Объект: HT01MTP

Библиотека: HydroThermo2

Имя на уровне решателя: HT01MTP

Аннотация: Объемный насос с механической частью и теплоотдачей

Обозначение:

Порты (степени свободы) компонента:

№	Обозначение порта	Тип	Наименование порта
1	Thermohydraulic port A	THYDRAULIC	THYDRAULIC
2	Thermohydraulic port B	THYDRAULIC	THYDRAULIC
3	Mechanical port C	MECH1D_R	Механический порт C
4	Thermal port D	THERMAL	Тепловой порт D

Пользовательские параметры модели:

№	Параметр	Тип	Описание	Единица	Значение по умолч.
1	C	real	Теплоемкость насоса, Дж/К	J/K	1000
2	D	real	Диаметр элемента, м	m	0.01
3	Fluid		Имя объекта свойств среды		Fluid
4	JR	real	Момент инерции, кг*м**2	kg*m**2	1e-8
5	KPD	real	Общий КПД		0.8
6	KPD0	real	Объемный КПД	m**3	0.9
7	L	real	Длина элемента, м	m	0.01
8	NN	real	Частота рабочей точки, рад/c	Hz	1000
9	P0	real	Начальное давление на объемах элемента, Па	Pa	101325
10	PN	real	Перепад рабочей точки, Па	Pa	5e5
11	T0	real	Начальная температура на объемах элемента, К	K	293.15
12	T_environment	real	Температура окружающей среды, К	K	340
13	T_pump	real	Температура насоса, К	K	300
14	Vr	real	Рабочий объем, м3	m**3	1e-4
15	k_environment	real	Коэффициент конвекции в окружающую среду, Вт/К	W/K	0.1
16	k_fluid	real	Коэффициент конвекции в жидкость, Вт/К	W/K	0.1

Расчетные и измеряемые величины:

№	Параметр	Описание	Единица
1	V_Pressure1	Давление на порте	Pa
2	V_SpecificEnthalpy1	Удельная энтальпия;	J/kg
3	V_Density1	Плотность рабочей среды;	kg/m**3
4	V_Temperature1	Температура рабочей среды на порте;	K
5	S_MassFlow1	Массовый расход на порте ;	kg/s
6	S_EnthalpyFlow1	Поток энтальпии на порте ;	W
7	V_Pressure2	Давление на порте	Pa
8	V_SpecificEnthalpy2	Удельная энтальпия;	J/kg
9	V_Density2	Плотность рабочей среды;	kg/m**3
10	V_Temperature2	Температура рабочей среды на порте;	K
11	S_MassFlow2	Массовый расход на порте ;	kg/s
12	S_EnthalpyFlow2	Поток энтальпии на порте ;	W
13	V_AngularSpeed3	Угловая скорость на порте ;	rad/s
14	A_AngularAcceleration3	Угловое ускорение на порте ;	rad/s**2
15	X_AngularMotion3	Угловое перемещение ;	rad
16	S_Torque3	Крутящий момент на порте ;	N*m
17	V_Temperature4	Температура на порте ;	K
18	S_HeatFlow4	Тепловой поток на порте ;	W

Пример использования компонента

Модель объемного насоса с механической частью и теплоотдачей (HT01MTP)

Элемент моделирует работу объемного насоса с учетом механических потерь, инерционности вращающихся частей и теплообмена с рабочей жидкостью и окружающей средой. Позволяет рассчитывать нагрев насоса вследствие трения и конвективный отвод тепла. Используется в гидравлических и термодинамических расчётах для анализа тепловых режимов насосного оборудования.

Нагрев насоса вследствие трения при конвекции в жидкость при k_fluid = 1.0 Дж/(сК) и отсутствием конвекции в окружающую среду k_environment = 0.0 Дж/(сК).

Начальные данные:

Параметры модели (HT01MTP1)

Vr = 1e-2 - Рабочий объем, м^3

PN = 5e5 - Перепад рабочей точки, Па

NN = 1000 - Частота рабочей точки, рад/с

KPD0 = 0.9 - Объемный КПД

KPD = 0.09 - Общий КПД

JR = 1e-8 - Момент инерции, кгм²

D = 0.01 - Диаметр элемента, м

L = 0.01 - Длина элемента, м

C = 0.1 - Теплоемкость насоса, Дж/К

k_environment = 0.0 - Коэффициент конвекции в окружающую среду, Дж/(сК)

k_fluid = 1.0 - Коэффициент конвекции в жидкость, Дж/(с*К)

T_environment = 300 - Температура окружающей среды, К

T_pump = 300 - Начальная температура насоса, К

P₀ = 101300 - Начальное давление на объемах элемента, Па

T₀ = 300 - Начальная температура на объемах элемента, К

Fluid = oil - Имя объекта свойств среды (масло)

Параметры граничных условий

HT1SPT1: P = 101300 Па, T = 300 К

HT1SPT2: P = 101300 Па, T = 300 К

C = 10 - задатчик угловой скорости механического порта

Параметры интегрирования

end = 10 с, control = 1e-9

Схема тестирования:

Схема содержит объемный насос HT01MTP1, который приводится во вращение от источника скорости SW1 с сигналом C = 10. На входе и выходе насоса установлены граничные условия HT1SPT1 и HT1SPT2 с давлением 101300 Па и температурой 300 К. Теплообмен с окружающей средой отключен (k_environment = 0.0), теплообмен с рабочей жидкостью задан коэффициентом k_fluid = 1.0 Дж/(с*К). Измеряются температура насоса (HT01MTP.T_nasos) и скорость (HT01MTP.speed). Результаты выводятся на осциллографы Pump_T и Speed.

Результат:

Уравнение баланса тепла для насоса:

\[\begin{split}\begin{aligned} C \cdot \frac{dT}{dt} &= Q_{\text{тр}} + Q_{\text{жидкость}} + Q_{\text{среда}} \\ C \cdot \frac{dT}{dt} &= (K_m \cdot \omega_R^2) + k_{\text{environment}} \cdot (T_{\text{environment}} - T) - k_{\text{fluid}} \cdot (T - T_{\text{fluid}}) \end{aligned}\end{split}\]

где: \(\omega_R\) — скорость вращения вала,

\[K_m = \frac{V_R \cdot P_N}{N_N} \cdot \frac{1 - K_{Dm}}{K_{Dm}}\]

— коэффициент механических потерь,

\[K_{Dm} = \frac{K_{DP}}{K_{DP\ :subscript:`0`}}\]

— механический КПД.

В установившемся режиме:

\[T = \frac{Q_{\text{тр}} + k_{\text{environment}} \cdot T_{\text{environment}} + k_{\text{fluid}} \cdot T_{\text{fluid}}} {k_{\text{environment}} + k_{\text{fluid}}}\]

\[\mathrm{Sig} = \frac{\text{Const}}{2 \pi} = \frac{10}{2 \pi} = 1.59\ \text{рад/с}\]

Для данного теста:

\[K_m = \frac{1 \cdot 10^{-2} \cdot 5 \cdot 10^5}{1000} \cdot \frac{1 - 0.09 / 0.9}{0.09 / 0.9} = 45\]

\[T_{\text{уст}} = \frac{1.59 \cdot 1.59 \cdot 45 + 300}{1.0} = 413.7645\ \text{К}\]

На графике Pump_T показано изменение температуры насоса во времени: температура возрастает от начального значения 300 К и выходит на установившееся значение 413.76 К. На графике Speed показано изменение скорости насоса: после короткого переходного процесса скорость устанавливается на постоянном значении примерно 1.59 рад/с. Это подтверждает корректность работы модели объемного насоса с механической частью и теплоотдачей.

Схема теста

Рисунок 1 - Схема теста

Графики результатов теста

Рисунок 2 - Температура насоса Pump_T

Рисунок 3 - Скорость насоса Speed

Рисунок 4 - Совмещённый график RUN (HT01MTP.T_nasos и HT01MTP.speed)