（木材科学与技术专业论文）木材工业热工过程计算机辅助计算系统的研究.pdf

摘要 木材和人造板工业中的许多生产工艺都需要利用热能。热能的转化和利用必 须借助于热媒来进行。热媒的热力状态及其变化对能量的转换与传递有着重要的 影响，并与产品的产量和质量密切相关。热媒的状态参数是生产过程中重要的工 艺参数。 为了了解生产过程中热能的利用效率，改进生产工艺，技术人员经常要对木 材工业中一些常用热媒的热工过程进行分析计算。在计算过程中要频繁地查图、 查表来确定热媒的热力参数及其变化量。这样很不方便，同时也容易产生较大误 差。 为了提高效率，使工程技术人员节省时间和精力，从繁琐的运算中摆脱出来， 笔者在参考借鉴国内外有关资料的基础上，选取木材工业中最常用的两种热媒 ( 湿空气、水蒸汽) 作为研究对象，开发了一个热工辅助计算系统。使用该系统， 用户可以方便、快捷地查询常用热媒的状态参数，并对一些典型热工过程进行分 析计算。 笔者建立了水蒸汽热工参数数据库，其中包括饱和水和饱和水蒸汽表( 按温 度排列) 、饱和水和饱和水蒸汽表( 按压力排列) 、未饱和水和过热蒸汽表。用户 输入查询条件即可对水蒸汽的热力性质进行查询。但表中数据不可能是连续的， 对表中未列出的数据必须根据已有条件来计算。因此需要根据表中离散的数据建 立连续性的数学模型，在保证一定计算精度的条件下最大限度地减少计算量。笔 者对水蒸汽数据库中离散的数据在小区间内进行了一元、二元线性回归分析和方 差分析并建立了拟合方程，对拟合公式的拟合优度和偏差进行了检验和评估并编 制了辅助计算和检验子程序。最后采用有关文献提供的经验数据和部分计算结果 进行了对比。理论上的分析和实际计算表明，用线性回归得出的拟合公式来计算 水蒸汽热力性质具有很高的精度，误差很小，完全能满足工程计算的需要。该系 统还提供了一些对木材工业供热系统常用设备进行辅助热工计算的子程序。为了 方便用户对湿空气的热力性质进行查询计算，笔者通过编程绘制了工程上常用的 焓湿图。用户使用电子焓湿图可以轻松地查询和计算湿空气的状态参数及其变化 量。在焓湿图上还可以对木材工业中一些典型的湿空气过程如加热过程、加湿过 程、绝热混合过程等进行理论上的分析和计算。 本程序是在v i s u a lb a s i c6 0 环境下开发的。程序具有友好的图形界面和易 学易用的特点，已在w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 等操作系统下调试通过。 关键词：木材工业热媒热工过程辅助计算 a b s t r a c t t h e r ea r em a n yp r o c e s s e so fp r o d u c t i o nw h i c hn e e du s i n gh e a te n e r g yi nw o o d a n dw o o d b a s e dp a n e li n d u s t r y t h eu t i l i z a t i o na n dt r a n s l a t i o no fh e a te n e r g yh a st o c a r r yt h r o u g hb yt h e r m a l m e d i u m t h et h e r m a ls t a t ea n di t s c h a n g eo ft h e r m a l m e d i u mh a v ei m p o r t a n ta f f e c t i o nt ot r a n s f o r m a t i o na n dt r a n s f e ro fh e a te n e r g y ，a n d t h e ya r er e l a t e dt ot h eo u t p u ta n dq u a l i t yo fp r o d u c t i o nc l o s e l y t h es t a t u sp a r a m e t e r o ft h e r m a lm e d i u mi si m p o r t a n tp a r a m e t e ri np r o c e s so fp r o d u c t i o n t h et e c h n i c i a n so f t e na n a l y z ea n dc a l c u l a t es o m et h e r m a lp r o c e s st h a ti si n c o m m o nu s eo fw o o di n d u s t r yf o r k n o w i n gt h eu s i n ge f f i c i e n c y o fp r o d u c t i o n p r o c e s sa n di m p r o v i n gp r o d u c t i o np r o c e s s i nt h ep r o c e s so fc a l c u l a t i o n ，t h e ym u s t l o o ku pf r o mc h a r t sa n dt a b l e st oc o n f i r mt h es t a t u sp a r a m e t e r so ft h e r m a lm e d i u m a n di t sc h a n g e i ti sn o tc o n v e n i e n t ，a n dw i l lb r i n gb i g g e re r r o r i no r d e rt oi n c r e a s ee f f i c i e n c y ，s a v et i m ea n de n e r g y ，a n dm a k e e n g i n e e r sb r o k e n a w a yf r o mf u s s yc a l c u l a t i o n ，t h ew r i t e rc h o o s et w ot h e r m a lm e d i u mi nc o m m o n u s e o fw o o di n d u s t r y ( h u m i da i r ，w a t e rs t e a m ) a sr e s e a r c h o b j e e t o nt h eb a s i so f c o n s u l t i n gr e l a t e di n f o r m a t i o nh o m ea n da b r o a d ，d e v e l o p e das m a l lt h e r m a la s s i s t a n t c a l c u l a t i o n s y s t e m u s e r sc a nl o o ku pt h e s t a t u s p a r a m e t e r s o ft h e r m a lm e d i u m c o n v e n i e n t l y a n d r a p i d l y ，a n d c a n a n a l y z e a n dc a l c u l a t es o m e t y p i c a l t h e r m a l p r o c e s s - t h ew r i t e rb u i l du pat h e r m a lp a r a m e t e r sd a t a b a n ko fw a t e rs t e a mw h i c hi n c l u d et h e t a b l eo fs a t u r a t e dw a t e ra n ds a t u r a t e dw a t e rs t e a m ( r a n g e d b yp r e s s u r e ) ，t h et a b l eo f s a t u r a t e dw a t e ra n ds a t u r a t e dw a t e rs t e a m ( r a n g e d b yt e m p e r a t u r e ) ，t h et a b l eo f u n s a t u r a t e dw a t e ra n ds u p e r h e a t e ds t e a m u s e r sc a nl o o ku pt h et h e r m a lp r o p e r t yo f w a t e rs t e a mt h r o u g hi n p u tr e l a t e dc o n d i t i o n s i ti s i m p o s s i b l et oi n c l u d ea l lt h e r m a l p a r a m e t e r s o fw a t e rs t e a mi nd a t a b a n k t ot h ep a r a m e t e rt h a ti s n o te x i s t e di n d a t a b a n k ，i tc a nr e a l i z ei n t e r p o l a t i o nc a l c u l a t i o na c c o r d i n gt od i f f e r e n tc o n d i t i o n t h r o u g hp r o g r a m m i n g t h i ss y s t e m h a ss t i l l o f f e r e ds o m ea s s i s t a n tt h e r m a l c a l c u l a t i o ns u b p r o g r a m sf o rt h o s ee q u i p m e n t st h a tu s e di nh e a t i n gs y s t e mo fw o o d i n d u s t r yf r e q u e n t l y t of a c i l i t a t e c a r r y i n g o u t i n q u i r ya n dc a l c u l a t i o n o ft h e r m a l p r o p e r t y o f h u m i da i r ，t h ea u t h o rh a sd r a w nt h ee n g i n e e r i n gh - dd i a g r a m t h r o u g hp r o g r a m m i n g u s e r sc a ni n q u i r ea n dc a l c u l a t et h es t a t u s p a r a m e t e r so fh u m i da i ra n di t sc h a n g e e a s i l yb yu s i n g e l e c t r o n i ch - d d i a g r a m o nh - dd i a g r a m ，u s e r sc a na n a l y z ea n d c a l c u l a t es o m e t y p i c a lt h e r m a lp r o c e s so fh u m i da i ri nw o o di n d u s t r ys u c ha sh e a t i n g p r o c e s s ，a d d w e tp r o c e s s ，a d i a b a t i cp r o c e s sa n dm i x i n gp r o c e s se t c t h i sp r o g r a mi sd e v e l o p e du n d e rv i s u a lb a s i c6 0e n v i r o n m e n t i th a sf r i e n d l y g r a p h i ci n t e r f a c e ，a n di se a s yt ol e a r na n du s e i th a sb e e nd e b u g g e du n d e r w i n d o w s 9 8 2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：w o o di n d u s t r y t h e r m a lm e d i u mt h e r m a lp r o c e s s a s s i s t a n tc a l c u l a t i o n 致谢 本文是在孙军副教授直接指导下完成的。孙老师从论文的选题、具体内容、 研究思路以及论文的写作等多方面都给予了详细的指导。在跟随导师三年来的学 习和工作中，导师渊博的知识、一丝不苟的精神、严谨的治学态度对我产生了深 刻的影响。本文能够顺利完成，离不开导师的悉心指点。在此，作者谨向孙老师 表示衷心的谢意。 在编程过程中，机电院陈杰硕士在数据库的开发、程序的调试等方面给予了 一定的帮助。木材科学与技术专业2 0 0 3 级毕业生张振军、高鸥两位同学在数据 车的开发过程中做了许多辅助性的工作，也付出了辛勤的劳动。最后，对上述已 疆及的或未提及的所有帮助和指导过我完成学业和硕士学位论文的领导、老师、 司学们再次表示深深的谢意， 作者：刘翔 2 0 0 4 年9 月 l 前言 能源是指为人类生产与日常生活提供各种能量的物质资源，是发展生产和提高人类生 活水平的重要物质基础。到目前为止，已为人们发现的自然界中可利用的能源中除风能和 水能是以机械能的形式提供以外，其余各种能源都往往直接以热能形式，或阔接转换为热 能形式提供给人们。据统计，世界上经过热能形式而被利用的能量平均超过8 5 ，我国则 占9 0 以上。n 1 因此热能的研究与利用，对整个人类的生产与生活有着重大的意义。 在木材工业和人造板工业中，许多生产工艺过程如木段蒸煮、木材、纤维、刨花和单 板干燥、热磨、热压等以及生活热水的供应与建筑供暖都离不开热能的转化和利用，据估 算，林产工业企业利用的总能量中，7 0 8 5 为热能，其余1 5 2 0 为电能。h 1 热能利用对木 材工业企业具有十分重要的意义。 1 1木材工业中常用的热媒与热力过程 无论是热能的直接或间接利用，都离不开携带热能的媒介物质。这样的物质在工程热 力学中称为工质，在供热工程上一般称为热媒。木材加工工艺中常用的热媒有水蒸汽( 包 括水) 和湿空气，在有些场合也用炉烟气和热油等。这些热媒的状态参数对能量转换和传 递有着重要的影响，并与产品的质景密切相关。本课题主要研究湿空气和水蒸汽热力变化 过程的计算机辅助计算问题。 1 1 1 湿空气的热力性质与热力过程 1 1 1 1 湿空气在木材工业中的主要应用 木材( 包括板材、刨花、单板、纤维) 干燥是木材加工工艺的重要生产工序，同时也 是耗能大户，其热能消耗约占木材加工所需总能耗的4 0 一7 0 。d 1 干燥过程的加热方式除少 数采用辐射加热和传导加热外，绝大多数都是采用对流加热，即采用热媒流过被于燥的湿 物料，在对湿物料加热的同时，吸收湿物料中蒸发出的水分，热媒的状态也随之发生变化。 目前，在干燥过程中主要采用湿空气和过热水蒸汽作为对流加热和干燥热媒，其中尤以湿 空气占据主要地位。分析湿空气在于燥设备中的状态及其变化过程，是制订干燥基准、 控制干燥进程和干燥质量的主要依据，也是计算干燥过程能耗、设计与选用干燥设备的的 重要依据。 1 1 1 2 湿空气的状态与状态参数 湿空气是指含有水蒸汽的空气。在许多工程应用场合，由于空气中水蒸汽的含量很 低，而且集态不变，所以，通常都是忽略水蒸汽的影响，将空气近似作为干空气处理。但 在空气调节、物料干燥等工程领域，空气状态变化时，空气中的水蒸汽含量会有较大的变 化( 吸湿或去湿) ，甚至其集态也会发生改变( 凝结或蒸发) ，在这种情况下，空气中的水 蒸汽的影响是不能忽略的，即必须将空气作为湿空气处理。 湿空气的状态除用压力p 、比容v 、温度t 等参数表示之外，还需要有表示其独有特 性的状态参数来说明湿空气中水蒸汽的含量和状态，如相对湿度、含湿量等1 。这些参数 都是研究空气调节过程和物料干燥过程时必须考虑的重要工艺参数。 ( 1 ) 总压力与分压力 根据道尔顿分压力定律，湿空气的总压力p 应等于干空气的分压力p 。与水蒸汽的分 压力p ，之和。通常在物料干燥、空气调节等工程中都采用大气作为工质，这时湿空气的 压力p 即为大气压力b 。湿空气中容纳水蒸汽的数量、或反映水蒸汽含量的分压力是有一 定限度的，在一定温度条件下，湿空气中所含水蒸汽的分压力的极限是饱和分压力。同时 也可以看出湿空气中水蒸汽分压力的大小，是衡量湿空气于燥与潮湿程度的基本指标。 ( 2 ) 相对湿度 空气的湿度决定于空气中所含水蒸汽的成分。每立方米湿空气中所含水蒸汽的质量， 称为空气的绝对湿度。绝对湿度只能说明湿空气中实际所含水蒸汽的多少，而不能说明湿 空气吸收水分能力的大小，因此引入了相对湿度的概念。 相对湿度指空气中水蒸汽的实际含量对同温度下最大可能含量的接近程度，用湿空气 中水蒸汽的实际分压力p ，与同温度下最大可能分压力( 即饱和分压力) p s v 的比值来表达， 用符号f 表示。 相对湿度反映了湿空气中水蒸汽接近饱和的程度，故又称饱和度。f 值越小，湿空气 吸收水蒸汽的能力越强；f 值越大，湿空气吸收水蒸汽的能力越弱。f - - o 时，则为于空气； f = 1 时，贝为饱和湿空气。一般情况下，f 值介于0 和i 之间。 ( 3 ) 含湿最 在研究物料干燥过程时，经常需要确定湿空气中水蒸汽的含量。若采用湿空气的容积 或质量为基准，由于湿空气处理过程中二者皆随湿空气的状态发生变化，会给计算带来麻 烦，而湿空气中只有干空气的质量是不随湿空气的状态变化而变化的，因此，为便于分析 和计算，工程上通常用每k g 干空气作为计算基准，丽把每千克千空气中所含有的水蒸汽 质量( g ) 称为含湿量，用符号d 表示。 当大气压力b 为定值时，湿空气的含湿量d 只取决于水蒸汽的分压力p v ，且随水蒸 汽分压力p v 的增大而增大。这也就是说，d 和p ，是两个彼此相互依存而不是各自独立的 状态参数，确定了其中一个参数，另一个参数也就随之确定了。 ( 4 ) 焓 含湿量为d 的湿空气的焓，用符号h 表示，它也是以1 蛞干空气作为计算基准，其含 义是1 蚝干空气的焓和o 0 0 1 d k g 水蒸汽焓的总和。通常在物料干燥及空气调节等工程上， 对空气的加热或冷却都是在定压条件下进行的，所以空气在过程中吸收或放出的热量，均 2 可用过程前后的焓差来计算。 在物料干燥过程中，湿空气的状态变化都有一定的规律，形成几种典型的湿空气过程。 如加热过程、绝热加湿过程、定温加湿过程、绝热混合过程等。工程上遇到的较复杂的湿 空气过程多是它们的某种组合。工程技术人员在研究干燥工艺措施、对干燥设备进行选型、 计算时，经常要对这些湿空气过程进行分析计算，主要是研究过程中湿空气焓值及含湿量、 与温度、相对湿度之间的变化关系。 1 1 1 3 目前的研究方法 湿空气虽然可以作为理想气体处理，但是在确定湿空气中水蒸汽的性质时，在方法上 却不同于一般的理想气体。在一定的总压力下，湿空气的状态可用t 、f 、d 、p 。、t d 、t s 等不同参数来表示，其中只有两个是独立变量。利用两个独立参数根据公式( 1 - 1 ) 、( 1 2 ) 可以确定其他参数。 d ：6 2 2 旦 1 1 ) 矗一印。， h = 1 0 1 t + 0 0 0 l d ( 2 5 0 1 + 1 8 6 0k j k q 水蒸汽 ( 1 2 ) 用解析法对湿空气的热力过程进行分析计算，虽然比较繁复，但为刹用计算机进行工 程计算提供了依据。 目前工程计算仍大量采用线图，线图法虽然精度略差，但比鼹析法简捷方便。常用的 线图主要是焓湿图( h - d 图) 。h - d 图是以公式( 1 ) 、( 2 ) 为基础，在一定的大气压力b 下 绘制的。h d 图以含l k g 干空气的湿空气为基准，以h 为纵坐标，含湿量d 为横坐标。 在h d 图上表示出了湿空气的主要参数h 、d 、t 及f 的等参数线。 在焓湿图上对湿空气热工参数进行查询和计算，需要借助铅笔、直尺。根据已知状态 参数值，在图上找到对应的等参数线，量出两条等参数线交点的对应坐标值。可见这种方 法使用起来还不是太方便。目前，国内外均有人开发湿空气分析软件来取代手工查图，例 如上海华电源信息技术有限公司开发了h d y 湿空气分析大师软件，可以对空气调节中的一 些湿空气过程进行分析计算，但是由于该类软件价格较高，市场推广受到限制，另外该类 软件的应用领域主要是温度不高、温度变化范围较窄的空气调节过程，目前尚未见到对干 燥过程进行分析计算的相关功隧。 1 1 2 水蒸汽的热力性质与状态变化过程 1 1 2 1 水蒸汽在木材工业中的主要应用 人类使用蒸汽已有数百年的历史，直到今天，水蒸汽仍然是最主要的供热热媒。水 蒸汽具有许多优点：蒸汽热容量大，可以用较少的蒸汽来输送大量的热量；蒸汽凝结放热 时可在固定温度下进行，这有利于传热设备的设计；产生蒸汽的水是丰富而又廉价的；蒸 汽中热量可以用降压的方法逐级放出，可以获得较大的经济效益；水蒸汽洁净，不会造成 环境污染；蒸汽易于控制，便于分配。水蒸汽同样也是木材工业上广泛使用的工质。木 材工业中的用热设备种类较多，如热压机、干燥机、热磨机等。这些用热设备，目前多数 仍是采用水蒸汽作为供热介质，以生产水蒸气的工业锅炉作为热源。木材工业中的热能利 用通常包括热能的生产、输送、分配、使用和回收等许多环节，这些环节组成了供热系统， 通过热媒来进行热能的生产( 转换) 、输送和使用。根据使用热媒的种类不同，供热系统 可以分为蒸汽供热系统；热水供热系统、热油供热系统、热风供热系统等。其中以水蒸汽 为热媒的蒸汽供热系统是林产工业企业中应用最为广泛的供热系统形式。 1 1 2 2 水蒸汽的状态与状态参数 水及水蒸汽共有五种不同的状态，即饱和水、未饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽 和过热蒸汽。描述水蒸汽状态的主要状态参数有温度t 、压力p 、比容v 、焓h 等。在热 工计算中不必求其绝对值，而仅需求其增加或减少的数值，故可规定一任意起点。根据国 际水蒸汽会议的决定，选定水的三相点即温度为2 7 3 1 6 k 0 0 1 ) 、压力为6 1 1 ，2 p a 时的 液相水作为参考状态，规定在该点状态下的液相水的内能为零，此时水的比容为 0 0 0 1 0 0 0 2 2 m 3 i k g 焓近似为零”。 水蒸汽不同于理想气体，工程用水蒸汽一般离饱和状态不远，不能简单地套用理想气 体的公式。f 司时，在水蒸汽的定压发生过程中，由于发生了相变，目前又尚无一个统一的 方程来描述不同相之间的状态参数的变化关系，因而需按照物态分别讨论其状态参数的计 算，再推导出一般公式。这样的计算方法比较复杂，不适合于工程上的实际计算。因此， 常根据实验的结果配合分析计算，把不同压力、温度下水蒸汽的状态参数绘制成图表以供 查用。 1 1 。2 3 目前的计算方法 水蒸汽的参数均系用实验和分析方法求得，由于各国在进行实验建立水蒸汽状态方 程式时所采用的理论和方法不同，测试技术有差异，其结果也不免有异。为此，通过国际 会议的研究和协商制定了水蒸汽热力性质的国际骨架表。1 9 6 3 年召开的第六届国际水和 水蒸汽性质会议制定的骨架表参数已达1 0 0 m p a 和8 0 0 6 c 。1 9 8 5 年第十届国际水蒸汽大会 公布了新的骨架表，规定了新的更严格的允差。此项研究还在继续进行，参数范围还在不 断扩大 a o l 。目前我国广泛使用的水和水蒸汽热力性质简表包括了饱和水和饱和水蒸 汽表( 按温度排列) 、饱和水和饱和水蒸汽表( 按压力排列) 、未饱和水和过热蒸汽表三部 分。由于表中不可能列出所有状态的参数值，所以根据表中数据制成线图，则可由图查得 全部数据。目前在热工计算中，应用最为广泛的是以焓为纵坐标、熵为横坐标的焙熵图( 即 h s 图) 。 由于计算技术的发展，为适应计算机的使用，在第六届国际水和水蒸汽会议上成立了 国际公式化委员会( i f c ) ，该委员会先后发表了“工业用1 9 6 7 年i f c ”公式和“科学用 1 9 6 8 年i f c 公式”。现在各国使用的水和水蒸汽图表就是根据这些公式计算而编制的n “。 4 i f c 公式的使用范围为温度从2 7 3 1 6 k 到1 0 7 3 1 5 k ，压力从0s p a 到1 0 0 m p a 。可以预计， 在今后相当长的一段时期里工业用水蒸汽的参数不会超出此范围。 目前，已经有一些水蒸汽热工计算软件问世。这些软件大都采用i f c 公式，将水蒸汽 热力性质计算公式程序化，由计算机完成复杂的计算。如刘志刚等学者编制了“确定水和 水蒸汽热力性质的f o r t r a n 程序”“。但由于i f c 公式过于复杂，目前所开发的程序一 般都是将状态区间尽可能划分得很小，对于不同区间分别编程，这一方面造成程序较为复 杂，另一方面计算精度也受到一定限制，而且许多程序都是针对电厂热能工程而设计的， 在木材加工领域的适用性相对较差。 1 2课题主要研究内容与研究意义 如前所述，木材工业中有许多生产工艺过程涉及到热能的转化和利用，包含多种热力 过程。木材加工专业人员在研究和改进干燥工艺流程，对干燥设备进行设计和选型时，需 要对湿空气的热力性质及其变化过程进行分析计算；在对蒸汽供热系统的能源利用效率进 行分析评估，对主要用热设备和余热回收设备进行设计时，需要对水蒸汽的热力性质进行 查询计算。对木材工业常用热媒的热力性质及其状态变化过程的分析计算可以为改进生产 工艺，提高用热设备效率提供依据。这对于提高产品的产量和质量以及减少能量消耗，降 低成本有着十分重要的意义。 木材工业中常用热媒的热力性质十分复杂，传统上都是通过手工计算、查图查表的方 法来确定热媒的状态参数，对常见的热工过程进行分析。手工计算存在许多缺点： ( 1 ) 需要比较丰富的热工专业知识，对非热工专业技术人员来说，具有一定难度； ( 2 ) 人工计算比较繁琐，耗时较多； ( 3 )人工计算时常需要频繁查图查表，易出现读数误差； ( 4 )中间数据仅保留较少的有效位数，最终计算结果会出现较大的计算累积误差； ( 5 ) 易出现计算错误，造成疏失误差。 因此，为了提高效率，使工程技术人员节省时间和精力，从繁琐的运算中摆脱出来， 尤其为了使非热工专业技术人员能比较方便地对木材工业中各种常见的热工过程进行计 算，开发热工辅助计算软件有着现实的意义。 随着微型计算机技术的飞速发展，美国微软公司( m i c r o s o f t ) 推出的w i n d o w s 系列 操作系统以其具有多任务性、图形用户界面、动态数据交换、对象链接与嵌入等强大功能， 而成为当今微型计算机操作系统的主流产品。w i n d o w s 系列的图形界面已经成为计算机应 用程序界面的事实上的标准”。w i n d o w s 操作系统使电脑具有强大的人机交互功能，普 通用户无需经过长时间的专门培训，就可以比较容易地使用w i n d o w s 环境下开发的应用 程序。基于以上原因，本课题采用m i c r o s o f t 提供的v i s u a lb a s i c6 0 开发了一个计算 机辅助计算系统，来帮助用户对木材工业中常见的热工过程进行计算，程序结构见下页图。 该系统主要由水和水蒸汽热工参数查询计算程序和湿空气热力性质及热工过程辅助 5 计算程序两大模块组成。在水蒸汽模块中，根据工程上常用的水蒸汽表，开发建立了在不 同状态下水与水蒸汽的热工参数数据库。运用v i s u a lb a s i c 语言编程对水蒸汽状态参数查 询和调用并完成参数的相关计算。与其它水蒸汽热力性质计算程序相比，本程序无须进行 复杂的运算，且计算精度能满足工程计算的需要。全部数据操作、计算过程均在后台进行， 用户只需按照系统提示输入已知条件，便可迅速得到各待求参数值。同时还可求出工质在 状态变化过程中吸收和放出的热量。该模块还提供了一些子程序，可以完成蒸汽供热系统 有关设备( 蒸汽蓄热器、二次蒸发器等) 的热力计算。在湿空气模块中，通过编程绘制出 工程上常用的焓湿图，在图上标出了湿空气的各种热工参数。在查询过程中，用户用鼠标 点击图上任意一点，屏幕上就会自动显示出该点的各状态参数值。也可以通过输入已知参 数值，系统能自动计算出其它状态参数，并显示该状态点在图中的位置。 运用该程序，还可以对木材干燥中几种典型湿空气过程( 加热过程、绝热加湿过程、 定温加湿过程、绝热混合过程) 进行分析计算。用户通过输入于燥过程中湿空气的初始和 终了参数值，在利用计算机绘制的焓湿图上即可直观地表示出湿空气的状态变化过程并作 出判断，同时还能迅速算出湿空气各参数的变化情况。 开发生动活泼的计算机辅助教学软件是改革教学手段，提高教学效率的必然趋势1 4 1 0 作者运用v i s u a lb a s i c6 0 提供的各种基本控件，开发了比较生动、友好的应用程序界面， 使程序具有易学易用的特点，很容易被非热工专业技术人员掌握。 该程序既可以供工程人员使用，也可作为教学软件用于课堂教学，可以激发学生的学习兴 趣，加深对基础知识的理解。 6 2 系统开发工具和容错机制 2 1v i s u a lb a s i c 概述 v i s u a lb a s i c ( 简称v b ) 是美国微软公司( m i c r o s o f t ) 推出的运行在w i n d o w s 平台上 的交互式的可视化集成开发环境。它集程序开发、测试和查错功能于一体，可以既快又简 单地开发w i n d o w s 应用软件。比尔盖茨说，v i s u a lb a s i c 的推出是“惊世骇俗的”、“令 人震惊的奇迹”1 5 1 0 它极大地改变了人们对w i n d o w s 的看法以及使用w i n d o w s 的方式。 目前，微软已推出了它的第六代可视化产品v i s u a l b a s i c 6 0 ，同时，第七代产品v i s u a l b a s i c 7 0 也即将闯世。微软公司还将继续对这一产品提供强大的技术支持。v b 系列产品已经 得到了计算机工业界的承认。 v i s u a l 是指开发图形界面的方法。它的意思是“视觉的”或“可视的”，也就是直观 的编程方法。在v b 中引入了控件的概念，如各种各样的按钮、文本框、复选框等。v b 把这些控件模式化，并用若干属性控制外观、工作方法。采用“v i s u a l ”方法仅需编写少 量代码描述界面元素的外观与位置，只要把事先建好的控件加在屏幕上。b a s i c 是指b a s i c 语言( b e g i n g e r sa l l - p u r p o s e ss y m b o l i c i n s t r u c t i o nc o d e ) 1 0 1 。v b 是在原来b a s i c 语言的基 础上进一步发展起来的，它具有b a s i c 语言简单而不贫乏的优点，同时增加结构化和可视 化程序设计语言的特点。编程人员可以用它实现任何w i n d o w s 编程语言的功能，建立简 单实用的w i n d o w s 程序。 在开发w i n d o w s 应用程序方面，v b 是最简单，最容易使用的语言。用v i s u a lb a s i c 开发的应用程序界面，其风格是完全w i n d o w s 化的，对于广大电脑用户显得熟悉和亲切， 因而也便于使用和掌握。 2 2v i s u a lb a s i c 的主要特点 ( 1 ) 可视化的设计平台 v b 用传统程序设计语言如c 语言编程时，需要通过编程来设计程序的界面，在设计 过程看不到程序的实际显示效果，必须在运行是才能观察。如果对程序的界面不满意，再 回到程序中去修改。在v b 提供的可视化平台上，开发者只需要编写实现程序功能的那部 分代码，v b 会自动生成界面设计代码，这样大大提高了编程效率。 ( 2 )面向对象的设计方法 v b 采用面向对象的编程方法( o o p ) ，把程序和数据封装起来作为一个对象，并为 每个对象赋予若干属性。在设计对象时，不必编写建立和描述每个对象的程序代码，而是 用工具画在界面上，由v b 自动生成对象的程序代码并封装起来。 7 ( 3 ) 事件驱动的编程机制 v b 通过事件执行对象的操作。在设计应用程序时，不必建立具有明显开始和结束语 句的程序，而是编写若干子程序，即过程。这些过程分别面向不同的对象，由用户操作引 发某个事件来驱动完成某种特定的功能。 ( 4 ) 结构化的设计语言 v b 是在结构化的b a s i c 语言基础上发展起来的，加上了面向对象的设计方法，因此 是更具有结构化的程序设计语言。 ( 5 ) 充分利用w i n d o w s 资源 v b 提供的动态数据交换技术( d i ) e ) ，可以在应用程序中实现与其它w i n d o w s 程序 建立动态数据交换，在不同的应用程序之间进行通信。v b 提供的对象链接与嵌入技术 ( d d e ) 则将不同的应用程序链接起来，从而可以得到具有声音、图象、动画、文字等 各种信息的集合式文件。v b 还可以通过动态链接库技术( d l l ) 将c c + 十或汇编语言编 写的程序加人v b 的应用程序中。 ( 6 ) 开放的数据库功能与网络支持 v b 具有很强的数据库管理功能，不仅可以访问m sa c c e s s 格式的数据库，还能访问 如f o x p r o 、p a r a d o x 等格式的数据库。另外，v b 还提供了开放式数据库连接功能( o d b c ) ， 可以通过直接访问或建立连接方式使用并操作后台大型网络数据库，如s q ls e r v e r 、o r a c l e 等1 7 1 。 综上所述，v i s u a lb a s i c 语言具有强大的功能，用它来开发的科学计算程序，很容易 被一般用户和计算机初学者掌握。是非计算机专业人员开发应用软件的理想工具。 2 3 程序的容错机制 错误是应用程序设计中不可避免和必须要处理的问题，应用程序的错误处理能力在很 大程度上影响着程序的效率和质量。错误可以分为编译错误和运行错误两种。编译错误是 由于所编写的程序存在语法问题，未能通过从由源代码到目标码的编译过程。对于v b 这 样的高级语言一般具有自己的语法规范，编译系统可以根据规范来检查，并给出每个编译 错的位置和相关的错误信息。因此这部分错误笔者已在程序开发过程中予以解决。对于排 除缩泽错误的程序还可能存在运行错误。运行错误是在程序运行过程中发生的，它可能是 由于算法考虑不周或编程过程的疏忽而引起的，在开发过程中，笔者使用开发环境所提供 的单步运行机制和设置断点功能对程序的运行过程进行了分解，边调试边运行，以确保程 序能实现笔者的设计意图和设计功能。 还有一类运行错误是用户在与应用程序交互过程中产生的，可以称为例外，是特殊的 运行错误对象。由于本程序的运行是被用户提供的相关事件所驱动的，用户发出的错误指 令得到执行后就会产生不同类型的运行错误，这种现象是非常普遍的。由于应用程序工作 在计算机的操作系统平台上，这就有可能对操作系统产生危害，并造成计算机的瘫痪。例 如，用户输入的数据超出设置范围或不符合逻辑，可能产生死循环、死机等情况。为了处 理程序运行过程中的错误，笔者在程序开发过程中建立了一套容错机制。对各种可能发生 的不同类型错误定义成不同的错误类。当程序运行过程中发生了一个可识别的运行错误 时，即该错误有一个事先定义的错误类与之相对应时，系统都会产生一个响应，用预先设 计的处理方法来进行处理，确保不会产生死机或其他对操作系统的损害，从而保证了程序 运行的安全性。本程序定义的错误类主要有：数组越界使用、输入、输出错误、算术错误、 安全性错误、系统运行超出堆栈空间等 本程序的错误处理过程包括：错误的抛出、捕捉、程序流程的跳转和错误处理语句块 的定义。当程序运行过程中引发了一个可识别错误，即产生相对应的错误类的对象，并由 专门的错误处理语句来接受这个被抛出的错误对象，此时用户程序就会发生流程的跳转， 系统终止当前的流程而跳转至专门的错误处理语句块，或直接跳出当前程序回到操作系 统。在本程序中将不同的错误处理方法定义成不同类型的错误处理函数。通过建立错误处 理机制，使得程序具有更好的容错功能，并使系统更加安全稳定。 9 水蒸汽热力性质辅助计算程序的研究 3 1 水蒸汽热力参数的计算 水蒸汽由于具有较好的热力学性质、易于获取、价格便宜且无毒无臭、不污染环境等 优点，是木材工业中常用的热媒。工业用水蒸汽常发生相变，在水蒸汽的产生和循环过程 中有五种不同的状态。因此，需要按照物态分别讨论其状态参数的计算。但在进行实际热 力计算时，用上述方法是很繁复的。因此，常根据实验的结果配合分析计算，把不同压力、 温度下水蒸汽的状态参数绘制成图表以供查用。常见的水蒸汽表有三种，它们的形式如表 3 - 1 、表3 2 、表3 - 3 所示。 表3 - 1 饱和水和饱和水蒸汽表( 按温度排列) n 8 比容焓熵 温度饱和压力汽化潜热 饱和水饱和蒸汽饱和水饱和蒸汽饱和水饱和蒸汽 1 0 5 p am 垭gm 3 n gk j k gk k gk j k gr o k g kk j k g k 00 0 6 1 0 80 0 0 1 0 0 0 22 0 6 ，3 2 10 0 42 5 0 102 5 0 1 o0 0 0 0 29 1 5 6 5 0 0 10 0 0 6 1 1 20 0 0 1 0 0 0 2 22 0 6 t 7 50 0 0 0 6 1 42 5 0 1 02 5 0 1 00 0 0 0 09 1 5 6 2 1o 0 0 6 5 6 60 o o l 0 0 0 l1 9 2 6 1 14 1 72 5 0 2 82 4 9 8 ，60 0 1 5 29 1 2 9 8 2o 0 0 7 0 5 40 0 0 1 0 0 0 1 1 7 9 9 3 58 3 92 5 0 4 72 4 9 6 3o 0 3 0 69 1 0 3 5 40 0 0 9 1 2 9o 0 0 lo ( 】0 0 1 5 7 ，2 6 716 82 5 0 8 32 4 9 1 50 0 6 1 19 0 5 】4 表3 - 2 饱和水和饱和水蒸汽表( 按压力排列) 比容 焓熵 压力饱和温度汽化潜热 饱和水饱和蒸汽饱和水饱和蒸汽 饱和水饱和蒸汽 1 0 5 d a m a k gm 3 k gl o n gk j k gr a n gr a k g kr a n g k o 0 1 06 9 8 2 0 0 0 1 0 0 0 l1 2 9 2 0 82 9 3 32 5 1 3 82 4 8 4 50 1 0 6 08 9 7 5 6 o 1 0 04 5 8 30 0 0 1 0 1 0 2 1 4 6 7 61 9 18 42 5 8 4 42 3 9 2 60 6 4 9 38 1 5 0 5 1 0 09 9 6 30 0 0 1 0 4 3 416 9 4 6 4 1 7 5 12 6 7 s 72 2 5 8 21 3 0 2 77 3 6 0 8 201 2 0 2 30 0 0 1 0 6 0 8 n 8 8 5 9 25 0 4 72 7 0 6 92 2 0 2 2 1 ，5 3 0 i7 1 2 8 6 3 01 3 3 5 40 0 0 1 0 3 7 50 6 0 5 8 65 6 1 42 7 2 5 5 2 l “11 6 7 1 7 5 9 9 3 0 1 0 对于饱和水和饱和水蒸汽，由于已知其千度分别为x = 0 和x = l ，因此可以根据给出 的温度( 或压力) 从饱和水和饱和蒸汽表中直接查得它的饱和压力( 或饱和温度) 、比容、 焓、熵以及汽化潜热。 对于湿饱和蒸汽，由于它是由压力、温度相同的饱和水和饱和水蒸汽组成的混合物， 因此要确定湿饱和蒸汽的参数，除了要说明它的压力( 或温度) 之外，还必须说明它的干 度x 。由于1 k 湿饱和蒸汽是由x k g 的干饱和蒸汽和( 1 一x ) 姆饱和水组成，因此l k g 湿 饱和蒸汽的容积( 即v ，) 应等于x 吨千饱和蒸汽的容积x v ”与( 1 一x ) k g 饱和水的容积之 和即： 同理可得湿饱和蒸汽焓和熵的计算式 h x = x h + ( 1 一曲j l = a + x r ( 3 2 ) j 。；湖+ ( 1 一x ) s ( 3 3 ) 未饱和水和过热蒸汽的状态参数可以根据压力和温度从未饱和水和过热蒸汽表中查 得。下表中粗黑线的下方为过热蒸汽的状态参数值，粗黑线的上方为饱和水的参数值。 表3 - 3 未饱和水和过热蒸汽表 p 0 , o l ( 1 0 s p a )0 , 0 5 ( 1 ( g p a )n 1 0 ( d p a ) 饱t s = 6 9 8 2 l ；3 2 9 0 t s - - 4 5 8 3 t 和 v ”= 1 2 9 2 0 8 m z k gv ”# 2 8 1 9 6 m 3 k g v ”= 1 4 6 7 6 m 。k g 参h ”= 2 5 1 3 8 k j k gh - ：= 2 5 6 1 2 k j k gh ”= 2 5 8 4 4 k l k g 数 s ”= 8 9 7 5 6 ( k j k g k ) s ”= 8 3 9 5 2 ( k j k g k )s ”胡1 5 0 5 ( k j k g k )