Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul S-TAB ist ein Stoffdaten-Editor für tabellierte Stoffwerte: Der Anwender hinterlegt für ein Medium eigene Wertetabellen über Druck und Temperatur, aus denen das Modul anschließend die benötigten thermophysikalischen Stoffwerte ausliest und interpoliert. Abgedeckt werden die für Wärmeübertragungs- und Strömungsberechnungen zentralen Größen: Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, dynamische und kinematische Viskosität, Prandtl-Zahl, thermischer Ausdehnungskoeffizient, Temperaturleitfähigkeit, spezifische Enthalpie und Realgasfaktor.
In der Praxis braucht man benutzerdefinierte Stoffwerttabellen immer dann, wenn ein Medium nicht in Standard-Stoffdatenbanken enthalten ist – etwa Produktgemische, Thermoöle spezieller Hersteller, Salzlösungen, Suspensionen oder proprietäre Prozessmedien, für die nur Herstellerdatenblätter oder Messwerte vorliegen. Statt Stoffwerte in jedem Berechnungsmodul einzeln von Hand einzutippen, pflegt man die Tabelle einmal zentral und ruft sie bei Bedarf für den jeweiligen Betriebspunkt ab.
Die ausgelesenen Stoffwerte lassen sich direkt in andere Berechnungsmodule des ATLAS-Systems übertragen, zum Beispiel in Wärmeübergangs-, Druckverlust- oder Behälterberechnungen. Damit ist sichergestellt, dass alle Rechnungen eines Projekts mit denselben, dokumentierten Stoffdaten arbeiten – ein wesentlicher Punkt für Nachvollziehbarkeit und Prüfbarkeit der Auslegung.
So läuft die Berechnung ab
- Stoff anlegen und benennen: Für das Medium werden Stoffname und detaillierte Stoffbezeichnung vergeben, damit die Tabelle später eindeutig zugeordnet und im Berechnungsprotokoll dokumentiert werden kann.
- Wertetabelle erfassen: Die Stoffwerte – Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität, Enthalpie, Realgasfaktor usw. – werden als Stützstellen über der Temperatur und gegebenenfalls dem Druck eingegeben, typischerweise aus Herstellerdatenblättern oder Messreihen.
- Betriebspunkt vorgeben: Für die konkrete Berechnung werden Druck und Temperatur des Betriebspunkts eingegeben; das Modul interpoliert zwischen den Stützstellen und liefert den vollständigen Stoffwertesatz an diesem Punkt.
- Abgeleitete Größen bilden: Aus den Grundgrößen entstehen die abgeleiteten Kennzahlen, etwa die kinematische Viskosität aus dynamischer Viskosität und Dichte, die Prandtl-Zahl aus Viskosität, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit sowie die Temperaturleitfähigkeit.
- Stoffwerte in Berechnungsmodule übertragen: Der ermittelte Stoffwertesatz wird an nachgelagerte Module übergeben, sodass Wärmeübergangs-, Druckverlust- oder instationäre Berechnungen konsistent mit denselben Daten arbeiten.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| 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 |
| Spez. Wärmekapazität | cp1 cp2 | J/(kg·K) |
| Spez. Wärmekapazität | cp1 cp2 | J/(kg·K) |
| Wärmeleitfähigkeit | λ1 λ2 | W/(m·K) |
| Wärmeleitfähigkeit | λ1 λ2 | W/(m·K) |
| Dynamische Viskosität | η1 η2 | mPa·s |
| Dynamische Viskosität | η1 η2 | mPa·s |
| Kinematische Viskosität | ν1 ν2 | m²/s |
| Kinematische Viskosität | ν1 ν2 | m²/s |
| Prandtl-Zahl | Pr1 Pr2 | - |
| Prandtl-Zahl | Pr1 Pr2 | - |
| Spezifische Enthalpie | h1 h2 | J/kg |
| Spezifische Enthalpie | h1 h2 | J/kg |
| Realgasfaktor | Z1 Z2 | - |
| Realgasfaktor | Z1 Z2 | - |
| Stoffname | Zeichen) | - |
| Stoffbezeichnung | (Bezeichnung) | - |
| Therm. Ausdehnungskoeff. | β1 β2 | 1/K |
| Therm. Ausdehnungskoeff. | β1 β2 | 1/K |
Häufige Fragen
Wann sollte ich tabellierte Stoffwerte statt einer Stoffdatenbank verwenden?
Immer dann, wenn das Medium in keiner verfügbaren Datenbank enthalten ist oder wenn verbindliche Herstellerangaben vorliegen, die für die Auslegung vertraglich maßgebend sind – etwa bei Thermoölen, Kältesolen oder Produktgemischen. Auch für Medien mit gemessenen Stoffdaten aus dem eigenen Labor ist die Tabelle der richtige Weg, weil die Berechnung dann exakt auf den dokumentierten Werten beruht.
Wie viele Stützstellen braucht eine brauchbare Stoffwerttabelle?
Entscheidend ist, dass der gesamte in der Anlage auftretende Temperatur- (und ggf. Druck-)Bereich abgedeckt ist und stark nichtlineare Größen eng genug gestützt sind. Die Viskosität von Ölen ändert sich beispielsweise exponentiell mit der Temperatur – hier sind deutlich mehr Stützstellen nötig als bei der nahezu linearen Dichte. Extrapolation über den Tabellenrand hinaus sollte man grundsätzlich vermeiden.
Welche typischen Fehlerquellen gibt es bei der Tabelleneingabe?
Die häufigsten Fehler sind Einheitenverwechslungen (z. B. mPa·s statt Pa·s bei der Viskosität, kJ statt J bei der Wärmekapazität) und Tabellen, die für einen anderen Druck oder Aggregatzustand gelten als der Betriebspunkt. Bei Gasen muss zudem beachtet werden, dass Dichte und Realgasfaktor druckabhängig sind – eine reine Temperaturtabelle reicht dort oft nicht aus.
Wofür wird der Realgasfaktor benötigt?
Der Realgasfaktor Z beschreibt die Abweichung eines Gases vom idealen Gasverhalten. Bei höheren Drücken oder in der Nähe des Sättigungszustands weicht Z deutlich von 1 ab; Dichte- und Volumenstromberechnungen mit der idealen Gasgleichung wären dann fehlerhaft. Für Auslegungen von Verdichtern, Sicherheitsventilen oder Gasleitungen ist ein korrekter Z-Wert daher wichtig.