水和水蒸汽热力性质IAPWS-IF97公式及其通用计算模型

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1、实用文档水和水蒸汽热力性质IAPWS-IF97公式及其通用计算模型1.前言   水和水蒸汽作为一种常规工质，在动力系统中得到很广泛的应用。第六届国际水蒸汽性质会议成立的国际公式化委员会IFC(InternationalFormulationCommittee)制定了用于计算水和水蒸汽热力性质的IFC公式，并在此基础上不断的提出新的计算公式，比较为大家所熟悉的就是工业用1967年IFC公式（简称IFC-67公式），IFC-67公式在较长一段时间内得到了广泛的应用。   随着工程应用技术水平的不断提高，

2、对水和水蒸汽性质的热力计算精度和速度的要求也相应的提高，IFC-67公式存在诸如计算精度低、计算迭代时间长、适用范围窄的缺陷也越来越明显。因此，1997年，在德国Erlangen召开的水和水蒸汽性质国际联合会（IAPWS）上，通过并发表了全新的水和水蒸汽计算模型，此模型是由德、俄、英、加等7国12位科学家组成的联合研究小组提出的，即IAPWS-IF97公式。自1999年1月1日后，水和水蒸汽性质国际联合会（IAPWS）要求在商业合同中采用新型的水和水蒸汽热力性质工业公式（IAPWS-IF97公式）。

3、目前，我国电力工业与国际上有着密切的联系，随着我国进口机组的增多以及国产机组的部分出口，尽快使用新的水和水蒸汽热力性质计算标准也就显的特别重要。因此，我们应该尽快了解并推广使用IAPWS-IF97公式。本文介绍了IAPWS-IF97公式的新特点，分析了此公式在工程和科研中提高计算精度和速度的原因，并且给出了基于此公式编制的水和水蒸汽热力性质参数计算软件。2.关于IAPWS-IF97公式2.1概述IAPWS-IF97公式作为最新的并且得到国际广泛承认的水和水蒸汽性质计算公式，在工程设计和科学研究中都很

4、有意义。它的适用范围更为广泛，在IFC-67公式的适用范围基础上增加了在科研和工程中日益关注的低压高温区。而且在原来有的水和水蒸汽参数的基础上又增加了一个重要参数：声速。IAPWS-IF97适用范围：273.15K≤T≤2273.15K，p≤100Mpa。标准文案实用文档IAPWS-IF97公式将它的有效范围分成5个区（如图1所示）。1区为常规水区；2区为过热蒸汽区；3区为临界区；4区为饱和线，即为湿蒸汽区；5区为低压高温区。                                     

5、           在水和水蒸汽的热力参数计算中，通常需要选定一个参数为零的计算参照点，其它状态点的参数以此参照点为基础进行计算。在IAPWS-IF97公式中选用了水的三相态时饱和水为参照点。这是一种纯水的冰、水和汽的三相共存的状态。规定在三相态时饱和水具体参数如下：2.2IAPWS-IF97公式的数学特性IAPWS-IF97公式的计算精度比IFC-67公式要高得多,如表1所示，这对工程计算和科学研究有更好的指导意义。表1 IAPWS-IF97公式与IFC-67公式的部分参数比较标准文案实用文档从

6、大量的计算表明，IAPWS-IF97公式性质参数输出的精度平均是IFC-67公式的7.5、18、7.5、18、12、12倍，不仅如此，IAPWS-IF97公式运算时间也比IFC-67公式大大地缩短。IFC-67公式和IAPWS-IF97公式模型的计算时间比（简称CRT）列为表2，IFC-67公式模型平均计算时间是IAPWS-IF97公式模型的4.5倍。表2 IAPWS-IF97公式与IF67公式计算时间比（CRT）在边界问题的处理上，IAPWS-IF97公式给出了所有边界的直接或间接的判断方程，使其

7、计算模型在边界上有很好的一致连续性，性质参数的计算误差在非常小的范围之内。再者，在3区和4区的交叠部分，IAPWS-IF97公式计算的误差也是在比较小的范围之内，如表3所示：表3 交叉区域边界的单相区域基础公式误差2.3 IAPWS-IF97计算公式水和水蒸汽的热力性质参数不是全部互相独立的，可以通过任意两个相互独立的参数得出其他参数。以压力和温度为自变量，在IAPWS-IF97公式中，其它的性质参数可以利用下面的正则函数的偏微分得到：g=g(p,T)式中——比自由焓（比吉布斯函数，Gibbs）  

8、  同样，以密度和温度标准文案实用文档为自变量，那么其它的性质参数可以利用下面的正则函数的偏微分得到：f=f(p,T)式中——比自由能（比亥姆霍兹函数，Helmholtz）   使用分区4的公式可以实现饱和压力和饱和温度的互求，在此基础上可以应用1、2、3区的公式来计算饱和水和饱和蒸汽的性质参数。如果已知干度，还可以根据1、2、3区的公式来进行湿区的计算。3 IAPWS-IF97公式的通用计算模型   标准文案实用文档IAPWS-IF97公式相比与IFC-67公式的一