Características del vapor y el agua Historia de la formulación

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Las propiedades del vapor y del agua juegan un papel basic en el diseño y el rendimiento de las calderas de vapor, las turbinas de vapor y otros equipos relacionados con el vapor. Incluso las pequeñas discrepancias en la determinación de propiedades clave, como la entalpía, pueden costar miles de dólares en pérdida de rendimiento de turbinas y calderas. Estos aspectos juegan un papel muy importante en la precisión de la tabla de vapor. Ahora ha sido reemplazado en gran parte por un software computarizado de caracterización de vapor y agua.

En las décadas de 1920 y 1930, ingenieros y científicos desarrollaron tablas aceptadas internacionalmente que deberían ser razonablemente precisas para las propiedades del agua y el vapor que podrían vincular legalmente a compradores y proveedores. Sentí una necesidad desesperada de llegar a un acuerdo. Después de mucho discussion y un largo discussion, la comunidad científica y de ingeniería internacional ha acordado algunas tablas iniciales de propiedades para rangos limitados de presión y temperatura. Publicadas en 1934, estas tablas se convirtieron en herramientas esenciales para los ingenieros y se conocieron como «tablas de vapor». Estas discusiones internacionales dieron lugar a una organización llamada Asociación Internacional para las Propiedades del Agua y el Vapor (IAPWS).

Introducidas en la década de 1930, las mesas de vapor estuvieron en uso industrial durante aproximadamente 30 años, pero en la década de 1960, cuando los regímenes operativos de las centrales eléctricas de vapor comenzaron a expandirse a presiones y temperaturas más altas, se hizo evidente la necesidad de actualizar las mesas. En ese momento, se hizo imperativo incorporar datos experimentales más precisos y precisos en las tablas de propiedades del vapor. Las computadoras tuvieron un gran impacto en este sentido, y en 1967 una nueva formulación, IFC-67, se convirtió en la siguiente versión aceptada internacionalmente.

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En la década de 1990, la necesidad de mejoras adicionales en la precisión, confiabilidad y velocidad computacional se sintió con tanta fuerza que en 1995 la IAWPS adoptó una nueva versión de Steam and Drinking water Attributes conocida como IAPWS-95. Esta es una mejora significativa en comparación con IFC-67. Luego, con la llegada de las computadoras personales, el uso de la velocidad de cómputo se convirtió en un estándar importante, y en 1997 la comunidad internacional adoptó formalmente la última versión, conocida como IAPWS-IF97. IFC-67 ha estado en uso durante casi 30 años, tiempo durante el cual ya se usaba mucho software package personalizado en la industria y la academia. Por lo tanto, no fue tan fácil introducir una formulación completamente nueva en la década de 1990.

IF97 divide todo el régimen termodinámico en cinco regiones para facilitar cálculos más rápidos y consistentes, y detalla formulaciones específicas para cada zona. Sin duda, la división en múltiples zonas hizo que los cálculos fueran más consistentes y rápidos, pero planteó dudas sobre la salida cerca de los límites de la zona, lo que realmente no tenía sentido. IF97 tomó precauciones especiales para minimizar las discontinuidades en la zona límite para que los resultados de los cálculos no afecten significativamente los cálculos, especialmente el ciclo de potencia.

Avances en IAPWS-IF97

El progreso logrado con IF-97 se puede resumir de la siguiente manera.

・Velocidad de cálculo mejorada

・Mayor precisión

Mayor consistencia

・Introducción de la zona de alta temperatura

En promedio, se ha observado que los cálculos basados en IF-97 son aproximadamente cinco veces más rápidos que la formulación utilizada en IF-67 (no en la región del punto crítico). La introducción de la función de retroceso ha reducido el tiempo necesario para los cálculos iterativos. Sin embargo, la velocidad computacional true depende en gran medida de la habilidad del programador y la potencia del procesador de la computadora, y los efectos de la velocidad dominan en los cálculos que involucran el método de elementos finitos. La precisión y la consistencia son fundamentales en IF-97, con la introducción adecuada de los últimos resultados experimentales, y ha sido probado exhaustivamente antes de ser adoptado por la comunidad internacional. La introducción de una nueva zona de alta temperatura (Zona 5) hasta 2000 °C ha ayudado en el diseño de la planta de ciclo combinado. Otra ventaja de IF-97 es que contiene la velocidad del sonido. Esto resultó útil para el análisis del flujo de estrangulamiento y la densidad en función de la temperatura y la presión, lo que facilitó el cálculo de la viscosidad y la conductividad térmica.

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Efecto de adoptar IAPWS-IF97

Si bien no es abrumador, la transición de IF67 a IF97 tiene efectos importantes en la salida obtenida con IF97 en comparación con IF67, que se pueden resumir a continuación.

・Cambio en el calor latente de vaporización

・Cambio de entalpía a temperatura de sobrecalentamiento

・Nueva formulación en la región metaestable

La precisión mejorada, el uso de la ecuación de energía de Gibbs y otras características científicas de IF97 han permitido un enfoque más confiable para el diseño y el rendimiento de los equipos basados en vapor. La principal diferencia con IF67 está en el cálculo de los presupuestos de calor comercialmente significativos. Las plantas que se diseñaron alrededor del IF67 y se actualizaron después de la introducción del IF97 tenían algunos problemas que debían resolverse. Sin embargo, las centrales eléctricas diseñadas a fines de la década de 1990 y principios de la de 2000 no sufren tal controversia debido a la amplia aceptación de IF97 por parte de la comunidad internacional.

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