная температура охлаждения
(tк), оС
Начальная температура стенки печи
(tmin), оС
Температура окружающей среды
(tокр), оС
Толщина печной стенки
(l), м
18
Значение
Учебное издание
Дороганов Владимир Анатольевич
Дороганов Евгений Анатольевич
КОМПЬТЕРНАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ
методические указания
Подписано в печать
2017. Формат 60х84/16 Усл.печ.л.
.
Уч.-изд.л.
Тираж
экз.
Заказ
Цена
Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете
им. В.Г. Шухова
308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46
19