Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАН ИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ, выполненное в виде h последовательно включенных моделирующих , содержащих по четыре масштабных операционных усэдлителя , в каждом нэ которых параллельно резистору обратней связи включен переменный конденсатор задержки, входы первого и второго масштабных операционных усилителей являются одноименным входами моделируктгчёго блока, выходы первого и второго ма штабных операционных усилителей соединены с первыми входами соответственно третьего и четвертого масштабных операционных усилителей, выходы которых являются соот ветственно первым и вторым выходом моделйрукчдегчэ , блока, о т л и ч а ю щ е е д я тем, что, с целью повьЕгюния точности моде/1йрования , моделирующие блоки допол- . ннтельно содержат по два переменных резистора и т КО-четырехпогаоснАков, которые включены последовательно. первый полюс первоххэ RC-четырехполюсника через первый переменный резистор подключен к выходу первого масштабного операционного усилителя и яепосредственно соединен с вторым вхЬдом третьего масштабного операционного усилителя, вфорой полюс RO-четырехполюсника: через второй перемен-, ный резистор подключен к .выходу второго масштабного операционного усилителя и непосредственно соединен с ВТОР1ЫМ входом четвертого масштабного операционного усилителя, третьи и четвёртые полюсы RC-четкрехполюсников кгикдого моделирушцего блока соединены соответственно с четвертыми полюсаьш RC-четырехполюсников прешдуцего моделирушцего блока и третьими полюсами. RC-четырехполюсников по-2 следующего моделирующего блока. 2. Устройство по П.1, от ли ч ающ е еся тем, что RC -четырехполюсник содержит,конденсатор и четсорё резистора, одни которых объединены и через конденсатор соединены с шиной нулевого потенциала, а другие О5 выводы резисторов являются соответствующими полюсгши RC-четырехполюсниСХ ) ка.

09) (И) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(Я) .G 06 С -7 56

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Г

1 f

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ. СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТБ4ИЙ И ОТКРЫТИЙ

C (21) 3383420/18-24 (22) 13. 01. 82 (46) 07.05.83. Бюп, 9 17 (72) Б. В.Данишевский, В.A.Еременко., Ю.К.Иванов и Г.М.Файкин (53) 681.333(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР в 822219, кл. G 06 С 7/48, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 661568, кл.. С 06 G 7/56, 1977 (прототип). (54) (57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ t".Î ÄËÈÐÎBAHHR ПРОЦЕССА . ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В TEPJIOОБМЕННОМ АППАРАТЕ, выполнениое . в виде и последовательно включенных мо-, делирующих блоков, содержащих по- четыре масштабных операционных усилителя, в каждом иэ которых параллель но резистору обратней связи включен переменный конденсатор задержки, входы первого и второго масштабных операционных усилителей являются одноименными входами моделирующего блока, выходы первого и второго масштабных операционных усилителей соединены с первыми входами соответственно третьего н четвертого масштаб-. ных операционных усилителей, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходом моделирующего блока, о т л и ч а ю щ е е .с я тем, что, с целью повышения точности модеЛнровання, моделирующие блоки допол- . нительно содержат по два переиенйых резистора и ю Rc-четырехполюснйков, которые включены последовательно., первый полюс первого RC-четырехполюсника через первый переменный резистор подключен к выходу первоГо масштабного операционного усилителя и .непосредственно соединен с вторым входом третьего масштабного операционного усилителя, второй полюс мго ВС чвтырехполюсника через второй переиенный резистор подключен к выходу второго масштабного операционного усилителя н непосредственно соединен с вторЫм входам четвертого иасштабного операционного усилителя, :третьи и четвертые полюсы .RC-четырехполюсников .каждого моделирующего. блока .сое-. динены соответственно с.четвертыми полюсами RC-четырехполюсников пре дыдущего иоделирукщего бдокаи третьими полюсами RC-четйрехполюсников по-Я следующего моделирующего блока.

2. Устройство по п.1, о т л"и ч аю щ е е с я тем, что RC -vex xnoлюсник содержит конденсатор и четыре резистора,-одни выводы которых объединены и через конденсатор соединены с шиной нулевого потенциала, а другие выводы резисторов являются соответствующими полюсаии RC -четырехполюсника..1016801

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 теплообмена в теплоэнергетических агрегатах судовых энергетических установок.

Известно устройство для моделирования нестационарных физических полей, в том числе температурных, содержащее

RQ-сетку., первый вход которой подключен к выходу блока задания начальных условий, блок задания граиичиых условий, блок регистрации, генератор по- .1э тенциально убывающего напряжения, генератор потенциально возрастакн его напряжения и блоки умножения $1).

Однако устройство не позволяет учесть при моделировании процесса Я теплопередачи влияние на него теплопроводности теплопередающей стенки в теплообменном аппарате.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является уст- 25 ройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном, аппарате, выполненное в виде- и последовательно включенных моделирующих блоков, содержащих по че- . ЗО тыре масштабных операционных усилителя, в каждом из которых параллельно резистору обратной связи включен переменный конденсатор задержки„входы первого и второго масштабных операционных усилителей являются одноименными входами моделирувщего блока, выходы первого и второго масштабных операционных усилителей соединены с первыми входами соответственно третьего и четвертого масштабных опера- 40 ционных усилителей, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходом моделирующего блока,вторые входы третьего и четвертого масштабных операционных усилителей под- 45 ключены к первому полюсу Т-образного .Rc-четырехполюсника, второй и третий полюсы которого соединены с выходами первого и второго масштабных операционных усилителей, RC-четырехполюс- 5О ник содержит конденсатор и два реэис« тора, одни выводы которых объединены,. через конденсатор подключены к шине нулевого потенциала и непосредственно к первому полюсу RC-ze epexrromnc- р ника, вторым и третьим полюсами кото-. рого являются другие выводды Резисто-,ров $2) . Однако устройство не учиты-. вает эффект теплопроводности стенки . в осевом и Радиальном направлениях., Цель изобретения — повышение точности моделирования. указанная .цель достигается тем, что в устройстве для моделирования ..процесса теплопередачи в теплообменном аппарате моделирующие блоки дополнительно содержат по два переменных резистора в в RC-четырехполвсников, которые включены последовательно, первый полюс первого RC-четырехполюсника через первый переменный реэистор подключен к выходу первого масштабного операционного усилителя и непосредственно соединен с вторым входом третьего масштабного операционного усилителя, второй полюс ve-ro

КС»четырехполюсника через второй переменный резистор.подключен к выходу второго масштабного операционного усилителя и непосредственно соединен с вторым входом четвертого масштабного операционного усилителя, третьи и четвертые полюсы RC -четырехполвсников каждого моделирующего блока соединены соответственно с четвертыми полюсами RC -четырехполвсников предыдущего моделирувщего блока и третьими.полвсами RC -четырехполвсников последующего- моделирунядего блока.

Кроме того, RC -четырехполвсник содержит конденсатор и четыре резистора, одни выводы. которых объединены и через конденсатор. соединены с шиной нулевого потенциала, а другие выводы резисторов являются соответствующими, полюсами RC -четырехполюсника.

На чертеже приведена схема устройства для моделирования процесса теплОпередачи в теплообменном аппарате.

Устройство .содержит моделирующие блоки 1„ †.1> причем моделирующий . блок 1 ° состоит из масштабных опера1. ционных усилителей 2„-5;, переменных резисторов 6„ и 71 и йС -четырехполвс ников 8.р -8щ„. Масштабные операционные усилители 2; содержат резисторы

9 и 10 1,переменный конденсатор задержки 21, и решающий усилитель

12 1 . В состав масштабных операционных .усилителей 3„ входят резисторы

9э и 10, переменный конденсатор задержки 11; и решающий усилитель

12 „ . Масштабные операционные усилители 4; содержат резисторы 94, и 104,", переменный конденсатоР задеряки 114<, решающий усилитель 124 и резистор

134 . Масштабные операционные УСилители 5; состоят из резисторов 9, и 10> переменного конденсатора задержки 11«., решающего усилителя 12@ и резистора 13 „.. Rg -четырехполвсник 8 „ содержит резисторы 14„„.-17„; и конденсатор 18к„ .

Устройство работает следующим образом.

Теоретически работа устройства основана на том,.что процесс передачи тепла От греющего теплоносителя к иагреваемому потоку через теплопере10 1680 1

4 уравнений где (— текущее время;

Х,Z — координаты длины соответственно вдоль оси потока и перпендикулярно оси потока, fp,e,e g — температуры греющего и нагреваемого потоков, стенки, стенки на поверхности греющего и нагрева- емого потоков, — постоянные времени, ш — скорости потоков," комплексные коэффициенты.

Процесс конвективного теплообмена греющего теплоносителя и нагреваемого потока с теплопередающей стенкой представляется непрерывной последова,тельностью процессов: движением каждой из сред по половине длины теплообменного аппарата, собственно ripo- 35 цессом передачи тепла от .греющего z теплоносителя к нагреваемому потоку и движением каждой из сред по второй половине длины теплообменного аппарата. 40

Для повышения точности воспроизведения моделируемых процессов полость теплбобменного аппарата разбивается сечениями, перпендикулярными его оси, на конечное число дискретных 4 объемов, при .этом процесс теплообмена в каждом из них представляется, как указано выше. Тогда устройство для моделирования будет состоять из последовательного соединения моделирующих блоков, имитирующих процесс В дискретных объемах аппарата..В этом случае процесс движения греющего теплоносителя н нагреваемого потока но половинам длин. дискретных объемов аппарата представляется как временная55 задержка сигнала, имитирующего температуру среды, которая имеет место в результате наличия некоторого. времени транспортирования частиц среды по длине дискретного объема. Процесс движе-60 ния имитируется электрической РС -схемой задержки с операционным усилите.лем, при этом электрическая емкость включена в обратную связь данНого усилителя. Постоянная времени схемы дающую стенку описывается системой (1 T„(e)(— „-. iu„ie) „)=(6fg-t), ф

" ЭХ Э/, При следующих граничных условиях:

gg e

az „= «)(+-e+,), ж ав дхД =к (ЮЬ-8 ), (5) о пределяется иэ условия, что RC= oII2, где Цо/g — время движения:среды по половине .длинц участка разбиения arrriaрата.

Описание собственно процесса теп- лообмена в дискретном объеме может быть получено иэ исходной системы

:уравнений (1) — (5) при условии, что;. ,:временем движения каждой из сред на", :участке разбиения можно пренебречь ввиду представления процессов движе-. ния и теплообмена неэависииымн. Тогда, учитывая отиеченное выл допущение, а, также применяя конечно-раэностную ап Гпроксимацию к уравнению теплопровод-ности стенки (2) и граничным услови- ям (4 ) и (5)., математическое описание собственно процесса теплообмена получается в,следующей формеs

71()N"(e) 8x (-Ф.), (6)

Я с„.„"

diiii В(;.„) -gi g; -g;-„. 1) a ..

>ix

+ 9 (29) Ъ 9(;В(()Ы )Я т »

T2() Cu (t) <„" .-S<„.„-V„..

При. граничнЫх условиях: (- н e i(-еь д = — ",. (М т В т1 - )й;ч 6 М-9 (о) t2 « 1щГ де С „- " — теплоемкость дискретно.го объема теплопередающей стенки теплообмен-: ного аппарата р . — термические сопротнв-

Ч» ленин теплонроводности стенки, соответственно .,по осевой и радиальным

"координатам, — термические сопроч. квле Т1 2 Т% ния теплообмена, соот-.-*. .ветственно между греющим . теплоносителем и стенкой и нагреваемж потоком и стенкой;

- порядковые номера участков разбиения теплооб,менного алпарата сечениями, перпендикулярными его оси, ,, — порядковые номера участков разбиения теплопередающей стенки в радиальном направлении.

Интегрируя уравнения (б) и. (8 по оординате длины )(и выражая значения, еиператур сред на выходе иэ участков аебиения, получаем уравнения: ;=9 ; ®, „-в,. )exp(-Ü;ä (s)

" 1= ич+(" -. - р ч) Е"Р (-Ь ч), (42) 1016801 где Ъ„- безразмерный, коэффициент. !

Таким образом система уравнений (7 ), (9 ) — (12) описывает процесс собственно теплообмена на участке разбиения теплообменного аппарата.

Техническая реализация имитации собственно процесса теплообмена выполняется на основе электротермической аналогии при соблюдении следующих10 соответствий:

Тепловые величины Электрические величины

Температура сред †ъНапряжен и стенки . (О, И,, Ц ) (t, V,Q) 20

Тепловое сопротивление (т т ° "т та

Сопротивление резисторов 14„„„, Теплоемкость (Ст ) Емкость конденсатора 8щ„

Тепловой поток — Ток (i) (iraq) 30

Время (-С ) Время (X) 35

При изменении значений входных температур греющего теплоносителя (+ )или нагреваемого потока (Чо ) проИэводится изменение соответствующих величин входных напряжений Ugои Ц

На масштабных операционных усилителях

24 и З„осуществляется имитация движения частиц сред по первой половине ддины участка разбиения теплообменного аппарата. Выходные сигналы усилителей 2 и 3„ подаются на входы пе- 45 ременных резисторов б и 7, электрические выходные сигналы которых имитируют температуры.стенки на поверхностях нагрева греющего теплоносителя и на.греваемого потока. Выходные 50 сигналы переменных резисторов 6А и 7„. подаются на входы включенных последовательно КС -четырехполюсников 8, а два других полюса каждого RC -четырехполюсника 8 электрически связаны55 с соответствующими полюсами КС -четырехполюсников 8 предыдущих и последующих моделирующих блоков 1. Электрические выходные сигналы RC -четырехполюсников 8 имитируют температуры стенки на участках разбиения стенки в радиальном направлении. Одновремен- но выходные сигналы переменных резисторов 6, и 74 и усилителей 2 и 3» йбдаются на соответствующие усилители

5 и 4 . Выходные сигналы усилителей

5А и 4 имитируют соответственно, температуры греющего теплоносителя и нагреваемого потока на выходе .из участка разбиения теплообменного аппарата и являются входными сигналами последующего моделирующего блока 1 устройства для моделирования.

Работа всех последующих моделирующих блоков 1 осуществляется аналогичным образом, выходные электрические сигналы блока 1> устройства Ug и

О „имитируют изменения температур греющего теплоносителя и нагреваемого потока на выходе из теплообменного аппарата 1 и Чд . При изменениях значений скоростей греющего теплоносителя и нагреваемого потока соответственно осуществляется изменение величин переменных резисторов б и 7 и емкостей конденсаторов 111 и 11я„, которые приводят к переходным процессам в электрических цепях моделирующих блоков 1 устройства и, следовательно, к изменению выходных напряжений, имитирующих температуры греющего теплоносителя и нагреваемого потока на выходе из. теплообменного аппарата.

Изменение длины теплообменного аппарата, а следовательно, длин участков разбиения теплообменного аппарата имитируется путем изменения величин переменных резисторов 9, 10 и 13.

При исключении из устройства усилителей 2 и 4 и задания величины напряжения на входе в переменный резистор 6, который имитирует температуру греющего теплоносителя, получается .устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате с постоянной температурой греющего теплоносителя. !

При дальнейшем исключении из устройства переменного pe=-,истора б и задания величины входного тока q который имитирует тепловой поток, подводимый к стенке, ;;::».÷÷ae.ãñÿ устройство для моделир .в.:-и процесса теплопередачи в тепл.>с.мелком аппарате с независимы". подведем тепла.

Таким образом, устройство для мо- делирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате обеспечивает расширение функциональных воэможностей и повил.: лие точности эа счет введения ич последовательно соединенных

КС-чeтырeхпoлюcниeов 8 с одним конденсатором 18 в каждэм из них и двух переменных резисторов б и 7 с соответствующими связями, что позволяет осуществить моделиро-.ание процесса теплопе едачи с учетом теплопроводн=сти теплопередающей стенки аппарата.

1016801

Составитель Г.Сорокин

Редактор C,Вско Техред T.Ìàòî÷êà Корректор И. Коста

Заказ 3388/49 Тираж 206 Подписное

ВНИИХИ Государственного кбмитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, R-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4