Lester Haar· John S. Gallagher· George S. KeIl

NBS/NRC Wasserdampf tafeln Thermodynamische und Transportgrößen mit Computerprogrammen für Dampf und Wasser in SI-Einheiten

Herausgegeben und aus dem Englischen übersetzt von Ulrich Grigull

Mit einem Geleitwort von David R. Lide, Jr.

Mit 54 Abbildungen

Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo 1988

Autoren

Lester Haar John S. Gallagher

National Bureau of Standards, Washington D. C.

George S. Kell

National Research Council of Canada, Ottawa

Herausgeber und Übersetzer

Ulrich Grigull

Technische Universität München

Titel der englischen Originalausgabe "NBS/NRC Steam Tables" veröffentlicht bei Hemisphere Publishing Corporation, Was hingt on New York London 1984

ISBN 978-3-642-52088-4 ISBN 978-3-642-52087-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-52087-7

CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Haar, Lester: NBS, NRC Wasserdampftafeln / Lester Haar; John S. Gallagher; George S. Kell, Hrsg. u. aus d. Eng\. übers. von Ulrich Grigul\. Mit e. Geleitw. von David R. Lide,jr.-Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris; Tokyo: Springer, 1988. Einheitssacht.: NBS, NRC steam tables <dt.>

ISBN 978-3-642-52088-4

NE: Gallagher, J ohn S.:; Kell, George S.:

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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1988 Softcover reprint of the hardcover Ist edition 1988

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Satz: Konrad Triltsch, Würzburg;

2160/3020-543210

Am 25. März 1983 starb George S. Keil, unser Freund, Kollege und Mitautor dieses Buches. Dr. Keil übte eine lange und eTjolgreiche Tätigkeit in den Laboratorien des National Research Council of Canada aus, wo er eine Arbeitsgruppe leitete, die neue Maßstäbe für genaues thermodynamisches Messen setzte. Seine Arbeit bildet einen wichtigen Teil der Metrologie des Wassers. Wir vermissen ihn schmerzlich. Dieses Buch ist seinem Andenken gewidmet.

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Geleitwort

Diese Tafeln und die Formulation, von der sie abgeleitet sind, entstanden im National Bureau of Standards mit Unterstützung des Office of Standard Reference Data. Sie haben jedoch einen wahrhaft internationalen Charakter. Der National Research Council ofCanada hat zahlreiche und verschiedenartige Beiträge geliefert. Die International Association for the Properties of Steam trug durch ihre Arbeitsgruppe I über Gleichgewichtsgrößen wesentlich bei, indem sie die Formu­lation prüfte und auswertete und die Arbeit laufend kritisch beurteilte. Wir stellen mit Befriedi­gung fest, daß die Formulation als Provisional IAPS Formulation 1982 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for Scientific and General U se angenommen wurde.

Diese Tafeln wurden durch das Office of Standard Reference Data des National Bureau of Standards geprüft und anerkannt und in das National Standard Reference Data System übernom­men. Dieses NSRDS ist ein nationales, 1963 begründetes Programm mit dem Zweck, die kritische Auswertung und Verbreitung numerischer Daten der Naturwissenschaften zu fördern. Das Pro­gramm wird durch das National Bureau ofStandards koordiniert, enthält aber auch Beiträge vieler Gruppen aus Universitäten, staatlichen Laboratorien und der Privatindustrie.

David R. Lide, Jr., Director Standard Reference Data National Bureau of Standards

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Vorwort

"Wasser ist ein ganz besonderer Saft" 1

Wasser ist wichtig nicht nur für biologische Vorgänge, sondern auch für eine Unzahl moderner Techniken, so verschieden wie die Herstellung von Papier oder Portlandzement, wie Meteorolo­gie oder Lebensmitteltechnik. Als chemische Verbindung ist es das Lösungsmittel mit dem wei­testen Anwendungsbereich. Es ist das wichtigste Medium der Wärmeübertragung für industrielle Prozesse und zur Raumheizung in technischen und Wohnbauten. Neu sich entwickelnde Indu­strien zur ÖI- und Gassynthese aus Kohle und zur Verwertung geothermischer Energie würden ohne Wasser nicht existieren. Für die Energie-Versorgungsunternehmen sind Dampf (und Was­ser) das Fluid, das die Turbinen treibt.

Seit Mitte des letzten Jahrhunderts wurde die wirtschaftliche Bedeutung genauer thermophy­sikalischer Stoffgrößen für Dampf und Wasser ein starker Forschungsanreiz. Dadurch sind die jetzt verfügbaren thermodynamischen Meßwerte unübertroffen an Genauigkeit, Bereich, Vielfalt und Menge. Programme zur Korrelierung dieser Daten, um eine vollständige und genaue thermo­dynamische Beschreibung eines Kontinuums thermodynamischer Zustände zu erreichen, stan­den ebenfalls im Mittelpunkt der Forschung. Zu diesem Zweck wurde eine internationale Zusam­menarbeit vor über 50 Jahren eingeleitet. Dieses Bemühungen setzen sich unter der Direktion der International Association for the Properties of Steam (IAPS) fort, zu deren Mitgliedern die größe­ren Industrienationen gehören.

IAPS ist die anerkannte Autorität für thermophysikalische Stoffgrößen von Wasser und Dampf: Für den größten Teil der Erde stellen Abmachungen und Verträge für Dampfkraftanlagen sicher, daß Auslegungen und Garantien mit den von der IAPS angenommenen Formulationen übereinstimmen. Auf seiner Jahres-Sitzung in Ottawa im September 1982 stimmte das Executive Committee der IAPS für eine vorläufige Annahme der thermodynamischen Formulation, die in diesem Buch enthalten ist. Sie wird bezeichnet als "Provisional IAPS Formulation 1982 for the Thermodynamic Properties ofOrdinary Water Substance for Scientificand General Use". Sie soll­te die Standard-Formulation der IAPS seit 1968 ersetzen.

Dieser Erfolg mußte mit vielen Kollegen geteilt werden. Erstens mit unseren Kollegen der Ar­beitsgruppe I der IAPS: A. A. Aleksandrov, S. Angus, J. E. W. Campbell, J. R. Cooper, A. J. W. Hedbäck, P. G. Hill, 1. Juza, E. 1. Le Fevre, A. Nagashima, K. Scheffler, J. M. H. Levelt Sengers, J. Straub (Vorsitzender), M. Uematsu, W. Wagner, K. Watanabe. Sie bearbeiteten die große Zahl experimenteller Daten, boten manche hilfreiche Kritik während der Ableitung und prüften die Formulation nach Genauigkeit und Bereich. E. J. Le Fevre prüfte das Computerprogramm und entwickelte eine Darstellung der Formulation in mehreren Computersprachen. Das Research Committee on Properties of Steam der American Society of Mechanical Engineers hat uns ermu­tigt und beraten und hat das fertige Werk gutgeheißen. Sein Vorsitzender, R. Spencer, fand groß­zügig die Zeit zu vielen Diskussionen, die die Grundlage für die Anordnung der Tafeln bildeten und half, zusammen mit R. McClintok, das Computerprogramm wirkungsvoller und leichter an­wendbar für Zentralrechner zu machen. J. Kestin, Vorsitzender der US-Delegation zur IAPS, er­teilte Rat und Unterstützung in allen Phasen der Forschungsarbeit. Seine nachdrückliche Emp­fehlung beschleunigte das Zustandekommen des Buches und er gab detaillierte technische und redaktionelle Ratschläge zum Manuskript. Michael Moldover untersuchte gewisse experimentel­le Meßfehler, hervorgerufen durch Vorkondensation. Ein Teil dieser Untersuchung war die

1 U. Grigull, damals Präsident der International Association for the Properties of Steam, in seiner Begrü­ßungsrede zur 9th International Conference on the Properties of Steam (München 1979).

IX

Grundlage zur Fehlerabschätzung der Formulation. J. V. Sengers lieferte Computerprogramme zur Berechnung einiger Transportgrößen. Die Tafeln wurden nach Computerprogrammen ge­setzt, die unter der Leitung von B. B. Molino entwickelt wurden.

Besonders dankbar sind wir H. W. W oolley, der aus seinem Ruhestand zum NB S zurückkehrte, um die Zustandssumme für den idealen Gaszustand auszuwerten. Diese bedeutende Arbeit ist ei­ne Grundlage der Formulation. Diese Untersuchung war einem von uns (L. H.) durch H. J. White, Jr. in seiner Eigenschaft als Sekretär der IAPS und als Programmdirektor des Office of Standard Reference Data (OSRD) des National Bureau of Standards vorgeschlagen. Er und seine Kollegen vom OSRD standen uns mit gutem Rat zur Seite. Großzügige finanzielle Unterstützung gewähr­ten das OSRD und das NBS. Weitere Unterstützung wurde durch den National Research Council of Canada zur Verfügung gestellt.

Viele andere, die nicht alle genannt werden können, haben zu diesem Werk beigetragen. Allen unseren wärmsten Dank.

Lester Haar John S. Gallagher

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Vorwort des Übersetzers

Die thermodynamischen Zustandsgrößen der hiermit vorgelegten Dampftafeln sind nach einer Formulation berechnet, die unter der Bezeichnung

IAPS Formulation 1984 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for Scientific and General Use

durch die " 10th International Conference on the Properties ofSteam" (Moskau 1984) endgültig an­genommen wurde. Diese Formulation ist durch internationale Zusammenarbeit unter den Mit­gliedsländern der "International Association forthe Properties ofSteam" (IAPS) zustandegekom­men. Die verantwortlichen Autoren der Formulation sind

Lester Haar John S. Gallagher

National Bureau of Standards, Washington D. C.

George S. KeIl National Research Council of Canada,

Ottawa Die beiden nationalen Organisationen (NBS und NRC) haben diesem Tafelwerk ihre Namen

gegeben. Die Haar-Gallagher-Kell-Formulation wird in ihrem Geltungsbereich als die zur Zeit beste Wiedergabe der thermodynamischen Eigenschaften von gewöhnlichem Wasser und Dampf angesehen. Sie ersetzt die bisher gültige ,,1968 IFC Formulation for Scientific and General Use".

Neben diesen "NBS/NRC Dampftafeln" gibt es die im gleichen Verlag in englisch-deutscher Fassung erschienenen "Properties ofWater and Steam in SI-Units". Deren thermodynamische Zustandsgrößen sind durch die ,,1967 IFC Formulation for Industrial Use" berechnet. Diese For­mulation dient seit ihrem Bestehen zur Optimierung von Kreisläufen in thermischen Kraftwer­ken. Sie hat sich für diesen Zweck sehr bewährt und wird hierfür auch weiterhin verwendet wer­den. Auch die oben erwähnte Dampftafelkonferenz von Moskau (1984) hat die uneingeschränkte weitere Gültigkeit der ,,1967 IFC Formulation" ausdrücklich bestätigt und damit einem Wunsch auch der deutschen Industrie Rechnung getragen.

Daß zwei Dampftafeln nebeneinander existieren, deren thermodynamische Zustandsgrößen mit verschiedenen Formulationen berechnet sind, ist kein Widerspruch, sondern die logische Folge einer von der IAPS seit 1967 befolgten Politik, nämlich die Belange der Praktiker an Formu­lationen, die sich offensichtlich von denen der Theoretiker unterscheiden, auch getrennt zu be­rücksichtigen. Für die Optimierung der Kreisläufe und für andere industrielle Zwecke genügt eine verhältnismäßig einfach aufgebaute Formulation, die aber für Jahrzehnte ungeändert bleiben muß, damit man langfristig disponieren kann. Andererseits ist die Wasserdampfforschung damit nicht am Ende und darf nicht behindert werden. So entstand nach der ,,1968 IFC Formulation" in mehr als zehnjähriger Vorbereitung die Haar-Gallagher-Kell-Formulation. Eine solche, notwen­digerweise kompliziertere Formulation erfüllt aber auch sehr praktische Zwecke:

- sie gestattet die zuverlässige Berechnung von höheren Ableitungen der Grundfunktion, die auch in industriellen Berechnungen gebraucht werden und deren vollständige direkte Messung jede wirtschaftliche Möglichkeit übersteigt, etwa die Wärmekapazität, den Joule-Thomson­Koeffizienten oder die Schallgeschwindigkeit,

- sie erlaubt die Kontrolle einfacher Zustandsgleichungen mit beschränktem Gültigkeitsbe­reich, die etwa für Zwecke der Regelung aufgestellt werden, auch unter Verzicht auf thermo­dynamische Konsistenz.

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Erst wenn man die umfassendere Formulation besitzt, kann man auch einfachere Zustandglei­chungen auf ihre Zuverlässigkeit prüfen.

Der Herausgeber dankt Lester Haar für klärende Gespräche und für die Übermittlung von Kor­rekturen, die auch das Rechenprogramm betrafen. In dieser Ausgabe sind Tafel 2 sowie Teile von Tafel! und Tafel 3 des Originals durch neu berechnete Werte ersetzt, die uns Lester Haar zur Ver­fügung stellte.

München, im Oktober 1987 Ulrich Grigull

XII

fuhaltsverzeichnis

Geleitwort .............................................................................. VII

Vorwort................................................................................. IX

Vorwort des Übersetzers ................................................................. XI

Symbole, Benennungen und Einheiten der Tafelgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. XV

Einführung ............................................................................. 1

Thermodynamische Zustandsgrößen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Tafel 1 Sättigung (Temperatur) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Tafel2 Sättigung (Druck) .............................................................. 12 Tafel3 Druckwasser und überhitzter Dampf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Tafel 4 Kritisches Gebiet: Isochoren für t 2 t s .••..•••...••...•••...•••...•••..•••....•• 215 Tafel 5 Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 225 Tafel 6 Schallgeschwindigkeit .......................................................... 234

Bild 1 Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck für Flüssigkeit und Dampf . .. 243 Bild 2 Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck im kritischen Gebiet ......... 244 Bild 3 Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck

bei hohen Temperaturen und Drücken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 245 Bild 4 Schallgeschwindigkeit für Flüssigkeit und überkritischen Dampf. . . . . . . . . . . . . . . .. 246 Bild 5 Schallgeschwindigkeit für den Dampf ........................................... 247 Bild 6 Schallgeschwindigkeit bei hohen Drücken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 248 Bild 7 Isentroper Expansionskoeffizient, k = (aln plaln v)s ............................. 249 Bild 8 Druck-Enthalpie-Diagramm .................................................... 250 Bild 9 Temperatur-Entropie-Diagramm ................................................ 252 Bild 10 Mollier-Diagramm ............................................................. 255 Bild 11 Isentroper Druck-Temperatur-Koeffizient für Wasser, ßs = (a Tlap)s ............. 256

Transportgrößen und andere thermophysikalische Zustandsgrößen ......................... 257

Tafel 7 Viskosität ...................................................................... 259 Tafel 8 Wärmeleitfähigkeit ................. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 260 Tafel 9 Prandtl-Zahl.................................................................... 261 Tafel 10 Statische relative Dielektrizitätskonstante ....................................... 262 Tafel 11 Zustandgrößen für koexistierende Phasen:

Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Prandtl-Zahl, statische relative Dielektrizitätskonstante, Oberflächenspannung. . . . . . . . . . . . . . . .. 263

Bild 12 Viskosität ...................................................................... 264 Bild 13 Wärmeleitfähigkeit ......................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 265 Bild 14 Prandtl-Zahl .................................................................... 266

Anhang A Die Helmholtz-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 267

Ableitung der Gleichung ........................................................ 267

XIII

Vergleich berechneter Zustandswerte mit experimentellen Daten ................ 272 Vergleiche mit anderen Formulationen ......................................... 287 Abschätzung der Unsicherheit .................................................. 288

Anhang B Computerprogramme für die Berechnung thermodynamischer Zustandsgrößen .............. 293

Anhang C Gleichungen für Transportgrößen und andere thermophysikalische Zustandsgrößen ......... 305

Viskosität ...................................................................... 305 WärmeleiWihigkeit ............................................................. 305 Prandtl-Zahl .................................................................... 306 Statische relative Dielektrizitätskonstante ....................................... 306 Oberflächenspannung .......................................................... 307

Literaturverzeichnis ..................................................................... 309

XIV

Symbole, Benennungen und Einheiten der Tafelgrößen

Symbol Benennung

B zweiter Virialkoeffizient cp spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck c, spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen h spezifische Enthalpie k Isentropenexponent (k = (oln ploln v)s) p Druck Pr Prandtl-Zahl (Pr = '1 Cp/A) r spezifische Verdampfungsenthalpie s spezifische Entropie T thermodynamische Temperatur

Celsius-Temperatur (t = T-Ta mit Ta = 273.15 K)

ts Sättigungstemperatur u spezifische innere Energie v spezifisches Volumen (v = 11 g) ß s isentroper Temperatur-Druck-Koeffizient

(ßs = (oTlop)s) e statische relative Dielektrizitätskonstante '1 Viskosität A Wärmeleitfähigkeit fl Joule-Thomson-Koeffizient

(fl = (oTlop)h) g Dichte (g = 1Iv) a Oberflächenspannung <p spezifische Verdampfungsentropie w Schallgeschwindigkeit

(w2 = (cple,) (oplogh)

Indizes

g bezeichnet den Zustand des gesättigten Dampfes (gas) k bezeichnet einen Größenwert im kritischen Zustand I bezeichnet den Zustand der gesättigten Flüssigkeit (liquid) I bezeichnet einen Größenwert bei p = 1 bar

bezeichnet den Zustand des idealen Gases

Einheit

m3 /kg kJ/kg K kJ/kg K kJ/kg dimensionslos bar = 0.1 MPa dimensionslos kJ/kg kJ/kg K K

°C °C kJ/kg m 3 /kg

mK/bar dimensionslos 10-6 kg/s m= iJPas mW/Km

K/bar kg/m3

mN Im = 10-3 kg/s2

kJ/kg K

m/s

Der Bezugszustand für alle Größenwerte ist der des flüssigen Wassers am Tripelpunkt. Die innere Energie und die Entropie sind in diesem Zustand nach Definition Null (Beschluß der 5th International Conference on the Properties of Steam, London 1956).

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