Schallgeschwindigkeitsmessung für industriell wichtige Flüssigkeiten mit der Pulse-Echo-Technik

Because of its thermal and caloric nature, thermodynamic speed of sound data covering wide temperature and pressure ranges are crucial for the development of high quality Helmholtz energy equations of state. These fundamental equations of state are required to provide thermodynamic properties for the design and optimization of a wide range of technical processes. Moreover, speed of sound data in combination with certain other information can be integrated to yield other thermodynamic properties. Properties computed along that route may often be more reliable than direct measurements, especially at elevated temperatures and pressures. In the present work, thermodynamic speed of sound data are reported for different industrial fluids, for which limited or no thermodynamic literature data were available. To sample the speed of sound, the employed experimental rig was based on a double path length pulse-echo technique with a single piezoelectric quartz crystal of 8 MHz, which was placed between two reflectors at different path lengths. The path length of the acoustic cell was calibrated with water and the calibration measurements had a maximum deviation of about 0.02% from the reference Helmholtz energy equation of state of water byWagner and Pruß. Moreover, Argon was tested as a second calibration fluid and the measured data had deviations of up to 0.2% from the Helmholtz energy equation of state by Tegeler, Span, and Wagner. Important substances were selected after an extensive literature research and sampled to measure the speed of sound, covering a temperature range between 208 K and 500 K up to a pressure of 151 MPa. These substances include alcohols, i.e., methanol, propanol, 1-propanol and butanol, hydrocarbons, i.e., heptane, octane, 1-hexene and 1-heptene, siloxanes, i.e., dodecamethylpentasiloxane (MD3M), tetradecamethylhexasiloxane (MD4M), decamethylcyclopentasiloxane (D5) and dodecamethylcyclohexasiloxane (D6), as well as three other fluids, i.e., xenon, vinyl chloride and Novec 649. The experiments were performed with a high accuracy and the reported data have an expanded uncertainty of about 0.1% at a confidence level of 95% (k = 2). High quality Helmholtz energy equations of state were fitted to the present data for some substances and implemented into the database of the National Institute of Standards and Technology (NIST). Speed of sound data for heptane were numerically integrated to compute the density and isobaric heat capacity. These calculated values are in a good agreement with the Helmholtz energy equation of state by Tenji et al., exhibiting maximum deviations of below 0.04% for the density and 0.4% for the isobaric heat capacity.Experimentelle Schallgeschwindigkeitsmessdaten, die sich über einen großen Temperaturbereich erstrecken, eignen sich aufgrund ihrer thermisch, wie kalorischen Eigenschaften in besonderen Maße zur Entwicklung hochgenauer Helmholtz-Zustandsgleichungen. Allein durch analytische Ableitungen liefern diese Fundamentalgleichungen alle zeitunabhängigen thermodynamischen Zustandsgrößen, die zur Entwicklung und Optimierung technischer Prozesse benötigt werden. Aus den Schallgeschwindigkeitsmessdaten lassen sich in Kombination mit anderen Größen weitere thermodynamische Stoffdaten des Systems generieren. Die dabei abgeleiteten Größen sind oftmals zuverlässiger als direkte Messungen, besonders im Hochtemperatur- und Hochdruckbereich. In der vorliegenden Arbeit werden thermodynamische Schallgeschwindigkeitsmessdaten unterschiedlicher industrieller Fluide vorgestellt, für die bisher wenige bis gar keine Literaturdaten zur Verfügung stehen. Die Messapparatur zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeitsdaten basiert auf dem Zweikammer-Puls-Echo Verfahren. Ein piezoelektrischer Quarz, welcher mit einer Frequenz von 8 MHz angeregt wird, entsendet Schallwellen in die beiden Kammern unterschiedlicher Länge (20 mm und 30 mm). Die tatsächlichen Kammerlängen wurde dabei mit Hilfe von Wasser, d.h. auf der Basis der Referenz-Helmholtzgleichung nachWagner and Pruß, mit einer maximalen Abweichung von 0.02% bestimmt. Als zweites Referenzmedium wurde Argon verwendet und die Längen mit einer maximalen ermittelten Abweichung von 0.2% zur Helmholtzgleichung nach Tegeler, Span, and Wagner, bestimmt. Die vermessenen Fluide wurden nach einer intensiven Sichtung der Literatur ausgewählt und im Temperaturbereich von 208 K bis 500 K bis zu einem Maximaldruck von 151 MPa vermessen. Die ausgewählten Fluide umfassen dabei die Alkohole Methanol, Propanol, 1-Propanol und Butanol. Zudem wurden die Kohlenwasserstoffe Heptan, Oktan, 1-Hexen und 1-Hepten, die Siloxane Dodecamethylpentasiloxan (MD3M), Tetradecamethylsiloxan (MD4M), Decamethylcyclopentasiloxan (D5) und Dodecamethylcyclohexasiloxan (D6), sowie Xenon, Vinylchlorid und Novec 649 vermessen. Sämtliche Experimente wurden dabei mit hoher Präzision durchgeführt und die publizierten Daten besitzen eine Unsicherheit von 0.1% über einem Konfidenzintervall von 95% (k = 2). Diese Daten dienen als Stützpunkte, an welche für einige Fluide, bereits Helmholtzgleichungen angepasst wurden um die Datenbank des National Institute of Standards and Technology (NIST) zu erweitern. Weiter wurden experimentell ermittelte Schallgeschwindigkeitsdaten für Heptan numerisch integriert, um Dichte und isobare Wärmekapazität zu bestimmen. Diese Werte sind dabei in guter Übereinstimmung. Die Abweichung für die Dichte beträgt 0.04% und für die isobare Wärmekapazität 0.4% mit der Helmholtzgleihung nach Tenji et al