ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЛУЖБА СТАНДАРТНЫХ СПРАВОЧНЫХ ДАННЫХ В ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ

"РОСАТОМ" - НИЯУ МИФИ

ГОЛОВНОЙ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ДАННЫХ

 
☰ Меню

База данных по теплофизическим свойствам газов и их смесей, используемых в ЯЭУ

Теплофизические свойства водорода

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГАЗОВ В ЯЭУ

 

 

Естественный водород представляет собой смесь двух изотопов: водорода (99,985%) и дейтерия (0.015%). Молекулы водорода существуют в двух состояниях: параводорода и ортоводорода. В интервале температур от 0 до 20 градусов (по Кельвину) водород находится в пара-состоянии. При более высоких температурах (около 200 градусов) водород частично изомеризуется в орто-состояние примерно в следующей пропорции: 75 % ортоводорода с параллельно ориентированными ядерными спинами и 25 % параводорода с антипараллельными спинами ядер. Соотношение ортоводорода и параводорода сильно зависит от температуры (до 200 градусов) и практически не зависит от давления. Таким образом, приведенные ниже теплофизические свойства водорода соответствуют пропорции ортоводорода и параводорода в пропорции 75/25.

Наибольший интерес для приложений в атомной науке и технике представляют характеристики и свойства водорода в диапазоне температур Т = 300 K÷1200 K и давлений Р = 0,1÷1,2 MПa. Данные диапазоны охватывают «рабочие» области изменения температуры и давления в действующих российских коммерческих ядерных реакторах (ВВЭР-1000: 580 – 630 градусов и БН-600: 890 – 940 градусов). Более высокие интервалы изменения температуры интересны в плане изучения последствий проектных и запроектных аварий. Водородные взрывы, прозвучавшие при аварии на японской АЭС «Фукушима» в 2011 г., указывают на очевидную актуальность теплофизических данных водорода в рассматриваемых интервалах.

Далее приводятся данные для расчета теплофизических характеристик газообразного водорода в зависимости от температур Т и давления Р. При этом систематизировались и анализировались данные, приведенные в работах [10÷24]. Если не оговорено особо, указанные погрешности соответствуют 95%-му квантилю нормального распределения (т.е. указаны погрешности 2σ).

Фундаментальные константы для водорода:

Молекулярный вес M = 2,0158 ± 0,0003 кг/моль [1]
Удельная газовая постоянная R = 4124,5 ± 0,1 Дж/(кг·K) [2, 3]
Температура кипения при нормальном давлении Tк = 20,28 K, [12]
Критическая температура Tкр = 33,23 K [12]
Критическое давление Pкр = 12,93 бар [12]
Критическая плотность rкр = 31,6 кг/м3 [12]

Далее приводятся корреляции, которые рекомендуется использовать при расчетах теплогидравлических характеристик Н2.
Удельный объем
Удельный объем, м3/кг, [13]:
V=RT/P+B(T) (1)
где температура Т в К, давление Р в Па, B(T) = b0·B*; b0 = 18,603·10-3 м3/кг.

B* = ∑5 i = 1 αi[lnT*]-(i-1) (2)
где T* = T/ε, ε = 25,7 K, α1 = –0,719805; α2 = –9,93238; α3 = – 28,4411; α4 = – 31,7303E ; α5 = –13,5541. Точность аппроксимации не превышает 6 %.

Удельная изобарная теплоемкость, Дж/(кг К) [9, 15]:
Hp = Hpo-B2P/T, (3)
где
Hpo/R = ∑4i = -2φi(T10-4)i;, B2 = φ0T*2(d2B*/d(T*)2)
где φ-2 = – 0,000181996; φ-1 = 0,0; φ0 = 4,00126; φ1 = – 15,6159; φ2 = 178,060; φ3 = –650,552; φ4 = 832,583. Точность аппроксимации не превышает 0,1 % в интервале температур T = 200÷2000 K и при давлении Р = 0,1 ÷ 1,2 MПa.

Удельная изохорная теплоемкость, Дж/(кг К), [9, 15]: Hv = Hvo = (2B1+B2)p/T, (4)
B1 = T(dB/dT) = fi = oT*(dB*/dT*),
где H = H - R, B2 показаны выше.
Точность аппроксимации не превышает 0,1 % в интервале температур T = 200 ÷ 2000 K, при давлении в диапазоне Р = 0,1 ÷ 1,2 MПa.

Термодинамическая скорость звука, м/с, [22]:
W = √((Hpo/Hvo)V2(dP/dV)T), (5)

Удельная энтальпия, Дж/кг, [17]:
Э = Э300- Эo)M-1+104τ0Hpodτ+(b-b1)P, (6)
где Э300 – Эo = 8,521·106, Дж/кг.
При расчетах учитывается начальная точка отсчета – состояние газа при T = 0 K, τ = (10-4T) K, B и B1 и Сpo, показанных выше.

Аппроксимационная точность не превышает 0,2 % в рассматриваемом диапазоне параметров.

Удельная энтропия, Дж/(кг К), [17]:
S = S300M-1+∫τ0.03Hpod(lnτ)-Rln(p/p0)-(B1p/T); (7)
S300 = 130,747(103), Дж/(кмоль К)

S – энтропия в стандартном идеально-газовом состоянии,
М – молекулярный вес,
Pо = 0,101325·106 Пa,
Нp0, τ и B рассматриваются выше.
Аппроксимационная точность не превышает 0,1% в диапазоне температур от 300 до 2000 К и при давлении от 0,1 до 6 МПа.

Динамическая вязкость
Коэффициент динамической вязкости, Па·с, [22]:
β = (2,669 10 - 6√MT)/(d2K), (8)

K = ∑5i = 1ωi(lnT*) - (i - 1), (9)
где T* = T/ε, ε = 25,7 K , d = 3,1 ангстрем и ω1 = –0,371991; ω2 = 6,88310; ω3 = –16,9271; ω4 = 21,0628; ω5 = –10,1934. Аппроксимационная точность: при температуре T = 300 ÷ 1000 K составляет 1 %, при Т = 1000 ÷ 2500 K составляет 1,5 %.

Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м К), по данным работы [24]:
α = βHvof (10)

f = 3,75R/Hvo + E Hin/Hvo(11)
Hin = Hpo - 5R/2

E = 1,2∑3i = 1εi(lnT*) - (i - 1) ,(12)
где β (Па с), Hvo (Дж/(кг К)), ε1 = 1,19903; ε2 = –0,211897; ε3 = 0,126810.

Аппроксимационная точность: при T в диапазоне от 300 до 1000 K равна 2 %, при Т в диапазоне от 1000 до 2500 К составляет 3 %.
Часть данных из нижеприведенной таблицы рассчитаны по приведенным выше соотношениям для давления 750 мм рт. ст. Кроме того, соотношение δ = β/r используется для расчета коэффициента кинематической вязкости; γ = α/(Hpr) – для коэффициента температуропроводности, и ε = δ / γ – для числа Прандтля.

 

 

 

 

Яндекс.Метрика