Способ контроля эффективности противонакипной обработки воды Советский патент 1986 года по МПК C23F14/00 C02F5/00 G05D27/00 

1

Изобретение относится к теплоэнер гетике, а именно к способам контроля эффективности противонакипной обработки воды в системах охлаждения теплоэнергетических установок и двигателей внутреннего сгорания.

Цель изобретения - повышение точности и достоверности оценки эффективности противонакипной обработки воды.

На фиг. 1 изображена схема реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - зависимость противонакипно- го эффекта от времени воздействия магнитного поля и скорости потока воды при постоянном значении напряженности поля и градиента напряженности; на фиг. 3 - зависимости пульсаций давления воды в теплообменном аппарате и выходного напряжения фильтра; на фиг. 4 - схема измерителя разности фаз и вычислительного устройства.

Теплообменный аппарат как гидравлический элемент можщо рассматривать с достаточной степенью точности в виде системы с сосредоточенными параметрами, так как размеры тепло- обменных аппаратов для большинства объектов, как правило, намного меньше минимальной длины акустических волн. На основании этого передаточную функцию теплообменного аппарата можно представить в виде

v(s)

Р.Сб:)

Р, (5)

ТА

где;Р,(8) и ) - изображения по

Лапласу относительных величин отклонений давле НИИ воды на входе и выходе теплообменного аппарата;

К и Т - коэффициент передачи и постоянная времени теплообменного аппара та.

При равных величинах гидравлических сопротивлений входа и выхода теплообменного аппарата выражение для постоянной времени можно записать в виде

T,,.(2R,R),

l2)

31082

где гидравлическое сопротивление собственно теплообменного аппарата;

5 Кц и OU - коэффициент пропорциональности и диаметр эффективного проходного сечения теплообменного аппарата;

10 т гидравлическое сопротивление входа и выхода аппарата;

V С р-г гидравлическая емкость

теплообменного аппарата;

УЖ - объем воды в аппарате; С - скорость звука в воде. Из уравнения (2) видно, что изменение постоянной времени теплообменного аппарата дТ пропорционально изменению его гидравлического сопро15

20

тивления дК(, т.е. uT,(t) |aRo(t).

(3)

При этом величину гидравлической емкости С можно с достаточной степенью точности считать величиной постоянной, так как объем образующейся накипи намного меньше объема воды в теплообменном аппарате.

Следовательно, для оценки эффективности противонакипной обработки., воды достаточно на заданном интервале времени определить величину отно- 5 сительного отклонения постоянной времени от исходного значения

ТтА(1 ЛА-Ц-Ттл(0

SL

TtAlt;)

(4)

40

где t. и it- исходный момент вре«

5 Tr,(t; + it)

мени и промежуток времени, через который производится контроль соответственно;

- исходное и определяемое значения постоянной времени, соответственно,

Если сравнить величину S Тд с за- 50 данной, например, равной единице, то показатель эффективности противонакипной обработки можно записать в виде

0(1-8Тт,) 100й.(5)

55

Для определения значения TT в контролируемые моменты времени используют фазовую частотную характеристику, соответствующую заданной

31

частоте синусоидальных колебаний давления воды со W в теплообменном аппарате. Для звена, описьгоаемого уравнением вида (1),- значение величины постоянной времени можно определить из выражения

T,.(i,.,

СОл

(&V

где у(Мд, t) - величина разности

.фаз пульсаций давления воды между входом и выходом теплообмен- ного аппарата.

С учетом выражения 6) выражение 4) можно представить в виде

St .

/ V tgy(w,.t;)

()

Из выражений (7) и (5) следует/ что контроль эффективности противо- накипной обработки заключается в измерении разности фаз у (ы, t) между входом и выходом теплообменного аппарата через заданные промежутки времени it при фиксированной частоте со сОд, определении величшат тангенса измеренного сдвига фаз tgyCcJg, ) и его относительного отклонения от исходного значения, равного (W, t;), сравнении полученного отклонения 5Тт„ с заданным например, равным единице, и определении эффективности обработки воды по результатам сравнения. Требуемая точность и достоверность оценки эффективности противонакипной обработки достигается путем выбора за- / данного значения частоты пульсаций давления со Wo, а также путем выбора периодичности контроля, т.е.. выбора значения промежутка/времени ut.

Схема содержит теплообменный аппарат 1, измерители 2 и 3 давления, фильтры 4 и 5, измеритель 6 разности фаз и вычислительное устройство 7.

Измерители 2 и 3 давления подключены на входе и выходе теплообменного аппарата 1 соответственно. Выходные сигналы измерителей 2 и 3 дав1ления представляющие собой достаточно широкие спектры колебаний давления воды, обусловленных работой различных элементов теплоэнергетических установок (например, насосов или поршней в двигателях внутреннего сгорания и т.п.), подаются на вхо31082

ды фильтров 4 и 5 соответственно. Фильтры 4 и 5 пропускают колебания заданной частоты ад разность фаз между которыми фиксируется измерите- с лем 6, сигнал с выхода измерителя 6 разности фаз поступает на вход вычислительного устройства 7, в котором эпределяются значения тангенса измеренной разности фаз и относитель- )0 кого его изменения от значения, соответствующего исяодной разности фаз, а также производится сравнение этого изменения с заданным значением.

J5 Способ осуществляется следулицим образом.

В контролирующий момент времени t tj+At измерители 2 и 3 давления формируют сигналы, спектры которых 20 включают изменения амплитуды и час- TOTbt пульсаций давления в достаточно широком диапазоне, равном полосе пppпy. используемых измерителей давления. Фильтры 4. и 5 выделяют из изме-. 25 ренных сигналов гармонические сигнаЛы с частотой, равной заданному значёнйо

0

&) (Up. На вход измерителя 6 подаются сигналы, сдвинутые по фазе на величи- иу If (ц,/ t{+4t), которая измеряется в нем. Информация о значении изме5

0

ренной разности фаз у (Мд, ) поступает на вход вычислительного устройства 7, которое определяет величину tgjfCujp, t; + at) и относитель- ную величину ее отклонения от исход- ного значения величины тангенса исходной разности фаз, измеренной в момент времени , т.е. в момент времени предыдущего контроля разности фаз.

Если в теплообменном аппарате происходит отложение накипи, то это сопровождается соответствующим увеличением его гидравлического со- противления RQ, изменение которого будет согласно выражениям (2) и (3) приводить к изменению постоянной .времени Т , а следовательно, и из- , меряемой разности фаз у (бэ, t ). В результате на выходе вычислитель ного устройства формируется информация об эффективности противонакипной обработки воды, в зависимости от величины которой производят изменение интенсивности обработки воды. При

5 этом требуемая точность и достоверность оценки эффективности противонакипной обработки воды зависит от выбора значений заданной частоты ы и

заданного значения относительного отклонения постоянной времени теп- лообменного аппарата 5Tf 0+8T(t) Поскольку выражение (1) справедливо для низкочастотных колебаний давле- НИН потока жидкости, находящихся в интервале изменения частот, равном О «: Од , то наиболее высокая точность предлагаемого способа может быть достигнута в интервале зна чений 0,6ы„р, «о-: 0,, т.е. в интервале ЗООс ссО(, AOOcV

Пример. Способ может быть реализован в системах отхлаждения теплоэнергетических установок, таких как паровые котлы и двигатели внутреннего сгорания.

Рассматривают вариант реализации способа для двигателя внутреннего сгорания типа К-770,

Противонакипную обработку воды ведут, применяя либо различные химические средства, либо воздействуя на воду магнитным полем. Качество процесса противонакипной обработки воды магнитным полем зависит от ряда параметров, главные из которых - напряженность Н и градиент напряженности ЛН магнитного поля, длительност воздействия магнитного поля l , ско- рость потока вода V и начальная жесткость воды Ж. Оценку качества обработки воды обычно проводят с. помощью величины противонакипного эффекта ПЭ

ПЭ

SiS.,oo.

(8)

где Н - количество накипи, образовавшейся из необработанной воды;

М - количество накипи, образовавшейся из обработанной воды.

Характер функциональной зависимости ПЭ от величины Н, аН, -t , V, Ж, как правило, нелинеен. На фиг. 2 показаны линии равного противонакипного эффекта, полученные при обработке воды магнитным полем, напряженность которого Э, а градиент напряженности Э/М.

На осциллограмме (фиг. 3) показаны пульсации давления воды на входе в теплообменник в системе охлаждения дизеля К-770 с частотой 25 и 75 Гц. На эти частоты должны быть настроены фильтры, включенные на выходах измерителей давления. В качестве из0

5

5

0

0

5

мерителей давления используются измерители с электрическим выходом (тензодатчики, тензолиты, датчики контактного сопротивления , пьезо- резисторы). Напряжение на выходе измерителей давления йо форме повторяет форму кривой пульсаций давления, показанных на фиг. За . На выходе фильтров, настроенных на частоту 75 Гц, постоянная составляющая сигнала отсутствует, а переменная составляющая сигнала имеет вид синусо- иды, показанной на фиг. 3. Сигналы с выходов фильтров поступают на входы измерителя фазы. На фиг. 4 показаны формирователи 8 и 9 импульсов, сигналы на выходах которых : ются в момент перехода входных еину- соидальных напряжений Upg и через нулевую фазу, RS-триггер 0, первый Т-триггер (триггер со счетным входом) }1, второй Т-триггер 12, одновибратор 13, фильтр 14 низких частот, нелинейный преобразователь

15,аналого-цифровой преобразователь

16,первая схема И 17, вторая схема И 18, сумматор-вычитатель 19, выходная схема И 20, дешифратор 21, выходной сигнал 22.

Выходы формирователей 8 и 9 импульсов присоединены к входам.RS- триггера 10 так, что выход формирователя 8 присоединен к записывающему единицу входу триггера, а выход формирователя 9 присоединен к записьша- Ющему нуль входу триггера, выход RS- , триггера 0 присоединен к входу первого Т-триггера и к входу фильтра низких частот, выход фильтра 4 низких частот присоединен к входу нелинейного преобразователя 15, выход которого присоединен к входу аналого- цифрового преобразователя 16.-Выход аналого-цифрового преобразователя 1 б присоединен к первым входам первой 17 и второй 18 схемы И, второй вход схемы И I7 присоединен к запи- сывающему единицу выходу первого Т-триггера П. и входу второго Т-триг- гера 12, третий вход схемы И 17 и третий вход схемы И 18 присоединен

к записывающему единицу входу второго Т триггера 12, второй вход второй схемы И 18 присоединен к записывающему нуль выходу первого Т-триггера 1I. Записывающий нуль выход второго Т-триггера 12 присоединен к входу одновибратора 13 и к первому входу

7I

выходной схемы И 20, второй вход ко- торой присоединен к входу сумматора- вычитателя 19, суммирующий вход которого присоединен к выходу первой схемы И 17, вычитающий вход присоединен к выходу второй схемы И 18, а установочный вход присоединен к выходу одновибратора 13. Выход вы- ходкой схемы И 20 присоединен к входу дешифратора 21, выход 22 которого является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

В момент появления импульса с выхода формирователя 8 импульсов триггер 10 перебрасывается в единичное состояние, вызывая тем самым переброс в единичное состояние триггеров

11и 12. В момент появления импульса с выхода формирователя 9 импульсов триггер 10 перебрасывается в нулевое :остояние, а триггеры I и 12 остаются в единичном состоянии. Чем больше разность фаз между пульсациями давления на входе и выходе из теплооб- менного аппарата, тем больше времени на выходе триггера 10 имеется единичный сигнал. В фильтре 14 низких частот импульсный сигнал с выхода триггера 10 преобразуется в потенциальный сигнал, величина напряжения на выходе фильтра 14 низких частот пропорциональна фазовому сдвигу между пульсациями давления. Напряжение с выхода фильтра 14, пропорциональное

величине угла, в нелинейном преобразователе 15 преобразуется в напряжение, пропорциональное величине тангенса этого угла, а в аналого-цифровом преобразователе I6 преобразуется в эквивалентный ему цифровой код. Так как триггеры Пи 12 находятся в единичном состоянии, то через схему И 1.7 этот цифровой код записывается сумматором-вычитателем.

Приход очередного импульса с выхода формирователя 8 импульсов вновь переводит триггер 10 в единичное состояние. При этом триггер 11 перехо-, дит в нулевое состояние, а триггер

12остается в единичном состоянии. Изменение состояния триггера 11 вы- зьшает переключение схемы И 17 и 18, схема И 17 запирается, а схема И 18 отпирается. Появление сигнала с выода формирователя 9 импульсов вы- зьшает очередной переброс триггера 10 в нулевое состояние и измерение

20

2

31082 8

соответствующего фазового угла. Триггер I1 остается при этом в нулевом состоянии, а триггер 12 - в единичном. Измеренная триггером 10 5 длительность фазового угла после преобразования в фильтре 14 низких частот, нелинейном преобразователе 15 и аналого-цифровом преобразователе 16 через вторую схему И 18

10 подается на вычитающий вход суммато- ра-вычитателя 19, в котором производится вычитание записанного ранее числа. Если оба фазовых угла одинаковы, то на выходе сумматора-вычита15 теля сигнал отсутствует. Если же в системе охлаждения начинает откладываться накипь, то растет постоянная времени теплорбменного аппарата (формулы (2) и (3)). При этом начинает увеличиваться фазовый сдвиг между пульсациями давления. Это означает, что в каждый очередной замер значение угла фазового сдвига увеличивается, растет и цифровой код, записанный в аналого-цифровом пре- образователе. Так как вычитаемое чис- ло больше уменьшаемого числа, то в сумматоре-вычитателе 19 появляется

число минус единица. В этот момент времени на выходе сумматора-вычита- теля появляется сигнал, который по- ступает на выходную схему И 20. В ;момент прихода очередного (по счету ; третьего) импульса с выхода формиро5 вателя 8 импульсов триггер 10 вновь переходит в единичное состояние, триггер 11 перебрасьшается в единичное состояние, а триггер 2 - в нулевое. Появление сигнала на нулевом выходе триггера 12 обеспечивает срабатывание выходной схемы И 20 и срабатывание дешифратора 21, сигнал на выходе 22 которого тем больше, . чем больше разница фазового угла. Спустя время, необходимое для надежного срабатывания схемы И 20 и дешифратора 21, появляется сигнал на выходе одновибратора 13, который устанавливает сумматор-вычитатель 19 в исходное состояние. Схема устройства готова к выполнению своих функций. Измерение угла начинается с поступлением пятого импульса с вьпсода формирователя 8 импульсов. Приход

5 пятого импульса вызывает срабатывание тех же элементов, что и приход первого, а приход шестого аналогичен приходу второго импульса.

30

0

5

0

у

Восьмой импульс выэьшает переход cxei-fbi в исходное состояние, далее работа повторяется. В качестве формирователей 8 и 9 импульсов исполь- зованы триггеры Шмитта.

В качестве одновибратора может быть применен ждущий мультивибратор В качестве фильтра 14 низких частот применен низкочастотный С-фильтр. В качестве нелинейного преобразователя 15 использована диодная матрица, реализующая функцию отношения тангенсов разностей фаз.

Применение для контроля качества обработки воды фазовых методов повышает точность определения степени засорения теплообменников, так как результат измерения не сказьгааются такие показатели режима работы теп- лообмённого аппарата как его производительность, напор и т.п. Для повь

3108210

шения toчнocти необходимо увеличить заданное значение частоты пульсаций давления WQ , так, чтобы иметь возможность с приемлемой точностью за- 5 фиксировать величину фазо1Вого сдвига пульсаций давления между входом и выходом теплообменного аппарата. Для звена, описываемого уравнением (1), выражение для фазовой частотной ха- 10 рактеристики имеет вид

У {Q,. t)- - arctg TT« (t).to. (9) Из уравнения (9) следует, что требуемая точность определения величины У ((Од, t) определяется выбором вели- 15 чины й).

Использование изобретения обеспе- . чивает возможность исключения преждевременного выхода из строя тепло- обменных аппаратов, а также продление 20 ресурса работы и эффективность их использования . .

0.7 0.6 0,9 W и 12 з ; ff ff/c

iftf/ff. 2

ЛГ«

ИГ 9яВ

J8

.3

t/fs,

8

Редактор E. Копча

Составитель A. Попов

Техред И.Попович Корректор И. Эрдейи

Заказ 2526/31Тираж 878 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4