3.5. Обратные и предохранительные клапаны
3.5.1. PT01RV
Назначение
Предохранительный клапан.
Рисунок 3.5.1 — Компонент PT01RV в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Компонент предназначен для моделирования предохранительного клапана в термопневматической системе.
Модель обеспечивает автоматическое открытие клапана при достижении заданного давления или перепада давления и используется для защиты пневматических объемов и магистралей от превышения допустимого давления.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход в элемент |
| Port2 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, выход из элемента |
Поток рабочей среды проходит от порта Port1 к порту Port2 при открытии клапана.
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| D | base.real | Гидравлический диаметр, м |
| Flag | string | Способ управления открытием: Pressure_inlet или Pressure_drop |
| Fluid | — | Имя объекта свойств среды |
| L | base.real | Длина элемента, м |
| MDT | base.real | Коэффициент расхода |
| P0 | base.real | Начальное давление, Па |
| POT | base.real | Давление начала открытия, Па |
| PPT | base.real | Давление полного открытия, Па |
| T0 | base.real | Начальная температура, К |
| eps | base.real | Абсолютная шероховатость, м |
Физическая модель
Условие открытия клапана зависит от значения параметра Flag.
Если выбран режим Pressure_inlet, управляющим параметром является давление на входе клапана:
P_{ctrl} = P_1
где:
- P_{ctrl} — управляющее давление, Па;
- P_1 — давление на входе клапана, Па.
Если выбран режим Pressure_drop, управляющим параметром является перепад давления:
P_{ctrl} = P_1 - P_2
где:
- P_2 — давление на выходе клапана, Па.
Клапан остается закрытым при условии
P_{ctrl} < P_{open}
где:
- P_{open} — давление начала открытия клапана, Па.
В закрытом состоянии массовый расход через клапан равен
\dot{m} = 0
Если управляющее давление находится в диапазоне
P_{open} \leq P_{ctrl} < P_{full}
клапан открывается частично.
Степень открытия определяется выражением
\chi = \frac{P_{ctrl} - P_{open}}{P_{full} - P_{open}}
где:
- \chi — степень открытия клапана;
- P_{full} — давление полного открытия клапана, Па.
При этом
0 \leq \chi \leq 1
При полном открытии клапана
P_{ctrl} \geq P_{full}
принимается
\chi = 1
Площадь проходного сечения определяется выражением
A = \frac{\pi D^2}{4}
где:
- A — площадь проходного сечения клапана, м²;
- D — гидравлический диаметр клапана, м.
Массовый расход через клапан определяется выражением
\dot{m} = \chi , \mu , A , \operatorname{sign}(P_1 - P_2)\sqrt{2\rho|P_1 - P_2|}
где:
- \dot{m} — массовый расход рабочей среды, кг/с;
- \chi — степень открытия клапана;
- \mu — коэффициент расхода;
- A — площадь проходного сечения клапана, м²;
- \rho — плотность рабочей среды, кг/м³;
- P_1 - P_2 — перепад давления на клапане, Па.
Плотность и другие термодинамические свойства рабочей среды определяются с использованием объекта свойств Fluid.
3.5.2. PT01VR
Назначение
Редукционный клапан.
Рисунок 3.5.2 — Компонент PT01VR в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Компонент предназначен для моделирования редукционного клапана в термопневматической системе.
Модель обеспечивает ограничение давления за клапаном путем автоматического изменения проходного сечения. При увеличении выходного давления клапан постепенно закрывается, уменьшая расход рабочей среды.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Пневматический порт, тепло-пневматический порт A |
| Port2 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, выход из элемента |
Для данной модели поток обычно направлен от Port2 к Port1.
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| D | base.real | Гидравлический диаметр, м |
| Fluid | — | Имя объекта свойств среды |
| L | base.real | Длина элемента, м |
| MDT | base.real | Коэффициент расхода |
| P0 | base.real | Начальное давление, Па |
| P_max | base.real | Давление полного закрытия, Па |
| P_set | base.real | Давление начала закрытия, Па |
| T0 | base.real | Начальная температура, К |
| eps | base.real | Абсолютная шероховатость, м |
Физическая модель
Управляющим параметром является давление на выходе клапана:
P_{out} = P_1
где:
- P_{out} — выходное давление, Па;
- P_1 — давление на порте Port1, Па.
Если выходное давление меньше давления начала закрытия,
P_{out} < P_{set},
клапан полностью открыт:
\chi = 1
где:
- \chi — степень открытия клапана.
Если давление находится в диапазоне
P_{set} \leq P_{out} < P_{max},
степень открытия уменьшается по линейному закону:
\chi = 1 - \frac{P_{out} - P_{set}}{P_{max} - P_{set}}
где:
- P_{set} — давление начала закрытия, Па;
- P_{max} — давление полного закрытия, Па.
При этом
0 \leq \chi \leq 1
Если давление достигает давления полного закрытия,
P_{out} \geq P_{max},
клапан считается полностью закрытым:
\chi = 0
Площадь проходного сечения определяется выражением
A = \frac{\pi D^2}{4}
где:
- A — площадь проходного сечения клапана, м²;
- D — гидравлический диаметр клапана, м.
Массовый расход через клапан определяется выражением
\dot{m} = \chi , \mu , A , \operatorname{sign}(P_2 - P_1)\sqrt{2\rho|P_2 - P_1|}
где:
- \dot{m} — массовый расход рабочей среды, кг/с;
- \chi — степень открытия клапана;
- \mu — коэффициент расхода;
- A — площадь проходного сечения клапана, м²;
- \rho — плотность рабочей среды, кг/м³;
- P_2 - P_1 — перепад давления на клапане, Па.
Плотность и другие термодинамические свойства рабочей среды определяются с использованием объекта свойств Fluid.
3.5.3. PT01MP
Назначение
Насос с задаваемым массовым расходом.
Рисунок 3.5.3 — Компонент PT01MP в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Компонент предназначен для задания постоянного массового расхода рабочей среды в термопневматической системе.
Модель представляет собой идеализированный источник массового расхода, обеспечивающий перенос рабочей среды от входного порта к выходному.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход в элемент |
| Port2 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, выход из элемента |
Направление потока задается от порта Port1 к порту Port2.
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| D | base.real | Гидравлический диаметр, м |
| L | base.real | Длина элемента, м |
| Qm | base.real | Массовый расход, кг/с |
| P0 | base.real | Начальное давление, Па |
| T0 | base.real | Начальная температура, К |
| Fluid | — | Имя объекта свойств среды |
Физическая модель
Массовый расход через насос задается параметром:
\dot{m} = Q_m
где:
- \dot{m} — массовый расход через элемент, кг/с;
- Q_m — заданный массовый расход, кг/с.
Для портов выполняется баланс массы:
\dot{m}*{Port1} + \dot{m}*{Port2} = 0
где:
- \dot{m}_{Port1} — массовый расход через порт Port1, кг/с;
- \dot{m}_{Port2} — массовый расход через порт Port2, кг/с.
Положительное значение расхода соответствует движению рабочей среды от порта Port1 к порту Port2.
Параметры состояния рабочей среды определяются через объект свойств Fluid.
3.5.4. PT02MP
Назначение
Насос с управляемым массовым расходом.
Рисунок 3.5.4 — Компонент PT02MP в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Компонент предназначен для моделирования идеального насоса, массовый расход которого задается внешним управляющим сигналом.
В отличие от компонента PT01MP, значение расхода не является постоянным параметром модели, а поступает через управляющий порт и может изменяться в процессе моделирования.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход в элемент |
| Port2 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, выход из элемента |
| Port3 | base.DOF1 | 1D управляющий порт, массовый расход через насос, кг/с |
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| D | base.real | Гидравлический диаметр, м |
| L | base.real | Длина элемента, м |
| P0 | base.real | Начальное давление, Па |
| T0 | base.real | Начальная температура, К |
| Fluid | — | Имя объекта свойств среды |
Физическая модель
Массовый расход через насос определяется сигналом на управляющем порту:
\dot{m} = u_{Port3}
где:
- \dot{m} — массовый расход через насос, кг/с;
- u_{Port3} — сигнал на управляющем порту, кг/с.
Для элемента выполняется уравнение сохранения массы:
\dot{m}_1 + \dot{m}_2 = 0
где:
- \dot{m}_1 — расход через порт Port1, кг/с;
- \dot{m}_2 — расход через порт Port2, кг/с.
Направление потока определяется знаком управляющего сигнала:
- при \dot{m} > 0 поток направлен от Port1 к Port2;
- при \dot{m} < 0 поток направлен от Port2 к Port1.
Параметры состояния рабочей среды определяются через объект свойств Fluid.
3.5.5. PT01VP
Назначение
Насос с задаваемым объёмным расходом.
Рисунок 3.5.5 — Компонент PT01VP в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Компонент предназначен для задания постоянного объёмного расхода рабочей среды в термопневматической системе.
Модель представляет собой идеализированный источник объёмного расхода, обеспечивающий перенос рабочей среды от входного порта к выходному независимо от текущего перепада давления в системе.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход в элемент |
| Port2 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, выход из элемента |
Направление потока задается от порта Port1 к порту Port2.
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| D | base.real | Гидравлический диаметр, м |
| L | base.real | Длина элемента, м |
| Qv | base.real | Объёмный расход, м³/с |
| P0 | base.real | Начальное давление, Па |
| T0 | base.real | Начальная температура, К |
| Fluid | — | Имя объекта свойств среды |
Физическая модель
Объёмный расход через насос задается параметром:
Q_v = Q_{v0}
где:
- Q_v — объёмный расход через насос, м³/с;
- Q_{v0} — заданное значение объёмного расхода, м³/с.
Массовый расход определяется через плотность рабочей среды:
\dot{m} = \rho Q_v
где:
- \dot{m} — массовый расход рабочей среды, кг/с;
- \rho — плотность рабочей среды, кг/м³;
- Q_v — объёмный расход рабочей среды, м³/с.
Для элемента выполняется закон сохранения массы:
\dot{m}_1 + \dot{m}_2 = 0
где:
- \dot{m}_1 — массовый расход через порт Port1, кг/с;
- \dot{m}_2 — массовый расход через порт Port2, кг/с.
Положительное направление потока соответствует движению рабочей среды от порта Port1 к порту Port2.
Параметры состояния рабочей среды определяются через объект свойств Fluid.
3.5.6. PT02VP
Назначение
Насос с управляемым объёмным расходом.
Рисунок 3.5.6 — Компонент PT02VP в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Компонент предназначен для моделирования идеального насоса, объёмный расход которого задаётся внешним управляющим сигналом.
Значение расхода поступает через управляющий порт и может изменяться в процессе моделирования.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход в элемент |
| Port2 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, выход из элемента |
| Port3 | base.DOF1 | 1D управляющий порт, объёмный расход, м³/с |
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| D | base.real | Гидравлический диаметр, м |
| L | base.real | Длина элемента, м |
| P0 | base.real | Начальное давление, Па |
| T0 | base.real | Начальная температура, К |
| Fluid | — | Имя объекта свойств среды |
Физическая модель
Объёмный расход через насос определяется сигналом на управляющем порту:
Q = u_{Port3}
где:
- Q — объёмный расход через насос, м³/с;
- u_{Port3} — сигнал на управляющем порту, м³/с.
Связь между объёмным и массовым расходом определяется выражением
\dot{m} = \rho Q
где:
- \dot{m} — массовый расход рабочей среды, кг/с;
- \rho — плотность рабочей среды, кг/м³;
- Q — объёмный расход рабочей среды, м³/с.
Для элемента выполняется закон сохранения массы:
\dot{m}_1 + \dot{m}_2 = 0
где:
- \dot{m}_1 — массовый расход через порт Port1, кг/с;
- \dot{m}_2 — массовый расход через порт Port2, кг/с.
Направление потока определяется знаком управляющего сигнала:
- при Q > 0 поток направлен от Port1 к Port2;
- при Q < 0 поток направлен от Port2 к Port1.
Параметры состояния рабочей среды определяются через объект свойств Fluid.
3.5.7. PT01HE
Назначение
Теплообменник.
Рисунок 3.5.7 — Компонент PT01HE в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Компонент предназначен для моделирования теплообмена между двумя независимыми термопневматическими контурами: основным контуром и контуром охлаждения.
Теплообменник обеспечивает передачу тепловой энергии между потоками рабочих сред без их непосредственного смешения.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход в основной контур |
| Port2 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, выход из основного контура |
| Port3 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход в контур охлаждения |
| Port4 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, выход из контура охлаждения |
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| D1 | base.real | Гидравлический диаметр основного контура, м |
| D2 | base.real | Гидравлический диаметр контура охлаждения, м |
| L1 | base.real | Длина трубопровода основного контура, м |
| L2 | base.real | Длина трубопровода контура охлаждения, м |
| MDT1 | base.real | Коэффициент расхода основного контура |
| MDT2 | base.real | Коэффициент расхода контура охлаждения |
| k | base.real | Коэффициент передачи тепла, Вт/К |
| Properties_port12 | — | Начальные давление и температура для портов 1, 2 |
| Properties_port34 | — | Начальные давление и температура для портов 3, 4 |
| Fluid_main_circuit | — | Имя объекта свойств среды основного контура |
| Fluid_cooling_circuit | — | Имя объекта свойств среды контура охлаждения |
Физическая модель
Тепловой поток между контурами определяется законом теплопередачи:
\dot{Q}=k\left(T_{main}-T_{cool}\right)
где:
- \dot{Q} — тепловой поток между контурами, Вт;
- k — коэффициент передачи тепла, Вт/К;
- T_{main} — температура рабочей среды основного контура, К;
- T_{cool} — температура рабочей среды контура охлаждения, К.
Если
T_{main}>T_{cool},
то тепло передается из основного контура в контур охлаждения.
Перенос энергии потоком рабочей среды в каждом контуре определяется выражением
\dot{Q}_{h}=\dot{m}h
где:
- \dot{Q}_{h} — поток энтальпии, Вт;
- \dot{m} — массовый расход рабочей среды, кг/с;
- h — удельная энтальпия рабочей среды, Дж/кг.
Гидравлические потери в основном и охлаждающем контурах рассчитываются независимо и определяются параметрами соответствующих каналов, коэффициентами расхода и свойствами рабочих сред.