Thermostatic Expansion Valve (2P)

Клапан управления потоком, который поддерживает перегрев испарителя для использования в циклах охлаждения

Библиотека:
Simscape/Жидкости/Двухфазная жидкость/Клапаны и Отверстия/Регулирующие Клапаны Потока

Описание

Блок Термостатический Расширительный Клапан (2P) моделирует клапан с перепадом давления, который поддерживает перегрев испарителя в двухфазной гидросистеме. Этот клапан обычно помещается между конденсатором и испарителем в холодильной системе и поддерживает определенный перепад температур путем замедления потока в испаритель.

Когда перегрев, различие температур между паром на выходе испарителя и температурой испарения жидкости, достигает Static (minimum) evaporator superheat, клапан закрывается. Это уменьшает поток через испаритель, что уменьшает теплопередачу в испарителе и увеличивает температуру на выходе испарителя. Когда вы включаете максимальный предел давления или температуры с параметром MOP limit for evaporating pressure, клапан закрывается, когда предел превышен.

Датчик баллона в порте S измеряет температуру на выходе испарителя. Если клапан в вашей системе имеет эквализацию давления, давление на выходе испарителя моделируется соединением линии от испарителя к порту E. В противном случае давление в порте B используется для эквализации внутреннего давления. Блок балансирует давление баллона, которое действует, чтобы открыть клапан, с давлением эквализации клапана, которое действует, чтобы закрыть клапан.

Площадь открытия

Клапан работает, в основном, чтобы контролировать массовый расход жидкости между конденсатором и испарителем, регулируя эффективную открытую площадь, S _eff. Массовый расход жидкости вычисляется как

$\dot{m} = S_{e f f} \sqrt{\frac{2}{v_{i n}}} \frac{Δ p}{{(Δ p^{2} - Δ p_{l a m}^{2})}^{0.25}},$

где:

v в - удельный объем входного отверстия или объем жидкости на единицу массы.
Δp - перепад давления над клапаном, p A - _p B.
Δp _lam является порогом давления для переходного потока. Ниже этого значения поток ламинарен. Он вычисляется как :

$Δ p_{l a m} = \frac{p_{A} + p_{B}}{2} (1 - B_{l a m}),$
где B _лам - Laminar flow pressure ratio.

Площадь эффективного клапана зависит от различия давления между измеренным давлением, p _{баллоном} и давлением эквализации, _p eq:

$S_{e f f} = β [(p_{b u l b} - p_{e q}) - p_{s a t} (T_{e v a p} + Δ T_{s t a t i c}) - p_{s a t} (T_{e v a p})],$

где:

β - константа клапана, определяемая из номинальных условий работы. Смотрите Определение β из Номинальных Условий для получения дополнительной информации.
p _sat является давлением насыщения жидкости, которое является функцией температуры и оценивается при указанных температурах. _{psat(Tevap+ΔTstatic)} - давление насыщения при _{Tevap+ΔTstatic}.
T _evap - это Nominal evaporating temperature.
ΔT _{статика} является Static (minimum) evaporator superheat.
_pbulb - давление жидкости в колбе. Давление баллона является давлением насыщения, $p_{b u l b} = p_{s a t} (T_{b u l b})$ , если только не включено ограничение давления и не достигнуто максимальное давление; для получения дополнительной информации см. предел давления испарения СН. _Tbulb - температура жидкости луковицы.
p _eq зависит от настройки эквализации давления в клапане:
- Если для Pressure equalization задано значение Internal pressure equalizationp _eq - давление в порте B.
- Если для Pressure equalization задано значение External pressure equalizationp _eq - давление в порте E.

Площадь эффективного клапана имеет пределы. Минимальная эффективная площадь клапана, _Seff,min,

$S_{e f f, \min} = f_{l e a k} S_{e f f, n o m},$

где _fleak - Closed valve leakage flow as a fraction of nominal flow. Номинальная эффективная площадь клапана, _Seff,nom и максимально эффективная площадь клапана обсуждаются в Определении β из Номинальных Условий.

Определение β из номинальных условий

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

$β = \frac{S_{e f f, n o m}}{[p_{s a t} (T_{e v a p} + Δ T_{n o m}) - p_{s a t} (T_{e v a p})]},$

где _{psat(Tevap+ΔTnom)} - давление насыщения в сумме Nominal evaporating temperature и Nominal (static + opening) evaporator superheat.

Номинальная эффективная площадь клапана, S _{eff, nom}, вычисляется как функция номинальной термодинамики конденсатора и испарителя:

$S_{e f f, n o m} = \frac{[\frac{Q_{n o m}}{c_{p, e v a p} Δ T_{n o m} + h_{e v a p} - h_{c o n d} + c_{p, c o n d} Δ T_{s u b}}]}{\sqrt{\frac{2}{v_{c o n d}} (p_{s a t} (T_{c o n d}) - p_{s a t} (T_{e v a p}))}},$

где:

_Tcond является Nominal condensing temperature.
_vcond - удельный объем жидкости при _Tcond.
_Qnom является Nominal evaporator capacity.
_cp,evap - удельное тепло пара при _Tevap.
_hevap - специфическая для пара энтальпия при _Tevap.
_cp,cond - жидкостно-удельное тепло при _Tcond.
_hcond является жидкостно-специфической энтальпией при _Tcond.
_ΔTsub является Nominal condenser subcooling. Переохлаждение - это различие температур между выходным отверстием конденсатора и температурой конденсации.

Максимальная эффективная площадь клапана определяется так же, как и _Seff,nom, но вместо этого использует Maximum evaporator capacity в месте Nominal evaporator capacity.

Эквализация Давления

Эквализация является давлением на выходе испарителя, которое регулирует работоспособность клапана. В физических системах с низким падением давления в испарителе из-за вязкого трения может происходить эквализация давления внутри с давлением в порту B. Это называется внутренней эквализацией давления. В системах с большими потерями соедините выходной порт испарителя с блоком клапана у порта E.

Предел СН для давления испарения

Можно ограничить максимальное давление в испарителе, задав максимальное давление или связанную температуру с параметром MOP limit for evaporating pressure. Если этот параметр включен, клапан закрывается, когда температура баллона превышает температуру, связанную с максимальным давлением баллона, и открывается, когда давление уменьшается. Если для MOP limit for evaporating pressure задано значение Offили измеренное давление ниже предела, $p_{b u l b} = p_{s a t} (T_{b u l b})$ . Если включено, когда измерение превышает предел, давление баллона остается на

$p_{b u l b} = \frac{p_{b u l b, M O P}}{T_{b u l b, M O P}} T_{b u l b},$

где:

p _{колба СС} является функцией Maximum operating pressure, _{p eq,} СС или давления, связанного с Maximum operating temperature, и номинальной температуры испарителя:

$p_{b u l b, M O P} = p_{e q, M O P} + p_{s a t} (T_{e v a p} + Δ T_{s t a t i c}) - p_{s a t} (T_{e v a p}) .$
T _{луковица} - это температура жидкости луковицы. Это температура в порте, S если Bulb temperature dynamics установлено на Off. Задержка первого порядка применяется к температуре колбы, если Bulb temperature dynamics установлено на On.
T _{колбе СС} является соответствующей температурой при давлении _{p колбе,} СС.

Динамика температуры баллона

Можно смоделировать динамический ответ луковицы на изменение температуры путем установки Bulb temperature dynamics на On. Это вводит задержку первой степени в измеренной температуре:

$\frac{d T_{b u l b}}{d t} = \frac{T_{S} - T_{b u l b}}{τ_{b u l b}},$

где:

T S - температура в порте S. Если динамика лампы не моделируется, это _{T лампочка}.
τ _- это Bulb thermal time constant.

Динамика объема Жидкости

Когда жидкость во входном отверстии клапана является смесью пар-жидкость, блок вычисляет конкретный объем как:

$v_{i n} = (1 - x_{d y n}) v_{l i q} + x_{d y n} v_{v a p},$

где:

_xdyn - качество пара на входе. Блок применяет задержку первого порядка к качеству входного пара смеси.
_vliq - жидкостный удельный объем жидкости.
_vvap - удельный объем пара жидкости.

Если входная жидкость является жидкостью или паром, _vin является соответствующим объемом жидкости или пара.

Задержка качества пара

Если качество пара на входе является смесью пар-жидкость, блок применяет временную задержку первого порядка:

$\frac{d x_{d y n}}{d t} = \frac{x_{i n} - x_{d y n}}{τ},$

где:

_xdyn - динамическое качество пара.
_xin - текущее качество пара на входе.
τ является Inlet phase change time constant.

Если входная жидкость является переохлажденной жидкостью, _xdyn равно _xin.

Уравнения сохранения

Масса сохраняется через клапан:

${\dot{m}}_{A} + {\dot{m}}_{B} = 0,$

где:

${\dot{m}}_{A}$ - массовый расход жидкости в порту A.
${\dot{m}}_{B}$ - массовый расход жидкости в порту B.

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

Энергетический поток также сохраняется через клапан:

$Φ_{A} + Φ_{B} = 0,$

где:

Φ A является расходом энергии в порту A.
Φ B - расход энергии в порту B.

Порты

Сохранение

расширить все

`A` - Вход жидкости
двухфазная жидкость

Входной порт клапана. Соедините этот порт с выходным отверстием конденсатора или приемника жидкости в модели холодильного цикла.

`B` - Выход жидкости
двухфазная жидкость

Выходной порт клапана. Соедините этот порт с входным отверстием испарителя в модели холодильного цикла.

`S` - Измерение температуры баллона
двухфазная жидкость

Порт измерения температуры, представляющий чувствительную лампу. Подключите этот порт к выходному порту испарителя. Клапан операции основан на сравнении измеренной температуры на S с температурой насыщения жидкости.

Через порт скорости потока жидкости нет S массы или энергии.

`E` - Измерение давления в линии эквализации
двухфазная жидкость

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

Через порт скорости потока жидкости нет E массы или энергии.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите Pressure equalization равным External pressure equalization.

Параметры

расширить все

`Nominal evaporator capacity` - Скорость теплопередачи испарителя в номинальных условиях
`15` кВт (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Скорость теплопередачи в испарителе системы при номинальных условиях эксплуатации. Этот параметр устанавливает рабочие условия термостатического расширительного клапана.

`Maximum evaporator capacity` - Максимальная скорость теплопередачи испарителя
`20` кВт (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Максимальная скорость теплопередачи в испарителе системы. В большинстве холодильных циклов это значение на 20-50% больше, чем Nominal evaporator capacity. Этот параметр устанавливает максимальные условия работы для термостатического расширительного клапана.

`Nominal evaporating temperature` - Температура насыщения испарителя в номинальных условиях
`278.15` K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Температура насыщения хладагента в испарителе при номинальных условиях эксплуатации.

`Static (minimum) evaporator superheat` - Минимально допустимый перепад температур на выходе из испарителя
`5` K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Минимальное допустимое различие между температурой перегретого пара на выходе испарителя и Nominal evaporating temperature. Если рабочее различие падает ниже этого значения, клапан закрывается.

`Nominal (static + opening) evaporator superheat` - Перепад температур на выходе из испарителя
`10` K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Различие между температурой перегретого пара на выходе испарителя и Nominal evaporating temperature при номинальных рабочих условиях. Клапан поддерживает это значение путем регулировки его открытой площади, чтобы пропускать больше или меньше жидкости в испаритель.

`Nominal condensing temperature` - Температура насыщения хладагента в конденсаторе
`313.15` K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Температура насыщения хладагента в конденсаторе при номинальных условиях эксплуатации.

`Nominal condenser subcooling` - Перепад температур на выходе рабочего конденсатора
`5` K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Различие между Nominal condensing temperature и температурой жидкости на выходе конденсатора при номинальных рабочих условиях.

`Pressure equalization` - Место измерения давления
`Internal pressure equalization` (по умолчанию) | `External pressure equalization`

Место измерения давления. Установите значение Internal pressure equalization для измерения давления испарителя в порте B. Установите этот параметр равным External pressure equalization для измерения давления испарителя в порте E, который соединяется с выходным отверстием испарителя. Эта настройка зависит от проекта термостатического расширительного клапана.

`MOP limit for evaporating pressure` - Включить ли предельные значения давления или температуры
`Off` (по умолчанию) | `On - Specify maximum operating pressure` | `On - Specify maximum operating temperature`

Включить ли предельное давление в испарителе. Опции:

Off: Нет предела по давлению. Клапан открывается и закрывается только на основе перегрева испарителя.
On - Specify maximum operating pressure: Эта установка устанавливает верхний предел давления и температуры испарения. Клапан закрывается при достижении этого давления.
On - Specify maximum operating temperature: Эта установка устанавливает верхний предел давления и температуры испарения. Клапан закрывается, когда эта температура достигается.

`Maximum operating pressure` - Максимальное давление при ограничении давления испарителя
`0.5` МПа (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Максимально допустимое давление насыщения в испарителе.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите MOP limit for evaporating pressure равным On - Specify maximum operating pressure.

`Maximum operating temperature` - Максимальная температура при включении ограничения температуры испарителя
`288.15` K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Максимально допустимая температура насыщения в испарителе.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите MOP limit for evaporating pressure равным On - Specify maximum operating temperature.

`Bulb temperature dynamics` - Моделировать ли тепловую задержку
`Off` (по умолчанию) | `On`

Моделирует ли тепловая динамика при измерении температуры. Когда установлено значение OnТемпература жидкости колбы отстает от температуры охлаждения. Реакция задержки определяется Bulb thermal time constant.

`Bulb thermal time constant` - Постоянная времени тепловой задержки
`20` s (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Временная константа первого порядка для задержки температуры жидкости колбы. Измеренная температура задерживается относительно температуры хладагента в порту S. Временная константа пропорциональна тепловой массе баллона (включая любой балласт) и обратно пропорциональна тепловой проводимости по поверхности теплового контакта.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Bulb temperature dynamics равным On.

`Cross-sectional area at ports A and B` - Площадь порта
`0.01` m ^ 2 (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Площадь поперечного сечения соединительных трубопроводов в портах A и B.

`Closed valve leakage flow as a fraction of nominal flow` - Минимальный поток через клапан в любое время
`1e-9` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Доля утечек в номинальный поток через клапан при закрытии. Ненулевое значение улучшает числовую стабильность в гидросистеме.

`Laminar flow pressure ratio` - Отношение давления в испарителе на переходном режиме течения
`0.999` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

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

`Smoothing factor` - Численный коэффициент сглаживания
`0.01` (по умолчанию) | положительная скалярная величина в области значений [0,1]

Непрерывный коэффициент сглаживания, который вводит слой постепенного изменения отклика потока, когда клапан находится в почти открытом или почти закрытом положении. Установите это значение ненулевым значением меньше единицы, чтобы увеличить стабильность вашей симуляции в этих режимах.

`Inlet phase change time constant` - Задержка по удельному объему смеси
`0.1` s (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Временная задержка для смесей пар-жидкости при вычислении удельного объема жидкости. Этот параметр не влияет на конкретный объем, когда входная жидкость является полностью переохлажденной жидкостью.

Примеры моделей

Электрическое Транспортное средство Тепловое Управление

Моделирует систему теплового управления электрического транспортного средства аккумулятора. Система состоит из двух циклов теплоносителя, холодильного цикла и кабины ОВКВ цикла. Тепловой нагрузкой являются батареи, силовой агрегат и кабина.

Ссылки

[1] Eames, Ian W., Adriano Milazzo, and Graeme G. Maidment. Моделирование термостатических расширительных клапанов. Международный журнал охлаждения 38 (февраль 2014): 189-97.

См. также

Введенный в R2020b

Документация

Thermostatic Expansion Valve (2P)

Описание

Площадь открытия

Эквализация Давления

Предел СН для давления испарения

Динамика температуры баллона

Динамика объема Жидкости

Уравнения сохранения

Порты

Сохранение

A - Вход жидкости двухфазная жидкость

B - Выход жидкости двухфазная жидкость

S - Измерение температуры баллона двухфазная жидкость

E - Измерение давления в линии эквализации двухфазная жидкость

Зависимости

Параметры

Nominal evaporator capacity - Скорость теплопередачи испарителя в номинальных условиях 15 кВт (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Maximum evaporator capacity - Максимальная скорость теплопередачи испарителя 20 кВт (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Nominal evaporating temperature - Температура насыщения испарителя в номинальных условиях 278.15 K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Static (minimum) evaporator superheat - Минимально допустимый перепад температур на выходе из испарителя 5 K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Nominal (static + opening) evaporator superheat - Перепад температур на выходе из испарителя 10 K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Nominal condensing temperature - Температура насыщения хладагента в конденсаторе 313.15 K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Nominal condenser subcooling - Перепад температур на выходе рабочего конденсатора 5 K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Pressure equalization - Место измерения давления Internal pressure equalization (по умолчанию) | External pressure equalization

MOP limit for evaporating pressure - Включить ли предельные значения давления или температуры Off (по умолчанию) | On - Specify maximum operating pressure | On - Specify maximum operating temperature

Maximum operating pressure - Максимальное давление при ограничении давления испарителя 0.5 МПа (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Зависимости

Maximum operating temperature - Максимальная температура при включении ограничения температуры испарителя 288.15 K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Зависимости

Bulb temperature dynamics - Моделировать ли тепловую задержку Off (по умолчанию) | On

Bulb thermal time constant - Постоянная времени тепловой задержки 20 s (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Зависимости

Cross-sectional area at ports A and B - Площадь порта 0.01 m ^ 2 (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Closed valve leakage flow as a fraction of nominal flow - Минимальный поток через клапан в любое время 1e-9 (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Laminar flow pressure ratio - Отношение давления в испарителе на переходном режиме течения 0.999 (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Smoothing factor - Численный коэффициент сглаживания 0.01 (по умолчанию) | положительная скалярная величина в области значений [0,1]

Inlet phase change time constant - Задержка по удельному объему смеси 0.1 s (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Примеры моделей

Электрическое Транспортное средство Тепловое Управление

Ссылки

См. также

Документация Simscape Fluids

Поддержка

`A` - Вход жидкости
двухфазная жидкость

`B` - Выход жидкости
двухфазная жидкость

`S` - Измерение температуры баллона
двухфазная жидкость

`E` - Измерение давления в линии эквализации
двухфазная жидкость

`Nominal evaporator capacity` - Скорость теплопередачи испарителя в номинальных условиях
`15` кВт (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Maximum evaporator capacity` - Максимальная скорость теплопередачи испарителя
`20` кВт (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Nominal evaporating temperature` - Температура насыщения испарителя в номинальных условиях
`278.15` K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Static (minimum) evaporator superheat` - Минимально допустимый перепад температур на выходе из испарителя
`5` K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Nominal (static + opening) evaporator superheat` - Перепад температур на выходе из испарителя
`10` K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Nominal condensing temperature` - Температура насыщения хладагента в конденсаторе
`313.15` K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Nominal condenser subcooling` - Перепад температур на выходе рабочего конденсатора
`5` K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Pressure equalization` - Место измерения давления
`Internal pressure equalization` (по умолчанию) | `External pressure equalization`

`MOP limit for evaporating pressure` - Включить ли предельные значения давления или температуры
`Off` (по умолчанию) | `On - Specify maximum operating pressure` | `On - Specify maximum operating temperature`

`Maximum operating pressure` - Максимальное давление при ограничении давления испарителя
`0.5` МПа (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Maximum operating temperature` - Максимальная температура при включении ограничения температуры испарителя
`288.15` K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Bulb temperature dynamics` - Моделировать ли тепловую задержку
`Off` (по умолчанию) | `On`

`Bulb thermal time constant` - Постоянная времени тепловой задержки
`20` s (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Cross-sectional area at ports A and B` - Площадь порта
`0.01` m ^ 2 (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Closed valve leakage flow as a fraction of nominal flow` - Минимальный поток через клапан в любое время
`1e-9` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Laminar flow pressure ratio` - Отношение давления в испарителе на переходном режиме течения
`0.999` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Smoothing factor` - Численный коэффициент сглаживания
`0.01` (по умолчанию) | положительная скалярная величина в области значений [0,1]

`Inlet phase change time constant` - Задержка по удельному объему смеси
`0.1` s (по умолчанию) | положительная скалярная величина