H, s-диаграмма (H, s-;ngijgbbg)

H, s-диагра́мма (чит. «аш-эс-диаграмма») (написание строчными буквами: «h, s-диаграмма», ранее i, s-диаграмма, также — диаграмма Молье) — диаграмма теплофизических свойств жидкости и газа (в основном воды и водяного пара), показывающая характер изменения различных свойств, в зависимости от параметров состояния. В основном большое применение получили h, s-диаграммы воды и водяного пара, так как в качестве рабочего тела в теплотехнике чаще всего применяются именно вода и водяной пар, из-за их сравнительной дешевизны и доступности, причём наиболее пристальное внимание оказывается именно той части диаграммы, в которой вода в парообразном состоянии, так как в жидком состоянии она практически несжимаема.

Создание

При проведении технико-экономических расчётов для подбора оборудования в теплоэнергетике и других отраслях и моделирования тепловых процессов необходимы надёжные проверенные данные о теплофизических свойствах воды и водяного пара в широкой области давлений и температур.

Многолетнее международное сотрудничество в области исследования свойств воды и водяного пара позволило разработать и внедрить международные нормативные материалы, содержащие уравнения для описания различных свойств, в специальные таблицы. На основании этих уравнений, соответствующих требованиям Международной системы уравнений для научного и общего применения (The IFC Formulation for Scientific and Generale Use), были составлены и опубликованы подробные таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, которые широко применяются в практике инженерных теплотехнических расчётов. Данные, полученные путём расчёта по международным уравнениям, были приняты и в СССР и получили определение таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара. В них также включили данные по динамической вязкости.

Ещё в 1904 году немецкий теплофизик Рихард Молье разработал специальную диаграмму для упрощения и облегчения решений практических задач по теплотехнике, в которой в координатах энтальпии ( $h$ ) и энтропии ( $s$ ) графически отображаются сведения из таблиц состояний. В 1906 году в Берлине была издана его книга «Новые таблицы и диаграммы для водяного пара». Впоследствии такая диаграмма получила название Диаграмма Молье. В СССР некоторое время было принято название i, s-диаграмма, а в настоящее время — h, s-диаграмма.

Структура

H, s-диаграммы чаще всего содержат в себе данные о свойствах воды в жидком и газообразном состояниях, так как они представляют наибольший интерес с точки зрения теплотехники.

Степень сухости — это параметр, показывающий массовую долю насыщенного пара в смеси воды и водяного пара. Значение $x=0$ соответствует воде в момент кипения (насыщения). Значение $x=1$ , показывает, что в смеси присутствует только пар. При нанесении соответствующих точек в координатах $(h,s)$ , взятых из таблиц насыщения справочников свойств воды и водяного пара, при их соединении получаются кривые, соответствующие определённым степеням сухости. В таком случае линия $x=0$ является нижней пограничной кривой, а $x=1$ — верхней пограничной кривой. Область, заключённая между этими кривыми, является областью влажного пара. Область ниже кривой $x=0$ , которая стягивается практически в прямую линию (не показана), соответствует воде. Область выше кривой $x=1$ соответствует состоянию перегретого пара.
Критическая точка (К). При определённом, достаточно высоком давлении, называемом критическим, свойства воды и пара становятся идентичными. То есть исчезают физические различия между жидким и газообразным состояниями вещества. Такое состояние называют критическим состоянием вещества, которому соответствует положение критической точки. Следует заметить, что она на пограничной кривой лежит гораздо левее максимума этой кривой.
Изотерма — изолиния, построенная методом объединения точек по значениям энтальпии и энтропии, соответствующих определённой температуре. Изотермы пересекают пограничные кривые с изломом и, по мере удаления от верхней пограничной кривой, асимптотически приближаются к горизонтали. На схеме для упрощения представлены только три изотермы:
- $t+\Delta t$
- $t$
- $t-\Delta t$
Изобара — изолиния, построенная методом объединения точек по значениям энтальпии и энтропии, соответствующих определённому давлению. Изобары не имеют изломов при пересечении пограничных кривых. На схеме представлены только три изобары:
- $p+\Delta p$
- $p$
- $p-\Delta p$
Изохора — изолиния, построенная методом объединения точек по значениям энтальпии и энтропии, соответствующих определённому объёму. Изохоры на h, s-диаграмме в области перегретого пара, всегда проходит круче, чем изобары, и это облегчает их распознавание на одноцветных диаграммах. Построение изохор требует более кропотливой работы с таблицей состояний. На схеме представлены только три изохоры:
- $v-\Delta v$
- $v$
- $v+\Delta v$

Изотермы и изобары в области влажного пара совпадают, в соответствии с правилом фаз Гиббса.

Применение

H, s-диаграммы используют для расчёта систем испарительного охлаждения (с градирнями или брызгальными бассейнами) и систем кондиционирования воздуха. По диаграмме можно определить соотношение относительной и абсолютной влажности воздуха при разных температурах, точку росы, а также рассчитать необходимую степень насыщения воздуха влагой для достижения желаемой температуры.

Обозначения, принятые в расчётах

P — абсолютное давление (бар);
t — температура (градусы Цельсия);
h — удельная энтальпия (кДж/кг);
s — удельная энтропия (кДж/(кг·К));
v — удельный объём (м³/кг);
x — степень сухости;
ts — температура насыщения (градусы Цельсия);
h' — удельная энтальпия кипящей воды (кДж/кг);
h' ' — удельная энтальпия сухого насыщенного пара (кДж/кг);
v' — удельный объём кипящей воды (м³/кг);
v' ' — удельный объём сухого насыщенного пара (м³/кг);
s' — удельная энтропия кипящей воды (кДж/(кг·К));
s' ' — удельная энтропия сухого насыщенного пара (кДж/(кг·К));
Точка «0» — начальная точка процесса расширения (сжатия) пара;
Точка «1t» — конечная точка расширения (сжатия) в идеальном процессе;
Точка «1» — конечная точка расширения (сжатия) в реальном процессе с заданным к.п.д.;
H0=h0 — h1t;
H=h0 — h1.

Современные h, s-диаграммы

С развитием современной электронно-вычислительной техники и появлением доступных компьютеров и приложений, большое распространение получили h, s-диаграммы в электронном виде. Такие диаграммы представляют собой обычный оконный интерфейс с полями для ввода исходных данных, графическими функциональными клавишами, и полем ответов. После ввода имеющихся данных, нажатием графической клавиши «Расчёт» или «Ввод» на клавиатуре компьютера можно вызвать необходимую информацию при условии соблюдения введённых параметров.

Литература

Александров А.А. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАБОЧИХ ВЕЩЕСТВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ / А.А. Александров, К.А. Орлов, В.Ф. Очков - 2-е изд., перераб. и допол. - М.: Издательский дом МЭИ. 2017. - 226 [8] с.: ил. - сайт справочника http://twt.mpei.ac.ru/rbtpp
Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. Рек. Гос.службой стандартных справочных данных. ГСССД Р-776-98 / А.А. Александров, Б.А. Григорьев - М.: Издательство МЭИ. 1999. ISBN 5-7046-0397-1.
Теплоэнергетика и теплотехника. Книга вторая: «Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник». / Под общей ред. В. А. Григорьева и В. М. Зорина — Москва. Энергоатомиздат. 1988 год. ISBN 5-283-00112-1
Теоретические основы теплотехники: Учеб. пособие. 2-е изд., стер. / Ляшков В. И. - Москва: Изд-во Машиностроение-1, 2005 год. ISBN 5-94275-027-0

См. также