Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате Советский патент 1985 года по МПК G06G7/56 

I Изобретение относится к области аналоговой вычислительной техники и может быть использовано для моделирования процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку в теплообменном аппарате, в частност,, процесса тепломассообмена в теплоэнергетических аппаратах судовых энергетических установок. По основному авт, св. № 1067516 известно устройство, содержащее Т-об разные ЕС-четырехполюсники, выход и первьй вход первого из которых под ключены соответственно к первым входам первого и второго масштабных уси лителей, выходы которых соединены с входами делителя два операционных усилителя, в обратную связь каждого из которых включены параллельно соединенные резистор и переменный конденсатор, выход усилителя подключен к первому входу первого операционног усилителя, выход которого соединен с первым входом умножителяs второй вход которого соединен с первым входом умножителя, второй вход которого подключен к выходу третьего масштабного усилителя, выход умножителя соединен с входами квадратора, выход которого подключен к первом входу четвертого масштабного усилителя, вь ход которого соединен с входом функционального преобразователя, пятьш и шестой масштабные усилителя и вто рой Т-образный RC-четырехполюсник, причем выход второго операционного усилителя подключен к входам второго и пятого масштабных усилителей, выхо которого соединен с вторым входом первого масштабного усилителя, выход 4зункционального преобразователя соед нен с первым, входом второго Т-образного RC-четырехполюсника и через шестой масштабный усилитель подключен к второму входу второго масштабного усилителя и первому входу треть его масштабного усилителя, выход второго Т-образного КС-четырехполюсника соединен с вторьм входом третьего масштабногоусилителя, вход второге операционного усилителя является первым входом устройства; вторьич входом которого является второй вход первого операционного усилителя, вто рые входы Т-образньп : RC-четырехполюс-: НИКОВ являются третьим входом устрой ства, четвертым входом которого яв-. ляется второй вход четвертого масшта 02 ного усилителя, выход которого является выходом устройства, а также сглаживающий фильтр, два интегратора, шесть дополнительных масштабных усилителей, два дополнительных умножителя, дополнительньпг квадратор и дополнительный усилитель, выход которого подключен к первому входу первого дополнительного умножителя, выход которого соединен с первыми входами первого дополнительного масштабного усилителя и первого интегратора, выход которого через дополнительный квадратор подключен к первому входу второго дополнительного умножителя, выход которого соединен с вторым входом,первого интегратора, выход которого подключен к первому ззходу второго дополнительного масштабного усилителя, выход которого соединен с первьгм входом дополнительного усилителя, второй вход которого соеди- ; нен с выходом основного умножителя, с входом квадратора, с первым входом третьего дополнительного масштабного усилителя и с вторым входом второго дополнительного масштабного усилителя, третий вход которого соединен с выходом четвертого дополнительного масштабного усилителя, первьй вход которого является пятым входом устройства, шестой вход которого подключен к первому входу пятого дополнительного масштабного усилителя, выход которого соединен с вторым входом второго операционного усилителя и с входом сглаживающего фильтра, выход которого подключен к первому входу второго операционного усилителя j седьмой вход устройства соединен с вторым входом третьего дополнительного масштабного усилителя, выход которого подключен к входу второго интегратора5 выход которого соединен с вторым входом первого дополнительного масштабного усилителя, выход которого является вторым выходом устройства, первый выход которого подключен к второму входу четвертого дополнительного масштабного усилителя, осьмой и девятый входы устройства оединены соответственно с первым вторым входами шестого дополнителього масштабного усилителя, выход оторого подключен к второму входу торого дополнительного умножи:теля, ыход первого операционного усилитея соединен с вторым входом первого дополнительного умножителя и с треть им входом шестого дополнительного масштабного усилителя l J . Однако известное устройство не обеспечивает с достаточной точностью моделирование процесса передачи тепла в теплообменном аппарате, в котором происходит процесс перегреву паровой фазы нагреваемого потока, обра зовавшейся в результате фазового перехода среды при естественной циркуляции нагреваемого потока. Целью изобретения является повышение точности устройства для модели рования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате за счет учета перегрева пара, образовавшегося в результате фазового перехода нагреваемого потока при многократной циркуляции потока естественным путем Указанная цель достигается тем, что в устройство дополнительно введены масштабный усилитель, блок моделирования температуры в перегревательной части теплообменного аппарата, состоящий из масштабного резистора, накопительного конденсатора и переменного резистора, преобразователь напряжения в линейное перемещение и блок формирования обратной функции, выход которого подключен к входу преобразователя напряжения в линейное перемещение, выход которо го кинематически соединен с подвижным контактом переменного резистора, выход функционального преобразователя подключен к первому входу дополни тельного масштабного усилителя и к первому выводу переменного резистора второй выход которого .соединен с шиной нулевого потенциала, которая под ключена к первому выводу накопительного конденсатора, второй вывод кото рого соединен с подвижным контактом переменного резистора, с первым выво дом масштабного резистора и с вторым входом дополнительного масштабного усилителя, выход которого является выходом температуры перегретого пара устройства, второй вывод масштабного резистора соединён с первым входом устройства. На фиг. 1 и 2 дана схема предлага емого устройства. Устройство содержит операционные усилители 1 и 2, масштабные усилители 3-14, интеграторы 15 и 16, умножители 17-19, функциональный преобра зователь 24, квадраторы 20 и 21, делители 22 и 23, Т-образные четырехпог люсники 25 и 26, сглаживающий фильтр 27, дополнительный масштабный усилитель 28, блок 29 моделирования температуры в перегревательной части теплообменного аппарата, блок 30 формирования обратной функции, преобразователь 31 напряжения в линейное перемеи ение. Блок 29 состоит из масштабного резистора 32, переменного резистора 33 и накопительного конденсатора 34. Процесс теплопередачи от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку, при котором поток первоначально подогревается до температуры насьш ения, соответствукщей давлению среды, а затем происходит процесс фазового перехода среды при условии многократной циркуляции нагреваемого потока естественным путем, описывается следуюпдам образом. Экономайзерная зона подъемного канала Оэ (ie-Qa) (V3-e,1 гтсэ тэ iV9-4l 6, ;.-- 4V3-9,1 Испарительная зона подъемного канала (iSu ) iMs-eu 4о C, ,,( и( .«u u liuiQu-V5bW3 . D,(eu-Veieu Опускной канал AQon ) ел г- , p топ TOO V8 V5-bV3 on-Qon Vg-eo Vxpi-ej V,n -fT-M Пароводяной коллектор (13) .gVKglfgj (14) ,+k«ptK,ep.., (15) Звено формирования скорости цирку ляции нагревательного потока lo7c ,)1 iu9f-(16) (u,l. Математическое описание процесса передачи тепла от греющего теплоноси теля к нагреваемому потоку, которьй находится в виде паровой фазы, вслед ствие чего происходит перегрев данного пара, как известно, можно записать в виде следующей системы уравненийdS, Its-e i (,Vr,-6nl do Tg(,tl т,.,-.,, где Z - текущее время; X - координата длины; i. температуры греющего тепло носителя, потока и стенки в перегревательной части ,. „, теплообменного аппарата; - постоянные времени В некотором приближении сложный процесс теплообмена может быть разделен на два независимых процесса: движение частиц среды и собственно теплообмена. Тогда модель процесса в перегревательной части теплообменного аппарата может быть представлена в виде последовательного соединения моделей процессов: движения час тиц среды по половине длины перегревательной части аппарата, собственно теплообмена в средней точке и движения частиц среды по второй половине длины перегревательной части теплооб tieHHoro аппарата Математическое опи сание процессов в указанных моделях получается из системы уравнений (16) Тепловые величины

Температуры сред и сте

vig,0g,Vg,Vg ,9ц ,Q,T 5

,bV5,Qy..inl , Тепловое сопротивление

о о о о тэ1 тэг ) Ити2 )

, 1 ти 1 Чпг

Теплоемкость

С Гг

inng VnjimOM )-тпи

Тепловой поток

. Время : 11

Напряжение

,,U,,,U,,,Ue,,U, ..J

Сопротивление

(311 СЗЗЗ 1

(wi-.тэь 3«il Емкость

LC(3 -| Co4aV UH1(Э4гij Ток СП

Время 26 (17) при условии независимости процессов движения и теплообмена,Посколь-; ку временем транспортирования частиц паровой фазы нагреваемого потока можно пренебречь, то систему уравнений, описывающую процесс в перегревательной части аппарата, можно представить так d9n m-Qnl Nj«-e« гдеЬ.,и 15 - постоянные коэффициенты; теплоемкость теплопередающей стенки в перегревательной части теплообменного аппарата; ТН( 3 THj термические сопротивления теплообмену рассматриваемой части теплообменного аппарата. Таким образом, система уравнений (1) - (16), (19) - (21) составляет математическое описание процесса теплопередачи в твплообменном аппарате, в котором происходит первоначально подогрев нагреваемого потока до температуры насыщения, соответствующей давлению среды, фазовый переход среды при условии естественной циркуляции потока, а затем перегрев образовавшейся паровой фазы данного потока. Техническая реализация имитации процессов теплообмена в экономайзерной и испарительной зонах, опускном канале и перегревательной части аппарата, описания которых составляют уравнения (1), (2), (3), (8), (9), (10), (19)-(21), выполняется на основе электротермической аналогии при соблюдении следующих соответствий: Электрические величины При этом переменная величина термического сопротивления теплообмена в перегревательной части теплообменноге аппарата имитируется линейным потенциалом, движок которого перемещается электромеханическим следящим блоком. Имитация процесса массообмена, описываемого уравнениями (5)-(7), осуществляется в устройстве путем выполнения вычислительных операций с использованием масштабных операционных усилителей, делителя и умножителя . Процессы движения частиц потока в опускном канале и экономайзерной зоне (уравнение (11) , а также пере носа координаты конца длины экономай зерной зоны (уравнение (4) имитируются RC-схемами задержки с операционными усилителями, в обратную связь которых дополнительно включены переменные электрические емкости. Причем постоянные времени схем, следователь но, параметры их электрических эле1ментов определяются из условия, что Т RC, т.е. равно времени транспортирования частиц по длине зоны или канала. Имитация процесса в пароводяном коллекторе, описываемого уравнениями (12) и (13), выполняется в устройстве с помощью масштабных усилителей интегрирующего усилителя и умножителя. Имитация формирования скорости циркуляции нагреваемого потока (урав нение (16) ), давление потока (уравнение (14)) и температуры потока на линии насьпцения (уравнение (15)), осуществляется с использованием масштабных операционных усилителей, умножителей, квадраторов, функционал ного преобразователя и интегрирующего усилителя. Устройство работает следующим образом. При изменении величины входного напряжения U ,которое имитирует изменение температуры греющего теп,лоносителя, происходит изменение выходных напряжений Т-образных четырех полюсников 25 и 26 и входного напряжения блока моделирования температуры в перегревательной части теплообменного аппарата, которые имитируют изменение температур стенок соответственно в экономайзерной и испарител ной зонах и перегревательной части аппарата. Эти выходные напряжения соответственно подаются на входы масштабных усилителей 4, 6 и 28, . причем выходной сигнал последнего усилителя является вторым выходом устройства и имитирует температуру перегретого пара. Выходной сигнал усилителя 4 подается на выход делителя 22, выходной сигнал которого имитирует изменение длины экономайзерной зоны и подается на вход КС-схемы с включенным в нее операционным усилителем 2, имитирующим процесс транспортирования частиц потока по второй половине длины экономайзерной зоны. Электрические выходные сигналы усилителей 2 и 6 подаются на входы умножителя 17, выходной сигнал которого имитирует изменение расхода газообразной фазы на выходе испарительной зоны. Этот сигнал подается на входы делителя 22, квадратора 20, масштабных усилителей 8, 9 и блока 30 формирования обратной функции.. При этом выходной сигнал квадратора 20 подается на выход масштабного усилителя 12, выходной сигнал которого имитирует изменение давления среды в теплообменном аппарате. Данньш сигнал подается на входы масштабного усилителя 7 и функционального преобрйзователя 24, причем выходной сигнал последнего имитирует изменение температуры среды на линии насыщения и подается на входы Т-образного RC-четырехполюсника 26, блока 29 моделирования т-емпературы в перегревательной части теплообменного аппарата, масштабных усилителей 28 и 13, выходной сигнал последнего усилителя подается на входы масштабных усилителей 5 и 6. Одновременно выходной сигнал блока 30 подается на вход .преобразователя 31 напряжения в линейное перемещение, что вызывает изменение переменного резистора 33 и тем самым выходного напряжения блока 29 моделирования температуры в перегревательной части теплообменного аппарата. Все это вызьшает соответствующий переходный процесс в описанной части схемы устройства, который происходит до тех пор, пока полная схема устройства не войдет в равновесное состояние. Одновременно выходной сигнал усилителя 13 подается на вход 91 масштабного усилителя 14, выходной сигнал которого имитирует температуру среды в пароводяном коллекторе и подается на вход сглаживающего фильтра 27„ Причем выходной сигнал после него и выходной сигнал усилителя 14 подаются на входы КС-схемы с включен ньпч в нее операционным усилителем 1 имитирующим процесс транспортирования частип потока по опускному каналу и первой половине длины экономайзерной зоны. Выходной сигнал усилителя 15 который имитирует изменение температуры потока на входе в экономайзерную зону, подается на входы Т-образного RC-четырехполюсника 25, масштабньк усилителей 3 и 5, также вызывая соответствугощий переходньм процесс в описанной выше части схемы устройства для моделирования. Выходной сигнал делителя 23, на вход Которого помимо выходного сигнала умножителя 17 подается выходной сигнал масштабного усилителя 8, имитирует изменение величины истинного объемного,паросодержания на выходе из испарительной зоны и подается на вход умножителя 18. Выходной сигнал масштабного усилителя 7 подается на вхбд масштабного усилителя 8, на дру гой вход которого подается выходной сигнал интегрирующего усилителя 16. Причем выходной сигнал усилителя 8 имитирует изменение скорости газообразной фазы потока на выходе из испа рительной зонь и данный сигнал посту пает на вход делителя 23. На вход умножителя 18 поступает выходной сиг нал операционного усилителя 2, имити рующего изменение длины испарительной зоны, а также выходной сигнал Делителя 23, а выходной сигнал умножителя 18 поступает на вход масштабного усилителя 10 и интегрирующего усилителя 16, Причем на другой вход усилителя 10 поступает выходной сигнал масштабного усилителя 9 через ин егрирующий усилитель 15, а выходной сигнал усилителя 10 является вто рым выходом устройства и имитирует уровень пароводяной смеси в коллекто ре теплообменного аппарата. Выходной сигнал масштабного усилителя 11 поступает на вход умножителя 19, на второй вход которого поступает выход ;ной сигнал квадратора 21. Выходной сигнал умножителя 19 поступает на интегрирующий усилитель 16, вькод02ной сигнал которого имитирует изменение скорости циркуляции воды в тепло обменном аппарате и подается на входы квадратора 21, а также масштабного усилителя 8. Изменение напряжения Up на входе в масштабный усилитель 12, имитирующее изменение противодавления, на которое работает теплообменный аппарат, приводит к изменению выходного сигнала усилителя 12, имитирующего изменение давления нагреваемой среды, что вызывает переходный про- . цесс в схеме устройства. При этом работа схемы устройства происходит аналогично описанному вьш1е. Изменение сопротивлений резисторов 32(, 32 и 32, а также электрических емкостей конденсаторов обратной связи операционных усилителей 1 и 2 имитирует изменение скорости греющего теплоносителя. Указанные изменения сопротивлений и емкостей в устройстве приводят к переходным процессам, которые аналогичны описанным выше, в результате чего изменяются выходные напряжения, которые имитируют расход парообразной фазы нагреваемого потока, давление потока, температуры потока на линии насыщения, уровень пароводяной смеси в коллекторе, температуры пара на выходе теплообменного аппарата и т.д. Изменение напряжения Ug , на де в масштабный усилитель 9, которое имитирует изменение расхода питательной воды, приводит к изменению выходного сигнала усилителя 9, который через интегрирующий усилитель 15 поступает на вход масштабного усилителя 10. В результате изменяется выходной, сигнал усилителя 10, имитирующего уровень пароводяной смеси в коллекторе теплообменного аппарата. При исключении из схемы устройства входных сопротивлений 32, 32л и 32, и задания величины входного тока i , который имитирует тепловой поток, подводимый к стенке, получается схема устройства для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате с независимым подводом тепла. Таким образом, предлагаемое устройство для моделирования по сравнению с известным обеспечивает повьшение точности моделирования за счет введения масштабного усилителя, блока формирования обратной функции, преобразователя напряжения в линейнов перемещение, блока моделирования температуры в перегревательной части теплообменного аппарата,, состоящего j из масштабного резистора, накопительного конденсатора и переменного резистора, выполненного в виде линейного потенциометра, с соответствующими связями, что позволяет осуществить моделирование процесса теплопередачи в теплообменном аппарате с естественной циркуляцией нагреваемого потока с учетом процесса перегрева пара, образовавшегося в результате фазового перехода перегреваемого потока,

.

tsi I

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ по авт. св. № 1067516, отличающееся тем, что, с целью повышения его точности, в него введены дополнительный масштабньй усилитель, блок моделирования температуры в перегревательной части теплообменного аппарата, состоящий из масштабного резистора, накопительного конденсатора и переменного резистора, преобразователь напряжения в линейное перемещение и блок формирования обратной функции, выход которого подключен к входу преобразователя напряжения в линейное перемещение, выход которо -о кинематически соединен с подвижным контактом переменного резистора, выход функционального преобразователя подключен к первому входу дополнительного масштабного усилителя и к первому выводу переменного резистора, второй вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, которая подключена к первому выводу накопительного конденсатора, второй вывод которого i соединен с подвижным контактом переменного резистора, с первым выводом (Л масштабного резистора и с вторым входом дополнительного масштабного усилителя, выход которого является выходом температуры перегретого пара устройства второй вывод масштабного резистора соединен с первым входом устройства. 00 оо сь