Exponenta Banner
exponenta event banner

Клапан термостатического расширения (2P)

Регулирующий клапан, поддерживающий перегрев испарителя для использования в холодильных циклах

развернуть все на странице
  • Библиотека:

  • Simscape/Fluids/Двухфазная жидкость/Клапаны и диафрагмы/Клапаны регулирования расхода

Описание

Блок термостатического расширительного клапана (2P) моделирует клапан с перепадом давления, который поддерживает перегрев испарителя в двухфазной жидкостной сети. Этот клапан обычно устанавливают между конденсатором и испарителем в холодильной системе и поддерживают определенный перепад температур путем замедления потока в испаритель.

Когда перегрев, разность температур между паром на выходе испарителя и температурой испарения текучей среды, достигает статического (минимального) перегрева испарителя, клапан закрывается. Это уменьшает поток через испаритель, что уменьшает теплопередачу в испарителе и увеличивает температуру на выходе испарителя. При включении предельного значения максимального давления или температуры с предельным значением MOP для параметра давления испарения клапан закрывается при превышении предельного значения.

Датчик колбы в порту S измеряет температуру на выходе испарителя. Если клапан в вашей системе имеет выравнивание внешнего давления, давление на выходе испарителя моделируется трубопроводным соединением от испарителя к порту E. В противном случае давление в порту B используется для выравнивания внутреннего давления. Блок уравновешивает давление колбы, которое действует, чтобы открыть клапан, с давлением выравнивания клапана, которое действует, чтобы закрыть клапан.

Зона открытия

Клапан работает главным образом для регулирования массового расхода между конденсатором и испарителем путем регулирования эффективной открытой зоны, Seff. Массовый расход рассчитывается как

m˙=Seff2vinΔp (Δp2 − Δplam2) 0,25,

где:

  • vin - удельный объем на входе или объем жидкости на единицу массы.

  • Δp - перепад давления над клапаном, pA - pB.

  • Δplam - порог давления для переходного потока. Ниже этого значения поток является ламинарным. Рассчитывается как:

    Δplam = pA + pB2 (1 − Blam),

    где Blam - отношение давления потока Ламинара.

Эффективная площадь клапана зависит от разности давлений между измеренным давлением, pbulb и уравнительным давлением, peq:

Seff = β [(pbulb − peq) − psat (Tevap + ΔTstatic) − psat (Tevap)],

где:

  • β - постоянная клапана, определяемая по номинальным рабочим условиям. Для получения дополнительной информации см. Определение β из номинальных условий.

  • psat - давление насыщения жидкости, которое является функцией температуры и оценивается при указанных температурах. psat (Tевап + ΔTстатик) - давление насыщения при Tевап + ΔTстатик.

  • Tevap - номинальная температура испарения.

  • ΔTстатик - статический (минимальный) перегрев испарителя.

  • pbulb - давление жидкости в колбе. Давление в колбе - это давление насыщения, pbulb = psat (Tbulb), если не разрешено ограничение давления и не достигнуто максимальное давление; для получения дополнительной информации см. предельное давление испарения. Tbulb - температура текучей среды колбы.

  • peq зависит от настройки выравнивания давления клапана:

    • Если для параметра «Выравнивание давления» установлено значение Internal pressure equalization, peq - давление в порту B.

    • Если для параметра «Выравнивание давления» установлено значение External pressure equalization, peq - давление в порту E.

Эффективная площадь клапана имеет пределы. Минимальная эффективная площадь клапана, Seff, min, составляет

Seff, min = fleakSeff, ном,

где fleak - поток утечки закрытого клапана в виде доли номинального потока. Номинальная эффективная площадь клапана, Seff, nom и максимальная эффективная площадь клапана обсуждаются в разделе Определение β из номинальных условий.

Определение β по номинальным условиям

β представляет соотношение между номинальным перегревом испарителя и номинальной производительностью испарителя, скорость теплопередачи между двумя жидкостями в испарителе:

β = Seff, ном [psat (Tevap + ΔTnom) − psat (Tevap)],

где psat (Tевап + ΔTном) - давление насыщения при сумме номинальной температуры испарения и номинального (статического + открытия) перегрева испарителя .

Номинальная эффективная площадь клапана, Seff, nom, рассчитывается как функция номинальной термодинамики конденсатора и испарителя:

Seff, nom = [Qnomcp, evapΔTnom + hevap − hcond + cp, condΔTsub] 2vcond (psat (Tcond) − psat (Tevap)),

где:

  • Tcond - номинальная температура конденсации.

  • vcond - удельный объем жидкости при Tcond.

  • Qном - номинальная мощность испарителя.

  • cp, evap - удельная теплота пара в Tevap.

  • hevap - паровая энтальпия в Тевапе.

  • cp, cond - удельная теплота жидкости при Tcond.

  • hcond - удельная энтальпия жидкости при Tcond.

  • ΔTsub - номинальное переохлаждение конденсатора. Переохлаждение - это разность температур между выходом конденсатора и температурой конденсации.

Максимальная эффективная площадь клапана определяется таким же образом, как и Seff, nom, но вместо этого используется максимальная производительность испарителя вместо номинальной производительности испарителя.

Выравнивание давления

Уравнительное давление - это давление на выходе из испарителя, которое регулирует работоспособность клапана. В физических системах с низкими потерями давления в испарителе из-за вязкого трения выравнивание давления может происходить внутри с давлением в отверстии B. Это называется внутренним выравниванием давления. В системах с большими потерями подключите выходное отверстие испарителя к клапанному блоку в порту E.

Предельное значение MOP для давления испарения

Максимальное давление в испарителе можно ограничить, указав максимальное давление или соответствующую температуру с помощью предельного значения MOP для параметра давления испарения. Если включено, клапан закрывается, когда температура колбы превышает температуру, связанную с максимальным давлением колбы, и открывается, как только давление снижается. Если предел MOP для давления испарения установлен в Offили измеренное давление ниже предела, pbulb = psat (Tbulb). При включении, когда измерение превышает предел, давление колбы остается на уровне

pbulb = pbulb, MOPTbulb, MOPTbulb,

где:

  • pbulb, MOP является функцией максимального рабочего давления, peq, MOP или давления, связанного с максимальной рабочей температурой, и номинальной температуры испарителя:

    pbulb, MOP = peq, MOP + psat (Tevap + ΔTstatic) − psat (Tevap).

  • Tbulb - температура текучей среды колбы. Это температура в порту S, если для динамики температуры колбы установлено значение Off. Задержка первого порядка применяется к температуре колбы, если для параметра Динамика температуры колбы установлено значение On.

  • Tbulb, MOP - соответствующая температура при давлении pbulb, MOP.

Динамика температуры колбы

Динамическую реакцию колбы на изменение температуры можно смоделировать, установив для параметра Динамика температуры колбы значение On. Это приводит к запаздыванию измеряемой температуры в первой степени:

dTbulbdt = TS − Tbulbstartbulb,

где:

  • TS - температура в порту S. Если динамика колбы не смоделирована, это Tbulb.

  • startbulb - постоянная теплового времени Колбы.

Динамика удельного объема жидкости

Когда текучая среда на входе клапана представляет собой смесь жидкость-пар, блок вычисляет удельный объем как:

vin = (1 − xdyn) vliq + xdynvvap,

где:

  • xdyn - качество пара на входе. Блок применяет запаздывание первого порядка к качеству пара на входе смеси.

  • vliq - удельный объем жидкости.

  • vvap - удельный объем пара текучей среды.

Если входная текучая среда представляет собой жидкость или пар, то vin представляет собой соответствующий удельный объем жидкости или пара.

Запаздывание по качеству пара

Если качество пара на входе представляет собой смесь жидкость-пар, блок применяет запаздывание по времени первого порядка:

dxdyndt = xin − xdynstart,

где:

  • xdyn - динамическое качество пара.

  • xin - текущее качество пара на входе.

  • start- постоянная времени изменения фазы на входе.

Если входная жидкость является переохлажденной жидкостью, xdyn равен xin.

Уравнения сохранения

Масса сохраняется через клапан:

m˙A+m˙B=0,

где:

  • m˙A - массовый расход в порту A.

  • m˙B - массовый расход в порту B.

Обратные потоки поддерживаются численно, однако клапанный блок не предназначен для потоков от порта B к порту A.

Поток энергии также сохраняется через клапан:

ФА + ФВ = 0,

где:

  • ФА - расход энергии в порту А.

  • Dwf B - расход энергии в порту B.

Порты

Сохранение

развернуть все

Впускное отверстие клапана. Подключите этот порт к выходу конденсатора или приемника жидкости в модели холодильного цикла.

Выходное отверстие клапана. Подключите этот порт к входу испарителя в модели холодильного цикла.

Отверстие для измерения температуры, представляющее измерительную лампу. Подключите этот порт к выходному порту испарителя. Работа клапана основана на сравнении измеренной температуры при S с температурой насыщения текучей среды.

Массовый или энергетический расход через порт S. отсутствует.

Порт измерения давления, представляющий линию выравнивания давления. Подключите этот порт к выходному порту испарителя.

Массовый расход или расход энергии через порт E.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите для параметра «Выравнивание давления» значение External pressure equalization.

Параметры

развернуть все

Скорость теплопередачи в испарителе системы при номинальном режиме работы. Этот параметр задает рабочие условия клапана термостатического расширения.

Максимальная скорость теплопередачи в испарителе системы. В большинстве холодильных циклов это значение на 20-50% превышает номинальную производительность испарителя. Этот параметр задает максимальные рабочие условия для клапана термостатического расширения.

Температура насыщения хладагента в испарителе при номинальных рабочих условиях.

Минимально допустимая разница между температурой перегретого пара на выходе из испарителя и номинальной температурой испарения. Если эксплуатационная разница падает ниже этого значения, клапан закрывается.

Разница между температурой перегретого пара на выходе из испарителя и номинальной температурой испарения в номинальных рабочих условиях. Клапан поддерживает это значение, регулируя свою открытую площадь, чтобы пропускать больше или меньше жидкости в испаритель.

Температура насыщения хладагента в конденсаторе при номинальных рабочих условиях.

Разница между номинальной температурой конденсации и температурой жидкости на выходе из конденсатора при номинальных рабочих условиях.

Место измерения давления. Установить для этого значение Internal pressure equalization для измерения давления испарителя в порту B. Установите для этого параметра значение External pressure equalization для измерения давления испарителя в отверстии Е, которое соединено с выходом испарителя. Эта настройка зависит от конструкции клапана термостатического расширения.

Включить ли ограничения давления в испарителе. Возможны следующие варианты:

  • Off: Нет предела давления. Клапан открывается и закрывается только на основе перегрева испарителя.

  • On - Specify maximum operating pressureЭта установка устанавливает верхний предел давления и температуры испарения. Клапан закрывается при достижении этого давления.

  • On - Specify maximum operating temperatureЭта установка устанавливает верхний предел давления и температуры испарения. Клапан закрывается при достижении этой температуры.

Максимально допустимое давление насыщения в испарителе.

Зависимости

Для включения этого параметра установите предел MOP для давления испарения равным On - Specify maximum operating pressure.

Максимально допустимая температура насыщения в испарителе.

Зависимости

Для включения этого параметра установите предел MOP для давления испарения равным On - Specify maximum operating temperature.

Следует ли моделировать тепловую динамику при измерении температуры. Если установлено значение Onтемпература текучей среды колбы замедляет температуру охлаждения. Температурная постоянная времени Колбы определяет отклик на запаздывание.

Постоянная времени первого порядка для задержки температуры текучей среды баллона. Измеренная температура задерживается относительно температуры хладагента в порту S. Постоянная времени пропорциональна тепловой массе балласта (включая любой балласт) и обратно пропорциональна теплопроводности по поверхности теплового контакта.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите для параметра Динамика температуры колбы значение On.

Площадь поперечного сечения соединительных труб в портах A и B.

Доля утечки до номинального расхода через клапан при его закрытии. Ненулевое значение повышает численную стабильность в жидкостной сети.

Отношение давления на выходе испарителя к давлению на входе испарителя, при котором жидкость переходит между ламинарным и турбулентным режимами. Потеря давления соответствует массовому расходу линейно в ламинарных потоках и квадратично в турбулентных потоках.

Коэффициент непрерывного сглаживания, который вносит слой постепенного изменения в реакцию потока, когда клапан находится в почти открытом или почти закрытом положении. Установите для этого значения ненулевое значение меньше единицы, чтобы повысить стабильность моделирования в этих режимах.

Запаздывание по времени для смесей жидкость-пар при расчете удельного объема жидкости. Этот параметр не влияет на удельный объем, когда входная текучая среда является полностью переохлажденной жидкостью.

Примеры модели

Electric Vehicle Thermal Management

Управление теплом электромобилей

Моделирует систему терморегуляции электромобиля аккумуляторной батареи. Система состоит из двух контуров охлаждающей жидкости, контура охлаждения и контура ОВКВ кабины. Тепловой нагрузкой являются батареи, силовой агрегат и кабина.

Ссылки

[1] Имс, Ян У., Адриано Милаццо и Грэм Г. Мэйдмент. «Моделирование клапанов термостатического расширения». Международный журнал холодильной техники 38 (февраль 2014): 189-97.

См. также

Представлен в R2020b

Документация по жидкостям Simscape

Поддержка