A szuperkritikus metán hőtani anomáliáinak vizsgálata
Magas nyomáson és hőmérsékleten, az adott anyag kritikus pontját elérve nem létezik külön folyadék- és gáz-fázis, helyettük az úgynevezett szuperkritikus fluid fázis jelenik meg. Hagyományosan a szuperkritikus régió határát élesen definiálják, minden állapotot szuperkritikusnak véve, ahol a hőmérséklet és nyomás is a kritikus értékek felett van. Valójában az anyagi tulajdonságok tekintetében nem látható semmilyen éles határ; a sűrűség lassan és folytonosan változik, amikor a szub-kritikus régióból a szuperkritikusba lépünk. A két, hagyományos határ között a sűrűség ugrás vagy törés nélkül, egy sima, úgynevezett szigma-függvény mentén változva jut el a folyadék-szerű sűrűség-értékektől a gáz-szerűekig, vagy fordítva. Így mondhatjuk azt, hogy bár a szuperkritikus régióban nem létezik folyadék-, vagy gőz-fázis, de vannak olyan részek, ahol az anyag folyadékszerű viselkedést mutat, míg van, ahol gáz-szerűt. Ez egy logikus felosztás lenne, de a helyzet nem ilyen egyszerű. A múlt század hetvenes éveitől kezdve egyre gyakrabban találtak olyan anomáliákat szuperkritikus fluidumoknál, amikor az anyag viselkedése sem a folyadékéhoz, sem a gőzéhez nem volt hasonló. Például a szén-dioxid (amelynek kritikus hőmérséklete 304,2 K, azaz kb. 31 ℃, kritikus nyomása pedig 7,4 MPa) izoterm kompresszibilitása 7,5 MPa nyomáson nem egészen 2 K hőmérsékletnövekedés hatására a folyadék-szerűről kompresszibilitását háromszorosára, gázszerűre változtatja. Ez eddig nem meglepő, de mindezt úgy teszi, hogy eközben a kompresszibilitás egy hatalmas maximumon, a kezdeti érték harmincszorosán (ami a végső érték tízszerese) megy át. Azaz egy nagyon keskeny hőmérséklet-tartományban a fluidum valami extra-kompresszibilis, „szupergáz”-szerű anyagként viselkedik. Hasonló jelenség látható más tulajdonságoknál is, mint pl. a fajhők, a hőtágulási együttható, a hangsebesség, stb. Ez a régiót (hőmérséklet-nyomás diagrammon egy görbült, nyíl-szerű tér-rész) pszeudo-kritikus, vagy Widom-régiónak nevezik. Mivel szuperkritikus fluidumokat már ipari szinten is sok helyen használnak, ezért a régióbeli tulajdonságok vizsgálata nagyon fontos.
A dolgozatban a szuperkritikus metán pszeudokritikus régió-beli tulajdonságait vizsgáljuk meg. Megállapítjuk az anomális régió p-T térbeli elhelyezkedését, megvizsgáljuk az anomáliák nagyságát és lecsengésüket. A metán vizsgálata két szempontból is igen fontos. Egyrészt – a megfelelő állapotok tétele szerint – a metán tulajdonságaiból, ha nem is pontosan, de következtethetünk a magasabb alkánok (etán, propán, bután, stb.) tulajdonságaira. Másrész – és ez már közvetlen alkalmazhatóság - az egyre több területen használt üzemanyag-típus, a sűrített földgáz (CNG, Compressed Natural Gas), ami gyakran nagy tisztaságú 20-25 MPa nyomáson, viszonylag magas hőmérsékleten (azaz cseppfolyósítás nélkül) tárolt metán környezeti hőmérsékleten is mutatja ezeket az anomáliákat. A kutatásunk célja – a pszeudokritikus tulajdonságok leírása mellett az, hogy megállapítsuk, okozhat-e problémát valamely anomália a CNG felhasználásakor, különös tekintettel az expanziós és kompressziós fázisokra.
szerző
-
Katona Adrienn
Energetikai mérnöki alapszak (BSc)
alapképzés (BA/BSc)
konzulens
-
Dr. Imre Attila
egyetemi tanár, Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék