Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul S-DAT ermöglicht die freie Eingabe von Stoffwerten für Medien, die nicht in den hinterlegten Stoffdatenbanken enthalten sind. Unter einer frei wählbaren Bezeichnung werden Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, dynamische und kinematische Viskosität, Prandtl-Zahl, Oberflächenspannung, thermischer Ausdehnungskoeffizient, Temperaturleitfähigkeit und spezifische Enthalpie erfasst und den nachfolgenden Berechnungsmodulen wie ein Datenbankstoff zur Verfügung gestellt.
Die Eingabe erfolgt an zwei Temperatur- bzw. Druck-Stützstellen, sodass die Temperaturabhängigkeit der Stoffwerte im Arbeitsbereich durch Interpolation abgebildet werden kann; abgeleitete Größen wie kinematische Viskosität, Prandtl-Zahl und Temperaturleitfähigkeit lassen sich aus den Grundwerten konsistent bestimmen. Damit bleiben Wärmeübergangs- und Druckverlustrechnungen auch für Sondermedien in sich stimmig.
In der Praxis braucht man die freie Stoffwerteingabe für Thermoöle spezieller Hersteller, Salzlösungen, Suspensionen, Produktgemische aus der Prozessanalytik oder immer dann, wenn Kundenmessdaten verbindlich verwendet werden sollen. Sie ist damit die Brücke zwischen Labor- bzw. Datenblattwerten und der Apparateberechnung.
So läuft die Berechnung ab
- Medium anlegen: Unter einer eindeutigen Bezeichnung wird das Sondermedium angelegt; sie erscheint später in allen Berechnungen und Ausdrucken anstelle eines Datenbankstoffs.
- Stützstellen definieren: Für zwei Temperaturen (und zugehörige Drücke) werden die Stützstellen festgelegt; sie sollten den Arbeitsbereich der geplanten Berechnung einschließen, damit nicht extrapoliert werden muss.
- Grundstoffwerte eingeben: An jeder Stützstelle werden Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und dynamische Viskosität eingetragen – die vier Grundgrößen, aus denen die wärmetechnischen Kennzahlen gebildet werden; ergänzend können Oberflächenspannung, Ausdehnungskoeffizient und spezifische Enthalpie erfasst werden.
- Abgeleitete Größen bilden: Kinematische Viskosität, Prandtl-Zahl und Temperaturleitfähigkeit werden aus den Grundwerten berechnet oder können direkt eingegeben werden; das Modul hält die Werte damit untereinander konsistent.
- Stoff in Berechnungen verwenden: Das so definierte Medium steht den Wärmeübertrager-, Druckverlust- und sonstigen Modulen zur Verfügung; Zwischenwerte im Temperaturbereich werden aus den Stützstellen interpoliert.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Bezeichnung | Bezeichnung | - |
| Temperatur | ϑ1 ϑ2 | °C |
| Temperatur | ϑ1 ϑ2 | °C |
| Druck | p1 p2 | Pa |
| Druck | p1 p2 | Pa |
| Dichte | ρ1 ρ2 | kg/m³ |
| Dichte | ρ1 ρ2 | kg/m³ |
| Dichte | ρ | kg/m³ |
| Dichte | ρ1 ρ2 | kg/m³ |
| Spezifische Wärmekapazität | cp1 cp2 | J/(kg·K) |
| Spezifische Wärmekapazität | cp1 cp2 | J/(kg·K) |
| Spezifische Wärmekapazität | cp | J/(kg·K) |
| Spezifische Wärmekapazität | cp1 cp2 | J/(kg·K) |
| Dynamische Viskosität | η1 η2 | mPa·s |
| Dynamische Viskosität | η1 η2 | mPa·s |
| Dynamische Viskosität | η | mPa·s |
| Dynamische Viskosität | η1 η2 | mPa·s |
| Kinematische Viskosität | ν1 ν2 | m²/s |
| Kinematische Viskosität | ν1 ν2 | m²/s |
| Kinematische Viskosität | ν | m²/s |
| Kinematische Viskosität | ν1 ν2 | m²/s |
| Wärmeleitfähigkeit | λ1 λ2 | W/(m·K) |
| Wärmeleitfähigkeit | λ1 λ2 | W/(m·K) |
| Wärmeleitfähigkeit | λ | W/(m·K) |
Häufige Fragen
Warum werden die Stoffwerte an zwei Stützstellen eingegeben?
Viele Stoffwerte sind deutlich temperaturabhängig – insbesondere die Viskosität von Flüssigkeiten. Mit zwei Stützstellen kann das Modul im Arbeitsbereich interpolieren, statt mit einem konstanten Wert zu rechnen. Die Stützstellen sollten den tatsächlichen Temperaturbereich der Anwendung umschließen; Extrapolation über die Stützstellen hinaus ist unsicher und zu vermeiden.
Welche Stoffwerte sind mindestens erforderlich?
Für Wärmeübergangsrechnungen die vier Grundgrößen Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und dynamische Viskosität – daraus folgen Prandtl-Zahl, kinematische Viskosität und Temperaturleitfähigkeit. Oberflächenspannung wird nur für Sieden und Zweiphasenströmung benötigt, der thermische Ausdehnungskoeffizient für freie Konvektion, die Enthalpie für Leistungsbilanzen mit Phasenwechsel.
Worauf ist bei Werten aus Herstellerdatenblättern zu achten?
Auf Einheiten und Bezugsgrößen: Datenblätter mischen häufig kinematische (mm²/s bzw. cSt) und dynamische Viskosität (mPa·s), geben Wärmekapazitäten teils in kJ/(kg·K), teils in kJ/(kg·°C) auf unterschiedlichen Bezugstemperaturen an oder nennen die Dichte nur bei 15 °C. Vor der Eingabe sollten alle Werte auf die Stützstellentemperaturen umgerechnet und die Konsistenz über die Prandtl-Zahl geprüft werden.
Lassen sich damit auch zwei Phasen oder zwei Medienseiten beschreiben?
Die Variablenstruktur sieht zwei vollständige Wertesätze vor, sodass beispielsweise Flüssigkeit und Dampf eines Stoffes oder die Medien beider Apparateseiten getrennt hinterlegt werden können. Für echte Phasenwechselrechnungen sind zusätzlich Verdampfungsenthalpie und Sättigungsdaten erforderlich, die über die Enthalpie-Eingaben abgedeckt werden.