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Software FLUIDCAL zur Berechnung von thermodynamischen Eigenschaften für eine grosse Anzahl von Stoffen

 

Zur Berechnung von Werten thermodynamischer Eigenschaften aus Zustandsgleichungen (in der heute üblichen Form als Fundamentalgleichung der freien Energie) für wissenschaftliche und technische Anwendungen steht das Programmmodul FLUIDCAL zur Verfügung. Es ermöglicht für mehr als 70 Stoffe die Berechnung von 25 thermodynamischen Zustandsgrößen und für eine Reihe von Stoffen (siehe die Aufstellung weiter unten) auch die Berechnung der wichtigsten Transportgrößen. Als Eingangsgrößen der Berechnungen können dabei alle Kombinationen der Größen Temperatur T, Druck p, Dichte ρ, spezifische Enthalpie h und spezifische Entropie s verwendet werden.

Hinweise zu den verschiedenen Windows-Betriebssystemen und Excel-Versionen sowie zur 64 Bit-DLL und .Net-DLL sind am Ende der Softwarebeschreibung aufgeführt.


Im Programmmodul FLUIDCAL enthaltene Stoffe

Um Software für eine möglichst große Anzahl an Stoffen anzubieten, sind im Programmmodul FLUIDCAL sowohl die am Lehrstuhl für Thermodynamik entwickelten Zustandsgleichungen als auch mit Gleichungen anderer Autoren enthalten, deren Qualität geprüft wurde.

Zur Zeit ist Software für die folgenden 72 Stoffe verfügbar:

Ammoniak**

Gleichung von Tillner-Roth et al. (1993)

Argon**

Gleichung von Tegeler et al. (1999)

Azeton

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

Benzol

Gleichung von Bonsen (2002)

Butan**

Gleichung von Bücker und Wagner (2006)

Buten (1-Buten)

Gleichung von Lemmon und Ihmels (2004)

Buten
(cis-2-Buten)

Gleichung von Lemmon und Ihmels (2004)

Buten
(trans-2-Buten)

Gleichung von Lemmon und Ihmels (2004)

Chlor

Gleichung von Angus et al. (1985), Standard derIUPAC

Chlorwasserstoff

 

Cyclohexan

Gleichung von Penoncello et al. (1995)

Cyclopentan

Gleichung von Bonsen (2002)

Dekan*

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

Diethylether

Gleichung von Bonsen (2002)

Distickstoffoxid

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

2,3-Dimethylbutan

Gleichung von Bonsen (2002)

n-Dodekan

Gleichung von Lemmon und Huber (2004)

Ethan**

Gleichung von Bücker und Wagner (2006)

Ethanol

Gleichung von Dillon und Penoncello (2004)

Ethylbenzol

Gleichung von Bonsen (2002)

Ethylen**

Gleichung von Smukala et al. (2000)

Fluor

Gleichung von de Reuck (1990), Standard der IUPAC

Helium

Gleichung von McCarty und Arp (1990)

Heptan*

Gleichung von Span und Wagner (2003)

Hexan*

Gleichung von Span und Wagner (2003)

Isobutan**

Gleichung von Bücker und Wagner (2006)

Isobutylen

Gleichung von Lemmon und Ihmels (2004)

Isohexan

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

Isopentan

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

Kohlendioxid**

Gleichung von Span und Wagner (1996)

Kohlenmonoxid

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

Kohlenoxysulfid

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

Krypton

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

Methan**

Gleichung von Setzmann und Wagner (1991), Standard der IUPAC

Methanol

Gleichung von de Reuck und Craven (1993), Standard der IUPAC

Neon

Gleichung von Katti et al. (1986)

Neopentan

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

Nonan*

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

Oktan*

Gleichung von Span und Wagner (2003)

Pentan**

Gleichung von Span und Wagner (2003)

Propan**

Gleichung von Lemmon et al. (2009)

Propylbenzol

Gleichung von Bonsen (2002)

Propylen

Gleichung von Lemmon et al. (2011)

R11*

Gleichung von Marx et al. (1992)

R12*

Gleichung von Marx et al. (1992)

R22**

Gleichung von Wagner et al. (1993)

R23

Gleichung von Penoncello et al. (2000)

R32**

Gleichung von Tillner-Roth und Yokozeki (1997)

R41

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

R113

Gleichung von Marx et al. (1992)

R116

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

R123**

Gleichung von Younglove und McLinden (1994), Standard der IEA

R124**

Gleichung von de Vries et al. (1995), Standard der IEA

R125**

Gleichung von Piao und Noguchi (1998), Standard der IEA

R134a**

Gleichung von Tillner-Roth und Baehr (1994), Standard der IEA

R141b

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

R142b

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

R143a**

Gleichung von Lemmon und Jacobsen (2000), Standard der IEA

R152a**

Gleichung von Tillner-Roth (1995)

R218

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

R227ea

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

R245fa

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

R1234yf

Gleichung von Richter et al. (2011)

Sauerstoff**

Gleichung von Schmidt und Wagner (1985), Standard der IUPAC

Schwefeldioxid

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

Schwefelhexafluorid

Gleichung von Guder und Wagner (2009)

Schwefelwasserstoff

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

Stickstoff**

Gleichung von Span et al. (2000)

Toluol

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

Wasser**

Gleichung von Wagner und Pruß (2002), wissenschaftlicher Standard der IAPWS (IAPWS-95)

Wasserstoff

Gleichung von Leachmann et al. (2009)

Xenon

Gleichung von Lemmon und Span (2006)

 * Für die mit einem Stern versehenen Stoffe enthält das Programmmodul FLUIDCAL auch Funktionen zur Berechnung der dynamischen und kinematischen Viskosität.

** Für die mit zwei Sternen versehenen Stoffe enthält das Programmmodul FLUIDCAL auch Funktionen zur Berechnung der dynamischen und kinematischen Viskosität sowie für die Wärmeleitfähigkeit und die Prandtl Zahl.

Eine Übersicht mit den Literaturstellen zu den jeweiligen Zustandsgleichungen ist hier zu finden.

 

Berechenbare Zustandsgrößen

T

Temperatur

p

Druck

ρ

Dichte

h

spezifische Enthalpie

s

spezifische Entropie

cp

spezifische isobare Wärmekapazität

cv

spezifische isochore Wärmekapazität

w

Schallgeschwindigkeit

u

spezifische innere Energie

f

spezifische freie Energie

g

spezifische freie Enthalpie

f *

Fugazität

(∂p/∂T)ρ

partielle Ableitung des Druckes nach der Temperatur bei konstanter Dichte

(∂p/∂ρ)T

partielle Ableitung des Druckes nach der Dichte bei konstanter Temperatur

(∂ρ/∂T)p

partielle Ableitung der Dichte nach der Temperatur bei konstantem Druck

μ

Joule-Thomson Koeffizient

 δT

isothermer Drosselkoeffizient

κ

Isentropenexponent

B

zweiter Virialkoeffizient

C

dritter Virialkoeffizient

η

dynamische Viskosität+

ν

kinematische Viskosität+

λ

Wärmeleitfähigkeit++

+ Nur für die in der weiter oben stehenden Liste mit * markierten Stoffe.

++ Nur für die in der weiter oben stehenden Liste mit ** markierten Stoffe.


Eingangsgrößen für die Berechnung
 

Fundamentalgleichungen der freien Energie werden als Funktion der Temperatur T und der Dichte ρ formuliert. Da für technische Berechnungen jedoch meistens andere Eingangsgrößen vorliegen, enthält das Programmmodul FLUIDCAL Funktionen, mit denen für die Eingangsgrößenkombinationen (T,p), (T,h), (T,s), (p,ρ), (ρ,h), (ρ,s), (p,h), (p,s) sowie (h,s) sowohl im homogenen Zustandsgebiet als auch im Zweiphasengebiet die jeweils fehlenden Werte für die Größen Temperatur T und Dichte ρ berechnet werden.

Für die wichtigsten Eingangsgrößenkombinationen (T,p) und (T,ρ) stehen zur Berechnung aller oben aufgelisteten Zustandsgrößen direkt entsprechende Funktionen zur Verfügung. Zur Vermeidung eines unübersichtlich großen Funktionsumfangs existieren für die anderen Kombinationen der Eingangsgrößen jeweils Funktionen zur Berechnung von T und ρ. In Verbindung mit diesen Funktionen können für alle oben aufgeführten Eingangsgrößenkombinationen die entsprechenden Zustandsgrößen berechnet werden. Im Zweiphasengebiet werden dabei für alle in diesem Bereich definierten Zustandsgrößen die Werte für den stabilen zweiphasigen Zustand ausgegeben.

Zur Berechnung von Zustandsgrößen auf der Phasengrenze flüssig – gasförmig können als Eingangsgrößen Enthalpie Temperatur, Druck oder Dichte verwendet werden. Für die wichtigsten thermodynamischen Zustandsgrößen existieren für die Siede- und Taulinie direkte Funktionen in Abhängigkeit von der Temperatur. Alle anderen Größen können durch Kombination der Berechnung der Siede- bzw. Taudichte mit der entsprechenden Funktion für die Eingangsgrößen Temperatur und Dichte berechnet werden. Liegt als Eingangsgröße der Dampfdruck vor, lässt sich mit entsprechenden Funktionen zunächst die Siedetemperatur sowie die Siede- und Taudichte berechnen. Mit diesen Größen ist wiederum unter Verwendung der Funktionen für die Eingangsgrößen Temperatur und Dichte die Berechnung aller Zustandsgrößen auf der Siede- und Taulinie möglich. Analog dazu kann für gegebene Werte der Siede- oder Taudichte zunächst die Siedetemperatur berechnet werden, die zusammen mit der gegebenen Dichte die Berechnung der anderen Zustandsgrößen ermöglicht.


Das Programm FLUIDCAL zur Berechnung thermodynamischer Zustandsgrößen
 

Zur Einbindung von Fundamentalgleichungen in benutzerspezifische Anwendungen enthält das Programm FLUIDCAL eine Dynamic Link Library (DLL). Die DLL enthält mehr als 60 Funktionen, die die Berechnung aller oben aufgelisteten Zustandsgrößen im homogenen Zustandsgebiet, im Zweiphasengebiet (falls thermodynamisch sinnvoll) sowie entlang der Siede- und Taulinie für alle Kombinationen der Eingangsgrößen T, p, ρ, h und s erlauben. Der Aufruf erfolgt über einfache Funktionsnamen, die Angaben über die zu berechnenden Größen und die Eingangsgrößen enthalten. So steht zum Beispiel zur Berechnung der Dichte ρ für gegebene Werte der Temperatur T und des Druckes p die Funktion DOTP zur Verfügung.

Zusätzlich zur DLL wird ein Microsoft Excel Add-In mitgeliefert. Mit Hilfe des Add-Ins können die exportierten Funktionen der DLL zur Berechnung von Zustandsgrößen dem Standard-Funktionsumfang von Microsoft Excel hinzugefügt werden. Das ermöglicht eine sehr einfache Verwendung der DLL unter Microsoft Excel durch Aufruf der gewünschten Funktion mit den erforderlichen Eingangsgrößen. Zusätzlich zu den Eingangsgrößen Temperatur T und Druck p (oder andere Eingangsgrößen, siehe oben) muss die Nummer für den gewählten Stoff (SUBNR) gegeben werden.

Als Beispiel zeigt der folgende Screenshot die Ergebnisse für die Berechnung der Zustandsgrößen für Methan (SUBNR = 1) für T = 180 K und p = 0,101325 MPa. Für T = 180 K wurden auch alle Größen auf der Siede- und Taulinie berechnet. Die Dichte innerhalb des Zweiphasengebietes wurde für den Dampfgehalt x = 0,5 berechnet. Ist die Dichte an einem Punkt im Zweiphasengebiet bekannt, lassen sich auch alle anderen Größen an diesem Punkt berechnen, die innerhalb des Zweiphasengebiets definiert sind. Alle diese Größen werden in diesem Beispiel auf einmal berechnet. Natürlich kann ein Benutzer sein eigenes Excel-Blatt erstellen.

Eine ebenfalls im Paket enthaltene .LIB Datei erlaubt die einfache Einbindung der DLL in benutzerspezifische Fortran-, und C Programme sowie Visual Basic.

Alle Funktionen, die aus der DLL aufgerufen werden können, sind in einer Beschreibung der Software (MANUAL.PDF) ausführlich dokumentiert.

 

 

Excel-Blatt als Beispiel für die berechenbaren Funktionen.

 

Das Programm FLUIDCAL ist für jeden der oben aufgelisteten Stoffe in beliebigen Kombinationen für eine frei wählbare Anzahl von Stoffen verfügbar.

Die Software FLUIDCAL ist nicht kostenlos (Ausnahme für Hochschulen: Die Software für Wasser entsprechend der IAPWS-95 sofern es für reine Lehr- und Forschungszwecke eingesetzt wird. Informationen zu einem kostenlosen Download für Universitäten finden Sie hier).

Die Software FLUIDCAL ist von der Firma F.I.R.S.T. GmbH (siehe unten) oder vom Lehrstuhl für Thermodynamik erhältlich.

Die DLL und die Excel-Dateien .xla, .xlam, .xls, xlsm wurden so konfiguriert, dass sie unter den verschiedenen Windows Betriebssystemen [Windows 2000 bis XP (32 Bit), Windows 7 und 8 (32 Bit/64 Bit)] und in den verschiedenen Excel-Versionen [2003 - 2013 (32 Bit)] verwendet werden können.

Die FLUIDCAL-Software ist jetzt auch als 64-Bit Version erhältlich, die auf den 64-Bit Plattformen von Windows XP bis Windows 2010 mittels des mitgelieferten 64-Bit Excel Add-Ins in die 64-Bit Versionen von Excel 2010 bis 2016 eingebunden werden kann. Die ebenfalls mitgelieferte LIB-Datei erlaubt auch die Einbindung der Software in andere 64-Bit Anwendungen (z. B. Matlab).

.Net DLLs sind ebenfalls verfügbar.



Ansprechpartner:

Prof. em. Dr.-Ing. W. Wagner
Tel.: 0234 32-29033
Fax: 0234 32-14945
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Kontakt zur F.I.R.S.T. GmbH:

F.I.R.S.T. - Gesellschaft für technisch-wissenschaftliche Softwareanwendungen mbH
Telegrafenstr. 11
42929 Wermelskirchen
Telefon: 02196 88 778 0
E-Mail:

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Homepage: www.FirstGmbH.de