Programming of the thermodynamic properties of ammonia-water mixtures

Abstract

Mit dieser Arbeit wurde ein Programm zur Berechnung der thermodynamischen Eigenschaften von Ammoniak-Wasser Mischungen, auf Basis der Helmholtz Fundamentalgleichung, erstellt. Zunächst wurden die Helmholtz Funktionen und deren Ableitungen implementiert. Durch passende Kombination der Helmholtz Funktionen, können die thermodynamischen Eigenschaften berechnet werden.<br />Die Helmholtz Fundamentalgleichung basiert auf den drei Eingabeparametern Dichte, Temperatur und Ammoniakanteil. Für die Berechnung der Eigenschaften mit anderen Eingabeparametern, wird das Gleichungssystem iterativ gelöst. Dazu wurde das Newon-Rhapson Verfahren angewendet.<br />Für die iterative Lösung des Gleichungssystems werden Startwerte benötigt. Dafür wurden überschlägige Berechnungen der einzelnen Parameter implementiert.<br />Ein weiterer Punkt war die Berechnung des Zweiphasengebiets, durch Verwendung des Fugazitätsansatz. Die Berechnung besteht aus einem Algorithmus aus zwei ineinander verschachtelten ,while' Schleifen. Mit diesem Algorithmus werden die Flüssig- und Dampfphase der Mischung iterativ berechnet.<br />Das Programm wurde dann zu einer .dll Bibliothek konvertiert. Diese Bibliothek kann in anderen Programmen, wie zum Beispiel MATLAB, MS-Excel und Visual Basic, verwendet werden.<br />

With this diploma thesis, a computer program was developed, which allows the precise calculation of the thermodynamic properties of ammonia-water mixtures, by using the Helmholtz fundamental equation of state. The equation of state, used in this thesis, represents the currently available measurements, and is the most accurate representation of the thermodynamic properties of ammonia-water mixtures.<br />As a first step, the Helmholtz functions and its derivatives have been implemented. Thereout, the thermodynamic properties were calculated, by using appropriate combinations of the Helmholtz functions.<br />The equation of state is based on the three parameters density, temperature and ammonia fraction. For calculating the properties with an alternative input combination, the standard calculation process had to be solved iteratively, by using a Newton-Rhapson algorithm. Furthermore, initial calculations had to be found, in order to set starting values for the iterations.<br />The next step was the calculation of the vapor-liquid region. Therefore, the fugacity coeffcients had been calculated, by using the Helmholtz formulation. Core of the vapor-liquid calculation is an algorithm, which consists of two overlapping while-loops. With this algorithm, the vapor and liquid fraction of the mixture are solved iteratively, by recalculating the fugacity coeffcients.<br />Finally, a .dll file was compiled, to enable the application as a library. This library can be used within other programs, such as MATLAB, MS-Excel or Visual Basic.<br />