Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате

50 55 60 65 Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано для моделирования процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемоюу потоку в теплообменном аппарате, в частности процесса тепломассоббмена в теплознергетических агрегатах судовых энергетических установок.По авт, св. 9 860095 известно устройство, содержащее Т-образные С-четырехполюсники, выход и пер.вый вход первого из которых подключены соответственно к первым входам первого и второго масштабных усилителей, выходы которых соединены со входами делителя, два операционных усилителя, в обратную связь каждого иэ которых 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 ЙС-четырехполюсник, причем выход второго операционного усилителя подключен к ьходам второго и пятого масштабных усилителей, выход которого соединен со вторым входом первого масштабного усилителя, выход функционального преобразователя соединен с первым входом второго Т-образного ЙС-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 второго операционного усилителя является первым вхо.дом устройства, вторым входом которого является второй вход первого операционного усилителя, вторые входы Т-образных ВС-четырехполюсников являются третьим входом устройства, четвертым входом которого является второй вход четвертого масштабного усилителя выход которого, является выходом устройства 1 Ц .Однако известное устройство не обеспечивает моделирование процесса передачи тепла в теплообменном аппарате при естественной циркуляциинагреваемого потока.Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных воэможностей устройства для моделирования процесса теплопередачи втеплообменном аппарате за счетучета процесса естественной циркуляции нагреваемого потока,5 . укаэанная цель достигается тем,что в устройство для моделированияпроцесса теплопередачи в теплообменном аппарате введены сглаживающий фильтр, два интегратора,10 шесть дополнительных масштабныхумножителя, дополнительный квадратор и дополнительный делитель,выход которого подключен к первомувходу первого дополнительного ум 15 ножителя, выход которого соединенс первыми входами первого дополнительного масштабного усилителяи первого интегратора, выход которого через дополнительный квадраторподключен к первому входу второгодополнительного умножителя, выходкоторого соединен со вторым входом,первого интегратора, выход которогоподключен к первому входу второгодополнительного масштабного усилителя; выход которого соединен спервым входом дополнительного делителя, второй вход которого соединенс выходом умножителя, подключеннымко входу квадраторак первому входутретьего дополнительного масштабного. усилителя и ко второму входу второго дополнительного масштабного усилителя, третий вход которого соединен с выходом четвертого дополнитель 35 ного масштабного усилителя, первый вход которого является пятым входом устройства, шестой вход которого подключен к первому входу пятого дополнительного масштабного усили 40 теля, выход которого соединен со вторым входом. второго операционного усилителя и со входом сглаживающего фильтра, выход которого подключен к первому входу второгооперационного усилителя, седьмойвход устройства соединен со вторымвходом третьего дополнительного масштабного усилителя, выход которого подключен ко входу второго интегратора, выход которого соединенсо вторым входом первого дополнительного масштабного усилителя,выход которого является вторым выходом устройства, первый выход которого подключен .ко второму входучетвертого дополнительного масштабного усилителя восьмой и девятыйвходы устройства являются соответственно с первым и вторым входами 1 шестого дополнительного масштабного усилителя, выход которого подключен ко второму входу второго дополнительного умножителя, выход первого операционного усилителя соецинен со вторым входом первого дополнительного умножителя и с третьим35 дди йь- Ои) ( чъ.-бр), ( 3) 453 Г= т(Т)т, ГС,)аГ, дМ. )- (В -Ч(4)д )Э)ХЫи) дЫ) дОЫ",) ) ) 50дЕ гГ дх дх Г х дх где Ч 8 Чвходом шестого дополнительного масштабного усилителя.На фиг, 1 схематически изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - то же (продолжение фиг.1),Устройство содержит операционные усилители 1 и 2, масштабные усилители 3-14, интеграторы 15 и 16, умно- жители 17, 18 и 19, квадраторы 20 и 21, делители 22 и 23, Функциональный преобразователь 24, Т-образные 10 ЕС-четырехполюсники 25 и 26, сглажи-. вающий фильтр 27, времяэадающие конденсаторы 28, согласующие резисторы 29, переменные резисторы 30, переменные конденсаторы 31, разде лительные конденсаторы 32, масштабные резисторы 33.Математическое описание процесса передачи тепла от грекщего теплоносителя к нагреваемому потоку в эко номайзерной зоне, можно представить следующим образом т, гг )д " и)х О Д) (г) где 7. - текущее время;Х - координата длины;18,Ч)В- температура грен)щего теплоносителя, потока и стенкив зоне;сз - скорость потока в зоне; Тй)ТЮЧО- постоянные времени.Систему управления, описывающую процесс передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку, который претерпевает переход 40 из жидкого состояния.в газообразное в испарительной зоне теплообменного аппарата, можно записать температура потока налинии насыщениях- доля сечения, занятаягазообразной фазойдвухфазного потока;4)гни - скорости отдельных фаэдвухфазного потока;К,К,Кз - постоянные коэФфициенты; 60ТСО, ТРЦ - постоянные времени,Тейлообменный аппарат с естественной циркуляцией нагреваемого потока содержит отпускной канал, а также пароводяной коллектор. 65 Математическое описание процессапередачи тепла в опускном канале,можно представить следующим образомддол )- 0,)(6)ф Т х)- ) где Ч Во - температуры потока иогг)стенки в канале;о)г - скорость потока в канале;ТЯ ТгЕ постоянные времени.В некотором приближении сложные процессы тепло- и массообмена, которые происходят в экономайзерной и испарительной зонах и опускном канале теплообменного. аппарата, могут быть разделены на два независимых процесса движения частиц среды и собственно тепло- и массообмена. Тогда модели процессов в экономайзерной и испарительной зонах и опускном канале могут быть представлены в виде последовательного соединения моделей процессоров: движения частиц . среды по половине длины зоны или канала, собственнотеплообмена в сред" ней точке экономайзерной эоны или опускного канала, или тепломассообмена в средней точке испарительной зоны и.движения частиц среды по второй половине длины зоны или канала. Причем математическое описание процессов в указанных моделях получаются из,систем уравнения (1)-(2), (3) -(5) и (6) -(7) при условии независимости процессов движения и тепломассообмена.При условии отсутствия процессов тепломассообмена иэ систем уравнения (.1) - (2), (3) - (5) и (6) - (7) получаются уравнения, описывающие процессдвижения частиц сред в моделяхзон и канала, и представляющие со-бой уравнения транспортного запаздывания. Временем движения частиц потока, по половинам длин экономайзерной и испарительной зон можно пренебречь, а звенья транспортирования частиц потока по первой половине экономайзерной зоны и половинам длины опускного канала рожно объединить в,единое звено транспортирования частиц потока, матЪ матическое описание процесса, в котором составляет уравнениеч,ГГ) ч г (, Х,Ц (8) где Х 7 - время транспортированияЭ) ог)частиц потока по экономайзерной зоне и опускному каналу.Математическое описание процессов собственно теплообмена или тепломассообмена в экономайзерной и испарительной зонах и опускном каналеl 1 О Л где бэ бол -КУв - Х(Р,) (26) постоянные коэфФициенты;противодавление,на которое работает теплообменный аппарат. ЕЮ-Е-Е,И)(17) р 5 получаются, иэ приведенных исходныхописаний процессов при условии,что временем движения сред можнопренебречь. Тогда, проведя некоторые преобразования полученных системуравнений, математическое описание 5процессов получаем в следующем виде:для собственно теплообмена в экономайзерной зонед 6, Й, 8) ь -Ъ),УГ - т, с ц т 7)В;Ч 5: 6 э+ ЕЧ,- Вэ) ехр Г бэ)(10)1для собственно тепломассообмена виспарительной зоне 5 а, сс,-а ст,-а.)дт тст тт ст. сд, - К, (, - Устэ 1, (13)для собственно теплообмена в Опускномканале 2 т (К 3 оИ)тт. ст, С 14) Ю- Вол)ехр( ол)у, (15) коэффициенты, пропорциональные длине экономайзерной зоны и опускного канала;постоянный коэффициенту 35 скорость потока на выходе из экономайзерной зоны, которая определяется как скорость циркуляции потока с учетОм пОстояннОЙ 4 р поправки на наличие в испарительной зоне проскальзывания Фаэ;температура потока на входе в опускной канал. Изменение положения границы экономайэерной и испарительной зон обуславливает переменность их длин.Длина экономайзерной зоны определяется в некотором приближвнйи иэ уравнения (10) и зависимость имеет вид а длина испарительной эоны опре-деляется при условии, что временемдвижения частиц двухфазной смесипо половине длины испарительной зоны можно пренебречь, зависимостьимеет вид В уравнение (9) подставим зависимость (16) и окончательно получим,а, ст, - а, ст,-а, 1а уравнения (11) и (14) соответственно преобразуем к виду фол Йз т) (Ъ 5" В,т)(13) расход газообразной смеси навыходе из испарительной зоны определяется зависимостью3: К (В - Чз) Г (21)где К 6 - постоянный коэФфициент.Математическое описание процессав пароводяном коллекторе составляетследующее уравнениесс квст=пв-цс 22)где К 2 - постоянный коэфФициенту3,т - расход питательной воды,поступающей в коллектор;К 1 э - объем воды в циркуляционном контуре,Тогда зависимость для определения уровня пароводяной смеси в коллекторе можно записать 6: К, У, + К, уЕ, (23)где Кз,йо - постоянные коэффициенты.Для получения полного математического описания процессов в рассматриваемом теплообменном аппаратесистему уравнений (8), (12), (13),(15)-(23) необходимо дополнитьуравнениями формирования скоростициркуляции воды, давления среды втеплообменном аппарате и температуры потока на линии насыщения.Указанные зависимости можно записать следующим образом,д иэг гКо, -к+ДЕ-К 1 гЕэИУ КЮЫэ) -2- К 1 Ройдэ) ( 24 )1067516 Процессы движения частиц. потока в опускном канале и экономайзерной зоне (8), а также переноса координаты конца длины экономайзерной зоны (17) имитируются в устройстве для моделирования электрическими ДС -схе мами задержки с операционными усилителями, в обратную связь которых дополнительно включены переменные электрические емкости, причем постоянные времени схем, а следовательно, 10 параметры их электрических элементовТепловые величины Сопротивление 7 2 З й 5) Теплоемкость (С, С С ) Емкость(Т ) При изменении температуры грею-.щего теплоносителя производитсяизменение величин входного напряже ния О, которое подается на входдвух Т-образных ВС-четырехполюсников 25 и 26, а их выходные сигналы, имитирующие изменения температур стенок в экономайзерной и 5 О испарительной зонах, подаются со,ответственно на входы масштабнйхусилителей 4 и б, Причем выходнойсигнал усилителя 4 подается на вх 6 Ыделителя 22, выходной сигнал кото"рого имитирует изменение длины экономайзерной зоны и подается на входВС-схемы с включенным в нее операционным усилителем 2, имитирующей.процесс транспортирования частицпотока по второй половине длины экономайзерной зоны, Электрические выходные сигналы усилителей 2 и 6 по.даются на входы умножителя 17,выходной сигнал которого имитирует изб,менение расхода газообразной фазы65 на выходе из испарительной зоны тепТемпературы сред и стенки(б э ф зк 5 г ю ои Ъ)Ф) Тепловое сопротивление "ИЭ 2Ти 1 и 2то Имитация процесса массообмена, описываемого уравнениями (12),(13) и (21), осуществляется в устройстве путем выполнения вычислительных операций с использованием масштабных операционных усилителей, делителя и умножителя.Имитация процесса в пароводяном коллекторе, описываемого уравнениями (22) и (23), выполняется в устройстве с помощью масштабных операционных усилителей, интегратора и умножителя.Имитация формирования скорости циркуляции воды (24), давления среды в теплообменном аппарате (25) и температуры потока йа линии насыщения (26) осуществляется в устройстве с использованием масштабных операционных усилителей, умножителей, квадраторов, функционального преобразователя и интегратора.устройство работает следующим образом.1 определяются иэ условия, что Т=ВС,т.е. равно времени транспортирования частиц по длине зоны или канала,Техническая реализация имитациипроцессов теплообмена в экономайзерной и испарительной зонах и опускном канале, описания которых составляют уравнения (15), (16),(18) "(20), выполняется на основе электротермической аналогии при соблюдении соответствий, представленныхн таблице,Электрические величины Напряжениялообменного аппарата. Выходной сигнал умножителя 17 подается на вход делителя 23, квадратора 20 и масштабных усилителей 8 и 9. Причем выходной сигнал квадратора 20 подается на вход масштабного усилителя 12, выходной сигнал которого имитирует изменение давления среды в тепло- обменном аппарате. Данный сигнал подается на входы масштабного усилителя 7 и функционального преобразова теля 24, причем выходной сигнал последнего имитирует изменение температуры среды на линии насыщения и подается на входы Т-образного ВС-. четырехполюсника 26 и масштабного 15 усилителя 13, а его выходной сигнал подается на входы масштабных усилителей 5 и 6. Это вызывает соответствующий переходной процесс в описанной части схемы устройства, котоО рый происходит до тех пор, пока полная схема устройства не войдет в равновесное состояние. Кроме того, выходной сигнал усилителя 13 подается на вход масштабного усилителя 14, 25 выходной сигнал которого имитирует температуру среды в пароводяном коллекторе и подается на вход сглаживающего фильтра 27. Причем выходной сигнал последнего и выходной сигнал усилителя 14 подаются на входы ВС- схемы с включенным в нее операционным усилителем 1, имитирующей процесс транспортирования частиц потока по опускному каналу и первой половине длины экономайзерной эоны. Выходной сигнал усилителя 1, который имитирует изменение температуры потока на входе в экономайзерную зону, подается на входы Т-образного ВС-четырехполюсника 25, масштабных усилителей 40 3 и 5, также вызывая соответствующий переходный процесс-в описанной части схемы устройства для моделирования. Выходной сигнал делителя 23, на вход, которого помимо выходного .- 45 сигнала умножителя 17 подается выходной сигнал масштабного усилителя 8, имитирует изменение величины истинного объемного паросодержания на выходе из испарительной зоны и. 5 подается на вход умножителя 18, Выходной сигнал масштабного усилителя 7 подается на вход масштабного усилителя 8, на другой вход которого подается выходной сигнал интегри" рующего усилителя 16. Причем выходной сигнал усилителя 8 имитирует изменение скорости газообразной фазы потока на выходе иэ испарительной зоны и, как отмечалось выше, данный сигнал поступает на вход делителя 23, На вход умножителя 18 поступает выходной сигнал операционного усилителя 2, имитирующего изменение длины испарительной зоны, а также выходной сигнал делителя 23, а вы ходной сигнал умножителя 18 поступаетна вход масштабного усилителя 10и интегрирующего усилителя 16, Причем на другой вход усилителя 10 поступает выходной сигнал масштабногоусилителя 9 через интегрирующийусилитель 15, а выходной сигнал усилителя 10 является вторым выходомустройства, и имитирует уровень пароводяной смеси в коллекторе тениобменного аппарата; Выходной сигналмасштабного усилителя 11 поступаетна вход умножителя 19, на второйвход которого поступает выходнойсигнал квадратора 21. Выходной сигнал умножителя 19 поступает на интегрирукщий усилитель 16, выходнойсигнал которого имитирует изменениескорости циркуляции воды в теплообменном аппарате и подается навходы квадратора 21, а также масштабного усилителя 8,При изменении противодавления,на которое. работает теплообменныйаппарат, производится изменениенапряжения Ц на входе в масштабныйусилитель 7, выходной электрическийсигнал которого имитирует изменениедавления среды, что вызывает переходной процесс, и далее работа схемыустройства происходит аналогичноописанномуПри изменении скорости греющеготеплоносителя осуществляется изменение собственно величин переменныхрезисторов 30 ( И и Яз ) и величинпеременных конденсаторов 31 (Сэ иС), которые приводят к переходным процессам устройство, и, следовательно к изменению выходных напряжений, имитирующих расход газообразной фазы из аппарата, давлениясреды и температуры среды на линиинасыщения. Это вызывает соответствующий переходный процесс в схемеустройства, аналогичный описанномуПри изменении расхода питательной воды производится изменениенапряжения Црна входе в масштабныйусилитель 9; выходной сигнал которого через интегрирующий усилитель15 поступает на вход масштабногоусилителя 10, выходной сигнал которого имитирует уровень пароводянойсмеси в коллекторе теплообменногоаппарата,При исключении из устройства входных сопротивлений Р и Р и задания величины входного тока с , который имитирует тепловой поток, под"водимый к стенке, получается схемаустройства для моделирования процесса теплопередачи в теплообменномаппарате с независимым подводомтепла,Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом,12 1067516 ВНИИ аказ 11211/53 Тираж 70 3 Подписно ППП. "Патент", г. Ужгород, Ул. Проектн л принятого за базу сравнения, обеспечивает расширение функциональных возможностей, что позволяет более точно осуществить моделирование процесса теплопередачи с учетом естественной циркуляции нагреваемого потока в теплообменном аппарате.