Свойства теплоносителей и рабочих тел энергетики: информация в интернете
Д.т.н. Очков В.Ф.,
д.т.н. Александров А.А., к.т.н. Орлов К.А., Очков А.В.
МЭИ(ТУ)-ООО Триеру
Журнал Новое в российской электроэнергетике. №1. 2008. С. 28-43
Описан сайт интернета, предназначенный для расчета теплофизических
свойства воды, водяного пара, газовых смесей и материалов, используемых в
теплоэнергетических и промтеплоэнергетических установках, а также для расчетов
и построения диаграмм и циклов теплоэнергетических установок.
Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, основанные на аттестованных уравнениях Международной ассоциации по свойствам воды и водяного пара (www.iapws.org), представлены во многих справочниках, например, в [1]. Однако в современных условиях, когда компьютеры специалистов-теплоэнергетиков и теплофизиков, как правило, имеют выход в интернет, удобно эти сведения получать со специализированных сайтов. Поэтому в дополнение к справочнику [1] авторами по технологии Mathcad Application/Calculation Server (MA/CS – http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/Mathcad_14/Chapter7 [2]) был разработан сайт, размещенный в интернете по адресу http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/WSPHB. Сайт создавался под эгидой Российского национального комитета по свойствам воды и водяного пара (http://twt.mpei.ac.ru/rnc).
Если в ходе какого-либо теплотехнического расчета необходимо определить значение того или иного свойства рабочего тела и теплоносителя энергетики, то можно раскрыть справочник (см. пример) и сразу или проведя некоторую интерполяцию табличных данных получить ответ. Но можно через интернет обратиться к соответствующему сайту и получить ответ не только в виде числа с выбранной единицей измерения, но также и в виде графика – семейства кривых или поверхности с выделенной расчетной точкой, изобарами, изотермами и другими кривыми. Кроме того, на сайте в отличие от «бумажных» справочников сочетание входных параметров намного шире. В справочниках исходными параметрами являются, как правило, давление и температура. На сайте в качестве исходных параметров могут быть и другие пары исходных величин – давление и энтальпия, температура и энтропия, энтальпия и энтропия и т.д. Само собой разумеется, что на сайте исходные данные могут вводиться не только дискретно (как в таблицах справочников), а любыми значениями в допустимом интервале. Из интернета также можно «скачать» соответствующих функций для встраивания их в программную среду, с которой работает тот или иной пользователь или программист. Ниже описаны типовые страницы данного сайта и показано, как можно дооборудовать свой компьютер или установленные на нем расчетные программы для того, чтобы оперировать в них функциями, возвращающими свойства воды и водяного пара и других теплоносителей и рабочих тел.
На описываемом
сайте даны ссылки на сами формуляции (это обычно документы в формате PDF) с набором формул, по которым
можно провести расчеты параметров воды и водяного пара. На рис. 1 отображен сайт с адресом
http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/RegionsAllAxes.xmcd, работая с
которым можно перестроить в разных координатах области формуляции
IAPWS IF-97
(формулы (F), рекомендованные в
Рис. 1. Области формуляции IAPWS IF-97 по свойствам воды и водяного пара http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/RegionsAllAxes.xmcd
На первой диаграмме рис. 1 дано традиционное изображение пяти областей формуляции IAPWS IF-97 с осями «давление–температура»: область 1 – вода (выше критической точки деление на воду и пар становиться условным), область 2 – водяной пар, область 3 – околокритическая область, область (линия) 4 – линия насыщения и область 5 – перегретый пар. Выбирая другие оси из списков x := и y :=, посетитель сайта может перестроить конфигурацию данных областей. Две другие диаграммы на рис. 1 – это примеры таких перестроек: T, s – диаграмма (второй график на рис. 1), h, s – диаграмма (третий график). На сайте, показанном на рис. 1, имеются гиперссылки к сайтам, где не только опубликованы формулы, по которым ведутся расчеты свойств воды и водяного пара в разных областях формуляции IAPWS IF-97, но и проводится соответствующий расчет по этим формулам с выдачей всех промежуточных и итоговых результатов.
Рис. 2. Формуляции IAPWS IF-97 по линии насыщения воды и водяного пара (область 4)
На рис. 2 показан сайт http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/Plot-Sat-T.xmcd с набором формул, которые связывают температуру и давление насыщения[2]. По заданной пользователем температуре не только рассчитано давление насыщения (решается соответствующее квадратное уравнение), но и рассчитана, а также показана на графике погрешность этой величины. Если же необходимо узнать свойства воды и водяного пара на линии насыщения в зависимости не от температуры, а от давления, то следует обратиться к сайту по адресу http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/Plot-Sat-P.xmcd.
На рис. 3 (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/Region3.xmcd) показан набор «живых», работающих формул для расчета свойств воды и водяного пара в зависимости от плотности и температуры в околокритической области.
Рис. 3. Формуляции IAPWS IF-97 для третьей, околокритической области
Введенная посетителем сайта точка фиксируется в области 3 на диаграмме «плотность-температура». Есть доступ и к значениям коэффициентов n, формирующим формулу (полином) для свободной энергии Гельмгольца φ(δ, τ), что позволяет при необходимости самостоятельно создать нужные программы по расчету параметров воды и водяного пара. Подобные интерактивные, открытые, сетевые расчеты созданы и для других областей формуляции: http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/Region1.xmcd, http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/Region2.xmcd и http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/Region5.xmcd.
На сайте http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/iapwsif95.xmcd предусмотрена также возможность интерактивной работы с формуляцией IAPWS IF-95, которая отличается от формуляции IAPWS IF-97 тем, что в ней нет деления на области, но расчет ведется по более сложным формулам[3].
Работа с тем или иным программным обеспечением через интернет имеет свои плюсы и минусы. Основной недостаток технологии перекладывания расчетов с персонального компьютера на сервер интернета, увы, хорошо известен: в тот момент, когда необходимо провести расчет, связь рабочей станции с сервером может нарушиться или же выбран лимит работы с интернетом. Кроме того, следует не забывать и о том, что компьютеры многих пользователей просто не подключены к интернету, а их владельцы довольствуются редкими выходами в Сеть с чужих компьютеров или с компьютеров, специально выделенных в организациях для этой цели[4]. Многие фирмы блокируют выход в интернет компьютеров своих сотрудников не только из-за экономии средств, но и в целях безопасности, строя свою отдельную корпоративную сеть (интранет). Описываемый в статье сервер и расчетные сайты по свойствам теплоносителей могут быть установлены и в корпоративных сетях, дополнены специфическими сертифицированными расчетными документами, практикуемыми в этих организациях (см. например, сайт www.vpu.ru/mas).
Вследствие этого и по другим причинам авторами был предусмотрен и альтернативный допуск к свойствам воды и водяного пара через разовое скачивание файлов из интернета или с распространяемого авторами CD-ROM-диска, если нет доступа в Сеть. На рис. 4 показана страница интернета (одного из документов CD-ROM-диска), с которой пользователь может скачать и установить на своем компьютере ту или иную версию программы WaterSteamPro или ее обновление[5].
Рис. 4. Станица сайта WaterSteamPro: «скачивание» программы по свойствам воды и водяного пара (http://www.wsp.ru/ru/download.htm)
Установка программы WaterSteamPro на компьютере пользователя позволяет работать автономно, без выхода в Сеть с так называемыми калькуляторами свойств воды и водяного пара, а также газов и смесей газов. На рис. 5 отображен не только калькулятор по свойствам воды и водяного пара с расчетной ситуацией, аналогичной той, какая была показана на рис. 2 (определение параметров воды на линии насыщения при t = 120°С), но и путь вызова калькулятора в среде операционной системы Windows: Все программы WaterSteamPro│ WaterSteamPro Calculator.
Рис. 5. Программа WaterSteamPro на компьютере пользователя: калькулятор по свойствам воды и водяного пара
На рис. 6 отображен калькулятор по свойствам газов и газовых смесей с расчетной ситуацией, аналогичной той, какая будет показана на рис. 16 (расчет парогазовой установки с определением параметров влажного воздуха при t = 15°С). Вывод числовых данных на данном калькуляторе сопровождается графиками, показывающим соответствующие температурные зависимости.
Рис. 6. Программа WaterSteamPro на компьютере пользователя: калькулятор по свойствам газовых смесей
Кнопки вызова калькуляторов, показанных на рис. 5 и 6, можно разместить на рабочем столе компьютера, чтобы данное специализированное пользовательское приложение Windows всегда было под рукой у инженера-теплоэнергетика или студента соответствующей специальности вуза.
Во-вторых, установка пакета WaterSteamPro на компьютере пользователя позволяет вести не только разовые расчеты, описанные выше (см. рис. 2, 3, 5 и 6), но и интегрировать функции, возвращающие свойства воды, водяного пара и газовых смесей, в популярные вычислительные системы и языки программирования Fortran, Pascal, BASIC, C и др. На рис. 7 показана такая интеграция пакета WaterSteamPro с табличным процессором Excel, а на рис. 8 – с математической программой Mathcad.
Рис. 7. Пример интеграции программы WaterSteamPro с табличным процессором Excel
В среде пакета Mathcad (рис. 8) пересчет единиц измерение ведется автоматически [2, 3]. В среде же Excel (рис. 7) необходимо вручную делать переводы из вспомогательных единиц (мм рт. ст., например, или температурная шкала Цельсия) в основные (паскали и кельвины).
Рис. 8. Пример интеграции программы WaterSteamPro с математической программой Mathcad
Расчеты, сделанные с помощью пакета Mathcad, к которому добавлены функции по свойствам теплоносителей и рабочих тел энергетики (см. рис. 8), как уже отмечалось ранее, можно открывать в интернете или интранете по технологии MA/CS[6]. Это позволило авторам опубликовать в Сети множество интерактивных расчетных документов описываемого в статье сайта. При этом расчеты могут сопровождаться показом соответствующих формул (см. рис. 2 и 3) и графиков, иллюстрирующих изменение параметров воды и водяного пара в зависимости от других величин. Так на рис. 9 (сайт с адресом http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/CPsTP.xmcd) показана поверхность, связывающая температуру, давление и удельную изобарную теплоемкость (Ср) воды и водяного пара.
Рис. 9. Поверхность 1/Cp(p, T) воды и водяного пара
На поверхности (она отображает не Ср, а 1/ Ср, т.к. вблизи критической точки Ср стремится к бесконечности) проведены линии насыщения по воде и водяному пару и заданные посетителем сайта изотерма и изобара, пересечение которых дает нужную точку, в которой и рассчитываются значения не только Ср, но и других параметров воды и водяного пара.
На рис. 10 (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/WDP.xmcd) зависимость одного параметра воды и водяного пара от двух других отображена не поверхностью (рис. 9), а семейством кривых.
Рис. 10. Семейство изобар W(D, p) воды и водяного пара
Посетитель сайта вводит значения давления и температуры и видит свою точку среди кривых (изобар, в данном случае) диаграммы «скорость звука – плотность». Подобные сайты с поверхностями и семействами кривых (изобар, изотерм, изохор и др.) имеются практически для всех сочетаний троек параметров воды и водяного пара. Такое графическое сопровождение ответа позволяет видеть его в «динамике», т.е. при изменении исходных данных. Но графика (а она особо полезна в образовательных целях) несколько замедляет выдачу ответа, повышает трафик посетителя интернета. Поэтому были созданы «облегченные» сайты, где выдаются только численные ответы. Один из таких сайтов показан на рис. 11, где выход в интернет осуществлен уже не через персональный компьютер (см. рис. 1, 2, 3, 4, 9 и 10 со строками адресов браузера Internet Explorer, входящего в состав операционной системы Windows), а через карманный компьютер (PDA – personal digital assistant). На рис. 11 показаны еще два сайта, о первом из которых разговор особый.
Достоверность информации
в «бумажных» справочниках в какой-то мере подтверждается солидностью
соответствующих издательств с их штатом научных консультантов, редакторов и
корректоров. Страницы же Интернета нередко отданы на откуп случайным создателям
и не подвергаются жесткому редактированию и тщательной корректуре. Кто и как
может гарантировать точность данных по свойствам воды и водяного пара,
выдаваемых описываемым сайтом интернета?! Во-первых, посетитель сайта может
взять в руки «твердый» справочник (например, [1]) и лично убедиться, что данные
с сайта совпадают с данными справочника. Отклонения тут могут быть двух типов.
На сайте иногда могут выдаваться лишние знаки в ответе после запятой. Но,
главное, что на сайте могут выдаваться… более точные значения. Дело в том, что
формуляции по свойствам воды и водяного пара непрерывно дополняются и
уточняются. Так на последней ежегодной сессии IAPWS, проходившей в августе
Во-вторых, программа WaterSteamPro сертифицирована на государственном и на отраслевом уровнях – имеются соответствующие документы на этот счет (письма Госстандарта и РАО «ЕЭС России»), которые также опубликованы на сайте. Кроме того, как можно видеть из рис. 11, с сайта Международной ассоциации по свойствам воды и водяного пара (www.iapws.org – см. верхнюю часть рис. 11) сделана ссылка на описываемый сайт (на его английский вариант – http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/WSPHB/Engindex.html). Это также может служить неким дополнительным признаком сертификации сайта.
Рис. 11. Выход на сайт по расчету свойств воды и водяного пара
Несколько иначе выбор исходных данных заложен в сайт с адресом http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/XPTHSV.xmcd, отображенном на рис. 12 и предназначенный для расчетов в двухфазной области. Посетитель данного сайта имеет возможность указать значение давления или температуры, выбрать второй параметр (аргумент функции) из списка и указать его значение. После этого выдаются значения коэффициента сухости пара Х.
Рис. 12. Параметры воды и водяного пара в двухфазной области: исходные параметры – давление и параметр, выбранный пользователем
На рис. 12 зафиксированы следующие расчетные ситуации: первая – посетитель сайта знает давление влажного пара (7 МПа) и его удельную энтальпию (1700 кДж/кг), вторая – известны температура (200°С) и удельная энтропия – 3.1 кДж/(кг·К) и третья – известны температура (120°С) и удельный объем – 0.77 m3/кг. Численный ответ (рассчитанное значение x) сопровождается графиками изменения параметров воды и водяного пара на линии насыщения с дополнительной изолинией x = const. Но самым универсальным является сайт с адресом wsp_TextBox, показанный на рис. 13, где посетитель имеет возможность вводить имена функций пакета WaterSteamPro (их список хранится на сайте http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/VPU_Book_New/mas/WaterSteamProFunctionsList.html, на который есть соответствующая ссылка из сайта, показанного на рис. 13), размерное значение одного или нескольких аргументов, единицу измерения числа в ответе, а также число знаков после запятой (digit), нажать на кнопку Recalculate и получить нужный ответ[7].
Рис. 13. Универсальный сетевой документ по расчету свойств воды и водяного пара
На рис. 13 показаны следующие расчетные ситуации:
· Определение энтальпии (Н) на линии насыщения (S) воды (W) в зависимости от давления – функция wspHSWT, в которую вложена функция wspTPS;
· определение давления (Р) насыщения (S) в зависимости от температуры (Т) – см. функцию wspPST;
· определение энтропии (S) в зависимости от давления (Р) и температуры (Т) – функция wspSPT;
· определение температуры (Т) по давлению (Р) и энтропии (S) – функция wspTPS;
· определение влажности пара (Х) в зависимости от давления (в функцию wspXSTH вложена функция wspTSP) и энтальпии (Н);
· определение влажности пара (Х) в зависимости от температуры (Т) и энтропии (S) – функция wspXSTS.
В именах функции несложно прочесть их сущность – то, что они возвращают и какие аргументы имеют: wsp (аббревиатура пакета WaterSteamPro), обозначение возвращаемого параметра(T, S, H, P, X и т.д.) и перечисление аргументов функции. Кроме того, в имена функций в ряде случаев включены сокращения: S (Saturation – насыщение), W (Water – вода), S (Steam – пар) и т.д.
Функции по свойствам воды и водяного пара, подключенные к пакету Mathcad, документы которого открываются в интернете по технологии MA/CS, позволяют публиковать в Сети не только расчеты по отдельным точкам (см. рис. 2, 3 и 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11), но и расчеты неких теплотехнических процессов [4-5]. Так, на рис. 14 (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/PTU/T-s-Dross.xmcd) показан сайт интернета, по которому можно рассчитать и отобразить на T, s – диаграмме процесс дросселирования водяного пара (h = const).
Рис. 14. Сайт по расчету и графическому отображению процесса дросселирования водяного пара
На рис. 15 (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/PTU/Rankine.xmcd) показан сетевой расчет и графическое отображение цикла Ренкина на перегретом паре.
Рис. 15. Сайт по расчету и графическому отображению цикла Ренкина на перегретом паре
Сам цикл Ренкина отображается не только в традиционном «плоском» виде (T, s – диаграмма), но и на трехмерной диаграмме (Т, s, p – диаграмма, например) с возможностью выбора осей диаграмм. Ведется не только термодинамический, но и эксергетический анализ цикла, что позволяет, в частности, построить диаграмму «эксэргия-энтропия». На сайте http://twt.mpei.ac.ru/TTHB/2/ThermCycleMCS-Create.html дано подробное описание создания расчета, показанного на рис. 15. Читатель, изучив данное описание и поставив на свой компьютер программу Mathcad и пакет WaterSteamPro, может сам создавать подобные теплотехнические расчеты и при желании слать их авторам (OchkovVF@mpei.ru) для публикации на MA/C-сервере МЭИ. На сайте http://twt.mpei.ac.ru/TTHB/2/ThermCycleMCS.html опубликованы и другие расчеты термодинамических циклов, включая и реальные, используемые в отечественной и зарубежной энергетике.
Как уже было отмечено, пакет WaterSteamPro содержит не только функции по свойствам воды и водяного пара, но и функции по свойствам газов и газовых смесей (воздух, горючие смеси, продукты сгорания и т.д. – см. рис. 6). Это позволяет, в частности, вести сетевые расчеты не только по паротурбинным установкам (см. рис. 14 и 15), но и по газовым турбинам и парогазовым установкам (рис. 16 – http://twt.mpei.ru/MCS/Worksheets/PTU/PGU.xmcd).
Рис. 16. Сайт по расчету бинарного цикла
Для того, чтобы через интернет работать с пакетом (комплексом) WaterSteamPro и оперативно получать нужные данные по свойствам воды и водяного пара, нет необходимости каждый раз по-новому вводить довольно длинные адреса соответствующих сайтов (см. заголовки большинства рисунков статьи) – достаточно настроить меню Избранное браузера Интернет (возможно использование и других браузеров: Opera, Netscape Navigator и т. д). Необходимо только соответствующим образом настроить формат вывода информации.), которое можно наполнить либо «вручную» (выходом на нужный сайт и последующей отдачей команды Добавить в Избранное…), либо скачиванием из Сети (с адреса http://twt.mpei.ac.ru/MAS/wsp_Explorer.rar) специальной настройки браузера (папки с файлами), разархивирования ее и помещением в папку D:\Documents and Settings\...\Избранное\Ссылки своего компьютера.
Рис. 17. Образец настройки браузера Интернет на работу с сайтами по свойствам воды и водяного пара
После такой операции в списке Избранное браузера пользователя автоматически появится позиция Свойства воды и водяного пара (см. рис. 17), с соответствующим деревом ссылок на сайты, описываемые в этой статье, и многое другое. В частности, как видит читатель из рис. 17, имеются также ссылки на сетевые расчеты термодинамических свойств не только газов и жидкостей, но и твердых тел – материалов, применяемых в энергетике [6]. Справа на рис. 17 в качестве примера показан сетевой расчет теплопроводности металлов с выдачей графика и формулы соответствующей температурной зависимости. Авторами создан специальный сайт (http://twt.mpei.ac.ru/TTHB/2/ThermCycleMCS.html), на котором собраны интерактивные сетевые расчеты термодинамических циклов.
Данная работа по созданию сетевого справочника «Теплоэнергетика и теплотехника» поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (www.rffi.ru) и является частью инновационной образовательной программы(http://inedu.mpei.ru), выполняемой Московским энергетическим институтом (www.mpei.ru) [7-11] в рамках развития Электронной Энциклопедии Энергетики (www.trie.ru).
Литература:
1. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. – М.: Изд. МЭИ, 1999
2. Очков В.Ф. Mathcad 14 для студентов и инженеров. – С-Петербург: БХВ-Петербург, 2007
3. Очков В.Ф. Физические и экономические величины в Mathcad и Maple. М.: Финансы и статистика, 2002
4. Александров А.А., Орлов К.А., Очков В.Ф. Математические пакеты – новые подходы при расчетах процессов термодинамики и других научных дисциплин // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2005. – № 11–12
5. Очков В.Ф., Александров А.А., Орлов К.А. Термодинамические циклы: расчеты в Интернете // Вестник МЭИ № 1, 2007
6. Очков В.Ф. Математические пакеты и сетевой интерактивный теплотехнический справочник: проблемы и решения // Теплоэнергетика. 2006. № 6
7. Очков В.Ф. Создание «Электронной энциклопедии энергетики» – информационный вклад в производственные и учебные процессы // Теплоэнергетика. № 7, 2007
8. Александров А.А., Очков В.Ф., Орлов К.А., Очков А.В. Теплофизические свойства воды и водяного пара в Интернете // Промышленная энергетика № 2, 2007
9. Александров А.А., Орлов К.А., Очков В.Ф. Исследование схем парогазовых установок с впрыском водяного пара в газовый тракт на основе разработанных прикладных программ по свойствам рабочих тел ПГУ // Новое в российской электроэнергетике. – 2004. – № 4
10. Очков В.Ф. Новые информационные технологии в энергетике: направления, решения, проблемы // Новое в российской электроэнергетике. 2005. № 11
11. Александров А.А, Очков В.Ф., Орлов К.А. Уравнения и программы для расчета свойств газов и продуктов сгорания // Теплоэнергетика. – 2005. – № 3