Автоматизированная система расчёта энтальпии сгорания индивидуальных веществ

УДК 004.91

С. А. Ляшева, М. П. Шлеймович, А. П. Кирпичников, И. В. Леонова

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА РАСЧЁТА ЭНТАЛЬПИИ СГОРАНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

Ключевые слова: энтальпия, расчет энтальпии сгорания, термодинамические свойства.

В статье представлен разработанный программный комплекс для расчета энтальпии сгорания индивидуальных веществ, который направлен на хранение, обработку и вычисление основных термодинамических характеристик химических соединений.

Keywords: enthalpy, the calculation of the enthalpy of combustion, thermodynamic properties.

In this paper presents the developed software complex for calculation of the enthalpy of combustion of individual substances, which is aimed at storing, processing and calculation of the main thermodynamic characteristics of chemical compounds.

При решении многих научных и технических проблем значительную роль играют вопросы исследования быстропротекающих процессов. Изучение процессов такого рода требует не мало финансовых затрат, а зачастую и вовсе является невозможным, а также несёт угрозу жизни и здоровью исследователей. В этих условиях имеет смысл обратиться к компьютерной технике и предоставить ей возможность провести вычислительный эксперимент [2, 3, 5]. Поэтому, актуальной задачей в рамках исследований становится разработка программного обеспечения, основанного на расчётно-теоретических представлениях предметной области [1].

Разработанная программа ChemCalc.exe позволяет рассчитывать энтальпию сгорания индивидуальных веществ, используя стандартные энтальпии образования и закон Гесса.

В основе вычислительных методов системы лежит закон Гесса. Для проведения расчётов термодинамических характеристик создана база данных химических соединений, которая содержит необходимые характеристики веществ:

1. состав вещества;

2. молярную массу;

3. плотность;

4. термодинамические свойства (энтальпии образования/сгорания, температуру плавления и т.п.).

Основной процесс системы отвечает за расчёт термодинамических характеристик, а именно - энтальпии сгорания индивидуальных веществ.

В качестве входных параметров используются табличные данные о составе вещества, его молекулярной массе, плотности, а также экспериментально измеренные значения энтальпии образования и энтальпии сгорания. Для некоторых индивидуальных веществ известны только стандартные энтальпии образования. Основываясь на этих данных и используя следствия из закона Гесса, система позволяет определить значение энтальпии сгорания. Выходными данными являются рассчитанные термодинамические характеристики (энтальпия сгорания, теплотворная способность, теоретический объем воздуха). Кроме того, система позволяет формировать документы в формате .хк, которые содержат всю

информацию по индивидуальным веществам, хранящимся в базе данных.

Для работы с системой выделена только одна роль «Оператор ЭВМ», которая может работать со всеми функциями, предоставляемыми системой.

На рисунке 1 изображена декомпозиция диаграммы IDEF0, в которой основная функция системы разбивается на два процесса:

1. взаимодействие пользователя с базой данных химических веществ. Здесь он может добавлять новые вещества и их характеристики, а также создавать отчёты для последующей обработки данных;

2. вычисление энтальпии сгорания по закону Гесса на основе данных содержащихся в базе.

Рис. 1 - Декомпозиция диаграммы IDEF0

Проектирование базы данных

Проектирование базы данных (БД) - одна из наиболее сложных и ответственных задач, связанных с созданием информационной системы (ИС). В результате её решения должны быть определены содержание БД, эффективный для всех её будущих пользователей способ организации данных и инструментальные средства управления данными.

Концептуальное проектирование базы данных

Целью концептуального проектирования является построение описания базы данных (БД) на едином языке концептуальной модели. Описание моде-

ли БД на данном этапе осуществляется с помощью модели «сущность-связь».

Для вычисления термодинамических характеристик составляем соответствующие таблицы:

1. Для каждой сущности определяется совокупность атрибутов. Для каждого атрибута устанавливается наименование и определяется домен.

2. Для доменов определяются типы значений.

Логическое проектирование базы данных

Спроектировать логическую структуру базы данных означает определить все информационные единицы и связи между ними, задать их имена; если для информационных единиц возможно использование разных типов, то определить их тип. Следует также задать некоторые количественные характеристики, например, длину поля.

При логическом проектировании базы данных используется методика, ориентированная на реляционную модель данных.

Базовыми понятиями в реляционной модели данных являются: отношение, схема отношения, атрибуты, домены, а также нормализация отношений.

Логическая модель базы данных представлена на рисунке 2.

Рис. 2 - Логическая модель базы данных

Алгоритм расчёта энтальпии сгорания и теплотворной способности индивидуальных веществ

Теплота сгорания вещества - это тепловой эффект реакции окисления кислородом элементов, входящих в состав этого вещества до образования высших оксидов (С02(г), Н20(ж)).

Теплоту сгорания обычно относят к стандартному состоянию (р = 101,3 кПа; Т = 298 К), одному молю топлива, и называют стандартной теплотой

сгорания 0°гор (кДж/моль). Для углеводородов и спиртов продуктами сгорания являются СО2(газ) и НО(ж).

Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшая теплота сгорания топлива - количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.

Низшая теплота сгорания топлива - количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, но без учёта теплоты конденсации водяного пара.

В двигателях внутреннего сгорания температура выходящих газов выше температуры конденсации водяных паров, поэтому при расчётах пользуются значением низшей теплоты сгорания [4].

Теплота сгорания топлива - это тепловой эффект химической реакции сгорания топлива в воздухе. При составлении уравнения этой реакции необходимо учитывать не только кислород, принимающий участие в реакции окисления, но и азот, входящий в состав воздуха. Так как на 1 моль кислорода в воздухе приходится 3,75 моля азота, реакция сгорания топлива может быть выражена следующим уравнением:

спнт^&ог +1п +

^ пС02(г) + -Н20(ж) +

^п + т " 2) * ^О2 + 3-75N2 )

4 2

g

3.75 + - |N_

2

где СпНт - индивидуальное горючее вещество, в котором п, т, g, г - количество атомов водорода, углерода, азота и кислорода соответственно.

Согласно первому началу термодинамики, высшая теплота сгорания топлива:

ДQs Д^сгор.топлива ,

где Д#сгортоплива - высшая энтальпия сгорания топлива при стандартных условиях.

диО

длсгор.топлива

= Д^298кон.прод

д^298исх.вещ-в ;

2

Высшая удельная теплота сгорания топлива Qв (кДж/кг топлива) рассчитывается по уравнению:

(¿в =

дн°

М * 10-

где М - молярная масса топлива, г/моль.

Низшая энтальпия сгорания топлива (кДж/кг топлива) рассчитывается по уравнению реакции:

. тг CnHmNgOг +1 п + — "^ |*Г2

+ 3.75N 2

^ пСО2(г) + ^Н2О(г) +

п + —-- I * 3.75 + — IN 4 2 ) 2 ) 2

Низшая энтальпия сгорания топлива отличается от высшей на величину энтальпии конденсации водя-

ного пара ДЯ°

конд.И20(пар) АН° = ДЯв0

= -44,01кДж:

доО

дпконд.И20(пар)'

Низшая удельная теплота сгорания топлива <2н (кДж/кг топлива) составит:

Qн = -

дт

М * 10-

где М - молярная масса топлива, г/моль.

Для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива необходимо вполне определенное количество воздуха.

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива (кг воздуха/кг топлива) для реакции рассчитывается по уравнению:

т г

п + —

I0

^воздуха

( т Г\ = 1П + Т-2Г

Мр2 + 3.75 Mh

Мт,

топлива

т0плива - молярная масса кислорода,

где Мо2,ММ2,М. азота и топлива соответственно, г/моль.

Количество топливовоздушной смеси (М1, моль) для реакции равно:

/ т гч

Мь = 1мольтоплива + (п + - - 2) * (02 + 3.75М2).

Низшая теплота сгорания топливовоздушной смеси (калорийность стехиометрической смеси топлива с воздухом, qн, кДж/м3) рассчитывается как отношение низшей теплоты сгорания единицы топлива к общему количеству горючей смеси [4]:

ОН = -

М1*22А*Ю~3'

Описание программного комплекса

Программный комплекс ChemCalc.exe представляет собой приложение для операционной системы Windows версии 7/8/10. Для корректной работы приложения необходимо установить Microsoft .NET Framework версии не ниже 4.5 и настроить подключение к базе данных химических соединений.

Для подключения существующей базы данных, нужно создать на своем компьютере (или компьютере, находящемся в локальной сети с компьютером клиента) новую базу данных и в файле App.config прописать строку подключения к базе данных по следующей схеме:

connectionString="Server=ip; DataBase=имяБД; Uid=логин; Pwd=пароль;".

Далее запускаем файл программы ChemCalc.exe, и программа будет готова к использованию.

Обоснование выбора средств разработки

При создании программного обеспечения важную роль играет выбор средств разработки, т.к. в зависимости от специфичности исходных данных и целей системы могут возникнуть различные трудности при ее проектировании и реализации.

В данной работе использовались следующие средства разработки:

- CA Erwin Process Modeler;

- Microsoft Community;

- Microsoft SQL Server Management Studio;

- Deductor Studio.

Продукт Erwin Process Modeler является средством проектирования и использовался для построения функциональной структуры системы.

CA ERwin Process Modeler (ранее BPwin) - инструмент для моделирования, анализа, документирования и оптимизации бизнес-процессов. CA ERwin Process Modeler можно использовать для графического представления бизнес-процессов. Графически представленная схема выполнения работ, обмена информацией, документооборота визуализирует модель бизнес-процесса. Графическое изложение этой информации позволяет перевести задачи управления организацией из области сложного ремесла в сферу инженерных технологий.

В качестве основного средства разработки использовалась Microsoft Community - бесплатный аналог среды разработки Visual Studio, любезно предоставленный компанией Microsoft студентам и всем заинтересованным пользователям в изучении и некоммерческом использовании при создании программ. Язык программирования - C#. Выбор данной среды разработки и языка программирования обоснованы тем, что Microsoft Community — продукт компании Майкрософт, позволяющий создавать мощные, высокопроизводительные приложения.

В состав MS Community входит множество технологий для разработки специфичных задач. В данном проекте была использована технология ADO.Net Entity Framework - объектно-ориентированная технология доступа к данным, является object-relational mapping (ORM) решением для .NET Framework от Microsoft.

В рамках фреймворка ADO.Net Entity Framework существует три различные возможности проектирования базы данных:

1. Code-First;

2. Model-First;

3. Database-First.

Для создания базы данных использовалась тактика Code-First. При подходе Code-First проектирование базы данных начинается с кода — не с базы данных и не с модели. Для предметной области проектируемого приложения создаются необходимые классы, а механизм Code-First позволяет им участвовать в работе инфраструктуры Entity Framework, которая берет на себя всю обработку взаимодействия с базой данных и автоматически отслеживает изменения.

С# является языком программирования, который разработан для создания множества приложений, работающих в среде .NET Framework. Язык C# прост, типобезопасен и объектноориентирован. Благодаря множеству нововведений C# обеспечивает возможность быстрой разработки приложений, но при этом сохраняет выразительность и элегантность, присущую С-подобным языкам.

Среда Microsoft SQL Server Management Studio использовалась для построения физической схемы базы данных, а также для введения тестовых значений таблиц посредством SQL-запросов.

Приложение ChemCalc.exe представляет собой приложение для операционной системы Windows версии 7/8/10. Для работы этого приложения необходимо установить соединение с базой данных.

База данных написана на языке C# и использует SQL Server Express и Entity Framework.

Важнейшей единицей любой базы данных является сущность. В данном случае выделяется две сущности Substance - таблица твердых индивидуальных веществ, и SubstanceComposition, отвечающая за хранение количества атомов кислорода, водорода, азота и углерода в исходном веществе.

В случае необходимости обновления схемы базы данных необходимо использовать функцию Code First Migrations, или сокращенно Migrations.

Migrations предоставляет упорядоченный набор шагов, которые описывают процесс обновления (и

перехода на использование более ранней версии) схемы базы данных. В каждом из этих шагов (так называемая миграция) содержится определенный код, который описывает применяемые изменения.

В приложении ChemCalc.exe было проведено две «умышленные» миграции и несколько автоматических. Изменения потребовались для реализации функции добавления нового элемента в базу данных - это класс migration_Substance_create, и для отметки вещества удаленным из базы данных - класс migration_Substance_AddIsDeleted.

Визуальный интерфейс пользователя разрабатывался с помощью технологии WPF.

Windows Presentation Foundation (WPF) — система для построения клиентских приложений Windows с визуально привлекательными возможностями взаимодействия с пользователем, графическая (презентационная) подсистема в составе .NET Framework (начиная с версии 3.0), использующая язык XAML. Как и приложения Windows Forms, приложения WPF можно создавать путем перетаскивания элементов управления с панели элементов на поверхность разработки. В дополнение к конструктору, окну Свойства и панели элементов IDE в проектах WPF располагает окном XAML. XAML — это акроним от Extensible Application Markup Language, языка XAML, который используется для создания пользовательского интерфейса.

Аналогичный документ создан и для описания окна редактирования свойств химического элемента.

Класс EditWindowViewModel обеспечивает доступ к данным и производит вычисления искомых величин.

Руководство пользователя

При запуске приложения ChemCalc.exe открывается главное меню программы (рис. 3).

Рис. 3 - Главное меню программы

В главном окне программы (рис. 3) располагается список химических соединений и основные кнопки управления. Согласно названиям кнопок, можно выполнить следующие функции:

1. Добавить новое вещество

2. Редактировать выбранное вещество

3. Удалить выбранное вещество

4. Сформировать отчет

Добавление нового вещества

Для добавления в базу данных нового химического соединения необходимо в главном меню (рис. 3) нажать кнопку «Добавить вещество».

Откроется второе окно - карточка химического соединения (рис. 4).

Е EditWindow Название n-melylacetamide Молярная масса

lhr.--r.Th

Энтальпия образования., табл. Энтальпия sSpaaoaai Эиталыэия сгорания, табл. Энтальпия сгорания, расч Энтальпия сгорания, прогноз. Рациональная формула

X

C3H7N101 - 4,25 ' ¡02 ♦ 3.75N2)- ЗС02(г) г (3.5/2)Н20(ж] г 16,4375) N2

ДНв - -1852,135

ДНн - -1708,1

Ов - 25477,2882747298

Он - 23359,8180325626

L0 воэдаа = 7,9590581816938

Ml - 21,1675

qH - -3599.03075274758

Рис. 4 - Карточка индивидуального вещества

Слева указаны поля, которые необходимо заполнить. После заполнения всех необходимых полей справа начинают отображаться:

- химическая реакция горения в воздухе для указанного вещества;

- расчетное значение высшей энтальпии сгорания, кДж/моль;

- расчетное значение низшей энтальпии сгорания, кДж/моль;

- высшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;

- низшая теплотворная способность топлива,

кДж/кг;

- теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива (кг воздуха/кг топлива);

- количество топливовоздушной смеси, моль;

- низшая теплота сгорания топливовоздушной смеси, кДж/м3.

Значение низшей энтальпии сгорания автоматически записывается в поле «Энтальпия сгорания, расч.» и сохраняется в базе данных при нажатии кнопки «Сохранить».

После нажатия кнопки «Сохранить» введенные данные сохраняются в базе данных и окно со свойствами индивидуального вещества закрывается.

Изменение свойств вещества

Для изменения свойств индивидуального вещества, хранящегося в базе данных, необходимо выбрать это вещество из общего списка веществ и нажать кнопку «Редактировать вещество». В результате откроется окно EditWindow (рис. 4), где можно редактировать необходимые свойства. Работа с этим окном описана выше в разделе «Добавление нового вещества».

Удаление вещества из базы данных

Для удаления некоторого вещества, нужно в главном окне программы (рис. 4) выбрать наимено-

вание удаляемого химического соединения и нажать кнопку «Удалить вещество».

Сформировать отчет

При нажатии кнопки «Сформировать отчет» будет создан документ в формате .хк, который будет содержать все вещества и их свойства, которые хранятся в базе данных.

Для того чтобы выйти из приложения достаточно нажать красную кнопку в правом верхнем углу.

Поиск веществ

В приложении предусмотрен поиск веществ по названию. Чтобы найти необходимое вещество достаточно в поле, располагающемся над списком веществ, в главном окне программы, ввести название или часть названия искомого вещества. Список подходящих веществ отобразится в главном окне.

Литература

1. Кирпичников А.П., Ляшева С.А., Шипина О.Т. Автоматизированная система моделирования параметров быст-

ропротекающих процессов // Вестник Казанского технологического университета: Т. 17 №13; 2014. - С.349-352.

2. Ляшева С.А., Шлеймович М.П., Кирпичников A.P., Спицин А.Н. Прогнозирование скорости детонации индивидуальных взрывчатых веществ с использованием нейронной сети // Вестник технологического университета. 2015. Т. 18. № 15. С. 226-229.

3. Ляшева С.А., Шлеймович М.П., Кирпичников А.П., Гришина О.Д. Нейросетевое прогнозирование фугасно-сти индивидуальных взрывчатых веществ // Вестник технологического университета. 2015. Т. 18. № 17. С. 171-173.

4. Расчет теплотворной способности топлива: методические указания к расчетной работе по химической термодинамике /А.А. Литманович, Е.В. Новоселова, Г.Ю. Остаева, И.М. Паписов, Е.В. Полякова. - М.: МАДИ, 2014. - 20 с.

5. И.В. Леонова, С.А. Ляшева Применение нейронных сетей в прогнозировании характеристик быстропроте-кающих процессов Перспективные информационные технологии (ПИТ 2016): труды Международной научно-технической конференции / под ред. С.А. Прохорова. -Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2016, С.111-115.

© С. А. Ляшева - к.т.н., доцент кафедры прикладной математики и информатики КНИТУ-КАИ; e-mail: stellyash@mail.ru; М. П. Шлеймович - к.т.н., доцент кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления КНИТУ-КАИ, А. П. Кирпичников - д. ф.-м. н., зав. каф. интеллектуальных систем и управления информационными ресурсами КНИТУ, e-mail: kirpichnikov@kstu.ru; e-mail: shlch@mail.ru; И. В.Леонова - студент КНИТУ-КАИ.

© S. A. Lyasheva - PhD, Associate Professor of the Department of Applied Mathematics & Informatics, KNRTU-KAI; e-mail: stel-lyash@mail.ru; M. P. Shleymovich - PhD, Associate Professor of the Department of Automated Information Processing Systems & Control, KNRTU-KAI, e-mail: shlch@mail.ru; A. P. Kirpichnikov - Dr. Sci, Head of the Department of Intelligent Systems & Information Systems Control, KNRTU, e-mail: kirpichnikov@kstu.ru; I. V. Leonova - student KNRTU-KAI.