ANTONI GUZIK
K atedra E n e rg e ty k i C ie p ln e j
EGZERGIA TERMICZNA GAZÓW SZLACHETNYCH OTRZYMYWANYCH Z POWIETRZA
S tr e s z c z e n ie . Podano wzory do o b lic z a n ia e g z e r g ii te rm ic z nej gazów sz la c h e tn y c h traktow anych ja k ro z tw ó r z a n ieczy szc zo ny p o zo stały m i sk ład n ik am i p o w ie trz a . O kreślono umowny sk ład z a n ie c z y sz c z e ń . Zastosowano p o ję c ie norm alnej e g z e r g ii che
m icznej d la c z y ste g o sk ła d n ik a oraz d la ro z tw o ru gazowego.
Sporządzono wykresy e g z e r g ii chem icznej d la Ar, Ne, He, Kr, Xe w z a le ż n o ś c i od s to p n ia z a n ie c z y s z c z e n ia , z uw zględnie
niem zm iennej te m p e ra tu ry o to c z e n ia .
1. Wstęp
Opracowana p rz e z a u to ra [2] metoda o k r e ś la n ia e g z e r g ii te rm ic z n ej gazów te d h n iczn y c h otrzymywanych z p o w ie trz a o k a z a ła s i ę po
mocna p rz y a n a l i z i e e g z e rg e ty c z n e j p ro c esu s k r a p la n ia p o w ie trz a . V/ opracow aniu tym rozważono ty lk o 3 gazy te c h n ic z n e ; t l e n , a z o t i
a rg o n . Okazało s i ę , że rów nież d la innych gazów otrzymywanych z frak cjo n o w an ej d e s t y l a c j i skroplonego p o w ie trz a j e s t p o trze b n e opracow anie, z e z w alają ce na łatw e o k r e ś la n ie ic h e g z e r g ii te rm ic z n e j . N in ie js z a p ra c a ma na c e lu u z u p e łn ie n ie te g o b ra k u .
2. B g zerg ia te rm ic z n a ro ztw o ru gazowego
P rz ez e g z e rg ię te rm ic z n ą rozum ie s ię e g z e rg ię s tru m ie n ia sub
s t a n c j i p rz e c in a ją c e g o nieruchom ą o sło n ę b ila n so w ą , bez uwzględ
n ie n ia e n e r g i i k in e ty c z n e j i p o te n c ja ln e j te g o s tru m ie n ia . Ogólny wzór o k r e ś la ją c y e g z e rg ię ro ztw o ru gazowego złożonego je d y n ie z składników p o w ietrz a atm osferycznego ma p o s ta ć [3]
(
1)
98 Antoni Guzik
g d z ie :
g - u d z ia ł s u b s ta n c ja ln y sk ła d n ik a ro ztw oru (w zależn o ś c i od p r z y ję te j je d n o s tk i i l o ś c i s u b s ta n c ji
u d z ia ł gramowy lub molowy),
i . , s . - e n t a lp ia i e n tro p ia sk ład n ik a w te m p eratu rze I i i ro ztw o ru i pod c iś n ie n ie m składnikowym te g o
sk ła d n ik a w ro z tw o rz e ,
i , s . - e n t a l p i a i e n tro p ia sk ła d n ik a w tem p eratu rze T0 0 1 0 o to c z e n ia i pod c iśn ie n ie m składnikowym p . teg o
sk ła d n ik a w o to c z e n iu ,
- bezwzględna te m p era tu ra o to c z e n ia .
P r z e k s z ta łc a ją c rów nanie (1) można doprow adzić je do p o s ta c i-
bt - d 0b + ^ b + T S g . R (2)
n 1 0
g d z ie :
A b - e g z e rg ia fiz y c z n a ro ztw oru lic z o n a od parametrów T, p do parametrów Tq , p q o to c z e n ia ,
b - norm alna e g z e rg ia chemiczna ro ztw o ru o d n iesio n a do norm alnych parametrów Tn , pn , p^ n ,
R - s t a ł a gazowa sk ład n ik a ro ztw o ru ,
z . , z . - normalny (umowny) i rz e c z y w isty u d z ia ł molowy 1 n 1 0 sk ła d n ik a ro ztw o ru w o to c z e n ia .
E g ze rg ię f iz y c z n ą ro ztw o ru wyraża wzór
A b = A i - T A s (3)
O 0 0 0
g d z ie :
(a)
j e s t r ó ż n ic ą e n t a l p i i ro ztw o ru o p aram etrach T, p i o param etrach
V ■ * r , P - \ , p o (b)
'i! , p , z as o ’ J o ’
metrów.
3. Normalna e g z e rg ia chemiczna
Normalna e g z e rg ia chemiczna j e s t to e g z e rg ia s u b s t a n c j i mają
c e j normalne p aram etry Tn , pn , p rzy z a ło ż e n iu n orm alnej w a r to ś c i c iś n ie ń składnikow ych p^ p składników p o w ietrz a w o to c z e n iu i n orm alnej te m p e ra tu ry T o to c z e n ia . Jako normalne p aram etry n a j
dogodniej j e s t p rz y ją ć p aram etry d la k tó ry c h są o k re ślo n e w ielko
ś c i term ochem iczne s u b s t a n c j i: T = 298,15 °K (25 C ) ^ ' , p = ł 1,01325 b a r (760 T r ) .
Normalne c i ś n i e n i a składnikowe p^ n w y n ik ają z p rz e c ię tn e g o sk ład u p o w ie trz a suchego p rzy pow ierzchni z ie m i, p rz e c ię tn e g o c i ś n i e n ia składnikowego p ary wodnej w p o w ie trz u o ra z p rz e c ię tn e g o c i ś n i e n ia atm osfery cznego .
W t a b l i c y 1 zestaw ion o za p u b lik a c ją [4] u d z ia ły molowe gazów s z la c h e tn y c h w suchym p o w ietrz u oraz ic h norm alne umowne c i ś n i e n ia składnikow e n .
Normalną e g z e rg ię chem iczną gazu będącego sk ład n ik iem p o w ietrz a o k r e ś la w;zór
b . = T R. In — ( 4)
n i n i p ±
W a rto śc i e g z e r g ii norm alnej gazów s z la c h e tn y c h zaw iera t a b l i c a 1.
W t a b l i c y 1 podano rów nież norm alną e g z e rg ię chem iczną zan ieczy szc ze ń te c h n ic z n y c h gazów sz la c h e tn y c h otrzymywanych w p r o c e s ie >
frak cjo n o w an e j d e s t y l a c j i skroplonego p o w ie trz a .
Założono, że sk ła d z a n iec zy sz c z eń rozważanego gazu wynika ze sk ła d u suchego p o w ie trz a pozbawionego danego gazu i dw utlenku wę
g l a . W yłączenie dw utlenku w ęgla z z a n ie c z y sz c z e ń wynika z usuwa
n ia go z p o w ie trz a p rzed procesem s k r a p la n ia p o w ie trz a [i] . P r z y ję c ie sk ła d u za n ie c z y sz c z e ń i u s t a l e n i e ic h no rm alnej e g z e r g ii chem icznej pozwala na ła tw e o b lic z e n ie norm aln ej e g z e r
g i i chem icznej te c h n ic z n e g o gazu s z la c h e tn e g o traktow anego ja k tró jsk ła d n ik o w y ro ztw ó r gazu c z y s te g o , zan ieczy szc zeń i p ary wod
nej
3 3
b = E b . + T E g , H. I n z . (5)
n i mj i n i n i i i
W p u b li k a c ji [2] p r z y ję to = 291,15 °& (18°C ). .
100 Antoni Guzik
g d z ie :
®i* Ri ’ ^n i "* u<^z *a* s u b s ta n c ja ln y , s t a ł a gazowa ■(indywidualna lu b u n iw e rsa ln a ) o raz norm alna e g z e rg ia chemicz
na czy steg o gazu, je g o zan ieczy szc zeń i p ary w odnej,
- u d z ia ł molowy gazu c z y ste g o , jego zan ieczy szczeń lub p a ry .
T a b lic a 1 U d ział molowy, normalne c i ś n i e n ie składników p.. n
o ra z norm alna e g z e rg ia chem iczna bn gazów s z la c h e tn y c h i ic h za
n ie c z y sz c z e ń o d n ie sio n a do s ta n u Tn = 298,15 °K, pn = 1,01325 b a r
G a z U dział
molowy w suchym
Normalne c iś n ie n ie składnikowe
Normalna egzer
g ia chemiczna
Nazwa Wzór pi n b
n chem* powietrzu
bar ata kJ/kmol 104
kW h Nm3
Argon Ar 0,00933 0,00907 0,00925 11 690 1 447
Z an ieczysz.
argonu . . — — 127 16
Neon Ne . 18.1 O-6 1 7 ,7 .10" 6 18.1O“6 27 150 3 361 Z an ieczysz.
neonu _ — — — 104 13
Hel He 5 .1 0 “6 4 ,8 .1 0 “° 5. 1 0“6 30 360 3 759 Z anieczysz.
h elu
Krypton Kr 1e10“6 0 ,9 8 .1 O“6
1 . 1
o " 6104 34 320
13 4 249 Z an ieczysz.
kryptonu _ • — • 104 13
Ksenon Xe 0 ,0 9 .1 0 -6 0 ,0 8 8 .1 0 “ 3 0 ,0 9 .1 0 ” '3 40 300 4 989 Z anieczysz.
ksenonu - -
1
m m • - 104
13
baryczno-izoterm icznym tworzeniem roztworu z c z y ste g o gazu s z la ch etn ego, jego z a n ie czy szcz e ń i pary wodnej.
H oparciu o równanie (5) sporządzono wykres (rys# 1) normalnej e g z e r g ii chemicznej suchych tech n iczn y ch gazów szla ch etn y ch w za
le ż n o ś c i od u d z ia łu molowego "z" c zy steg o gazu. Na w ykresie tym n an iesio n o poprawkę Je- e g z e r g ii normalnej u w zględ n iającą wpływ
^ O
temperatury o to c z e n ia na w artość e g z e r g ii chem icznej. Odczytywanie T
?. wykresu w yrażenia — b w ystępującego w równaniu ( 2 ) , zademon-
n o
strowano dla kryptonu przy tem peraturze t Q ■ 10 C, na w y k resie.
4 . Poprawka e g z e r g ii uw zględniającą rze czy w isty skład pow ietrza o to c z e n ia
O sta tn i wyraz w równaniu (2) uwzględnia wpływ odstępstw a r z e czyw isteg o składu p ow ietrza atm osferycznego od umownego składu normalnego zestaw ionego w t a b lic y 1. Odstępstwo to wynika ze zmien
nej za w a rto ści pary wodnej w powietrzu atmosferycznym.
Przyjmując s t a ły skład pow ietrza suchego odstępstw o to dla składników suchych p ow ietrza wyraża wzór
/ z , \ 1 + X 1 + X ^ ( JL a } . --- Ł_2. . L °
\ z . ' i o / / 1 + * z n 1,00906’,00906
Zm n SU
(6)
d la pary wodnej zaś
f e l -
K
i A--- Ł .2-, ___________ ____ SL_2_ n (1 +K J
0 ,0 0 9 0 8 (1 ♦1 )
x" ", ( ł + X ) 1,00908 X, A '
z o z n z o
g d zie :
Xz o - rze cz y w isty molowy sto p ie ń za w ilżen ia p ow ietrza,
X _ = 0,00908 kmol H-O/kmol p . s . - umowny normalny s to p ie ń za - z n w ilż e n ia . Ł
102 Antoni Guzik
ftys.1 . Bgzergia
Udział molom czystego gazu z
chemiczna suchych technicznych gazów szlachetnych
Po w y k o rzy stan iu rów nania (6) i (6a) wzór (2) o k r e ś la ją c y e g z e r- g ię te rm ic z n ą p rzy jm u je p o stać
bt ■ 4 ,b ł r b„ ł *0 R ln T S r o ł
* To K s . s ^ s s s s . { 7 )
z o g d z i e :
R, R^ - z a s tę p c z y s t a ł a gazowa ro z tw o ru i p ary w odnej, g^ - u d z ia ł s u b s ta n c ja ln y pary w tym ro z tw o rz e .
P rzy o b lic z a n iu e g z e r g ii f iz y c z n e j A^b o k re ś lo n e j wzorem (3) można d la suchych te c h n ic z n y c h gazów s z la c h e tn y c h , p rz y ją ć u p ra s z c z a ją c e z a ło ż e n ie , że z a n ie c z y s z c z e n ia mają t a k i sam s k ła d ja k po
w ie trz e suche. Roztwór można w ięc trak to w ać j a k dwuskładnikowy.
j o raz iz o - Dla n ie z b y t w ysokich c i ś n i e ń nadwyżki e n t a l p i i z3i-
b aryczn e nadwyżki e n t r o p i i Zls^ ^ z a n ie c z y sz c z e ń , mo^na o d czyty
wać z t a b l i c gazów p ó łd o sk o n ały ch . E g ze rg ię chem iczną bfi od- c z y tu je s i ę z ry su nk u 1 w z a le ż n o ś c i od c z y s to ś c i te c h n ic z n e g o ga,n zu s z la c h e tn e g o .
O sta tn ie dwa wyrazy w równaniu (7) w o b lic z e n ia c h p rzyb liżon ych można pominąć.
A utor p ra g n ie podziękować p r o f . d r in ż . Janow i S zargutow i za cenne uwagi przy opracowywaniu a r ty k u łu .
104 Antoni Guzik
LITERATURA
[1] W.M. BRODIANSKI, F.L . MEJERSON: Proizwodstwo k isło r o d a , Mie- t a łłu r g iz d a t , 1960»
[2j A. GUZIK: Egzergia gazów technicznych otrzymywanych z powie
tr z a , Energetyka Przemysłowa 10 (1962) nr 11, s t r . 384/387.
[3] J . SZARGUT: B ila n s eksergetyczny procesów ciep ln y ch , Energety
ka Przemysłowa 9 (1361) nr 3, s t r . 7 3 /7 9 .
[4] J . SZARGUT: B ila n s egzergetyczny procesów hutniczych, Archiwum Hutnictwa 6 (1961) nr 1, s t r . 2 3/6 0 .
TEPMHMECKAfl 3KCEPTW7 PEUKMX TACOB ]iOJiy43TH !X M3 3 0 3 O T A P e 3 10 m e
B CTaTBe saHH itopMyjrn rjw p acaeT a T epum ecK ofl aicceprHH TexmrjecKHX p ew n ie r a 3 0 B , nojiyneHHHX a s B 0 3 s y x a . UpnHHTo, h t o Ko.wnoHeHTH 3Thx t s s o b hbjihiotcb:
aacTKii r a 3 , n p m e c n u b o w h o m n a p . IpuMecH naHHoro r a 3 a coflepacaT ocTajiBHHe kom - noHeHTH c y x o r o BÓ3flyxa (5e3 CO^. I p h h h t o , mto c o c t s b npiiMe.ceił WHHoro r a 3 a n o - c t o h h h h ż . R m cyxiix T exm n ecu m pemwx r a 3 0 B : aproH a, H eon a, re jo m , KpnnTOHa u KceHOHa cocTaB^eHa azarpaMMa xHMnnecKofi 3K cepran b 3aBncnMocTH o t cT en em i m i- c t o t h h T em ep aT ypw oicpyxa»i«eii c p e a u .
THE THERMAL EXERGY OP MONOATOMIC TECHNICAL GASES RECEIVED PROM AIR
S u m m a r y
I n th e p ap er a re g iv e n th e form ulae f o r c a l c u la tio n o f th e th e r mal exergy of te c h n ic a l monoatomic g a se s re c e iv e d from th e a i r . The a u th o r c o n s id e rs th e te c h n ic a l g ass a s a s o lu tio n o f 3 compo
n e n ts : p u re g a s , adm ixtures and steam . The ad m ixtures c o n ta in s th e components of dry a i r except th e co n sid e re d pure monoatomic gas and C02 . The c o n s ta n t com position of adm ixtures was assumed. Por a dry te c h n ic a l monoatomic g a s e s : ar^o n , neon, helium , k ry p to n and xenon th e diagramm o f th e chem ical exergy was developed. The va
lu e of t h i s exergy' depends o f th e p u r it y and o f th e tem p eratu ra of su rro u n d in g s.
