Luento 6
Transcription
Luento 6
DEE-54030 Kryogeniikka Kryogeenisten nesteiden ja kaasujen sovellusalueita 1.4.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 1 Puhtaan aineen tila • Kemialliselta koostumukseltaan homogeeninen → yhdestä alkuaineesta tai yhdisteestä koostuvat systeemit. • Puhtaan aineen tila on täysin määrätty, kun aineen kaksi riippumatonta tilasuuretta tunnetaan → z = f (x, y) → p, v, T –koordinaatisto • Kryogenikassa tarkastellaan prosesseja ja systeemien käyttäytymistä tilapiirrosten avulla. 1.4.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 2 Puhtaan aineen PVT -käyttäytyminen p, T faasimuutokset h, s kiertoprosessit p, v kompressorit T, s kiertoprosessit ln p, h kylmäkoneistot h, T 1.4.2015 höyrykattilat DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 3 p, T -tilapiirros Trippelipiste a – kaikki 3 faasia samanaikaisesti läsnä. Höyrynpainekäyrä a c (neste-höyry) Sulamispistekäyrä a b (kiinteä-neste) Sublimaatio a:n alapuolella (kiinteä-höyry) Kriittinen piste: neste- ja kaasumainen olomuoto yhtäaikaa voimassa Tc, pc, vc 1.4.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 4 Properties of Cryogens Source: NIST, REFPROP • CRYOGEN: Fluid with normal boiling point < 120 K Cryogen Triple point (K) Boiling point (K) Critical point (K) Krypton, Kr 115.77 119.73 209.48 Methane, CH4 90.69 111.67 190.56 Oxygen, O2 54.36 90.19 154.58 Argon, Ar 83.81 87.30 150.69 Fluorine, F 53.48 85.04 144.41 Carbon monoxide, CO 68.16 81.64 132.86 Air, 0.76N2+0.23O2+0.01Ar 59.75 78.9 – 81.7 132.4 Nitrogen, N2 63.15 77.36 126.19 Neon, Ne 24.56 27.10 44.49 Hydrogen (normal), H2 13.96 20.39 33.19 Hydrogen (para), H2 13.80 20.28 32.94 - 4.230 5.1955 Helium-4, He4 3 Happi Molekyylipaino Kaasun ominaistiheys (STP) Kaasun ominaistilavuus (STP) Kiehumispiste (1 atm) Jäätymispiste (1 atm) Kriittinen lämpötila Kriittinen paine Kriittinen tiheys Trippelipiste Höyrystymislämpö kiehumispisteessä Ominaislämpö Cp (STP) Ominaislämpö Cv (STP) Tiheys (neste) kiehumispisteessä Tiheys (kaasu) kiehumispisteessä Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) –suhde 1.4.2015 31.99 g/mol 1.326 kg/m3 0.754 m3/kg 90.2 K 54.4 K 154.6 K 5043 kPa 436.1 kg/m3 54.3 K (0.148 kPa) 213 kJ/kg 0.919 kJ/kgK 0.658 kJ/kgK 1141 kg/m3 4.483 kg/m3 860.5 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 6 Happi (Cont.) • • Lievästi magneettinen, O2 pitoisuuksien testaaminen kaasuseoksista Hitsaus, metallien leikkaus, polttoprosessit, otsonin valmistus, selluntuotannossa valkaisuaineena, suojakaasupakkaus, teräksen valmistus, asetyleenin valmistus, sairaalat Upotetaan savuke 30 sekunniksi nestehappeen. 1.4.2015 Sytytetään, palaminen vie 3 sekuntia. Liekki hyvin kuuma ja kirkas. DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen Lopputilanne. 7 Happi (Cont.) Case-sovellus: Happikaasun annostelua esimerkiksi keskosten happikaappeihin seurataan magneettisuutta mittaamalla. 1.4.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 8 Typpi Molekyylipaino Kaasun ominaistiheys (STP) Kaasun ominaistilavuus (STP) Kiehumispiste (1 atm) Jäätymispiste (1 atm) Kriittinen lämpötila Kriittinen paine Kriittinen tiheys Trippelipiste Höyrystymislämpö kiehumispisteessä Ominaislämpö Cp (STP) Ominaislämpö Cv (STP) Tiheys (neste) kiehumispisteessä Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) –suhde 1.4.2015 28.01 g/mol 1.153 kg/m3 0.867 m3/kg 77.3 K 63.2 K 126.3 K 2299 kPa 314.9 kg/m3 63.1 K (12.5 kPa) 199.1 kJ/kg 1.04 kJ/kgK 0.741 kJ/kgK 808.5 kg/m3 696.5 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 9 Typpi (Cont.) Kemiallisesti ei-aktiivinen, räjähtämätön, myrkytön (LN2 saattaa kondensoitua seokseksi, jossa 50% nestehappea räjähdysvaara) Ilmakehässä n. 78 % (Marsin ilmakehässä 2.6 %). Suojakaasuna (kuivaus- ja hehkutusprosessit), jäähdytysaineena (laserit, infrapunadetektorit), karkaisu (teräs), öljyteollisuus Elintarviketeollisuus! 1.4.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 10 Typpi (Cont.) 1.4.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 11 Neon Molekyylipaino Kaasun ominaistiheys (STP) Kaasun ominaistilavuus (STP) Kiehumispiste (1 atm) Kriittinen lämpötila Kriittinen paine Kriittinen tiheys Trippelipiste Höyrystymislämpö kiehumispisteessä Ominaislämpö Cp (STP) Ominaislämpö Cv (STP) Tiheys (neste) kiehumispisteessä Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) –suhde 1.4.2015 20.18 g/mol 0.835 kg/m3 1.197 m3/kg 27.1 K 44.65 K 2654 kPa 483 kg/m 24.55 K (43.4 kPa) 86.3 kJ/kg 1.05 kJ/kgK 0.636 kJ/kgK 1207 kg/m3 1445 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 12 Neon (Cont.) William Ramsat, Morris Travers 1898 Väritön, inertti, harvinainen jalokaasu (ilmakehässä 1.5 promillea) Valmistus: Ilman nesteytys + tislaus Hyvä jäähdytyskapasiteetti (40 x He, 3 x H2) Mainosvalot, korkeajänniteindikaattorit, tyhjöputket, laserit Suprajohtavuus? 1.4.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 13 Vety Molekyylipaino Kaasun ominaistiheys (STP) Kaasun ominaistilavuus (STP) Kiehumispiste (1 atm) Jäätymispiste (1 atm) Kriittinen lämpötila Kriittinen paine Kriittinen tiheys Trippelipiste Höyrystymislämpö kiehumispisteessä Ominaislämpö Cp (STP) Ominaislämpö Cv (STP) Tiheys (neste) kiehumispisteessä Tiheys (kaasu) kiehumispisteessä Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) –suhde 1.4.2015 2.016 g/mol 0.083 kg/m3 11.99 m3/kg 20.4 K 16.2 K 33.19 K 1315 kPa 30.12 kg/m3 13.95K (0.148 kPa) 446 kJ/kg 14.34kJ/kgK 10.12kJ/kgK 70.96 kg/m3 1.331 kg/m3 850.3 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 14 Vety (Cont.) Kevyin tunnettu alkuaine 90 % maailmankaikkeuden atomeista arvioidaan olevan vetyä Maankuoren massasta 0.76 % (13.5 % maankuoren atomeista) Vety ei ole primäärienergian muoto - höyryrefermointi termokemiallinen (aurinko!) sähkökemiallinen fotolyysi biokonversio Energiasisältö 120 MJ/kg 1.4.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 15 1.4.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 16 Vety (Cont.) Vedyn nesteytys Orto- ja paravety – vastakkaiset spin-kvanttiluvut Vedyn varastointi wt% James Dewar, 1898 Avaruusohjelma, 1950 1.4.2015 Kaasu Neste Metallihydridi Aktiivihiili Zeoliitti Lasi Nanoputki Fulleriini Kemiallinen DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 11.3 25.9 5.5 5.2 0.8 6.0 7.0 6.0 15.1 17 Vety - sovellusalueita Kemian ja petrokemian teollisuus (voiteluöljyjen ja kerosiinin valmistus) Ammoniakin ja synteettisen metanolin valmistus Elintarviketeollisuus (ruokaöljyjen ja margariinin valmistus) Metallurgia (rautaoksidin poistaminen rautamalmista) Sähkö- ja elektroniikkateollisuus (moottorien ja generaattorien jäähdytys, tyhjiöputket, kiteen kasvatusprosessit) Mistä vetyä löytää? Vesi, paperi, ammoniakki, muste, puuvilla, sokeri, parafiini, polkupyörän rengas, puu, ruostumaton teräs, lasi, muoviset lelut, 10 K kultakoru, matto, aurinkolasit, etikka 1.4.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 18 Futurologinen vetytalous 1.4.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 19 Helium Molekyylipaino Kaasun ominaistiheys (STP) Kaasun ominaistilavuus (STP) Kiehumispiste (1 atm) Jäätymispiste (1 atm) Kriittinen lämpötila Kriittinen paine Kriittinen tiheys Trippelipiste Höyrystymislämpö kiehumispisteessä Ominaislämpö Cp (STP) Ominaislämpö Cv (STP) Tiheys (neste) kiehumispisteessä 1.4.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 4.00 g/mol 0.165 kg/m3 6.061 m3/kg 4.22K Ei ole 5.25 227 kPa 69.64 kg/m3 Ei ole 20.28 kJ/kg 5.19 kJ/kgK 3.121 kJ/kgK 124.98 kg/m3 20 Nesteheliumin lämpötilaa voidaan alentaa pumppaamalla nestetilaa: Esimerkki: Kryostaatissa olevan nesteheliumin lämpötila halutaan pitää 1.4 K:ssä. Mikä on vaadittu pumppausnopeus, kun järjestelmän lämpövuoto on 0.1 W? Heliumin höyrynpaine 1.4 K:ssä on 0.3 kPa. 1.4.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 21 Helium (Cont.) Isotooppi 4He: Muuttuu kiinteäksi, kun p > 25 MPa Muuttuu supranesteeksi kun T < 2.17 K (höyrynpaineessa) Isotooppi 3He: Kaksi erilaista supratilaa Muutoslämpötila alle 0.0025 K 1.4.2015 Kiinteän heliumin rakenne on joko heksagonaalinen tiivis pakkaus (hcp) tai tilakeskeinen kuutio (bcc) DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 22 Helium (Cont.) Supraneste: ei kitkaa, ei viskositettia Supratila on kvanttimekaaninen ilmiö, virtausnopeus vorteksiviivan ympäri määrytyy vakiosta h/m Kvantisoidut vorteksit Supranesteiden pyöriminen on epähomogeenista Supranesteen virtaus kiertää kvantisoituja vorteksiviivoja 1.4.2015 Suprajuoksevuus Suprajohtavuus DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 23