Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате

Союз СоввтсиикСоциалистическиеРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(51)М, Кл,с присоединением заявки ЭВ 6 06 С 7/56 якдэрствекаыХ каиктет Р аф аеаатт аевбретеикХ а етерыткХ(72) Автори изобретения 5 Й) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ 1Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может . быть использовано для моделирования процесса передачи тепла от греющего .теплоносителя к нагреваемому потоку5 в теплообменном апгарате, в частнос" ти процесса тепло-массообменв в теп,лоэнергетических агрегатах Судовых энергетических установок.1 ОИзвестно устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате, которое имитируетпроцесс передачи тепла в аппарате,сОдержащем две различные с точки зре-ния происходящих процессов зоны: эко"номайзерную, в которой осуществляетсянагрев потока до температуры насыщения, и испарительную, в которой онпретерпевает фазовое превращение и онаходится в виде двухфазной смеси.Дан"ное устройство, содержащее Т"образные ВС"четырехполюсники., на основеэлектротермической аналогии имитирует 2процесс передачи тепла в теплообменном аппарате 11Однако это устройство обеспечивает точное моделирование процесса пере"дачи тепла от греющего теплоносителяк нагреваеиому потоку только для теп"лообменных аппаратов, в которых можно допустить наличие идеального пере"мешивания потоков в обьемах каждойиз зон,Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате, по.строенное на основе электротермической аналогии и выполненное в видепоследовательно соединенных моделирующих блоков и вычислительного блока,которые содержат операционные усил"тели с включенными параллельно резис"торам обратной связи переменными ем"костями, масштабные операционные усилители, Т"образные ВС"четырехполюс"ники, умножители, делители и функци 957235ет Ь Пат Фи Ужго енактор С.Т акаэ 5601/3 ВНИИП по 03,ал ППТираж И Государ делам из Иосква И.Лебедеввес КорректоПодписного комитета СССРий и открытийаушская нвб, 8,ул, Проектна3 9572ональный преобразователь, Это устройство обеспечивает точное воспроиз.ведение процесса передачи тепла отгреющего теплоносителя к нагреваемо"му потоку, претерпевающему фазовоепревращение 21,Однако данное устройство не обеспечивает моделирование процесса передачи тепла от греющего теплоносителяк нагреваемому потоку при условии, 0что в одном теплообменном аппаратепроисходит подогрев потока до темпе"ратуры насыщения соответствующей давлению среды, а затем процесс фазового. перехода соелы, 15Цель изобретения " расширение Функциональных возможностей устройства длямоделирования броцесса теплопередачив теплообменном аппарате за счет учета в нем процесса предварительного 20подогрева потока до температуры кипения,Указанная цель достигается тем,что в устройство, содержащее й блоковмоделирования участков теплообменногоуаппарата первой группы и вычислительный блок, первые входы и выход которого являются соответственно первымивходом и выходом устройства, допол"нительна введены И блоков моделирова- зения участков теплообменного аппаратавторой группы, причем первый, второйи третий выходы каждого предыдущегоиз блоков моделирования теплообменно-,го аппарата первой группы соответственно соединены с первым, вторым и третьим входами каждого последующего изблоков моделирования участков теплообменного аппарата первой группы, первь 1 й, второй и третий входы первогоблока моделирования участков. теплооб"менного аппарата первой группы соот"ветственно являются вторым, третьим ичетвертым входами устройства, второй вход первого блока моделирования участ 45ков теплообменного аппарата первойгруппы соединен с четвертыми входамивсех блоков моделирования участковтеплообменного аппарата первой группы,пятые входы которых подключены к второму выходы вычислительного блока, апервый, второй, третий и четвертый выходы каждого предыдущего блока моделирования участков теплообменного аппара,та второй группы соответственно со-,.единены с первым, вторым; третьим ичетвертым входами каждого последую"щего блока моделирования участков теп"лообменного аппарата второй группы,первый выход П -го блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы является вторым выходом устройства, второй и третий выходыП-го блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группысоединены соответственно с вторым итретьим входами вычислительного блока, второй и третий входы первого блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы являютсясоответственно пятым и шестым входамиустройства, первый выход Ч-го блокамоделирования участков теплообменногоаппарата первой группы соединен с первым входом первого блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы, а второй выход П - гоблока моделирования участков теплообменного аппарата первой группы соеди-,нен с пять 1 ми входами всех блоков мо-делирования участков теплообменногоаппарата второй группы. При этом каждый из П блоков моделирования участков теплообменного аппарата первой группы содержит шесть операционных усилителей, выход каждо" го из которых через параллельно включенные резистор и конденсатор соединен с его входом, Т-образный кС-четы" рехполюсник, 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 бло" ка, выход первого операционного усилителя соединен с первым выводом Т-образного ВС"четырехполюсника и через первый масштабирующий усилитель свя,зан с первым входом второго масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом первого умножи"теля, выход которого соединен с первым входом третьего операционного усилителя, выход которого является пер"вым выходом блока, а выход второгосоединен с вторым выводом Т-образногоЙС-четырехполюсника и через третий масштабирующий усилитель связан с пер. вым входом четвертого масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, выход которого соединен с первыйвхо" дом четвертого операционного усилите" ля, выход которого является вторым выходом блока," средняя точка Т-образного5 9572ЯС" четырехполюсника соединена с вто"рыми входами второго и четвертогомасштабирующих усилителей и с вторымивходами третьего и четвертого операционных усилителей, выход второго эоперационного усилителя соединен спервым входом пятого масштабируощегоусилителя и с первым входом шестогомасштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом дели Отеля, выход которого соединен с входом пятого операционного усилителя,выход которого соединен с входами пер.вого и второго Функциональных преобразователей, выходы которых соответственно соединены с вторыми входамипервого и второго умножителей, выход делителя соединен с первым входом шестого операционного усилителя,второй вход и выход которого являют- Мся соответственно третьим входом ивыходом блока, а второй и третий входы пятого масштабирующего усилителяявляются соответственно четвертым ипятым входами блока, причем выход пя-фтого масштабирующего усилителя соедиен с вторым входом шестого масштарующего усилителя,Каждый иэ П блоков моделирования участков теплообменного аппарата второй группы содержит пять операционных усигителей, выход каждого иэ , которых через параллельно включенные резистор и конденсатор соединен с его выходом, Т-образный ЙС"четырехполюс" ник, пять масштабирующих усилителей, три умножителя, Функциональный преобразователь, Формирующий зкспотенци" альную Функцию, и делитель, причем вход первого операционного усилителя является первым входом блока, выход первого операционного усилителя связан с первым выводом Т-образного ЙС"четырехполюсника и через первый масштабирующий усилитель соединен с первым входом второго масштабирующе" го усилителя, выход которого соединен с первым входом первого уиножи" теля, второй вывод Т-образного ЙС-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 чет" вертого масштабирующего усилителя, фф второй вход которого является вторым входом блока, третьим входом которого является вход второго операционного усилителя, выход которого соединен с первым входом третьего умножителя, второй вход которого соединен с вторым входом четвертого масштабирующего усилителя, средняя точка Т-образного ЙС"четырехполюсника соединена с вто" рыми входами второго и третьего масштабирующих усилителей и третьего операционного усилителя, выход кото" рого является первым выходом блока, выход четвертого операционного усилителя является вторым. выходом блока И соединен с первым входом делителя,выход которого соединен с входом чет" вертого операционного усилителя, вы" ход которого является третьим входом 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 входбм второго умножителя, а второй вывод Т"образного ЙС"четырехполюсника является пятым входом блока.На Фиг. 1 приведена схема устрой" ства для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате; на фиг. 2 " блок моделирования участков теплообменного аппарата первой группы; на фиг. 3 - то же, второй группы; на Фиг, 4 " вычислительный блок.ФУстройство содержит блоки 1,1-1 моделирования теплообменного аппарата первой группы, блок 2-2 п моделирова- ния участков теплообменного аппарата второй групйы, вычйслительный блок 3. Блок 1 содержит соответственно первый, второй, третий, четвертый, пятый и . шестой операционные усилители 4-9, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой масштабирующие усилители 10-15, первый, второй умножители 16 и 17, первый и второй функциональные преобразователи 18 и 19, де"литер 20, Т-образный ЙС-четырехполюсник 21, резисторы 22, переменные.переменные конденсаторы 26-31.Блок 2 моделирования участков теп" лообменного аппарата второй группы содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый операционные усилители 32-36, масштабирующие усилите" ли 37"41, первый, второй и третий умножители 42-44, Функциональный преобразователь 45, делитель 46, Т-образный ЙС"четырехполюсник 47, реэис9572торы 8 переменные резисторы 19 и50; конденсатор 51, переменные конденсаторы 52-56.Вычислительный блок 3 содержитмасштабирующий усилитель 57, квадратор 58, умножитель 59 функциональныйпреобразователь 60, резисторы 61.Устройство работает следующим образом,При изменении значений входных 10температур. греющего теплоносителя С 10или нагреваемого потока Чэо производятся изменения соответствующих входныхнапряжений О и От . На ВС-схемах саавключенными в них операционными усилителямии 5 осуществляется имитация движения частиц потоков по первойполовине длины участка разбиения эко-,номайзерной зоны теплообменного аппа-рата. Выходные сигналы усилителейи 5 подаются на входы Т-образногоВС -четырехполюсника 21, выходной сигнал которого имитирует температурустенки на участке разбиения. Выходныесигналы усилителей 1 и 5 через усилители 10- 13 и уиножители 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.ЗОнал Т"образного кС-четырехполюсника.Выходные сигналы усилителей 6 и 7 имитируют температуры соответственногреющего теплоносителя и нагреваемогопотока на выходе участка разбиения з 1и являются входными последующего бло"ка моделирования, Причем изменениетемпературы нагреваемого потока Чзопроизводит изменение также входногонапряжения Чэ каждого из и блоков моде-рлирования первой группы усилителяВ результате через масштабирующие уси"лители 12 и 13 и делитель 20 на выходе операционного усилителя 8. формирует.ся изменение длины участка разбиенияэкономайэерной зоны, которое приводитк изменению выходных сигналов опера"ционных усилителей 6 и 7 через функци"ональные преобразователи 18 и 19, атакже к изменению выходного сигналаоперационного усилителя 9, имитирующего остаточную длину экономайэернойзоны, Выходной сигнал операционногоусилителя 9 является входным сигналомпоследующего блока моделирования. При ,этом работа всех п блоков моделирования первой группы осуществляется ана"логичным образом, а выходные электри"ческие сигналы й "го блока имитируют 5 8изменение температур греющего теплоносителя и нагреваемого потока, а также длины экономайзерной эоны 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 О подаются на вход операционного усилителя 32, который осуществляет имитацию движения греющего теплоносителя по первой половине длины участка разбиения испарительной зоны теплообменного аппарата. Выходной сигнал усилителя 32 подается на вход Т-образногоКС-четырехполюсника 17 электричес" кий выходной сигнал которого имитирует температуру стенки на участке разбиения испарительной зоны теплообменного аппарата. Выходной сигнал операционного усилителя 32 через масштаби" рующие усилители 37 и 38 и умножитель ч 2 подается на вход операционного усилителя 3, на вход которого, а также масштабированного операционного усилителя 39, подается выходной сигнал Т-образного йС"четырехполюсника ч. Выходной сигнал операционного усилителя 3 ч имитирует изменение температуры греющего теплоносителя на выходе участка разбиения и является входом последующего блока, Изменение температуры нагреваемого потока Чзл в виде изменения напряжения О подаетЭй ся на вход Т-образного ВС"четырехполюс" ника 17 и масштабирующего усилителя 39блока моделирования второй группы,Причем на вход масштабирующего усилителя 39 подается также выходной сигналТ-образного йС-четырехполюсника 47.Выход усилителя 39 через умножитель 43подключен на вход масштабирующего усилителя ч 0 а его выходной сигнал имитирует скорость газообразной фазы двухфазной смеси йа выходе из участка разбиения испарительной зоны й является входом последующего блока моделирования. Кроме того, изменение температуры нагреваемого потока Чэ через масштабирующий усилитель 39, умножитель 43 масштабирующий усилитель 41, делитель 46 и операционный усилитель 35 формирует изменение доли сечения, за" нятого газообразной фазой. Причем выходной сигнал операционного усилителя 35 является входом последующего99572 моделирующего блока. Изменение скорости газообразной фазы двухфазной смеси через делитель 46 вызывает также соответствующие изменения величины доли сечения, занятого газообразной % Фазой этой смеси. Изменение длины эко. номайэерной зоны в виде напряжения ОЙ-Ед )подается на вход операционноЭго усилителя 36, выход которого имити" рует изменение длины участка разбиения испарительной эоны.и через функциональный преобразователь 45, а также непосредственно влияет на формирование температуры греющего теплоноси" теля, скорости и доли сечения, заня- ф той газообразной Фазой двухфазной сме си на выходе участка разбиения. Выходной сигнал операционного усилителя 36 является входом последующего блока моделирования, При этом работа всех 26 блоков моделирования участков теплообменного аппарата второй группы осуществляется аналогичным образом, а выходные электрические сигналы О, О, Оцд имитируют изменения соответ" фф ственно температуры греющего теплоно" сителя, скорости и доли сечения, за" нятого газообразной фазой смеси на выходе из теплообменного аппарата. Кроме того, последние два сигнала 30 подаются на вход умножителя 59 вычислительного блока, а его выходной электрический сигнал имитирует изменение расхода газообразной Фазы и подается на оба входа квадратора 58 вы-д числительного блока. Выход квадратора 58 подключен к входу масштаби" рующего усилителя 57. вычислительного блока, выходной сигнал которогО имити рует изменение давления двухфазной ,щ среды. Кроме того, выход масштабирующего усилителя 57 подключен на вход функционального преобразователя 60, выходнои сигнал которого имитирует изменение температуры нагреваемого потока на линии насыщения и подключей на входы масштабирующего операционно" . го усилителя 14 каждого блока модели-рования участков теплообменного аппа" рата первой группы, что вызывает сответствующий переходный процесс в локах, аналогичный беюсанному выше, который происходит до тех пор, пока схема устройства не войдет в равновесное.состояние.ИПри изменении значений скоростейгреющего теплоносителя и нагреваею"го потока осуществляется изменение4 35 10величин переменного сопротивления 2324 и 49 переменных электрических ем-,костей 26-311 52-56, а также величинвходного напряжения О первого блокамоделирования первой группы, которыеприводят к переходным процессам вэлектрических цепях блоков моделирования, следовательно, к изменению выход"ных напряжений, имитирующих температу"ру греющего теплоносителя, скоростьи долю сечения, занятого газообразнойфазой на выходе, Это вызывает соответствующий переходный процесс в вычисли.тельном блоке, и далее работа устройства выполняется указанным выше способом.При изменении противодавления, накоторое работает теплообменный аппа"рат, производится изменение напряженияОна выходе в масштабирующий операцйонный усилитель 57, выходной элект"рический сигнал которого имитируетизменение давления среды, претерпевающей фаэовое превращение, а следовательно, и темйературы среды на линиинасыщения, что вызывает переходныйпроцесс во всех блоках моделирования.Далее работа схемы устройства происходит аналогично описанному выше.При исключении из схемы устройст"ва усилителей 4, 6, 10, 11, 32, 34,37, 38, умножителей 16 и 42, функциональных преобразователей 18 и 45 а задания величины напряжения на входев Т-образный йС-четырехполюсник, ими"тирующего тейпературу греющего теплоносителя, получается схема устройствадля моделирования процесса теплопере"дачи в теплообменном аппарате с постоянной температурой греющего теплоносителя,При дальнейшем исключении из схемыуказанного выше устройства сопротивлений 23 и 49 и задания величин вход.ного тока 1, который имитирует. тепдовой поток, подводимый к стенке, получается схема устройства. для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате с независимым под"водом теплаТаким образом, учет процесса предварительного подогрева потока до тем"пературы насыщения в теплообменномаппарате эа счет введения в блоки моделирования дополнительно до двух операционных усилителей с резисторамии параллельно включенными переменными11 95 У усилителей, двуумножителей и двух функциональных преобразователей с соответствующими связями расширяет функциональные возможности устройст" . ва для моделирования процесса тепло передачи в теплообменном аппарате. 235 12 вания участков теплообменного аппарата второй группы соединены соответст"венно с вторым и третьим входами вы"числительного блока, второй и третийвходы первого блока моделированияучастков теплообменного аппарата втотформула изобретения 1. Устройство для моделированияпроцесса теплопередачи в теплообмен"ном аппарате, содержащее И блоковмоделирования участков теплообменного аппарата первой группы и вычислительный блок, первые вход и выход которого являются соответственно пер"выми входом и выходом устройства,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью расширения функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности моделирования процесса предварительного подогрева .потока до температуры кипения, в неговведены ц блоков моделирования участ. 25ков теплообменного аппарата второйгруппы, причем первый, второй и тре"тий выходы каждого предыдущего изблоков моделирования участков тепло"обменного аппарата первой группы со" Эрответственно соединены с первым, вторым и третьим входами каждого последующего из блоков моделирования участков теплообменного аппарата первойгруппы, первый, второй и третий входыпервого блока моделирования участковтеплообменного аппарата первой группысоответственно являются вторым, тре"тьим и четвертым входами устройства,второй вход первого блока моделирова"вния участков теплообменного аппаратапервой группы соединен с четвертымивходами всех блоков моделированияучастков теплообменного аппарата пер"вой группы, пятые входы которых помключены к второму выходу вычислительного блока, а первый, второй, третий.и четвертый выходы каждого предыдущегоблока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы соответственно соединены с первым, вто"рым, третьим и чет.вертым входами каждого последующего блока моделирования участков теплообменного аппаратавторой группы, первый вЫход 11"го. бло 5ка моделирования участков теплообменного аппарата второй группы является вторым выходом устройства, второйи третий выходы И"го блока моделиророй группы являются соответственно пятым и шестым входами устройства,первый выход и "го блока моделирования участков теплообменного аппарата первой группы соединен с первым вхо"дом первого блока моделированияучастков теплообменного аппарата второй группы, а второй выход 0 -го блока моделирования участков теплообменного аппарата первой группы соединен с пятыми входами всех блоков моделирования участков теплообменного аппарата второй группы.2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что каждый из 11 блоков моделирования участков теп" лообменного аппарата первой группы со" держит шесть операционных усилителей, выход каждого из которых через параллельно включенные резистор и конденса; тор соединен с его входом, Т-образный ВС-четырехполюсник, весть масштабирующих усилителей, два умножителя, два функциональных преобразователя, фор" мирующих экспотенциальную функцию, и делитель, причем входы первого и второго операционных усилителей являются соответственно первым и вторым входами блока, выход первого операционногоусилителя соединен с первым выводомТ-образного ВС-четырехполюсника ичерез первый масатабирующий усилительсвязан с первым: входом второго масштабирующего усилителя, выход которогофсоединен 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 ЙС-четырехполюсника и через третий масштабирующий усилитель связан с первым входам четвертого мвсштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, выход которого соединен с первымвходом четвертого операционного усилителя, выход которого является вторым выходом блока, средняя точка Тобразного йС"четырехполюсника соединена с вторыми входами второго и четвертого масштабирующих усилителей и с вторыми13 9572 входами третьего и четвертого опевционных усилителей, выход второго операционного усилителя соединен с первым входом пятого масштабирующего усилителя и с первым входом шестого 5 масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом уси" лителя, выход которого соединен с входом пятого операционного усилителя, .выход которого соединен с входами ,О первого и второго функциональных преобразователей, выход которых соответственно соединен с вторыми входами первого и второго умножителей, выход делителя соединен с первым входом шестого операционного усилителя, второй вход и выход которого являются соот" ветственно третьим .входом и выходом блока, а второй и третий входы пятого масштабирующего усилителя являются со.2 в ответственно четвертым и пятым входами блока, причем выход пятого мсштабирующего усилителя соединен с вторым входом шестого масштабирующего усилителя. 253. Устройство по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что каждый из 11 блоков моделирования участков теплообменного аппарата второй группы содержит пять операционных усили" щ телей, выход каждого из которых через параллельно включенные резистор и конденсатор соединен с его входом, Т-образный ВС"четырехполюсник, пять маса" табирующих усилителей, три умножителя функциональный пРедбразователь, формирующий экспотенциальную функцию, и делитель, причем вход первого опера" ционного усилителя является первым входом блока, выход первого операционно-, го усилителя связан с первым выводом Т"образного ВС-четырехполюсника и через первый масштабирующий усилитель соединен с первым входом второго масЫтабирующего усилителя, выход которо" 14го соединен с первым входом первого умножителя второй вывод Т-образного ВС-четырехполюсника соединен с первым входом третьего масштабирующего усилителя, выход которого соединен с пер" вым входом второго умножителя, выход которого соединен с первым входом четвертого масштабирующего усилителя, второй вход которого является вторым входом блока, третьим входом1 которого является вход второгооперационного усилителя, второй вход ко.торого соединен с вторим входом чет" вертого масштабирущего усилителя, средняя точка Т-образного ВС-четырех- полюсника 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 пер" /вым входом делителя, выход которого соединен с входом четвертого операци" онного усилителв, выход которого яв" ляется третьим выходом блока, а вход пятого операционного усилителя является четвертым входом блока, выход пятого операционного, усилителя соединен через функциональный преобразова,тель с вторим входом первого умножи" теля и связан с вторым входом второ" го умножителя, а второй вывод Т-образного,ВС"четырехполюсника являетсяпятым входом блока. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Динамические характеристики промышленных объектов регулирования; Под ред, В,И. Рущинского, И., "Иностранная литература", 1960, с. 5"2. Авторское свидетельство СССР У 792268, кл, 6 06 6 7/56, 1978