Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате

.А.Еремен актеристи егулироваМ., фИ 1969, с,4 ство СССР 56, 1978 иия.о. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(46) 15,07.84, Бюл. Р 2 (72) Б.В.Данишевский, В Ю.К.Иванов и Г.М.Файкин (53) 681333 (088,8) (56) 1.Динамические хар промышленных объектов р Под ред, В.М.Рущинского странная литература,2,Авторское свидетель Р 792268, кл, 6 06 С 7/ (прототип) .(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ, выполненное ввиде Н последовательно включенныхблоков моделирования участков теплообменного аппарата, каждый из которых содержит четыре операционныхусилителя, выход каждого из которыхчерез резистор и переменный конден"сатор соединен с входом этого операционного усилителя, два сумматора,умножитель, делитель, инвертор, переменный резистор и согласующий резистор, причем в каждом блоке моделирования участка теплообменногоаппарата выход первого операционного усилителя подключен к первомувходу второго операционного усилителя и к первому выводу переменногорезистора, второй вывод которого.соединен с вторым входом второгооперационного усилителя, а выходыпервого и третьего операционныхусилителей каждого последующего блока моделирования участка теплообменного аппарата подключены соответственно к выходам второго и четверто"го операционных усилителей предыдущего блока моделирования участкатеплообменного аппарата, в каждомиз которых первый вывод согласующего резистора соединен с первыми входами первого и второго сумматоров801.1 2 А выходы которых соединены соответственно с входами делителя, вьцсод которого соединен с входом четвертогооперационного усилителя, выход первого сумматора соединен с входоминвертора, выход третьего операционного .усилителя подключен к первомувходу умножителя, выход которогосоединен с вторым входом второгосумматора, выход инвертора каждогопредыдущего блока моделированияучастка теплообменного аппарата соединен с вторым входом первого сумматора и с вторым входом умножителяпоследующего блока моделированияучастка теплообменного аппарата,блок моделирования температуры потока и давления среды, состоящий изблока нелинейности типа параболы,масштабного усилителя, квадратораи блока умножения, выход которого.подключен к входу квадратора, выходкоторого соединен с первым входоммасштабного усилителя, выход которого является первым выходом устройства, первый вход которого подключенк второму входу масштабного усилителя, выход которого соединен с входом блока нелинейности типа параболы, выход которого подключен к вторым выводам согласующих резисторов ик третьим входам сумматоров блоковмоделирования участков теплообменного аппарата, входы первогои третьего операционных усилителей и второйвход умножителя первого блока моделирования участка теплообменного аппарата являются соответственно вторым, третьим и четвертым входамиустройства, выход второго операционного усилителя последнего блока моделирования участка теплообменногоаппарата является вторым выходомустройства, выходы инвертора и четвертого операционного усилителя последнего блока моделирования участкатеплообменного аппарата соединены1103258 соответственно с первым и вторым .входами блока умножения блока моде"лирования температуры потока и давления среды, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью повышения точности, в него введены блок задания начальных условий и блок задания граничных условий, а в каждый блок моделирования участка теплообменного аппарата введена ВС-сетка, причем второй вывод переменного резистора вкаждом блоке моделирования участкатеплообменного аппарата подключенк первому граничному узлу ВС-сетки,второй граничный узел которой соединен с первым выводом согласующегорезистора, третий и четвертый граничИзобретение относится к аналоговой вычислительной технике и можетбыть использовано для моделирования процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку в теплообменном аппарате,в частности процессатеплообмена в теплоэнергетических агрегатах судовых энергетических установок.Известно устройство для моделирования процесса теплопередачи в кипятильном теплообменном аппарате, реализованное в виде последовательносоединенных ВС-звеньев, которые наоснове электротермической аналогииимитируют процесс теплопередачи вданном аппарате 1,Однако это устройство не обеспечивает точного моделирования процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку, претерпевающим фазовое превращение, так 20как имитация процесса фазового перехода теплоносителя на испарительномучастке теплообменного аппарата осуществляется косвенным путем черезимитацию. При этом принимается усло" 25вие идеального перемешивания двухфазной среды в объеме и, тем самым,не учитывается распределенность параметров и дополнительно снижаетсяточность воспроизведения процесса 30в устройстве для моделирования,Наиболее близким к изобретению является устройство для моделирования процесса теплопередачи в тепло- обменном аппарате, выполненное в виде последовательно включенных блоков моделирования участков теплообменного аппарата, каждый из которых содержит четыре операционных усилителя, выход каждого из которых через резистор и переменный конденные узлы каждого предыдущего блокамоделирования участка теплообменного аппарата соединены соответственно с пятым и шестым граничными узлами КС-сетки последующего блока моделирования участка теплообменного аппарата, первый и второй выходы блока задания начальных условий соединены соответственно с третьим и шестымграничными узлами ВС-сетки первогоблока моделирования участка теплообменного аппарата, а четвертый.и второй выходы блока задания граничныхусловий соединены соответственно стретьим и четвертым граничными узлами ЕС-сетки последнего блока моделирования участка теплообменного аппарата. сатор соединен с входом этого операционного усилителя, два сумматора,умножитель, делитель, инвертор, переменный резистор и согласующий резистор, причем в каждом блоке моделирования участкатеплообменного аппарата выход первого операционногоусилителя подключен к первому входувторого операционного усилителя ик первому выводу переменного резистора, второй вывод которого соединен с вторым входом второго операционного усилителя, а входы первогои третьего операционных усилителейкаждого последующего блока моделирования участка теплообменного аппарата подключены соответственно к выходам второго и четвертого операционных усилителей предыдущего блокамоделирования участка теплообменного аппарата, в каждом из которыхпервый вывод согласующего резисторасоединен с первыми входами первогои второго сумматоров, выходы которыхсоединены соответственно с входамиделителя, выход которого соединен свходом четвертого операционного усилителя, выход первого сумматора соединен с входом инвертора, выходтретьего операционного усилителяподключен к первому входу умножителя, выход которого соединен с вторымвходом второго сумматора, выход инвертора каждого предыдущего блокамоделирования участка теплообменногоаппарата соединен с вторым входомпервого сумматора и с вторым входомумножителя последующего блока моделирования участка теплообменного аппарата, блок моделирования температуры потока и давления среды, состоящий из блока нелинейности типа параболы, масштабного делителя, квадратора и блока умножения, выход которого подключен к входу квадратора, выход которого соединен с первым входом масштабного усилителя, выход которого является первым выходом 5 устройства, первый вход которого подключен к второму входу масштабного усилителя, выход которого соединен с входом блока нелинейности типа параболы, выход которого подключен 10 к вторым выводам согласующих резисторов и к третьим входам сумматоров блоков моделирования участков теплообменного аппарата, входы первого ,и третьего операционных усилителей и второй вход умножителя первого блока моделирования участка теплообменного аппарата является соответственно вторым, третьим и четвертым входами устройства, выход второго операционного усилителя последнего блока моделирования, участка теплообменного аппарата является вторым выходом устройства, выходы инвертора и четвертого операционного усилителя последнего блока моделирования участка теплообменного аппарата соединены соответственно с первым и вторым входами блока умножения блока моделирования температуры потока и давления среды 1230Однако известное устройство, имитируя процесс конвективного теплообмена между греющим теплоносителем и стенкой и между нагреваемым потоком, претерпевающим фаэовое превра щение, и стенкой, не учитывает эф. Фект теплопроводности стенки в осевом и радиальном направлениях. В результате, не обеспечивается высокая точность воспроизведения процесса 40 теплопередачи в данном типе тепло- обменных аппаратов, Кроме того, ука- занное устройство не позволяет получить на нем информацию о распределе.нии температуры теплопередающей стенки вдоль и перпендикулярно оси потоков.Цель изобретения - расширение функциональных возможно.:.ей устройства и повышение его точности эа счет учета эффекта теплопроводности теплопередающей стенки.Указанная цель достигается тем, что в устройство, выполненное в виде М последовательно включенных блоков моделирования участков теплообменного аппарата, каждый из которых содержит четыре операционных усилителя, выход каждого из которых через резистор и переменный конденсатор соединен с входом этого операционно го усилителя, два сумматора, умно" житель, делитель, инвертор, переменный резистор и согласующий резистор причем в каждом блоке моделирования участка теплообменного аппарата вы ход первого операционного усилителя подключен к первому входу второго операционного усилителя и к первому выводу переменного резистора, второй вывод которого соединен с вторым входом второго операционного усилителя, а входы первого и третьего операционных усилителей каждого последующего блока моделирования участка теплообменного аппарата подключены соответственно к выходам второго и четвертого операционных усилителей предыдущего блока моделирования участка теплообменного аппарата, вкаждом из которых первый вывод согла"сующего резистора соединен с первыми входами первого и второго сумматоров,выходы которых соединены соответственно с входами делителя, выход которого соединен с входом четвертого операционного усилителя, выход первого сумматора соединен с входом инвертора, выход третьего операционного усилителя подключен к первомувходу умножителя, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, выход инвертора каждого предыдущего блока моделирования участка теплообменного аппарата соединен с вторым входом первого сумматора и с вторым входом умножителя последую 1 щего блока моделирования участка ,теплообменного аппарата, блок моде.лирования температуры потока и давления среды, состоящий из блока нелинейности типа параболы, масштабного усилителя, квадратора и блока умножения, выход которого подключен к входу квадратора, выход которогосоединен с первым входом масштабного усилителя, выход которого является. первым выходом устройства, первый вход которого подключен к второму входумасштабного усилителя, выход которого соединен с входом блока нелинейности типа параболы, выход которого подключен к вторым выводам согласующих резисторов и к третьим входам сумматоров блоков моделирования уч .стков теплообменного аппарата, входы первого и третьего операционных усилителей и второй вход умножителя первого блока моделирования участка теплообменного аппарата являются соответственно вторым, третьим и четвертым входами устройства, выход второго операционного усилителя последнего блока моделирования участка теплообменного аппарата является вторым выходом устройства, выходы инвертора ичетвертого операционного усилителя последнего блока моделирования участка теплообменного аппарата соединены соответственно с первым и вторым входами блока умножения блока моделирования температуры потока и давления среды, введены блок задания начальных условий1103258 и блок задания граничных условий,а в каждый блок моделирования участ.ка теплообменного аппарата введенаВС-сетка, причем второй вывод переменного резистора в каждом блокемоделирования участка теплообменного аппарата подключен к первому граничному узлу ВС-сетки, второй граничный узел которой соединен с первымвыводом согласующего резистора, третий и четвертый граничные узлы каждого предыдущего блока моделирования участка теплообменного аппаратасоединены соответственно с пятым ишестым граничными узлами ВС-сеткипоследующего блока моделирования 15участка теплообменного аппарата,первый и второй выходы блока задания начальных условий соединены соответственно с третьим и шестым граничными узлами ВС-сетки первого блока моделирования участка теплообменного аппарата, а четвертый и второйвыходы блока задания граничных усло.вий соединены соответственно с третьим и четвертым узлами ВС-сеткипоследнего блока моделирования участка теплообменного аппарата.На чертеже схематически представлено предлагаемое устройство,Устройство содержит блоки 1-1,моделирования участков теплообменного аппарата, блок 2 моделированиятемпературы потока и давления среды,операционные усилители З-б, ВС-сетки 7, сумматоры 8 и 9, инвертор 10,умножитель 11, делитель 12, перемен- Зный конденсатор 13, переменный резистор 14, согласующий резистор 15,блок 16 умнокения, квадратор 17,масштабный усилитель 18, блок 19нелинейности типа параболы, блок 20 40задания начальных условий, блок 21задания граничных условий.Математическое описание работыданного устройства определяется следующей системой уравнений: 45 50 а е аЬ"юЗх 55 РС = /2где с/2 - время двйкения среды пополовине длины участка разбиения,которое является функцией скоростисреды для греющего теплоносителя искорости жидкой фазы двухфазного по 60 65 5" 1 чч 1 Д3 хс=0 Э.ах а 3 4 ах при следующих условиях: где- текущее время;- координаты длины соответственно вдоль оси потокаи перпендикулярно оси потока;Лз,в - температура теплоносителей и стенки;9 - доля сечения, занятаягазообразной фазой двухфазного теплоносителя;ЫИ,И - скорости греющего теплоносителя и отдельных фаздвухфазного потока; К 1,К, КфК 4, К, К-комплексные коэффициенты.В некотором приближении сложный процесс конвективного тепломассообмена греющего теплоносителя и нагреваемого потока с теплопередающей стенкой можно представить как непрерывную последовательность процессов: движения каждой из сред по половине длины теплообменного аппарата, собственно процесса тепло-массообмена между греющим теплоносителем и нагре" ваемым потоком и движения каждой из сред по второй половине длины теплообменного аппарата.Для повышения точности воспроизведения моделируемых процессов разобьем полость теплообменного аппарата сечениями, перпендикулярными его оси, на конечное число дискретных объемов, при этом процесс тепло- обмена в каждом из них представим указанным образом. Тогда устройство для моделирования будет состоять из последовательного соединения моделирующих блоков, которые имитируютпроцесс в дискретных объемах аппарата.В этом случае процесс движения греющего теплоносителя и нагреваемого потока по половинам длин дискретных объемов аппарата представляется как временная задержка сигналов, имитирующих температуру греющего теплоносителя и величину доли сечения занятой газообразной фазой двухфазного потока, которое имеет место благодаря наличию определенного времени транспортирования частиц сред по длине участка, процесс движенйя имитируется в устройстве электрической ВС-схемой задержки с операционным усилителем, в обратную связь которого дополнительно включена переменная электрическая емкость. Постоянная времени схемы и, следовательно, параметры ее электрических элементов определяется из условиясигнал усилителя 3 подается на входпеременного резистора 14, выходнойсигнал которого имитирует температуру стенки на поверхности нагрева греющего теплоносителяВыходной сигналрезистора 14 подается на вход КС-сетки 7, выходные сигналы которой имитируют температуры стенки на участ.ках разбиения стенки в радиальномнаправлении, Выходные сигналы переменного резистора 14 и операционного 0усилителя 3 подаются на соответствующие входы операционного усилителя 5,выходной сигнал которого имитируетсоответственно температуру греющеготеплоносителя на выходе из участка 15разбиения теплообменного аппарата иявляется входным сигналом последующего моделирующего блока устройства.Одновременно второй выходной сигналВС-сетки 7 подается на первые входысумматоров 8 и 9 согласующего резистора 15, выходной сигнал которого подается на вторые входы сумматоров 8и 9, При этом выходной сигнал сумматора 8 подается на вход инвертора 10и делителя 12. ВыХодной сигнал инвертора 10 имитирует изменение скоростигазообразной фазы двухфазного потокана участке разбиения аппарата и является входом последующего моделирующего блока, а выходной сигнал делителя 12 подается на вход операционного усилителя б, который осуществляет имитацию движения нагреваемого двухфазного потока по второй половине длины участка разбиения аппарата. Выходной сигнал усилителя б имитирует изменение величины доли сечения канала теплообменного аппарата занятой газообразной фазой двухфазного потока и является также входом последующего моделирующего блока. Работа всех последующих моделирующих блоков устройства осуществляется аналогичным образом, а выходные электрические сигналы и блока Ц,3 и ,Цимитируют изменения соответственно температуры греющего теплоносителя, скорости и доли сечения канала аппарата занятой газообразной фазой двухфазного потока на выходе из теплообменного аппа Рата. Последние два сигнала подаются на вход блока 1.6 умножения, а его выходной электрический сигнал имитирует изменение расхода газообразной фазы двухфазного потока и подается на оба входа квадратора 17, Выход квадратора 17 подключен к входу масштабного усилителя 18, выходной сигнал которого Ор имитирует изменение давления двухфазной среды. Кроме того, выход усилителя 18 подключен на 60 вход устройства блока 19 нелинейности типа параболы, выходной сигнал которого ц имитирует изменение температуры двухфазной среды и подключен на входы ВС-сеток 7 и сумматоров 65 8 и 9 каждого из моделирующих блоков,что вызывает соответствующий переходный процесс в блоках, аналогичныйописанному, который происходит до техпор, пока схема устройства не войдетв равновесное состояние.При изменении значения доли сечения теплообменногб аппарата, занято"го газообразной фазой, на входе производится изменение входного напряжениями . На операционном усилителеа4 осуществляется имитация движениячастиц двухфазного потока по первойполовине длины участка разбиениятеплообменного аппарата. Выходнойсигнал усилителя 4 подается на входумножителя 11, выход которого подключен к входу сумматора 9. Выходданного сумматора соедин,н с входомделителя 12, выходной сигнал которого поступает на вход операционногоусилителя б, имитирующего движение частиц двухфазного потока повторой половине длины участка разбиения аппарата. При этом выход операционного усилителя б имитирует изменение величины доли сечения каналатеплообменного аппарата, занятогогазообразной фазой двухфазного потока на участке разбиения, и являетсявходом последующего блока, Работавсех последующих блоков осуществляется аналогичным образом, а выходнойэлектрический сигнал Ц имитируетйизменение доли сечения канала аппарата, занятого газообразной фазой двухфазного потока на выходе из теплообменника, Последний сигнал подаетсяна вход вычислительного блока, исхема устройства далее работает опи-.санным образом,При изменении скорости движениягазообразной фазы на входе в теплообменный аппарат производится изме"нение входного напряженияЦд, чтоовызывает соответствующий переходныйпроцесс во всех моделирующих блоках,а затем в вычислительном блоке, исхема работает описанным образом.При изменении противодавления,на которое работает теплообменныйаппарат, производится изменение напряжения 0 на входе в масштабныйусилитель 18, выходной электрический сигнал которого имитирует изменение давления среды, претерпевающей фазовое превращение, а тем самым,и температуры среды на линии насыщения, что вызывает переходный процессво всех моделирующих блоках. При изменении значения скоростейгреющего теплоносителя и жидкой фазы двухфазного потока осуществляются изменения соответственно переменных сопротивлений 14 и емкости конденсаторов 13, которые приводят к переходным процессам в электрических цепях моделирующих блоков и, следовательно, к изменению выходных напряжений, имитирующих температуру греющего теплоносителя, скорость и долю сечения канала аппарата, занятого газообразной фазой на выходе. Это вызывает соответствующий переходный процесс в вычислительном блоке, и далее работа схемы осуществляется описанным способом.При исключении из схемы устройст ва усилителей 3 и 5 и задании величи. ны напряжения на входе в переменный резистор 14, имитирующий температуру греющего теплоносителя, получается схема устройства для моделирова ния процесса теплопередачи в тепло- обменном аппарате с постоянной температурой греющего теплоносителя,При дальнейшем исключении из схемы укаэанного переменного резистора 14 и задании величины входного токакоторый имитирует тепловой поток, подводимый кстенке, получается схема устройства для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате с независимым подводом тепла.1 Введение в устройство новых блоков позволяет учесть эффект теплопроводности теплопередающей стенки при моделировании процесса теплопередачи в теплообменном аппарате, в котором происходит процесс фазового перехода нагреваемого потока. Учет эффекта теплопроводности стенки теплообменного аппарата позволяет полу- чить распределение температуры стенки в любых сечениях вдоль и перпендикулярно оси потоков. Следовательно, по сравнению с прототипом, в предлагаемом устройстве функциональные воэможности расширены, создана возможность проводить на предлагаемом устройстве исследования. более широкого круга задач проектирования теплообменных аппаратов. Учет эффекта теплопроводности теплопередающей . стенки позволяет повысить точность моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате, поскольку отказ от учета данного фактоРа возможен только в ограниченных случаях наличия весьма тонкой стенки и низкочастотном характере внешних возмущений./ г)Рфг останитель В.Рыбине 2 ред Л.Иикеш Корректор Л.Пилипенко Редактор Л,Алексеен каз 50313 4/5 илнал ППП Патент;.г.Ужгород, Ул.Проектная Тираж 699 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений и 113035, Иосква, Ж, Рауш