Jahresforschungsbericht Thermodynamische Stoffdaten für Arbeitsfluide der Energietechnik

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1 Jahresforschungsbericht 2000 Fachgebiet Technische Thermodynamik Forschungsgebiet Thermodynamische Stoffdaten für Arbeitsfluide der Energietechnik Mitarbeiter Dipl.-Inf. (FH) I. Jähne, Bautzen, wiss. Hilfskraft Dipl.-Inf. St. Buchholz, Zittau, wiss. Hilfskraft Dipl.-Ing. D. Schmaus, Eulowitz, wiss. Hilfskraft K. Knobloch, Diplomandin, stud. Hilfskraft T. Hellriegel, Diplomand, stud. Hilfskraft J. Karich, Diplomand, stud. Hilfskraft D. Seibt, stud. Hilfskraft L. Kleemann, stud. Hilfskraft C. Heinrich, stud. Hilfskraft C. George, stud. Hilfskraft

2 2 Kurzdarstellung der Forschungsarbeiten Die Forschungsarbeiten am Fachgebiet Technische Thermodynamik sind Bestandteil des Forschungsschwerpunkts "Kraftwerkschemie und Stoffdaten" innerhalb der Hauptforschungsrichtung "Energie" der Hochschule Zittau/ Görlitz (FH). Sie beinhalteten im Jahr 2000 folgende Schwerpunkte: - Entwicklungen von Zustandsgleichungen für Wasser und Wasserdampf im Rahmen zweier Projekte der "International Association for the Properties of Water and Steam" (IAPWS) - Erstellung von Stoffwert-Software und Zustandsdiagrammen für die Industrie. Im Jahr 2000 konnte der IAPWS nach dreijähriger Entwicklungszeit ein Gleichungssatz für die Berechnung des Druckes als Funktion von Enthalpie und Entropie p(h,s) für Wasser und Wasserdampf vorgelegt werden. Gegenwärtig erfolgt der Test durch eine Evaluation Task Group der IAPWS, um die Gleichungen in einem "Supplementary Release on Backward Equations for Pressure as a Function of Enthalpy and Entropy p(h,s) to the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam" als internationalen Standard zu vereinbaren. Des weiteren erhielt das Fachgebiet Technische Thermodynamik der Hochschule Zittau/ Görlitz (FH) von der IAPWS den Auftrag, Gleichungen für weitere thermodynamische Umkehrfunktionen im kritischen und überkritischen Zustandsgebiet von Wasser zu entwickeln. Prof. Kretzschmar als Vorsitzender der zugehörigen Task Group bestellt. Ziel der für eine Dauer von drei Jahren determinierten Arbeiten ist es, die entwickelten Gleichungen als einen weiteren internationalen Standard zu verabschieden. Für die Berechnung der thermodynamischen Eigenschaften von Arbeitsfluiden der Energietechnik wurden im Jahr 2000 weitere Programmbibliotheken für Verbrennungsgasgemische und feuchte Luft erarbeitet. Des weiteren wurden englischsprachige Versionen und Versionen für Studierende erstellt. Die Implementierung der Algorithmen auf programmierbare Taschenrechner wurde fortgesetzt. Insgesamt wurden 17 Aufträge von Partnern aus der Industrie im Jahr 2000 bearbeitet. Für die im Springer-Verlag erschienene 15. Auflage der Energietechnischen Arbeitsmappe des VDI wurden Zustandsdiagramme von Wasser und Wasserdampf erstellt.

3 3 Forschungsthemen 1. Thema Entwicklung von ergänzenden Zustandsgleichungen für thermodynamische Umkehrfunktionen von Wasser und Wasserdampf zur Industrie-Formulation IAPWS-IF97 Projektleiter: Mitarbeiter: K. Knobloch, Diplomandin, stud. Hilfskraft C. Heinrich, stud. Hilfskraft Drittmittelgeber: Eingeworbene Drittmittel aus Softwareverkäufen an die Industriepartner Kooperationspartner: International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS) TU Dresden, Lehrstuhl für Technische Thermodynamik, Prof. Dittmann Laufzeit: bis 12/2003 Bearbeitungsstand/Ergebnisse: Es wurde eine Draft-Version für das IAPWS-Release mit dem in den vergangenen drei Jahren entwickelten Gleichungssatz für die thermodynamische Umkehrfunktion p(h,s) von Wasser und Wasserdampf erstellt und der IAPWS auf deren Tagung im September 2000 vorgelegt. Nach Evaluierung durch die IAPWS sollen diese Gleichungen im Jahr 2001 als internationaler Standard vereinbart werden. Im Rahmen der Evaluierung wurden Test- und Benchmarkprogramme erstellt. Die zugehörige umfassende Veröffentlichung für die ASME-Zeitschrift "Journal of Engineering for Gasturbines and Power" wurde vorbereitet. Des weiteren wurde mit der Entwicklung von Gleichungen für die ebenfalls in thermodynamischen Prozessmodellierungen benötigte Umkehrfunktion p(t,s) von Wasser und Wasserdampf begonnen. Die Ergebnisse wurden in Veröffentlichungen in der ASME-Zeitschrift "Journal of Engineering for Gas Turbines and Power", in den Proceedings "Steam, Water and Hydrothermal Systems" der "13th International Conference on the Properties of Water and Steam" sowie in Vorträgen auf dem "14th International Symposium on Thermophysical Properties" in Boulder ( ) und auf der IAPWS-Tagung in Prag ( ) vorgestellt.

4 4 2. Thema Entwicklung von Anwendersoftware zur Berechnung der thermodynamischen Eigenschaften für Arbeitsfluide der Energietechnik und Bearbeitung von Industrieaufträgen Projektleiter: Mitarbeiter: Dipl.-Inf. (FH) I. Jähne, wiss. Hilfskraft Dipl.-Ing. D. Schmaus, wiss. Hilfskraft K. Knobloch, Diplomandin, stud. Hilfskraft T. Hellriegel, Diplomand, stud. Hilfskraft J. Karich, Diplomand, stud. Hilfskraft D. Seibt, stud. Hilfskraft L. Kleemann, stud. Hilfskraft C. George, stud. Hilfskraft Drittmittelgeber: CADIS Informationssysteme GmbH, Stuttgart VEAG Hauptverwaltung, Berlin (Konzernlizenz) SOFBID, Zwingenberg (Generallizenz für Programm EBSILON) AG KKK - PGW Turbo, Leipzig PREUSSAG NOELL, Würzburg IBR Ingenieurbüro Reis, Nittendorf-Undorf KRUPP-UHDE, Dortmund (Unternehmenslizenz) UMAG W. UDE, Husum Ingenieurbüro THINIUS, Erkrath SAARENERGIE, Saarbrücken DVO Datenverarbeitungs-Service, Oberhausen FH Aachen VAUP Prozessautomation, Landau KNÜRR-Lommatec, Lommatzsch AVACON AG, Helmstedt COMPANIA ELECTRICA, Bogota, Columbien G.U.N.T. Gerätebau, Barsbüttel (Generallizenz für Lehrversuchsstände) STEINHAUS Informationssysteme, Datteln (Generallizenz für Prozessdatenerfassungssoftware) Kooperationspartner: TU Dresden, Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dittmann Laufzeit: unbefristet

5 5 Bearbeitungsstand/Ergebnisse: Die Aufträge der als Drittmittelgeber genannten Unternehmen wurden bearbeitet. Hierfür war die Unterprogrammbibliothek LibIF97 für die Berechnung der thermodynamischen Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf nach der Industrie-Formulation IAPWS-IF97 um weitere Umkehrfunktionen zu erweitern. Die Unterprogrammbibliothek LibIDGAS zur Berechnung der thermodynamischen Eigenschaften von Verbrennungsgasgemischen im Idealgaszustand nach der neuen VDI-Richtlinie 4670 wurde erstellt. Für feuchte Luft wurden die Unterprogrammbibliotheken LibFLUFT_FLT für die Berechnung der thermodynamischen Eigenschaften nach der neuen VDI-Richtlinie 4670 und die Bibliothek LibFLUFT_FLR mit der Berechnung als reales Gemisch erarbeitet. Für Mathcad 2000 wurde die Stoffwert-Programmbibliothek FluidMAT erstellt. Die Programme FluidEXLGraphics, FluidDATGraphics und FluidMAT wurden als englischsprachige Versionen fertiggestellt. Fortgesetzt wurde die Implementierung von Stoffwertberechnungsalgorithmen in den programmierbaren Taschenrechner HP 48G. Des weiteren wurde das Programm FluidDIA zum Zeichnen von großformatigen thermodynamischen Zustandsdiagrammen in Druckqualität auf die Diagramme h,logp-diagramm h,logρ-diagramm h,x-diagramm erweitert. Davon ausgehend wurden für die 15. Auflage der Energietechnischen Arbeitsmappe des VDI, die im Jahr 2000 im Springer-Verlag erschienen ist, Diagramme für Wasser und Wasserdampf erstellt. Die Internet-Präsentationen der Forschungsergebnisse sowie der Angebote an die Industrie wurden erheblich erweitert. Wählbar sind jetzt die Darstellungen in englischer und deutscher Sprache. Die Möglichkeit von Online-Stoffwertberechnungen wurden geschaffen. Für die Lehre wurden weitere Versionen für Studierende der Stoffwert-Bibliotheken für Verbrennungsgasgemische und feuchte Luft zur Verfügung gestellt. Die Programmbibliotheken wurden u. a. in Vorträgen und Software-Präsentationen auf dem "14th International Symposium on Thermophysical Properties" in Boulder ( ), auf der IAPWS-Tagung in Prag ( ) sowie in Veranstaltungen in Unternehmen vorgestellt.

6 6 Forschungsrelevante Diplomarbeiten Thema: Supplementary Backward Equations to the Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam Bearbeiterin: Knobloch, Katja Betreuer: Dr. D. G. Friend, NIST Boulder Auftraggeber: National Institute of Standards and Technology (NIST), Boulder, CO, USA International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS) Thema: Berechnung der thermodynamischen Zustandsfunktionen von feuchter Luft in energietechnischen Prozessmodellierungen Bearbeiter: Hellriegel, Tom Betreuer: Dipl.-Math. R. Liebe, VEAG PowerConsult Auftraggeber: VEAG PowerConsult GmbH, Vetschau Thema: Berechnung der thermodynamischen Zustandsfunktionen von Verbrennungsgasen nach der neuen VDI-Richtlinie 4670 in energietechnischen Prozessmodellierungen Bearbeiter: Karich, Jan Betreuer: Dipl.-Math. R. Liebe, VEAG PowerConsult Auftraggeber: VEAG PowerConsult GmbH, Vetschau

7 7 Publikationen Veröffentlichungen in Fachzeitschriften und Vorträge, Proceedings Wagner, W.; Cooper, J.R.; Dittmann, A.; Kijima, J.; Kretzschmar, H.-J.; Kruse, A.; Mareš, R.; Oguchi, K.; Stöcker, I.; Sifner, O.; Takaishi, Y.; Tanishita, I.; Trübenbach, J.; Willkommen, Th.: The IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 122 (2000) S Kretzschmar, H.-J.; Stöcker, I.; Klinger, J.; Dittmann, A.: Calculation of Thermodynamic Derivatives for Water and Steam Using the New Industrial Formulation IAPWS-IF97. In: Steam, Water and Hydrothermal Systems: Physics and Chemistry Meeting the Needs of Industry, Eds. P.G. Hill et al., NRC Press, Ottawa (2000) Kretzschmar, H.-J.; Stöcker, I.; Willkommen, Th.; Trübenbach, J.; Dittmann, A.: Supplementary Equations v(p,t) for the Critical Region to the New Industrial Formulation IAPWS-IF97 for Water and Steam. In: Steam, Water and Hydrothermal Systems: Physics and Chemistry Meeting the Needs of Industry, Eds. P.G. Hill et al., NRC Press, Ottawa (2000) Kretzschmar, H.-J.; Stöcker, I.; Knobloch, K.; Trübenbach, J.; Willkommen, Th.; Dittmann, A.: Equations p(h,s) for Water and Steam. 14th International Symposium on Thermophysical Properties, Boulder (2000) Kretzschmar, H.-J.; Stöcker, I.; Knobloch, Jähne, I.; Klinger, J.; Dittmann, A.: Property Databases for the Calculation of Heat Cycles and Turbines. 14th International Symposium on Thermophysical Properties, Boulder (2000) Kretzschmar, H.-J.; Cooper, J. R..; Dittmann, A.; Friend, D. G.; Knobloch, K.; Mareš, R.; Stöcker, I.; Trübenbach, J.; Wagner, W.; Willkommen, Th.: Proposal: Supplementary Release on Backward Equations for Pressure as Function of Enthalpy and Entropy p(h,s) to the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam. IAPWS Annual Meeting, Prague (2000) Fachbücher und Lehrbriefe Kretzschmar, H.-J.; Stöcker, I.; Buchholz, St.; Knobloch, K.: h,s-, T,s-, h,logp- und h,logρ-diagramme von Wasser und Wasserdampf nach IAPWS-IF97. In: Energietechnische Arbeitsmappe, 15. Auflage, Springer-Verlag, Berlin (2000) Kretzschmar, H.-J.: Kapitel "Thermodynamik" im Nachschlagwerk "Grundwissen des Ingenieurs". Carl-Hanser-Verlag, München bearbeitet

8 8 Forschungsberichte Kretzschmar, H.-J.; Stöcker, I.: Research Activities on the Thermodynamic Properties of Water and Steam. Jahresarbeitsbericht 2000 an das deutsche Nationalkomitee der IAPWS, Kretzschmar, H.-J.; Cooper, J. R..; Dittmann, A.; Friend, D. G.; Knobloch, K.; Mareš, R.; Stöcker, I.; Trübenbach, J.; Wagner, W.; Willkommen, Th.: Supplementary Release on Backward Equations for Pressure as a Function of Enthalpy and Entropy p(h,s) to the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam. Draft Version für "International Association for the Properties of Water and Steam" (2000), Property Program Library LibIF97 for the Industrial Formulation IAPWS-IF97 for Water and Steam IAPWS-IF97 and the Add-In FluidEXLGraphics for Excel. University of Applied Sciences of Zittau and Görlitz, Department of Technical Thermodynamics, Zittau (2000) Property Program Library FluidMAT for the Industrial Formulation IAPWS-IF97 for Water and Steam IAPWS-IF97 for Mathcad University of Applied Sciences of Zittau and Görlitz, Department of Technical Thermodynamics, Zittau (2000) Program FluidDATGraphics for the Industrial Formulation IAPWS-IF97 for Water and Steam IAPWS-IF97 for Windows. University of Applied Sciences of Zittau and Görlitz, Department of Technical Thermodynamics, Zittau (2000) Stoffwertprogramme für Wasser und Wasserdampf nach der neuen Industrie- Formulation IAPWS-IF97 für Mathcad Kretzschmar, H.-J.; Stöcker, I.; Hellriegel, T.: Stoffwertprogramme für feuchte Luft als reales Gemisch für Excel. Kretzschmar, H.-J.; Stöcker, I.; Hellriegel, T.: Stoffwertprogramme für feuchte Luft nach der neuen VDI-Richtlinie 4670 für Excel. Kretzschmar, H.-J.; Stöcker, I.; Karich, J.; Hellriegel, T.: Stoffwertprogramme für Verbrennungsgase nach der neuen VDI-Richtlinie 4670 für Excel.

9 9 Kretzschmar, H.-J.; Stöcker, I.; Hellriegel, T.: Stoffwertprogramme für feuchte Luft für Excel - Version für Studierende. Kretzschmar, H.-J.; Stöcker, I.; Karich, J.; Hellriegel, T.: Stoffwertprogramme für ideale Gase und Gasgemische für Excel - Version für Studierende. Stoffwertprogramme für Wasser und Wasserdampf nach der Industrie-Formulation IAPWS-IF97 für Mathcad Version für Studierende. Kretzschmar, H.-J.; Stöcker, I.; Hellriegel, T.: Stoffwertprogramme für Wasser und Wasserdampf nach der Industrie-Formulation IAPWS-IF97 für Taschenrechner HP 48, Version für Studierende. Kretzschmar, H.-J.; Stöcker, I.; Martin, F.: Stoffwertprogramme für Wasser und Wasserdampf nach der Industrie-Formulation IAPWS-IF97 für Taschenrechner CASIO FX 880P, Version für Studierende. Mitarbeit in Gremien International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS) : - Vice Chairman der IAPWS-Working Group "Thermophysical Properties of Water and Steam" - Mitglied der IAPWS Working Group "Industrial Calculations" - Vorsitzender der IAPWS-Task Group "Supplementary Equations for the Industry Formulation IAPWS-IF97" - Mitglied der IAPWS-Task Group "Thermodynamic Properties of Heavy Water" - Mitglied des IAPWS-Nationalkomitees Deutschland (berufenes Mitglied) : - Mitglied der Working Group "Thermophysical Properties of Water and Steam" - Mitglied des IAPWS-Nationalkomitees Deutschland (berufenes Mitglied) Fachhochschularbeitskreis "Thermodynamik und deren Anwendungen" - Mitglied Zittau,

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