Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате Советский патент 1980 года по МПК G06G7/56 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИЮВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ

I

Изобретение относится к аналоговой вьгчйслительной технике и может быть использовано для моделирования процесса передачи теп-, па от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку в теплообменном аппарате, в частности процесса тепло-массообмена в теплоэнергетических агрегатах судовых энергетических установок.

Известно устройство для моделирования процесса теплопередачи в кипятильном теплообменном аппарате, реализованное в виде последовательно соединенных RC-звеньев, которые на основе электротермической аналогии имити-, руют процесс теплопередачи в да1гаом аппарате 1.

Однако это устройство не обеспечивает точного моделирования процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку, претерпевающему фазовое превращение, так как имитация процесса фазового перехода теплоносителя на испарительном участке теплообменного аппарата осуществляется косвенным путем через имитацию процесса нагрева двухфазного теплоносителя. При этом принимается условие идеального перемещивания двухфазной среды в объеме и тем самым не учитывается распределенность параметров и дополнительно снижается точность воспроизведения процесса в устройстве для моделирова1ШЯ.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является устройство, имеющее своей целью точное воспроизведение процесса передачи тепла от греющего теплоносителя

10 к нагреваемому потоку в теплообменном аппарате, построенное на основе электротермической аналогии и выполненное в виде 1 последовательно соединенных модулирующих блоков 12.

15

Однако это устройство не позволяет имктировать процесс теплопередачи в теплообменном аппарате, если нагреваемый теплоноситель претерпевает фазовое превращение, которое имеет место в ряде технических устройств, на20пример парогенераторах и котлах.

Целью изобретения является обеспече1ше возможности воспроизведения процесса теплопередачи в теплообменном аппарате при наличии фазового перехода нагреваемого теплоносителя. Для достижения этой цели в устройство для моделирования процесса теплопередачи в тепло обменном аппарате, выполненное в виде и последовательно включенных блоков моделирования участков теплообменного аппарата, каждый из которых содержит четыре операционных усилителя, выход каждого из которых через резистор и переменный конденсатор соединен с входом этого операционного усилителя, и RC-четырехлолюсник, причем в каждом блоке моделирования участков теплообменного аппарата выход первого операционного усилителя подключен к первому входу 8С--четырехполюсника, а входы первого и второго операционных усилителей каждого последующего блока моделирования участка теплообменного аппарата подключены соответственно к выходам третьего и четвертого операционны усилителей предыдущего блока моделирования участка теплообменного аппарата, в каждом из которых выход первого операционного усилителя соединен с первым входом третьего операционного усилителя, второй вход которог подключен к выходу RC-четырехполюсника, дополнительно введен вычислительный блок, а в каждый блок моделирования участка теплообменного аппарата дополнительно введены три масщтабирующих усилителя, умножитель и усилитель, причем выход R С-четырехполюсника соегщнен с первыми входами первого и второго масщтабирующих усилителей, выходы которых соединены соответственно с входами делителя, выход которого соединен с входом четвертого операционного усилителя, выход первого масщтабирующего усилителя соединен с входом третьего масштабирующего усилител выход второго операционного усилителя соеди нен со вторым входом умножителя, а выход умножителя подключен ко второму входу второго масштабирующего усилителя, выход третьего операционного усилителя последнего блока моделирования участка теплообменного аппарата являются выходами устройства, выхо ды четвертого операционного И третьего масщтабирующего усилителей последнего, блока моделирования участка разбие1шя соединены соответственно со вторым и третьим входами вычислительного блока, второй выход которог соединен с третьими входами первых масщтабирующих усилителей и со вторыми входами RC-четырехполюсников всех блоков моделиро вания участков теплообменного аппарата и вычислительный блок содержит умножители, квадратор, масштабирующий усилитель и функ циональный преобразователь, причем входы умножителя являются соответственно вторым и третьим входами вычислительного блока. выход умножителя связан с входами квадратоа, выход которого соединен с первым входом асщтабирующего усилителя, второй вход котоого является первым входом вычислительного лока, а выход масщтабирующего усилителя вляется первым выходом вычислительного лока и соединен с входом функционального преобразователя, выход которого является вторым выходом вычислительного блока. На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства. Устройство содержит блоки 1-In моделирования участков теплообменного аппарата, вычислительный блок 2, операционные усилители 3 -6, RС-четырехполюсник 7, масштабирующие усилители 8, 9 и 10, умножитель 11, делитель 12, умножитель 13 вычислительного блока, квадратор 14; масщтабирующий усилитель 15 вычислительного блока и функциональный преобразователь 16. Устройство работает следующим образом. При изменении значения входной температуры греющего теплоносителя изменяется величина входного напряжения И . На RC-схеме с включенным в нее операционным усилителем 3 осуществляется имитация движения греющего теплоносителя по первой половине длины участка разбиения теплообменного аппарата. Выходной сигнал усилителя 3 подается на вход Т-образного R С-четырехполюсника 7, электрический выходной сигнал которого имитирует температуру стенки на участке разбиения аппарата. Выходной сигнал усилителя 3 так же, как и выходной сигнал RC-четырехполюсника подаются на вход RC-схемы с включенным в нее усилителем 5, выходной сигнал которого имитирует изменение температуры греющего теплоносителя на выходе участка разбиения и является входом последующего моделирующего блока. Одновременно выходной сигнал RC-четырехполюсника подается на вход масщтабирующего усилителя 8, выход которого подключен на вход масщтабирующего операционного усилителя 10 и делителя 12. Выходной сигнал усилителя 10 имитирует изменение скорости газообразной фазы двухфазного теплоносителя на участке разбиения аппарата и является входом последующего блока моделирования участка теплообменного аппарата, а выходной сигнал делительного устройства подается на вход RC-схемы с включенным в нее операционным усилителем 6, которая осуществляет имитацию движения нагреваемого двухфазного теплоносителя по второй половине длины участка разбиения аппарата. Выход усилителя 6 имитирует изменение величины доли сечения теплообменного аппарата, занятого газообразной фазой дву.чфазиою потока, и является также входом последующе модулирующего блока. При этом работа всех последующих моделирующих блоков устройства будет осуществляться аналогично, а выходные электрические сигналы И блока буд имитировать изменения соответственно температуры греющего теплоносителя скорости и доли сечения канала аппарата, занятого газооб разной фазой двухфазного потока, на выходе из теплообменного аппарата. Кроме того,.последние два сигнала подаются на вход умножителя 13 вычислительного блока, а его выходной электрический сигнал имитирует изменение расхода газообразной фазы и подается на вход квадратора 14 вычислительного блока. Выход квадратора 14 подключен к входу масщтабирующего операционного усилителя 15 вычислительного блока, выходной сигнал Up которого имитирует изменение давления двухфаз ной среды. Кроме того, выход усилителя 15 подключен на вход функционального преобразова теля 16, выходной сигнал которого имитирует изменение температуры двухфазной среды на линии насыщения и подключен на входы РС-четырехполюсника и масштабирующих усилителей 8 и 9 каждого из моделирующих блоков, что вызывает соответствзтощий переходный процесс в блоках, аналогичный описан ному выще, который происходит до тех пор, пока схема устройства не войдет в равновесное состояние. При изменении значе1шя доли сечения канал аппарата, занятого газообразной фазой, на входе производится изменение входного напря жения Urn , На RC-схеме с включенным в нее операщ1онным усилителем 4 осуществляется имитащш движения частиц двухфазного теплоносителя по первой половине длины участка разбиения теплообменного аппарата. Выходной сигнал усилителя 4 подается на вход умножителя И, выход которого подсоединен к входу масщтабирующего усилителя 9. Выход последнего подключен к входу делителя 12 устройства, выходной сигнал которого поступает на вход RC-схемы с включенным в нее операцион ным усилителем 6, имитирующим движение частиц двухфазного теплоносителя по второй половине длины участка разбие шя аппарата. При этом выход усилителя 6 имитирует изменение величины доли сечения канала теплообменного аппарата, занятого газообразной фаЗой двухфазного потока, и является входом последующего блока моделирования участка теплообменного аппарата. Работа всех последующих блоков осуществляется аналогично, а выходной электрический сигнал Уцэ, имитиpj ex изменение доли сечения канала аппарата, занятого газообразной фазой двухфазного теплоносителя. Послецний сигнал подается на ВХОД выч п:ательного блока, и схема устройства далее работает аналогично описанному выше. При изменении скорости движения газообразной фазы на входе в теплообменный аппарат производится изменение входного напряжения U(jyQ, что вызывает соответствующий переходный процесс во всех моделирующих блоках, а затем вычислительный блок и схема работают аналогично описанному выше. При изменении противодавления, на которое работает теплообменный аппарат, производится изменение напряжения Up ц на входе в масштабирующий усилитель 15, выходной электрический сигнал которого имитирует изменение давления среды, претерпевающей фазовое превращение, а следовательно, и температуры среды на линии насыщения, что вызьшает переходный процесс во всех моделирующих блоках. Далее работа схемы устройства происходит аналогично описанному выше. При исключении из схемы устройства усилителей 3 и 5 и задания величины напряжения на входе RC-четырехлолюсник, имитирующего температуру греющего теплоносителя, получается схема устройства для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном агатарате с постояш ой температурой греющего теплоносителя. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает воспроизведение процесса теплопередачи в теплообменном аппарате при фазовом превращении нагреваемого теплоносителя. Формула изобретения 1. Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате, выполнешюе в виде п последовательно включенных блоков моделирования участков теплообмешюго аппарата, каждый из которых содержит четыре операционных усилителя, выход каждого из которых через резистор и переменный конденсатор соединен с входом этого операционного усилителя, и RC-четырехполюсника, причем в каждом блоке моделирования участков теллообменного аппарата выход первого операционного усилителя подключен к первому входу РС-четьгрехполюсника, а входы первого и второго операционных усилителей каждого последующего блока моделирования участка теплообменного аппарата подключены соответственно к выходам третьего и четвертого операционных усилителей предыдущего блока моделирования участка теплообменного аппарата, в каждом из которых выход первого операционного усилителя сое7динен с первым входом третьего операционног усилителя, второй вход которого подключен к выходу RC-четырехполюсника, отличающееся тем, что, с целью расширени функциональных возможностей за счет учета фазового превращения нагреваемого теплоносителя, в него дополнительно введен вычислительный блок, а в каждый блок моделировани участка теплообменного аппарата дополнительн введены три масштабирующих усилителя, умножитель и делитель, причем выход RC-четырехполюсника соединен с первыми входами первого и второго масштабирующих усилителе выходы которых соединены соответственно с входами делителя, выход которого соединен с входом четвертого операционного усилителя, выход первого масштабирующего усилителя соединен с входом третьего масштабирующего усилителя, выход второго операционного усилителя соединен со вторым входом умножител выход которого подключен ко второму входу второго масштабирующего усилителя, выход третьего масштабирующего усилителя каждого предыдущего блока моделирования участка теплообменного аппарата соединен со вторым входом первого масштабирующего усилителя и с первым входом умножителя последующег блока моделирования участка разбиения, первый вход вычислительного блока, входы первого и второго операционных усилителей и третий- вход первого масилгабирующего усилителя первого блока моделирования участка теплообменного аппарата являются входами устройства, а первый выход вычислительного блока и выход третьего операционного усилителя последнего блока моделирования участка теплообменного аппарата являются выходами устройства, выходы четвертого операционного и третьего масштабирующего усилителей последнего блока моделирования участка разбиения соединены соответственно со вторым и третьим входами первых масштабирующих усилителей и со вторыми входами RC-четьфехполюсников всех блоков моделирования участков теплообменного аппарата. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что Вычислительный блок содержит умножители, квадратор масштабирующий усилитель и функциональный преобразователь, п ричем входы умножителя являются соответственно вторым и третьим входами вычислительного блока, авыход умножителя связи со входом квадратора, выход которого соединен с первым входом масштабирующего усилителя, второй вход которого является первым входом вычислительного блока, а выход масштабирующего усилителя является первым выходом вычислительного блока и соединен со входом функционального преобразователя, выход которого является вторым выходом вычислительного блока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Динамические характеристики промышленных объектов регулирования Под ред. В.М.Рущннского. М.,Иностранная литература 1960, с. 43 - 73. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2537230/18-24, кл. G 06 G 7/56, 1977 (Прототип).