Изучение правил пользования диаграммой is
Цель: Изучить правила пользования диаграммой is для водяного пара с целью определения неизвестных параметров пара по известным параметрам.
Введение
Диаграмма is для водяного пара широко используется в теплоэнергетике для теоретических и практических расчетов.
При этом в расчетах оказываются потребными параметры водяного пара, такие как: давление P, Па; температура t, оC; удельный объем v, м3/кг; удельная энтальпия i, Дж/кг; удельная энтропия s, Дж/кг·К; сухость влажного пара x в долях единицы; влажность этого пара 1-x; удельная внутренняя энергия u = i – P·V , Дж/кг.
На практике не все эти параметры можно замерить. По этой причине замеренные оказываются известными, а те из них, которые нельзя замерить, являются неизвестными. Кроме того, при проведении расчетов также одни параметры оказываются найденными, а другие остаются неизвестными.
Термодинамика позволяет определить неизвестные параметры по известным расчетным путем. Для этих расчетов используют уравнения состояния идеальных и реальных газов. Для определения расчетным путем неизвестных параметров идеальных газов по известным параметрам применяют уравнения состояния идеальных газов Клапейрона:
P · V = R · T,
где R – газовая постоянная, Дж/кг·К;
T – абсолютная температура, К.
Поскольку для всех газов величины R приведены в таблицах учебников по термодинамике, то приведенное уравнение всегда позволяет по любым известным двум параметрам идеальных газов найти третий неизвестный параметр. Однако, приведенное уравнение позволяет находить лишь три так называемых основных параметра из всех перечисленных выше.
Кроме того, водяной пар является реальным газом, его состояние бывает близким к идеальным газам лишь в разряженном состоянии (при очень малых давлениях и при высоких температурах). Такое состояние водяного пара для теплоэнергетики практически не является типичным.
В связи с этим водяной пар, как реальный газ, практически в каждом новом состоянии имеет новое и очень сложное уравнение состояния. Таким образом, по двум известным основным параметрам из таких уравнений состояния очень тяжело найти третий основной параметров водяного пара.
По указанной причине все неизвестные параметры водяного пара рассчитывают по известным параметрам в каждом новом состоянии в настоящее время на ЭВМ.
Поскольку такие расчеты из-за сложности занимают на ЭВМ очень много машинного времени с большими затратами на расчеты, то эти расчеты по всем названным выше параметрам выполнены заранее через установленный диапазон изменения каждого параметра. Результаты этих расчетов сведены в специальные таблицы термодинамических параметров воды и водяного пара. По этим таблицам всегда можно найти по любым двум известным параметрам из перечисленных выше остальные перечисленные параметры.
Однако, названные таблицы являются достаточно громоздкими. Кроме того, по ним находят неизвестные параметры лишь через установленный диапазон, например, температуру через 5 или 10 оС, давление через 10 или 20 Па и т.д. Чтобы найти нужное значение неизвестного параметра приходится использовать энтрополяцию или экстраполяцию.
Чтобы устранить и эту сложность, разработаны диаграммы is с нанесением на них почти всех перечисленных выше термодинамических параметров водяного пара. Эти параметры изображены на диаграмме в виде сетки кривых (см. рис.1.1).
Рисунок 1.1 – is диаграмма для определения параметров пара
Каждый параметр на диаграмме имеет множество постоянных значений данного параметра. Эти кривые представляют собой множества: для давления – изобар; для температуры - изотерм; для удельного объема - изохор; для энтальпий - изоэнтальпий; для энтропий - изоэнтроп; для сухостей пара - линий постоянной сухости.
При рассмотрении рисунка 1.1 видим, что на диаграмме is по оси абсцисс отложены численные значения энтропий s. Очевидно, изоэнтропы s1, s2, s3…= const изображены в виде вертикальных прямых. По оси ординат отложены также численные значения энтальпий i. Соответственно изоэнтальпии i1, i2, i3… = const изображены в виде горизонтальных линий.
Остальные параметры изображены на диаграмме is в виде соответствующих кривых: изобар р1, р2, р3… = const; изохор V1, V2, V3… = const; изотерм t1, t2, t3… = const; линий постоянной сухости пара x1, x2, x3… = const.
При постоянной сухости пара x1 = 1 эта линия постоянной сухости является верхней пограничной кривой (ВПК). На этой линии водяной пар находится совсем без влаги, но еще не перегрет. Пар в таком состоянии называют сухим насыщенным паром. Этот пар имеет температуру насыщения (она же является температурой кипения и температурой конденсации при данном давлении). Помнить, что при каждом давлении своя температура насыщения, отличающаяся от температуры насыщения при другом давлении.
На диаграмме is ниже ВПК в паре имеется влага в виде мелких капелек воды в распыленном состоянии (в виде тумана). По этой причине пар приобретает цвет тумана. Пар в таком состоянии называют влажным насыщенным паром. Однако помнить, что этот пар находится при температуре насыщения, т.к. от начала кипения до превращения любой жидкости полностью в пар температура его не меняется при данном давлении. При этом каждое вещество при данном давлении имеет свою температуру насыщения.
На диаграмме is выше ВПК пар перегревается при данном давлении и называется этот пар перегретым паром. Перегретый пар не имеет цвета, т.к. в нем нет частичек воды.
Изохоры на диаграмме is идут круче, чем изобары, а изобары круче, чем изотермы. Линии постоянной сухости с понижением давления сначала идут вверх, а потом вниз.
Изотермы на линии ВПК имеют излом и выше ВПК имеют меньший наклон, чем ниже ВПК.
Диаграмму is располагают на 1 странице крупного листа бумаги, на котором можно четко разместить большое количество разных кривых.
Используя данную диаграмму всегда можно определить значения неизвестных параметров по двум известным параметрам. При этом, имея соответствующие навыки, неизвестные параметры находятся достаточно просто и с достаточной для практики точностью, довольно быстро, без использования энтраполяции и экстраполяции.