Wolfgang Wagner Alfred Kruse Properties of Water and Steam ZustandsgroBen von Wasser und Wasserdampf

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1 Wolfgang Wagner Alfred Kruse Properties of Water and Steam ZustandsgroBen von Wasser und Wasserdampf

2 Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

3 Wolfgang Wagner Alfred Kruse Properties of Water and Steam The Industrial Standard IAPWS-IF97 for the Thermodynamic Properties and Supplementary Equations for Other Properties Tables based on these Equations Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf Der Industrie-Standard IAPWS-IF97 für die thermodynamischen Zustandsgrößen und ergänzende Gleichungen für andere Eigenschaften Tafeln auf der Grundlage dieser Gleichungen Springer

4 Professor Dr.-Ing. Wolfgang Wagner Dr.-Ing. Alfred Kruse Lehrstuhl fiir Thermodynamik Fakultat fur Maschinenbau Ruhr-Universitat Bochum D Bochum Additional material to this book can be downloaded from ISBN ISBN (ebook) DOI / Cataloging-in-Publishing Data applied for Die deutsche Bibliothek - cip-einheitsaufnahme Wagner, Wolfgang: Properties of water and steam: the industrial standard IAPWS-IF97 for the thermodynamic properties and supplementary equations for other properties; tables based on these equations = ZustandsgroBen von Wasser und Wasserdampf / Wolfgang Wagner. Unter Mitarb. von Alfred Kruse. - Berlin ; Heidelberg ; New York ; Barcelona; Budapest; Hongkong ; London; Mailand ; Paris; Santa Clara; Singapur ; Tokio: Springer, 1998 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Dbersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfliltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfliltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zuhissig. Sie ist grundsatzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1998 Urspriiuglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1998 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in dies em Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirften. SoUte in dies em Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fur die Richtigkeit oder Aktualitat iibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfaus fur die eigenen Arbeiten die voustandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Reproduktionsfertige Vorlage der Autoren Umschlaggestaltung: de'blik, Berlin SPIN: / Gedruckt auf saurefreiem Papier

5 Preface In 1997, the International Association for the Properties of Water and Steam (lapws) adopted a new formulation for the thermodynamic properties of water and steam for industrial use. This formulation is called "IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam" and "IAPWS Industrial Formulation 1997" or "IAPWS-IF97" for short. The new formulation IAPWS-IF97 replaces the previous industrial formulation, IFC-67, that has formed the basis for power-plant calculations and other industrial applications since the late 1960's. IAPWS-IF97 improves significantly both the accuracy and the speed of the calculation of thermodynamic properties. The differences from IFC-67 will require many users, particularly boiler and turbine manufacturers but also power-station companies and corresponding engineering offices, to modify design and application codes. In addition to these applications, IAPWS-IF97 is also of importance for energy-engineering applications in chemical industry and in other branches of industry. Therefore, this book presents the individual equations of IAPWS-IF97 for calculating the thermodynamic properties of water and steam for industrial use. The IAPWS Industrial Formulation 1997 was developed in an international research project. This development was coordinated by the IAPWS Task Group "New Industrial Formulation" chaired by one of the authors of this book CW. W.). The final form of IAPWS-IF97 is based on contributions and equations by J. R. Cooper A. Dittmann J. Kijima H.-J. Kretzschmar A. Kruse R. Mares K. Oguchi H. Sato I. Stocker O. Sifner Y. Takaishi I. Tanishita J. Triibenbach W. Wagner Th. Willkommen. Besides these "developers" many other IAPWS colleagues, particularly the members of the two working groups "Industrial Calculations" and "Thermophysical Properties of Water and Steam", contributed to the entire success of this comprehensive project; we appreciate their contribution very much. We are especially grateful to the chairmen of these two working groups, B. Rukes and J. R. Cooper. In addition, we would like to thank the members of the IAPWS Task Group "New Industrial Formulation - Evaluation" for testing IAPWS-IF97 regarding the fulfilment of requirements and checking the influence on real power-cycle calculations; concerning these important pieces of work we are particularly grateful to the chairman of this task group, K. Miyagawa, and his colleagues R. Spencer, R. B. McClintock, and P. Bradley for their exceptional efforts. In addition to IAPWS-IF97, the industrial standard for the thermodynamic properties of water and steam, the most recent equations for the transport properties dynamic viscosity and thermal conductivity are also presented. Moreover, equations for the surface tension, static dielectric constant, and refractive index are given.

6 VI Preface The text of this book is bilingual. Part A contains the description of the above mentioned equations for the thermophysical properties in English and Part B the corresponding description in German. Comprehensive tables of the most important thermophysical properties of water and steam are given in Part C in both languages. The values in the tables of Part C were exclusively calculated from the corresponding equations summarized in Part A and Part B, respectively. These tables, which are mainly based on the new industrial formulation IAPWS-IF97, replace the tables "Properties of Water and Steam in SI-Units" prepared by E. Schmidt and edited by U. Grigull (Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, R. Oldenbourg Munchen, Fourth, Enlarged Printing, 1989) which are based on the previous industrial formulation IFC-67. We wish to express our warmest thanks to Mr. C. Bonsen for his help in handling the computer programs for calculating the transport properties and for producing all the tables. We would also like to thank Mrs. A.-M. Sieg for typing the text of the manuscript. We are particularly grateful to the Deutsche Forschungsgemeinschaft for their financial support of that part of the development of IAPWS-IF97 which was carried out at the Ruhr-University Bochum. Bochum, February 1998 W. Wagner A. Kruse

7 Vorwort Die "International Association for the Properties of Water and Steam" (lapws) hat 1997 eine neue Industrie-Formulation fur die Berechnung der thermodynamischen Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf verabschiedet. Der Name der neuen Formulation lautet "IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam" mit den Kurzbezeichnungen "IAPWS Industrial Formulation 1997" bzw. "IAPWS-IF97". Die neue Formulation IAPWS-IF97 ersetzt die bisherige Industrie-Formulation IFC-67, die seit 1967 als Grundlage fur die Berechnung von Kraftwerksprozessen sowie fur weitere industrielle Anwendungen diente. Gegenuber der IFC-67 werden Genauigkeit und Rechengeschwindigkeit durch die neue Formulation deutlich erhoht. Aufgrund der signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Formulationen werden viele Anwender, insbesondere Kessel- und Turbinenhersteller, aber auch Kraftwerksbetreiber und entsprechende Ingenieurburos, ihre Auslegungsund Anwendungsprogramme modifizieren mussen. Dariiber hinaus ist die Kenntnis der IAPWS-IF97 auch fur energietechnische Anwendungen in der chemischen Industrie und in anderen Industriezweigen von Bedeutung. Vor diesem Hintergrund werden in diesem Buch die einzelnen Gleichungen der IAPWS-IF97 fur die industrielle Berechnung der thermodynamischen Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf beschrieben. Die IAPWS Industrie-Formulation 1997 wurde im Rahmen eines internationalen Forschungsprojektes entwickelt. Koordiniert wurden diese Arbeiten von der fur diesen Zweck gegriindeten IAPWS-Arbeitsgruppe "New Industrial Formulation", die von einem der Autoren dieses Buches (W. W.) geleitet wurde. Die endgultige Form der IAPWS-IF97 beruht auf Beitragen und Gleichungen von J. R. Cooper A. Dittmann J. Kijima H.-J. Kretzschmar A. Kruse R. Mares K. Oguchi H. Sato I. Stocker O. Sifner Y. Takaishi I. Tanishita J. Triibenbach W. Wagner Th. Willkommen. Neben diesen "Entwicklern" haben auch viele andere Kollegen der IAPWS, insbesondere die Mitglieder der beiden Arbeitsgruppen "Industrial Calculations" und "Thermophysical Properties of Water and Steam", zum Gesamterfolg dieses umfassenden Projektes beigetragen, wofur wir uns ganz herzlich bedanken. Besonders dankbar sind wir den Vorsitzenden dieser beiden Arbeitsgruppen, B. Rukes und J. R. Cooper. Dariiber hinaus bedanken wir uns bei den Mitgliedern der IAPWS-Arbeitsgruppe "New Industrial Formulation - Evaluation", die speziell fur die Prufung der IAPWS-IF97 bezuglich der Erfullung aller Anforderungen und fur die Untersuchung des Einflusses der neuen Formulation auf die Berechnung realer Kraftwerksprozesse gebildet worden war. Fur diese wichtigen Arbeiten danken wir insbesondere dem Vorsitzenden dieser Arbeitsgruppe, K. Miyagawa, sowie seinen Kollegen R. Spencer, R. B. McClintock und P. Bradley.

8 VIII Vorwort Zusatzlich zur IAPWS-IF97, dem neuen Industrie-Standard fur die thermodynamischen Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf, geben wir auch die aktuellen Gleichungen fur die TransportgraBen dynamische Viskositat und Warmeleitfahigkeit sowie fur die GraBen Oberflachenspannung, statische Dielektrizitatskonstante und Brechungsindex an. Der Text des Buches ist zweisprachig. In Teil A erfolgt die Beschreibung der erwahnten Gleichungen fur die thermophysikalischen Eigenschaften in englisch, und der Teil B enthalt die entsprechende Beschreibung in deutsch. Die umfassenden Tafeln der wichtigsten thermophysikalischen Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf sind im zweisprachigen Teil C zusammengefabt. Die Werte in den Tafeln von Teil C wurden ausschlieblich aus den entsprechenden Gleichungen berechnet, die in Teil A bzw. Teil B aufgefuhrt sind. Diese Tafeln, die hauptsachlich auf dem neuen Industrie-Standard IAPWS-IF97 beruhen, ersetzen das Tafelwerk "ZustandsgraBen von Wasser und Wasserdampf in SI-Einheiten" bearbeitet von E. Schmidt, herausgegeben von U. Grigull (Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, R. Oldenbourg Munchen, 4. Auflage, 1989), das auf dem bisherigen Industrie-Standard IFC-67 beruht. Wir bedanken uns bei Herrn C. Bonsen fur seine Hilfe beim Erstellen der Computer-Programme fur die Berechnung der TransportgraBen und die Erstellung der Tafeln. Frau A.-M. Sieg sind wir dankbar fur das Schreiben des druckfertigen Manuskriptes. Unser besonderer Dank gilt der Deutschen Forschungsgemeinschaft fur die finanzielle Unterstiitzung des Teils der Entwicklungsarbeiten fur die IAPWS-IF97, der an der Ruhr-Universitat Bochum durchgefuhrt worden ist. Bochum, im Februar 1998 W. Wagner A. Kruse

9 Contents Inhaltsverzeichnis Nomenclature... XIII Formelverzeichnis... XV Part A (English) Equations for the Calculation of the Thermophysical Properties of Water and Steam Introduction Reference Constants IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam Characteristic Features ofiapws-if Structure of IAPWS-IF Quality ofiapws-if Equations for Region Basic Equation Backward Equations The Backward Equation T(p, h) The Backward Equation T(p,s) Equations for Region Auxiliary Equation for the Boundary between Regions 2 and Basic Equation Supplementary Equation for the Metastable-Vapour Region Backward Equations The Backward Equations T(p,h) for Subregions 2a, 2b, and 2c The Backward Equations T(p,s) for Subregions 2a, 2b, and 2c Basic Equation for Region Equations for Region Saturation-Pressure Equation (Basic Equation) Saturation-Temperature Equation (Backward Equation)

10 X Contents Iinhaltsverzeichnis 3.6 Basic Equation for Region Uncertainties of IAPWS-IF Equations for Transport Properties and Other Properties Dynamic Viscosity Thermal Conductivity Surface Tension Static Dielectric Constant Refractive Index References Teil B (Deutsch) Gleichungen fur die Berechnung der thermophysikalischen Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf Einleitung Referenzkonstanten Die IAPWS Industrie-Formulation 1997 fur die thermodynamischen Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf Charakteristische Merkmale der IAPWS-IF Struktur der IAPWS-IF QualitatderIAPWS-IF Gleichungen fur den Bereich Basisgleichung Ruckwartsgleichungen Die Ruckwartsgleichung T(p,h) Die Ruckwartsgleichung T(p,s) Gleichungen fur den Bereich Hilfsgleichung fur die Grenze zwischen den Bereichen 2 und Basisgleichung Erganzende Gleichung fur das metastabile Dampfgebiet Ruckwartsgleichungen Die Ruckwartsgleichungen T(p,h) fur die Unterbereiche 2a, 2b und 2c

11 Contents Iinhaltsverzeichnis XI Die Ruckwartsgleichungen T(p,s) fur die Unterbereiche 2a, 2b und 2c Basisgleichung fur den Bereich Gleichungen fur den Bereich Dampfdruckgleichung (Basisgleichung) Siedetemperaturgleichung (Ruckwartsgleichung) Basisgleichung fur den Bereich Unsicherheiten der IAPWS-IF Gleichungen fur die TransportgroBen und fur andere Eigenschaften Dynamische Viskositat Warmeleitfahigkeit Oberflachenspannung Statische Dielektrizitatskonstante Brechungsindex Literatur Part C I Teil C (bilingual / zweisprachig) Tables of the Properties of Water and Steam Tafeln der ZustandsgroBen von Wasser und Wasserdampf Saturation State (Temperature Table) Sattigungszustand (Temperaturtafel) Saturation State (Pressure Table) Sattigungszustand (Drucktafel) Ideal-Gas State Zustand des idealen Gases Single-Phase Region (Regions 1 to 3 of IAPWS-IF97) Homogenes Zustandsgebiet (Bereiche Ibis 3 der IAPWS-IF97) High-Temperature Region (Region 5 of IAPWS-IF97) Hochtemperaturgebiet (Bereich 5 der IAPWS-IF97) Saturation State: Kinematic Viscosity, Prandtl Number, Static Dielectric Constant, and Surface Tension Sattigungszustand: Kinematische Viskositat, Prandtl-Zahl, statische Dielektrizitatskonstante und Oberflachenspannung

12 XII Contents Iinhaltsverzeichnis 7 Kinematic Viscosity Kinematische Viskositat Prandtl Number Prandtl-Zahl Static Dielectric Constant Statische Dielektrizitatskonstante Refractive Index (Including Saturation State) Brechungsindex (einschlieblich des Sattigungszustandes)

13 Nomenclature Quantities a Coefficient c p Specific isobaric heat capacity Cv Specific isochoric heat capacity f Specific Helmholtz free energy,f = u - Ts g Specific Gibbs free energy, g = h - Ts; Harris-Alder g-factor h Specific enthalpy t:.hv Specific enthalpy of evaporation, t:.hv = h"- h' I Exponent Serial number; Exponent ] Exponent ] Serial number; Exponent k Boltzmann's constant M Molar mass N A Avogadro's number n Coefficient; refractive index Pr Prandtl number, Pr = 1] c p A-I p Pressure R Specific gas constant Rm Molar gas constant s Specific entropy t:.sv Specific entropy of evaporation, t:.sv = s" - s' T Thermodynamic temperature 1 Celsius temperature, t [0C] = T [K] K u Specific internal energy v Specific volume w Speed of sound a Mean molecular polarizability of the isolated water molecule f3 Transformed pressure, Eq. (3.22a) r Dimensionless Gibbs free energy, r= g/(rt) t:. Difference in any quantity (j Reduced density, (j = p / p* f Relative static dielectric constant (relative static permittivity) to Permittivity of vacuum (electric constant) I All temperature values given in this book are temperatures according to the International Temperature Scale of 1990 (lts-90)

14 XIV Nomenclature 11 Reduced enthalpy, 11 = hlh*; dynamic viscosity e Reduced temperature, e = TIT * ij Transformed temperature, Eq. (3.22b) 1( Isentropic exponent, 1( = -vp-l(aplav)s A Reduced thermal conductivity, A = AlA *; reduced wavelength of light, A = AlA * A Thermal conductivity; wavelength of light J1 Dipole moment of the isolated water molecule v Kinematic viscosity, V= 11P-l 7r Reduced pressure, 7r= plp* P Mass density 0' Reduced entropy, 0'= sls*; surface tension r Inverse reduced temperature, r = T*IT f/> Dimensionless Helmholtz free energy, f/> = fi(rt) tp Reduced dynamic viscosity, tp = 11111* Superscripts o r * " Ideal-gas part; ideal gas Residual part Reducing quantity Saturated liquid state Saturated vapour state Subscripts b c max s t Normal boiling point Critical point Maximum value Saturation state Triple point

15 Formelzeichen GroBen a Koeffizient c p spezifische isobare Wlirmekapazitlit Cv spezifische isochore Wlirmekapazitlit f spezifische freie Energie (Helmholtz-Funktion),J = u - Ts g spezifische freie Enthalpie (Gibbs-Funktion), g = h - Ts; Harris-Alder g-faktor h spezifische Enthalpie!1 hv spezifische Verdampfungsenthalpie,!1 hv = h" - h' I Exponent Laufindex; Exponent J Exponent ) Laufindex; Exponent k Boltzmann-Konstante M Molmasse N A A vogadro-konstante n Koeffizient; Brechungsindex Pr Prandtl-Zahl, Pr = 11 c p Il-l p Druck R spezifische Gaskonstante Rm molare (universelle) Gaskonstante s spezifische Entropie!1sv spezifische Verdampfungsentropie,!1sv = s" - s' T thermodynamische Temperaturi t Celsius-Temperatur, t [0C] = T [K] - 273,15 K u spezifische innere Energie v spezifisches Volumen w Schallgeschwindigkeit a mittlere molekulare Polarisierbarkeit eines einzelnen Wassermolekiils f3 transformierter Druck, Gl. (3.22a) dimensionslose freie Enthalpie, r = g/(rt) r!1 Differenz einer GroBe 8 reduzierte Dichte, 8 = p / p* relative statische Dielektrizitlitskonstante (relative statische Permittivitlit) 0 elektrische Feldkonstante (Permittivitlit des Vakuums) I AIle in diesem Buch angegebenen Temperaturwerte sind Temperaturen nach der Intemationalen Temperaturskala von 1990 (ITS-90).

16 XVI Formelzeichen 1} reduzierte Enthalpie, 1} = hi h*; dynamische Viskositat e reduzierte Temperatur, e= TIT* tj transformierte Temperatur, Gl. (3.22b) 1( Isentropenexponent, 1( = -vp-l(dpldv\ A reduzierte Warmeleitfahigkeit, A = AI A *; reduzierte WellenHinge des Lichtes, A = AI A * A Warmeleitfahigkeit; Wellenlange des Lichtes fl Dipolmoment eines einzelnen Wassermolekiils v kinematische Viskositat, V= 1}p-1 n reduzierter Druck, n= plp* p Dichte (J reduzierte Entropie, (J = sis *; Oberfliichenspannung r inverse reduzierte Temperatur, r = T*IT </> dimensionslose freie Energie, </> = fi(rt) If' reduzierte dynamische Viskositat, If' = 1}11}* Hochgestellte Indizes o r * /I Anteil des idealen Gases; ideales Gas residueller Anteil ReduktionsgroBe siedende Fhissigkeit gesattigter Dampf Tiefgestellte Indizes b c max s t normaler Siedepunkt kritischer Punkt Maximalwert Siittigungszustand (Siedezustand) Tripelpunkt