Теплофизические свойства воды и водяного пара в Интернете
Александров А.А., Орлов К.А., Очков А.В. и Очков В.Ф.
(Статья в журнале «Промышленная энергетика», № 2,
Рис. 1. Параметры воды и водяного пара на линии насыщения: исходный параметр – давление
Рис. 2. Параметры воды и водяного пара на линии насыщения: исходный параметр – температура
Рис. 6. Универсальный сетевой документ по расчету свойств воды и водяного пара
Рис.
7. Образец настройки браузера Интернет на работу с сайтами по свойствам воды и
водяного пара
Рис. 9. Станица сайта WaterSteamPro: «скачивание» программы по свойствам воды и водяного пара
Рис.
11. Пример интеграции программы WaterSteamPro
с табличным процессором Excel
Рис.
12. Пример интеграции программы WaterSteamPro
с математической программой Mathcad
Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, основанные на аттестованных международных уравнениях, представлены в справочнике [1]. Однако в современных условиях, удобно все эти сведения получать и в электронном виде. Поэтому в дополнение к справочнику [1] разработан соответствующий сайт, размещенный в Интернет. Если в ходе какого-либо технического расчета необходимо определить значение того или иного свойства данного рабочего тела и теплоносителя энергетики, то можно раскрыть книгу и сразу или проведя некоторую интерполяцию табличных данных получить ответ, а можно через Интернет обратиться к соответствующему сайту и получить ответ не только в виде числа с выбранной единицей измерения, но и также и на графике или поверхности. Кроме того, на сайте в отличие от книги сочетание входных параметров намного шире и вводиться они могут не дискретно (как в таблицах книги), а любыми значениями в допустимом интервале. Интернет также допускает «скачивание» соответствующих функций для встраивания их в программную среду, с которой работает тот или иной пользователей или программист. Ниже описаны типовые страницы данного сайта, расчеты, вложенные в который сертифицированы. Здесь также рассказано, как можно дооборудовать свой компьютер или программы, на нем установленные, чтобы можно было оперировать функциями, возвращающими свойства воды и водяного пара, для решения различных теплотехнических задач [2–4].
На рис. 1 отображена страница сайта с адресом http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/Plot-Sat-P.xmcd, информирующая пользователя (посетителя сайта) о свойствах воды и водяного пара на линии насыщения в зависимости от давления, значение которого в диапазоне от тройной точки воды до критической точки можно вводить с разными единицами (МПа, бар, атм, ат и ksi[1]). После нажатия кнопки Recalculate искомые параметры при выбранном давлении (температура насыщения, удельная энтальпия воды и водяного пара на линии насыщения, а также удельная теплота парообразования (показаны на рис. 1), удельная энтропия, удельный объем, изобарная и изохорная удельные теплоемкости, скорость звука и число Прандтля (не показаны на рис. 1) не только выводятся с разными единицами, но и отображаются графиками, что позволяет посетителю сайта наблюдать также и характер изменения запрашиваемых параметров воды и водяного пара. Так, например, из рис. 1 видно, что энтальпия водяного пара на линии насыщения имеет максимум чуть левее выбранной нами точки – 40 физических атмосфер.
Рис. 1. Параметры воды и водяного пара на линии насыщения: исходный параметр – давление (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/Plot-Sat-P.xmcd)
Если же необходимо узнать свойства воды и водяного пара на линии насыщения в зависимости не от давления, а от температуры, то следует обратиться к сайту, показанному на рис. 2 (здесь и далее будет указываться только переменное окончание адреса – http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/Plot-Sat-T.xmcd), структура которого аналогична структуре сайта, отображенного на рис. 1. При этом исходным параметром будет, естественно, не давление, а температура, значение которой допустимо вводить по разным температурным шкалам (Цельсия, Кельвина и Фаренгейта). На графиках, показывающих характер изменения запрашиваемых свойств (на рис. 2 это давление насыщения, критерий Прандтля и теплопроводность – остальные графики (см. их перечень выше) не показаны).
Рис. 2. Параметры воды и водяного пара на линии насыщения:
исходный параметр – температура
(http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/Plot-Sat-T.xmcd)
Свойства воды или водяного пара в однофазной области, а не на линии насыщения[2] можно получить через Интернет, если обратиться к сайту, отображенном на рис. 3 (адрес – wsp_PT.mcd), и задать нужные значения давления и температуры[3]. Рассчитываемая точка также как и на рис. 1 и 2 иллюстрируется графиком – фиксируется на термодинамической поверхности воды и водяного пара, связывающей три параметра: давление, температуру и удельный объем. На рис. 3 данная поверхность (график функции двух аргументов) дополнена пограничными линиями воды и водяного пара, а также изотермой и изобарой, пересечение которых фиксирует исходную точку. Рассчитанные параметры также выдаются с разными единицами измерения[4]. Если же посетителю сайта необходимо также получить параметры насыщения (см. пересечения изобары и изотермы с линиями насыщения на рис. 3), то он должен будет вернуться к сайтам, отображенным на рис. 1 и 2, на которые есть соответствующие гиперссылки из сайта, показанного на рис. 3.
Рис. 3. Параметры воды и водяного пара в однофазной области: исходные параметры – давление и температура (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/VTPs.xmcd)
Линии и поверхности, показанные на рис. 1 – 3, информативно дополняют расчет по отдельным точкам, показывают посетителю сайта характер изменения тех или иных параметров воды и водяного пара в зависимости от заданных величин. Но с другой стороны, они существенно тормозят передачу данных по сети Интернет, загружают сервер[5] дополнительной работой, сильно увеличивают трафик, за который пользователям приходится платить. Учитывая эти обстоятельства, а также то, что на описываемые сайты пользователи могут заходить не только с персональных, но и с карманных компьютеров, подключенных к Интернет «проводно» или беспроводно и имеющих ограничение по размеру экрана, были сконструированы специальные «облегченные» страницы Интернета по расчету свойств воды и водяного пара, одна из которых показана на рис. 4 (адрес: wps_PS.mcd). Тут исходными данными выступают давление (P) и удельная энтропия (S). На других подобных сайтах реализованы другие пары сочетаний исходных параметров: давление – энтальпия (адрес: wsp_PH.mcd), энтальпия – энтропия (wsp_HS.mcd) и т.д.
Рис. 4. Параметры воды и водяного пара в однофазной области: исходные параметры – давление и энтропия (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/PS.xmcd)
Несколько иначе выбор исходных данных заложен в сайт (адрес: http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/XPTHSV.xmcd), отображенный на рис. 5 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. 5. Параметры воды и водяного пара в двухфазной области:
исходные параметры – давление и параметр, выбранный пользователем
(http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/XPTHSV.xmcd)
На рис. 5 зафиксированы две такие расчетные ситуации: первая – посетитель сайта знает давление влажного пара (7 МПа) и его удельную энтальпию (1700 кДж/кг), а вторая – известны температура (200°С) и удельная энтропия – 3.1 кДж/(кг·К). Но самым универсальным является сайт с адресом wsp_TextBox.mcd, показанный на рис. 6, 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. 6), 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[6].
Рис. 6. Универсальный сетевой документ по расчету свойств воды и
водяного пара (http://twt.mpei.ac.ru/MAS/Worksheets/wsp_TextBox.mcd)
На рис. 6 повторены расчетные ситуации, уже нами ранее рассмотренные на рис. 1 – 5:
· определение энтальпии (Н) на линии насыщения (S) воды (W) в зависимости от температуры (Т) – см. функцию wspHSWT (верх рис. 6, см. также рис. 1);
· определение давления (Р) насыщения (S) в зависимости от температуры (Т) – см. функцию wspPST на рис. 6 (см. также рис. 2);
· определение энтропии (S) в зависимости от давления (Р) и температуры (Т – она дается по шкале Цельсия (200°С) и тут же переводятся в шкалу Кельвина) – функция wspSPT (cм. также рис. 3);
· определение температуры (Т) по давлению (Р) и энтропии (S) – функция wspTPS (см. также рис. 4);
· определение коэффициента сухости пара (Х) в двухфазной области (S) в зависимости от температуры (Т; в одну функцию wspXSTH вложена другая функция wspTSP) и энтальпии (Н – см. также рис. 5);
· определение коэффициента сухости пара (Х) в двухфазной области (S) в зависимости от температуры (Т) и энтропии (см. также рис. 5).
Как уже надо полагать читатель догадался, что в именах функции несложно прочесть их сущность – то, что они возвращают и какие аргументы имеют.
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 на рис. 1 – 5) – достаточно настроить меню Избранное браузера Интернет[7] (см. рис. 7), которое можно наполнить либо «вручную» (выходом на нужный сайт и последующей отдачей команды Добавить в Избранное…), либо так, как показано на рис. 8 – скачиванием из Сети специальной настройки браузера (папки с файлами), разархивирования ее и помещением в папку D:\Documents and Settings\...\Избранное\Ссылки своего компьютера.
Рис. 7. Образец настройки браузера Интернет на работу с сайтами по свойствам воды и водяного пара
Рис. 8. Операции по «скачиванию» настроек Интернета по работе с
сайтами по свойствам воды и водяного пара (www.vpu.ru/mas)
После такой операции в списке Избранное браузера пользователя автоматически появится позиция Свойства воды и водяного пара (см. рис. 7), с соответствующим деревом ссылок на сайты, описываемые в этой статье, и многое другое [5].
Работа с тем или иным программным обеспечением через Интернет (см. рис. 1 – 6) имеет свои плюсы и минусы. Основной недостаток технологии перекладывания расчетов с персонального компьютера на сервер Интернета хорошо известен: в тот момент, когда необходимо провести расчет, связь рабочей станции с сервером может нарушиться. Кроме того, следует не забывать и о том, что многие компьютеры просто не подключены к Интернет, а их владельцы довольствуются редкими выходами в Сеть с чужих компьютеров или с компьютеров, специально выделенных в организациях для этой цели[8]. Многие фирмы блокируют выход в Интернет компьютеров своих сотрудников не 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 расчетными документами, практикуемыми в этих организациях.
Вследствие этого и по другим причинам разработчиками пакета WaterSteamPro был предусмотрен и альтернативный способ допуска к свойствам воды и водяного пара через разовое скачивание файлов из Интернета или специального CD-ROM-диска (если нет вообще доступа в Сеть). На рис. 9 показана страница Интернета (документа диска), с которой пользователь может скачать и установить на своем компьютере ту или иную версию программы WaterSteamPro или ее обновление[9].
Рис. 9. 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, во-первых, работать автономно, без выхода в Сеть с так называемым калькулятором свойств воды и водяного пара. На рис. 10 отображен не только сам данный калькулятор с расчетной ситуацией, аналогичной той, какая была показана на рис. 2 (определение параметров воды на линии насыщения при t = 300°С), но и путь вызова калькулятора в среде операционной системы Windows 2000: Пуск│Программы│ WaterSteamPro│Calculator. Кнопку калькулятора можно разместить на рабочем столе компьютера, чтобы данное пользовательское приложение Windows всегда было под рукой.
Рис. 10. Программа WaterSteamPro на компьютере пользователя: калькулятор по свойствам воды и водяного пара
Во-вторых, установка пакета WaterSteamPro на компьютере пользователя позволяет вести не только разовые расчеты, описанные выше, но и интегрировать функции, возвращающие свойства воды и водяного пара, в популярные вычислительные системы и языки программирования. На рис. 11 показана такая интеграция пакета WaterSteamPro с табличным процессором Excel, а на рис. 12 – с математической программой Mathcad. В среде пакета Mathcad работа с единицами измерение ведется автоматически [6, 7]. В среде же Excel (рис. 11) нужно вручную делать переводы из вспомогательных единиц (мм рт. ст., например, или температурная шкала Цельсия) в основные – паскали, кельвины и т.д.
Рис. 11. Пример интеграции программы WaterSteamPro с табличным процессором Excel
Рис. 12. Пример интеграции программы WaterSteamPro с математической программой Mathcad
Литература:
1. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. - М.: Изд. МЭИ, 1999, 168 с.
2. 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. – С. 28–37.
3. Александров А.А, Очков В.Ф., Орлов К.А. Уравнения и программы для расчета свойств газов и продуктов сгорания // Теплоэнергетика. – 2005. – № 3. – С. 48–55.
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. – С. 80–87.
5. Очков В.Ф. Математические пакеты и сетевой интерактивный теплотехнический справочник: проблемы и решения // Теплоэнергетика. – 2006. – № 6. – С. 71-77.
6. Очков В.Ф. Физические и экономические величины в Mathcad и Maple. М.: Финансы и статистика, 2002
7. Очков В.Ф. Mathcad 12 для студентов и инженеров. БХВ-Петербург, 2005