A szuperkritikus metán hőtani anomáliáinak vizsgálata Katona Adrienn Energetikai mérnök BSc hallgató katona.adrienn@eszk.org
Nyomás [MPa] Normál és szuperkritikus fluid régiók Régió hagyományos határa: ahol a nyomás és hőmérséklet értékek kritikus értékek felett helyezkednek el. 10 Nyomás-hőmérséklet diagram 8 6 4 2 0 Folyadék Gőz/gáz 80 130 180 230 280 Hőmérséklet [K] 2017. 05. 04. Tehetséges hallgatók az energetikában 2
Sűrűség [g/cm^3) Anomáliák 0,400 0,350 A sűrűség változása a hőmérséklet függvényében Inflexiós pontok 0,300 0,250 0,200 0,150 0,100 0,050 p=5 p=10 p=15 p=20 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 150 200 250 300 350 400 450 Hőmérséklet [K] p=5 p=10 p=15 Maximumok 2017. 05. 04. Tehetséges hallgatók az energetikában 4
Sűrűség [mol/l] Szuperkritikus anyagok 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. 30 25 20 15 10 5 0 A sűrűség változása 5 MPa nyomáson A B C 0 100 200 300 400 500 Hőmérséklet [K] 2017. 05. 04. 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
Nyomás [MPa] Nyomás [MPa] Widom-vonalak 30 25 20 15 10 5 Izobár fajhő p = 9E-05T 3-0,0508T 2 + 10,282T - 699,25 R² = 0,9997 16 14 12 10 8 6 4 2 Izoterm kompresszibilitás p = 1E-05T 3-0,0075T 2 + 1,4958T - 105,14 R² = 0,9999 0 185 205 225 245 265 Hőmérséklet [K] 0 185 205 225 245 265 Hőmérséklet [K] 2017. 05. 04. Tehetséges hallgatók az energetikában 7
Nyomás [MPa] Nyomás [MPa] Widom-vonalak Az egyes anyagi tulajdonságok maximum helyei, illetve inflexiós pontjai széles hőmérséklet tartományon, valamint a kritikus pont közelében. 30 25 20 15 10 5 0 80 280 480 Hőmérséklet [K] párolgási görbe sűrűség cv cp hangsebesség Ks Kt 15 13 11 9 7 5 3 185 205 225 Hőmérséklet [K] párolgási görbe sűrűség cv cp hangsebesség Ks Kt 2017. 05. 04. 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 c p és κ t 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
Nyomás [MPa] Adiabaták 30 25 20 15 10 5 CNG tárolási tartomány párolgási görbe sűrűség cv cp hangsebesség Ks 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!