energiafelszabadulás túlhűtött gőz és túlhevített víz ... · - a fázisátmenet...
TRANSCRIPT
Energiafelszabadulás túlhűtött gőz és
túlhevített víz hirtelen fázisátalakulásánál
(2012-2014)
Imre Attila
MTA EK AEKI
OAH TSO Szeminárium, 2015.04.29
350 400 450 500 550 600 650
0
10
20
szuperkritikus
fázis
stabil
gõz
ny
om
ás
(MP
a)
hõmérséklet (K)
stabil folyadék
350 400 450 500 550 600 650-5
0
5
10
15
20
25szuperkritikus
fázis
stabil gõz
vagy metastabil folyadék
stabil folyadék vagy
metastabil gõz
metastabil folyadék (p<0) tiltott állapotok (p<0)
stabil
gõzny
om
ás
(MP
a)
hõmérséklet (K)
stabil folyadék
p=0
A víz fázisdiagramja, csak
stabil fluid-fázisokkal, az
IAPWS állapotegyenletből
számolva
A víz fázisdiagramja, stabil és
metastabil fluid-fázisokkal, az
IAPWS állapotegyenletből
számolva. A túlhevítés-
túlhűtés nemcsak pár foknyi
lehet, hanem többször tíz,
vagy esetenként akár 200
Celsius- foknyi is!
350 400 450 500 550 600 650-5
0
5
10
15
20
25szuperkritikus
fázis
stabil gõz
vagy metastabil folyadék
stabil folyadék vagy
metastabil gõz
metastabil folyadék (p<0) tiltott állapotok (p<0)
stabil
gõzny
om
ás
(MP
a)
hõmérséklet (K)
stabil folyadék
p=0
Túlhevített folyadék-állapotba kerülhetünk stabil folyadék
melegítésével…..
350 400 450 500 550 600 650-5
0
5
10
15
20
25szuperkritikus
fázis
stabil gõz
vagy metastabil folyadék
stabil folyadék vagy
metastabil gõz
metastabil folyadék (p<0) tiltott állapotok (p<0)
stabil
gõzny
om
ás
(MP
a)
hõmérséklet (K)
stabil folyadék
p=0
…vagy stabil folyadék nyomásának csökkentésével…..
350 400 450 500 550 600 650-5
0
5
10
15
20
25szuperkritikus
fázis
stabil gõz
vagy metastabil folyadék
stabil folyadék vagy
metastabil gõz
metastabil folyadék (p<0) tiltott állapotok (p<0)
stabil
gõzny
om
ás
(MP
a)
hõmérséklet (K)
stabil folyadék
p=0
…míg túlhűtött gőz-állapotba kerülhetünk stabil gőz
lehűtésével…..
350 400 450 500 550 600 650-5
0
5
10
15
20
25szuperkritikus
fázis
stabil gõz
vagy metastabil folyadék
stabil folyadék vagy
metastabil gõz
metastabil folyadék (p<0) tiltott állapotok (p<0)
stabil
gõzny
om
ás
(MP
a)
hõmérséklet (K)
stabil folyadék
p=0
…vagy stabil gőz nyomásának a növelésével…..
350 400 450 500 550 600 650-5
0
5
10
15
20
25szuperkritikus
fázis
stabil gõz
vagy metastabil folyadék
stabil folyadék vagy
metastabil gõz
metastabil folyadék (p<0) tiltott állapotok (p<0)
stabil
gõzny
om
ás
(MP
a)
hõmérséklet (K)
stabil folyadék
p=0
…illetve ezek kombinációival.
A metastabil állapotok – bár elvileg hosszú élettartamúak is lehetnek – nem-
laboratóriumi körülmények között nem maradnak fenn sokáig, a rendszer egy
gyors relaxációs folyamattal stabilizálódik. Ez a relaxáció túlhűtött gőznél a
gőztér hirtelen összeroppanása (ld. pl. vízütés, vagy kis méretben a
buborékeróziót okozó buborékösszeroppanás), míg túlhevített folyadéknál a
hirtelen forrás (flash, explozív forrás, stb…).
Metastabil állapotokban a gőznek vagy folyadéknak energiatöbblete lesz a
megfelelő stabil fázishoz képest; ez a metastabil-stabil átmenetkor felszabadul.
Probléma: Az állapotegyenletek a stabil fázisokat jól leírják, de a
metastabilaknál pontatlanok.
Feladat: megtalálni a víz stabilitási határait, majd kiválasztani azokat az
állapotegyenleteket, amelyek ezeket a határokat – és így a metastabil
tartomány-beli tulajdonságokat is – jól visszaadják.
Előfordulás atomerőművekben:
- LOCA esetén a nagynyomású és magas hőmérsékletű folyékony vizet
tartalmazó vezeték felhasad; a hasadás mentén a nyomás leesik a külső
nyomásra, így a folyadék hasadékhoz közeli része túlhevített állapotba kerül;
hirtelen gőzzé válásával tovább roncsolhatja a csövet.
- Nagyon forró közeggel (extrém esetben fémolvadékkal) érintkezve a
folyadék egy része túlhevített állapotba kerülhet.
- Ha forró gőzteret hideg vízzel árasztanak el, akkor kialakulhat egy elzárt gőz-
tér, ami a lehűlés hatására egyszerre csak összeroppanhat (kondenzáció-
indukált vízütés, CIWH).
- Szűkületben áramló vízben a nyomásesés (Bernoulli-elv) miatt buborékok
alakulhatnak ki; ezek a szűkületből kikerülve a környezet nyomásától
összeroppannak. A buborékösszeroppanás mikroszkópikus lökéshullámot
kelt, ami roncsolja a környezetet (pl. szelepágy).
300 350 400 450 500 550 600 650
-30
-20
-10
0
10
20
30
RK
IAPWS, GERG, D, XD
vdW
nyom
ás (
MP
a)
hõmérséklet (K)
vdW
GERG
IAPWS
D
RK
XD
250 300 350 400 450 500 550 600 650
0
5
10
15
20
25 gőznyomás-görbe
túlhűtési határ - IAPWS
túlhűtési határ - vtPR
túlhűtési határ - RK
túlhűtési határ - vdW
p (
MP
a)
T (K)
Gőznyomás-görbék és
túlhevítési határok vízre,
különböző állapotegyenletekkel
számolva.
Túlhűtési határok gőzre,
különböző
állapotegyenletekkel.
Melyik állapotegyenlet írja le a metastabil fázisok viselkedését?
Ötlet: a stabil folyadék-gőz határfelületen kialakuló nyomástenzor egyes
elemeiből kiszámíthatók a stabilitási határok!
Számítások: modell-rendszerekből indulva (pl. „ideális” argon) több
lépésben a vízig:
1. A. R. Imre, G. Mayer, G Házi, R. Rozas, T. Kraska: Estimation of the liquid-vapor spinodal
from interfacial properties obtained from molecular dynamics and lattice Boltzmann simulations,
Journal of Chemical Physics, 128(2008)114708
2. A.R. Imre and T. Kraska: Liquid-vapour spinodal of pure helium-4, Physica B, 403(2008)3663-
3666
3. T. Kraska, F. Römer and A. R. Imre: The relation of interface properties and bulk phase
stability: MD simulations of carbon dioxide, Journal of Physical Chemistry B, 113(2009)4688-
4697
4. A. R. Imre and T. Kraska: Estimation of spinodals from the density profile of the vapor-liquid
interface, Fluid Phase Equilibria, 284(2009)31-37
5. S. Braun, A. R. Imre, T. Kraska: Stability limits of n-nonane calculated from molecular
dynamics interface simulations, Journal of Chemical Physics, 138(2013)244710; doi:
10.1063/1.4811197
6. A.R. Imre, A. Baranyai, U. Deiters, P.T. Kiss, T. Kraska and S. E. Quiñones Cisneros:
Estimation of the Thermodynamic Limit of Overheating for Bulk Water from Interfacial
Properties, International Journal of Thermophysics, 34(2013)2053–2064, DOI 10.1007/s10765-
013-1518-8
0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
gõznyomás-görbék az IAPWS állapotegyenletbõl (vonal)
és a szimulációból (négyzetek)
kritikus point
folyadék-gõz spinodális az állapotegyenletekbõl
(vonalak) és a szimulációból (négyzetek)
red
uká
lt n
yo
má
s
redukált hõmérséklet
GERGIAPWS
XD
400 450 500 550 600 650
0
5
10
15
20
25
vtPR
túlhűtési határ
IAPWS
túlhűtési határ
p (
MP
a)
T (K)
gőznyom
ás-
görbe IA
PW
Stú
lhev
ítés
i hat
ár
vtPR
túlhevítési határ
150 200 250 300 350 400
T (0C)
kritikus pont
A folyékony víz túlhevítési határát –
és így a metastabil víz
tulajdonságait is – a stabil régióban
is használt IAPWS állapotegyenlet
kielégítően írja le.
A túlhűtött gőz stabilitási határát
viszont az IAPWS állapotegyenlet
nagyon pontatlanul adja meg, így
ilyen állapotokra inkább az ú.n.
nyomás-eltolt Peng-Robinson
állapotegyenletet kellene használni.
Folyadékra az IAPWS, gőzre a vtPR állapotegyenletek használhatók a
metastabil állapotok tulajdonságainak számításához.
400 450 500 550 600
0.0
0.2
0.4
T(M
Pa
-1)
T (K)
A
BC
DEJ
K
H
G
F I
Egy enyhén túlhűtött (J) és egy
erősen túlhűtött (H) gőzállapot
kompresszibilitásának (T)
összehasonlítása a stabil gőz-
állapot kompresszibilitásával (E),
valamint a két túlhűtésnek
megfelelő hirtelen kondenzációs
átmenetek (J→K és H→I).
A metastabil állapotú fluid egyes tulajdonságai akár nagyságrendileg is
eltérhetnek az állapotnak megfelelő stabil fázis tulajdonságaitól, így nem
mindegy, hogy metastabil maradt-e a közeg.
300 350 400 450 500 550 600
-290000
-280000
-270000
-260000
-250000
-240000
-230000
stabil
folyadék
H (
J/m
ol)
T (K)
víz, IAPWS, 1 bar
metastabil
folyadék
stabil gõz
-260220
-231590
H=28.63 kJ/mol=1.59 MJ/kg
TNTeq
=4.184 MJ/kg
A stabil fázisok és a metastabil folyadék entalpiája atmoszférikus nyomáson.
A végállapotok entalpiája és a két végállapot közti entalpiakülönbséget és
feltüntettük az ábrán. Összehasonlításképp a TNT-egyenérték is szerepel.
Az energia-felszabadulás is hasonlóképp – a kiválasztott
állapotegyenletekből – számítható:
400 450 500 550 600 650
0
2
4
6
8
10
12G
A
B
C
F
E
D
ny
om
ás
(MP
a)
hõmérséklet (K)
G: stabil folyadék
A, B, C: LOCA utáni
nyomásesések metastabil
(folyadék) végállapotai
F, E, D: A metastabil folyadék
izoterm relaxációja utáni
végállapotok.
A folytonos vonal a stabilitási határt, a szaggatott
vonal az egyensúlyi gőznyomás-görbét jelzi. A
pontozott nyilak egy olyan folyamatot jeleznek,
amikor a stabil folyékony víz közel üzemi
állapotból (599,7 K, 12,3 MPa) nyomásesés miatt
metastabil állapotba kerül (599,7 K, 5,0 MPa),
majd izobár, azaz állandó nyomású körülmények
között visszakerül az egyensúlyi gőznyomás-
görbére (537,0 K, 5,0 MPa).
Izobár deltaG (MJ/kg)
TNT egyenérték (kg)
(1 kg vízre) A→F 0,106 0,025
B→E 0,422 0,101
C→D 1,282 0,306
További szükséges kutatások:
- A fázisátmenet (relaxáció) végpontjának meghatározása különböző
folyamatokban – ettől függ a felszabaduló energia mennyisége és a
végállapot folyadék/gőz aránya; pl. egy izoterm és izobár relaxációnál
akár két nagyságrend különbség is lehet a felszabaduló energiák
között.
- A relaxációs sebessége; ettől függ, hogy az energia-felszabadulás
robbanás-szerű, vagy pöffenés-szerű lesz. Az eddigi becsléseink
erősen szórnak…
Publikált eredmény:
- a víz stabilitási határa (OAH 2012)
Publikálatlan eredmények:
- a gőz stabilitási határa (OAH 2014)
- az energiafelszabadulás mértéke (OAH 2013)
Köszönöm a figyelmüket!