Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате

 

Союз Соввтсник

Социалнстичесник

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ц.957235 (61) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено 26. 01. 81 (2I ) 3273229/18" 24 (51)М. Кл. с присоединением заявки М

G 06 G 7/56

9й афствскаы11 квинтет

CCCP ао аааатт вмбратеикй н аткрыткХ (23) Приоритет (53) УДК681 ° 333 (088.8) Опубликовано 07,09.82. Бюллетень М 33

Дата опубликования описания 09. 09 . 82

В.А. Еременко, Ю,К. Иванов, А.С. Карасик, П.А. Соколов и Г.М. Файкин (72) Авторы изобретения

54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА

ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может . быть использовано для моделирования процесса передачи тепла от греющего .теплоносителя к нагреваемому потоку

5 в теплообменном апгарате, в частности процесса тепло-массообменв в теп.лоэнергетических агрегатах Судовых энергетических установок.

to

Известно устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате, которое имитирует процесс передачи тепла в аппарате, с0держащем две различные с точки зре-<> ния происходящих процессов зоны: экономайзерную, в которой осуществляется нагрев потока до температуры насыщения, и испарительную, в которой он претерпевает фазовое превращение и ро находится в виде двухфазной смеси.Дан" ное устройство, содержащее Т"образные RC"четырехполюсники., на основе электротермической аналогии имитирует

2 процесс передачи тепла в теплообменном аппарате flj .

Однако это устройство обеспечивает точное моделирование процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваеиому потоку только для теплообменных аппаратов, в которых можно допустить наличие идеального пере" мешивания потоков в обьемах каждой из зон.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате, построенное на основе электротермической аналогии и выполненное в виде последовательно соединенных моделирующих блоков и вычислительного блока, которые содержат операционные усилители с включенными параллельно резисторам обратной связи переменными ем" костями, масштабные операционные усилители, Т"образные RC"÷åòûðåõïoëþñ" ники, умножители, делители и функци3 9572 ональный преобразователь. Это устройство обеспечивает точное воспроизведение процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку, претерпевающему фазовое превращение (21.

Однако данное устройство не обеспечивает моделирование процесса передачи тепла от греющего теплоносителя к нагреваемому потоку при условии, l6 что в одном теплообменном аппарате происходит подогрев потока до температуры насыщения соответствующей давлению среды, а затем процесс фазового. перехода срелы.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства для моделирования 1роцесса теплопередачи в теплообменном аппарате за счет учета в нем процесса предварительного ув подогрева потока до температуры кипения, Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее и блоков моделирования участков теплообменногау5 аппарата первой группы и вычислительный блок, первые входы и выход которого являются соответственно первыми входом и выходом устройства, допол« нительна введены и блоков моделирова- 3О ния участков теплообменного аппарата второй группы, причем первый, второй и третий выходы каждого предыдущего из блоков моделирования теплообменно-, ГО аппарата первои группы соответствен55 но соединены с первым, вторым и третьим входами каждого последующего из блоков моделирования участков теплообменного аппарата первой группы, первь1й, второй и третий входы первого блока моделирования участков. теплообменного аппарата первой группы соответственно являются вторым, третьим и четвертым входами устройства, второй 1 вход первого блока моделирования участ-.

45 ков теплообменного аппарата первой группы соединен с четвертыми входами всех блоков моделирования участков теплообменного аппарата первой группы, пятые входы которых подключены к второму выходы вычислительного блока, а первый, второй, третий и четвертый выходы каждого предыдущего блока моделирования участков теплообменного аппара, та второй группы соответственно со-,единены с первым, вторым; третьим и 55 четвертым входами каждого последую" щего блока моделирования участков теп" лообменного аппарата второй группы, 35 а первый выход п -ro блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы является вторым выходом устройства, второй и третий выходы

П-ro блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы соединены соответственно с вторым и третьим входами вычислительного блока, второй и третий входы первого блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы являются соответственно пятым и шестым входами устройства, первый выход rl-го блока моделирования участков теплообменного аппарата первой группы соединен с первым входом первого блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы, а второй выход fl - ""го блока моделирования участков теплообменного аппарата первой группы соеди- . нен с пять1ми входами всех блоков мо- делирования участков теплообменного аппарата второй группы.

При этом каждый из и блоков моделирования участков теплообменного аппарата первой группы содержит шесть операционных усилителей, выход каждого из которых через параллельно вклю" ченные резистор и конденсатор соединен с его входом, Т-образный RC-четы" рехполюсник, шесть масштабирующих усилителей, два умножителя, два функциональных преобразователя, формирующих экспотенциальную функцию„ и делитель, причем входы первого и второго операционных усилителей являются соответственно первым и вторым входами бло" ка, выход первого операционного усилителя соединен с первым выводом Т-образного RC"÷åòûðåõïoëþcíèêà и через первый масштабирующий усилитель свя,зан с первым входом второго масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом первого умножи" теля, выход которого соединен с первым входом третьего операционного усилителя, выход которого является первым выходом блока, а выход второго соединен с вторым выводом Т-образного

RC-четырехполюсника и через третий масштабирующий усилитель связан с пер. вым входом четвертого масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, выход которого соединен с первыйвходом четвертого операционного усилителя, выход которого является вторым выходом блока," средняя точка Т-образного

5 9572

RC" четырехполюсника соединена с вторыми входами второго и четвертого масштабирующих усилителей и с вторыми входами третьего и четвертого операционных усилителей, выход второго операционного усилителя соединен с первым входом пятого масштабирующего усилителя и с первым входом шестого масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом дели-1О теля, выход которого соединен с входом пятого операционного „усилителя, выход которого соединен с входами первого и .второго функциональных преобразователей, выходы которых соответственно соединены с вторыми входами первого и второго умножителей, выход делителя соединен с первым входом шестого операционного усилителя, второй вход и выход которого являются соответственно третьим входом и выходом блока, а второй и третий входы пятого масштабирующего усилителя являются соответственно четвертым и пятым входами блока, причем выход пя- того масштабирующего усилителя соедиен с вторым входом шестого масштарующего усилителя.

Каждый иэ П блоков моделирования участков теплообменного аппарата второй группы содержит пять операционных усигителей, выход каждого иэ, которых через параллельно включенные резистор и конденсатор соединен с его выходом, Т-образный КС-четырехполюс" ник, пять масштабирующих усилителей, три умножителя, функциональный преобразователь, формирующий зкспотенциальную функцию, и делитель, причем вход первого операционного усилителя является первым входом блока, выход первого операционного усилителя связан с первым выводом Т-образного

RC"четырехполюсника и через первый масштабирующий усилитель соединен с первым входом второго масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом первого уиножи" теля, второй вывод Т-образного RC-иетырехполюсника соединен с первым входом третьего масштабирующего усилите" ля, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, выход которого соединен с первым входом четвертого масштабирующего усилителя, второй вход которого является вторым входом блока, третьим входом которого является вход второго операционного

35 6 усилителя, выход которого соединен с первым входом третьего умножителя, второй вход которого соединен с вторым входом четвертого масштабирующего усилителя, средняя точка Т-образного

RC"четырехполюсника соединена с вто" рыми входами второго и третьего масштабирующих усилителей и третьего операционного усилителя, выход которого является первым выходом блока, выход четвертого операционного усилителя является вторым. выходом блока

И соединен с первым входом делителя, выход которого соединен с входом чет" вертого операционного усилителя, вы" ход которого является третьим входом блока, а вход пятого операционного усилителя является четвертым входом блока, выход пятого операционного усилителя соединен через функциональный преобразователь с вторым входом первого умножителя и связан с вторым входбм второго умножителя, а второй вывод Т-образного RC"четырехполюсника является пятым входом блока.

На фиг. 1 приведена схема устройства для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате; на фиг. 2 - блок моделирования участков теплообменного аппарата первой группы; на фиг. 3 - то же, второй группы; на фиг. 4 - вычислительный блок. Ф

Устройство содержит блоки 1<-1 моделирования теплообменного аппарата первой группы, блок 2 -2п моделирова- ния участков теплообменного аппарата второй групйы, вычйслительный блок 3.

Блок 1 содержит соответственно первый, второй, третий, четвертый, пятый и . шестой операционные усилители 4-9, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой масштабирующие усилители 10«1, первый, второй умножители 16 и 17, первый и второй функциональные преобразователи 18 и 19, де" литер 20, Т-образный RC-четырехполюсник 21, резисторы 22, переменные

;резисторы 23 и 24, конденсатор 25, .переменные конденсаторы 26-31.

Блок 2 моделирования участков теплообменного аппарата второй группы содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый операционные усилители 32-36, масштабирующие усилители 37"41, первый, второй и третий умножители 42-44, функциональный преобразователь 45, делитель 46, Т-образный RC"четырехполюсник 47, реэислирования.

7: 9572 торы 48, переменные резисторы 49 и

50; конденсатор 51, переменные конденсаторы 52-56.

Вычислительный блок 3 содержит масштабирующий усилитель 57, квадратор 58, умножитель 59„ функциональный преобразователь 60, резисторы 61.

Устройство работает следующим образом, При изменении значений входных 0 температур. греющего теплоносителя t go или нагреваемого потока 3/>о производятся изменения соответствующих входных напряжений О и От . На RC-схемах с аа включенными в них операционными усилителями 4 и 5 осуществляется имитация движения частиц потоков по первой половине длины участка разбиения эко-, номайзерной зоны теплообменного аппа- рата. Выходные сигналы усилителей 4 и 5 подаются на входы Т-образного

RC -четырехполюсника 21, выходной сигнал которого имитирует температуру стенки на участке разбиения. Выходные сигналы усилителей 4 и 5 через усили- 2> тели l0» 13 и умножители 16 и l7 подаются на входы соответственно операционных усилителей 6 и 7, на входы которых,.а также масштабирующих усилителей 11 и 13, подключен выходной сиг-ЗЭ нал Т-образного кС-четырехполюсника.

Выходные сигналы усилителей 6 и 7 имитируют температуры соответственно греющего теплоносителя и нагреваемого потока на выходе участка разбиения и являются входными последующего бло- ка моделирования. Причем изменение температуры нагреваемого потока Чзо производит изменение также входного напряжения V> каждого из и блоков моде-4в лирования первой группы усилителя 14.

В результате через масштабирующие усилители 12 и l3 и делитель 20 на выходе операционного усилителя 8. формируется изменение длины участка разбиения экономайэерной зоны, которое приводит к изменению выходных сигналов опера" ционных усилителей 6 и 7 через функциональные преобразователи l8 и 19, а также к изменению выходного сигнала операционного усилителя 9, имитирующего остаточную длину экономайэерной зоны. Выходной сигнал операционного усилителя 9 является входным сигналом последующего блока моделирования. При . этом работа всех я блоков.моделирования первой группы осуществляется аналогичным образом, а выходные электри" ческие сигналы и "го блока имитируют

35 8 изменение температур греющего теплоносителя и нагреваемого потока, а также длины экономайзерной эоны и являются входными сигналами первого блока моделирования второй группы участка разбиения испарительной зоны. В этом случае изменения температуры греющего теплоносителя, имитируемые изменением величины входного напряжения Ut подаются на вход операционного усилителя 32, который осуществляет имитацию движения греющего теплоносителя по первой половине длины участка разбиения испарительной зоны теплообменного аппарата. Выходной сигнал усилителя 32 подается на вход Т-образного

RC-четырехполюсника 47, электричес" кий выходной сигнал которого имитирует температуру стенки на участке разбиения испарительной зоны теплообменного аппарата. Выходной сигнал операционного усилителя 32 через масштабирующие усилители 37 и 38 и умножитель 42 подается на вход операционного усилителя 34, на вход которого, а также масштабированного операционного усилителя 39, подается выходной сигнал Т-образного RC."четырехполюсника 47. Выходной сигнал операционного усилителя 34 имитирует изменение температуры греющего теплоносителя на выходе участка разбиения и является входом последующего блока. Изменение температуры нагреваемого потока Чзл в виде изменения напряжения U> подаетЭй ся на вход Т-образного RC-четырехполюсника 47 и масштабирующего усилителя 39 блока моделирования второй группы, Причем на вход масштабирующего усили» теля 39 подается также выходной сигнал

Т-образного RC-четырехполюсника 47.

Выход усилителя 39 через умножитель 43 подключен на вход масштабирующего усилителя 40, à em выходной сигнал имитирует скорость газообразной фазы двухфазной смеси йа выходе из участка разбиения испарительной зоны k является входом последующего блока модеКроме того, изменение температуры нагреваемого потока Уэ„ через масатабирующий усилитель 39, умножитель 43, масштабирующий усилитель 41, делитель 46 и операционный усилитель 35 формирует изменение доли сечения, занятого газообразной фазой. Причем выходной сигнал операционного усили теля 35 является входом последующего

9 9572 моделирующего блока. Изменение скорости газообразной фазы двухфазной смеси через делитель 46 вызывает также соответствующие изменения величины доли сечения, занятого газообразной 5 фазой этой смеси. Изменение длины эко. номайэерной зоны в виде напряжения

UC-Ев )подается на вход операционно1 Э

ro усилителя 36, выход которого имити" рует изменение длины участка разбиения испарительной эоны.H через функциональный преобразователь 45, а также непосредственно влияет на формирование температуры греющего теплоносителя, скорости и доли сечения, занятой газообразной фазой двухФазной смеси на выходе участка разбиения. Выходной сигнал операционного усилителя 36

-является входом последующего блока моделирования. При этом работа всех 2В блоков моделирования участков теплообменного аппарата второй группы осуществляется аналогичным образом, а выходные электрические сигналы U „„, U<„, Ицд имитируют изменения соответ" ® ственно температуры греющего теплоно" сителя, скорости и доли сечения, занятого газообразной фазой смеси на выходе из теплообменного аппарата.

Кроме того, последние два сигнала Зв подаются на вход умножителя 59 вычислительного блока, а его выходной электрический сигнал имитирует изменение расхода газообразной фазы и по дается на оба входа квадратора 58 вы-м числительного блока. Выход квадратора 58 подключен к входу масштабирующего усилителя 57. вычислительного блока, выходной сигнал которого имити" рует изменение давления двухфазной н среды. Кроме того, выход масштабирующего усилителя 57 подключен на вход функционального преобразователя 60, выходнои сигнал которого имитирует изменение температуры нагреваемого потока на линии насыщения и подключей на входы масатабирующего операционно- . го усилителя 14 каждого блока моделирования участков теплообменного аппа" рата первой группы, что вызывает со« тветствующий переходный процесс в локах, аналогичный отесанному выше, который происходит до тех пор, пока схема устройства не войдет в равновесное.состояние.

И

При изменении значений скоростей греющего теплоносителя и нагреваевюго потока осуществляется изменение

35 t0 величин переменного сопротивления 23, 24 и 49 переменных электрических ем-. ,костей 26-31, 52-56, а также величин входного напряжения U<„ первого блока моделирования первой группы, которые приводят к переходным процессам в электрических цепях блоков моделирования, следовательно, к изменению выход" ных напряжений, имитирующих температу" ру греющего теплоносителя, скорость и долю сечения, занятого газообразной фазой на выходе. Это вызывает соответствующий переходный процесс в вычисли" тельном блоке, и далее„ работа устройства выполняется указанным выше cwсобом.

При изменении противодавления, нв которое работает теплообменный аппарат, производится изменение напряжения

0 „ на выходе в масштабирующий операцйонный усилитель 57, выходной элект" рический сигнал которого имитирует изменение давления среды, претерпевающей фаэовое превращение, а следовательно, и темйературы среды на линии насыщения, что вызывает переходный процесс во всех блоках моделирования.

Далее работа схемы устройства происходит аналогично описанному выше.

При исключении из схемы устройства усилителей 4, 6, 10, 11, 32, 34, 37, 38, умножителей 16 и 42, функциональных преобразователей 18 и 45 а задания величины напряжения на входе в Т-образный кС-четырехполюсник, ими" тирующего тейпературу греющего теплоносителя, получается схема устройства для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате с постоянной температурой греющего теплоносителя, При дальнейшем исключении из схемы указанного same устройства сопротивлений 23 и 49 и задания величин вход.ного тока I, который имитирует. тепло вой поток, подводимый к стенке, получается схема устройства. для моделирования процесса теплопередачи в теплообменном аппарате с независимым под" водом тепла..

Таким образом, учет процесса предварительного подогрева потока до температуры насыщения в теплообменном аппарате эа счет введения в блоки моделирования дополнительно до двух îàåрационных усилителей с резисторами и параллельно включенными переменными . конденсаторами, трех масштабирующих

11 957 усилителей, дву умножителей и двух функциональных преобразователей с соответствующими связями расширяет функциональные возможности устройст. ва для моделирования процесса тепло- 3 передачи в теплообменном аппарате.

235 12 вания участков теплообменного аппарата второй группы соединены соответственно с вторым и третьим входами вы" числительного блока, второй и третий входы первого блока моделирования участков теплообменного аппарата втот

Формула изобретения

1. Устройство для моделирования процесса теплопередачи в теплообмен" ном аппарате, содержащее И блоков моделирования участков теплообменного аппарата первой группы и вычисли- 1$ тельный блок, первые вход и выход которого являются соответственно пер" выми входом и выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных воз- 20 можностей устройства за счет обеспечения возможности моделирования процесса предварительного подогрева .потока до температуры кипения, в него введены П блоков моделирования участ- 25 ков теплообменного аппарата второй группы, причем первый, второй и третий выходы каждого предыдущего из блоков моделирования участков тепло" обменного аппарата первой группы со" Зр ответственно соединены с первым, вторым и третьим входами каждого последующего из блоков моделирования участков теплообменного аппарата первой группы, первый, второй и третий входы первого блока моделирования участков теплообменного аппарата первой группы соответственно являются вторым, третьим и четвертым входами устройства, второй вход первого блока моделирова" в ния участков теплообменного аппарата первой группы соединен с четвертыми входами всех блоков моделирования участков теплообменного аппарата пер" вой группы, пятые входы которых под

I ключены к второму выходу вычислительного блока, а первый, второй, третий. и четвертый выходы. каждого предыдущего блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы соответственно соедин.ны с первым, вто" рым, третьим и чет .вертым входами каждого последующего блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы, первый вЫход 11"го. блоSS ка моделирования участков -теплообменного аппарата второй группы является вторым выходом устройства, второй и третий выходы И"ro блока моделиророй группы являются соответственно пятым и шестым входами устройства, первый выход g ""го блока моделирования участков теплообменного аппарата первой группы соединен с первым входом первого блока моделирования участков теплообменного аппарата второй группы, а второй выход 0 -го блока моделирования участков теплообменного аппарата первой группы соединен с пятыми входами всех блоков моделирования участков теплообменного аппарата второй группы.

2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что каждый из

11 блоков моделирования участков теплообменного аппарата первой группы содержит шесть операционных усилителей, выход каждого из которых через параллельно включенные резистор и конденса; тор соединен с его входом, Т-образный

RC-четырехполюсник, весть масштабирующих усилителей, два умножителя, два функциональных преобразователя, фор" мирующих экспотенциальную функцию, и делитель, причем входы первого и второго операционных усилителей являются соответственно первым и вторым входами блока, выход первого операционного усилителя соединен с первым выводом

Т-образного RC-четырехполюсника и через первый масштабирующий усилитель связан с первым- входом второго масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, выход которого соединен с первым входом третьего операционного усилителя, выход которого является первым выходом блока, а выход второго соединен с вторым выводом Т-образного

RC-четырехполюсника и через третий масштабирующий усилитель связан с первым входом четвертого мвсштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, выход которого соединен с первым входом четвертого операционного усилителя, выход которого является вторым выходом блока, средняя точка Т«образ-ного RC"четырехполюсника соединена с вторыми входами второго и четвертого масштабирующих усилителей и с вторыми

35

13 9572 входами третьего и .четвертого операционных усилителей, выход второго операционного усилителя соединен с первым входом пятого масштабирующего усилителя и с первым входом шестого 5 масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом усилителя, выход которого соединен с входом пятого операционного усилителя, .выход которого соединен с входами первого и второго функциональных преобразователей, выход которых соот ветственно соединен с вторыми входами первого и второго умножителей, выход делителя соединен с первым входом шес-IS того операционного усилителя, второй вход и выход которого являются соответственно третьим .входом и выходом блока, а второй и третий входы пятого масштабирующего усилителя являются со-2в ответственно четвертым и пятым входа-. ми блока, причем выход пятого масштабирующего усилителя соединен с вторым входом шестого масштабирующего усилителя. 2$

3. Устройство по пп. I и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что каждый из 11 блоков моделирования участков теплообменного аппарата второй группы содержит пять операционных усили- эв телвй, выход каждого из которых через параллельно включенные резистор и конденсатор соединен с его входом, Т-образный йС"четырехполюсник, пять масштабирующих усилителей, три умножителя функциональный предбразователь, формирующий зкспотенциальную функцию, и делитель, причем вход первого опера"

1 ционного усилителя является первым sxo дом блока, выход первого операционно-.го усилителя связан с первым выводом

iT"îáðà3Hîr0 RC-четырехполюсника и через первый масштабирующий усилитель соединен с первым входом второго масЫтабирующего усилителя, выход которо"--ro соединен с первым входом первого умножителя, второй вывод Т-образного

RC-четырехполюсника соединен с первым входом третьего масштабирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, выход которого соединен с первым входом четвертого масштабирующего усилителя, второй вход которого является вторым входом блока, третьим входом

1 которого является вход второго опера ционного усилителя, второй вход ко.торого соединен с вторим входом чет" вертого масштабирущвго усилителя, средняя точка Т-образного RC-четырехполюсника соединена с вторыми входами второго и третьего масштабирующих усилителей и третьего операционного усилителя, выход которого является первым выходом блока, выход четвертого операционного усилителя является вторым выходом блока и соединен с. пер"

/ вым входом делителя, выход которого соединен с входом четвертого операционного усилителв, выход которого является третьим выходом блока, а вход пятого операционного усилителя является четвертым входом блока, выход пятого операционного, усилителя соединен через функциональный преобразова,тель с вторым входом первого умножителя и связан с вторым входом второго умножителя, а второй вывод Т-образного,RC"четырехполюсника является пятым входом блока.

Источники информации, . принятые во внимание при экспертизе I Динамические характеристики промышленных объектов регулирования;

Под ред. В.И. Рущинского, И., "Иност" ранная литература", 1960, с. 54, 2. Авторское свидетельство СССР

II 792268, кл. G 06 G 7/56, 1978 (прототип).

957235

Составитель И.Лебедев

Редактор С.Тараненко Техре8М. Рейвес Корректор M. Демчук

Заказ 5601/39 Тираж 731 „ Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11 03 Иосква Ж-Яд Раушская нвб. ц. 4/5

Финал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4