Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ по авт. св. № 1067516, отличающееся тем, что, с целью повышения его точности , в него введены дополнительный масштабньй усилитель, блок моделирования температуры в перегревательной части теплообменного аппарата, состоящий из масштабного резистора, накопительного конденсатора и переменного резистора, преобразователь напряжения в линейное перемещение и блок формирования обратной функции, выход которого подключен к входу преобразователя напряжения в линейное перемещение , выход которо -о кинематически соединен с подвижным контактом переменного резистора, выход функционального преобразователя подключен к первому входу дополнительного масштабного усилителя и к первому выводу переменного резистора, второй вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, которая подключена к первому выводу накопительного конденсатора, второй вывод которого i соединен с подвижным контактом переменного резистора, с первым выводом (Л масштабного резистора и с вторым входом дополнительного масштабного усилителя, выход которого является выходом температуры перегретого пара устройства второй вывод масштабного резистора соединен с первым входом устройства. 00 оо сь

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИН

QQ 01) 2 А

4(51) С 06 G 7/56 ч

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCH01VlY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTPN (61) 1067516 (21) 3621061/24-24 (22) 14.07.83 (46) 07.01.85. Бюл. У 1 (72) В.М. Дерябин, А.С. Карасик, Н.Л. Копытин, Г.М. Файкин и А.С. Юревич (53) 681. 333 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 1067516. кл. С 06 С 7/56, 1981 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ по авт. св.

Ф 1067516, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения его точности, в него введены дополнительный масштабный усилитель, блок моделирования температуры в перегревательной части теплообменного аппарата, состоящий из масштабного резистора, накопительного конденсатора и переменного резистора, преобразователь напряжения в линейное перемещение и блок формирования обратной функции, выход которого подключен к входу преобразователя напряжения в линейное перемещение, выход которого кинематически соединен с подвижным контактом переменного резистора, выход функционального преобразователя подключен к первому входу дополнительного масштабного усилителя и к первому выводу переменного резистора, второй вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, которая подключена к первому выводу накопительного конденсатора, второй вывод которого соединен с подвижным контактом переменного резистора, с первым выводом масштабного резистора и с вторым входом дополнительного масштабного усилителя, выход которого является выходом температуры перегретого пара устройства, второй вывод масштабного резистора соединен с первым входом устройства.

1133602

Изобретение относится к области аналоговой вычислительной техники и может быть использовано для моделирования процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку в теплообменном аппарате, в частностч., процесса тепломассообмена в теплознергетических аппаратах судовых энергетических установок, 1Î

По основному авт. св. У 1067516 известно устройство, содержащее Т-образные RC-четырехполюсники, выход и первый вход первого из которых подключены соответственно к первым вхо15 дам первого и второго масштабных усилителей, выходы которых соединены с входами делителя, два операционных усилителя, в обратную связь каждого из которых включены параллельно со29 единенные резистор и переменный конденсатор, выход усилителя подключен к первому входу первого операционного усилителя, выход которого соединен с первым входом умножителя, второй

25 вход которого соединен с первым входом умножителя, второй вход которого подключен к выходу третьего масштабного усилителя, выход умножителя соединен с входами квадратора, выход которого подключен к первому" входу

ЗО четвертого масштабного усилителя, выход которого соединен с входом функпионального преобразователя, пятый и шестой масштабные усилителя и второй T-образный КС-четырехполюсник, 35 причем выход второго операционного усилителя подключен к входам второго и пятого масштабных усилителей, выход ксторогс соединен с вторым входом первого и=-сштаб-Ioi 0 усилителя, выход 4О функционального преобразователя соединен с первым входом второго Т-образного RC-четырехполюсника и через

HIpcToA масштабный jjcJlJIHTBJIh чен к второму входу второго масштаб- 45 ного усилителя и первому входу третьего масштабного усилителя, выход второго T-образного РС-че.-ырехполюсника соединен с вторым входом третьего масштабного усилителя, вход вто- 5G рого операционного усилителя является первым входом устройства,. вторым входом которого является второй вход первого операционного усилителя, вторые входы T-обраэных RC-четырехполюс-. 55 ников являются третьим входом устройства, четвертым входом которого яв-. ляется второй вход четвертого масштабного усилителя, выход которого является выходом устройства, а также сглаживающий фильтр, два интегратора, шесть дополнительных масштабных усилителей, два дополнительных умножителя, дополнительный квадратор и дополнительный усилитель, выход которого подключен к первому входу первого дополнительного умножителя, выход которого соединен с первыми входами первого дополнительного масштабного усилителя и первого интегратора, выход которого через дополнительный квадратор подключен к первому входу второго дополнительного умножителя, выход которого соединен с вторым входом первого интегратора, выход которого подключен к первому входу второго дополнительного масштабного усилителя, выход которого соединен с первым входом дополнительного усилителя, второй вход которого соединен с выходом основного умножителя, с входом квадратора, с первым входом третьего дополнительного масштабного усилителя и с вторым входом второго дополнительного масштабного усилителя, третий вход которого соединен с выходом четвертого дополнительного масштабного усилителя, первый вход которого является пятым входом устройства, шестой вход которого подключен к первому входу пятого дополнительного масштабного усилителя, выход которого соединен с вторым входом второго операционного усилителя и с входом сглаживающего фильтра, выход которого подключен к первому входу второго операционного усилителя, седьмой вход устройства соединен с вторым входом третьего дополнительного масштабного усилителя, выход которого подключен к входу второго интегратора, выход которого соединен с вторым входом первого дополнительного масштабного усилителя, выход которого является вторым выходом устройства, первый вьгход которого подключен к второму входу четвертого дополнительного масштабного усилителя, восьмой и девятый входы устройства соединены соответственно с первым и вторым входами шестого дополнитель-. ного масштабного усилителя, выход которого подключен к второму входу второго дополнительного умножителя, выход первого операционного усилителя соединен с вторым входом первого

11336 (2) Е,n=e-е,(". ";) к„(а„-ч,1

М (А (4) (6) (7) (8) (9) (10) (12) (13) (14) (15) дополнительного умножителя и с третьим входом шестого дополнительного масштабного усилителя Q1) .

Однако известное устройство не обеспечивает с достаточной точностью моделирование процесса передачи тепла в теплообменном аппарате, в котором происходит процесс перегревд паровой фазы нагреваемого потока, образовавшейся в результате фазового пе- 10 рехода среды при естественной циркуляции нагреваемого потока °

Целью изобретения является повышение точности устройства для моделирования процесса теплопередачи в 15 теплообменном аппарате за счет учета перегрева пара, образовавшегося в результате фазового перехода нагреваемого потока при многократной циркуляции потока естественным путем. 20

Указанная цель достигается тем, что в устройство дополнительно введены масштабный усилитель, блок моделирования температуры в перегрева-. тельной части теплообменного аппарата, состоящий из масштабного резистора, накопительного конденсатора и переменного резистора, преобразователь напряжения в линейное перемеще ние и блок формирования обратной функции, выход которого подключен к входу преобразователя напряжения в линейное перемещение, выход которого кинематически соединен с подвижным контактом переменного резистора, выход функционального преобразовате35 ля подключен к первому входу дополнительного масштабного усилителя и к первому выводу переменного резистора, второй выход которого соединен с ши40 ной нулевого потенциала, которая подключена к первому выводу накопительного конденсатора, второй вывод которого соединен с подвижным контактом переменного резистора, с первым выводом масштабного резистора и с вторым

45 входом дополнительного масштабного усилителя, выход которого является выходом температуры перегретого пара устройства, второй вывод масштабного резистора соединен с первым входом устройства.

На фиг. 1 и 2 дана схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит операционные 55 усилители 1 и 2, масштабные усилители 3-14, интеграторы 15 и 16, умножители l7-19, функциональный преобра02 4 зователь 24, квадраторы 20 и 21, делители 22 и 23, Т-образные четырехпо люсники 25 и 26, сглаживающий фильтр

27, дополнительный масштабный усилитель 28, блок 29 моделирования температуры в перегревательной части теплообменного аппарата, блок 30 формирования обратной функции, преобразователь 31 напряжения в линейное перемещение. Блок 29 состоит из масштабного резистора 32, переменного резистора 33 и накопительного конденсатора 34.

Процесс теплопередачи от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку, при котором поток первоначально подогревается до температуры насыщения, соответствующей давлению среды, а затем происходит процесс фазового перехода среды при условии многократной циркуляции нагреваемого потока естественным путем, описывается следующим образом.

Экономайзерная зона подъемного канала е ®э (< -8 Д (Ч з - Оэ1

34 Cms RT34 Cm3 RT32 и е1 ,1) (ч,-÷,1

61-/5—

8Э1

Испарительная зона подъемного канала

dQ„ (-e.1 (ч -e е

d(Сельц Rgg< Сельц и ец (3) \

u„= „(e„И5) Э и="ь(эе 4 ) Вц

Опускной канал

aeon OS 8о1

Cmobs "roe

Ч = б, оп = 8оп+(

Э ОП " 2 "ОР

Пароводяной коллектор ,к Ду в "7 л )пв è

Ь=МS×"„ +Квну Я 2

)= k)5Q„a P„ 6 К ь 1 и + " в p + °

1133602

И„(. -з- М (,Ч, - 8)

Т7 (Л1 78 (1

T,("-1 —. u,(", =(e

< Ч>) (18) где ь — текущее время;

;(— координата длины; температуры греющего тепло > Yl> носителя, потока и стенки в перегревательной части и а ата (1.7 > 15 теплообменнс> о а п р Ю, 25 8(Р, тз(>1 — постоянные времени

В некотором приближении сложный процесс теплообмена может быть разделен на два независимых процесса:

30 движение частиц срсды vi собственно теплообмена. Тогда модель процесса в перегревательной части теплообменного аппарата может быть представлена в виде последовательного соединения моделей процессов: движения час З тиц среды по половине длинь перегревательной части аппарата, собственно теплообмена в средней точке и движения частиц среды по второй половине длины перегревательной части теплооб-)0 (ченного аппарата. Математическое описание процессов в указанных моделях получается из системы уравнений (16), Т е пл овь) е величины

Температуры сред и стенки (1 >>>3> 3) >7> +1 Оr> 7

М (.,9„,ЬМб, ОР,,;1

Тепловое сопротивление

+3i > ТЭЯ ) >>» ) )>>2 7 и R тО)7 ) "ты т>)7

Теплоемкость

С с, „,с

Тепловой поток 1

Время л, Звено формирования скорости циркуляции нагревательного потока дя, "« ; =,(1 u<. <20 (31- „P.„(û31 -(16)

-М„К,„(ы,) .

Математическое описание процесса передачи тепла от греющего теплоноси теля к нагреваемому потоку, который нахоцится в виде паровой фазы, вслед10 ствие чего происходит перегрев данного пара, как известно, можно записать в виде следующей системы уравнений (17) при условии независимости процессов движения и теплообмена.Посколь-; ку временем транспортирования частиц паровой фазы нагреваемого потока можно пренебречь, то систему уравнений, описывающую процесс в перегревательной части аппарата, можно представить так

i

4= 8„a (u„-,1 екр(-Ъ„ (20) !

u2 Р 7 (21) гдео и " — постоянные коэффициенты;

t>

C щ — теплоемкость теплопередающей стенки в перегренательной части теплообменного аппарата; т)>, "т>)2 — термические сопротивления теплообмену рассматриваемой части теплообменного аппарата.

Таким образом, система уравнений (1) — (16), (19) — (21) составляет математическое описание процесса теплопередачи в теплообменном аппарате, в котором происходит первоначальноподогрев нагреваемого потока до температуры насыщЕния,, соответствующей давлению среды, фазовый переход среды при условии естественной циркуля.— ции потока, а затем перегрев образовавшейся паровой фазы данного потока.

Техническая реализация имитации процессов теплообмена в экономайзерной и испарительной зонах, опускном канале и перегревательной части аппарата, описания которых составляют уравнения (1), (2), (3) (8), (9), (10), (19) †(21), выполняется на основе электротермической аналогии при соблюдении следующих соответствий:

Электрические величины

Напряжение .Р-„Ue„ „,, -,„u„„,u...

J 0 0 46»on Цз) 06 "ч)) 1

Сопротивление (2<1 > >:3> » R (322) )" (3341 ( р (3М1 (3231 (3))

Емкость ((4 1) Д471 ) (344) )С(34 ))

Ток (>) Время ь

1133602

При изменении величины входного напряжения Uy, которое имитирует изменение температуры греющего теп- M лоносителя, происходит изменение выходных напряжений Т-образных четырехполюсников 25 и 26 и входного напряжения блока моделирования температуры в перегревательной части теплооб- 55 менного аппарата, которые имитируют изменение температур стенок соответственно в экономайзерной и испарительПри этом переменная величина термического сопротивления теплообмена в перегревательной части теплообменного аппарата имитируется линейным потенциалом, движок которого переме- 5 щается электромеханическим следящим блоком.

Имитация процесса массообмена, описываемого уравнениями (5) †(7), осуществляется в устройстве путем выполнения вычислительных операций с использованием масштабных операционных усилителей, делителя и умножителя.

Процессы движения частиц потока в опускном канале и экономайзерной зоне (уравнение (11), а также переноса координаты конца длины экономайзерной зоны (уравнение (4) имитируются RC — ñõåìàìè задержки с операци20 онными усилителями, в обратную связь которых дополнительно включены переменные электрические емкости. Причем постоянные времени схем, следовательно, параметры их электрических эле- 25 ментов определяются из условия, что

Т = RC, т.е. равно времени транспортирования частиц по длине зоны или канала.

Имитация процесса в пароводяном коллекторе, описываемого уравнениями (12) и (13), выполняется в устройстве с помощью масштабных усилителей, интегрирующего усилителя и умножителя.

Имитация формирования скорости циркуляции нагреваемого потока (уравнение (16) ), давление потока (уравнение (14)) и температуры потока на линии насыщения (уравнение (15)), осуществляется с использованием масштабных операционных усилителей, умножителей, квадраторов, функциональ ного преобразователя и интегрирующего усилителя.

Устройство работает следующим образом. ной зонах и перегревательной части аппарата. Эти выходные напряжения соответственно подаются на входы масштабных усилителей 4, 6 и 28, причем выходной сигнал последнего усилителя является вторым выходом устройства и имитирует температуру ,перегретого пара.

Выходной сигнал усилителя 4 подается на выход делителя 22, выходной сигнал которого имитирует изменение длины экономайзерной зоны и лодается на вход RC-схемы с включенным в нее операционным усилителем 2, имитирующим процесс транспортирования частиц потока по второй половине длины экономайзерной зоны.

Электрические выходные сигналы усилителей 2 и 6 подаются на входы умножителя 17, выходной сигнал которого имитирует изменение расхода газообразной фазы на выходе испарительной зоны. Этот сигнал подается на входы делителя 22, квадратора 20, масштабных усилителей 8, 9 и блока 30 формирования обратной функции. При . этом выходной сигнал квадратора 20 подается на выход масштабного усилителя 12, выходной сигнал которого имитирует изменение давления среды в теплообменном аппарате. -Данный сигнал подается на входы масштабного усилителя 7 и функционального преобразователя 24, причем выходной сигнал последнего имитирует изменение температуры среды на линии насыщения и подается на входы Т-образного RC-четырехполюсника 26, блока 29 моделирования температуры в перегревательной части теплообменного аппарата, масштабных усилителей 28 и 13, выходной сигнал последнего усилителя подается на входы масштабных усилителей 5 и б.

Одновременно выходной сигнал блока 30 подается на вход .преобразователя 31 напряжения в линейное перемещение, что вызывает изменение переменного резистора 33 и тем самым выходного напряжения блока 29 моделирования температуры в перегревательной части теплообменного аппарата.

Все это вызывает соответствующий переходный процесс в описанной части схемы устройства, который происходит до тех пор, пока полная схема устройства не войдет в равновесное состояние. Одновременно выходной сигнал усилителя 13 подается на вход

1133602

10 масштабного усилителя 14, выходной сигнал которого имитирует температуру среды в пароводяном коллекторе и подается на вход сглаживающего фильтра 27. Причем выходной сигнал послед- 5 него и выхоцной сигнал усилителя 14. подаются на входы RC-схемы с включенным в нее операционным усилителем 1, имитирующим пр цесс транспортирования частил потока по опускному кана- 10 лу и первой половине длины зкономайзе ной зоны. Выходной сигнал усилителя 1, который имитирует изменение температуры потока на входе в экономайзерную зону, подается на входы 15

Т-образного RC-÷åòípåõïoëþñíèêà 25, масштабных усилителей 3 и 5, также вызывая соответствующий переходный процесс в описанной выше части схемы устройства для моделирования. Вы- 20 ходной сигнал делителя 23, на вход которого помимо выходного сигнала умножителя 17 подается выходной сигнал масштабного усилителя 8, имитирует изменение величины истинного 25 объемного,паросодержания на выходе из испарительной зоны и подается на вход умножителя 18. Выходной сигнал масштабного усилителя 7 подается на вхбд масштабного усилителя 8, на дру. 30 гой вход которого подается выходной сигнал интегрирующего усилителя 16.

Причем выходной сигнал усилителя 8 имитирует изменение скорости газообразной фазы потока на выходе из испа- З рительной зоны и данный сигнал поступает на вход делителя 23. На вход умножителя 18 поступает выходной сигнал операционного усилителя 2, имитирующего изменение длины испаритель- 40 ной зоны, а также выходной сигнал делителя 23, .а выходной сигнал умножителя 18 поступает на вход масштабного усилителя 10 и интегрирующего усилителя 16. Причем на другой вход 45 усилителя 10 поступает выходной сигнал масштабного усилителя 9 через

I интегрирующий усилитель 15, а выходной сигнал усилителя 10 является вторым выходом устройства и имитирует 50 уровень пароводяной смеси в коллекторе теплообменного аппарата. Выходной сигнал масштабного усилителя ff поступает на вход умножителя 19, на второй вход котОВаго поступает выход"55 ,ной сигнал квадратора 21. Выходной сигнал умножителя 19 поступает на

1 интегрирующий усилитель 16, выходной сигнал которого имитирует измене ние скорости циркуляции воды в тепло обменном аппарате и подается на входы квадратора 21, а также масштабного усилителя 8.

Изменение напряжения U < на входе в масштабный усилитель 12, имитирующее изменение противодавления, на которое работает теплообменный аппарат, приводит к изменению выходного сигнала усилителя 12, имитирующего изменение давления нагреваемой среды, что вызывает переходный про- . цесс в схеме устройства. При этом работа схемы устройства происходит аналогично описанному выше.

Изменение сопротивлений резисторов 321, 32п и 32, а также электрических емкостей конденсаторов обратной связи операционных усилителей 1 и 2 имитирует изменение скорости греющего теплоносителя. Указанные изменения сопротивлений и емкостей в устройстве приводят к переходным процессам, которые аналогичны описанным выше, в результате чего изменяются выходные напряжения, которые имитируют расход парообразной фазы нагреваемого потока, давление потока, температуры потока на линии насыщения, уровень пароводяной смеси в коллекторе, температуры пара на выходе теплообменного аппарата и т.д.

Изменение напряжения U на вхоб.ьЪ де в масштабный усилитель, которое имитирует изменение расхода питательной воды, приводит к изменению выходного сигнала усилителя 9, который через интегрирующий усилитель 15 поступает на вход масштабного усилителя 10. В результате изменяется выходной.сигнал усилителя 10, имитирующего уровень пароводяной смеси в коллекторе теплообменного аппарата.

При исключении из схемы устройства входных сопротивлений 32 „ 32 и 321 и задания величины 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 по сравнению с известным обеспечивает повышение точности моделирования за счет введения масштабного усилителя, бло12 го потенциометра, с соответствующими связями, что позволяет осуществить моделирование процесса теплопередачи в теплообменном аппарате с естественной циркуляцией нагреваемого потока с учетом процесса перегрева пара, образовавшегося в результате фазового перехода перегреваемого потока.

ll 1133602 ка формирования обратной функции, преобразователя напряжения в линейное перемещение, блока моделирования температуры в перегревательной части теплообменного аппарата, состоящего из масштабного резистора, накопительного конденсатора и переменного резистора, выполненного в виде линейно1133б02

1133602 щцщдК Заказ 9948/40 Тираж 710 Полписное

Филиал IEG Патеит, г.Ужгород, ул.Проекткал, 4