Теплотехнические расчеты с опорой на Интернет-функции по свойствам рабочих веществ теплоэнергетики
Д.т.н. Очков В.Ф. (МЭИ – ООО «Триеру»), к.т.н. Орлов К.А., инж. Знаменский В.Е. (МЭИ – ОИВТ РАН)
В статье описана технология
облачных теплотехнических вычислений, основанная на ссылках на Интернет-функции по свойствам
рабочих веществ теплоэнергетики.
Теплотехнические расчеты требуют знания термодинамических и физических (теплофизических) свойств рабочих веществ. Если такие расчеты ведутся вручную, то достаточно иметь под рукой соответствующие таблицы [1-2] свойств конкретного рабочего вещества. Компьютерные же расчеты (а именно они все чаще и чаще ведутся в настоящее время) требуют специальных программных функций, возвращающих конкретные значения свойств рабочих веществ теплоэнергетических циклов в зависимости от параметров цикла – температуры, давления, удельной энтальпии, удельной энтропии, плотности и др.
Одной из самых распространенных и удобных программ по свойствам рабочих веществ энергетики (вода и водяной пар, воздух и дымовые газы) является программа WaterSteamPro [3-12]. После скачивания этой программы с сайта www.wsp.ru и установки ее на компьютере в теплотехнических расчетах[1] становятся видимыми соответствующие функции по свойствам рабочих веществ. Об этой программе будет дополнительно упомянуто в конце статьи.
Но технология скачивания функций с сайтов Интернета или с дисков и установки их на компьютере пользователя имеет один существенный недостаток, заключающийся в следующем.
Программы для компьютеров, в частности, программы для расчета теплофизических свойств индивидуальных веществ и их смесей непрерывно совершенствуются. Это связано и с тем, что появляются новые формуляции, предписывающие порядок расчетов конкретных свойств конкретных веществ[2], и с тем, что в существующих программах исправляются ошибки и неточности, расширяется область их применения, улучшаются их характеристики (быстродействие, объем занимаемой памяти компьютера и др.). Пользователи таких программ часто не поспевают за этими изменениями и работают с устаревшими версиями. Но это еще полбеды. Беда наступает тогда, когда пользователи меняют компьютер и/или операционную систему на нем, что часто приводит к тому, что старые программы перестают устанавливаться и работать (запускаться) на новых или обновленных компьютерах.
В связи с этим, а также с учетом того факта, что в настоящее время почти все компьютеры, на которых ведутся инженерные, в частности, теплотехнические расчеты, имеют постоянный выход в Интеренет авторами данной статьи и была предложена новая технология работы с функциями по теплофизическим свойствам рабочих веществ теплоэнергетики, базирующаяся не на скачивании (download), а на ссылках (reference) на функции, хранящиеся на сайтах Интернета.
Упоминавшийся справочник по теплофизическим свойствам рабочих веществ теплоэнергетики дополнен сайтом, который размещен на расчетном сервере Московского энергетического института и ООО «Триеру» (www.trie.ru) – см. рис. 1. Наряду с другими открытыми, интерактивными сетевыми справочниками, полезными для энергетиков и теплотехников [11].
Рис. 1. Расчетный сайт МЭИ(ТУ) и ООО «Триеру»
На сайте справочника по теплофизическим свойствам рабочих веществ теплоэнергетики выделены отдельные области формуляции IAPWS-IF97 (см. сноску 2), по которой рассчитываются свойства воды и водяного пара:
1. Область жидкости (воды)
2. Область водяного пара
3. Околокритическая область
4. Линия насыщения
5. Область высоких температур (800 – 2000°С)
Если посетителю сайта, показанного на рис. 1, необходимо уточнить свойства водяного пара, то он может щелкнуть по ссылке, выделенной на рис. 1, и перейти к странице сайта, показанной на рис. 2. На этой странице есть новые ссылки на (1) описание формуляции IAPWS-IF97, на (2) «живой» расчет по данной формуляции, когда посетитель сайта может изменить исходные данные (давление и температура) и получить не только результат расчета (параметры водяного пара при заданных значениях давления и температуры), но и все промежуточные значения, а также заданную точку на р – Т диаграмме.
Рис. 2. Сайт по свойствам перегретого водяного пара
С сайта, показанного на рис. 2, можно также скачать соответствующие функции для инженерного калькулятора Mathcad (версии Mathcad 14 и 15 и Mathcad Prime) и вставить их в собственные теплотехнические расчеты.
Инженерный калькулятор Mathcad – очень удобное средство для решения в том числе и теплотехнических задач [13]. В среде Mathcad запись формул ведется в естественной нотации, можно использовать единицы измерения для контроля за правильностью вычислений и для более удобного отображения их результатов. Результаты расчетов в среде Mathcad очень просто отобразить графиками и диаграммами.
Эти и другие полезные качества пакета Mathcad сделали его одним из самых популярных средств решения инженерно-технических задач на компьютере.
В среде Mathcad есть удобное средство ссылки на другой Mathcad-документ, переменные и функции которого становятся видимыми в Mathcad-документе, из которого делается соответствующая ссылка. Такую ссылку можно делать не только на Mathcad-документы (файлы с расширением *.mcd, *.mcdz, *.xmcd, *.xmcdz, *.mcdx и *.mcdxz), хранящиеся на рабочей станции или в локальной компьютерной сети, но и на сайтах Интернета. Это открывает широкие возможности для реализации новой технологии использования функций, хранящихся на сайтах Интернета без их закачивания на компьютер пользователя.
Если при решении теплотехнической задачи[3] в среде Mathcad необходимо, чтобы функции, возвращающие теплофизические свойства рабочего вещества, в частности, воды и водяного пара, стали видимы в расчетном документе, следует выполнить простые действия, отображенные на рис. 3 и 4.
Рис. 3. Полученные адреса ссылки на Mathcad-документ
Рис. 4. Вставка в расчет ссылки на Mathcad-функцию
На рис. 3 показано, как щелчком правой кнопки мыши по ссылке, выделенной на рис. 2, можно через описание свойств ссылки получить адрес хранения данной функции в Интернете и вставить ее (ссылку) в свой теплотехнический расчет (рис. 4). Таким образом можно сделать видимыми все функции, необходимые для данного теплотехнического расчета – для расчета термического КПД термодинамического цикла, начало которого (расчета) показано на рис. 4, а окончание на рис. 5.
Рис. 5. Расчет цикла Ренкина с ссылками на функции по свойствам воды и водяного пара, хранящимися в Интернете.
На рис. 5 также отображены сайты Интернета куда сделаны соответствующие ссылки, делающие видимыми в расчете необходимые для расчета функции по свойствам воды и водяного пара.
Пользователь компьютера при желании может щелкнуть мышкой по любой ссылке, показанной на рис. 5, загрузить и открыть данный Mathcad-документ, хранящий соответствующую функцию, для проверки правильности счета по ней. Этот документ можно сохранить на рабочей станции (на своем компьютере) или в локальной компьютерной сети своей организации и ссылаться уже на него в новом месте хранения – не в Интернете (в «облаках»), а на «своем», локальном, «приземленном» месте. Это делается в том случае, если связь с Интернетом не вполне надежна или ограничена. Но в этом случае лучше сразу «загрузить» на свой компьютер или в локальную сеть своей организации все функции по свойствам рабочих веществ теплоэнергетики, обратившись один раз к сайту WaterSteamPro (www.wsp.ru), – см. рис. 6.
Рис. 6. Одна из страниц сайта WaterSteamPro
После скачивания и установки на отдельном компьютере или в локальной сети программы WaterSteamPro в среде Mathcad становятся не просто видимыми, а встроенными функции с префиксами wsp (вода и водяной пар) и wspg (газы и их смеси), возвращающие теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики и многие другие функции, полезные в теплотехнических расчетах.
Рис. 7. Пример теплотехнического расчета с использованием пакета WaterSteamPro
Так на рис. 7 можно видеть, что после подключения к Mathcad функций пакета WaterSteamPro уже не нужно определять области формуляции IAPWS-IF97, в которой ведется расчет – см. функции wspH1PT (область 1 – вода) и wspH2PT (область 2 – водяной пар) и др. на рис. 5. Пакет WaterSteamPro сам определит эту область автоматически – см. функцию wspHPT на рис. 7 и ее описание в диалоговом окне вставки функции[4]. Кроме того, на рис. 7 можно видеть работу функции, возвращающей удельную энтальпию в зависимости не от конкретных значений давления и температуры, а от условий расширения водяного пара в турбине – см. второе диалоговое окно на рис. 7. На базе программы WaterSteamPro было создано большое количество теплотехнических расчетов [14-23], открытых на сервере МЭИ(ТУ) – ООО «Триеру».
Технологии ссылок и скачивания, описанные в данной статье, имеют свои плюсы и минусы. Компромиссная (промежуточная) информационная технология – это установка на своем компьютере или локальной сети программы WaterSteamPro и регулярное ее обновление. Если же теплотехнические расчеты ведутся на компьютерах с надежной связью с Интернетом, то можно применять технологию ссылок, описанную в данной статье. Технология ссылок на Интернет-функции открывает пользователям богатый набор других полезных теплоэнергетикам функций, размещенных на расчетном сервере МЭИ(ТУ) – ООО «Триеру».
Данная работа выполняется в рамках проекта МЭИ(ТУ) – Национальный исследовательский университет: «Информационная поддержка энергетики, энергоэффективности и энергосбережения (IT EEE) - создание центра по теплофизическим свойствам веществ и решений для энергетики (ЦТСВЭ)».
Литература:
1. Александров А.А, Орлов К.А., Очков В.Ф. Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: Интернет-справочник. - М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - 224 с.
2.
Ochkov
V.F. A New Reference Book for Power Engineers (9th conference on Power System
Engineering, Thermodynamics & Fluid Flow - ES 2010, June 17 - 18, 2010, Pilsen, Czech Republic.
3.
Alexandrov
A.A., Ochkov V.F., Orlov K.A. Steam Tables and Diagrams on Mathcad Calculation
Server for Personal Computers, Pocket Computers and Smart Phones // Proceedings
of the 15th International Conference of the Property of Water and Steam, Berlin/Germany,
September 7–11, 2008.
4. Очков В.Ф. Информационные интернет-ресурсы для теплоэнергетиков // Энергетик, № 8, 2008 г., С. 39-41
5.
Ochkov V.F., Alexandrov A.A., Orlov K.A., Ochkov A.V.. Thermodynamic Cycles: Calculations on the
Internet // Proceedings of the 7-th Conference «Power System Engineering,
Thermodynamics & Fluid Flow», June 26-27, 2008, Pilsen,
Czech Republic, pp. 165-173
6. Очков В.Ф., Александров А.А, Орлов К.А., Очков А.В. Свойства теплоносителей и рабочих веществ энергетики: информация в интернете // Новое в российской электроэнергетике. №1. 2008. С. 28-43.
7. Александров А.А., Очков В.Ф., Орлов К.А., Очков А.В. Теплофизические свойства воды и водяного пара в Интернете // Промышленная энергетика № 2, 2007 г. С. 29-35.
8. Очков В.Ф. Математические пакеты и сетевой интерактивный теплотехнический справочник: проблемы и решения // Теплоэнергетика, № 6 2006 г., С. 71-77.
9. 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. №11-12. 2005 г., С. 80-86
10. Александров А.А, Очков В.Ф., Орлов К.А. Уравнения и программы для расчета свойств газов и продуктов сгорания // Теплоэнергетика, № 3, 2005 г., С, 34-38
11. Очков В.Ф. Теплотехнический справочник в Интернете // Новое в российской электроэнергетике", № 5, 2005, С. 48-54
12. Александров А.А., Орлов К.А., Очков В.Ф., Очков А.В. Программный комплекс "WaterSteamPro" для расчета теплофизических свойств воды и водяного пара. Доклад на X Всероссийской конференции по теплофизическим свойствам веществ. Казань, 2002., с. 187-188.
13. Очков В.Ф., Утенков В.Ф., Орлов К.А. Теплотехнические расчеты в среде Mathcad // Теплоэнергетика, № 2, 2000 г., С. 73-78
14. Волощук В.А., Очков В.Ф., Орлов К.А. Изучение циклов парогазовых энергетических установок с помощью современных информационных технологий // Авиационно-космическая техника и технологии. № 5(72), Харьков, ХАИ, 2010 г. С. 71-76.
15. Волощук В.А., Очков В.Ф., Орлов К.А. Термодинамическая оптимизация простого бинарного цикла ПГУ с котлом-утилизатором с помощью современных информационных технологий // Вестник Национального технического университета "Харьковский политехнический университет", №2, 2010 г. C. 102-106.
16. Орлов К.А., Волощук В.А., Очков В.Ф. Сетевой, интерактивный, открытый расчет газотурбинной энергетической установки // Автоматизация и IT в энергетике, №2, 2010 г. C. 10-19.
17. Очков В.Ф. Построение диаграмм термодинамических циклов: шаг за шагом // Автоматизация и IT в энергетике. №2-3, 2009. С. 6-15.
18. Волощук В.А., Очков В.Ф. Исследование и анализ некоторых схем ГТУ и ПГУ с помощью современных информационных технологий // Интегрированные технологии и энергосбережение, № 2, 2009 г. С. 77-145.
19. Очков В.Ф., Алєксандров О.О., Волощук В.А., Дорохов Є. В., Орлов К.А. Інтернет-розрахунки термодинамічних циклів // Вісник інженерної академії України. №3-4, 2008. С. 31-36.
20. Очков В.Ф., Александров А.А., Волощук В.А., Дорохов Е.В., Орлов К.А. Интернет-расчеты термодинамических циклов // Теплоэнергетика, № 1, 2009 г. С. 77-80.
21. Очков В.Ф. Сетевые расчеты и диаграммы теплоэнергетических процессов // Промышленная энергетика, № 12, 2008 г. С. 37-43.
22.
Очков В.Ф., Александров А.А, Орлов К.А., Волощук
В.А., Очков А.В. Сетевые расчеты процессов и циклов теплоэнергетических
установок // Новое в российской электроэнергетике. №10. 2008. С. 5-27.
23. Очков В.Ф., Александров А.А., Орлов К.А. Термодинамические циклы: расчеты в Интернете // Вестник МЭИ № 1, 2007 г. С. 43-50.