Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате Советский патент 1982 года по МПК G06G7/56 

Изобретение относится к аналоповой вычислительной технике и может быть использовано для моделирования процесса передачи тепла от грекнцего теплоносителя к нагреваемому потоку в теплообменном anriapare, в частности процесса тепло-массообмена в теп.лоэнергетических агрегатах Судовых энергетических установок. Известно устройство для моделирования процесса теплопередачи в тепло обменном аппарате, которое имитирует процесс передачи тепла в аппарате, содержащем две различные с точки зре ния происходящих процессов зоны: эко номайзерную, в которой осуществляетс нагрев потока до температуры насыщения, и испарительную, в которой он претерпевает фазовое превращение и находится в виде двухфазной смеси.Дан ное устройство, содержащее Т-образные RC-четырехполюсники, на основе электротермической аналогии имитируе процесс передачи тепла в теплообменном аппарате 1 . Однако это устройство обеспечивает точное моделирование процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку только для теплообменных аппаратов, в которых можно допустить наличие идеального перемешивания потоков в объемах каждой из зон. Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате, построенное на основе электротермической аналогии и выполненное в виде последовательно соединенных моделирующих блоков и вычислительного блока, которые содержат операционные усилители с включенными параллельно резисторам обратной связи переменными емкостями, масштабные операционные усилители, Т-образные RC-четырехполюсники, умножители, делители и функци395ональный преобразователь. Это устройство обеспечивает точное воспроизведение процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку, претерпевающему фазовое превращение 2 . Однако данное устройство не обеспечивает моделирование процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку при условии, что в одном теплообменном аппарате происходит подогрев потока до температуры насыщения соответствующей давлению среды, а затем процесс фазового, перехода срелы. Цель изобретения - расширение функ циональкых возможностей устройства дл моделирования rtpoiiecca теплопередачи в теплообменном аппарате за счет учета в нем процесса предварительного подогрева потока до температуры кипения. Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее П блоков моделирования участков теплоббменнога аппарата первой группы и вычислительный блок, первые входы и выход которого являются соответственно первыми входом и выходом устройства, допол нитёльна введены h блоков моделированив участков теплообменного аппарата второй группы,причем первый, второй и третий выходы каждого предыдущего из блоков моделирования теплообменного аппарата первой группы соответствен но соединены с первым, вторым и третьим входами каждого последующего из блоков моделирования участков теплооб менного аппарата первой группы, первыи, второй и третий входы первого блока моделирования участков теплообменного аппарата рервой группы соответственно являются вторым, третьим и четвертым входами устройства, второй вход первого блока моделирования участков теплообменного аппарата первой группы соединен с четвертыми входами всех блоков моделирования участков теплообменного аппарата первой группы пятые входы которых подключены к второму выходы вычислительного блока, а .первый, второй, третий и четвертый вы ходы каждого предыдущего блока модели рования участков теплообменного аппар та второй группы соответственно со-,. единены с первым, вторым, третьим и четвертым входами каждого последующего блока моделирования участков теп лообменного аппарата второй группы, 54 первый выходп-го блока моделирования участков теплообмейного аппарата второй группы является вторым выходом устройства, второй и третий выходы И-го блока моделирования участков теп-. лообменного аппарата второй группы соединены соответственно с вторым и третьим входами вычислительного блока, второй и третий входы первого блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы являются соответственно пятым и шестым входами устройства, первый выход п-го блока моделирования участков теплойбменного аппарата первой группы соединен с входом первого блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы, а второй выход п -го блока моделирования участков теплооб-, менного аппарата первой группы соединен с пятыми входами всех блоков ноделирования участков теплообменного аппарата второй группы. . ,.. - При этом каждый из П блоков моделирования участков теплообменного аппарата первой группы содержит шесть операционных усилителей, выход каждого из которых через параллельно включенные резистор и конденсатор соединен с его входом, Т-образный RC-четырехполюсник, шесть масштабирующих усилителей, два умножителя, два функциональных преобразователя, формирующих экспотенциальную функцию, и делитель, причем входы первого и второго операционных усилителей являются соответственно первым и вторым входами блока, выход первого операционного усилителя соединен с первым выводом Т-образного RC четырёхполюсника и через первый масштабирующий усилитель свя,зан с первым входом второго масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, выход которого соединен с первым входом третьего операционного усилителя, выход которого является первым выходом блока, а выход второго соединен с вторым выводом Т-образного КС-четырехполюсника и через третий масштабирующий усилитель связан с парвым входом четвёртого масштабирующего усилителя, выход которого соединен с п.ервым входом второго умножителя, выход которого соединен с первым входом четвертого операционного усилите пя,выход которого является вторым выхо дом блока,- средняя точка Т-образного WJ-четырехполюсника соединена с вторыми входами второго и четвертого масштабирующих усилителей и с вторыми входами третьего и четвертого операционных усилителей, выход второг о операционного усилителя соединен с первым входом пятого масштабирующего усилителя и с первым входом шестого масштабирующего усилителя, выход коtoporo соединен с первым входом дели теля, выход которого соединен с входом пятого операционного усилителя, выход которого соединен с входами пе вого и второго функциональных преобразователей, выходы которых соответственно соединены с вторыми входами первого и второго умножителей, выход делителя соединен с первым входом шестого операционного усилителя, второй вход и выход которого являются соответственно третьим входом и выходом блока, а второй и третий входы пятого масштабирующего усилителя являются соответственно четвертым и пятым входами блока, причем выход пя того масштабирующего усилителя соеди нен с вторым входом шестого масштаои кмцего усилителя. Каждый из п блоков моделирования участков теплосйменного аппарата второй группы содержит пять операционных усилителей, выход каждого из .Которых через параллельно включенные резистор и конденсатор соединен с его выходом, Т-образный RC-четырехполюсник, пять масштабирующих усилителей, три умножителя, функциональный преоб разователь, формирующий экспотенциальную функцию, и делитель, причем вход первого операционного усилителя является первым входом блока, выход первого операционного усилителя связан с первым выводом Т-образного КС-четырехполюсника и через первый масштабирукйции усилитель соединен с первым входом второго масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй вывод Т-образного ftC-че тырехполюсника соединен с первым вхо дом третьего масштабирующего усилите ля, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, выход которого соединен с первым входом четвертого масштабирующего усилителя, второй вход которого является вторым входом блока, третьим входом которог является вход второго операционного усилителя, выход которого соединен с первым входом третьего умножителя, второй вход которюго соединен с вторым входом четвертого масштабирующего усилителя, средняя точка Т-образного RC-четырехполюсника соединена с вторыми входами второго и третьего масштабирующих усилителей и третьего операционного усилителя, выход котоf oro является первым выходом блока, выход четвертого операционного усилителя является вторым, выходом блока и соединен с первым входом делителя, выход которого соединен с входом четвертого операционного усилителя, выход которого является третьим входом блока, а вход пятого операционного усилителя является четвертым входом блока, выход пятого операционного уСи/адтеля соединен через функциональный преобразователь с вторым входом первого умножителя и связан с вторым входбм второго умножителя, а второй вывод Т-образного RC-четырехполюсника является пятым входом блока. На фиг. 1 приведена схема устройства для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате; на фиг. 2 - блок моделирования участков теплообменного аппарата первой группы; на фиг. 3 - тоже, второй группы; на фиг. k - вычислительный блок. Устройство содержит блоки 1-(-1п моделирования теплообменного аппарата первой группы, блок моделирования участков теплообменного аппарата второй группы, вычислительный блок 3. Блок t содержит соответственно первый второй, третий, четвертый, пятый и . шестой операционные усилители -9, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой масштабирующие усилители 10-15, первый, второй умножите/м 16 и 17, первый и второй функциональные преобразователи 18 и 19, делитель 20, Т-обрааный RC-четырехполюсник 21, резисторы 22, переменные .резисторы 23 и 2k, конденсатор 25, 1переменные конденсаторы 26-31. Блок 2 моделирования участков теплообменного аппарата второй группы содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый операционные усилители 32-36, масштабирующие усилители , первый, второй и третий умножители 42-, функциональный пре образователь iS, делитель 46, Т-образный RC-четырехполюсник 47, резисторы А8, переменные резисторы k 50; конденсатор 51, переменные конденсаторы 52-56. Вычислительный блок 3 содержит масштабирующий усилитель 57. квадратор 58 умножитель 59 функциональный преобразователь 60, резисторы 61. Устройство работает следующим образом. При изменении значений входных температур греющего теплоносителя t3o или нагреваемого потока Vggпроизводят ся изменения соответствующих входных напряжений U, и Оузо RC-схемах с включенными в них операционными уси лителями 4 и 5 осуществляется имитация движения частиц потоков по первой половине длины участка разбиения экономайзерной зоны теплробмеиного аппарата. Выходные сигналы усилителей и 5 подаются на входы Т-образного RC-четырехполюсника 21, выходной си|- нал которого имитирует температуру стенки на участке разбиения. Выходные сигналы усилителей Ц и 5 через усилители 10-13 и умножители 16 и 17 подаются на входы соответственно операционных усилителей 6 и 7 на входы которых,, а также масштабирующих усилителей 11 и 13, подключен выходной сиг нал Т-образного RC-четырехполюсника. Выходные сигналы усилителей 6 и 7 ими тируют температуры соответственно греющего теплоносителя и нагреваемого потока на выходе участка разбиения и являются входными последующего блока моделирования. Причем изменение температуры нагреваемого потока Vgg производит из 1енение также входного напряжения Vg каждого из п блоков моделирования первой группы уси мтеля 1ч. В результате через масштабирующие уси лители 12 и 13 и делитель 20 на выходе операционного усилителя 8 формируе ся изменение длины участка разбиения экономайзерной зоны, которое приводит к изменению выходных сигналов операционных усилителей 6 и 7 через функци ональные преобразователи 18 и 19, а также к изменению выходного сигнала операционного усилителя 9, имитирующего остаточную длину экономайзерной зоны. Выходной сигнал операционного усилителя 9 является входным сигналом последующего блока моделирования. При этом работа асех п блоков-моделирования первой группы осуществляется аналогичным образом а выходные электрические сигналы П -го блока имитируют изменение температур греющего теплоносителя и нагреваемого потока, а также длины экономайзерной зоны и являются входными сигналами первого блока моделирования второй группы участка разбиения испарительной зоны. В этом случае изменения температуры греющего теплоносителя, имитируемые изменением величины входного напряжения ) подаются на вход операционного усилителя 32, который осуществляет имитацию движения греющего теплоносителя по первой половине длины участка разбиения испарительной зоны теплообменного.аппарата. Выходной сигнал уси/WTeля .32 подается на вход Т-образного RC-четырехполюсника kj, электрический выходной сигнал которого имитирует температуру стенки на участке разбиения испарительной зоны теплообменного аппарата. Выходной сигнал операционного усилителя 32 через масштабирующие уси/мтели 37 и ЗВ и умножитель 2 подается на вход операционного усилителя З, на вход которого, а также масштабированного операционно го усилителя 39, подается выходной сигнал Т-образного RC-четырехполюсника 7. Выходной сигнал операционного усилителя З имитирует изменение температуры греющего теплоносителя на выходе участка разбиения и является входом последующего блока. Изменение температуры нагреваемого потока Vgn в виде изменения напряжения иу-.подается на вход Т-образного RC-четырехполюсника 7 и масштабирующего уси; 1теля 39 блока моделирования второй группы. Причем на вход масштабирующего усилителя 39 подается также выходной сигнал Т-образного RC-четырехполюсника Ц7 Выход усилителя 39 через умножитель 3 подключен на вход масштабирующего усилителя ЛО, а его выходной сигнал имитирует скорость газообразной фазы двухфазной смеси на выходе из участка разбиения испарительной Зоны иявляется входом последующего блока моделирования. -V Кроме того, изменение температуры нагреваемого потока Удц через масштабирующий усилитель 39, умножитель k}, масштабирующий усилитель 1, делитель (б и операционный усилитель 35 формирует изменение доли сечения, занятого газообразной фазой. Причем Выходной сигнал операционного усилителя 35 является входом последующего моделирукхцего блока. Изменение скорости газообразной фазы двухфазной смеси через делитель вызывает также соответствую1 ие изменения величины доли сечения, занятого газообразной фазой этой смеси. Изменение длины эко номайзерной зоны в виде напряжения и(В-14Вз)подается на вход операционного усилителя 36, выход которого имити рует изменение длины участка разбивния испарительной зоны и через функциональный преобразователь 5, а такж непосредств1енно влияет на формирование температуры греюиАего теплоносителя,, скорости и доли сечения, занятой газообразной фазой двухфазной сме си на выходе участка разбиения. Выход ной сигнал операционного усилителя 36 является входом последующего блока моделирования. При этом работа всех блоков моделирования участков теплообменного аппарата второй группы осуществляется аналогичным образом, а выходные электрические сигналы , Uiff, имитируют изменения соотвётственно температуры греющего теплоносителя, скорости и доли сечения, занятого газообразной фазой смеси на выходе из теплообменного аппарата. Кроме того, последние два сигнала подаются на вход умножителя 59 вычислительного блока, а его выходной электрический сигнал и «1тирует изменение расхода газообразной фазы и подается на оба входа квадратора 58 вычислительного блока. Выход квадратора 58 подключен к входу масштабирующего усилителя 57 вычислительного блока, выхо/уюй сигнал которого имити рует изменение давления двухфазной среды. Кропе того, выход масштабирующего усилителя 57 подкхночен на вход функционального преобразователя 60, выходной сигнал которого имитирует изменение темпе.ратуры нагреваемого потока на линии насьяцения и подключен на входы масштабирующего oneрационного усилителя 14 каждого блока моделиррвания участков теплообменного аппарата первой группы, что вызывает сортветствующий переходный процесс и блоках, аналогичный Ьгтсзнноиу выше, который П0ОИСХОДИТ до тех пор, пока схема устройства не войдет в раштовесное состояние. При изменении значений скоростей греющего теплоносителя и нагреваемого потока осуществляется изменение величинепеременного сопротивления 23, и Э переменных электрических ем-, костей 26-31, 52-56, а также величин входного напряжения первого блока моделирования первой группы, которые приводят к переходным процессам в электрических цепях блоков моделирования, следовательно, к изменению выход- ных напряжений, имитирующих температуру греющего теплоносителя, скорость и долю сечения, занятого газообразной фазой на выходе. Это вызывает соответствующий переходный процесс в вычисли тельном блоке, и далее, работа устройства выполняется указанным выше способом. При изменении противодавления, на которое работает теплооб.менный аппарат, производится изменение напргяжения Upj, на выходе в масштабирующий операционный усилитель 57, выходной электрический сигнал KQToporo имитирует изменение давления среды, претерпевающей фазовое превращение, а следовательно, и температуры среды на JWHHH насыщения, что вызывает переходный Процесс во всех блоках моде/ 1рования. Далее работа схемы устройства происходит аналогично описанному выше. При исключении из схемы устройства усилителей ,6, 10, 11, 32, 3, 37, ЗВ, умножителей 16 и li, функциональных преббразователей 18 и 45 и задания величины напряжения на входе в Т-образный RC-четырехполюсник, имитирующего температуру греющего теплоносителя, получается схема устройства для юделирования процесса теплопередачи в теплос менном аппарате с постоянной температурой греющего теплоносителя. При дальнейшем исключении из схемы указанного выше устройства сопротивлений 23 и 49 и задания величин вход:ного тока I, который имитирует тепло вой поток, подво мый к стенке, получается схема устройства для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате с независимым подводом тепла. Таким образом, учет процесса предварительного подогрева потока до температуры насыцения в теплообменном аппарате за счёт введения в блоки моделирования дополнительно до двух операционных усилителей с резисторами и параллельно включенными переменными; кОнденсаторам1, трех масштабирующих усилителей, двух умножителей и двух функциональных преобразователей с со ответствующими связями расширяет функциональные возможности устройства для моделирования процесса теплопередачи в теплообмениом аппарате. Формула изобретения 1. Устройство для моделирования . процесса теплопередачи в теплообменном аппарате, содержащее П блоков моделирования участков теплообмениого аппарата первой группы и вычислительный блок, первые вход и выход которого являются соответственно пер.выми входом и выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности моделирования процесса предварительного подогрева потока до температуры кипения, в него введены п блоков моделирования участков теплообменного аппарата второй группы, причем первый, второй и третий выходы каждого предыдущего из блоков моделирования участков теплообменного аппарата первой группы соответственно соединены с первым, вторым и третьим входами каждого последующего из блоков моделирования участ ков теплообменного аппарата первой группы, первый, второй и третий входы первого блока моделирования участков теплообменного аппарата первой группы соответственно являются вторым, третьим и четвертым входами устройства, второй вход первого блока моделирования участков теплообменного аппарата первой группы соединен, с четвертыми входами всех блоков моделирования участков теплообменного аппарата первой группы, пятые входы которых помключены к второму выходу вычислительного блока, а первый, второй, третий и четвертый выходы каждого предыдущег блока моделирования участков теплообмениого аппарата второй группы соответственно соединены с первым, вторым, третьим и четвёртым входами каждого последующего блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы, первый выходп-го блока моделирования участков-теплообменного аппарата второй группы является вторым выходом устройства, второй и третий выходы П-го блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы соединены соответственно с вторым и третьим входами вычислительного блока, второй и третий входы первого блока моделирования участков теплообменного аппарата BTOf рой группы являются соответственно пятым и шестым 1входами устройства, первый выход п-го блока моделирования участков теплообменного аппарата первой группы соединен с первым входом первого блока моделирования участков тегглообменного аппарата второй группы, а второй выход (1 - го блока моделирования участков теплообменного аппарата первой группы соединен с пятыми входами всех блоков моделирования участков теплообменного аппарата второй группы. 2. Устройство по п. 1, о т л и чающееся тем, что каждый из Я блоков моделирования участков теплообменного аппарата первой группы содержит шесть операционных усилителей, выход каждого из которых через параллельно включенные резистор и конденса-, тор соединен с его входом, Т-образный RC-четырехполюсник, шесть масштабирующих усилителей, два умножителя, два функциональных преобразователя, («юрмиру1а1цих экспотенциальную функцию, и делитель, причем входы первого и второго операционных усилителей являются соответственно первым и вторым входами блока, выход первого операционного усилителя соединен с первым выводом Т-образногО RC-четырехполюсника и через первый, масштабирующий усилитель связан с первым- входом второго масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, выход которого соединен с первым входом третьего операционного усилителя, выход которого является первым выходом блока, а выход второго соединен с вторым выводом Т-образного RC-четырехполюсника и через третий масштабирующий ус:илитель связан с первым входом четвертого масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, выход которого соединен с первым входом четвертого операционного усилителя, выход которого является вторым выходом блока,средняя точка Т-образ-ного RC-четырехполюсника соединена с вторыми входами второго и четвертого масштабирующих усилителей и с вторыми 1395 входами третьего и четвертого опервционных усилителей, выход второго операционного усилителя соединен с первым входом пятого масштабирующего усилителя и с первым входом шестого масштабирукичего усилителя, выход которого соединен с первым входом усилителя, выход которого соединен с входом пятого операционного усилителя, выход которого соединен с входами первого и второго функциональных преобразователей , выход которых соот5ветственно соединен с вторыми входами (первого и второго умножителей, выход делителя соединен с первым входом шес того операционного усилителя, второй вход и выход которого являются соответственно третьим входом и выходом блока, а второй и третий входы пятого масштабирующего усилителя являются со ответственно четвертым и пятым входами блока, причем выход пятого масштабирующего усилителя соединен с вторым входом шестого масштабирующего усили3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что каждый из 11 блоков моделирования участков теплообменного аппарата второй группы содержит пять операционных усилителей, выход каждого из которых через параллельно включенные резистор и кон денсатор соединен с его входом, Т-образный RC-четырехполюсник, пять масштабирующих усилителей, три умножителя функциональный преобразователь, форми рующий экспотенциальную функцию, и делитель, причемвход первого операционного усилителя является первым вх дом блока, выход первого операционного усилителя связан с первым выводом Т-образного RC-четырехполюсника и через первый масштабирующий усилитель соединен с первым входом второго мас(втабирующего усилителя, выход котороч 5 го соединен с первым входом первого умножителя, второй вывод Т-образного RC-четырехполюсника соединен с первым входом третьего масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, выход которого соединен с первым входом четвертого масштабирующего усилителя, втор(эй вход Которого является вторым входом блока, третьим которого является вход второгооперационного усилителя, второй вход которого соединен с вторым входом четвертого мacштaбиpy oцeгo усилителя, средняя точка Т-образного RC-четырехполюсника соединена с вторыми входами второго и третьего масштабирующих усилителей и третьего операционного усилителя, выход которого является первым выходом блока, выход четвертого операционного усилителя является вторым выходом блока и соединен с первым входом делителя, выход которого соединен с входом четвертого операционного усилител), выход которого является третьим выходом блока, а вход пятого операционного усилителя является четвертым входом блока, выход пятого операционного, усилителя соединен через функциональный преобразователь с вторым входом первого умножителя и связан с вторым входом JBTOpoго умножителя, а второй вывод Т-образного ДС-четырехполюсника является пятым входом блока, Источники информации, , принятые во внимание при экспертизе 1. Динамические характеристики промы1иленных обт ектов регулирования Под ред. В.М. Рущинского, М., Иностранная литература, I960, с. Б. 2. Авторское свидетельство СССР № 792268, кл. G 06 G 7/56, 1978 (прототип).

« f

Риг.