A szuperkritikus metán hőtani
anomáliáinak vizsgálata
Katona Adrienn
Energetikai mérnök BSc hallgató
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!