VDI 4670 Blatt 1-2016 Thermodynamic properties of humid air and combustion gases.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREThermodynamische Stoffwerte vonfeuchter Luft und VerbrennungsgasenThermodynamic properties ofhumid air and combustion gasesVDI 4670Blatt 1 / Part 1Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Handbuch EnergietechnikVDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und StrukturanalyseVDI

2、-RICHTLINIENDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 17.200.01 April 2016The German version of this standard shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation. Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleit

3、ung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 32 Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Gltigkeit der Gleichungen . . . . . . . . . . 44 Thermodynamische Eigenschaften feuchter Luft und nicht dissoziierter Verbrennungs- gase . . . . . .

4、. . . . . . . . . . . . . . . . . 64.1 Definitionen und Umrechnungsvorschriften 64.2 Berechnung der Dichte . . . . . . . . . . . 74.3 Berechnung der isobaren Wrmekapazitt . 84.4 Berechnung der Enthalpie. . . . . . . . . . 94.5 Berechnung der Entropie . . . . . . . . . . 114.6 Beschleunigte Berechnun

5、gsmethoden . . . 124.7 berprfung von Anwenderprogrammen. . 135 Vereinfachte Bercksichtigung von Dissoziation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145.1 Gltigkeitsbereich. . . . . . . . . . . . . . 145.2 Berechnung der Reaktionsgren. . . . . . 155.3 Berechnung der isobaren Wrmekapazitt . 165.4 Berec

6、hnung der Enthalpie. . . . . . . . . . 165.5 Berechnung der Entropie . . . . . . . . . . 165.6 berprfung von Anwenderprogrammen. . 17Anhang A Einfluss von Dissoziations- effekten und Grenzen der verein- fachten Bercksichtigung . . . . . . . 18Anhang B Einfluss des Realgasverhaltens von feuchter Luft

7、 und nicht dissozi- ierten Verbrennungsgasen . . . . . . . 22B1 Thermodynamische Zustandsgren . . . . 22B2 Verdichter- und Turbinenwirkungsgrade . . 24Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . .

8、. . . . . . . . . . . . 32 Symbols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Validity of equations . . . . . . . . . . . . . . 44 Thermodynamic properties of humid air and non-dissociated combustion gases. . . . . . 6 4.1 Definitions and conversion rules . . . . . . 64.2 Calculation of density . .

9、 . . . . . . . . . 74.3 Calculation of isobaric heat capacity . . . . 84.4 Calculation of enthalpy . . . . . . . . . . . 94.5 Calculation of entropy . . . . . . . . . . . 114.6 Accelerated methods of calculation . . . . 124.7 Verification of user programs. . . . . . . . 135 Simplified inclusion of d

10、issociation . . . . . 14 5.1 Scope of validity . . . . . . . . . . . . . . 145.2 Calculation of reaction variables . . . . . . 155.3 Calculation of isobaric heat capacity . . . . 165.4 Calculation of enthalpy . . . . . . . . . . . 165.5 Calculation of entropy . . . . . . . . . . . 165.6 Verification

11、 of user programs. . . . . . . . 17Annex A Influence of dissociation effects and the limits of simplified consideration of dissociation . . . . . . . . . . . . . . . 18Annex B Influence of the real-gas behaviour of humid air and non-dissociated combustion gases . . . . . . . . . . . . 22B1 Thermodyn

12、amic properties . . . . . . . . . 22B2 Compressor and turbine efficiencies . . . . 24Frhere Ausgabe: 02.03 Formeredition: 02/03Zubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2016Vervielfltigung auchfr

13、innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedVDI-Gesellschaft Energie und Umwelt (GEU)Fachbereich Energiewandlung und -anwendungB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEE1E29BEST BeuthStandardsCollection - Stand

14、 2016-06 2 VDI 4670 Blatt 1 / Part 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016SeiteAnhang C Approximative Bestimmung des Schwefelsure-Taupunkts. . . . . 27Anhang D Berechnung von Enthalpie und Entropie im Umgebungszustand . . . 28Anhang E Vergleiche mit anderen Stoffda

15、tenmodellen . . . . . . . . . . 30Anhang F Anmerkungen zur Unsicherheit. . . . 32Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Na

16、chdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedin-gungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt

17、 sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/4670.EinleitungDie Kenntnis der thermodynamischen Stoffdaten des Arbeitsfluids in thermi

18、schen Arbeitsmaschinen oder Apparaten ist Voraussetzung fr alle Berechnungen, die bei der Auslegung, bei der Justierung, bei Ge-whrleistungsnachweisen und fr die berwachung der zu untersuchenden Maschinen oder Apparate er-forderlich sind. Beim Ausarbeiten der Richtlinie fr die Stoffwerte von feuchte

19、r Luft (im Verdichter) und Verbrennungsgasen (in der Turbine) wurde von Be-rechnungen fr Gasturbinen ausgegangen; die Stoff-werte knnen aber auch fr andere Komponenten und Prozesse mit den entsprechenden Gasen verwendet werden, sofern die Grenzen der Geltungsbereiche be-achtet werden.In der Praxis w

20、urden bisher mindestens sieben zum Teil erheblich voneinander abweichende mathemati-sche Formulierungen fr Zustandsgren von Luft und Verbrennungsgasen angewendet, die immer wie-der zu Diskussionen und Fehlinterpretationen fhr-ten, vgl. Anhang E und 4. Bei der steigenden Be-PageAnnex C Approximate de

21、termination of the sulphuric acid dew-point . . . . . . . . 27Annex D Calculation of enthalpy and entropy in the ambient state. . . . . . . . . . . 28Annex E Comparisons to other thermo- dynamic-property models . . . . . . . 30Annex F Comments on uncertainty . . . . . . . 32Bibliography . . . . . .

22、. . . . . . . . . . . . . . 34Preliminary noteThe content of this standard has been developed in strict accordance with the requirements and recom-mendations of the standard VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data p

23、rocessing systems and translation, either of the full text or of extracts.The use of this standard without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices. We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors

24、 to this standard.A catalogue of all available parts of this series of standards can be accessed on the Internet at www.vdi.de/4670.IntroductionThe knowledge of the thermodynamic properties of working fluids in thermal machines or apparatus is a precondition of all calculations required in the desig

25、n and adjustment of, in guarantee certification for, and in monitoring the machines or apparatus in question. Preparation of the standard for the thermodynamic properties of humid air (in the compressor) and com-bustion gases (in the turbine) was based on calcula-tions for gas turbines; the correspo

26、nding properties can, however, also be used for other components and processes and their associated gases provided the limits of the scopes of application are observed. In practice, at least seven mathematical formulations, sometimes differing considerably from each other, have been used to date for

27、 the thermodynamic prop-erties of air and combustion gases and persistently give reason for discussions and incorrect interpreta-tions, cf. Annex E and 4. In the light of the increas-B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEE1E29BEST BeuthStandardsCollec

28、tion - Stand 2016-06VDI 4670 Blatt 1 / Part 1 3 All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016ing importance of gas turbines to the power-supply industry such uncertainties should no longer be toler-ated.1 ScopeThis standard applies to the thermodynamic design of components in

29、energy and process installations with humid air and combustion gases, such as steam gen-erators, gas turbines, industrial furnaces and driers. This standard makes possible: to reproduce as accurately as possible the thermo-dynamic behaviour of the process gases within the entire region of interest w

30、hen taking into considera-tion the technological developments to be expected to demonstrate the influences of dissociation, of real-gas behaviour and of condensation which limit the accuracy of the simple models, and, where necessary, to include such influences to optimize the formulation of the equ

31、ations with regard to accuracy and calculating speed by means of comparisons to demonstrate the shortcomings of popular physical property models so as to make users aware of the necessity for a common database of sufficient accuracy Purpose of this standard is not the estimation of the composition o

32、f gas mixtures. For the calculation of the composition of humid air and combustion gases an example may be found in VDI 2048 Part 3. 2 SymbolsThe following symbols are used throughout this standard:deutung von Gasturbinen fr die Energiewirtschaft sind solche Unsicherheiten nicht zu tolerieren. 1 Anw

33、endungsbereichDie Richtlinie gilt fr die thermodynamische Ausle-gung von Komponenten energietechnischer und ver-fahrenstechnischer Anlagen mit feuchter Luft und Verbrennungsgasen wie Dampferzeuger, Gasturbi-nen, Industriefen und Trockner.Diese Richtlinie ermglicht: das thermodynamische Verhalten der

34、 Arbeitsgase unter Bercksichtigung zu erwartender techni-scher Entwicklungen im gesamten relevanten Zu-standsbereich mglichst genau wiederzugeben die Einflsse von Dissoziation, von Realgasver-halten und von Kondensation, die einfache Modelle in ihrer Genauigkeit eingrenzen, aufzu-zeigen und, so ntig

35、, mit zu erfassen die Formulierung der Gleichungen hinsichtlich Genauigkeit und Rechengeschwindigkeit zu opti-mieren durch Vergleiche Unzulnglichkeiten weit ver-breiteter Stoffdatenmodelle aufzuzeigen, um so Anwendern die Notwendigkeit einer gemeinsa-men und ausreichend genauen Datenbasis bewusst zu

36、 machen.Ziel der vorliegenden Richtlinie ist nicht die Bestim-mung der Zusammensetzung von Gasgemischen. Ein Beispiel fr die Berechnung der Zusammensetzung von feuchter Luft und Rauchgasen findet sich in VDI 2048 Blatt 3.2 FormelzeichenIn dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelz

37、eichen verwendet:Formelzeichen /SymbolBezeichnung / DesignationEinheit / UnitA empirischer Parameter zur Bestimmung von Reaktionsgren / empirical parameter for determining reaction variablesa Temperaturkoeffizient der molaren isobaren Wrmekapazitt / temperature coefficient of the molar isobaric heat

38、 capacityJ/(mol K)B empirischer Parameter zur Bestimmung von Reaktionsgren / empirical parameter for determining reaction variablesKb Exponent / exponent C empirischer Parameter zur Bestimmung von Reaktionsgren / empirical parameter for determining reaction variablesJ/(mol K)c Parameter zur Berechnu

39、ng der molaren Enthalpie / parameter for calculating the molar enthalpyJ/molB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEE1E29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-06 4 VDI 4670 Blatt 1 / Part 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V.,

40、Dsseldorf 20163 Gltigkeit der Gleichungen In Abschnitt 4 werden feuchte Luft und Verbren-nungsgase zunchst unter Vernachlssigung von Dis-soziationseffekten als im Gleichgewicht befindliche Gemische idealer Gase mit den Komponenten Stickstoff Sauerstoff Argon Neon Wasser Kohlendioxid Kohlenmonoxid Sc

41、hwefeldioxidbetrachtet. Unter diesen Annahmen gelten in dem Temperaturbereich200 K T 3300 KFormelzeichen /SymbolBezeichnung / DesignationEinheit / Unitcp isobare Wrmekapazitt / isobaric heat capacity J/(mol K), J/(kg K)D empirischer Parameter zur Bestimmung von Reaktionsgren / empirical parameter fo

42、r determining reaction variablesJ/mold Parameter zur Berechnung der molaren Entropie / parameter for calculating the molar entropyJ/(mol K)E empirischer Parameter zur Bestimmung von Reaktionsgren / empirical parameter for determining reaction variablesJ K/molh Enthalpie / enthalpy J/mol, J/kgi, j, k

43、 Laufindizes / subscript series J Anzahl der bercksichtigten Dissoziationsreaktionen / number of dissociation reactions taken into accountK Anzahl der Komponenten im Gemisch / number of components in the mixture M Molmasse / molar mass kg/molm Masse / mass kgn Substanzmenge / amount-of-substance mol

44、p Druck / pressure MPaR Gaskonstante / gas constant J/(mol K), J/(kg K)s Entropie / entropy J/(mol K), J/(kg K)T thermodynamische Temperatur / thermodynamic temperature KU Umsatzkennzahl / reaction index V Energiekennzahl / energy index x Molenbruch (Stoffmengenanteil nach DIN 1310) / mole fraction

45、(proportion of substance per DIN 1310) Wirkungsgrad / efficiency Luftverhltnis / air ratio Dichte / density kg/m3 Massenbruch (Massenanteil nach DIN 1310) / mass fraction (proportion of mass per DIN 1310)3 Validity of equationsIn Section 4 humid air and combustion gases are first considered as mixtu

46、res of ideal gases in equilibrium, but without taking dissociation effects into account. The following components are considered nitrogen oxygen argon neon water carbon dioxide carbon monoxide sulphur dioxideWith these assumptions, in the temperature range 200 K T 3300 KB974908A824A6748CAAAA99BAB349

47、F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEE1E29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-06VDI 4670 Blatt 1 / Part 1 5 All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016die zur Berechnung kalorischer Zustandsgren ver-wendeten empirischen Gleichungen, Gleichung (10)

48、 bis Gleichung (21), ohne Beschrnkung des Druck-bereichs. Allerdings fhren die zugrunde liegenden Annahmen in der Praxis zu einer wesentlichen Ein-grenzung des Gltigkeitsbereichs.Bei Temperaturen ber 1200 K werden kalorische Zu-standsgren von Verbrennungsgasen signifikant von Dissoziationseffekten b

49、eeinflusst. Eine exakte Berck-sichtigung dieser Effekte erfordert eine numerisch und programmtechnisch aufwendige Berechnung von Simultangleichgewichten. In Abschnitt 5 wird ein ver-einfachtes Modell zur Bercksichtigung von Dissozi-ationseffekten vorgestellt. Details zum Gltigkeitsbe-reich des vereinfachten Dissoziationsmodells finden sich in Abschnitt 5.1; Details zum Einfluss von Disso-ziationseffe