A szuperkritikus metán hőtani anomáliáinak vizsgálata Katona Adrienn Energetikai mérnök BSc hallgató
[email protected]
Normál és szuperkritikus fluid régiók • Régió „hagyományos” határa: ahol a nyomás és hőmérséklet értékek kritikus értékek felett helyezkednek el. Nyomás-hőmérséklet diagram Nyomás [MPa]
10 8
6 4
Folyadék
2
Gőz/gáz
0 80
130
180
230
280
Hőmérséklet [K] 2017. 05. 04.
Tehetséges hallgatók az energetikában
2
Anomáliák A sűrűség változása a hőmérséklet függvényében 0,400
Inflexiós pontok
Sűrűség [g/cm^3)
0,350 0,300 0,250 p=5
0,200
p=10
0,150
p=15
0,100
p=20
0,050 0,000 150
250
350
450
Hőmérséklet [K]
2017. 05. 04.
Tehetséges hallgatók az energetikában
3
Izobár fajhő [J/molK]
Anomáliák
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
A fajhő változása a hőmérséklet függvényében Maximumok
150
200
250
300
350
400
450
Hőmérséklet [K] p=5
2017. 05. 04.
p=10
p=15
Tehetséges hallgatók az energetikában
4
Szuperkritikus anyagok
2017. 05. 04.
A sűrűség változása 5 MPa nyomáson 30 25
Sűrűség [mol/l]
Az A és B állapotok között alig van különbség, pedig az egyik szub-, a másik szuperkritikus. A B és C állapotok között nagy különbség van, pedig elvileg mind a kettő ugyanúgy szuperkritikus. Kellene egy másik definíció.
20
A
15
B
10 5
C
0 0
100
200
300
400
500
Hőmérséklet [K]
Tehetséges hallgatók az energetikában
5
Widom-vonalak meghatározása • Egyes mennyiségeknél a maximum, illetve a minimum közvetlen meghatározásával a releváns nyomás tartományban. • Más mennyiségeknél az inflexiós pont megkeresése (numerikus deriválás extrémum meghatározása). • Ezek a pontok p-T diagramon vonalakat alkotnak. • Minden mennyiséghez más vonalak tartoznak.
2017. 05. 04.
Tehetséges hallgatók az energetikában
6
Widom-vonalak Izoterm kompresszibilitás
Izobár fajhő
Nyomás [MPa]
25
16
p = 9E-05T3 - 0,0508T2 + 10,282T - 699,25 R² = 0,9997
14
Nyomás [MPa]
30
20 15 10 5
12 10 8 6 4
p = 1E-05T3 - 0,0075T2 + 1,4958T - 105,14 R² = 0,9999
2
0
0 185
205
225
245
265
185
205
Hőmérséklet [K]
2017. 05. 04.
Tehetséges hallgatók az energetikában
225
245
265
Hőmérséklet [K]
7
Widom-vonalak Az egyes anyagi tulajdonságok maximum helyei, illetve inflexiós pontjai széles hőmérséklet tartományon, valamint a kritikus pont közelében. 30 15
Nyomás [MPa]
20
párolgási görbe sűrűség
15
cv cp
10
hangsebesség Ks
5
Kt
0 80
280
Hőmérséklet [K] 2017. 05. 04.
480
Nyomás [MPa]
25 13 párolgási görbe
11
sűrűség cv
9
cp
7
hangsebesség Ks
5
Kt
3 185
205
225
Hőmérséklet [K] Tehetséges hallgatók az energetikában
8
Vizsgált problémák • Körfolyamatok • CNG
2017. 05. 04.
Tehetséges hallgatók az energetikában
9
Körfolyamatok • A körfolyamatok elemi lépésekből állnak. Pl.: izobar, izoterm, adiabatikus. • Az ilyen lépések közben áthaladhatunk az anomális régión. • Meg kell vizsgálni, ennek milyen hatásai vannak; például léphetnek-e fel szabályozási problémák.
2017. 05. 04.
Tehetséges hallgatók az energetikában
10
Körfolyamatok • Irreverzibilitások elhanyagolása. • Izoterm kompresszibilitás vizsgálata: megadja, hogy mennyire összenyomható a közeg. • Izobár fajhő vizsgálata: megadja, hogy mennyi hőt kell a rendszerrel közölnünk, vagy onnan elvonnunk, hogy 1 kg anyag 1 K-nel felmelegedjen, vagy lehűljün. • Folyamatban van egyes Rankine-ciklusok vizsgálata (izobár és adiabatikus lépések).
2017. 05. 04.
Tehetséges hallgatók az energetikában
11
CNG • Compressed natural gas (tárolás szobahőmérsékleten, 200-250 bar) • Nagyon nagy tisztaságú metán • Járműiparban jelentős fejlesztések • cp és κt vizsgálata, sűrítés vagy felhasználás közben metsszük-e ezek Widom-vonalát, ha igen, akkor ez okozhat-e problémát
2017. 05. 04.
Tehetséges hallgatók az energetikában
12
Adiabaták 30
CNG tárolási tartomány
Nyomás [MPa]
25
párolgási görbe sűrűség
20 cv 15
cp hangsebesség
10 Ks 5
Kt
0 90
190
290
390
490
Hőmérséklet [K] 2017. 05. 04.
Tehetséges hallgatók az energetikában
13
Következmények • Anomális fajhő-csúcs metszésekor nagy hőmennyiséget kell közölnünk vagy elvonnunk kis hőmérséklet-változáshoz. Ez néha jó (hőtárolás), néha rossz (hőmérséklet-szabályozás). • Anomális kompresszibilitás-csúcs metszésekor nyomás-szabályozás nehézkes lesz. • Bizonyos hőmérsékleteken és nyomásokon, illetve bizonyos folyamatokban az anomáliák nagyok, ott nagyobb hatásuk van, máshol kisebb, ott elhanyagolhatók.
2017. 05. 04.
Tehetséges hallgatók az energetikában
14
Argon izobár fajhő-csúcs
EMSF 2016 Imre és mtsai 2017. 05. 04.
Tehetséges hallgatók az energetikában
15
Eredmények • Feltérképeztem a metán anomális régióját. • Ábrázoltam a p-T grafikonon az anomáliák maximumának helyeit. • A vonalakhoz grafikus illesztést is csatoltam. • Rámutattam a nagynyomású CNG tárolás és egyes termodinamikai körfolyamatok esetén a Widomrégió fontosságára.
2017. 05. 04.
Tehetséges hallgatók az energetikában
16
További lehetőségek • Metánon túl az etán, propán és bután anyagok vizsgálata. • Metán és bután keverésével izentropikus ORC munkaközeg létrehozása. • CNG komprimálása,vagy expanziója során a leghatékonyabb vagy legkevésbé problémás eljárás kidolgozása.
2017. 05. 04.
Tehetséges hallgatók az energetikában
17
Köszönöm a figyelmet!
