DEE-54030 Kryogeniikka



Samankaltaiset tiedostot
Suprajohtavuus sähköverkossa

Kryogeniikka. 1 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

vetyteknologia Vety yleisiä näkökulmia 1 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen

Kryogeniikka. 1 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

DEE Polttokennot ja vetyteknologia

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

Puhtaat aineet ja seokset

DEE Polttokennot ja vetyteknologia

DEE Kryogeniikka

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Määritelmä, metallisidos, metallihila:

Kemia 3 op. Kirjallisuus: MaoL:n taulukot: kemian sivut. Kurssin sisältö

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Kertapullot. Testikaasut. Kaatopaikkakaasujen analyysikaasut. Puhtaat

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Kryogeniikka ja lämmönsiirto. DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen

Ilmiö 7-9 Kemia OPS 2016

DEE Kryogeniikka. Kryogeniikan sovellusalueita

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

c) Mitkä alkuaineet ovat tärkeitä ravinteita kasveille?

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

Faasi: Aineen tila, jonka kemiallinen koostumus ja fysikaalinen ominaisuudet ovat homogeeniset koko näytteessä. P = näytteen faasien lukumäärä.

Sisällys. Vesi Avaruus Voima Ilma Oppilaalle Fysiikkaa ja kemiaa oppimaan... 5

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

Tehtävä 2. Selvitä, ovatko seuraavat kovalenttiset sidokset poolisia vai poolittomia. Jos sidos on poolinen, merkitse osittaisvaraukset näkyviin.

Ideaalikaasut. 1. Miksi normaalitila (NTP) on tärkeä puhuttaessa kaasujen tilavuuksista?

KÄYTTÖTURVALLISUUSTIEDOTE

KEMIA. Kemia on tiede joka tutkii aineen koostumuksia, ominaisuuksia ja muuttumista.

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

Seoksen pitoisuuslaskuja

Aineen olomuodot ja olomuodon muutokset

DEE Kryogeniikka

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

Transistori. Vesi sisään. Jäähdytyslevy. Vesi ulos

Atomien rakenteesta. Tapio Hansson

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

Tarinaa tähtitieteen tiimoilta FYSIIKAN JA KEMIAN PERUSTEET JA PEDAGOGIIKKA 2014 KARI SORMUNEN

Alikuoret eli orbitaalit

*Tarkoituksena on tuoda esille, että kemia on osa arkipäiväämme siksi opiskeltavat asiat kytketään tuttuihin käytännön tilanteisiin

Luku 2: Atomisidokset ja ominaisuudet

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

2. Prosessikaavioiden yksityiskohtainen tarkastelu

Biodiesel Tuotantomenetelmien kemiaa

MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka T8415SJ Energiatekniikka. Hannu Sarvelainen HÖYRYKATTILAN SUUNNITTELU

Näiden aihekokonaisuuksien opetussuunnitelmat ovat luvussa 8.

KE1 - Kemiaa kaikkialla on pakollinen kurssi, joka on päästävä läpi lukion läpäisemiseksi

KOE 3, A-OSIO Agroteknologia Agroteknologian pääsykokeessa saa olla mukana kaavakokoelma

LUKU 16 KEMIALLINEN JA FAASITASAPAINO

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

Tekijä lehtori Zofia Bazia-Hietikko

TEHTÄVÄ 1 *palautettava tehtävä (DL: 3.5. klo. 10:00 mennessä!) TEHTÄVÄ 2

KPL1 Hiili ja sen yhdisteet. KPL2 Hiilivedyt

Fysiikan, kemian ja matematiikan kilpailu lukiolaisille

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

N:o 430 OSA II: LIITTEEN B LISÄYKSET LISÄYKSET B.1: Säiliöitä koskevat määräykset

kalvopumput G20 - G21 - G22

NIMI: Luokka: c) Atomin varaukseton hiukkanen on nimeltään i) protoni ii) neutroni iii) elektroni

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

KE4, KPL. 3 muistiinpanot. Keuruun yläkoulu, Joonas Soininen

Summary in English. Curiosity s goals

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

Bensiiniä voidaan pitää hiilivetynä C8H18, jonka tiheys (NTP) on 0,703 g/ml ja palamislämpö H = kj/mol

MOOLIMASSA. Vedyllä on yksi atomi, joten Vedyn moolimassa M(H) = 1* g/mol = g/mol. ATOMIMASSAT TAULUKKO

Luvun 12 laskuesimerkit

Kemialliset reaktiot ja reaktorit Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

Annatko otsonin vaarantaa terveytesi?

Kemian koe, Ke3 Reaktiot ja energia RATKAISUT Perjantai VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

YLEINEN KEMIA. Alkuaineiden esiintyminen maailmassa. Alkuaineet. Alkuaineet koostuvat atomeista. Atomin rakenne. Copyright Isto Jokinen

Faasialueiden nimeäminen/tunnistaminen (eutek1sessa) tasapainopiirroksessa yleises1

Mikkelin lukio. Marsissako metaania? Elisa Himanen, Vilma Laitinen, Aatu Ukkonen, Pietari Miettinen, Vesa Sivula Pariisi

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Tuoteluettelo. Teollisuuskaasut.

Energian varastointi ja uudet energialähteet

Reaktiosarjat

Stipendiaattityöt Jyväskylän yliopiston kemian laitos

Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu alkuaineista.

KÄYTTÖTURVALLISUUSTIEDOTE

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

Luku 2. Kemiallisen reaktion tasapaino

AGA-säätimet. Keskussäädin MR-21.. s. 2. Keskussäädin MR-60.. s. 3. Unicontrol 500 s. 4. Fixicontrol HT. s. 5. R-21 < 10 bar s. 6. DIN Control.. s.

Luku 15 KEMIALLISET REAKTIOT

Kosmos = maailmankaikkeus

Mitkä ovat aineen kolme olomuotoa ja miksi niiden välisiä olomuodon muutoksia kutsutaan?

KÄYTTÖTURVALLISUUSTIEDOTE

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.

DIN EN :n muk Avoimet järjestelmät. höyryjärjestelmät. Matalapaineiset. suljettu järjestelmä. Kaivovesi. Vesihöyry

a) Kuinka pitkän matkan punnus putoaa, ennen kuin sen liikkeen suunta kääntyy ylöspäin?

Fysiikan, kemian ja matematiikan kilpailu lukiolaisille

Atomimallit. Tapio Hansson

PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2016

Transkriptio:

DEE-54030 Kryogeniikka Kryogeenisten nesteiden ja kaasujen sovellusalueita 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. 2

Puhtaan aineen PVT -käyttäytyminen p, T faasimuutokset h, s kiertoprosessit p, v kompressorit T, s kiertoprosessit ln p, h kylmäkoneistot h, T höyrykattilat 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 T c, p c, v c 4

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 115.77 119.73 209.48 Methane, CH 4 90.69 111.67 190.56 Oxygen, O 2 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, 0.76N 2 +0.23O 2 +0.01Ar 59.75 78.9 81.7 132.4 Nitrogen, N 2 63.15 77.36 126.19 Neon, Ne 24.56 27.10 44.49 Hydrogen (normal), H 2 13.96 20.39 33.19 Hydrogen (para), H 2 13.80 20.28 32.94 Helium-4, He 4-4.230 5.195 5

Happi Molekyylipaino 31.99 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) 1.326 kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) 0.754 m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 90.2 K Jäätymispiste (1 atm) 54.4 K Kriittinen lämpötila 154.6 K Kriittinen paine 5043 kpa Kriittinen tiheys 436.1 kg/m 3 Trippelipiste 54.3 K (0.148 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 213 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 0.919 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) 0.658 kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä 1141 kg/m 3 Tiheys (kaasu) kiehumispisteessä 4.483 kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde 860.5 6

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

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

Typpi Molekyylipaino 28.01 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) 1.153 kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) 0.867 m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 77.3 K Jäätymispiste (1 atm) 63.2 K Kriittinen lämpötila 126.3 K Kriittinen paine 2299 kpa Kriittinen tiheys 314.9 kg/m 3 Trippelipiste 63.1 K (12.5 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 199.1 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 1.04 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) 0.741 kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä 808.5 kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde 696.5 9

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

Typpi (Cont.) 11

Neon Molekyylipaino 20.18 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) 0.835 kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) 1.197 m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 27.1 K Kriittinen lämpötila 44.65 K Kriittinen paine 2654 kpa Kriittinen tiheys 483 kg/m Trippelipiste 24.55 K (43.4 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 86.3 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 1.05 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) 0.636 kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä 1207 kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde 1445 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 H 2 ) Mainosvalot, korkeajänniteindikaattorit, tyhjöputket, laserit Suprajohtavuus? 13

Vety Molekyylipaino 2.016 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) 0.083 kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) 11.99 m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 20.4 K Jäätymispiste (1 atm) 16.2 K Kriittinen lämpötila 33.19 K Kriittinen paine 1315 kpa Kriittinen tiheys 30.12 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 70.96 kg/m 3 Tiheys (kaasu) kiehumispisteessä 1.331 kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde 850.3 14

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

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 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 18

Futurologinen vetytalous 19

Helium Molekyylipaino 4.00 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) 0.165 kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) 6.061 m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 4.22K Jäätymispiste (1 atm) Ei ole Kriittinen lämpötila 5.25 Kriittinen paine 227 kpa Kriittinen tiheys 69.64 kg/m 3 Trippelipiste Ei ole Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 20.28 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 5.19 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) 3.121 kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä 124.98 kg/m 3 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. 21

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 0.0025 K Kiinteän heliumin rakenne on joko heksagonaalinen tiivis pakkaus (hcp) tai tilakeskeinen kuutio (bcc) 22

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