H, s-диаграмма

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

Структура h, s-диаграммы

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

• I-d диаграмма влажного воздуха
• Психрометрическая диаграмма
• Рабочее тело
• Теплоноситель
• Теплотехника
• Энтальпия
• Энтропия