DEE Kryogeniikka

Transkriptio

1 DEE Kryogeniikka Kryogeenisten nesteiden ja kaasujen sovellusalueita 1

2 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. 2

3 Puhtaan aineen PVT -käyttäytyminen p, T faasimuutokset h, s kiertoprosessit p, v kompressorit T, s kiertoprosessit ln p, h kylmäkoneistot h, T höyrykattilat 3

4 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 T c, p c, v c 4

5 3 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 Methane, CH Oxygen, O Argon, Ar Fluorine, F Carbon monoxide, CO Air, 0.76N O Ar Nitrogen, N Neon, Ne Hydrogen (normal), H Hydrogen (para), H Helium-4, He

6 Happi Molekyylipaino g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 90.2 K Jäätymispiste (1 atm) 54.4 K Kriittinen lämpötila K Kriittinen paine 5043 kpa Kriittinen tiheys kg/m 3 Trippelipiste 54.3 K (0.148 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 213 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä 1141 kg/m 3 Tiheys (kaasu) kiehumispisteessä kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde

7 Happi (Cont.) Lievästi magneettinen, O 2 pitoisuuksien testaaminen kaasuseoksista Hitsaus, metallien leikkaus, polttoprosessit, otsonin valmistus, selluntuotannossa valkaisuaineena, suojakaasupakkaus, teräksen valmistus, asetyleenin valmistus, sairaalat Upotetaan savuke 30 sekunniksi nestehappeen. Sytytetään, palaminen vie 3 sekuntia. Liekki hyvin kuuma ja kirkas. Lopputilanne. 7

8 Happi (Cont.) Case-sovellus: Happikaasun annostelua esimerkiksi keskosten happikaappeihin seurataan magneettisuutta mittaamalla. 8

9 Typpi Molekyylipaino g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 77.3 K Jäätymispiste (1 atm) 63.2 K Kriittinen lämpötila K Kriittinen paine 2299 kpa Kriittinen tiheys kg/m 3 Trippelipiste 63.1 K (12.5 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 1.04 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde

10 Typpi (Cont.) Kemiallisesti ei-aktiivinen, räjähtämätön, myrkytön (LN 2 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! 10

11 Typpi (Cont.) 11

12 Neon Molekyylipaino g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 27.1 K Kriittinen lämpötila K Kriittinen paine 2654 kpa Kriittinen tiheys 483 kg/m Trippelipiste K (43.4 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 86.3 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 1.05 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä 1207 kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde

13 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 H 2 ) Mainosvalot, korkeajänniteindikaattorit, tyhjöputket, laserit Suprajohtavuus? 13

14 Vety Molekyylipaino g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 20.4 K Jäätymispiste (1 atm) 16.2 K Kriittinen lämpötila K Kriittinen paine 1315 kpa Kriittinen tiheys kg/m 3 Trippelipiste 13.95K (0.148 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 446 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 14.34kJ/kgK Ominaislämpö C v (STP) 10.12kJ/kgK Tiheys (neste) kiehumispisteessä kg/m 3 Tiheys (kaasu) kiehumispisteessä kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde

15 Kevyin tunnettu alkuaine Vety (Cont.) 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 15

16 16

17 Vedyn nesteytys Vety (Cont.) Orto- ja paravety vastakkaiset spin-kvanttiluvut James Dewar, 1898 Avaruusohjelma, 1950 Vedyn varastointi wt% Kaasu 11.3 Neste 25.9 Metallihydridi 5.5 Aktiivihiili 5.2 Zeoliitti 0.8 Lasi 6.0 Nanoputki 7.0 Fulleriini 6.0 Kemiallinen

18 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 18

19 Futurologinen vetytalous 19

20 Helium Molekyylipaino 4.00 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 4.22K Jäätymispiste (1 atm) Ei ole Kriittinen lämpötila 5.25 Kriittinen paine 227 kpa Kriittinen tiheys kg/m 3 Trippelipiste Ei ole Höyrystymislämpö kiehumispisteessä kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 5.19 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä kg/m 3 20

21 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. 21

22 Helium (Cont.) Isotooppi 4 He: Muuttuu kiinteäksi, kun p > 25 MPa Muuttuu supranesteeksi kun T < 2.17 K (höyrynpaineessa) Isotooppi 3 He: Kaksi erilaista supratilaa Muutoslämpötila alle K Kiinteän heliumin rakenne on joko heksagonaalinen tiivis pakkaus (hcp) tai tilakeskeinen kuutio (bcc) 22

23 Helium (Cont.) Supraneste: ei kitkaa, ei viskositettia Kvantisoidut vorteksit Supratila on kvanttimekaaninen ilmiö, virtausnopeus vorteksiviivan ympäri määrytyy vakiosta h/m Supranesteiden pyöriminen on epähomogeenista Supranesteen virtaus kiertää kvantisoituja vorteksiviivoja Suprajuoksevuus Suprajohtavuus 23