Добро пожаловать на сайт techcalc.ru

Описание IAPWS-97 (или IAPWS-IF97)

Область применения

Вся область применения IAPWS-IF97 в координатах давление–температура (p-T) разделена на пять отдельных областей. Это разделение на регионы позволяет использовать для каждой из них наиболее подходящее и вычислительно эффективное уравнение. Общий диапазон действия формулировки: - Область низких и средних температур: от 0 °C до 800 °C при давлениях до 100 МПа (1000 бар) - Область высоких температур: от 800 °C до 2000 °C при давлениях до 50 МПа (500 бар)

Границы каждого из пяти регионов и их названия представлены в таблице ниже.

IAPWS-IF97: Границы регионов

IAPWS-IF97: границы регионов

Численные значения температур и давлений для каждого региона

Регион Название региона Начальная T (K) Конечная T (K) Начальное P (Па) Конечное P (Па) Примечание
1 Область жидкой воды 273,15 623,15* 611,213 100 × 10⁶ Нижняя граница по давлению – тройная точка; верхняя по температуре – линия насыщения (~623,15 K).
2 Область перегретого пара 273,15** 1073,15 611,213 100 × 10⁶ ** Начальная температура соответствует линии насыщения (x=1) при данном давлении, минимально 273,15 K.
3 Околокритическая и сверхкритическая область 623,15 1073,15 ~16,529 × 10⁶ 100 × 10⁶ Внутри региона лежит критическая точка: Tкр = 647,096 K, Pкр = 22,064 МПа.
4 Линия насыщения (фазовое равновесие) 273,15 647,096 611,213 22,064 × 10⁶ Кривая фазового равновесия "жидкость–пар" от тройной точки до критической точки.
5 Область высоких температур 1073,15 2273,15 10 × 10⁶ 50 × 10⁶ Предназначен для моделирования процессов при температурах до 2000 °C (газовые турбины, высокотемпературные реакторы).

📌 Пояснения к обозначениям:
• * — для Региона 1 верхняя граница по температуре формально определяется линией насыщения, максимальное значение на этой линии ~623,15 K (при давлении насыщения).
• ** — для Региона 2 нижняя граница температуры при давлении ниже критического соответствует температуре насыщения (x=1), которая может быть ниже 273,15 K? – нет, минимальное значение T на линии насыщения – 273,15 K (тройная точка).
• Давления указаны в паскалях (Па) с использованием множителя 10⁶ для удобства. 1 МПа = 10⁶ Па.
• Все значения соответствуют IAPWS-IF97 (1997, дополнения 2007, 2014).


Рис. диапазонов
Рис.1 - Описание IAPWS-97. Границы T и P

Регион 1. Область жидкой воды

Регион 1 описывает состояние жидкой воды в широком диапазоне давлений, от давления тройной точки до 100 МПа. Он не включает линию насыщения, но примыкает к ней со стороны жидкости. - Фундаментальное уравнение: Специфическая энергия Гиббса g(p,T) - Особенности расчета: Все термодинамические свойства в этом регионе (плотность, энтальпия, энтропия, теплоемкости и др.) вычисляются прямым дифференцированием основного уравнения, что делает расчеты быстрыми и стабильными. Границы региона: - Температура от 273.15 до 623.15 [К] (от 0 до 350 [С]) - Давление от 0 до 100 [МПа]

Ур. энергии Гиббса
Рис.2 - Уравнение для удельной свободной энергии Гиббса
Части Ур. энергии Гиббса
Рис.3 - Части уравнения для удельной свободной энергии Гиббса

g1(p, T) - уравнение для удельной свободной энергии Гиббса γ(π, τ) - безразмерная (т.е. приведенная) величина уравнения Гиббса π - приведенное давление τ - приведенная температура p - текущее давление [МПа] T - текущая температура [К] p* - нормализующая константа давления (для региона 1) Т* - нормализующая константа температуры (для региона 1) R - удельная газовая постоянная для воды [кДж/(кг*К)] ni, Ii, Ji - эмпирические коэффициенты уравнения или константы аппроксимации. Они получены путем подгонки математической модели под экспериментальные данные о свойствах воды. Значения данных коэффициентов приведены в таблице 1. Из уравнения Гиббса (рис.2) можно получить следующие свойства вещества

Связи уравнения Гиббса со свойствами вещества
Рис.4 - Связи уравнения Гиббса со свойствами вещества

Регион 2. Область перегретого пара

Регион 2 описывает состояние перегретого водяного пара, а также поведение пара при низких давлениях, приближающееся к состоянию идеального газа. Эта область является самой большой по охвату температур и давлений. - Фундаментальное уравнение: Специфическая энергия Гиббса g(p,T), аналогично Региону 1 - Особенности расчета: Для повышения точности и эффективности вычислений при низких давлениях уравнение включает как идеальную, так и остаточную (реальную) части, что отражено в его структуре Границы региона: - Температура от температуры насыщения до 1073.15 [К] (800 [С]) - Давление от 0 до 100 [МПа]

Ур. энергии Гиббса
Рис.5 - Уравнение для удельной свободной энергии Гиббса
Части Ур. энергии Гиббса
Рис.6 - Части уравнения для удельной свободной энергии Гиббса

g2(p, T) - уравнение для удельной свободной энергии Гиббса γ0(π, τ) - идеально-газовая часть. Описывает поведение пара, когда молекулы не взаимодействуют друг с другом (при очень низких давлениях или высоких температурах). Эта часть зависит только от температуры (кроме члена с ln π) γr(π, τ) - остаточная часть. Учитывает отклонение реального пара от идеально-газового поведения из-за взаимодействия между молекулами. Эта часть зависит и от давления, и от температуры π - приведенное давление τ - приведенная температура p - текущее давление [МПа] T - текущая температура [К] p* - нормализующая константа давления (для региона 1) Т* - нормализующая константа температуры (для региона 1) R - удельная газовая постоянная для воды [кДж/(кг*К)] ni, Ii, Ji - эмпирические коэффициенты уравнения или константы аппроксимации. Они получены путем подгонки математической модели под экспериментальные данные о свойствах воды. Значения данных коэффициентов приведены в таблице 1. Из уравнения Гиббса (рис.5) можно получить следующие свойства вещества

Связи уравнения Гиббса со свойствами вещества
Рис.7 - Связи уравнения Гиббса со свойствами вещества
Производные региона 2
Рис.8 - Производные региона 2
Результаты производных региона 2
Рис.9 - Результаты производных региона 2

Регион 3. Околокритическая и сверхкритическая область

Регион 3 охватывает околокритическую и сверхкритическую области. Это наиболее сложная область для термодинамического моделирования, так как в ней резко изменяются все свойства (плотность, теплоемкость и др.). - Фундаментальное уравнение: Специфическая энергия Гельмгольца f(ρ,T) как функция плотности и температуры - Особенности расчета: В отличие от Регионов 1 и 2, в Регионе 3 для вычисления свойств часто требуется решать уравнение относительно плотности, например, с помощью итераций Ньютона, что может быть вычислительно затратным. Для ускорения расчетов существуют специальные обратные уравнения.

Ур. энергии Гельмгольца
Рис.10 - Уравнение для удельной энергии Гельмгольца
Части Ур. энергии Гельмгольца
Рис.11 - Части уравнения для удельной энергии Гельмгольца

b(дельта) - Приведённая плотность. Эта безразмерная величина является отношением текущей плотности ρ к референсной (опорной) плотности ρ* τ - Обратная приведённая температура: Эта безразмерная величина определяется как отношение референсной температуры T* к текущей абсолютной температуре T γr(π, τ) - остаточная часть. Учитывает отклонение реального пара от идеально-газового поведения из-за взаимодействия между молекулами. Эта часть зависит и от давления, и от температуры p* - референсная (опорная) плотность Т* - референсная (опорная) температура R - удельная газовая постоянная для воды [кДж/(кг*К)] Смысл референсных переменных ρ* и T* — привести физические свойства (плотность и температуру) к безразмерному виду для удобства расчётов. Они константы для региона 3, и их значения (322 кг/м³ и 540 K) продиктованы областью применения уравнений состояния для сверхкритической среды. Из уравнения Гельмгольца (рис.10) можно получить следующие свойства вещества

Связи уравнения Гельмгольца со свойствами вещества
Рис.12 - Связи уравнения Гельмгольца со свойствами вещества
Производные региона 3
Рис.13 - Производные региона 3
Результаты производных региона 3
Рис.14 - Результаты производных региона 3

Регион 4. Линия насыщения (фазовое равновесие)

Регион 4 представляет собой кривую фазового равновесия (линию насыщения) между жидкой водой и водяным паром. - Уравнение: Линия насыщения описывается парой взаимно обратных уравнений: уравнением давления насыщения как функции температуры ps(T) и уравнением температуры насыщения как функции давления Ts(p) - Особенности расчета: Эти уравнения полностью термодинамически согласованы. Наличие явного уравнения для температуры насыщения Ts(p) позволяет вычислять её без итераций, что особенно важно для моделирования процессов в конденсаторах и испарителях

Уравнение давления насыщения
Рис.15 - Уравнение давления насыщения
Уравнение температуры насыщения
Рис.16 - Уравнение температуры насыщения

Регион 5. Область высоких температур

Регион 5 описывает состояние воды и водяного пара при очень высоких температурах (свыше 800 °C) и повышенных давлениях. - Фундаментальное уравнение: Специфическая энергия Гиббса g(p,T) - Особенности расчета: Хотя уравнение по форме аналогично используемым в Регионах 1 и 2, его коэффициенты и структура специально подобраны для сохранения точности вплоть до температур 2000 °C и давлений до 50 МПа. Этот регион критически важен для моделирования процессов в высокотемпературных газовых турбинах и при сжигании топлива

Уравнение для удельной энергии Гиббса
Рис.17 - Уравнение для удельной свободной энергии Гиббса
Части уравнения для удельной свободной энергии Гиббса
Рис.18 - Части уравнения для удельной свободной энергии Гиббса

g5(p, T) - уравнение для удельной свободной энергии Гиббса γ0(π, τ) - отвечает за поведение идеального газа γr(π, τ) - описывает отклонения от идеального поведения из-за межмолекулярных взаимодействий π - приведенное давление τ - приведенная температура p - текущее давление [МПа] T - текущая температура [К] p* - нормализующая константа давления (для региона 5) Т* - нормализующая константа температуры (для региона 5) R - удельная газовая постоянная для воды [кДж/(кг*К)] Из уравнения Гиббса (рис.17) можно получить следующие свойства вещества

Связи уравнения Гиббса со свойствами вещества
Рис.19 - Связи уравнения Гиббса со свойствами вещества
Производные региона 5
Рис.20 - Производные региона 5
Результаты производных региона 5
Рис.21 - Результаты производных региона 5
IAPWS-IF97: Границы регионов

IAPWS-IF97: границы регионов

Численные значения температур и давлений для каждого региона

Регион Название региона Начальная T (K) Конечная T (K) Начальное P (Па) Конечное P (Па) Примечание
1 Область жидкой воды 273,15 623,15* 611,213 100 × 10⁶ Нижняя граница по давлению – тройная точка; верхняя по температуре – линия насыщения (~623,15 K).
2 Область перегретого пара 273,15** 1073,15 611,213 100 × 10⁶ ** Начальная температура соответствует линии насыщения (x=1) при данном давлении, минимально 273,15 K.
3 Околокритическая и сверхкритическая область 623,15 1073,15 ~16,529 × 10⁶ 100 × 10⁶ Внутри региона лежит критическая точка: Tкр = 647,096 K, Pкр = 22,064 МПа.
4 Линия насыщения (фазовое равновесие) 273,15 647,096 611,213 22,064 × 10⁶ Кривая фазового равновесия "жидкость–пар" от тройной точки до критической точки.
5 Область высоких температур 1073,15 2273,15 10 × 10⁶ 50 × 10⁶ Предназначен для моделирования процессов при температурах до 2000 °C (газовые турбины, высокотемпературные реакторы).

📌 Пояснения к обозначениям:
• * — для Региона 1 верхняя граница по температуре формально определяется линией насыщения, максимальное значение на этой линии ~623,15 K (при давлении насыщения).
• ** — для Региона 2 нижняя граница температуры при давлении ниже критического соответствует температуре насыщения (x=1), которая может быть ниже 273,15 K? – нет, минимальное значение T на линии насыщения – 273,15 K (тройная точка).
• Давления указаны в паскалях (Па) с использованием множителя 10⁶ для удобства. 1 МПа = 10⁶ Па.
• Все значения соответствуют IAPWS-IF97 (1997, дополнения 2007, 2014).