Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате Советский патент 1984 года по МПК G06G7/56 

ваемого потока устройства соединен с вторым входом втоделителя и входами квадрарого

тора.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ, содержащее первый операционный усилитель, вход которого является входом задания начальной температуры потока устройства, а выход первого операционного усилителя через первый масштабный усилитель соединен с первым входом второго масштабного усилителя, второй вход которого соединен с первым полюсом первого Т-образного RC-четырехполюсника, второй полюс которого соединен с первым входом третьего мас1итабного усилителя, выход которого и выход второго масштабного усилителя соединены с соответствующими входами первого блока деления, выход которого соединен с первым входом второго операционного усилителя, второй вход которого является входом задания длины экономайзерной зоны устройства, вход задания противодавления которого является первым входом четвертого масштабного усилителя, подключенного вторым входом к выходу квадратора, выход четвертого масштабного усилителя является выходом задания давления среды устройства и через блок формирования полинома соединение входом пятого масштабного усилителя и первым полюсом второго Т-образного RC - четырехполюсника, второй полюс которого соединен с первым входом шестого масштабного усилителя, второй вход которого объединен с вторым входом третьего масштабного усилителя и подключен к выходу пятого мас1чтабного усилителя, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства за счет учета процесса перегрева паровой фазы, образовавшейся в результате фазового перехода нагреваемого потока, оно содержит третий Тобразный RC -четырехполюсник, седьмой, восьмой и девятый масштабные усилители, блок умножения, блок формирования натуральной показательной функции и второй блок деления, S вход которого подключен к выходу сл шестого масштабного усилителя, а выход соединен с первым входом седьмого масштабного усилителя, второй вход которого подключен к выходу второго операционного усилителя, а выход через блок формирования натуральной показательной функции соединен с первым входом бло ка умножения, выход которого соединен с первым входом В9сьмого мас ;о штабного усилителя, выход которого : является выходом выходной температуры потока устройства, выход блока ю ю формирования полинома соединен с первым полюсом третьего Т-образного RC -четырехполюсника, второй полюс которого соединен с вторым входом восьмого масштабного усилителя и первым входом девятого масштабного усилителя, второй вход которого подключен к выходу пятого маоитабного усилителя, а выход соединен с вторым входом блока умножения, вход задания температуры греющего теплоносителя устройства соединен с третьими полюсами всех . Т-образных RC -четырехполюсников , а вход задания скорости .нагре

Иэобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано для моделирования процесса передачи тепла от грегацеЕО теплоносителя к нагреваемому потоку в теплообменном аппарате, в частности процесса тепломассообмена в теплоэнергетических агрегатах судовых энергетических установок.. Известны устройства для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате, построенные на основе элек ротермической аналогии и выполненные в виде п последовательно соединенных модулирующих блоков и вычислительного блока, которые содержат мааптабные операционные усилители, Т-образные RC -четырехполюсники, усилители, делители, квадратор и функциональный преобразователь Щ . Однако данное устройство не обе печивает моделирование процесса передачи тепла отгреющего теплоно теля к нагреваемому потоку при усло виях что в одном теплообменном аппарате происходит подогрев потока до температуры насыщения, соответствующий давлению среды, процесс фа зового перехода среды, а затем пер грев образовавшейся газообразной ,фазы потока. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплоо бменном аппарате, содержащее пе вый операционный усилитель, вход ко торого является входом задания начальной температуры потока устройства, а выход первого операционного усилителя через первьой масштабный усилитель соединен с первым входом второго маа.чтабного усилите ля, второй вход которого соединен с первым полюсом первого Т-образного RC -четырехполюсника, второй полюс которого соединен с первым входом третьего MacLjTa6Horo усилит ля, выход которого и выход второго масштабного усилителя соединены . с соответствующими входами блока деления, выход которого соединен с первым входом второго операционного усилителя, второй вход которо го является входом задания длины экономайзерной зоны устройства, вход задания противодавлеиия которого является первым входом четвертого масштабного усилителя, подключенного вторым входом к выходу квадратора, выход четвертого масштабного усилителя является выходом зада.ния давления среды устройства и через блок формирования полинома соединен с входом пятого масштабного усилителя и первым полюсом второго Т-образного RC -четырехполюсника, второй полюс которого соединён с первым входом шестого масгчтабного усилителя, второй вход которого объединен со вторым йходом третьего масштабного усилителя и подключен к выходу пятого масютабного усилителя 2 . Известное устройство с высокой точностью имитирует процесс передачи тепла от греюсдего теплоносителя к нагреваемому потоку в аппарате, в котором происходит подогрев среды до температуры насыщения соответствующей давлению среды, а/ затем процесс фазового перехода нагреваемого потока, и реализовано на основе электротермической аналогии. Однако известное устройство не обеспечиззает моделирование процесса передачи тепла в теплообменном аппарате, когда в одном теплообменнике происходят не только процессы подогрева нагреваемого потока до температуры насыдения и фазового перехода среды, но и перегрев паровой фазы, образовавшейся в результате фазового перехода нагреваемого потока. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет учета процесса перегрева паровой фазы, образовавшейся в результате фазового перехода нагреваемого потока. Указанная цель достигается тем, что устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате, содержащее первый операционный усилитель, вход которого является входом задания начальной температуры потока устройства, а выход первого операционного усилителя через первый мас11табнь й усилитель соединен с первым входом маоитабного усилителя, второй вход которого соединен с первым полюсом первого Т-образного RC -четырехполю ника, BTQpoft полюс которого соединен с первым входом третьего масштабного усилителя, выход которого и выход второго масштабного усилителя соединены с соотвётствукщими входами первого блока деления, выход которого соединен с первым входом второго операционного усилителя, второй вход которого являет;СЯ входом задания длины экономайэерной зоны устройства, вход задания противодавления которого являет ся первым входом четвертого масштаб ного усилителя, подключенного вторым входорЯ к выходу квадратора, выход четвертого масштабного усилителя является выходом задания давлени среды устройства и через блок формирования полинома соединен с входо пятого масштабного усилителя и первым полюсом второго Т-образного RC -четырехполюсника, второй полю которого соединен с первым входом шестого маачтабного усилителя, второй вход которого объединен с вторым входом третьего масштабного уси лителя и подключен к выходу пятого масштабного усилителя, содержит тре тий Т-образный RC -четырехполюсник, седьмой, восьмой и девятый .масштабные усилители, блок умножения, блок формирования натуральной показатель ной функции и второй блок деления, вход которого подключен к выходу шестого масштабного усилителя, а выход соединен с первым входом седь мого масштабного усилителя, второй вход которого подключен к В1,1ХОДУ второго операционного усилителя, а выход через блок формирования натуральной показательной функции соединен с первым входом блока умножения, выход которого соединен с первым входом восьмого масглтабного уси лителя, выход которого является выходом выходной температуры потока устройства, выход блока формиров ния полинома соединен с первым полюсом третьего Т-образного RC -четыр полюсника, второй полюс которого соединен с вторым входом восьмого масштабного усилителя и первым входом девятого масштабного усилителя, второй вход которого подключе к выходу пятого масштабного усилителя, а выход соединен с вторым вхо дом блока умножения, вход задания температуры греющего теплоносителя устройства соединен с третьими полюсами всех Т-образных RC-четырехполюсников, а вход задания скорости нагреваемого потока устройства соединен с вторым входом второго делителя и входами квадратора. На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства, Устройство содержит операционные усилители 1 и 2, масштабные усилители 3 - 11, блок 12 формирования полинома, блок 13 формирования натуральной показательной функции, блоки.14 и 15 деления, блок 16 умножения, квадратор 17 и Т-образные RC -четырехполюсники 18 - 20. Т-образные RC -четырехполюсники 18 - 20 содержат соответственно резисторы 21 -21-3 и 22д- 22а и конденсаторы 23 д - 23з . Процессы, протекающие в экономайзерной зоне теплообменного аппарата, описываются системой уравнений ,ги Мз1г- -|), , У°э-у . f2) тэ Э1 Сгг,,,Йтэ leu.e«Hti e-&U -T-). f где tg , Vg , б, Vg - температуры грегацего теплоносителя, потока и стенки в экономайзерной зоне, а также температура на линии насыщения; Сп, - теплоемкость объема теплопере дающей стенки экономайзерной зоны; t - текут-дее время ; R-,, Ятэ термические сопротивления теплообмену теплоносителя и потока в зкономайзерной зоне; 4 - ПОСТОЯННЫЙ коэффициент; 9 )бп длины зон теплообменного аппарата. При условии, что в испарительной зоне рассматриваемого теплообменного аппарата происходит полное испарение жидкой фазы нагреваемого потока, а длина этой зоны имеет переменную величину, математическое описание процесса в испарительной зо- не аппарата имеет-вид iQu is-Qu s-®u та Tul р ь,. : , ,Ve,, где иц - температура стенки в зоне; теп.аэемкость объема теплопередающей стенки испарительной зоны; f3i ,ти-Г термические сопротивления теплообмену в испарительной зоне; СЭэ - скорость нагреваемого потока на входе в теплообменный аппарат; i- постоянный коэффициент. Математическое описание процесса передачи тепла от грекщего теплоносителя к газообразной фазе потока, образовавшейся в результате фазового перехода нагреваемой среды, в пе регревательной зоне, можно представить системой уравнений: 1 blin+ V® (2) At T,(t) 7.,(t) ., где X - координата длины; температуры соответственно греющего теплоносителя и стенки в перегревательной зоне; CiJn- скорость потока в зоне; - постоянные времени. В некотором приближении сложнз й процесс теплообмена в перегревател ной зоне теплообме нного аппарата, также как процессы теплообмена и тепло-массобмена в экономайзерной и испарительной зонах, может быть разделен, на два независимых процесса движения частиц среды и собстве но теплообмена. Тогда модель процесса а перегревательной зоне тепло обменного аппарата может быть представлена аналогично моделям процессов в экономайзерной и испарител ной зонах в виде последовательного соединения моделей процессов: движе ния частиц среды по половине длины зоны собственно теплообмена в средней точке и движения частиц среды по второй половине длины зоны. Причем математическое описание процессов в модели получается из исходной системы уравнения (8) - (9) при условии независимости процессов движения и теплообмена. При условии отсутствия процесса теплообмена из системы уравне-. НИИ (8) - (9) получаются уравнения описывающие процесс движения частиц среды в модели перегревательной зоны, которые представляют собой уравнения транспортного запаздывания. Поскольку временем движения частиц по половине длины перегревательной зоны можно пренебречь, то звенья транспортирования частиц потока могут быть исключены из модели зоны. Математическое описание процесса собственно теплообмена в перегревательной зоне также получается из исходного описания процесса (8) при условии, что временем движения сред можно пренебречь. Тогда, проведя некоторые преобразования полученных систем уравнений, математическое описание процесса в перегревательной зоне получим в следую щем виде: miiiT)i С Vn-enHVs-6« expt-b ), гдeЬ| гk e безразмерный коэффициент SK температуры соответствен но потока и стенки в перегревательной зоне; теплоемкость объема TeniJo передающей стенки в зоне; термические сопротивлеттш2ния теплообмена в зоне; постоянный коэффициент. Таким образом, система уравнений () - (7), :(10) - (11) составляет математическое описание процессов в отдельных зонах теплообменного аппарата. Для получения полного математического описания процессов в аппарате указанную систему уравнений необходимо дополнить уравнениями давления потока и его температуры на линии насыщения, которые имеют вид + РП, s-iCPb гдеВц ОЗ, .- расход газообразной фазы нагреваемого потока на вьлходе из испарительной зоны; постоянный коэффициент; рп - противодавление, на которое работает теплообменный аппарат; k Лэ постоянные коэффициенты; со 9 скорость нагреваемого потока на входе в теплообменный аппарат. Процессы движения частиц потока в экономайзерной зоне (уравнение 1) и переноса координаты конца длины этой зоны (уравнение 4) имитируются в устройстве электрическими RC схемами задержки с операционными усилителями, в обратную связь которых дополнительно включены переменные электрические емкости. Причем постоянные времени схем, а следовательно, параметры их электрических элементов определяются из условия, что , т.е. равно времени транспортирования частиц по длине зоны. Техническая реешизация имитации процессов теплообмена в экономайзерной, испарительной и перегревательной зонах, описания которых составляет уравнения (2) - (3), (5), (10) - (И) выполняются на основе электротермической аналогии при соблюдении следуквдих соответствий: Электрические Тепловые величины величины Температуры средНапряжение и стенкиUt5 9 vэ,Uv,sЛ ЧЛ,9,,6®и.п,,Uen Тепловое сопро-Сопротивление тивлениеRi,P2.«3,R4,R.i5,«3 ТЭ1 Tj7 тинЙти Ктп7 Емкость Теплоемкость iin .Cj Тепловой поток Устройство работает следую1им образом. Изменение температуры греющего теплоносителя имитируется изменени величины входного напряжения , которое подается на вход Т-образны RC -четырехполюсников 18 - 20, а И выходные сигналы, имитируюсше изме нения температур стенок экономайзерной, испарительной и перегревательной ЗОИ, подаются соответствен но на входы маачтабных усилителей 3, 6, 8 и 9. Причем выходной сигна усилителя 3 подается на вход блока 14 деления, а его выходной сигнал, имитирующий изменение длины экономайзерной зоны, подается на вход операционного усилителя 2, который осуществляет имитацию процесса движения частиц потока по второй половине длины экономайзерной зоны Электрический выходной сигнал усилителя 6 подается на вход блока 15 деления, а его выходной электричес кий сигнал усилителя 2 подается на вход маойтабного усилителя 7. Элек трический выходной сигнал усилителя 7 подается на вход блока 13 фор мирования натуральной показательно функции и через блок 16 умножения на вход масштабного усилителя 9, выходной сигнал которого имитирует изменение температуры среды на выходе из теплообменного аппарата. Изменение температуры потока на входе в теплообменный аппарат имитируется изменением величины входного напряжения Uy которое подается на вход операционного уси лителя 1, осуществлянвдим имитацию движения частиц потока по первой половине длины экономайзерной зоны Выходной сигнал усилителя 1 подается на входы Т-образного RC -четырехполюсника 18 и масштабных усилителей 4 и 5. Причем выходы RC - четырехполюсника 18 и усилителя 5 подаются на входы масштабного усилителя 3, а выходы последнего и масштабного усилителя 4 подаются на вход блока 14 деления. Выходной сигнал блока 14 деления, имитирующий изменение длины зоны, подается на вход операционного усилителя 2, который осуществляет имитацию процесса движения частиц потока по второй половине длины экономайзерной зоны. Электрический выходной сигнал усилителя 2 подаетс я на вход масгчтабного усилителя 7, вьлходно сигнал которого имитирует изменение длины перегревательной зоны. Выходной сигнал усилителя 7 подается на бдоки 13 формирования натуральной показательной функции и через блок 16 умножения на вход масштабного усилителя 9, выходной сигнал которого имитирует изменение температуры среды на выходе из теплообменного аппарата. Изменение противодавления, на которое работает теплообменный аппарат, имитируется изменением напряжения ирн на входе в масштабный усилитель 10, выходной электрический сигнал которого имитирует изменение давления среды и подается на вход блока 12 формирования полинома. Выходной электрический сигнал блока 12 подается на входы Т-образных RC -четырехполюсников 19 и 20 и через масштабный усилитель 11 на входы масштабных усилителей 4 и 6. При этом вызывается изменение выходного сигнала блока 14 деления имитирующего изменение длины экономайзерной зоны, выходного сигнала блока 15 деления, имитирующегоизменение длины нспарительной зоны. В результате происходит изменение выходного сигнала усилителя 7, который имитирует .длину перегревательной зоны, и через блок 13 форми1эования натуральной показательной функции блок 16 умножения и масштабный усилитель 9 вызывает изменение выходной температуры потока VM. Изменение скорости нагреваемого потока имитируется изменением величин сопротивления резисторов 22, и 22 соответственно Т-образных RC-четырехполюсников 18 и 20 И величин емкостей в цепях обратных связей соответственно операционных усилителей 1 и 2, которые приводят к переходным процессам, описанным выше, а также изменением величины напряжения (Jto9 .которое подается на

входы блока 15деления и квадратного 17. При этом изменяется выходной сигнал блока 15 деления, имитирующий длину, испарительной зоны, что вызывает в конечном счете изменение температуры потока на вькоде из теплообменного аппарата. С другой стороны, изменение выходного электрического сигнала квадратора 17 приводит к изменению давления среды в аппарате, следовательно, температур среды на линии насыс ения, что приводит к изменению температуры потока на выходе из теплообменijoro аппаратаУц.

Изменение скорости грею11его теплоносителя имитируется изменением величин сопротивления резисторов .214, 2151, 21- соответственно Т-образных RC-четырехполюсников 18 - 20, что приводит к переходным процессам в устройстве и, следовательно, к изменению напряжения, имйтирунщего температуру нагреваемого потока на выходе из теплообменного аппарата.

При исключении из схемы устройст ва резисторов 214, 21 и 21 соответственно, Т-образных RC-четырехполюсников 18 - 20 и задания величины входного тока , который 5 имитирует тепловой поток, подводимый к стенке, получается схема устройства для моделирования процес са теплопередачи в теплообменном аппарате с независимым подводом теп0 ла.

Таким образом, предлагаемое уст-ройство для моделирования по сравнению с прототипом обеспечивает рас ширение функциональных возможностей

5 за счет введения одного Т-образного. RC - четырехполюсника, трех масштабных усилителей, одного, блока деления и блока формирования натуральной .показательной функции, с

0 соответствующими связями, что позволяет осуществить моделирование процесса теплопередачи с учетом про цесса перегрева паровой, фазы, образовавшейся в результате фазово5 го перехода нагреваемого потока.