1. No category

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