Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате Советский патент 1983 года по МПК G06G7/56 

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может бьиь использовано для моделирования процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку в теплообменном аппарате, в частности процесса теплообмена в теплоэнергетических агрегатах судовых энерге тических установок.

Известно устройство для моделирования нестационарных Физических полей в там числе температурных, содержащее RC-сетку, первый вход котброй подключен к выходу блока задания начсшьцых условий, бЛок задания грайичных условий , блок регистрации, генератор потенциально убывающего напряжения, генератор потенциально возрастаютего напряжения и блоки умножения С

Однако устройство не позволяет учесть при моделировании процесса теплопередачи влияние нэ него теплопроводности теплопередецощей стенки в теплообменном аппарате.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате, выполненное в виде: Vi последовательно включенных моделирующих блоков, содержа1 аих по чвтыре масштабных операционных усилителя, в каждом из которых параллельно резистору обратной связи включен переменный конденсатор задержки.вХоды первого и второго масштабных oneрационных усилителей -являются одноименными входами моделирующего блока, выходы первого и второго масиггабных операционных усилителей соединены с первыми входами соответственно третьего и четвертого масштабных операционных усилителей, выходы KOTOI «C являются соответственно первьш и вторым выходом моделирующего блока,.вторые входы третьего и четвертого м сщтабных операционных усилителей подгключены к первому полюсу Т-образного Jic-четырехполюсник а, второй и третий полюсы которого соединены с выходами первого и второго масштабных операционных усилителей, ЯС-четырехполюсник содержит конденсатор и два резистора, одни выводы которых объединены, через конденсатор подключены к шине нулевого потенциала и непосредственно к первому полюсу RC-четырвхполюсника, вторым и третьим полюсами котогрого являются другие выводы резисторов 2 , Однако ус- ройствр не учитыгвает эффект теплЬпроводности стенки

в осевом и радиальном направлениях. .

. . .

Цель изобретения - повышение точности моделирования..

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для моделирования | процесса теплопередачи в теплообмен-ном аппарате моделирующие блоки дополнительно содержат по два перёменшлх резистора в m Rc-четырехполюсников, которые включены последовательно, первый полюс первого RC-чвтырехполюсника через первый переменный резистор подключен к выходу первого масштабного операционного усилителя и непосредственно соединен с вторым входом третьего масштабного операционного усилителя, второй полюс уп-го ЦС-чётырехполюсника через второй переменный резистор подключен к выходу второго масштабного операционного усилителя и непосредственно соединен с вторым входом четвертого маатгеабногр опе1рационного усилителя, третьи и четвертые поЛюсы RC -четырехполюсников кг1ждого моделирующего блока соединены соответственно с четвертыми полюсами RC -четырехполюсников предыдущего моделирующего блока и третьими подносами RC -четырехполюсников последующего - моделирующего блока.

Кроме того, RC -четырехполюсник содержит конденсатор и четыре резистора, одни выводы- которых объединены и через конденсатор, соединены с шиной нулевого потенциала, а другие выводы резисторов являются соответствующими полюсами RC -четырехполюсника.

На чертеже приведена схема устройства для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате.

Устройство содержит моделирукядие блоки причем моделирующий . блок 1- состоит из масштабных операдибиных усилителей , переменных резисторов 6.J и 7f и RC-четырехполю НИКОВ -8. Масштабные операционные усилители резисторы и 10г| ,переменный конденсатор задержки и решающий усилитель 1224. В состав масштабных операционных .усилителей 3 входят резисторы Э.; и 10%1 , переменный конденсатор задержки 11 и решающий усилитель 125 .Масштабные операционные усилители 4 содержат резисторы и 104f переменный конденсатор задержки И решающий усилитель 124 и резистор 1341 . Маслргабные операционные усилители 5.} состоят из. резисторов и 10 , переменного конденсатора задержки llyj.,. решаощего усилителя 12си резистора IS . RC-четырехполюсник 81. содержит резисторы 14,-17,,:и конденсатор 18ц|.

Устройство работает следующим образом.

Теоретически работа устройства основана на том, .что процесс передачи тёпЛа от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку через теплопередающую стенку описывается системой уравнений: .№)(), (А). ,, . б) 3zV т) -V) Съ) При следующих граничньох условиях гает « idzJft- H-t-ef), (4; №l LaiJfy-4CC)Cv-©fv), С5-) где С - текущее время, Х,г - координаты длины соответ ственно вдоль оси потока и перпендикулярно оси по тока/ t,V,6,0,,6,;. температуры греющего и нагреваемого потоков, стенки, стенки на поверх ности греквдего и нагрева емого потоков) У - постоянные вр.емени; UJ - скорости потоков/ К - комплексные коэффициенты Процесс конвективного теплообмена гр(ёющего теплоносителя и нагреваемого потока с теплопередающей стенкой представляется непрерывной последова ,тельностью процессов: движением каждой из сред по половине длины теплообменного аппаратаf собственнопроцессом передачи тепла от .греющего теплоносителя к нагреваемому потоку и движением каждой из сред по второй половине длины теплообменного аппара та. Для повышения точности воспроизве дения моделируемых щэодессов полость теплйЬбме.нного аппарата разбивается сечениями, перпендикулярными его оси, на конечное число дискретных объемов, при .этом процесс теплообмена в каждом из них представляется как указано выгче. Тогда устройство для моделирования будет состоять из по.следовательного соединения моделирующих блоков, имитирующих процесс в дискретных объемах аппарата..В этом случае процесс движения греющего теп лоносителя и HarpeBaieMoro потока по половинам длин дискретных объемов аппарата представляется как временна задержка сигнала, имитирующего темпе ратуру среды, которая имеет место в результате наличия некоторого-времен транспортирования частиц среды по дп не дискретного объема. Процесс движе ния имитируется электрической RC -сх мой задержки с опера ционным усилителем,при этом электрическая емкость включена в обратную связь данного усилителя. Постоянная времени схемы еделяется из условия, что RC , Jo/2 - время движения среды по поине дпинц участка разбиения аппаа. Описание собственно процесса тепбмена в дискретном объеме vsom&t :. ь получено из исходной системы внений (,1) - (5 при условии, что;. менем движения каждой из сред на ; стке разбиения можно пренебречь ; ду представления процессов движе-; и теплообмена независимыми. Тогда, тывая отмеченное выше доиуцение, а . же применяя конечно-разностную an ксимацию к уравнен.ию теплогфоводТИ стенки (2) и граничным услови(4) и (5):, математическое описасобственно процесса теплообмена учается в ,С71едующей форме: 7,№)«(tr.(.,-t.),(e, г ..iidQii i5 fiiieiitiii Ти riTо + Tlj d-C + icj-i) P j-Q-i(j4) T,j,{t;;a;i(trj,. . (8) При граничных условиях: ii:: iiL- iiiiil Н. ; Ят1х . iiv , 5TmZ -теплоемкость дискретного объема теплопередаю. ией стенки теплообмен- - i ного аппарата; -термические сопротив-x.R Tjz Тт. ления теплопроводности стенки,соответственно по осевой и радиальным (координатам; термические сопрбгивлеКт Лтгния теплообмена, ссх тветственно между ip@oii siU4 теплоносителем и стенкой и нагрев aehOAvi потоком и стенкой; ,в,,.,,и - порядковые номера участков разбиения теплооб.менного аппарата сечениями, перпендикулярными его оси;; ,v,w порядковые номера учасфков разбиения теплопередающей стенки в радиальном направлении. Интегрируя уравнения (6) и (В) по рдинате длины 7 и выражая значения ператур сред на выходе из участков биения, получаем уравнения: i i iU- a-o- texpC-bjat) .o:®fiv)exp где Ъ - безразмерный . коэффициент. Таким образом система уравнений 1.7), (9) - (.12) описывает процесс собственно теплообмена на участке раз-биения теплообменного аппарата. Техническая реализация имитации собственно процесса теплообмена выполняется на основе электротермичес кой аналогии при соблюдении следующ соответствий: Тепловые величины Электрические ве личины Температура сред- Цапряжение и стенки(Ui .UV.UQ) (t. v.e) , Тепловое сопро- .Сопротивление pe тивление . зисторов , 17,-« . 15. KTT,- , ,R б,-Г 7.. ; Теплоемкость Емкость KOHfisHca (Tij I, Topa 8,Ток (i) Тепловой поток (ufq) Время (t) Время {f) При изменении значений входных температур греющего теплоносителя (-to) или нагреваемого потока (Vo) производится изменение соответствующих величин входных напряжений , и Ovc, На масштабных операционных усилител 2у( и 3 осуществляется имитация дви жения частиц сред по первой половин дцины участка разбиения теплообменного аппарата. Выходные сигналы усилителей 2 и 3 подаются на входы пе ременных резисторов 6 и 7 , электри ческие выходные сигналы которых имитируют температуры стенки на поверхностях нагрева греющего теплоносителя и нагреваемого потока. Выходные сигналы переменных резисторов 6 и 7 подаются на входы включенных последо вательно RC -четырехполюсников 8, а два других полюса каждого RC -четырехполюсника 8 электрически связан с соответствующими полюсами RC-четы рехполюсников 8 предыдущих и последу ющих моделирующих блоков 1. Электрические выходные сигналы RC -четырехполюсников 8 имитируют температуры стенки на участках разбиения стенки в радиальном направлении. Одновреме но выходные сигналы переменных резисторов 6 и 7 и усилителей 2 и 3 подаются на соответствующие усилители 5 и 4. Выходные сигналы усилителей 5 и 4 имитируют соответственно, температуры лтреющего теплоносителя и нагреваемого потока на выходе -из участка разбиения теплообменного.аппарата и являются входными сигналами последующего моделирующего блока 1 устройства для моделирования. Работа всех последующих моделирующих блоков 1 осуществляется аналогичным образом , выходные электрические сигналы блока 1| устройства и-t у, и Uvy, имитируют изменения температур греющего теплоносителя и нагреваемого потока на выходе из теплообменного аппарата -Ь. и Vy, . При изменениях значений скоростей греющего теплоносителя и нагреваемого потока соответственно осуществляется изменение величин переменных резисторов б и 7 и ёмкостей конденсаторов ll«2L-i и HR , которые приводят к переходные/ процессам в электрических цепях моделирующих блоков 1 устройства и, следовательно , к изменению выходных напряжений, имитирующих температуры греющего теплоносителя и нагреваемого потока, на выходе из теплообменного аппарата. Изменение длины теплообменного аппарата, а следовательно. Длин участков разбиения теплообменного аппарата имитируется путем изменения величин переменных резисторов 9, 10 и 13, При исключении из устройства усилителей 2 и 4 и задания величины напряжения на входе в переменный резистор 6 , который имитирует температуру греющего теплоносителя, получается устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате с постоянной температурой греющего теплоносителя. При дальнейшем исключении кз устройства переменного резистора 6 и задания величины входного тока -i ,который имитирует тепловой поток, подводимый к стенке, г;о ;учается устройство для моделиров : i.H процесса теплопередачи в теплое лглемном аппарате с независимым подлзодсм тепла. Таким образомi устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате обеспечивает расширение функциональных возможностей и повьпп аие точности за счет введения Уп последовательно соединенных ЯС-четырехг(олк1СНиков 8 с одним конденсатором 18 в каждом из них и двух переменных резис торов 6 и 7 с соответствующими связями, что позволяет осуществить моделирование процесса теплопе.едачи с учетом теплопроводности теплопередающей стенки аппарата..

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАН ИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ, выполненное в виде h последовательно включенных моделирующих , содержащих по четыре масштабных операционных усэдлителя, в каждом нэ которых параллель- но резистору обратней связи включен переменный конденсатор задержки, входы первого и второго масштабных операционных усилителей являются одноименным входами моделируктгчёго блока, выходы первого и второго ма штабных операционных усилителей соединены с первыми входами соответственно третьего и четвертого масштабных операционных усилителей, выходы которых являются соот ветственно первым и вторым выходом моделйрукчдегчэ , блока, о т л и ч а ю щ е е д я тем, что, с целью повьЕгюния точности моде/1йрования, моделирующие блоки допол- . ннтельно содержат по два переменных резистора и т КО-четырехпогаоснАков, которые включены последовательно. первый полюс первоххэ RC-четырехполюсника через первый переменный резистор подключен к выходу первого масштабного операционного усилителя и яепосредственно соединен с вторым вхЬдом третьего масштабного операционного усилителя, вфорой полюс RO-четырехполюсника: через второй перемен-, ный резистор подключен к .выходу второго масштабного операционного усилителя и непосредственно соединен с ВТОР1ЫМ входом четвертого масштабного операционного усилителя, третьи и четвёртые полюсы RC-четкрехполюсников кгикдого моделирушцего блока соединены соответственно с четвертыми полюсаьш RC-четырехполюсников прешдуцего моделирушцего блока и третьими полюсами. RC-четырехполюсников по-2 следующего моделирующего блока. 2. Устройство по П.1, от ли ч ающ е еся тем, что RC -четырехполюсник содержит,конденсатор и четсорё резистора, одни которых объединены и через конденсатор соединены с шиной нулевого потенциала, а другие О5 выводы резисторов являются соответствующими полюсгши RC-четырехполюсниСХ) ка.