Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате

Номер патента: 860095

Авторы: Еременко, Иванов, Карасик, Соколов, Файкин

ZIP архив

Текст

Союз Советских Социалистических РеслубликОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ИТЕЛЬСТВУ п 1860095(5)М. Кл. 6 Об 6 7/5 б Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытиИДата опубликования описания 300881) Эаявител 4) УСТРОИСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ 1 О 5 рвышение точ игается тем, оделированияв теплообменем Т-образные ыход и первыйподключены ым входам перво х усилителей, ны со входами нных усилитеаждого иэ кото Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано для моделирования процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку в теплообменном аппарате, в частности процесса тепло-массообмена в тепло- энергетических агрегатах судовых энер гетических установок.Известно устройство для моделирова ния процесса теплопередачи в тепло- обменном аппарате, выполненное в виде и последовательно включенных моделирующих блоков и вычислительного блока, которые содержат масштабные операционные усилители, Т-образные ВС-четырехполюсники, умножители, делители, квадратор и Функциональный преобразователь 1 .Наиболее близким к предлагаемому является устройство для моделирования процесса теплопередачи в тепло- обменном аппарате, содержащее п блоков моделирования участков теплообменного аппарата, каждый из которых содержит четыре операционных усилителя, выход каждого из которых через резистор и переменный конденсатор соединен со входом этогс операционного усилителя КС-четырехполюсник,масштабирующие усилители, умножитель, делитель и вычислительный блок, который содержит умножитель, квадратор, масштабирующий усилитель и функциональный преобразователь 1.2 ).Однако данные устройства не обеспечивают 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 среды, и не обеспечивают точное моделирование процесса в теплообменном аппарате. Цель изобретения -ности моделирования.О Указанная цель досчто в устройстве дляпроцесса теплопередачном аппарате, срдержащНС-четырехполюсники,вход первого иэ которсоответственно к первго и второго масштабнвыходы которых соединделителя, два операциО ля, в обратную связьТогда модели процессов в экономайзерной и испарительных зонах могут быть представлены в виде последовательного соединения моделей процессов, движения частиц среды по половине длины эоны, собственно теплообмена в средней точке экоиомайэерной зоны или тепло-массообмеиа в средней точке испарительной зоны и движения частиц среды по второй половине длины зоны. Математическое описание процессов в указанных моделях может быть получено из систем уравнений (1) и (2) и (3)-(5) при условии независимости процессов движения и тепло-массообмена.Так, при условии отсутствия процессов тепло-массообмена из систем уравнений (1) и (2) и (3) -(5) могут быть получены уравнения, описывающие процесс в моделях движения и пред:ставляющие: собой уравнения транспортного запаздывания частиц сред. половине длин экономайэерной и испаритель-, ной зон.При рассмотрении собственно процессов теплообмена в экономайэерной зоне и тепло-массообмена в испарительной зоне временем движения сред можно пренебречь, и тогда математическое Устройство содержит операционный усилитель 1, первый операционной 45 усилид ель 2, пятый масштабный усилитель 3, первый, второй, третий, четвертый и шестой масштабные усилители 4-8, делитель 9, умножитель 10, квадратор 11, Функциональный преобраэова- щ тель 12, Т-образные йС-четырехполюсники 13 .и 14, переменные резисторы 15 и 16, конденсаторы 17 и 18, переменные резисторы 19, резисторы 20, конденсаторы 21, резистор 22.Математическое описание процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку в экономайзерной зоне можно представить сле" дующим образом: рых включены параллельно соединенные резистор и переменный конденсатор, выход делителя подключен к первому входу первого операционного усилителя. выход которого соединен с первым входом умножителя, второй вход которого подключен к выходу третьего масштабного усилителя, выход умножителя соединен со входами квадратора, выход которого подключен к первому входу четвертого масштабного усилителя, выход которого соединен со входом Функционального преобразователя, пятый и шестой масштабные усилители и второй Т-образный ВС-четырехполюсник, выход второго операционного усилителя подключен к входам второго и пятого 15 масштабного усилителя, выход которого соединен со втором входом первого масштабного усилителя, выход функционального преобразователя соединен с первым входом второго Т-образного 20 КС-четырехполюсника и через шестой масштабный усилитель подключен ко второму входу второго масштабного усилителя и к первому входу третьего масштабного усилителя, выход второго Т-образного ВС-четырехполюсника соединен со вторым входом третьего масштабного усилителя, вход второгооперационного усилителя является первым входом устройства, вторым входом которого является второй вход первого З 0 операционного усилителя, вторые входы Т-образных ВС-четырехполюсников являются третьим входом устройства, четвертым входом которого является второй вход четвертого масштабного 35 усилителя, выход четвертого масштабного усилителя является выходом устройства.Схема устройства для моделирования процесса теплопередачи в теплооб- щ мбйном аппарате представлена на чертеже. где- текущее время;Х - координаты длины;1 ,9 - температуры греющего теплоносителя, потока и стенки;Т - постоянные времени;И - скорость потока.Систему уравнений, описывающуюпроцесс передачи тепла от греющеготеплоносителя к нагреваемому потоку,которые претерпевает переход из жидкого состояния в газообразное в испарительной зоне теплообменного аппарата, можно записатьдд.е 1 Чд- Вд 1(Мзттд 1Тд 1 Иэ эьЬч)- + =к 1 е-М,где 9- доля сечения, занятая газообразной Фазой двухфазной смеси;цФииц - скорости отдельных Фаэ двухфазного потока;К,(,ККэ- постоянные коэффициенты;Ч" температура потока на линиинасыщенияОк - температура стенки в испарительиой зоне.При формировании схемы устройства для моделирования принимается обоснованное с физической точки зрения допущение, что сложные процессы тепло- и массообмена могут быть разделены на два независимых процесса движения частиц потока и собственно тепло- и массообмена.описание процесса теплообмена приметвидаоэ И,-8,) (,Ь-В,)+ (6)дС т(С) тгВ)ДЧТ%э д = (Юэ Ч) С)а,математическое описание процессатепло-массообмена можно представить3 (ф.,- Э) (Ч)и и .и (8)10ЙЪ Г 4(С) Т с)а(.и"щ- - - -.К,(в,-ч,), )дК о 1 о)Проинтегрируем уравнения (7), (9) и (10) по координате длины и выразим значения температуры потока, доли- сечения, занятой газообразной Фазой 20 двухфазной смеси, и ее скорости на выходе из соответствующих зон теплообменного аппарата, а также преобразуем уравнение (6), учитывая, что теплообмен между стенкой и потоком происходит в средней точке по длине экономайзерной зоны.В этом случае системы уравнений (6), (7) и (8) в (10) можно записать следующим образом: 3039 э Кь.ОР) Дэвтж) т,ь,( )Ч =0 (Чэ-о,)ехр(-Ъ,). Иг)Й 9 ц И вИ) (Мз-Щ(,44)фйй=К 4(9-Ч )+%Д, (Ю где Ь э - коэффициент, пропорциональ ный длине экономайзернойзоны;К 4 - постоянный коэФФициентуИ" - скорость потока на выходеиз экономайзерной зоны, ко торая определяется как скорость потока на входе втеплообменный аппарат сучетом постоянной поправки на наличие в испаритель- Оной зоне проскальзыванияфаз.Основная особенность теплообменного аппарата, содержащего две различные эоны, состоит в том, что в реальных условиях имеет место изменение положения границы экономайзерной и ис- парительной эон, которое обуславливает переменность их длин.Таким образом, при решении задачи моделирования процессов в данном ЬО теплообменном аппарате возникает необходимость определения длин отдельных зон аппарата.Длина экономайзерной зоны может быть определена из уравнения (12), и 65 зависимость в некотором приближениибудет иметь видВ уравнение (11) подставим зависимоеть (16) и преобразуем его, тогда окончательно можно записатьгде С - теплоемкость объема теплойЗпередающей стенки экономайзерной зоны 1к , В - термическое сопротивлениеМ г теплообменутз 2Как известно, для испарительной эоны теплообменного аппарата необходимо определить величину расхода газообразной смеси на выходе из зоны, поэтому систему уравнений (13), описывающую процесс в зоне, преобразуем к виду.д 9 М-а) (ц,-9)+(,16)ви(ти 1 Сви стиггде С и - теплоемкость объема теплопередающей стенки испарительной зоны;В , В - термические сопротивлениятеплообмену;тиЯК 6 - постоянный коэфФициент.Длина испарительной зоны при условии, что временем движения частиц двухфазной смеси по половине длины испарительной зоны можно пренебречь, определяется следующим образом:Для получения полного математического описания процессов в рассматриваемом теплообменном аппарате систему уравнений (16)-(20) необходимо дополнить уравнениями формирования давления среды и температуры потока на линии насыщения.Указанные ранее зависимости можно 1записатьР к э +р, 2)Ч=1(р) . (2 г)где К - постоянный коэфФициент:7Рп - противодавление, на которое работает,теплообменныйаппарат.Процесс движения частиц потока в экономайэерной зоне имитируется в устройстве для моделирования ВС-че)тырехполюсником с операционным усилителем, в обратную связь которого до860095 Тепловые величины Сопротивление ф 3 4)ЕмкостьТок Тепловой поток Время () Время (С ) 30 полнительно включена переменная элек-трическая емкость. Постоянная времени ВС-четырехполюсника и, следовательно, параметры ее электрических элементов определяются из условия, чтоВС=Сэ(Д,где ТЭ(2- время движения средыпо половине длины зоны, которое является функцией скорости потока. Температура сред и стенки(В, В,В, В )тм ти т и 1 ти 2Теплоемкость Имитация процесса массообмена, описываемого уравнением (19), и формирования давления среды и температуры на линии насыщения, описываемого уравнениями (21) и (22), осуществляется в устройстве для моделирования путем выполнения вычислительных операций с использованием умножителя, квадратора, функционального преобразователя, а также масштабных операционньу усилителей.10Устройство работает следующим образом.При изменении температуры греющего теплоносителя производится изменение величины входного напРяжения 45 Уэ,к.торое подается на вход двух Т-образных ВС-четырехполюсников 13 и 14, а их выходные сигналы, имитирующие изменения температур стенок экономайзерной и испарительной эон, по- у даются соответственно на входы масштабных усилителей 4 и 6, Выходной сигнал усялителя 4 подается на вход делителя 9, а его выходной сигнал имитирующий изменение длины экономайзернс)й зоны, подается на вход ВС- четы 19 ехполюсника с включенным в нее операционным усилителем 2, который осуществляет имитацию процесса движения частиц потока по второй половине длины экономайзерной зоны. Элект- еО рические выходные сигналы усилителей 2 и 6 подаются на входы умножителя 10, выходной сигнал которого имитирует изменение расхода газообразной фазы на выходе из испарительной зоны 65 Техническая реализация имитации процессов теплообмена в экономайэер ной и испарительной зонах, описания которых составляют уравнения (16), (17) и (18), выполняется на основе электротермической аналогии при . соблюдении следующих соответствий: Напряжение( цюфюф ю к , З У ) теплообменного аппарата. Выходной сигнал умножителя 10 подается на входыквадратора 11, выходной сигнал которого подается на вход масштабного усилителя 7, причем выходной сигнал последнего. имитирует изменение давлениясреды в теплообменном аппарате. Дан(ный сигнал подается на вход функционального преобразователя 12, выходной сигнал которого имитирует изменение температуры средысна линии насыщения и подается на вход Т-образногоВС-четырехполюсника 14 и масщгабного усилителя 8, а его выходной сигнал подается на входы масштабных усилителей 5 и б Это вызывает соответствующий переходный прсресс в элементах схемы (аналогичный описанной ранее), который происходит до тех пор,пока схема устройства не войдет вравновесное состояние,При изменении температуры потокана входе в теплообменный аппарат производится изменение величины входногонапряжения Очэ, которое подается навход ВС-четырехполюсника с включенным в нее операционным усилителем 1,осуществляющим имитацию движения частиц потока по первой половине длиныэкономайэерной эоны. Выходной сигнал усилителя 1 подается на входы Тобразного ВС-четырехполюсника 13 имасштабных усилителей 3 и 5. Сигналыс выходов ВС-четырехполюсника и усилителя 3 подаются на входы масштабногоусилителя 4, а выходы последнего усилителя 5 - на вход делителя 9. Выходной сигнал делителя 9, имитирующий изменение длины экономайзерной эоны, подается на вход ВС-четырехполюсника с включенным н нее операционным усилителем 2, который осуществляет имитацию процесса движения частиц потока во второй половине длины эконо 5 майзерной зоны. Электрический выходной сигнал усилителя 2 подается на вход умножителя 10, выходной сигнал которого подается на входы квадратора 11, Далее устройство работает аналогично описанному ранее.При изменении протинодавления, на которое работает теплообменный аппарат, производится изменение напряжения При на входе н масштабный уси литель 7, выходной электрический сигнал которого имитирует изменение давления среды, что вызывает переходный процесс во всех элементах схемы, и далее работа устройства аналогична 2 О описанному ранее.При изменении скоростей греющего теплоносителя и нагреваемого потока осуществляются изменения соответственно величин переменных резисторов 15 и 16 и величин конденсаторов 17 и 18 и переменного резистора 19, которые приводят к переходным процессам в устройстве и, следовательно, к изменению выходных напряжений, имитирующих расход газообразной Фазы из аппарата, данление среды и температуру нагреваемого потока на линии насыщения. Это вызывает соответствующий переходный процесс в элементах схемы (аналогичный описанному ранее), кото- рый происходит до тех пор, пока схема устройства не войдет в равновесное состояние.При исключении иэ схемы устройства резисторон 15 и 19 и задания величи ны входного тока 1, 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 обеспечивает точное воспроизведение процесса передачи тепла в теплообменном аппарате, в котором первоначально нагреваемый о поток подогревается до температуры насыщения, а затем претерпевает Фазовое превращение за счет точного моделирования процесса фазового перехода потока и формирования данления и ее 55 температуры на линии насыщенияКроме того, устройство для моделирования содержит одновременно пас- сивныЕ и активные элементы, что дополнительно повышает точность воспроизведения моделируемых процессов,Формула изобретенияУстройство для моделнронанияпроцесса теплопередачи в теплообмен"ном аппарате, содержащее Т-образныеВС-четырехполюсники, выход и первыйвход первого из которых подключенысоответственно к первым входам первогои второго масштабных усилителей, выходы которых соединены со входамиделителя, два операционных усилителя,н обратную связь каждого иэ которыхвключены параллельно соединенные резистор и переменный конденсатор, выход делителя подключен к первому входу первого операционного усилителя,выход которого соединен с первым входом умножителя, второй вход которогоподключен к выходу третьего масштабного усилителя, выход умножителя соединен со входами квадратора, выходкоторого подключен к первому входучетвертого масштабного усилителя, выход которого соединен со входом Функционального преобразователя, пятыйн шестой масштабные усилители и второй Т-образный КС-четырехполюсник,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения точности, в нем выход второго операционнсго усилителяподключен к входам второго и пятогомасштабных усилителей, выход которогосоединен со вторым входом первого масштабного усилителя, выход функцио"нального преобразователя соединенс первым входом второго Т-образногоВС-четырехполюсника и через шестоймасштабный усилитель подключен ковторому нходу второго масштабного усилителя и к первому входу третьегомасштабного усилителя, выход второгоТ-образного ВС-четырехполюсника соединен со вторым входом третьегомасштабного усилителя, вход второгооперационного усилителя является первым входом устройства, вторым входом которого является второй вход первого операционного усилителя, вторыевходы Т-образных КС-четырехполюсниковявляются третьим входом устройства,четвертым входом которого являетсянторой вход четвертого масштабногоусилителя, выход которого являетсявыходом устройства.Источники информации,принятые но внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9 661568, кл. С Об С 7/56, 1977.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке 9 2676223/24кл. С Об С 7/56, 1978 (прототип).860095 Составитель И.ДубининаТехред А. Ач КорректоргС. Шекмар Редактор Н.Бушаева Филиал ППП Патент 1, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Заказ 7550/32 Тираж 745 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5

Смотреть

Заявка

2815880, 12.09.1979

ПРЕДПРИЯТИЕ ПЯ Г-4372

ЕРЕМЕНКО ВИТАЛИЙ АНФИМОВИЧ, ИВАНОВ ЮРИЙ КИРИЛЛОВИЧ, КАРАСИК АННА СОЛОМОНОВНА, СОКОЛОВ ПЕТР АЛЕКСАНДРОВИЧ, ФАЙКИН ГАРРИ МИХАЙЛОВИЧ

МПК / Метки

МПК: G06G 7/56

Метки: аппарате, моделирования, процесса, теплообменном, теплопередачи

Опубликовано: 30.08.1981

Код ссылки

<a href="https://patents.su/6-860095-ustrojjstvo-dlya-modelirovaniya-processa-teploperedachi-v-teploobmennom-apparate.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате</a>

Похожие патенты