Ball Valve (G)

Шаровой клапан в газовой сети.

ball valve g

Описание

Блок Ball Valve (G) представляет собой шаровой клапан в газовой сети. Шаровой клапан состоит из шара с отверстием, который может вращаться внутри корпуса клапана. Когда клапан открыт, отверстие полностью совпадает с входом и выходом крана. Когда клапан закрывается, шар вращается и уменьшает величину перекрытия, тем самым уменьшая эффективную площадь отверстия. Шаровые клапаны часто используются для перекрытия потока, поскольку они могут надежно перекрывать поток в течение многих циклов. Шаровые клапаны менее распространены в тех случаях, когда необходимо точное дросселирование. Физический сигнал на порту S управляет вращением шара.

Параметризация отверстия

Расчет пропускной способности местного сопротивления зависит от значения параметра Valve parametrization:

Cv flow coefficient — коэффициент расхода определяет зависимость пропускной способности от перепада давления;
Kv flow coefficient — коэффициент расхода определяет зависимость пропускной способности от перепада давления, ;
Sonic conductance — акустическая проводимость в установившемся режиме определяет пропускную способность при критическом потоке — состоянии, при котором скорость потока равна местной скорости звука. Поток становится критическим, когда отношение давления на выходе к давлению на входе достигает значения, называемого критическим отношением давлений;
Orifice area — площадь отверстия определяет пропускную способность.

Площадь открытия

Блок вычисляет площадь открытия шарового клапана во время моделирования на основе входных данных порта S. Расчет площади открытия зависит от параметра Opening characteristic.

Площадь перекрывающихся окружностей

Если для параметра Opening characteristic установлено значение Area of overlapping circles, блок вычисляет площадь открытия клапана, предполагая, что отверстие клапана и шаровый канал представляют собой перекрывающиеся окружности. Площадь открытия насыщается, когда входной сигнал с порта S выходит за пределы диапазона от 0 рад до π/2 рад.

Блок вычисляет площадь открытия как:

где

и – радиусы отверстия клапана и отверстия в шаре соответственно;
– смещение центра отверстия относительно центра порта клапана;
– вращение шарового клапана, задаваемое сигналом с порта S. Клапан полностью закрыт в 0 рад и полностью открыт в π/2 рад.

Табличная площадь

Если установить для параметра Opening characteristic значение Tabulated, блок интерполирует открытие клапана из параметров Area vector, Cv flow coefficient vector, Kv flow coefficient vector или Sonic conductance vector. Элементы в этих векторах соответствуют элементам в параметре Ball rotation vector. Блок интерполирует между точками данных с помощью линейной интерполяции и использует ближайшую экстраполяцию для точек, выходящих за границы таблицы.

Уравнение массового расхода

Уравнения блока зависят от параметра Valve parametrization.

Если установить для параметра Valve parametrization значение Cv flow coefficient, то массовый расход, будет определяться как

где

— значение параметра Maximum Cv flow coefficient;
– площадь открытия клапана;
– максимальная площадь клапана при полностью открытом клапане;
— константа, равная 27.3 для массового расхода в кг/час, давления в бар и плотности в кг/м³;
— коэффициент расширения;
— давление на входе;
— давление на выходе;
— плотность на входе.

Коэффициент расширения определяется как:

где

— отношение показателя адиабаты к 1.4;
— значение параметра xT pressure differential ratio factor at choked flow.

Когда отношение давлений превышает значение параметра Laminar flow pressure ratio, , происходит плавный переход к использованию линеаризованного уравнения

где

Когда отношение давлений падает ниже , поток становится критическим, и используется уравнение

Если для параметра Valve parametrization установлено значение Kv flow coefficient, то блок использует те же уравнения, но заменяет на с помощью отношения . Более подробная информация об уравнениях массового расхода, когда для параметра Valve parametrization установлено значение Kv flow coefficient или Cv flow coefficient, приведена в [2] и [3].

Если для параметра Valve parametrization установлено значение Sonic conductance, то массовый расход определяется как

где

— значение параметра Maximum sonic conductance;
— критическое отношение давлений;
— значение параметра Subsonic index;
— значение параметра ISO reference temperature;
— значение параметра ISO reference density;
— температура на входе.

Когда отношение давлений опускается ниже критического отношения давлений , поток становится критическим, и используется уравнение

Более подробная информация об уравнениях массового расхода, когда для параметра Valve parametrization установлено значение Sonic conductance, приведена в [1].

Если для параметра Valve parametrization установлено значение Orifice area based on geometry, то массовый расход определяется как

где

— площадь открытия клапана;
— значение параметра Cross-sectional area at ports A and B;
— значение параметра Discharge coefficient;
— показатель адиабаты.

Когда отношение давлений падает ниже , поток становится критическим, и используется уравнение

Более подробная информация об уравнениях массового расхода, когда для параметра Valve parametrization установлено значение Orifice area based on geometry, приведена в [4].

Сохранение массы

Предполагается, что объем и масса жидкости внутри компонента очень малы, и эти значения не учитываются. Согласно принципу сохранения массы, массовый расход жидкости, поступающей через один порт, равен расходу жидкости, выходящей через другой порт:

где определяется как массовый расход, поступающий в клапан через порт, обозначенный подстрочным индексом A или B.

Сохранение энергии

Моделируемый компонент является адиабатическим. Между жидкостью и стенкой, которая ее окружает, не происходит теплообмена. Жидкость не совершает никакой работы при движении от входа к выходу. Энергия может передаваться только за счет конвекции через порты A и B. Согласно принципу сохранения энергии, сумма потоков энергии в портах всегда равна нулю:

где — это поток энергии, поступающий в клапан через порты A или B.

Допущения и ограничения

Значение Sonic conductance параметра Valve parameterization предназначено для пневматических систем. Если этот параметр используется для газов, отличных от воздуха, то может потребоваться скорректировать значение акустической проводимости на квадратный корень из относительной плотности.
Уравнение для параметризации Orifice area based on geometry обладает меньшей точностью для газов, которые далеки от идеального.
Этот блок не моделирует сверхзвуковой поток.

Порты

Ненаправленные

# A — вход газа
газ

Details

Ненаправленный порт, соответствует порту клапана A.

Имя для программного использования

port_a

# B — выход газа
газ

Details

Ненаправленный порт, соответствует порту клапана B.

Имя для программного использования

port_b

Вход

# S — положение клапана, рад
скаляр

Details

Входной порт, определяющий степень открытия. Отверстие полностью закрыто при значении 0 и полностью открыто при значении π/2.

Типы данных	`Float64`
Поддержка комплексных чисел	Нет

Параметры

Parameters

# Valve parameterization — параметризация шарового клапана
Orifice area based on geometry | Cv flow coefficient | Kv flow coefficient | Sonic conductance

Details

Метод расчета массового расхода основан на:

Cv flow coefficient — коэффициенте расхода ;
Kv flow coefficient — коэффициенте расхода , который определяется как ;
Sonic conductance — акустической проводимости в установившемся режиме;
Orifice area based on geometry — площади отверстия.

Значение по умолчанию	`Orifice area based on geometry`
Имя для программного использования	`valve_parameterization`

# Opening characteristic — вид характеристики пропускной способности
Area of overlapping circles | Tabulated data

Details

Метод преобразования управляющего сигнала на порту S в выбранную меру пропускной способности.

Значение по умолчанию	`Area of overlapping circles`
Имя для программного использования	`opening_characteristic`

# Discharge coefficient (Cd) — коэффициент расхода

Details

Поправочный коэффициент – отношение фактического массового расхода к теоретическому массовому расходу через клапан.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, укажите для параметра Valve parameterization значение Orifice area based on geometry.

Значение по умолчанию	`0.64`
Имя для программного использования	`C_d`

# Area vector — вектор значений площадей для заданного поворота шара
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

Площадь потока для заданного поворота шара. Каждый элемент вектора соотносится с элементами вектора из параметра Ball rotation vector. Первый элемент соответствует утечке клапана и должен быть ненулевым.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, укажите для параметра Valve parameterization значение Orifice area based on geometry и для Opening characteristic значение Tabulated data.

Значение по умолчанию	`[1e-10, 45.0, 90.0, 135.0, 180.0, 225.0, 270.0, 315.0, 360.0, 405.0, 450.0] mm^2`
Имя для программного использования	`area_vector`

# Maximum Cv flow coefficient — коэффициент расхода, соответствующий максимальной площади отверстия

Details

Значение коэффициента расхода , когда значение управляющего сигнала на порту S равно 1, а площадь проходного сечения отверстия максимальна.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, укажите для параметра Valve parameterization значение Cv flow coefficient и для Opening characteristic значение Area of overlapping circles.

Значение по умолчанию	`4.0`
Имя для программного использования	`C_v_max`

# Cv flow coefficient vector — вектор значений коэффициентов расхода

Details

Вектор коэффициентов расхода . Каждый коэффициент соответствует элементу в векторе Ball rotation vector. Этот параметр измеряет степень, с которой газ проходит через резистивный элемент под действием разности давлений. Размер вектора должен быть таким же, как и вектор параметра Ball rotation vector.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, укажите для параметра Valve parameterization значение Cv flow coefficient и для Opening characteristic значение Tabulated data.

Значение по умолчанию	`[1e-6, 0.0725, 0.1437, 0.2375, 0.35, 0.5375, 0.875, 1.3125, 2.125, 3.25, 4.00]`
Имя для программного использования	`C_v_vector`

# Ball rotation vector — поворот шара
deg | rad | rev | mrad

Details

Поворот шара для заданной пропускной способности или площади. Элементы этого вектора должны соотноситься с элементами вектора параметра Valve flow coefficient (Cv) vector, параметра Valve flow factor (Kv) vector или параметра Area vector.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, укажите для параметра Opening characteristic значение Tabulated и для Valve parameterization значение Cv flow coefficient.

Значение по умолчанию	`pi / 2.0 * [0.0:0.1:1.0…] rad`
Имя для программного использования	`phi_vector_C_v`

# Maximum Kv flow coefficient — коэффициент расхода, соответствующий максимальной площади отверстия

Details

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, укажите для параметра Valve parameterization значение Kv flow coefficient и для Opening characteristic значение Area of overlapping circles.

Значение по умолчанию	`3.6`
Имя для программного использования	`K_v_max`

# Kv flow coefficient vector — вектор значений коэффициентов расхода

Details

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, укажите для параметра Valve parameterization значение Kv flow coefficient и для Opening characteristic значение Tabulated data.

Значение по умолчанию	`[1e-6, 0.0653, 0.1293, 0.2137, 0.3150, 0.4838, 0.7875, 1.1813, 1.8381, 2.8112, 3.6]`
Имя для программного использования	`K_v_vector`

# Ball rotation vector — поворот шара
deg | rad | rev | mrad

Details

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, укажите для параметра Opening characteristic значение Tabulated и для Valve parameterization значение Kv flow coefficient.

Значение по умолчанию	`pi / 2.0 * [0.0:0.1:1.0…] rad`
Имя для программного использования	`phi_vector_K_v`

# xT pressure differential ratio factor at choked flow — критическое отношение перепада давлений

Details

Отношение между давлением на входе и давлением на выходе , определенное как , при котором поток становится критическим. Если это значение не известно, то его можно найти его в таблице 2 в ISA-75.01.01 [3]. Значение по умолчанию 0.7 подходит для многих клапанов.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Valve parameterization значение Cv flow coefficient.

Значение по умолчанию	`0.7`
Имя для программного использования	`delta_p_ratio_C_v`

# xT pressure differential ratio factor at choked flow — критическое отношение перепада давлений

Details

Отношение между давлением на входе и давлением на выходе , определенное как , при котором поток становится критическим. Если это значение не известно, то его можно найти его в таблице 2 в ISA-75.01.01 3. Значение по умолчанию 0.7 подходит для многих клапанов.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Valve parameterization значение Kv flow coefficient.

Значение по умолчанию	`0.7`
Имя для программного использования	`delta_p_ratio_K_v`

# Maximum sonic conductance — акустическая проводимость, соответствующая максимальной площади отверстия
l/(bar*s) | gal/(min*psi) | m^3/(Pa*s)

Details

Значение акустической проводимости, когда площадь проходного сечения отверстия максимальна.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Valve parameterization значение Sonic conductance и для Opening characteristic значение Area of overlapping circles.

Значение по умолчанию	`12.0 l/(bar*s)`
Имя для программного использования	`C_max`

# Critical pressure ratio — критическое отношение давлений

Details

Отношение давлений, при котором поток становится критическим, а скорость потока достигает максимума, определяемого местной скоростью звука. Отношение между давлением на выходе и давлением на входе : .

Зависимости

Значение по умолчанию	`0.3`
Имя для программного использования	`B_critical_linear`

# Sonic conductance vector — вектор значений акустической проводимости
l/(bar*s) | gal/(min*psi) | m^3/(Pa*s)

Details

Вектор значений акустических проводимостей внутри резистивного элемента. Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Каждая проводимость соответствует элементу в параметре вектора Ball rotation vector. Размерность вектора соответствует размерности Ball rotation vector.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Valve parameterization значение Sonic conductance и для Opening characteristic значение Tabulated data.

Значение по умолчанию	`[1e-5, 0.2175, 0.4312, 0.7125, 1.05, 1.6125, 2.625, 3.9375, 6.375, 9.75, 12.0] l/(bar*s)`
Имя для программного использования	`C_vector`

# Critical pressure ratio vector — вектор значений критического отношения давлений

Details

Вектор критических отношений давлений. Критическое отношение давлений – это отношение давления на выходе к давлению на входе, при котором поток становится критическим, а скорость потока достигает максимума, определяемого местной скоростью звука. Размерность вектора соответствует размерности Ball rotation vector.

Зависимости

Значение по умолчанию	`0.3 * ones(11)`
Имя для программного использования	`B_critical_vector`

# Ball rotation vector — поворот шара
deg | rad | rev | mrad

Details

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, укажите для параметра Opening characteristic значение Tabulated data и для Valve parameterization значение Sonic conductance.

Значение по умолчанию	`pi / 2.0 * [0.0:0.1:1.0…] rad`
Имя для программного использования	`phi_vector_C`

# Ball rotation vector — поворот шара
deg | rad | rev | mrad

Details

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, укажите для параметра Opening characteristic значение Tabulated и для Valve parameterization значение Orifice area based on geometry.

Значение по умолчанию	`pi / 2.0 * [0.0:0.1:1.0…] rad`
Имя для программного использования	`phi_vector_area`

# Subsonic index — значение степени, используемой для расчета массового расхода в дозвуковом режиме течения

Details

Эмпирическая величина, используемая для более точного расчета массового расхода в дозвуковом режиме течения.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Valve parameterization значение Sonic conductance.

Значение по умолчанию	`0.5`
Имя для программного использования	`m`

Details

Температура в стандартной эталонной атмосфере в стандарте ISO 8778.

Значения параметров эталона ISO нужно настраивать только в том случае, если используются значения акустической проводимости, полученные при отличных эталонных значениях.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Valve parameterization значение Sonic conductance.

Значение по умолчанию	`293.15 K`
Имя для программного использования	`T_reference`

# ISO reference density — эталонная плотность в соответствии с ISO 8778
g/cm^3 | kg/m^3 | lbm/gal

Details

Плотность в стандартной эталонной атмосфере в стандарте ISO 8778.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Valve parameterization значение Sonic conductance.

Значение по умолчанию	`1.185 kg/m^3`
Имя для программного использования	`rho_reference`

# Cross-sectional area at ports A and B — площадь на входе или выходе
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

Эта площадь используется при вычислении массового расхода через порты.

Порты имеют одинаковый размер. Значение этого параметра должно соответствовать площади входного отверстия компонента, к которому подключается блок.

Значение по умолчанию	`pi * (0.025 ^ 2) / 4.0 m^2`
Имя для программного использования	`port_area`

# Ball bore area — площадь отверстия в шаре
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

Площадь поперечного сечения отверстия в шаре клапана.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, укажите для параметра Valve parameterization значение Orifice area based on geometry и для Opening characteristic значение Area of overlapping circles.

Значение по умолчанию	`pi * (0.02 ^ 2) / 4.0 m^2`
Имя для программного использования	`ball_bore_area`

# Leakage flow fraction — соотношение расходов

Details

Отношение расхода через закрытое и через открытое отверстие.

Зависимости

Значение по умолчанию	`1e-6`
Имя для программного использования	`leakage_fraction`

# Laminar flow pressure ratio — отношение давлений, при котором поток переходит между ламинарным и турбулентным режимами

Details

Отношение давления на выходе к давлению на входе, при котором поток переходит между ламинарным и турбулентным режимами течения.

Типовые значения варьируются от 0.995 до 0.999.

Значение по умолчанию	`0.999`
Имя для программного использования	`B_laminar`

Смотрите также

ISO 6358-3, "Pneumatic fluid power – Determination of flow-rate characteristics of components using compressible fluids – Part 3: Method for calculating steady-state flow rate characteristics of systems", 2014.
IEC 60534-2-3, "Industrial-process control valves – Part 2-3: Flow capacity – Test procedures", 2015.
ANSI/ISA-75.01.01, "Industrial-Process Control Valves – Part 2-1: Flow capacity – Sizing equations for fluid flow underinstalled conditions", 2012.
P. Beater, "Pneumatic Drives", Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007.