EBSILON®Professional Online Dokumentation
Dieses Fluid bietet die freie Auswahl aus fast allen verfügbaren Stoffdaten-Bibliotheken. Dabei können auch mehrere Bibliotheken für eine Leitung angewählt werden. In diesem Fall ist zu beachten, dass dann jede Bibliothek für sich separat berechnet wird. Man kann sich diesen Fall vorstellen als separate Teilstränge, die durch eine flexible undurchlässige Membran voneinander getrennt sind. Zwischen den einzelnen Teilströmen kann dann ein Ausgleich von Druck und Temperatur stattfinden, aber kein Materialaustausch.
Wenn eine Mischungsrechnung durchgeführt werden soll, müssen alle Stoffe, die gemischt werden sollen, im selben Bibliothekseintrag enthalten sein.
Beim Universalfluid gibt es eine große Fülle von Einstell- und Kombinationsmöglichkeiten, die jedoch nicht alle physikalisch sinnvoll sind. Es ist zu beachten, dass es Kombinationen und Wertebereiche gibt, in denen die Stoffdatenbibliotheken keine Lösung bieten. Deshalb ist bei der Verwendung des Universalfluids besondere Sorgfalt angebracht. Es empfiehlt sich, vor der Modellierung großer Schaltungen zunächst im Kleinen zu testen, ob die entsprechende Berechnung möglich ist.
Beim Universalfluid kann die Temperatur nur rekursiv aus der Enthalpie ermittelt werden. Wenn 2-Phasen-Zustände vorliegen, kann dies Probleme bereiten.
Die zu verwendenden Materialdatenbibliotheken müssen zunächst in der Spezifikationstabelle angegeben werden (Spalte "Bibliothek"). Anschließend sind in der Spalte "Spezifikation" die jeweils gewünschte Zusammensetzung und weitere Parameter einzugeben. Die hier einzugebende Zusammensetzung bezieht sich auf die Massenanteile (bzw. Molanteile mit (rechte Maustaste)) innerhalb des Zweigstroms, der von der jeweiligen Bibliothek berechnet wird.
Es hängt von der jeweiligen Bibliothek ab, welche Materialien zur Verfügung stehen und welche zusätzlichen Eingabeparameter benötigt werden.
Wenn beim Leitungstyp „Universalfluid" eine Bibliothek gewechselt wird, dann wird die Zusammensetzung beibehalten (natürlich nur für Stoffanteile, die in der neuen Bibliothek verfügbar sind).
Es stehen folgende Bibliotheken zur Auswahl:
| Im Universalfluid verfügbare Stoffwert-Bibliothek | Name der Substanz | Summenformel | Autor | Verfügbar in Leitungen vom Typ Zweiphasenfluid | Verfügbar auch in Leitungen vom Typ |
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Bibliotheken für eine Substanz |
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| IF97 (IAPWS aktuelle Wasserdampftafel) | Wasser und Dampf | H2O | KCE ThermoFluidProperties | x | Wasser, Dampf |
| IF97 (IAPWS aktuelle Wasserdampftafel, SBTL) | Wasser und Dampf | H2O | KCE ThermoFluidProperties | x | Wasser, Dampf |
| IFC-67 (Wasserdampftafel aus dem Jahr 1967) | Wasser und Dampf | H2O | KCE ThermoFluidProperties | x | Wasser, Dampf |
| Lib-AmWa / LibAmWa | Ammoniak-Wasser-Gemisch | NH3 / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
| Lib-C10H22 / LibC10H22 | Dekan | C10H22 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-C2H5OH / LibC2H5OH | Ethanol | C2H5OH | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-C3H6O / LibC3H6O | Azeton | C3H6O | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-C5H10 / LibC5H10 | Cyclopentan | C5H10 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-C5H12 Iso / LibC5H12_Iso | Isopentan | C5H12 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-C5H12 Neo / LibC5H12_Neo | Neopentan | C5H12 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-C6H14 / LibC6H14 | Isohexan 2-Methylpentan | C6H14 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-C7H8 / LibC7H8 | Toluol | C7H8 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-C9H20 / LibC9H20 | Nonan | C9H20 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-CH3OH / LibCH3OH | Methanol | CH3OH | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-CO / LibCO | Kohlenmonoxid | CO | x | ||
| Lib-CO2 / LibCO2 | Kohlendioxid | CO2 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-COS / LibCOS | Karbonylsulfid | COS | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-D4 / LibD4 | Octamethylcyclotetrasiloxan | C8H24O4Si4 | KCE ThermoFluidProperties | x | Öl / Schmelze |
| Lib-D5 / LibD5 | Decamethylcyclopentasiloxan | C10H30O5Si5 | KCE ThermoFluidProperties | x | Öl / Schmelze |
| Lib-D6 / LibD6 | Dodecamethylcyclohexasiloxan | C12H36O6Si6 | KCE ThermoFluidProperties | x | Öl / Schmelze |
| Lib-H2 (normal-Hydrogen) / LibH2 | Wasserstoff (normal) | H2 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-H2 (para-Hydrogen) / LibH2 | Wasserstoff (para) | H2 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-H2S / LibH2S | Schwefelwasserstoff | H2S | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-HE / LibHe | Helium | He | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-HUAirXiw (Feuchte Luft als ideales Gemisch realer Gas, auch unter 0°C) / LibHuAir_Xiw | Trockene Luft, Wasser, Dampf, Eis | Trockene-Luft H2O | KCE ThermoFluidProperties | Feuchte Luft | |
| Lib-Ice / LibIce | Wassereis, Wasserflüssigkeit und Wasserdampf einschl. Verflüssigungs- und Sublimationsgebieten | H2O | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-Iso-Butan / LibButan_Iso | Butan (Iso-Butan) | C4H10 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-MD2M / LibMD2M | Decamethyltetrasiloxan | C10H30Si4O3 | KCE ThermoFluidProperties | x | Öl / Schmelze |
| Lib-MD3M / LibMD3M | Dodecamethylpentasiloxan | C12H36Si5O4 | KCE ThermoFluidProperties | x | Öl / Schmelze |
| Lib-MD4M / LibMD4M | Tetradecamethylhexasiloxan | C14H42Si6O5 | KCE ThermoFluidProperties | x | Öl / Schmelze |
| Lib-MDM / LibMDM | Octamethyltrisiloxan | C8H24Si3O2 | KCE ThermoFluidProperties | x | Öl / Schmelze |
| Lib-MM / LibMM | Hexamethyldisiloxan | C6H18Si2O | KCE ThermoFluidProperties | x | Öl / Schmelze |
| Lib-N2 / LibN2 | Stickstoff | N2 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-N2O / LibN2O | Distickstoffmonoxid | N2O | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-n-Butan / LibButan_n | Butan (n-Butan) | C4H10 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-NH3 / LibNH3 | Ammoniak | NH3 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-Propan / LibPropan | Propan | C3H8 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-R134A (1,1,1,2-tetrafluorethane, CF3-CH2F) / LibR134a | 1,1,1,2-Tetraflouroethan | CF3CH2F | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-RealAir (78.12 mol% N2, 20.96 O2, 0.92 Ar) / LibRelAir | Standard trockene Luft - Gas, Flüssigkeit inklusive 2-Phasen-Gebiet | N2 O2 Ar | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-SaltWater | Meerwasser | H20 | Ebsilon / Universität Bremen | Salzwasser | |
| Lib-SeaWa 2009 / LibSeaWa | Meerwasser | H20 | KCE ThermoFluidProperties | Salzwasser | |
| Lib-SeaWa 2013 / LibSeaWa | Meerwasser | H20 | KCE ThermoFluidProperties | Salzwasser | |
| Lib-SecRef-Ammoniak / LibSecRef | Ammoniak-Wasser-Gemisch | NH3 / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
| Lib-SecRef-Calcium-Chloride / LibSecRef | Calciumchlorid-Wassergemisch | CaCl / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
| Lib-SecRef-Ethanol / LibSecRef | Ethanol-Wassergemisch | C2H5OH / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
| Lib-SecRef-Ethylen-Glycol / LibSecRef | Ethylenglykol-Wassergemisch | C2H6O2 / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
| Lib-SecRef-Glycerol / LibSecRef | Glycerin-Wassergemisch | C3H8O3 / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
| Lib-SecRef-Lithium-Chloride / LibSecRef | Lithiumchlorid-Wassergemisch | LiCl / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
| Lib-SecRef-Magnesium-Chloride / LibSecRef | Magnesiumchlorid-Wassergemisch | MgCl / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
| Lib-SecRef-Methanol / LibSecRef | Methanol-Wassergemisch | CH3OH / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
| Lib-SecRef-Potassium-Azetat / LibSecRef | Kaliumacetat-Wassergemisch | C2H3KO2 / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
| Lib-SecRef-Potassium-Carbonat / LibSecRef | Kaliumkarbonat-Wassergemisch | K2CO3 / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
| Lib-SecRef-Potassium-Format / LibSecRef | Kaliumformiat-Wassergemisch | CHKO2 / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
| Lib-SecRef-Propylen-Glycol / LibSecRef | Propylenglykol-Wassergemisch | C3H8O2 / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
| Lib-SecRef-Sodium-Chlorid / LibSecRef | Natriumchlorid-Wassergemisch | NaCl / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
| Lib-SO2 / LibSO2 | Schwefeldioxid | SO2 | KCE ThermoFluidProperties | x | |
| Lib-Sugar Solution | Wasser-Zuckerlösung | Ebsilon | |||
| Lib-WaLi (Wasser-Lithiumbromid-Gemisch) / LibWaLi | Lithiumchlorid-Wassergemisch | LiCl / H2O | KCE ThermoFluidProperties | Binäres Gemisch | |
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Bibliotheken, die mehrere Substanzen enthalten, eine (oder bei Gemischen mehrere) sind auszuwählen
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| Lib-FDBR (Auf Grundlage der FDBR-Polynome, für ideale Gase, Kohle, Öl) / LibFDBR | 83 klassische Substanzen | Ebsilon / FDBR | Luft, Rauchgas, Rohgas, Gas, Öl, Kohle, Benutzer-definiertes Fluid | ||
| VLMIX - Bibliothek | ca. 80 Substanzen, gasförmig bzw. flüssig | Ebsilon / FDBR | |||
| Refprop | Mehr als 180 Substanzen | NIST, Gaithersburg | x | ||
| CoolProp | 123 Substanzen | www.coolprop.org | |||
| CoolProp - inkompressible wässrige Lösungen massendefiniert | 35 Substanzen | www.coolprop.org | |||
| CoolProp - inkompressible wässrige Lösungen massendefiniert | 13 Gemische | www.coolprop.org | |||
| CoolProp - inkompressibel - reine Stoffe | 60 Substanzen | www.coolprop.org | |||
| TREND | Mehr als 170 Substanzen | Ruhr Universität Bochum | |||
| Thermo-Liquid (Öl/Schmelze) | 21 Substanzen des Leitungstyps Öl/Schmelze | Ebsilon | Öl / Schmelze | ||
| Lib-HuGas (Ideales Gemisch realer Gase mit Dissoziation) / LibHuGas | Stickstoff Sauerstoff Argon Neon Kohlendioxid Kohlenmonoxid Wasser Schwefeldioxid | N2 O2 Ar Ne CO CO2 H2O SO2 | KCE ThermoFluidProperties | ||
| Lib-NASA (Gleiche Substanzen wie in klassischen Leitungen) | 83 Substanzen | NASA | |||
| Lib-NASAfull (EbsScript Interface Unit System, type UniversalSubstanceEnum) | 2047 Substanzen | NASA | NASA | ||
| Lib-IdGas (Ideales Gemisch idealer Gase nach VDI 4670 mit Dissoziation) | Argon Neon Stickstoff Sauerstoff Kohlenmonoxid Kohlendioxid Wasser Schwefeldioxid Trockene-Luft Luftstickstoff-als-Gemisch | Ar Ne N2 O2 CO CO2 H2O SO2 Luft Luft-N2 | KCE ThermoFluidProperties | ||
| Lib-IdGasMix (Ideales Gemisch idealer Gase nach VDI 4670) / LibIDGAS | Argon Neon Stickstoff Sauerstoff Kohlenmonoxid Kohlendioxid Wasser Schwefeldioxid Trockene-Luft Luftstickstoff-als-Gemisch Stickoxid Schwefelwasserstoff Hydroxyl Methanol Methan Ethan Ethen Propan Propen N-Butan Iso-Butan Benzen Wasserstoff Helium Ammoniak Fluor | Ar Ne N2 O2 CO CO2 H2O SO2 Luft Luft-N2 NO H2S OH CH3OH CH4 C2H6 C2H4 C3H8 C3H6 n-C4H10 Iso-C4H10 C6H6 H2 He NH3 F2 | KCE ThermoFluidProperties | ||
| UserProps DLL |
Hierfür kann der Anwender eine Dll erstellen, welche die Berechnung der Stoffwerte ausführt. |
Die Schnittstelle ist in der Datei „user_props.h" in Unterordner „<Ebsilon-Installationsverzeichnis>\Data\Examples\user_props_dll" beschrieben. |
Ebsilon | alle in Ebsilon vorhandenen Stoffe | |
Wenn im Universalfluid die „Lib-FDBR“ ausgewählt wurde, wurde die Berechnung rein nach FDBR (wie auf einer Leitung klassischen Typs) als ideales Gas durchgeführt, unabhängig von den Modelleinstellungen für die Gastafel und die Realgaskorrektur.
Dies widerspricht der Erwartung, dass man bei einer modellweiten Aktivierung einer Realgaskorrektur alle Leitungen, in denen nach FDBR gerechnet wird, nun auch diese Realgaskorrektur erfahren.
Es besteht die Möglichkeit, in den Attributen zur LibFDBR auszuwählen, was passieren soll:
Mit der Einstellung Gastafel=“FBDR“ und Realgaskorrektur=“keine“ wird die Berechnung unverändert durchgeführt.
Man kann hier auch andere Gastafeln und Realgaskorrekturen auswählen.
Standardmäßig werden beide Attribute auf „gemäß Modelleinstellungen“ gesetzt, so dass bei Umschaltung in den Modelleinstellungen auch eine Umschaltung im Universalfluid erfolgt.
Um die bisherigen Ergebnisse zu reproduzieren, sind die neuen Attribute für die Lib-FDBR folgendermaßen anzupassen:
• Gastafel: „FDBR“
• Realgaskorrektur: „keine“
Für den Leitungstyp Universalfluid gibt es die Bibliothek „User-defined properties (Dll)“ (kurz UserProps). Hierfür kann der Anwender eine Dll erstellen, welche die Berechnung der Stoffwerte ausführt.
Im Gegensatz zur bereits existierenden User2Phase-Dll Schnittstelle, erlaubt UserProps die Spezifikation von Zusammensetzungen (Stoffwert-Vektoren) und zusätzlichen Attributen.
Die Schnittstelle ist in der Datei „user_props.h“ im Unterordner „<Ebsilon-Installationsverzeichnis>\Data\Examples\user_props_dll“ beschrieben und verwendet die Sprache C++.
Dort befindet sich auch ein Beispiel-Projekt. Es wird empfohlen zum Erstellen einer eigenen Bibliothek „Microsoft VisualStudio 2022“ zu verwenden.
Jeder Eintrag „User-defined properties (dll)“ eines Universalfluids hat die zwei Standardattribute:
Für jedes „property-set“ können zum einen weitere Attribute von folgenden Typen definiert werden:
Und eine Vorgabe, welche Substanzen vorkommen dürfen (ggfs. auch gar keine für Reinstoffmodelle).
Weitere Informationen über die Funktionen und Typen der Schnittstelle können in der Datei „user_props.h“ gefunden werden. Im gleichen Verzeichnis befindet sich auch Code für eine Beispiel-Dll.
Die VLMIX-Bibliothek erweitert die in FDBR verfügbaren Komponenten um die Fähigkeit, Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichte zu berechnen. Die eingesetzten Methoden konzentrieren sich auf robuste Berechnungen mit angemessener Geschwindigkeit unter Inkaufnahme einer verminderten Genauigkeit.
Des Weiteren wird empfohlen, die Grenzen der im Folgenden beschriebenen eingesetzten Methoden zu beachten.
Die thermischen Eigenschaften werden entweder mit einem idealen Ansatz (druckunabhängig) oder mit einer kubischen Zustandsgleichung (Peng-Robinson, Redlich-Kwong, Soave-Redlich-Kwong) berechnet.
Beim idealen Ansatz zur Ableitung der Enthalpie und Entropie der flüssigen Phase wurde eine Regressionsfunktion für die Verdampfungswärme benutzt.
\[ H_{liq} = H_{gas} - dH_{vap} \]
\[ S_{liq} = S_{gas} - \frac{dH_{vap}}{T} \]
Die Mischungsregeln nutzen den klassischen linearen Ansatz.
Für VLE gilt die folgende Gleichung:
\[ f_{i_{liq}} = f_{i_{gas}} \]
wobei \[f_{i_{phase}}\] die Fugazität der Komponente i in der entsprechenden Phase ist.
Die Fugazität der flüssigen Phase wird nach dem Raoultschen Gesetz berechnet:
\[ f_{i_{liq}} = x_{i} * pvap_{i} \]
wobei \[x_{i}\] die molare Fraktion der Komponente i in der flüssigen Phase und \[pvap_{i}\] der Gasdruck der reinen Komponente i bei aktueller Temperatur ist.
Es wird angenommen, dass die Fugazität der Gasphase dem im Dalton-Gesetz definierten Partialdruck entspricht:
\[ f_{i_{vap}} = pres_{i} = y_{i} * pres \]
\[ \sum_{i} y_{i} = 1 \]
\[ \sum_{i} y_{i} * pres_{i} = pres \]
wobei \[y_{i}\] der molare Anteil, \[pres_{i}\] der Partialdruck der Komponente i in der Gasphase und \[pres\] der aktuelle Druck des Mediums ist.
Der Gasdruck jeder Komponente ist für die Bestimmung der VLE erforderlich. Für einige Komponenten waren Daten für eine erweiterte Antoine-Gleichung verfügbar. Für die übrigen Komponenten wurden diese wie unten beschrieben geschätzt.
Die Antoine-Gleichung für den Dampfdruck hat die folgende Form:
\[ ln (pvap_{i}) =A_{i} + \frac{B_{i}}{C_{i} + T} \]
Daher benötigen wir drei Datenpunkte zur Bestimmung der Parameter \[A_{i}, B_{i} \: und \:C_{i}\]
In Frage kommen der kritische Punkt, der Tripelpunkt und der natürliche Siedepunkt, wodurch sichergestellt wird, dass diese Punkte genau übereinstimmen.
Liegen nur zwei Datenpunkte vor, wird die folgende Gleichung verwendet
\[ ln (pvap_{i}) =A_{i} + \frac{B_{i}}{T} \]
Der beschriebene Ansatz kann nur einfache VLE mit nur einer flüssigen Phase bestimmen. Selbst azeotropes Verhalten (z. B. Ethanol-Wasser) kann nicht beschrieben werden, und Mischungen in der Nähe des azeotropen Punktes werden abweichen.
Da die VLE-Berechnungen die Antoine-Gleichung für die Dampfberechnung verwenden, die ihrerseits nur bis zum kritischen Punkt gültig ist, beschreibt dieser Ansatz die Löslichkeit überkritischer Komponenten in einer flüssigen Phase nur unzureichend. In diesem Fall wäre ein Ansatz mit dem Henry'schen Gesetz notwendig, der für eine zukünftige Version geplant ist.
Darüber hinaus ist die Verdampfungswärme für überkritische Komponenten bei Verwendung der idealen Gasformulierung nicht definiert und die thermischen Eigenschaften der flüssigen Phase einer solchen Komponente weichen daher ab. Glücklicherweise ist die Konzentration solcher Komponenten in der flüssigen Phase gering.
Bei hohem Druck, wenn der Kompressibilitätsfaktor \[Z_{i}\] weit von 1 entfernt ist, führt die zur Berechnung der Flüchtigkeiten der Gasphase verwendete Methode zu einem größeren Fehler bei der Verteilung der Zusammensetzung auf die einzelnen Phasen.
Wasser- und Dampfleitungen greifen nicht automatisch auf die LibIce zurück, falls man sich im entsprechenden Zustandsbereich befindet. Der Grund dafür ist, dass in den üblicherweise mit Ebsilon abgebildeten Modellen dies ohnehin nicht erwünscht ist, zusätzlich jedoch bei einer automatischen Umschaltung Konvergenzprobleme auftreten können, wenn im Verlauf der Iteration temporär Werte im Eisbereich angenommen werden. Insbesondere liegt schon der übliche Startpunkt von P=0.01 bar, H=10^-6 knapp im 2-Phasengebiet Wasser/Eis.
Beim Zwei-Phasen-Fluid wurde der Eintrag "LibIce: Wasser" auf "LibIce: Wasser (3 Phasen)" erweitert. Dies ermöglicht die Modellierung von Wasser im gesamten Bereich von -223,15 °C bis 2.000°C. Für Temperaturen bis 350°C wird LibIce aktiviert, darüber LibIf97.
Für den Leitungstyp Universalfluid gibt es die Bibliothek „User-defined properties (dll)" (kurz UserProps). Hierfür kann der Anwender eine Dll erstellen, welche die Berechnung der Stoffwerte ausführt.
Im Gegensatz zur bereits existierenden User2Phase-Dll Schnittstelle, erlaubt UserProps die Spezifikation von Zusammensetzungen (Stoffwert-Vektoren) und zusätzlichen Attributen.
Die Schnittstelle ist in der Datei „user_props.h" in Unterordner „<Ebsilon-Installationverzeichnis>\Data\Examples\user_props_dll" beschrieben und verwendet die Sprache C++. Dort befindet sich auch ein Beispiel-Projekt. Es wird empfohlen zum Erstellen einer eigenen Bibliothek „Microsoft VisualStudio 2022" zu verwenden.
Jeder Eintrag „User-defined properties (dll)" eines Universalfluids hat die zwei Standardattribute:
Für jedes „property-set" können zum einen weitere Attribute von folgenden Typen definiert werden:
und eine Vorgabe, welche Substanzen vorkommen dürfen (ggfs. auch gar keine für Reinstoffmodelle).
Weitere Informationen über die Funktionen und Typen der Schnittstelle können in der Datei „user_props.h" gefunden werden. Im gleichen Verzeichnis befindet sich auch Code für eine Beispiel-Dll.