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.
Содержание
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
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
(
) и
энтропии
(
) 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
соответствует воде в момент
кипения
(насыщения). Значение
, показывает, что в смеси присутствует только пар. При нанесении соответствующих точек в координатах
, взятых из таблиц насыщения справочников свойств воды и водяного пара, при их соединении получаются кривые, соответствующие определённым степеням сухости. В таком случае линия
является нижней пограничной кривой, а
— верхней пограничной кривой. Область, заключённая между этими кривыми, является областью влажного пара. Область ниже кривой
, которая стягивается практически в прямую линию (не показана), соответствует воде. Область выше кривой
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:
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:
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:
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
) 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.
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.;
H
0
=
h
0
—
h
1t
;
H
=
h
0
—
h
1
.
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
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