A szuperkritikus metán hőtani

anomáliáinak vizsgálata

Katona Adrienn

Energetikai mérnök BSc hallgató

katona.adrienn@eszk.org

Normál és szuperkritikus fluid

régiók

• Régió „hagyományos” határa: ahol a nyomás és

hőmérséklet értékek kritikus értékek felett

helyezkednek el.

2017. 05. 04. Tehetséges hallgatók az energetikában 2

0

2

4

6

8

10

80 130 180 230 280

Nyo

más

[M

Pa]

Hőmérséklet [K]

Nyomás-hőmérséklet diagram

Gőz/gáz

Folyadék

Anomáliák

2017. 05. 04. Tehetséges hallgatók az energetikában 3

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,350

0,400

150 250 350 450

Sűrű

ség

[g/c

m^3

)

Hőmérséklet [K]

A sűrűség változása a hőmérséklet függvényében

p=5

p=10

p=15

p=20

Inflexiós pontok

Anomáliák

2017. 05. 04. Tehetséges hallgatók az energetikában 4

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

150 200 250 300 350 400 450

Izo

bár

faj

hő

[J/

mo

lK]

Hőmérséklet [K]

A fajhő változása a hőmérséklet függvényében

p=5 p=10 p=15

Maximumok

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.

2017. 05. 04. Tehetséges hallgatók az energetikában 5

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500

Sűrű

ség

[mo

l/l]

Hőmérséklet [K]

A sűrűség változása 5 MPa nyomáson

B

C

A

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

2017. 05. 04. Tehetséges hallgatók az energetikában 7

p = 1E-05T3 - 0,0075T2 + 1,4958T - 105,14R² = 0,9999

0

2

4

6

8

10

12

14

16

185 205 225 245 265

Nyo

más

[M

Pa]

Hőmérséklet [K]

Izoterm kompresszibilitás

p = 9E-05T3 - 0,0508T2 + 10,282T - 699,25R² = 0,9997

0

5

10

15

20

25

30

185 205 225 245 265

Nyo

más

[M

Pa]

Hőmérséklet [K]

Izobár fajhő

Widom-vonalak

Az egyes anyagi tulajdonságok maximum helyei, illetve

inflexiós pontjai széles hőmérséklet tartományon,

valamint a kritikus pont közelében.

2017. 05. 04. Tehetséges hallgatók az energetikában 8

0

5

10

15

20

25

30

80 280 480

Nyo

más

[M

Pa]

Hőmérséklet [K]

párolgási görbe

sűrűség

cv

cp

hangsebesség

Ks

Kt

3

5

7

9

11

13

15

185 205 225

Nyo

más

[M

Pa]

Hőmérséklet [K]

párolgási görbe

sűrűség

cv

cp

hangsebesség

Ks

Kt

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

2017. 05. 04. Tehetséges hallgatók az energetikában 13

0

5

10

15

20

25

30

90 190 290 390 490

Nyo

más

[M

Pa]

Hőmérséklet [K]

párolgásigörbesűrűség

cv

cp

hangsebesség

Ks

Kt

CNG tárolási tartomány

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

2017. 05. 04. Tehetséges hallgatók az energetikában 15

EMSF 2016Imre és mtsai

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 Widom-

régió 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!