Hőtan BMegeenatmh 5. Többfázisú rendszerek

Az előadások a következő témára: "Hőtan BMegeenatmh 5. Többfázisú rendszerek"— Előadás másolata:

1 Hőtan BMegeenatmh 5. Többfázisú rendszerek
5.1. Fázisátalakuslások, fázisegyensúly 5.2. Fázisegyensúlyi- és állapotdiagramok 5.3. Erőgép: Rankine – Clausius 5.4. Munkagépek

2 Leidenfrost-tünemény
°C

3 Fogalmak Komponens: TDR különböző kémiai tulajdonságú egyedei
Fázis: TDR azonos fizikai tulajdonságú része, makroszkopikus határfelület választja el őket, ahol a TDR tulajdonságai ugrásszerűen megváltoznak Homogén rendszer: egy fázisból áll, tehát nincs makroszkopikus elválasztó felület és az intenzív állapotjelzők számértéke azonos, Inhomogén ~: egy fázison belül az állapotjelzők pontról-pontra változnak Heterogén ~: makrosztkópikus elválasztó felületek választják el a homogén részrendszereket (fázisokat) Szabadsági fok: függetlenül megválasztható állapothatározók száma Gibbs-féle fázis szabály: f + N = n = K + 2 Termikus + mechanikai kölcsönhatás Szabadsági fok Lehetséges kölcsönhatások száma Kémiailag független komponensek számának megfelelő anyagi kölcsönhatás fázisok száma

4 5.1. Fázisátalakulások, fázisegyensúly
Elsőrendű (hőhatással járnak, ΔV és lehet Δs is) Halmazállapot változás Olvadás / fagyás: szilárd ↔ folyadék Párolgás / kondenzáció: folyadék ↔ gőz Szublimáció / deszublimáció: szilárd ↔ gőz Metastabil állapot: melegítő párna („hot ice”) Átkristályosodás: szilárd ↔ szilárd Nátrium-acetát

5 5. 1. Fázisátalakulások, fázisegyensúly
Másodrendű (nincs hőhatás, nincs „Δ”) He szuperfolyékonnyá válik : 4He a folyékony héliumot hűtve az néhány kelvin körül súrlódás nélkül képes áramlani ( Mágnesesség ferromágneses→paramágneses, dia~ a mágneses anyagok, pl. vas, bizonyos hőmérsékletre hevítve elvesztik mágnesességüket (Curie – hőmérséklet) ( Szupravezetés alacsony T-n alacsony hőmérsékleten egyes anyagok elektromos ellenállása hirtelen nullára esik, és „kizárják magukból a mágneses mezőt” Egyensúly dinamikus, feltétele: p, T, µ

6 5.2.1. Fázisegyensúlyi diagram | nyomás - hőmérséklet
Egyensúly feltétele: µ1 (p, T) = µ2 (p, T) → p = f (T) és T = f (p) túlhűtött folyadék aláhűtött gőz túlhevített folyadék Gibbs-féle fázisszabály: Fázis + Szab. fok = Komp + 2

7 5.2.6. H2O és Co2 Többfázisú diagramja Összevetés
Kritikus pont: 220,6 bar 373,95 °C Hármaspont: 611,7 Pa 0,0099 °C Kritikus pont: 73,8 bar 31,1 °C (304,1K) Hármaspont: 5,18 bar -56,6 °C

8 5. 2.4.2. Víz (H2O) fázisdiagramja

9 5.2.1.1. Szuperkritikus állapot | CO2
73,8 bar Kritikus pont 304,1K 31,1 °C (304,1K)

10 Mit tud a víZ... „Brutális” Fizika

11 5.2.8. T-s diagram (2 fázis) v=áll p=áll T [K] Kritikus pont (‚‚)
Ideális gáz jelleg foly. (‚) h=áll gőz foly. + gőz x s [J/(kg·K)] 𝑥= 𝑚 𝑔ő𝑧 𝑚 𝑔ő𝑧+𝑓𝑜𝑙𝑦 = ℎ−ℎ′ ℎ ′′ −ℎ′ = 𝑠−𝑠′ 𝑠 ′′ −𝑠′ = 𝑣−𝑣′ 𝑣 ′′ −𝑣′ minden fajlagos extenzívre Gőztartalom:

12 5.2.8. Logp-h diagram (2 fázis)
[Pa] T=áll v=áll Kritikus pont foly. + gőz (‚‚) (‚) foly. s=áll gőz x h [kJ/kg]

13 5.3. Rankine – Clausius körfolyamat – elméleti Veszteségmentes
𝜂 𝑇ℎ,𝑂 = 𝑤 𝑛𝑒𝑡 𝑞 𝑏𝑒 = 𝑞 𝑏𝑒 − 𝑞 𝑒𝑙 𝑞 𝑏𝑒 = 𝑤 𝑇 − 𝑤 𝑠𝑧 𝑞 𝑏𝑒 =1− ℎ 2 − ℎ 3 ℎ 1 − ℎ 4

14 5.4. Munkagépek (fordított körfolyamatok)
Hűtőgép Hőszivattyú Megvalósításuk: 4.1. Fordított Carnot-körfolyamat kétfázisú rendszerben (Fordított Brayton-körfolyamat) 4.2. Kompresszoros hűtőkörfolyamat Elméleti Valós (csak a kiegészítésben)

15 5.4.1. Fordított Carnot-körfolyamat kétfázisú rendszerben
𝜀 ℎű = 𝑄 𝑒𝑙 𝑊 𝑛𝑒𝑡 = 𝑄 𝑒𝑙 𝑊 𝑇 −𝑊 𝐾 𝜀 𝑓ű = 𝑄 𝑙𝑒 𝑊 𝑛𝑒𝑡 = 𝑄 𝑙𝑒 𝑊 𝑇 −𝑊 𝐾

16 5.4.2.1. Kompresszoros körfolyamat - Elméleti Veszteségmentes
𝜀 ℎű = 𝑄 𝑒𝑙 𝑊 = ℎ 1 − ℎ 4 ℎ 2 − ℎ 1 Hűtőgépként: 𝜀 ℎű = 𝑄 𝑙𝑒 𝑊 = ℎ 2 − ℎ 3 ℎ 2 − ℎ 1 Hőszivattyúként:

17 Termodinamika Részösszefoglalás Hőközlés ráhangolódás
Hőtan BMegeenatmh Termodinamika Részösszefoglalás Hőközlés ráhangolódás

18 Termodinamika részösszefoglalás
Ideális gáz Többfázisú rendszerek TDR leírása Állapothatározók: p, V, T, m, U, H, S Anyagjellemzők: cp, cv, R, κ Transzportmennyiségek: W, Q Főtételek 0. Egyensúly 1. Energia-megmaradás 2. Munka és a hő egyenértékűsége 3. Anyagok viselkedése 0K-en Körfolyamatok Munkaszolgáltatók: hatásfok Munkát igénylők (fordított ~): teljesítmény tényezők

19 TERMODINAMIKA - Hőközlés
Termodinamika: MENNYI? Hőközlés: + HOGYAN? Hősugárzás (radiáció) Hővezetés (kondukció) Hőátadás Hőszállítás (konvekció) Mitől függ? Állapothatározók, anyagjellemzők Geometria Áramlási viszonyok

20 Hőközlés Ráhangolódás
Hőközlés hol? Terméktervező szakdolgozat téma

21 Környezeti hőmérséklet
Hőcső működése ház „kanóc” gőz üreg Magas hőmérséklet Alacsony hőmérséklet Környezeti hőmérséklet 1. Munkaközeg elpárolog miközben hőt vesz fel 2. Gőz átáramlik az üreg alacsonyabb hőmérsékletű vége felé 3. Gőz kondenzálódás közben hőt ad le, és a folyadékot felszívja a „kanóc” 4. Munkaközeg visszaáramlik a magasabb hőmérsékletű vég felé

22 2. Ellenőrző dolgozat II. – 8. héten
4.1. Ellenőrző kérdések 1. Az ideális gáz p–v és T–s diagramjában készített vázlatok segítségével ismertesse a CARNOT–körfolyamatot! Mi a jelentősége a termodinamikában a CARNOT–körfolyamatnak? 2. Definiálja a munkaszolgáltató körfolyamatok termikus hatásfokát! 3. Mit értünk egyenértékű CARNOT–körfolyamat alatt? Hogyan kell egy adott körfolyamattal egyenértékű CARNOT–körfolyamatot előállítani? 4. Ismertesse a gázturbinában lejátszódó munkafolyamatot helyettesítő JOLUE–BRAYTON-féle körfolyamatot! Válaszához készítsen kapcsolási vázlatot, valamint mutassa meg az állapotváltozásokat ideális gáz p–v és T–s diagramjában! Számozza össze a három rajzon az állapotváltozások kezdő, ill. végpontját! 5. Mitől függ és hogyan a reverzibilis JOLUE–BRAYTON-féle körfolyamat termikus hatásfoka? 6. Ismertesse a szikragyújtású belsőégésű motor (OTTO-motor) helyettesítő körfolyamatát! Ábrázolja a körfolyamatot ideális gáz p–v és T–s diagramjában! 7. Ismertesse a kompressziós gyújtású belsőégésű motor (DIESEL-motor) helyettesítő körfolyamatát! Ábrázolja a körfolyamatot ideális gáz p–v és T–s diagramjában! 5.1. Ellenőrző kérdések 1. Mit értünk a szabadsági fok fogalmán? 2. Rajzolja fel egy tetszőleges egykomponensű közeg p–T fázisegyensúlyi diagram-ját! Jellemezze a diagram vonalait és tartományait! Mutassa meg a hármaspontot és a kritikus pontot! 3. Milyen összefüggés van egy tetszőleges termodinamikai rendszer komponenseinek, fázisainak és szabadsági fokainak száma között? 4. Ismertesse az egykomponensű többfázisú közeg p–v vagy T–v diagramjának felépítését! Mutassa meg a hármas- és a kritikus pontot! 5. Értelmezze a következő fogalmakat: telítési nyomás, telítési hőmérséklet, telített folyadék, telített gőz, fajlagos gőztartalom és párolgáshő! 6. Milyen összefüggés van a fajlagos gőztartalom, a telített fázisok és a kétfázisú keverék közeg extenzív, ill. fajlagos extenzív állapothatározói között? 7. Részletesen ismertesse a többfázisú közeg (pl. víz) T–s diagramjának felépítését! Mutassa meg az egyszerű állapotváltozások menetét e diagramban! 8. Kapcsolási vázlat és T–s diagram segítségével ismertesse a túlhevített gőz munkaközegű, kondenzációs vízgőz-körfolyamatot (RANKINE-CLAUSIUS körfolyamat)! Hogyan határozható meg e körfolyamat termikus hatásfoka, és a kinyert fajlagos munka? 9. Definiálja: a. a hűtőgép teljesítmény tényezőjét, b. a hőszivattyú teljesítmény tényezőjét! + a 5-7. heti előadások anyaga Hőközlés témaköréből.