Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате

(51) 6 06 С САНИЕ ИЗОБРЕТЕ 8 УДАРСТ 8 ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) 1, Авторское свидетельство СССР Р 661568, кл. С 06 Й 7/56, 1977.2. Авторское свидетельство СССР 9 860095, кл. С 1 06 Й 7/56, 1980 (прототип).(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ 1 ОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБИЕННОМ АППАРАТЕ, содержаШее первый операционный усилитель, вход которого является входом задания начальной температуры потока устройства, а выход первого операционного усилителя через первый маситабный усилитель соединен с первым входом второго масштабного усилителя, второй вход которого соединен с первым полюсом первого Т-образного КС-четырехполюсника, второй полюс которого соединен с первым входом третьего маситабного усилителя, выход которого и выход второго масштабного усилителя соединены с соответствущцими входами первого блока деления, выход которого соединен с первым входом второго операционного усилителя, второй вход которого является входом задания длины зкономайэерной зоны устройства, вход задания противодавления которого является первь 1 м входом четвертого масштабного усилителя, подключенного вторым входом к выходу квадратора, выход четвертого масштаб. ного усилителя является выходом зада ния давления среди устройства и через блок Формирования полинома соединен с входом пятого маситабного усилителя и первым полюсом второго Т-образного кС - четырехполюсника, второй полюс которого соедигнен с первым входом иестого масштабного усилителя, второй вход которого объединен с вторым входом третьего масштабного усилителя и подключен к выходу пятого маситабного усилителя, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей устройства за счет учета процесса перегрева паровой фазы, образовавшейся в результате фазового перехода нагреваемого потока, оно содержит третий Т- образный 1 С -четырехполюсник, седьмой, восьмой и девятый масштабные усилители, блок умножения, блок формирования натуральной показательной функции и второй блок деления, вход которого подключен к выходу шестого масштабного усилителя, а выход соединен с первым входом седьмого масштабного усилителя, второй вход которого подключен к выходу второго операционного усилителя, а выход через блок Формирования натуральной показательной функции соединен с первыМ входом блока умножения, выход которого соединен с первым входом восьмого масштабного усилителя, выход которого является выходом выходной температуры потока устройства, выход блока Формирования полинома соединен с первым полюсом третьего Т-образного КС -четырехполюсника, второй полюс которого соединен с вторым входом восьмого маситабного усилителя и первым входом девятого масштабного усилителя, второй вход которого подключен к выходу пятого масштабного усилителя, а выход соединен с вторым входом блока умножения, вход задания температуры грекщего теплоносителя устройства соединен с третьими полюсами всех Т-образных ЙС -четырехполюсников, а вход задания скорости нагре107 б 922 наемого потока устройства соединен с вторым входом втоИзобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано для моделирования процесса передачи тепла от грекщецо теплоносителя к нагреваемому по току в теплообменном аппарате, в частности процесса тепломассообмена в теплоэнергетических агрегатах судовых энергетических установок.,Известны устройства для модели рования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате, построенные на основе элекфтротермической аналогии и выполненные в виде П последовательно соединенных модулирукщих блоков и вычислительного блока, которые содержат масштабные операционные усилители, Т-образные 1 С -четырехполюсники, усилители, делители, квадратор и функциональный преобразователь 1 .Однако данное устройство не обеспечивает мбделиронание процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагренаемому потоку при условиях, что в одном теплообменном аппарате происходит подогрев потока до температуры насыщения, соответстнукщий давлению среды, процесс Фазового перехода среды, а затем перегрев образовавшейся газообразной фазы потока. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для моделирования процесса теплопередачи н тедлообменном аппарате, содержащее первый операционйый усилитель, вход которого является входом задания начальной температуры потока устройства, а выход первого операционно- . 4 О го усилителя через первый масштабйый усилитель соединен с первым входом второго масштабного усилителя, второй вход которого соединен с первым полюсом первого Т-образного 80 -четырехполюсника, второй полюс которого соединен с первым входом третьего масштабного усилите-, ля, выход которого и ныход второго масштабного усилителя соединены . с соответствукщими входами блока деления, ныход которого соединен с первым входом второго операционного усилителя, второй вход которого является входом задания длины экономайэерной зоны устройства, 55 вход задания противодавления которого делителя и входами кнадратора,рого является первым нходом четвертого масштабного усилителя, подключенного вторым входом к выходу квад. ратора, выход четвертого масштабного усилителя является выходом задания давления среды устройства и че- реЭ блок формирования полинома соединен с входом пятого масштабного усилителя и первым полюсом второ го Т-образного 8 С -четырехполюсника, второй полюс которого соединен с первым входом шестого масштабного усилителя, второй вход которого объединен со вторым входом третьего масштабного усилителя и подключен к выходу пятого масштабного усилителя 2 .Известное устройство с высокой точностью имитирует процесс передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку в аппарате, в котором происходит подогрев среды до температуры насыщения соответствующей давлению среды, а / затем процесс Фазового перехода нагреваемого потока, и реализовано на основе электротермической аналогии,Однако известное устройство не обеспечивает моделирование процесса передачи тепла в теплообменном аппарате, когда н одном теплообменнике происходят не только процессы подогрева нагренаемого потока до температуры насыщения и Фазового перехода среды, но и перегрев паровой Фазы, образовавшейся в результате Фазового перехода нагреваемого потока.Цель иэобретения - расширение Функциональных воэможностей устройства эа счет учета процесса перегрева паровой Фазы, образовавшейся в результате Фазового перехода нагреваемого потока. Укаэанная цель достигается тем, что устройство для моделирования процесса теплопередачи и теплообменном аппарате, содержащее первый операционный усилитель, вход которого является входом задания начальной температуры потока устройст ва, а выход первого операционного усилителя через первый масштабный усилитель соединен с первым входом масштабного усилителя, второй вход которого соединен с первым полюсомпервого Т-обраэного ЙС -четырехполюсника, второй полюс которого соединен с первым входом третьего масштабного усилителя, выход которогои выход второго масштабного усилителя соединены с соответствукшимивходами первого блока деления,выход которого соединен с первымвходом второго операционного усьщителя, второй вход которого являет,ся входом задания длины экономайэерной зоны устройства, вход задания противодавления которого является первым входом четвертого масштабного усилителя, подключенного вторым входоЯ к выходу квадратора, выход четвертого масштабного усилителя является выходом задания давлениясреды устройства и через блок формирования полинома соединен с входомпятого масштабного усилителя и первым полюсом второго Т-обраэногоЙС -четырехполюсника, второй полюскоторого соединен с первым входомшестого масштабного усилителя, второй вход которого объединен с вторым. входом третьего масштабного усилителя и подключен к выходу пятогомасштабного усилителя, содержит третий Т-образный ВС -четырехполюсник,седьмой, восьмой и девятый .масштабные усилители, блок умножения, блокформирования натуральной показательной функции и второй блок деления,вход которого подключен к выходушестого масштабного усилителя, авыход соединен с первым входом сельмого масштабного усилителя, второйвход которого подключен к выходувторого операционного усилителя, авыход через блок Формирования натуральной показательной Функции соединен с первым входом блока умножения, выход которого соединен с первым входом восьмого масштабного усилителя, выход которого являетсявыходом выходной температуры потока устройства, выход блока Формирования полинома соединен с первым полюсом третьего Т-образного 1 С -четырехполюсника, второй полюс которогосоединен с вторым входом восьмого 50масштабного усилителя и первымвходом девятого масштабного усилителя, второй вход которого подключенк выходу пятого масштабного усилителя, а выход соединен с вторым вхо 55дом блока умножения, вход заданиятемпературы греющего теплоносителяустройства соединен с третьими полюсами всех Т-образных ЙС в четырехполюсников, а вход задания скорости 60нагреваемого потока устройства соединен с вторым входом второго делителя и входами квадратора.На чертеже приведена блок-схемапредлагаемого устройства, 65Устройство содержит операционные усилители 1 и 2, масштабные уси лители 3 - 11, блок 12 Формированияполинома, блок 13 Формирования натураЛьной показательной функции,жения, квадратор 17 и Т-образныекС -четырехполюсники 18 - 20, Т-образные кС -четырехполюсники 18 - 20 содержат соответственно резисторы 21 -213 и 22 е и конденсаторы1 323 1 23Процессы, протекающие в экономайзерной зоне теплообменного аппарата, описываются системой уравнений лМ 1 е 1=Ч е,- - ) р) (2) (3) где 1 в, Чэ, 6 э, Чэ - температуры гре ющего теплоносителя, потока и стенки в экономайэерной зоне, а также температура на линии насыщения;Сэ - теплоемкость объема теплопере данчей стенки экономайзерной зоны;лтекущее время; Рэ 0 тэ тер мические сопротивления теплообмену теплоносителя и потока в экономайэерной зоне;постоянный коэфФициентуЕЕ,Е - ,линлообменного аппарата.При условии, что в испарительной зоне рассматриваемого теплообменного аппарата происходит полное испарение жидкой фазы нагреваемого потока, а длина этой эоны имеет переменную величину, математическое опи сание процесса в испарительной зо- не аппарата имеет видА.е;(е Сй, С,ее е Кф е:ее 1-е 1, (у) где ОСтемпература стенки в зоне;теплоемкость объема теплопередакшей стенки испарительной зоны;термические сопротивлениятеплообмену в испарительной зоне;скорость нагреваемого потока на входе в теплообменный аппарат;постоянный коэффициент. тэ 1 (еет блоки. 14 и 15 деления, блок 16 умно 106922Математическое описание процессапередачи тепла от грекщего теплоносителя к газообразной Фазе потока,образовавшейся в результате фазового перехода нагреваемой среды, в пе-регревательной зоне, можно представить системой уравнений:Еь Е"и еи Ц3,2 Т, Ы) Ч 1(1)10,м "д Я:В.н, (9)где Х - координата длины;3 ди Е- температуры соответственногрекщего теплоносителя истенки в перегревательнойзоне;Ид - скорость потока в зоне;Т,ИД,О) - постоянные времени.В некотором приближении сложныйпроцесс веплообмена в перегреватель 20ной зоне теплообменного аппарата,также как процессы теплообмена итепло-массобмена в экономайзернойи испарительной зонах, может бытьразделен, на два независимых процесса движения частиц среды и собствен.но теплообмена. Тогда модель процесса а перегревательной зоне теплообменного аппарата может быть представлена аналогично моделям процессов в экономайзерной и испарительной зонах в виде последовательногосоединения моделей процессов: движениячастиц среды по половине длиныэоны собственно теплообмена в сред 35ней точке и движения частиц средыпо второй половине длины зоны. Причем математическое описание процессов в модели получается из исходной системы уравнения (8) - (9)40при условии независимости процессовдвижения и теплообмена.При условии отсутствия процесса теплообмена иэ системы уравнений (8) - (9) получаются уравнения, 45опйсывакщие процесс движения частицсреды в модели перегревательнойзоны, которые представляют собойуравнения транспортного запаздывания. Поскольку временем движениячастиц по половине длины перегревательной зоны можно пренебречь, тозвенья транспортирования частицпотока могут быть исключены из модели эоны,Математическое описание процесса 55собственно теплообмена в перегревательной зоне также получается изисходного описания процесса (8) - (9)при условии, что временем движениясред можно пренебречь. Тогда, проведя некоторые преобразования полученных систем уравнений, математическое описание процесса в перегревательной зоне получим в следующем виде; 65 ЗВ с,-е ,-вЮ Сап тцщи то 1ч. еф 1 ч, 81 ер (-ъ,1,(г 1 гдеЪ:)3 л безразмерный коэФФициент;температуры соотв етственИно потока и стенки в перегревательной зоне;С - теплоемкость объема тепЛопередакщей стенки в зоне; щ,Р - термические сопротивления теплообмена в зоне;постоянный коэФФициент.Таким образом, система уравнений (1) - , (10) - (11) составляет математическое описание процессов в отдельных зонах теплообменного аппарата.Для получения полного математического описания процессов в аппарате указанную систему уравнений необходимо дополнить уравнениями давления потока и его температуры на линии насыщения, которые имеют видгде 2 ц( ) э . -расход газообразной Фазы нагреваемого потока на выходе из испарительной зоны;постоянный коэФФициент; противодавление, на которое работает теплообменный аппарат; постоянные коэФФициенты; скорость нагреваемого потока на входе в тепло- обменный аппарат.Процессы движения частиц потока в экономайзерной зоне (уравнение 1) и переноса координаты конца длины этой эоны (уравнение 4) имитируются в устройстве электрическими РС схемами задержки с операционными усилителями, в обратную связь которых дополнительно включены переменные электрические емкости. Причем постоянные времени схем, а следовательно, параметры их электрических элементов определяются из условия, что ТКС, т.е. равно времени транспортирования частиц по длине зоны.Техническая реализация имитации процессов теплообмена в экономайзерной, испарительной и перегрева- тельной зонах, описания которых составляет уравнения (2) - (3), (5), (10) - (11) выполняются на основе электротермической аналогии при соблюдении следукщих соответствий:Тепловые величины Электрические величиныТемпературы среди стенки Напряжение0,0,0 э,ОЧз,О,1 чо 16 дСопротивление",Лг "3 "4,1 я зь з,9,8,Ч ,9 Тепловое сопротивлениетэ Лт эг ъ 1 т ю ъ " тц г р тмТеплоемкость Емкость ССг,-,С с,сТепловой поток Ток Время ВремялЬ 60 65 Устройство работает следующим образом.Изменение температуры греющего теплоносителя имитируется изменением величины входного напряжения 0 которое подается на вход Т-образных 1 С -четырехполюсников 18 - 20, а ихвыходные сигналы, имитирующие изменения температур стенок экономайзерной, испарительной и перегрева- тельной эон, подаются соответственно на входи масштабных усилителей 3, б, 8 и 9. Причем виходной сигнал усилителя 3 подается на вход блока 14 деления, а его выходной сигнал, имитирующий изменение длины экономайэерной зоны, подается на вход операционного усилителя 2, который осуществляет имитацию процесса движения частиц потока по второй половине длины экономайзерной эоны. Электрический выходной сигнал усилителя б подается на вход блока 15 деления, а его выходной электрический сигнал усилителя 2 подается на вход масштабного усилителя 7. Электрический выходной сигнал усилителя 7 подается на вход блока 13 фор мирования натуральной показательной функции и через блок 16 умножения на вход масштабного усилителя 9, выходной сигнал которого имитируетизменение температуры среды на вы-ходе из теплообменного аппарата,Изменение температуры потокана входе в теплообмениый аппаратимитируется изменением величинывходного напряжения Очэ котороеЧЭ ьподается на вход операционного усилителя 1, осуществлякщим имитациюдвижения частиц потока по первойполовине длины экономайэерной эоны. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Выходной сигнал усилителя 1 подается на входы Т-образного КС -четырехполюсника 18 и масштабных усилителей 4 и 5. Причем выходы КС - . четырехполюсника 18 и усилителя 5 подаются на входы масштабного усилителя 3, а выходи последнего и масштабного усилителя 4 подаются на вход блока 14 деления. Выходной сигнал блока 14 деления, имитирующий изменение длины зоны, подается на вход операционного усилителя 2, который осущестнляет имитацию процес. са движения частиц потока по второй половине длины экономайзерной зоны. Электрический выходной сигнал усилителя 2 подается на вход масштабного усилителя 7, выходной сигнал которого имитирует изменение длины перегревательной зоны. Выходной сигнал усилителя 7 подается на блоки 13 формирования натуральной показательной функции и через блок 16 умножения на вход масштабного усилителя 9, выходной сигнал которого имитирует изменение температуры среды на выходе иэ теплообменного аппарата.Изменение противоданления, на ко торсе работает теплообменный аппарат, имитируется изменением напряжения 0 на входе в масштабный усилитель 10, выходной электрический сигнал которого имитирует изменение данления среды и подается на вход блока 12 формирования полинома. Выходной электрический сигнал блока 12 подается на нходы Т-образных кС -четырехполюсников 19 и 20 и через масштабный усилитель 11 на входы масштабных усилителей 4 и б. При этом вызывается изменение выходного сигнала блока 14 деления имитирукщего изменение длины экономайзерной эоны, выходного сигнала блока 15 деления, имитирующего изменение длины испарительной эоны. В результате происходит изменение выходного сигнала усилителя 7, который имитирует, длину перегревательной зоны, и через блок 13 формирования натуральной показа тельной функции блок 16 умножения и масштабный усилитель 9 вызывает изменение выходной температуры потока Ч.Изменение скорости нагреваемого потока имитируется изменениемвеличин сопротивления резисторов 22 и 22 соответственно Т-образных КС-четырехполюсников 18 и 20 и величин емкостей в цепях обратных.усилителей 1 и 2, которые приводятк переходным процессам, описанничвыше, а также изменением величинынапряжения Оэ,которое подается навходы блоКа 15 деления и квадратного 17. При этом изменяется выходнойсигнал блока 15 деления, имитирующий длину испарительной эоны, чтовызывает в конечном счете изменениетемпературы потока на выходе иэтеплообменного аппарата. С другойстороны, ивменение выходного электрического сигнала квадратора 17приводит к изменению давления средыв аппарате, следовательно, температурй среды на линии насыщения,что приводит к изменению температуры потока на выходе иэ теплообменного аппаратами. Изменение скорости греющего теплоносителя имитируется изменением величин сопротивления резисторов .21, 21, 21 1 соответственно Т-об-. разных ЯС -четырехполюсников 18 - 20, что приводит к переходным процессам в устройстве и, следовательно, к изменению напряжения, имитирующего температуру нагреваемого потока на выходе из теплообменного аппарата,При исключении иэ схемы устройства резисторов 21 21 и 21 Э соответственно, Т-образных 0 С-четырехполюсников 1 В - 20 и задания величины входного тока, которыйимитирует тепловой поток, подводимый к стенке, получается схемаустройства для моделирования процесса теплопередачи в теплообменномаппарате с независимым подводом теп 10 ла.Таким образом, предлагаемое устройство для моделирования по сравнению с прототипом обеспечивает расширение Функциональных воэможностей 15 эа счет введения одного Т-образного. ЙС - четырехполюсника, трехмасштабных усилителей, одного блокаделения и блока Формирования натуральной .показательной функции, ссоответствующими связями, что позволяет осуществить моделированиепроцесса теплопередачи с учетом процесса перегрева паровой, Фазы, образовавшейся в результате фазового перехода нагреваемого потока, 1076922/5 лиал ППП 1 Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 аказ 750/46 ВЕЕИИПИ по дел 113035, М