Mskolc Egyetem Kőolaj és Földgáz Itézet Gázmérök Taszék G Á Z J E L L E M Z Ő K összefoglalás Horászky Beáta egy. taársegéd
- - A gázállapot egy külöleges halmazállapot: a gázmolekulák ktöltk a redelkezésre álló teret, s yomásuk övekedésével a térfogatuk jeletőse csökkethető. Mozgásuk redezetle, s az ütközésektől eltektve agy távolságokra vaak egymástól. A gáztechka e külöleges halmazállapotú ayagokkal dolgozk. Az alábbakba a gázok (gázerékek) potos megsmeréséhez, vselkedésük megértéséhez, a gázmérök gyakorlat szempotjából fotos összefüggéseket foglaltam össze. A gázokat leíró meységek három agy csoportba sorolhatók, így megkülöböztetük: állapotjelzőket, ayagjellemzőket tüzeléstechka jellemzőket.. A gázerékek állapotjelző A gázok állapotát a yomás (p), a hőmérséklet (T), a térfogat (V), valamt az ayagmeység (), továbbá erékek eseté a erék összetétele határozza meg. Az adott gázállapot bármlye körülméy, beavatkozás hatására (pl.: hőközlés) megváltozhat. Nyomás A felületegységre ható erő. Jele: p Mértékegysége: Pa (pascal) Haszálatos még a bar ll. torr s. A gáztechka gyakorlatba a légkör yomáso lévő gáz yomása: A tudomáy fejlődése sorá mde területe, így a gázparba s kalakult a megfelelő, szte kzárólag csak az adott ágazatba haszált mértékegységredszer. S bár az egységes SI mértékegységekre való áttérés utá a szabváy (MSZ 373) meghatároz egy ormálállapotot (amely a fzka ormálállapot), a gázparba még haszálatosak a rége kalakult elevezések, számítás módszerek. Ezért a fzka ormálállapottól a gáztechka gyakorlat megkülöböztet a gáztechka ormálállapotot.
- - bar 035 Pa A gázerékek yomása az alkotók parcáls yomásáak összegével egyelő p p Tehát az -dk alkotó parcáls yomása: p r p r - a erék térfogataráya. A gázyomás mérését végző eszközök általába a túlyomást mérk, amey a gáz téyleges yomásáak és a légkör yomásak a külöbsége. Hőmérséket Fogalma abból a megfgyelésből ered, hogy az eerga szabado áramlk az ayagok között, ameybe azok értkezek egymással. A hőmérséklet az áramlás ráyát mutatja meg. Jele: T Mértékegysége: K (kelv) haszálatos még a C (celsus) ll. a F (fahrehet) A fzka ormállapot hőmérsékete: 0 C 73,5 K A gáztechka ormállapot hőmérsékleté a 5 C 88,5 K meységet értjük. A gázerék hőmérsékletét abból kdulva adhatjuk meg, hogy a erék etalpája egyelő az alkotók etalpájáak összegével:
- 3- T c p c p m T m c p etalpa m az egyes alkotók tömege T az alkotók hőmérséklete m a erék tömege Térfogat Valamely ayaggal ktöltött tér agysága Jele: V Meysége: m 3 Ayagmeység Valamely ayagfajta képlete által meghatározott meység. Jele: Egysége: mol Az egy mol-y ayagra voatkozó meységek a molárs meységek: Móltérfogat (V m ): az adott ayag térfogatáak (V) és ayagmeységéek () háyadosa V V m Mértékegysége: m 3 /kmol Móltömeg (M): az adott ayag tömegéek (m) és ayagmeységéek háyadosa () M m Mértékegysége: kg/kmol
- 4-. Tökéletes gázok állapotegyelete A fet állapotjelzők között természetese szoros összefüggések vaak, melyeket az állapotegyeletek írak le. A gáztechkába általáosa elfogadott az deáls (tökéletes) gázok vselkedését leíró állapotegyeletek haszálata. Egy adott gázt akkor evezük deálsak, ameybe molekulát potszerűek tektjük, s feltételezzük, hogy e molekulák között cs kölcsöhatás. Az lye gázállapot a természetbe em létezk.... Boyle-Marott törvéy (66) Az zotermkus állapotváltozás törvéye, a yomás hatását adja meg.. Adott, álladó hőmérsékletű gáztömegre ható abszolút yomás és az elfoglalt térfogat fordította aráyos. p V p V pv kostas... Gay-Lussac törvéyek Egy adott gázmeység állapotjelző a hőmérséklet hatására változak. A Gay- Lussac törvéyek a gáz állapotváltozásáak két sajátos esetét írják le: Abba az esetbe, ha a gáz yomása álladó: Izobár állapotváltozás. A térfogat övekedése aráyos a hőmérséklet övekedésével V ( αt) V 0
- 5- V 0 a fzka ormálhőmérséklete mért térfogat t az adott hőmérséklet α hőtágulás együttható Ha a gáz térfogatát tektjük álladóak: Izochor állapotváltozás. A hőmérséklet emelkedésével a gáz yomása ő p ( βt) p 0 p 0 a fzka ormálhőmérséklete mért yomás t - az adott hőmérséklet β - összeyomhatóság együttható... Egyesített gáztörvéy A fet smertetett összefüggések összegzése. pv T p0v T V,p,T adott állapotú gáz jellemző V 0,p 0,T 0 fzka ormálállapotú gáz jellemző 0 0...Általáos gáztörvéy Az egyesített gáztörvéy alapjá megfogalmazható olya általáos törvéyszerűség s, amely adott meységű gáz állapotjelző kapcsolatot adja meg.
- 6- Az általáos gáztörvéy mól tömegű gázra: pv m RT A móltérfogat (V m ) Avogadro tételéből voatkozóa valamey gázra ugyaay kellee, hogy legye azoos yomáso és hőmérséklete. Ez deáls gázok esetébe valóba teljesül. R T V m p T,p adott gáz állapotjelző R az uverzáls gázálladó Melyek értéke: 8,34 J/molK A fet összefüggésből a móltérfogat számszerűsíthető. A móltérfogat fzka ormálállapoto (T73,5 K, pbar):,4 m 3 Az általáos gáztörvéy mol gázra: pv R T V,p,T adott mol-y gáz állapotjelző a gáz meysége mol-ba R uverzáls gázálladó A móltömeg defícójából adódó behelyettesítés utá felírható az általáos gáztörvéy m tömegű gázra: pv m M RT V,p,T adott m tömegű gáz állapotjelző m a gáz tömege M az adott gáz móltömege R uverzáls gázálladó
- 7- Az egyeletet átredezve: pv mr T V,p,T adott m tömegű gáz állapotjelző m a gáz tömege R S - specfkus gázálladó R S R M S.. Reáls gázok gázok állapotegyelete A reáls gázok molekulá már em tekthetők potszerűek, véges kterjedésűek tekthetők, ezért erős hatással vaak egymásra. A molekulák között taszítóerők a kterjedést, míg a vozóerők az összeyomást segítk. Mvel md a vozó, md a taszítóerők más-más távolságra hatak a yomás függvéyébe bevezették az ú. Z kompresszbltás téyezőt Z pv T,p - adott gáz állapotjelző V m - adott gáz móltérfogata R uverzáls gázálladó RT m A kompresszbltás téyező értéke külöböző yomástartomáyokba más és más: Tökéletes gázra: Z az erők em játszaak jeletős szerepet Nagyo ks yomás eseté: Z vselkedése, mt az deáls gázé Közepes yomás eseté: Z> vozóerők hatak jobba Nagy yomás eseté: Z< a taszítóerők hatak jobba
- 8-... Va der Waals egyelet (873) A valós gázokra s számtala állapotegyeletet megalkottak már. Közepes yomásokg a legáltaláosabba haszált a va der Waals állapotegyelet. p RT V T adott gáz hőmérséklete V m adott gáz móltérfogata R uverzáls gázálladó a,b va der Waals álladók a m V m Ez az állapotegyelet írta le először a gáz és a folyadékállapot között összefüggést. Az egyeletbe szereplő álladók (a,b) meghatározása a tszta ayagokra voatkozó általáos p-v dagram zotermájáak krtkus potbel flexója alapjá törték. p V T p V c T c 0 b RT 8p c c a 7 64 R T p c A va der Waals állapotegyeletből fejlődtek k az ú. köbös állapotegyeletek (Redlch-Kwog, Peg-Robso, stb.). Fotos megemlíte az ú. hatváysoros egyeleteket. A Beedct-Webb-Rub (BWR) egyelet a gőz és a folyadékfázsú elegyekre voatkozó legpotosabb összefüggések egyke. C D E d d ρ p ρ RT + B + T T T T T T [ γρ ] [ γρ ] 3 0 0 0 3 6 0 RT A0 + + ρ 3 4 0 + brt a ρ + α a + ρ + C exp
- 9- A 0 γ - az összetételtől függő változók, a eredés szabályokból számíthatók A fet állapotegyeletek kzárólag tszta így a természetbe elő em forduló ayagokra érvéyesek. A többkompoesű kétfázsú elegyekre az állapotegyeletek boyolult átszámítással érvéyesíthetők (kostasok számítása eredés szabályokkal, stb.).. Gázerékek ayagjellemző Molárs tömeg Adott gázerék molárs tömege az alkotók molárs tömegből számíthatók k. Jele: M Mértékegysége: kg/kmól M r M M a gázerék alkotóak molárs tömeg r a gázerék alkotóak részaráya Sűrűség, fajsúly, fajtérfogat Egységy tömegű gázmeység tömege a gázsűrűség. Jele: ρ Mértékegysége: kg/m 3 A gázerék sűrűsége az egyes alkotók sűrűsége és az alkotók térfogataráya smeretébe adható meg: ρ r ρ r a gázerék alkotóak térfogataráya
- 0- ρ a erék alkotóak sűrűsége A gázerék sűrűsége ormálállapotba: ρ M V Ahol M a gázerék molárs tömeg V m adott gáz móltérfogata m Egy gázerék sűrűsége a hőmérséklettel és a yomással együtt változk. Ideáls gázok eseté jó közelítéssel ezt a következő összefüggés írja le: ρ ρ p p ρ rel a gázerék sűrűsége ormálállapoto T,,p, a erék állapotjelző egyes dőpllaatokba T T A gázerék fajsúlya az alkotók fajsúlya és térfogataráya smeretébe számítható k. Jele: γ Mértékegysége: N/m 3 γ r γ alkotók fajsúlya r a gázerék alkotóak térfogataráya γ A gázerék fajtérfogata pedg a erék sűrűségéek recproka ll. az egyes alkotók fajtérfogata aráyába kszámolható. Jele: v Mértékegysége: m 3 /kg
- - v ρ r v v a gázerék alkotóak fajtérfogata r a gázerék alkotóak térfogataráya Vszkoztás A valós gázok áramlása sorá az egymással értkező elem részek között fellépő csúsztató feszültség. A ewto összefüggéssel: dw τ η dy w az áramlás sebessége y aak ráyára merőleges távolságkoordáta η damka vszkoztás mértékegysége: Nm /s, Pas (pose) a mérés adatokból megállapították, hogy a damka vszkoztás tökéletes gázokál a yomástól és a sűrűségtől függetle, míg a reáls gázok esetébe a yomásfüggetleség csak 0 3 Pa és 0 6 Pa között yomástartomáyba valósul meg adott gázerék damka vszkoztása külöböző hőmérséklete a Sutherlad összefüggéssel adható meg: η T C + T η T 0 0 C + T T0 3 η 0 T 0 hőmérséklethez tartozó damka vszkoztás C Sutherlad álladó Az azoos yomáso mért damka vszkoztás és sűrűség háyadosa a kematka vszkoztás.
- - Jele: ν Mértékegysége: m /s η ν ρ A kematka vszkoztás emcsak hőmérséklet, de erőse yomásfüggő ayagjellemző. Külöböző állapotokra a Sutherlad összefüggés ad értékeket. ν ν p ( C + T0 ) ( C + T ) T 0, 0 T p p T0 3 ν 0 (T 0,p 0 ) állapothoz tartozó kematka vszkoztás C Sutherlad álladó Fajhő Az ayag egységy tömegéek K hőmérséklet-változatásához szükséges hőeerga. Erőse hőmérséklet függő ayagjellemző. Jele: c Mértékegysége: J/kgK A gázerékek fajhője az alkotók fajhőek és az alkotók tömeg szert vszoyszámáak smeretébe számolható k: c c a gázerék alkotóak fajhője s az alkotók tömeg szert vszoyszáma s c A gáztechkába szükséges megkülöböztetük álladó yomáso (c p ), lletve álladó térfogato mért fajhőt (c V ) A két jellemző között összefüggések írhatók fel: c p - c V R s (specfkus gázálladó) c p / c V κ (mólhővszoy)
- 3- Hővezető képesség A gázerékek hővezetés téyezője az ayag mőségtől és az ayagjellemzőktől egyarát függ. Jele: λ Mértékegysége: W/mK A gázerékek hővezetés téyezőjét a Ldsay-Bromley összefüggés adja meg, melyek átlagos hbája 0 80 C között 3% alatt va. λ λ r r 3 3 M M λ az alkotók hővezetés téyezője M az alkotók móltömege r a gázerék alkotóak térfogataráya 3. A gázerékek tüzeléstechka jellemző A gázok, gázerékek elégetésével foglalkozó tüzeléstechkába s szükség va a gázok tulajdoságaak meghatározására. Ehhez számos jellemzőt határozhatak meg. Néháy ezek közül: Gázösszetétel Az adott, szeyező ayagoktól metes gázerék kémalag egyemű alkotók térfogataráya vagy térfogatszázaléka. Általába komatográffal határozzák meg. Mértékegysége: tf%, m 3 /m 3
- 4- Relatív sűrűség Az adott állapotú gáz és ugyaazo állapotú levegő sűrűségéek háyadosa: ρ d ρ lev ρ az adott gáz v. gázerék sűrűsége ρ lev a levegő sűrűsége (,98 kg/m 3 ) Az állapottól függetle számérték. Jelölése: d Mértékegysége: - Egy erék relatív sűrűsége az alkotóak relatív sűrűségéből számítható. d r d d egyes alkotók relatív sűrűsége r - a erék alkotóak térfogataráya. Égéshő, fűtőérték Égéshő: Egységy meységű gáz tökéletes elégetésekor felszabaduló hőeerga, ameybe az égéshez felhaszált levegő kezdet hőmérséklete, valamt az égéstermék véghőmérséklete azoos (egyarát 0 C) és az égéstermék víztartalma cseppfolyós halmazállapotú. Jelölése: H S felső fűtőérték Mértékegysége: kj/kg, kj/nm 3, kj/kmol Fűtőérték: Egységy meységű gáz tökéletes elégetésekor felszabaduló hőeerga, ameybe az égéshez felhaszált levegő kezdet hőmérséklete, valamt az égéstermék véghőmérséklete
- 5- azoos (egyarát 0 C) és az égéstermék víztartalma gőzhalmazállapotú Jelölése: H I alsó fűtőérték Mértékegysége: kj/kg, kj/m 3,kJ/kmol Vagys: H I H S víz párolgáshője Gyakorlat ökölszabálykét felírható: H S H I, Mdkét jellemző gázerékek esetébe az egyes alkotókra voatkozó meységekből számítható a eredés szabály szert: S H r H S I H r H r - a erék alkotóak térfogataráya. H S, H I a erék alkotóak égésője, lletve fűtőértéke I Gyulladás hőmérséklet A redszer határoló faláak legalacsoyabb hőmérsékletét, amelye adott feltételek mellett a gázerék a levegőbe vagy oxgébe külső beavatkozás élkül meggyullad. Az ögyulladás sorá az égés reakcó redkívül gyors, robbaásszerű. Gyújtás kocetrácó határa Az éghető ayag olya kocetrácóértéke, melyek a lehetséges gyújtás tartomáyt behatárolják. Így beszélhetük alsó és felső gyújtás kocetrácóról. Jelölése: Z k
- 6- Mértékegysége: m 3 /m 3,, g/m 3 A gyújtás kocetrácót sok téyező befolyásolhatja pl.: kezdet hőmérséklet és yomás, a szeyezőayagok meysége, és mősége, a gyújtóforrás mősége és mlyesége, stb. Az ert gáz hozzáadása az éghető erékhez léyegese csak a felső kocetrácóhatárt befolyásolja, fordított aráyba. Mél több az ert gáz, aál jobba szűkül a gyulladás tartomáy. A gázerékek gyújtás kocetrácóhatárat a Le Chateler összefüggéssel számíthatjuk k: Z é r Z é Ahol Z az egyes alkotók alsó (felső) gyújtás kocetrácóhatára, Z é a erék alső (felső) gyújtás kocetrácóhatára az éghető részre számítva, r é az éghető kompoes térfogataráya a erék éghető ayagához vszoyítva Ameybe a erékbe ert ayag (CO, N ) s található: Z Z é B + B B + Z é B B a erék erttartalma Z é az ert gázokat s tartalmazó erék alsó (felső) gyújtás kocetrácóhatára Normál lágterjedés sebesség Az éghető gázerékbe a reakcó meghatározott sebességgel terjed szét az egész térfogatba az adott gyújtás helytől kdulva.
- 7- Az égés reakcó a ormál lágterjedés sebességgel jellemezhető, amely a lágfrot ormáls ráyú terjedés sebessége. Nem addtv, eredés törvéyek alapjá em számítható. Értéke függhet: a kezdet hőmérséklettől, a yomástól, stb. Mértékegysége: cm/s Wobbe-szám A gázerék fúvókából való kömlésére felírt összefüggésből származtatható mutatószám. Jelölése: W o Mértékegysége: kj/kg A kémalag kötött eergaáram: Q. V. H f A káramló térfogat: V. Aω A a kömlés keresztmetszet ω - a kömlés sebesség e ω-t kfejezve és behelyettesítve:. Q αa ρ rel H ρ f rel p c α kömlés téyező A a kömlés keresztmetszet ρ rel a káramló gáz relatív sűrűsége H f a káramló gáz égéshője p a gáz yomása A fet egyeletből értelmezhetjük a Wobbe-számot.
- 8- Wo H S d A gázellátó redszerekbe legjeletősebb a yomásváltozás. Ezért értelmezek egy ú. bővített Wobbe-számot: Wo H S p d Nem addtív meység, az alkotók Wobbe-számából em lehet kszámol a erékre jellemző mutatót. 4. A gázerékek mősége A gázok mőségét sok téyező befolyásolhatja. Ilye jellemző pl.: a kétartalom, a vízharmatpot, a szlárdayag-tartalom, a égéshő, a Wobbeszám, stb. A egységes gázmőség érdekébe a Nemzetköz Gázuó ajálása alapjá két gázmőség csoportot hoztak létre. Ezek Európába: H mőség: agy CH 4 tartalmú gázok L mőség: ksebb CH 4 tartalmú, N -t tartalmazó gázok Magyarországo e besorolás osztályok a következők: H mőség: agy CH 4 tartalmú gázok S mőség: ksebb CH 4 tartalmú, CO -t tartalmazó gázok (L mőség: ksebb CH 4 tartalmú, N -t tartalmazó gázok) A gázszolgáltatásról szóló 994.év XLI.törvéy hatálya alá tartozó MSZ 648 szabváy két gázmőség csoportot külöböztet meg: /H /S jelűeket. A közszolgáltatású vezetékes földgáz mőség követelméye az MSZ 648 alapjá:
- 9- /H /S ÉGÉSI JELLEMZŐK Wobbe-szám (MJ/m 3 ) 46,-56,5 38,5-46,8 Névleges Wobbe-szám 54 44,6 (MJ/m 3 ) Égéshő (MJ/m 3 ) 30,-47, Fűtűérték (MJ/m 3 ) 7,-4,6 Relatív sűrűség 0,55-0,7 SZENNYEZŐANYAG-TARTALOM Összes ké max (mg/m 3 ) 00 00 Ké-hdrogé max (mg/m 3 ) 0 0 Szlárd ayag max (mg/m 3 ) 5 5 Oxgé max. (tf%) 0, 0, EGYÉB KÖVETELMÉNY A ksyomású földgáz yomása a fogyasztó átadás helyé: Ks yomásál -33 mbar Növelt ksyomásál 74-00 mbar Vízgőztartalom Országos vezetékbe 0,7 g/m 3 Fogyasztó hálózatba Ne kodezálódjo Szagosítás MSZ-09-7400/,,5 szert