Документация Engee

Pressure Reducing Valve (G)

Редукционный клапан в газовой сети.

pressure reducing valve g

Описание

Блок Pressure Reducing Valve (G) представляет собой редукционный клапан в сети потока газа. Клапан остается открытым, когда давление в порту B меньше заданного. Когда давление в порту B достигает или превышает заданное значение, клапан закрывается. Блок управляется разностью между установочным давлением и давлением в порту B. Площадь открытия уменьшается по мере падения давления до минимума, когда клапан полностью закрыт и остается только поток утечки.

Зависимость между площадью открытия и перепадом давления зависит от параметризации клапана. Эта зависимость может иметь форму линейного аналитического выражения или табличной функции.

Поток может быть ламинарным или турбулентным и может достигать звуковых скоростей. Максимальная скорость достигается в горле клапана, где поток наиболее узкий и быстрый. Поток достигает критического режима и и максимальной скорости, когда падение давления ниже по потоку уже не может увеличить скорость. Блок не захватывает сверхзвуковой поток.

Регулирование давления

Блок Pressure-Reducing Valve (G) регулирует давление между установочным давлением и максимальным давлением. Давление на выходе является управляющим сигналом для клапана. Чем больше давление на выходе превышает давление настройки клапана, тем меньше становится площадь открытия.

Управляющее давление, , равно

Атм

где

  • – давление на порту ;

  • Атм – атмосферное давление, указанное в блоке Gas Properties (G) модели.

Оба давления определяются во время моделирования как абсолютные.

Настройка давления, , клапана – это значение параметра Set pressure (манометрическое давление), когда для параметра Opening characteristic установлено значение Linear. Когда для параметра Opening characteristic установлено значение Tabulated, является первым элементом векторного параметра Pressure at port B (gauge).

Максимальное давление, , равно , где – диапазон регулирования давления клапана при значении Linear параметра Opening characteristic. Когда для параметра Opening characteristic установлено значение Tabulated, является последним элементом векторного параметра Pressure at port B (gauge).

Степень открытия клапана

Степень превышения управляющего давления над заданным давлением определяет, насколько открывается клапан. Когда для параметра Opening characteristic установлено значение Linear, блок вычисляет степень открытия клапана для масштабирования параметров характеристики потока. Степень открытия клапана составляет:

где

  • – управляющее давление;

  • – настройка давления, заданная параметром Set pressure (gauge);

  • – диапазон регулирования давления, заданный параметром Pressure regulation range.

Дробь нормализуется таким образом, что при полностью закрытом клапане она равна 0, а при полностью открытом – 1. Если вычисление возвращает значение, выходящее за эти пределы, блок насыщает значение до ближайшего из двух пределов.

Численное сглаживание

Если для параметра Opening characteristic установлено значение Linear, а для параметра Smoothing factor parameter установлено ненулевое значение, блок применяет численное сглаживание к нормированному управляющему давлению, . Сглаживание помогает поддерживать численную устойчивость симуляции.

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.

Характеристика отверстия

Поток через клапан зависит от входного сигнала, который его создает. Открытие клапана связано с акустической проводимостью, коэффициентом расхода или площади отверстия, определяемой параметром Valve parameterization.

Характеристика потока обычно дается в установившемся режиме, когда на входе постоянное контролируемое давление. Характеристика потока зависит только от клапана и может быть линейной или нелинейной. Чтобы задать характеристику потока, используйте параметр Opening characteristic:

  • Linear – величина пропускной способности пропорциональна степени открытия клапана. По мере увеличения степени открытия от 0 до 1, показатель пропускной способности увеличивается от указанного минимума до указанного максимума.

pressure reducing valve g 1

  • Tabulated – величина пропускной способности вычисляется с помощью табличной функции, которая может быть линейной или нелинейной, в зависимости от степени открытия отверстия. Функция задается в табличной форме, а независимая переменная указывается в параметре Pressure at port B (gauge) vector.

pressure reducing valve g 2

Сохранение импульса

Параметр Valve parameterization определяет, какие уравнения будут использованы для вычисления расхода. Если для параметра Valve parametrization установлено значение Cv flow coefficient, 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 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

  • — акустическая проводимость;

  • — критическое отношение давлений;

  • — значение параметра Subsonic index;

  • — значение параметра ISO reference temperature;

  • — значение параметра ISO reference density;

  • — температура на входе.

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

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, то массовый расход определяется как

где

  • — площадь отверстия или клапана;

  • — значение параметра Cross-sectional area at ports A and B;

  • — значение параметра Discharge coefficient;

  • — показатель адиабаты.

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

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, приведена в [4].

Сохранение массы

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

Параметры

Parameters

# Valve parameterization — способ задания характеристики потока через отверстие
Cv flow coefficient | Kv flow coefficient | Sonic conductance | Orifice area

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 — площади отверстия.

Значение по умолчанию

Cv flow coefficient
Имя для программного использования

valve_parameterization

# Opening characteristic — вид характеристики пропускной способности
Linear | Tabulated

Details

Метод для расчета площади открытия клапана в выбранную меру пропускной способности.

Доступны следующие значения:

  • Linear — площадь открытия определяется как линейная функция, зависящая от степени открытия отверстия;

  • Tabulated — площадь открытия определяется как нелинейная зависимость, которую вы задаете в табличной форме.

Значение по умолчанию

Linear
Имя для программного использования

opening_characteristic

# Set pressure (gauge) — установочное давление
Pa | GPa | MPa | atm | bar | kPa | ksi | psi | uPa | kbar

Details

Избыточное давление, при превышении которого срабатывает клапан. Это давление задается, когда управляющим давлением является перепад давления между портами A и атмосферным давлением.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Opening characteristic значение Linear.

Значение по умолчанию

0.1 MPa
Имя для программного использования

p_set_gauge

# Pressure regulation range — диапазон рабочего давления клапана
Pa | GPa | MPa | atm | bar | kPa | ksi | psi | uPa | kbar

Details

Рабочий диапазон давлений клапана. Клапан начинает открываться при установочном значении давления и полностью открывается при максимальном значении рабочего диапазона , где .

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Opening characteristic значение Linear.

Значение по умолчанию

0.1 MPa
Имя для программного использования

p_regulation_range

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

Details

Значение коэффициента расхода , когда площадь проходного сечения отверстия максимальна.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Valve parameterization значение Cv flow coefficient, а для Opening characteristic значение Linear.

Значение по умолчанию

4.0
Имя для программного использования

C_v_max

# Pressure at port B (gauge) vector — значения, при которых необходимо указать данные об открытии клапана
Pa | GPa | MPa | atm | bar | kPa | ksi | psi | uPa | kbar

Details

Вектор управляющих давлений, при которых задается выбранная степень открытия клапана – звуковая проводимость, коэффициент расхода или площадь открытия. Этот вектор должен быть равен по размеру вектору, содержащему данные об открытии клапана. Элементы вектора должны быть положительными и монотонно увеличиваться в значении слева направо.

Первый элемент вектора дает значение давления, при котором клапан начинает закрываться. Этот элемент эквивалентен параметру Set pressure (gauge) при значении Linear параметра Opening characteristic. Последний элемент дает максимальное давление, при котором клапан максимально закрыт и остается только поток утечки. Разница между ними дает диапазон регулирования давления клапана.

Зависимости

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

Значение по умолчанию

[0.2 : 0.2 : 1.2…​] MPa
Имя для программного использования

p_gauge_vector_C_v

# Cv flow coefficient vector — вектор значений коэффициента расхода

Details

Вектор коэффициентов расхода . Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности Opening fraction vector.

Зависимости

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

Значение по умолчанию

[4.0, 3.2, 2.4, 1.6, 0.8, 1e-6]
Имя для программного использования

C_v_vector

# 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

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

Details

Значение коэффициента расхода , когда площадь проходного сечения отверстия максимальна.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Valve parameterization значение Kv flow coefficient, а для Opening characteristic значение Linear.

Значение по умолчанию

3.6
Имя для программного использования

K_v_max

# Pressure at port B (gauge) vector — вектор управляющих давлений, при которых необходимо указать данные об открытии клапана
Pa | GPa | MPa | atm | bar | kPa | ksi | psi | uPa | kbar

Details

Вектор управляющих давлений, при которых задается выбранная степень открытия клапана – звуковая проводимость, коэффициент расхода или площадь открытия. Этот вектор должен быть равен по размеру вектору, содержащему данные об открытии клапана. Элементы вектора должны быть положительными и монотонно увеличиваться в значении слева направо.

Первый элемент вектора дает значение давления, при котором клапан начинает закрываться. Этот элемент эквивалентен параметру Set pressure (gauge) при значении Linear параметра Opening characteristic. Последний элемент дает максимальное давление, при котором клапан максимально закрыт и остается только поток утечки. Разница между ними дает диапазон регулирования давления клапана.

Зависимости

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

Значение по умолчанию

[0.2 : 0.2 : 1.2…​] MPa
Имя для программного использования

p_gauge_vector_K_v

# Kv flow coefficient vector — вектор значений коэффициента расхода

Details

Вектор коэффициентов расхода . Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности Opening fraction vector.

Зависимости

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

Значение по умолчанию

[3.6, 2.88, 2.16, 1.44, 0.72, 1e-6]
Имя для программного использования

K_v_vector

# 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, а для Opening characteristic значение Linear.

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

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Valve parameterization значение Sonic conductance, а для Opening characteristic значение Linear.

Значение по умолчанию

0.3
Имя для программного использования

B_critical_linear

# Pressure at port B (gauge) vector — вектор управляющих давлений, при которых необходимо указать данные об открытии клапана
Pa | GPa | MPa | atm | bar | kPa | ksi | psi | uPa | kbar

Details

Вектор управляющих давлений, при которых задается выбранная степень открытия клапана – звуковая проводимость, коэффициент расхода или площадь открытия. Этот вектор должен быть равен по размеру вектору, содержащему данные об открытии клапана. Элементы вектора должны быть положительными и монотонно увеличиваться в значении слева направо.

Первый элемент вектора дает значение давления, при котором клапан начинает закрываться. Этот элемент эквивалентен параметру Set pressure (gauge) при значении Linear параметра Opening characteristic. Последний элемент дает максимальное давление, при котором клапан максимально закрыт и остается только поток утечки. Разница между ними дает диапазон регулирования давления клапана.

Зависимости

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

Значение по умолчанию

[0.2 : 0.2 : 1.2…​] MPa
Имя для программного использования

p_gauge_vector_C

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

Details

Вектор акустических проводимостей. Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности Opening fraction vector.

Зависимости

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

Значение по умолчанию

[12.0, 9.6, 7.2, 4.8, 2.4, 1e-5] 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 Opening fraction vector.

Зависимости

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

Значение по умолчанию

0.3 * ones(6)
Имя для программного использования

B_critical_vector

# 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

# ISO reference temperature — эталонная температура в соответствии с ISO 8778
K | degC | degF | degR | deltaK | deltadegC | deltadegF | deltadegR

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.

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

1.185 kg/m^3
Имя для программного использования

rho_reference

# Maximum orifice area — площадь проходного сечения потока, соответствующая максимальной площади отверстия
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

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

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Valve parameterization значение Orifice area и для Opening characteristic значение Linear.

Значение по умолчанию

1e-4 m^2
Имя для программного использования

max_restriction_area

# Pressure at port B (gauge) vector — вектор управляющих давлений, при которых необходимо указать данные об открытии клапана
Pa | GPa | MPa | atm | bar | kPa | ksi | psi | uPa | kbar

Details

Вектор управляющих давлений, при которых задается выбранная степень открытия клапана – звуковая проводимость, коэффициент расхода или площадь открытия. Этот вектор должен быть равен по размеру вектору, содержащему данные об открытии клапана. Элементы вектора должны быть положительными и монотонно увеличиваться в значении слева направо.

Первый элемент вектора дает значение давления, при котором клапан начинает закрываться. Этот элемент эквивалентен параметру Set pressure (gauge) при значении Linear параметра Opening characteristic. Последний элемент дает максимальное давление, при котором клапан максимально закрыт и остается только поток утечки. Разница между ними дает диапазон регулирования давления клапана.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Opening characteristic значение Tabulated, а для Valve parameterization значение Orifice area.

Значение по умолчанию

[0.2 : 0.2 : 1.2…​] MPa
Имя для программного использования

p_gauge_vector_area

# Orifice area vector — вектор значений площади отверстия
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

Вектор площадей проходного сечения отверстия. Размерность вектора соответствует вектору Opening fraction vector. Первый элемент этого вектора – площадь утечки, а последний элемент – максимальная площадь отверстия.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Valve parameterization значение Orifice area, а для Opening characteristic значение Tabulated.

Значение по умолчанию

[1e-4, 0.8e-4, 0.6e-4, 0.4e-4, 0.2e-4, 1e-10] m^2
Имя для программного использования

restriction_area_vector

# Discharge coefficient — поправочный коэффициент

Details

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

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Valve parameterization значение Orifice area.

Значение по умолчанию

0.64
Имя для программного использования

C_d

# Leakage flow fraction — соотношение расходов

Details

Отношение расхода через закрытое и через открытое отверстие.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Opening characteristic значение Linear.

Значение по умолчанию

1e-6
Имя для программного использования

leakage_fraction

# Smoothing factor — численный коэффициент сглаживания

Details

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

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Opening characteristic значение Linear.

Значение по умолчанию

0.01
Имя для программного использования

smoothing_factor

# 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.

Типичные значения варьируются от 0.995 до 0.999.

Значение по умолчанию

0.999
Имя для программного использования

B_laminar

# 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

0.01 m^2
Имя для программного использования

port_area

Смотрите также

  1. 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.

  2. IEC 60534-2-3. "Industrial-process control valves – Part 2-3: Flow capacity – Test procedures". 2015.

  3. ANSI/ISA-75.01.01. "Industrial-Process Control Valves – Part 2-1: Flow capacity – Sizing equations for fluid flow underinstalled conditions". 2012.

  4. P. Beater. "Pneumatic Drives." Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2007.