Терморегулирующий клапан (Г)

Клапан контроля температуры в газовой сети.

Тип: EngeeFluids.Gas.Valves.FlowControl.Temperature

Путь в библиотеке:

/Physical Modeling/Fluids/Gas/Valves & Orifices/Flow Control Valves/Temperature Control Valve (G)

Описание

Блок Терморегулирующий клапан (Г) представляет собой отверстие с термостатом в качестве механизма управления потоком. Термостат содержит датчик температуры и механизм открытия. Датчик находится на входе и реагирует на изменения температуры с небольшой задержкой, фиксируемой временной задержкой первого порядка.

Когда датчик регистрирует температуру, превышающую заданное значение срабатывания, механизм открытия срабатывает, и клапан начинает открываться или закрываться, в зависимости от режима работы, заданного параметром Работа клапана. Изменение площади открытия продолжается до границы температурного диапазона клапана, за которой площадь открытия становится постоянной. В пределах температурного диапазона площадь открытия является линейной функцией температуры.

Поток может быть ламинарным или турбулентным и может достигать звуковых скоростей. Максимальная скорость возникает в седле клапана, где поток наиболее узкий и быстрый. Поток достигает критического режима и максимальной скорости, когда падение давления ниже по потоку уже не может увеличить скорость. Запирание потока происходит, когда перепад давления достигает критического значения, характерного для клапана. Блок не рассчитывает сверхзвуковой поток.

Регулирование температуры

Показания температуры на входе являются управляющим сигналом для клапана. Чем больше показания температуры превышает температуру срабатывания, тем больше площадь открытия отклоняется от площади при максимально закрытом клапане, если для параметра Работа клапана установлено значение Открывается при температуре выше заданной, или от площади при полностью открытом клапане, если для Работа клапана установлено значение Закрывается при температуре выше заданной.

Разница между показаниями датчика температуры и температурой срабатывания — это температурный выброс. Блок нормирует эту переменную на диапазон регулирования температуры клапана. Степень открытия клапана составляет

где

— значение параметра Заданная температура;
— показания датчика температуры:
- Если для параметра Датчик температуры установлено значение Температура на входе в клапан, то — это температура на входе в клапан;
- Если для параметра Датчик температуры установлено значение Газовый измерительный порт, то — это температура газовой сети в месте ее соединения с портом T;
- Если для параметра Датчик температуры установлено значение Тепловой измерительный порт, то — это температура тепловой сети в месте ее соединения с портом T;
— значение параметра Диапазон регулирования температуры.

Численное сглаживание

Когда параметр Коэффициент сглаживания имеет ненулевое значение, блок применяет численное сглаживание к степени открытия клапана . Включение сглаживания помогает поддерживать численную устойчивость симуляции.

Динамические характеристики датчиков

Для эмуляции реального датчика температуры, который может регистрировать изменение температуры только постепенно, блок добавляет временную задержку первого порядка к показаниям температуры . Эта временная задержка добавляет датчику переходный отклик на изменения температуры. Выражение для имеет вид

где

— фактическая температура на входе на текущем временном шаге моделирования;
— значение параметра Постоянная времени датчика. Чем меньше этот параметр, тем быстрее реагирует датчик.

Параметризация клапана

Поведение блока зависит от параметра Параметризация клапана:

Коэффициента расхода Cv — коэффициент расхода определяет зависимость пропускной способности от перепада давления;
Коэффициента расхода Kv — коэффициент расхода определяет зависимость пропускной способности от перепада давления, ;
Акустическая проводимость — 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;
Площадь проходного сечения — площадь отверстия определяет пропускную способность.

Блок масштабирует заданную пропускную способность по степени открытия клапана. При увеличении степени открытия клапана от 0 до 1 показатель пропускной способности увеличивается от заданного минимума до заданного максимума.

Сохранение импульса

Параметр Параметризация клапана определяет, какие уравнения будут использованы для вычисления расхода. Если для параметра Параметризация клапана установлено значение Коэффициента расхода Cv, то массовый расход будет определяться как

где

— коэффициент расхода;
— 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 коэффициент разности давлений при дросселированном потоке.

Когда отношение давлений превышает значение параметра Коэффициент давления ламинарного потока, , происходит плавный переход к использованию линеаризованного уравнения:

где

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

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

Если для параметра Параметризация клапана установлено значение Акустическая проводимость, то массовый расход определяется как

где

— акустическая проводимость;
— критическое отношение давлений;
— значение параметра Дозвуковой индекс;
— значение параметра Эталонная температура (ISO);
— значение параметра Эталонная плотность (ISO);
— 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 Параметризация клапана установлено значение Акустическая проводимость, приведена в [1].

Если для параметра Параметризация клапана установлено значение Площадь проходного сечения, то массовый расход определяется как

где

— площадь отверстия или клапана;
— значение параметра Площадь поперечного сечения отверстий портов A и B;
— значение параметра Коэффициент расхода;
— показатель адиабаты.

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

Более подробная информация об уравнениях массового расхода, когда для параметра Параметризация клапана установлено значение Площадь проходного сечения, приведена в [4].

Сохранение массы

Предполагается, что объем и масса газа внутри клапана очень малы, и эти значения не учитываются, поэтому в клапане не может накапливаться газ. Согласно принципу сохранения массы, массовый расход газа, поступающего через один порт, равен расходу газа, выходящему через другой порт:

где и — массовый расход в порту A и B соответственно.

Сохранение энергии

Клапан является адиабатическим компонентом. Между газом и стенкой клапана не происходит теплообмена. При прохождении газа через клапан над ним не совершается никакой работы. При этих допущениях энергия может поступать в клапан и выходить из него только за счет конвекции через порты A и B. Согласно принципу сохранения энергии, сумма потоков энергии через порты всегда равна нулю:

где и — поток энергии, поступающий в клапан через порты A и B соответственно.

Допущения и ограничения

Значение Акустическая проводимость параметра Параметризация клапана 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 Площадь проходного сечения обладает меньшей точностью для газов, которые далеки от идеального.
Этот блок не моделирует сверхзвуковой поток.

Порты

Ненаправленные

# A — вход клапана
газ

Details

Газовый порт, связанный с входом клапана.

Имя для программного использования

port_a

# B — выход клапана
газ

Details

Газовый порт, связанный с выходом клапана.

Имя для программного использования

port_b

# T — датчик температуры газовой сети
газ

Details

Ненаправленный газовый порт, связанный с датчиком температуры. Через этот порт не проходит поток массы или энергии. Порт T определяет температуру в газовой сети.

Зависимости

Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Датчик температуры значение Газовый измерительный порт.

Имя для программного использования

gas_sensing_port

# T — датчик температуры тепловой сети
тепло

Details

Ненаправленный тепловой порт, связанный с датчиком температуры. Через этот порт не проходит поток массы или энергии. Порт T определяет температуру в тепловой сети.

Зависимости

Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Датчик температуры значение Тепловой измерительный порт.

Имя для программного использования

thermal_sensing_port

Параметры

# Работа клапана — знак изменения площади открытия
Открывается при температуре выше заданной | Закрывается при температуре выше заданной

Details

Знак изменения площади открытия, вызванного увеличением температуры. Площадь открытия может увеличиваться или уменьшаться при повышении температуры. Изменение начинается при температуре срабатывания и продолжается при нагревании во всем температурном диапазоне регулирования клапана.

Значение по умолчанию Открывается при температуре выше заданной соответствует нормально закрытому клапану, который открывается при повышении температуры. Второе значение Закрывается при температуре выше заданной соответствует нормально открытому клапану, который закрывается при той же температуре.

Значения	`Opens above activation temperature` \| `Closes above activation temperature`
Значение по умолчанию	`Opens above activation temperature`
Имя для программного использования	`operation`
Вычисляемый	Нет

# Датчик температуры — метод измерения температуры, управляющей клапаном
Температура на входе в клапан | Газовый измерительный порт | Тепловой измерительный порт

Details

Метод, используемый блоком для измерения температуры, управляющей клапаном:

Температура на входе в клапан — для управления клапаном используется температура на входе.
Газовый измерительный порт — для управления клапаном используется температура на газовом датчике T. Подключите этот порт к любой части газовой сети, чтобы использовать эту температуру для управления клапаном. Порт T используется только как датчик, через него не проходит поток газа.
Тепловой измерительный порт — для управления клапаном используется температура на датчике тепла T. Подключите этот порт к любой части тепловой сети, чтобы использовать эту температуру для управления клапаном. Порт T используется только как датчик и не имеет теплообмена с окружающей средой.

Значения	`Valve inlet temperature` \| `Gas sensing port` \| `Thermal sensing port`
Значение по умолчанию	`Valve inlet temperature`
Имя для программного использования	`temperature_sensing_port_type`
Вычисляемый	Нет

Details

Температура, при которой срабатывает механизм открытия. При нагреве выше этой температуры клапан либо открывается, либо закрывается, в зависимости от значения параметра Работа клапана. Площадь открытия меняется во всем диапазоне регулирования температуры клапана.

Единицы измерения	`K` \| `degC` \| `degF` \| `degR` \| `deltaK` \| `deltadegC` \| `deltadegF` \| `deltadegR`
Значение по умолчанию	`330.0 K`
Имя для программного использования	`T_activation`
Вычисляемый	Да

Details

Диапазон регулирования температуры, в котором площадь открытия клапана изменяется в зависимости от температуры.

Интервал, в котором площадь клапана изменяется, начинается с температуры срабатывания клапана Заданная температура и заканчивается суммой температуры срабатывания Заданная температура и диапазона регулирования Диапазон регулирования температуры.

Единицы измерения	`K` \| `degC` \| `degF` \| `degR` \| `deltaK` \| `deltadegC` \| `deltadegF` \| `deltadegR`
Значение по умолчанию	`8.0 deltaK`
Имя для программного использования	`T_range`
Вычисляемый	Да

# Постоянная времени датчика — время регистрации изменения температуры на входном датчике
s | ns | us | ms | min | hr | d

Details

Характерное время регистрации изменения температуры на входном датчике. Этот параметр определяет задержку между началом изменения и его стабильным измерением, проводимым по мере приближения датчика к новому устойчивому состоянию. Значение 0 означает, что датчик мгновенно реагирует на изменение температуры.

Единицы измерения	`s` \| `ns` \| `us` \| `ms` \| `min` \| `hr` \| `d`
Значение по умолчанию	`1.5 s`
Имя для программного использования	`tau`
Вычисляемый	Да

# Параметризация клапана — способ задания характеристики потока через отверстие
Коэффициента расхода Cv | Коэффициента расхода Kv | Акустическая проводимость | Площадь проходного сечения

Details

Метод расчета массового расхода основан на:

Коэффициента расхода Cv — коэффициенте расхода ;
Коэффициента расхода Kv — коэффициенте расхода , который определяется как ;
Акустическая проводимость — акустической проводимости в установившемся режиме;
Площадь проходного сечения — площади отверстия.

Значения	`Cv flow coefficient` \| `Kv flow coefficient` \| `Sonic conductance` \| `Orifice area`
Значение по умолчанию	`Cv flow coefficient`
Имя для программного использования	`valve_parameterization`
Вычисляемый	Нет

# Максимальное значение коэффициента расхода Cv — коэффициент расхода, соответствующий максимальной площади отверстия

Details

Значение коэффициента расхода , когда площадь проходного сечения отверстия максимальна. Коэффициент расхода определяет зависимость пропускной способности от перепада давления.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Параметризация клапана значение Коэффициента расхода Cv.

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

# xT коэффициент разности давлений при дросселированном потоке — 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 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 Параметризация клапана значение Коэффициента расхода Cv или Коэффициента расхода Kv.

Значение по умолчанию	`0.7`
Имена для программного использования	`delta_p_ratio_C_v`, `delta_p_ratio_K_v`
Вычисляемый	Да

# Доля расхода утечки — соотношение расходов

Details

Отношение расхода через закрытое и через открытое отверстие.

Значение по умолчанию	`1.0e-6`
Имя для программного использования	`leakage_fraction`
Вычисляемый	Да

# Коэффициент сглаживания — числовой коэффициент сглаживания

Details

Коэффициент непрерывного сглаживания, который обеспечивает плавность открытия за счет поправки в характеристике отверстия в почти открытом и почти закрытом положениях.

Значение по умолчанию	`0.01`
Имя для программного использования	`smoothing_factor`
Вычисляемый	Да

# Коэффициент давления ламинарного потока — 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.

Типичные значения варьируются от 0.995 до 0.999.

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

# Площадь поперечного сечения отверстий портов A и B — площадь на входе или выходе из клапана
m^2 | um^2 | mm^2 | cm^2 | km^2 | in^2 | ft^2 | yd^2 | mi^2 | ha | ac

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.

Единицы измерения	`m^2` \| `um^2` \| `mm^2` \| `cm^2` \| `km^2` \| `in^2` \| `ft^2` \| `yd^2` \| `mi^2` \| `ha` \| `ac`
Значение по умолчанию	`0.01 m^2`
Имя для программного использования	`port_area`
Вычисляемый	Да

# Максимальное значение коэффициента расхода Kv — коэффициент расхода, соответствующий максимальной площади отверстия

Details

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Параметризация клапана значение Коэффициента расхода Kv.

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

# Максимальная акустическая проводимость — 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 Параметризация клапана значение Акустическая проводимость.

Единицы измерения	`l/(bars)` \| `gal/(minpsi)` \| `m^3/(Pa*s)`
Значение по умолчанию	`12.0 l/(bar*s)`
Имя для программного использования	`C_max`
Вычисляемый	Да

# Критическое отношение давлений — 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`
Вычисляемый	Да

# Дозвуковой индекс — 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

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

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

Единицы измерения	`K` \| `degC` \| `degF` \| `degR` \| `deltaK` \| `deltadegC` \| `deltadegF` \| `deltadegR`
Значение по умолчанию	`293.15 K`
Имя для программного использования	`T_reference`
Вычисляемый	Да

# Эталонная плотность (ISO) — эталонная плотность в соответствии с ISO 8778
kg/m^3 | g/m^3 | g/cm^3 | g/mm^3 | lbm/ft^3 | lbm/gal | lbm/in^3

Details

Плотность в стандартной эталонной атмосфере в стандарте ISO 8778.

Зависимости

Единицы измерения	`kg/m^3` \| `g/m^3` \| `g/cm^3` \| `g/mm^3` \| `lbm/ft^3` \| `lbm/gal` \| `lbm/in^3`
Значение по умолчанию	`1.185 kg/m^3`
Имя для программного использования	`rho_reference`
Вычисляемый	Да

# Максимальная площадь проходного сечения — площадь проходного сечения потока, соответствующая максимальной площади отверстия
m^2 | um^2 | mm^2 | cm^2 | km^2 | in^2 | ft^2 | yd^2 | mi^2 | ha | ac

Details

Максимальная площадь проходного сечения потока, когда площадь поперечного сечения отверстия максимальна.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Параметризация клапана значение Площадь проходного сечения.

Единицы измерения	`m^2` \| `um^2` \| `mm^2` \| `cm^2` \| `km^2` \| `in^2` \| `ft^2` \| `yd^2` \| `mi^2` \| `ha` \| `ac`
Значение по умолчанию	`0.0001 m^2`
Имя для программного использования	`orifice_area_max`
Вычисляемый	Да

# Коэффициент расхода — коэффициент расхода

Details

Поправочный коэффициент — отношение фактического массового расхода к теоретическому массовому расходу.

Зависимости

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

Литература

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.