Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul berechnet die thermophysikalischen Stoffwerte von Ammoniak nach dem VDI-Wärmeatlas (12. Auflage 2019) — wahlweise für den einphasigen Zustand aus Temperatur und Druck oder für den Sättigungszustand entlang der Siedelinie. Neben Dichte, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und Prandtl-Zahl stehen kalorische Größen wie Enthalpie, Entropie und Verdampfungsenthalpie sowie Realgasfaktor, Schallgeschwindigkeit, Oberflächenspannung und die kritischen Daten zur Verfügung.
Ammoniak-Stoffwerte berechnen ist Alltag in der Kältetechnik: Als natürliches Kältemittel R717 mit hoher Verdampfungsenthalpie ist Ammoniak in Industriekälteanlagen, Wärmepumpen und Kaskadensystemen weit verbreitet. Darüber hinaus werden die Stoffwerte in der chemischen Industrie (Ammoniaksynthese, Düngemittelproduktion), bei Absorptionskälteanlagen und zunehmend bei Ammoniak als Wasserstoffträger und Brennstoff benötigt. Der Gültigkeitsbereich umfasst einphasig −50 °C bis 300 °C bei 1 bar bis 500 bar, im Siedezustand −75 °C bis 130 °C — also den gesamten kältetechnisch relevanten Bereich bis nahe an den kritischen Punkt.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI Wärmeatlas, 12. Auflage 2019
So läuft die Berechnung ab
- Zustandsart festlegen: Über die Abfrage des Sättigungszustands wird entschieden, ob ein einphasiger Zustand (Gas oder Flüssigkeit) oder der Zweiphasen-Gleichgewichtszustand auf der Siedelinie berechnet wird.
- Zustandsgrößen eingeben: Im einphasigen Fall werden Temperatur und Druck unabhängig vorgegeben; im Sättigungsfall genügt eine der beiden Größen, die andere folgt aus der Dampfdruckkurve.
- Gültigkeitsbereich prüfen: Das Modul kontrolliert, ob der Zustandspunkt innerhalb der Korrelationsgrenzen liegt (einphasig −50 °C bis 300 °C, 1 bar bis 500 bar; siedend −75 °C bis 130 °C) und weist Überschreitungen aus.
- Stoffwerte berechnen: Aus den hinterlegten Korrelationen des VDI-Wärmeatlas werden Dichte, Wärmekapazität, Enthalpie, Entropie, Verdampfungsenthalpie, Realgasfaktor und Schallgeschwindigkeit sowie die Transportgrößen Wärmeleitfähigkeit, Viskosität, Temperaturleitfähigkeit und Prandtl-Zahl bestimmt — im Sättigungsfall getrennt für siedende Flüssigkeit und gesättigten Dampf.
- Ergebnisse für Folgeberechnungen übernehmen: Die Stoffwerte fließen direkt in Wärmeübergangs-, Druckverlust- und Apparateberechnungen ein, etwa in Verdampfer- und Kondensatormodule oder in die Auslegung von Rohrleitungen für Kälteanlagen.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Druck | p | Pa |
| Temperatur | ϑ | °C |
| _Aggregatzustand 1 | 1 | – |
| Siedetemperatur bei Berechnungsdruck 1 | 1 | °C |
| Dichte 1 | 1 | kg/m³ |
| Realgasfaktor Dampf 1 | 1 | – |
| Sättigungszustand? | 1) | kJ/kg |
| Sättigungszustand? | 2) | kJ/(kg·K) |
| Prandtl-Zahl 1 | 1 | – |
| Spez. Enthalpie 1 | 1 | J/kg |
| Spez. Entropie 1 | 1 | J/(kg·K) |
| Spez. isobare Wärmekapazität 1 | 1 | J/(kg·K) |
| Isobarer Ausdehnungskoeffizient 1 | 1 | 1/K |
| Wärmeleitfähigkeit 1 | 1 | W/(m·K) |
| Dyn. Viskosität 1 | 1 | mPa·s |
| Kin. Viskosität 1 | 1 | m²/s |
| Temperaturleitfähigkeit 1 | 1 | m²/s |
| Dichte Dampf 1 | 1 | kg/m³ |
| Prandtl-Zahl Dampf 1 | 1 | – |
| Spez. Enthalpie Dampf 1 | 1 | J/kg |
| Spez. Entropie Dampf 2 | 2 | J/(kg·K) |
| Spez. isobare Wärmekapazität Dampf 1 | 1 | J/(kg·K) |
| Isobarer Ausdehnungskoeffizient Dampf 1 | 1 | 1/K |
| Wärmeleitfähigkeit Dampf 1 | 1 | W/(m·K) |
Berechnungsoptionen
_Aggregatzustand 1
1 · Flüssigkeit · Auf der Siedelinie · überkritisch
Sättigungszustand?
Nein · Ja
Sättigungszustand?
Nein · Ja
_Aggregatzustand 2
1 · Flüssigkeit · Auf der Siedelinie · überkritisch
Häufige Fragen
Warum ist Ammoniak als Kältemittel R717 so verbreitet, und was bedeutet das für die Stoffwerte?
Ammoniak hat eine außergewöhnlich hohe spezifische Verdampfungsenthalpie (bei −33 °C rund 1 370 kJ/kg, ein Vielfaches synthetischer Kältemittel), gute Wärmeübergangseigenschaften, GWP = 0 und ODP = 0. Dadurch kommen Anlagen mit vergleichsweise kleinen Massenströmen aus. Für die Auslegung heißt das: Verdampfungsenthalpie, Dampfdichte und Prandtl-Zahl müssen zustandsabhängig genau bestimmt werden, weil sie sich entlang der Siedelinie stark ändern — genau das leistet das Stoffwertmodul.
Wo liegen kritischer Punkt und Tripelpunkt von Ammoniak, und warum sind sie wichtig?
Der kritische Punkt liegt bei etwa 132,25 °C und 113,3 bar, der Tripelpunkt bei −77,65 °C. Oberhalb des kritischen Punkts gibt es keine Verdampfung mehr — die Siedezustandsberechnung endet deshalb bei 130 °C, knapp unterhalb des kritischen Punkts, wo die Stoffwerte beider Phasen zusammenlaufen und Korrelationen zunehmend unsicher werden. Unterhalb des Tripelpunkts existiert keine flüssige Phase.
Was ist bei der Verwendung der Stoffwerte in der Nähe der Sättigungslinie zu beachten?
Im einphasigen Modus ist darauf zu achten, auf welcher Seite der Dampfdruckkurve der Zustandspunkt liegt: Bereits kleine Temperatur- oder Druckabweichungen können den Phasenzustand wechseln, wodurch sich Dichte und Wärmekapazität sprunghaft ändern. Für Zustände nahe der Sättigung sollte man bewusst den Sättigungsmodus verwenden und mit den getrennten Werten für Flüssigkeit und Dampf arbeiten.
Berücksichtigt das Modul auch sicherheitstechnische Kenngrößen von Ammoniak?
Nein, das Modul liefert thermophysikalische Stoffwerte. Sicherheitstechnische Eigenschaften — Toxizität, Zündgrenzen (etwa 15–34 Vol.-% in Luft), Werkstoffverträglichkeit (kein Kupfer!) und Einstufung als Gefahrstoff — sind separat nach den einschlägigen Regelwerken (z. B. EN 378 für Kälteanlagen) zu bewerten.