*

Tulitehoa.fi Asiaa energiatehokkuudesta ja kilpailukyvystä

Fysiikaan ymmärtämisen vaikeudesta, osa 1

Toivoisin muilta puheenvuorolaisilta näkemyksiä fysikaaliseen yhtälöön ja sen merkitykseen lämmön- sekä energiansiirtymiseen.

Oletetaan termodynaamiseksi systeemiksi voimalaitoksen vesihöyry, joka on tulistimen jälkeen putkessa. Tulistettuhöyry on määritelmä vesihöyrylle, joka on painettaan korkeammassa lämpötilassa. Miten mitataan tälläisen vesihöyryn todellinen lämpötila oikein, kun ei tunneta sisäenergian määrää?

Fysikaalinen kysymyksen asettelu kuuluu, että koska:

 

pV=nRT  (jossa p=paine, V=tilavuus, n=ainemäärä, R=ideaalinen kaasuvakio, T= lämpötila (K))

 

ja

 

H= U + pV  (jossa H=entalpia, U=sisäenergia)

 

niin tästä seuraa, että

H-U = nRT

 

Voisiko tämä tarkoittaa sitä, että höyryn sisäenergia on energiaa, jota ei pysty mittaamaan lämpötilalla tai paineella?

 

Jos tulistetun höyryn lämpötilaa mitataan tyypillisesti taskusta PT100 anturilla niin voisiko olla niin, että tulistetun höyryn lämpötilan tuo SM-aaltoliike, joka ei ole varsinaisesti höyrynlämpötilaa, vaan sisäenergiaa?

 

Perusteltuja vastauksia kiitos!

Piditkö tästä kirjoituksesta? Näytä se!

0Suosittele

Kukaan ei vielä ole suositellut tätä kirjoitusta.

NäytäPiilota kommentit (12 kommenttia)

Ville Valkama

Polttoaineen energiasisällöllä höyrylauhdeprosessiin tuotetun kylläisen höyryn määrä, eli höyrytonnit, vaihtelevat sen mukaan, miten kuumana polttoaine palaa. Tämä on empiiristi todettu fakta.

Mitä kuumemmin polttoaine palaa, sitä vähemmän tulee mitattavia höyrytonneja, mutta sitä enemmän tulee tuotantoa ulos tehtaasta per höyrytonni tai polttoainekilo.

On perusteltua olettaa, että SM-aaltoliike etenee vedessä ja höyryssä osalla aallonpituuksista, ilman että SM-aaltoliike vaikuttaa koko energiamäärällään veden tai höyryn tilapisteeseen.

Onkohan entisellä Fortum Power & Heatilla ollut sellaista mittausasiantuntijaa, joka olisi osannut ottaa tämän huomioon kun asiakkaita laskutetaan? Entäs miten nykyään muilla ulkoisilla teollisuuden energiantuottajilla? Tuleeko sisäenergiaa saman verran höyryssä kaikilla polttoaineilla? Miten käy asiakkaan prosessin kannattavuuden kun vaihdetaan polttoainetta?

Fysiikan lakien mukaan sisäenergiaa ei pysty mittaamaan lämpötilalla ja paineella, ainoastaan tehdyllä työllä!

Käyttäjän jperttula kuva
Juhani Perttu

Höyryssä on ainakin sitä "sisäenergiaa" jonka määrä voidaan laskea Einsteinin kaavalla E = mc2

Ville Valkama

Voisiko olla myös niin, että kun se photoni liikkuu niin se voisi liikkua niin, että sitä ei voi mitata ominaislämpökapasiteettina laisinkaan? Sähkömagneettisella aaltoliikkellähän ei ole lämpötilaa.

Energiamittarit höyry- ja vesiputkissa perustuvat lähes poikkeuksetta massavirran ja lämpötilan mittaukseen. Millä siitä mittaa sähkömagneettisen aaltoliikkeen? Putken takana olevan prosessin on tehtävä kuitenkin se työ, jota toimilaitteiden on tarkoitetu tekevän. Voimalaitoksen kohdalla kysymyksessä on turbiini, kylläisenhöyryn järjestelmissä kysymyksessä on jokin muu työtä tekevä prosessi kuten massan sulatus tai vihannesten kypsennys.

Kuulin, että höyryn tilanyhtälöä toteuttaa paremmin reaalikaasun tilanyhtälö, joka varmasti pitää paikkansa. Siinä mukaan tulee mm. kokeellisestimääritellyt suureet "a" ja "b", mutta se ei vaikuta edelläänkään siihen, että entalpian kaavassa on pV joka voidaan sitten tietenkin korvata reaalikaasun tilanyhtälössä olevalla laskentakaavalla.

Eli edelleen ollaan tilanteessa, jossa H-U = "pV-laskentakaava", joka on yhtäkuin

H-U = nRT

Käyttäjän deneidez kuva
Petri Pakarinen

Uhm... Jos muistan oikein, niin sisäistä energiaa ei voi mitata mitenkään, vaikka systeemi olisi suljettu. Sen voi ainoastaan päätellä tilannetta edeltävistä tapahtumista.

Ville Valkama

Kerro toki lisää... älä jää ajatuksesi kanssa yksin.

Käyttäjän jpvuorela kuva
Jari-Pekka Vuorela

Ymmärrän kyllä, että tässä olisi tarkotus lähestyä jotakin laskutusongelmaa, mutta totta puhuen en ihan ymmärrä, mihin liittyy tai mitä ylipäänsä merkitsee: "Sähkömagneettisella aaltoliikkellähän ei ole lämpötilaa."

https://fi.wikipedia.org/wiki/Sähkömagneettinen_spektri

Ville Valkama

Tarkoitin sitä, että photonilla edetessään ei ole lämpötilaa mutta sillä on aallonpituuteensa mukainen määrä energiaa.

Tarkoitus oli lähestyä kansantaloudellista ongelmaa siitä, että energiapolitiikka ja poliittiset päätökset perustuvat hyvin pieniltä osin tieteelliseen perusteluihin.

Tämä on haitallista myös ympäristölle, koska polttoaineiden energiatehokkuuksia ei yksinkertaisesti tunneta, ts. ei osata suhteuttaa esimerkiksi siihen missä ajassa ja millä hiiliidioksidi määrällä eri polttoaineella erilaisessa käytännönsovelluksessa saadaan haluttu työ tehtyä.

Termodynaamisen systeemin tekemä työ suhteessa käytettyyn energiamäärään on aina ensisijaisesti tärkein energiatehokkuuden mitta. Käytetty energiamäärä voidaan teoreettisesti selvittää palamiseen perustuvissa prosesseissa tuotetulla hiilidioksidin määrällä, johon ei pidä sotkeä mitään bioneutraliteettiajattelua, koska se vääristää todellisuutta.

Kun halutaan olla taloudellisia ja ympäristöystävällisiä, ollaan energiatehokkaita ja energiatehokkuuden absoluutinen mitta on se, miten paljon C02 pitää tuottaa että työ saadaan tehtyä. Tällä hetkellä tätä faktaa vääristellään sillä, että väitetään tiettyjen polttoaineiden olevan ympäristöystävällisempiä kuin toisten. Tässä ajattelussa on isoa virheanalogiaa, joka tulee siitä, että tähän ympäristöystävällisyys vertailuun ei ole otettu mukaan todellisia energiatehokkuuseroja.

Käyttäjän esalehtinen kuva
Esa Lehtinen

Tässä sisäenergian määritelmä lyhyesti:

https://fi.wikipedia.org/wiki/Sis%C3%A4energia

Tässä hieman laajemmin aiheeseen liittyvää termodynamiikkaa:

http://users.jyu.fi/~hahakkin/opetus/KEMA221-2009/...

Mitä tulee tulistettuun höyryyn, sen paineella ja lämpötilalla on varsin yksikäsitteinen rippuvuus, ts. tiettyä lämpötilaa vastaa tietty paine. Tarkemmat tiedot löytyvät relevanteista käyrästöistä.

Ville Valkama

Vesihöyry Mollier h,s -piirros. P.Sarkomaa ja S.Sarmaslahti, Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu. Ilmeisesti hyvin yleinen h,s -piirros Suomessa.

Aika laajalle alueelle tuossa kyllä pystyy esimerkiksi 50 baarin paineessa olevan höyryn lämpötilan määrittämään. 550 - 1000 K

Mutta onko se lämpötila aidosti sen höyryn lämpötilaa vai sen metallin, joka sen energian absorboi? Siitä on kysymys.

Ville Valkama

Ja jotta tulistettua höyryä pystyy mittaamaan lämpötilan ja paineen osalta on sen tapahduttava suljetussa järjestelmässä, jolloin herää kysymys että kestääkö millainen lämpötila-anturi suoraa kosketusta 50 baariseen höyryyn ja 1000 Kelvin asteeseen (730 astetta Celsiusta) ?

Tällöin on hyvin perusteltua epäillä, että kun

H = U + pV , että U on U juuri sen takia, että kaikkea energiaa ei pysty mittaamaan lämpötilalla ja massalla.

Ville Valkama

Vesihöyry Mollier h,s -piirros. P.Sarkomaa ja S.Sarmaslahti, Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu. Ilmeisesti hyvin yleinen h,s -piirros Suomessa.

Entalpia (kJ/kg) kulkee pysty akselilla, vaaka akselilla on entropia (kJ/kg *K).

Kuvaajien painekäyrät kulkevat tulistetun höyryn alueella hyvin laajojen lämpötila-alueiden läpi. Lämpötilan kasvaessa entropia kasvaa vakiopaineessa, jolloin kysymys kuuluu että miten tätä entropiaa on pystytty mittaamaan siitä höyrystä, että se on tähän kuvaajaan ja moneen muuhun taulukkoon saatu.

Se kiinnostaa minua, koska lämmönsiirtoilmiöissä on vielä paljon sellaista, jota ei oppikirjoihin ole painettu niinkuin fysiikka niissä itseään toteuttaa.

Käyttäjän tyy kuva
Timo Ylhäinen

Jos kiinnostaa, niin kannattaa opiskella. Muussakin kuin huijaustarkoituksessa.

Toimituksen poiminnat