3.1. Metody pomiaru ciśnienia, temperatury i przepływu płynu.

I Ciśnienie

1. Przyrządy do pomiaru ciśnienia; podział ze względu na zasadę działania:

•

manometry cieczowe,

•

manometry tłokowe,

•

manometry sprężyste,


z rurką Bourdon'a,



z czujnikiem mieszkowym,



z cz. membranowym,



z cz. falistym,



z cz. kapsułkowym,

•

m. elektryczne.

Zalety manometrów tłokowych i sprężystych:

•

prosta konstrukcja,

•

możliwość przystosowania do odczytów zdalnych.

2. Wzorcowanie manometrów:

•

na prasce Ruchholz'a – manometr tłokowy + manometr badany; jest to metoda bezpośrednia, w
której manometr tłokowy wskazuje znane ciśnienie

•

metoda pośrednia – manometr badany + manometr o klasie niższej o 2 stopnie

Redukcja wskazań do 0

o

C:

h

0

=

h

t

[

1−− t]

, gdzie

h

0

– różnica poziomów słupa cieczy dla0oC

h

t

różnica poziomów słupa cieczy dlatemperatury t



– współczynnik rozszerzalności cieplnej cieczy manometrycznej



– współczynnik rozszerzalności liniowej materiału ,

na którym naniesiono podziałkę

t – temperatura

3. Klasa niedokładności jest to liczba równa dopuszczalnemu błędowi względnemu przyrządu, gdzie błąd
jest wyrażony w % i w odniesieniu do zakresu pomiarowego. Klasy niedokładności:

•

0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 – laboratoryjne

•

1; 1,5; 1,6; 2,5; 4; 6 – przemysłowe

•

1; 1,5; 1,6 – kotłowe.

Błąd graniczny:



g=

klasa⋅zakres

100

4.Jednostki ciśnienia (wybrane):

•

1Pa = 1 N/m2, 1 hPa = 102 Pa, 1bar = 105Pa,

•

1at = 1 KG/cm2 = 9,81 N/cm2 = 98066, 5 Pa – atmosfera techniczna

•

1atm = 760 Tr = 101325 Pa , 1Tr = 1mmHg = 133,322 Pa – atmosfera fizyczna

II Temperatura

Termometry

Nieelektryczne

Elektryczne

Rodzaj

Wielkość mierzona

Rodzaj

Zasada działania

Dylatacyjne, bimetalowe

Długość

Pirometry samoczynne

Napięcie lub prąd

Ultradźwiękowe

Dragnia akustyczne

Kwarcowe

częstotliwość

Cieczowe:

•

szklane

•

manometryczne

Objętość cieczy

Termoelektryczne,

tranzystorowe, szumowe,

diodowe

Napięcie lub prąd

Manometryczne

Ciśnienie gazu

Rezystancyjne,

termistorowe, krzemowe

Rezystancja

Światłowodowe

Promieniowanie e-m

widzialne

Pirometry ręczne

Metody:

•

stykowa

•

bezstykowa

1. Termoelementy - należą do najpopularniejszych przyrządów do pomiaru temperatury. Jest to
spowodowane bardzo szerokim zakresem pomiarowym, możliwością wykonywania pomiarów punktowych,
dużą ilością różnych wykonań specjalnych. Działanie termoelementu oparte jest o odkryte przez Seebecka
zjawisko termoelektryczne. Polega ono na przepływie prądu elektrycznego w obwodzie zamkniętym
utworzonym przez dwa różne metale. Warunkiem przepływu prądu jest różnica temperatur spoin tych metali.
Jeżeli taki obwód zostanie otwarty to na końcach otrzymamy siłę termoelektryczną zależną od różnicy
temperatur i rodzaju użytych metali.

Rodzaj termoelementu

Symbol

Oznaczenie

Zakres stosowania [

o

C]

Platyna - 13% rod/platyna

R

RRh 13-R P

-100 ÷ 1300/1600

Platyna – 10% rod/platyna

S

tRh 10-R

-200 ÷ 1300/1600

Platyna - 30% rod/platyna 6% rod

B

PtRh30-PtRh6

0 ÷ 1600/1800

Żelazo miedź - nikiel lub żelazo/konstantan

J

Fe-CuNi

-200 ÷ 700/900

Miedź/miedź - nikiel lub miedź/konstant

T

Cu-CuNi

-200 ÷ 400/600

Nikiel chrom/miedź nikiel lub nikiel -
chrom/konstantan

E

NiCr-CuNi

-200 ÷ 700/1000

Nikiel - chrom/nikiel aluminium

K

NiCr-NiAl

-200 ÷ 1000/1300

Nikiel - chrom - krzem/nikiel - krzem

N

NiCrSi-NiSi

-200 ÷ 600/1300

Termoelement to obwód złożony z dwóch różnych metali. Spoina odniesienia powinna mieć stałą
temperaturę (charakterystyczną dla danego termoelementu), a spoina miernicza – temperaturę mierzoną. Na
skutek różnicy temperatur między między spoinami, powstaje różnica potencjałów – napięcie
termoelektryczne, które mierzymy za pomocą woltomierza podłączonego do układu. Znając wartość
napięcia, z tablic, odczytujemy odpowiadającą mu temperaturę. Tablice są charakterystyczne dla każdego
termoelementu.

Pomiar temperatury przy pomocy termoelementu metodą wychyleniową obarczony jest błędem

wynikającym z oporności termoelementu, przewodów łączących oraz miernika:

U =E⋅

R

w

R

w



R

c



R

p

. Ze

wzoru wynika, że im większa jest oporność miernika tym dokładniejszy jest pomiar.

Metoda kompensacyjna polega na niwelowaniu skutków działania obiektu mierzonego na detektor. W
praktyce, np. przy pomiarze temperatur za pomocą termoelementu, realizujemy to przy pomocy układu
Lindeck'a podłączonego do termoelementu. Termoelement podłączony jest do układu Lindeck'a. Na
oporniku o zmiennej rezystancji – R

r

- ustalamy opór tak, aby galwanometr wskazywał brak przepływu

prądu w obwodzie termoelementu. Napięcie w układzie jest równe iloczynowi rezystancji wzorcowej – R
oraz prądu – I - mierzonego miliamperomierzem.

U =E= R⋅I

, gdzie

R=1 

1. Termoelement

2. Piec elektryczny
3. Rezystor regulacyjny
4. Przewody kompensacyjne

5. Galwanometr
6. Rezystor regulacyjny
7. Rezystor normalny
8. Miliamperomierz

2. Pirometry - pomiar temperatury metodą pirometryczną polega na określeniu parametrów energii
termicznej wypromieniowanej przez obiekt mierzony. Opierają się na prawach Planck'a, Wien'a oraz
Stefan'a - Boltzmann'a (S-B) dla promieniowania ciał rzeczywistych. Praktycznie w pirometrii wykorzystuje
się promieniowanie 0,4-20 μm, czyli zakres promieniowania widzialnego i podczerwonego. Biorąc pod
uwagę zasadę działania możemy wyróżnić pirometry:

•

całkowitego promieniowania – radiacyjne

•

monochromatyczne

•

barwowe

•

fotoelektryczne

Prawo S-B:

E=⋅T

4

=

2

5

⋅

C

1

15C

2

4

⋅

T

4

,

gdzie



cc

=

5,6710

−

8

W

m

2

K

4

- prom. ciała czarnego.

Dla ciał szarych:

E=C

0

⋅⋅

T

100



4

,

gdzie



– emisyjność ciała szarego

C

0

– stała promieniowaniaciała czarnego⋅10

8

ARP=



A







R







P



=

1

absorbcyjnośćrefleksyjnośćtransmisja=1

A=1 – ciał doskonale czarne

R=1 – ciał doskonale białe

P=1 – ciało doskonale przezroczyste

III Przepływ.

Rotametr - przepływomierz o zmiennym przekroju – przyrząd do pomiaru natężenia przepływu płynów. Po
raz pierwszy urządzenia tego typu zostały opatentowane przez niemieckiego producenta Rota, obecnie Rota-
Yokogawa, stąd nazwa Rotametr (ang. Rotameter) Ruch płynu powoduje unoszenie pływaka do położenia, w
którym zrównoważą się działające nań siły:

•

siła ciężkości pływaka (działająca pionowo do dołu),

•

siła tarcia przepływającego płynu o powierzchnię boczną pływaka (działająca do góry),

•

siła wyporu, wywołana różnicą ciśnień pod i nad pływakiem (działająca do góry).

Druga i trzecia z wymienionych sił zależą od szybkości przepływającego płynu, dodatkowo druga zależy od
rodzaju (lepkości) płynu. Szybkość z kolei zależy od przekroju szczeliny (o kształcie pierścieniowym)
między wewnętrzną ścianą rury a pływakiem. Przekrój tej szczeliny w miarę rozszerzania się rury ku górze
wzrasta i pływak przy coraz większych przepływach zajmuje coraz wyższe położenie. Wartość mierzonego
natężenia przepływu wskazuje górna krawędź pływaka. Istnieje możliwość przekształcenia natężenia na
sygnał elektryczny przy pomocy np. przetwornika indukcyjnościowego transformatorowego w układzie
różnicowym, a więc pływak musi być wykonany z materiału ferromagnetycznego. Wówczas taki rotametr,
który daje możliwość przesyłania sygnału elektrycznego na odległość, nosi nazwę telerotametru.

Przepływomierz błonkowy. Działanie przyrządu opiera się na optycznej detekcji przesunięcia "bańki
mydlanej" w rurce o dokładnie określonej objętości. Objętość tej rurki oraz pomiar czasu przejścia "bańki"
pozwalają na precyzyjne obliczenie przepływuCzas przesunięcia jest mierzony elektronicznie i na jego
podstawie układ oblicza szybkość przepływu. Stosowany do współpracy z chromatografem gazowym,
kalibracji rotametrów lub innych przepływomierzy czy aspiratorów.

Przepływomierz wirowy. W przepływomierzach oscylacyjnych strumieniowych wirowych częstotliwość
spływu wirów inicjowana jest wirami Karmana – tzw. ścieżką wirową. Jak wiadomo wiry te powstają przy
opływie przegrody umieszczonej w strudze płynu w wyniku okresowego odrywania się warstw
przyściennych od przegrody. Tworzenie się wirów występuje powyżej liczby Reynoldsa uznanej w tym

przypadku za krytyczną (Rekr ≈ 200). W przepływomierzach wirowych wykorzystuje się zjawisko generacji
wirów na elemencie umieszczonym w przepływającej strudze. Jeżeli do strugi płynu przemieszczającej się
pod wpływem działających nań sił wstawimy przegrodę trójwymiarową o ostrych lub opływowych
kształtach, to warstwa przyścienna, wytworzona na jej powierzchni, może opływać kontur lub oderwać się i
wytworzyć wir.
Przepływomierze z wirem precesyjnym Zasada pracy tego typu przepływomierza polega na wymuszeniu
zawirowań strugi wokół osi środkowej przewodu poprzez zastosowanie nieruchomego elementu o kształcie
turbiny Dla tego typu przepływomierza strumień objętości q

V

przepływającego medium oblicza się z

poniższej zależności:

q

v

=

C⋅ f

, gdzie:

C–współczynnik przetwarzania przepływomierza,
f – częstotliwość ruchu precesyjnego.

Przepływomierze wirowe z wykorzystaniem efektu Coandy . Innym przykładem przepływomierza
zaliczającego się do przepływomierzy strumieniowych jest przepływomierz wykorzystujący efekt Coandy
Przepływomierz ten nie posiada elementów ruchomych. Natomiast korpus przyrządu wyposażono w
uformowane w charakterystyczny sposób kanały, w których okresowo zmienia się prędkość przepływu. Płyn,
wpływając do rozszerzającej się komory (dyfuzora , o dużym kącie rozwarcia ścianek bocznych, nie
wypełnia od razu całego przekroju kanału, lecz struga przywiera do jednej ze ścianek bocznych (tzw. efekt
Coandy), a następnie kierowany jest do jednego z kanałów. Przez kanał wsteczny (1) lub (1`) struga
przepływa z powrotem do początkowej części rozszerzającej się komory co powoduje odchylenie głównej
strugi na drugą ściankę i proces się powtarza. Częstotliwość przerzutu strugi jest mierzona detektorem (2) i
jest wprost proporcjonalna do prędkości średniej przepływu głównego.

Przepływomierze
oscylacyjne mechaniczne .
Przepływomierze tego typu
stosuje się do pomiarów
czystych, bądź słabo
zanieczyszczonych cieczy i
gazów. Zasada działania
przepływomierzy
oscylacyjnych
mechanicznych polega na
odpowiednim ukształtowaniu
strug napływowych
rozdzielaczem strugi
umieszczonym w
przepływającym płynie i
wykorzystaniu ich energii do
pobudzenia drgań
mechanicznego oscylatora .

Pomiar strumienia masy/objętości za pomocą zwężek pomiarowych.

Założenia:

–

rozkład prędkości w każdym
przekroju jest płaski

–

brak tarcia lepkiego płynu

–

stała gęstość

Procedura pomiaru za pomocą zwężki:

1) Wyprowadzamy równanie Bernoulliego dla przekrojów 1 i 2.

2) Zapisujemy równanie ciągłości przepływu.

3) Dla płynów rzeczywistych wprowadzamy liczbę ekspansji i współczynnik przepływu.

4) Ostatecznie:

q

m

=

⋅

d

2

4

⋅

C



1−

4

⋅



2  p⋅

Należy pamiętać o zachowaniu wymaganego odcinka prostego przed kryza pomiarową. Można go skrócić
korzystając z prostownicy strumienia.

3.3. Charakterystyki pomp wirowych, metody regulacji i zasady doboru pomp
do układu pompowego.

1. Charakterystyka pompy jest
to podstawowe źródło informacji
o jej własnościach
eksploatacyjnych przy
projektowaniu układów i analizie
pracy pompy. Charakterystyki
przedstawia się w w formie
krzywych na wykresach
zależności wysokości
podnoszenia, sprawności i mocy
w funkcji natężenia przepływu.
Charakterystyki można podawać
również w układach
bezwymiarowych, w których dana
wielkość odnoszona jest do
wartości nominalnej dla danej
pompy.

Charakterystyka uniwersalna
umożliwia przedstawienie
własności pompy w zwartej
formie graficznej. Sposób jej
tworzenia przedstawiono
graficznie obok.

2. Metody regulacji:

•

Przez zmianę prędkości obrotowej wirnika
◦

falownik

◦

sprzęgło

◦

przekładnie

•

Przez zmianę kąta łopatek kierownicy lub wirnika

•

Przez zmianę średnicy wirnika (zmiana nieodwracalna przez staczanie łopatek)

•

Regulacja dławieniowa (regulacja szeregowa)

•

Regulacja upustowa (regulacja równoległa)

Regulacja dławieniowa - regulacja wydajności przez zmianę otwarcia zaworu umieszczonego w rurociągu
tłocznym, za pompą.
Podczas przymykania
występuje dławienie
przepływu; najpowszechniej
stosowana. Najczęściej
charakterystyka r

1

w

znamionowych warunkach
pracy odpowiada całkowicie
otwartemu zaworowi
regulacyjnemu, stąd regulacja
dławieniowa stosowana jest
tylko na zmniejszenie
wydajności (Q

2

< Q

}

).

Przymykając zawór regulacyjny, zmienia się charakterystykę rurociągu z r, na

r

2

daje nowy punkt pracy

W

2

przy,

zmniejszonej wydajności Q

2

.Przy tej wydajności zapotrzebowanie

energii ze strony układu pompowego wynosi

Y* =

gH* i tyle tylko jest wykorzystane użytecznie. Pozostała część, tj. AF

dt

= gH

M

, jest tracona w zaworze regulacyjnym

wskutek dławienia i oddawana przetłaczanej cieczy w postaci

które tylko w nielicznych przypadkach może być w

pewnym stopniu wykorzystane użytecznie.

Efekt energetyczny regulacji dławieniowej jest więc taki sam jak przy

zastosowaniu innej pompy p*, pracującej przy całkowicie otwartym zaworze tłocznym, której punktem pracy jest W*,
sprawność zaś wynosi tylko Tj

zast

. Obszar zakreskowany, zawarty między krzywymi rj i T)

zast

na rys. 13.2 jest miarą strat

energii w regulacji dławieniowej.
Dodatkowym niekorzystnym efektem regulacji dławieniowej jest wzrost wartości sił hydraulicznych, zarówno wzdłużnej
jak i poprzecznej, podczas zmniejszania wydajności za pomocą zaworu regulacyjnego.

Regulacja upustowa
Regulacja dławieniowa jest szczególnie niekorzystna w pompach śmigłowych i diagonalnych, dla których
zapotrzebowanie mocy P (Q) rośnie wraz ze zmniejszeniem wydajności. W tego rodzaju pompach, jeśli nie są one
wyposażone w regulowane łopatki wirnika lub kierownicy i nie jest możliwe zastosowanie napędu o zmiennej
prędkości obrotowej, zamiast regulacji dławieniowej lepiej zastosować regulację upustową (Rys. a).
Zasada działania regulacji upustowej wynika z rys. b. Przy zamkniętym zaworze zr punktem pracy pompy w
układzie o charakterystyce r jest W. Natężenie przepływu Q = Q

w

w głównym rurociągu l pokrywa się wówczas z

wydajnością pompy, natomiast Q

7

= 0. Jeśli zawór zr zostanie otworzony, wówczas pompa będzie zasilała dwa

równolegle połączone przewody l i 2. Charakterystyką przewodu l jest krzywa r, a przewodu 2 — pęk parabol h o
wierzchołku (0, 0), odpowiadających odpowiednim otwarciom zaworu zr. W przypadku zaworu całkowicie otwartego,
charakterystyka h - /i

max

staje się najbardziej płaska. Łączną charakterystyką przewodów l i 2 jest krzywa

r' = (r + h')

r

, otrzymana przez równoległe zsumowanie charakterystyk r oraz h'. Punktem pracy pompy w układzie

jest punkt W' przecięcia charakterystyk p i r'. W porównaniu do pracy przy zamkniętym zaworze zr (punkt W),
wydajność pompy wskutek częściowego otwarcia zaworu wzrosła z
wartości Q

w

do Q'

w

.. Jednak w rurociągu l płynie mniejszy niż po-

przednio strumień objętości cieczy Q\. Pozostały strumień, tj. Q'

2

=

Q'

w

- Q\ tj. płynie przez upust 2 z powrotem do obszaru dopływowego

(ssawnego).
Regulacja upustowa związana jest ze stratą energii cieczy w zaworze
zr upustu.

Regulacja upustowa: a) schemat układu, b) charakterystyki przepływu, c) zapotrzebowanie mocy

Straty powstające w procesie regulacji upustowej mogą niekiedy być mniejsze niż przy regulacji dławieniowej, w
której strumień Q

l

uzyskuje się dławiąc przepływ zaworem umieszczonym w części tłocznej rurociągu l

(charakterystyka r

dl

układu i punkt pracy W

dł

).

Pracę układu można jeszcze regulować przez dołączanie kolejnych pomp. W przypadku połączenia

szeregowego sumuje się wysokości podnoszenia pomp, natomiast w przypadku połączenia równoległego –
wydajności.

3. Zasady doboru

1. Doboru pompy dokonuje się na punkt pracy lub na pole pracy. Druga zasada różni się od pierwszej

tylko tym, że zamiast jednego, ściśle zdefiniowanego punktu pracy określony jest ich zbiór.

2. Należy określić charakterystykę układu, w którym będzie pracowała pompa (jego opory

hydrauliczne).

3. Należy określić, jaki rodzaj pompy będzie wymagany. Zależy to od, np.:

a) rodzaju tłoczonej cieczy
b) wymaganej wysokości ssania (praca z napływem czy bez)
c) charakteru pracy (pompa tłokowa czy wirowa, zatapialna czy nie)

4. Należy określić wymaganą wydajność i wysokość podnoszenia.
5. Z katalogów dostarczanych przez producentów (Wafapomp, Hydro - Vacuum, Ebara, LFP etc.) wybrać kilka

pomp o parametrach zbliżonych do oczekiwanych. Ich charakterystyki nanieść na wykres charakterystyki układu
i, po pierwsze sprawdzić czy wysokość podnoszenia i wydajność mieszczą się w wymaganych granicach, a
następnie porównać pobór mocy i sprawności takich pomp.

6. Porównanie pomp można sformalizować wprowadzając funkcję dobroci:

D=

∑

K

i

⋅

W

i

, gdzie

K

i

– kryterium

W

i

−

waga kryterium

Kryteriami kluczowymi mogą być wyżej wymienione pobór mocy i sprawność, ale także cena, dostępność
części zamiennych, możliwości regulacji etc.

3.2. Charakterystyki wentylatora, punkt pracy, metody regulacji parametrów pracy
wentylatora.

Patrz punkt z pompami.

Różnica między charakterystykami wentylatora i pompy jest taka, że wielkością charakteryzująca przepływ nie jest
wysokość podnoszenia H podawana w metrach, a spiętrzenie całkowite



p

(różnica ciśnień między ssanie i tłoczeniem

wentylatora) podawane w Pascalach.

3.5. Pomiary energetyczne silników lub urządzeń cieplnych, ocena niepewności
pomiarów – na wybranym przykładzie.

1. Pomiary energetyczne silników cieplnych -

2. Niepewność pomiarowa. Typu:

•

A (U

A

) – związana jest z efektami przypadkowymi, a wyznaczana jest metodami statystycznymi,

•

B (U

B

) – związana jest z systemem pomiaru i urządzeniami pomiarowymi.

Niepewność całkowita:

U

c

=

k



⋅



U

A

2



U

B

2

, gdzie:

k



– wartość zmiennej standaryzowanej

w zależności od przyjętej dokładności :

k



=

2 dla =0,95

k



=

3 dla =0,99

Niepewność standardową typu A liczy się jako odchylenie standardowe średniej:

U

A

=

S

x

=



1

n n−1

⋅

∑



x

i

−x 

2

Niepewność standardową typu B liczy się:

•

Dla pomiarów bezpośrednich -

U

B

=



g



3

=

klasa⋅zakres

100⋅



3

lub

U

B

=



x



12

,

gdzie:



x – błąd graniczny związany z rozdzielczością mierników elektronicznych

•

Dla pomiarów pośrednich –

U

B

=



∑





y



x

j



2

⋅

U

BJ

2



, czyli, np.: niepewność typu B pomiaru

objętości

V =



d

2

4

⋅

l

wyniesie

U

B

=







V



d



2

⋅

U

d

2





V



l



2

⋅

U

l

2

, gdzie U

l

i U

d

najprawdopodobniej związane są z podziałką przyrządu pomiarowego (np. suwmiarki).

Przed przystąpieniem do obliczenia niepewności pomiarowych należy sprawdzić czy otrzymane wyniki nie
odbiegają znacząco od siebie (czy nie popełniono omyłek). W tym celu porównujemy odchylenie
standardowe każdego pojedynczego pomiaru :

S



x

i

=



1



n−1

⋅

x

i

−x

2

z wartością średnią. W przypadku, gdy odchylenie jest zbyt duże (wartości dopuszczalne z normy) wynik
odrzucamy. Należy również zwracać uwagę na błędy systematyczne i ewentualnie nanosić poprawki (np.
niezachowanie temperatury spoiny odniesienia w termoparze).

3.6. i 3.7. Zagadnienia dotyczące budowy i eksploatacji siłowni cieplnych
konwencjonalnych i jądrowych. [eeee...?]

3.8. Oddziaływanie elektrowni konwencjonalnych i jądrowych na środowisko.

Elektrownie i elektrociepłownie mają znaczący wpływ na powietrze atmosferyczne, glebę i wody, a za ich
pośrednictwem na rośliny, zwierzęta, ludzi i konstrukcje metalowe (korozja).

Na środowisko naturalne oddziałują przede wszystkim:

•

produkty spalania paliw, należą do nich: spaliny, zawierające popiół lotny (pył), dwutlenek siarki,
tlenki azotu, tlenek i dwutlenek węgla, żużel spod kotłów, odpady i ścieki z instalacji odsiarczania
spalin (pylenie występuje również w procesach transportu, składowania i rozładunku paliw),

•

odpad promieniotwórczy z elektrowni jądrowych wymagający bezpiecznego składowania w
specjalnych warunkach przez długi okres czasu,

•

ścieki przemysłowe, które wytwarzane są przy uzdatnianiu wody do obiegu parowego i do obiegu
chłodzącego oraz z instalacji odsiarczania spalin, a także podgrzewanie wody w rzekach (jeziorach)
w przypadku otwartego obiegu chłodzenia turbin (wzmożone w przypadku elektrowni jądrowej),

•

hałas towarzyszący przy rozładowaniu, kruszeniu węgla, wytwarzany przez wentylatory, sprężarki,

•

chłodzenie w obiegu zamkniętym - chłodnie wentylatorowe i kominowe są źródłem hałasu i roszenia
przyległych terenów,

•

obieg elektryczny poprzez hałas transformatorów i silników oraz oddziaływanie pól
elektromagnetycznych ma także niekorzystny wpływ na środowisko naturalne.

Skutki zanieczyszczenia powietrza
atmosferycznego są wielorakie: choroby
ludzi i zwierząt, niszczenie konstrukcji
budowlanych, korozję metali, straty
światła słonecznego i wynikające stąd
zwiększenie zużycia energii elektrycznej
na oświetlenie, straty transportu
lotniczego i samochodowego w wyniku
pogorszonej widoczności.
Wpływ elektrowni na wody
powierzchniowe przejawia się zarówno
w znaczeniu ilościowym jak i
jakościowym. W elektrowni woda jest
wykorzystywana w procesach produkcji
energii elektrycznej do wytwarzania
pary (obieg parowo wodny) oraz do
ochładzania pary (obieg chłodzący
skraplacze). Obieg parowo wodny
wymaga uzupełnienia wodą o wysokiej jakości, natomiast obieg chłodzący potrzebuje dużej ilości wody.
Woda chłodząca skraplacze odprowadza do otoczenia znaczne ilości ciepła. Ochładzanie wody podgrzanej
powoduje powstawanie strat wody, wpływając na bilans wody w przyrodzie, oraz oddziałuje na środowisko,
wprowadzając zmiany w ekosystemach wód powierzchniowych. Użytkowanie wody przez elektrownie
wpływa na organizmy żywe w sposób bezpośredni, w czasie ich przepływu wraz z wodą przez urządzenia

obiegu chłodzącego, oraz w sposób pośredni w wyniku odprowadzania ciepła do wód powierzchniowych.
Mikroorganizmy żywe przepływające przez urządzenia i przewody obiegu chłodzącego są narażone na:
uszkodzenia mechaniczne, szok termiczny, działanie chemiczne.
Zanieczyszczenie atmosfery wpływa pośrednio na rozwój lasu. Naruszona bowiem zostaje równowaga
chemiczna i zmieniony odczyn pH w środowisku glebowym. Działanie bezpośrednie jak oparzenia tkanki
roślinnej oraz ograniczenie intensywności fotosyntezy wskutek dużego zapylenia powierzchni liści, nie
występuje , jeśli są stosowane elektrostatyczne odpylacze spalin (elektrofiltry) i wysokie kominy. W sposób
pośredni na lasy oddziałuje dwutlenek siarki oraz tlenki azotu (kwaśne deszcze).

Aby zapobiec znacznemu zagrożeniu środowiska ze strony energetyki, spowodowanemu wydzieleniem
dużych ilości zanieczyszczeń gazowych (SO

2

, NO

X

) oraz pyłowych, są stosowane następujące środki

działania:

•

wysokie kominy i koncentracja spalin (w jednym kominie) w celu zwiększenia wyniesienia smugi
dymu,

•

wzbogacanie paliw lub paliwo o niskiej zawartości siarki,

•

instalacje odpylania o dużej skuteczności,

•

instalacje odsiarczania spalin,

•

ograniczanie powstawania tlenków azotu oraz ich emisji,

•

sieci kontrolno-alarmowe,

•

spalanie paliwa interwencyjnego (w okresie niekorzystnych warunków meteorologicznych),

•

utylizacja odpadów paleniskowych,

•

nowe technologie energetyczne jak np. energetyka jądrowa, kotły fluidalne, zagazowanie węgla.

3.9. Wpływ techniki spalania i rodzaju paliwa na emisję zanieczyszczeń do
atmosfery.

[3.9. Aspekty środowiskowe spalania paliw.pdf + str. 40]

Podział zanieczyszczeń gazowych:

•

główne - CO

2

,

•

uboczne - SO

2

, NO

x

,

•

śladowe - substancje organiczne, lotne związki organiczne (LZO), wielopierścieniowe węglowodory
aromatyczne (WWA) i sadza, dioksyny, furany, fenol, niemetale i metale ciężkie.

•

pyły (popioły lotne) - substancja mineralna zawarta w paliwach stałych.

Procesy spalania są najważniejszym źródłem zanieczyszczeń emitowanych do powietrza; oprócz pary
wodnej, tlenu i azotu wszystkie składniki spalin są zanieczyszczeniami. Powodowane przez człowieka,
antropogenne emisje w ostatnim wieku znaczącą wpływają na nasze środowisko. Skutki procesów spalania
można umownie podzielić na lokalne i globalne. Do efektów globalnych zalicza się:

•

efekt cieplarniany - powodowany w głównej mierze przez CO

2

(około 50%), CH

4

, freony, halony, O

3

,

N

2

O, H

2

O,

•

kwaśne deszcze - opad powstały na skutek reagowania z parą wodną
SO

3

powstałego z emitowanego przez elektrownie SO

2

oraz w

mniejszej części z tlenków azotu w powietrzu,

•

dziurę ozonową - zmniejszenie udziału O

3

w stratosferze na skutek

jego reagowania z NO powstałego z N

2

O.

Do efektów lokalnych zalicza się:

•

smog fotochemiczny,

•

odpady paleniskowe: popiół lotny, żużel - zanieczyszczenie
powietrza, gleby, wód gruntowych.

Wpływ rodzaju paliwa.

•

gaz ziemny - paliwo względnie czyste,

•

olej opałowy - dwutlenku węgla, dwutlenek siarki i tlenki azotu,

•

węgiel - najbardziej uciążliwy; obok tych samych substancji
gazowych do atmosfery wydziela się także pyły zawierające metale

ciężkie (np. ołów, cynk, kadm), tlenek węgla, (CO),

•

odpady - zanieczyszczenia typowe, a dodatkowo liczne związki organiczne, związki chloru, fluoru,
dioksyny, furany, metale ciężkie

1. SO

2

, SO

3.

Udział siarki w paliwach:

•

gaz ziemny: siarkowodór (< 1% objętości), domieszki organicznych związków siarki (znaczne
ilości).

•

ropa naftowa: siarka w postaci związków organicznych (kilka setnych procenta - 5% masy), w czasie
przeróbki następuje kumulacja związków siarki w ciężkich frakcjach, dlatego najwięcej siarki
zawiera mazut i gudron.

•

węgiel: siarka w postaci nieorganicznej (siarczki, siarczany, siarka elementarna) i organicznej
(chemicznie związana z substancją organiczną)
–

kamienny: zawartość siarki od 0,1% do ponad 11% masy.

–

brunatny: zawartość siarki od 0,5% do 2,5% masy.

2. NO

x

(NO + NO

2

) i N

2

O.

Wyróżnia się tlenki azotu:

•

paliwowe - powstałe w procesie utleniania związków azotowych w paliwie (azotu paliwowego),

•

termiczne - powstałe z azotu z powietrza w zakresie temperatur 1600-1800 K,

•

szybkie (płomieniowe) - powstałe z azotu z powietrza, z udziałem rodników
węglowodorowych.

Najwięcej powstaje NO, z niewielkim udziałem (5-10%) NO

2,

najmniej N

2

O.

Głównym źródłem jest azot paliwowy (N

F

).

Udział azotu w paliwach:

•

gaz ziemny - praktycznie nie zawiera N

F

,

•

ropa naftowa - niewielka zawartość N

F

( 0,01-0,3%, wyjątkowo 0,9%) pochodzących z materii

biologicznej, ich udział wzrasta w czasie destylacji (produkcji olejów opałowych, benzyn)

•

węgiel - największa zawartość N

F

w w. kamiennym (0,6 - 2,8%), nieco mniej w w. brunatnym,

najmniej w antracycie, pochodzi z materii organicznej węglotwórczej (rośliny, bakterie białka,
aminokwasy, alkaloidy, chlorofil).

3. CO

2.

Źródło - paliwa kopalne zawierające węgiel.

Wpływ techniki spalania:

1. na emisję NO

x

.

Metody pierwotne (niskoemisyjne techniki spalania) ograniczające emisję NO

x

do atmosfery. Cechy:

•

mniejsze koszty inwestycyjne, w porównaniu z kosztami metod wtórnych,

•

małe koszty eksploatacyjne.

•

czynniki mające wpływ: temperatura spalania, nadmiar powietrza, rozdział powietrza, rozdział
paliwa, aerodynamika spalania, redukujące właściwości bogatego płomienia.

a) obniżenie temperatury spalania:

•

recyrkulacja spalin - skuteczny (efektywność redukcji emisji około 50%), prosty i tani sposób,
szczególnie przy spalaniu gazu lub oleju lekkiego,

•

dodanie wody lub pary do powietrza, paliwa, płomienia - największe zastosowanie w turbinach
gazowych, obecnie zastępowane innymi metodami,

•

umieszczenie powierzchni ogrzewalnych w płomieniu,

•

zmiana składu mieszaniny palnej - bogate mieszanki o niskim współczynniku nadmiaru powietrza
(do granic palności).

b) kontrolowanie nadmiaru powietrza - wpływ nadmiaru powietrza zależy od rodzaju płomienia i udziału
azotu paliwowego:

•

podczas spalania węgla - zmniejszenie



powoduje ograniczenie emisji NO

x

,

•

w kinetycznym płomieniu gazowym - zwiększenie



powoduje ograniczenie emisji NO

x

poprzez

obniżenie temperatury płomienia.

c) stopniowanie powietrza - podział strumienia powietrza do spalania na dwie części:

•

powietrze pierwotne (75-90%) podawane konwencjonalnie do paleniska; spalanie odbywa się z
niedomiarem powietrza (mieszanka bogata) w atmosferze redukującej (temperatura płomienia nie
osiąga wartości max., wydzielony azot paliwowy ulega łatwiej konwersji do N

2

, wysokie stężenie

rodników węglowodorowych redukuje NO i NO

2

).

•

powietrze drugie (10-25%) podawane z pewnym opóźnieniem jako powietrze dopalające; dopalania
głównie CO i cząstek koksu z kontrolowanym



.

Metoda tym skuteczniejsza im w strefie redukcyjnej: czas przebywania dłuższy, mniejsze



, wyższa

temperatura.

d) stopniowanie paliwa (reburning) - dwa strumienie paliwa, spalane w odrębnych strefach paleniska;
spalanie trójstopniowe.

•

pierwsza strefa - spalanie konwencjonalne,

•

druga strefa (reburningowa) - podawane jest drugie paliwo, spalanie z niedomiarem powietrza w
atmosferze redukującej bogatej w rodniki węglowodorowe konwertujące NO

x

do N

2

.

•

trzecia strefa - podawane powietrze dopalające.

Najlepszym paliwem reburningowym jest metan (gaz ziemny), jednak ze względu na jego wysokie koszty
często jest zastępowany ciężkim olejem, mikronowym pyłem węglowym, biomasą. Udział tego paliwa to
około 10-20%. Mimo efektywności sięgającej 70%, stopniowanie paliwa jest metodą stosowaną rzadziej niż
stopniowanie powietrza ze względu na skomplikowanie instalacji i większy koszt eksploatacyjny
(dodatkowe paliwo).

Negatywne skutki niskoemisyjnych technik spalania:

•

korozja niskotlenowa,

•

zwiększenie straty niedopału,

•

niedogrzanie pary wtórnej,

•

zwiększenie szlakowania,

•

szybsze zużywanie się palników,

•

pogorszenie stabilności płomienia i spalania.

Metody wtórne ograniczające emisję NO

x

do atmosfery - wprowadzenie dodatkowych czynników

redukujących do kotła:

a) SNCR (selektywna niekatalityczna redukcja NO) - iniekcja do komory paleniskowej:

•

amoniaku - optymalne temperatury: 1150-1300

O

C

•

mocznika.

b) SCR - selektywna redukcja katalityczna - konwersja tlenków azotu do N

2

z wykorzystaniem amoniaku

jako gazu redukującego w obecności katalizatora; sprawność w warunkach przemysłowych > 90%.

2. na emisję SO

2

.

Metody ograniczenia emisji:

•

usuwanie siarki z paliwa - najłatwiej z gazu ziemnego i produktów naftowych (skuteczność
odsiarczania ponad 99%); z węgla metodami:
–

mechanicznymi - wzbogacanie węgla (różnica gęstości pirytu i substancji organicznych),

–

chemicznymi,

–

biologicznymi.

•

wiązanie SO

2

podczas spalania - metoda sucha,

•

usuwanie SO

2

z gazów odlotowych - metoda półsucha i mokra.

Podczas procesu spalania stosuje się jedynie metodę suchą, polegającą na wprowadzeniu do paleniska
sorbentu wiążącego SO

2

. Z zasady stosuje się kamień wapienny, rzadziej wapno hydratyzowane lub dolomit.

Nieprzereagowana część sorbentu oraz produkty wiązania SO

2

oddzielane są od spalin wraz z popiołem

lotnym w elektrofiltrze. Możliwość skutecznego odsiarczania spalin w złożu fluidalnym, podczas spalania
węgla z użyciem taniego kamienia wapiennego to jedna z ważniejszych przyczyn stosowania kotłów
fluidalnych w energetyce. Na wysoką skuteczność odsiarczania wpływa temperatura złoża (800-900

O

C,

optymalnie 850

O

C) i długi czas przebywania.

3. na emisje CO i CO

2

.

Ograniczenie emisji:

•

zmiana paliwa na gaz ziemny lub biomasę - zerowy bilans CO

2

zamiast węgla kamiennego,

•

racjonalizacja zużycia energii,

•

poprawa sprawności pozyskania energii cieplnej i elektrycznej.

•

spalanie tlenowe (oxy-fuel combustion) - jedna z metod ograniczenia emisji CO

2

do atmosfery.

Paliwo spalane jest w podwyższonej zawartości tlenu z recyrkulacją CO

2

. W tej metodzie azot jest

usuwany z powietrza niezbędnego do spalenia, co powoduje także ograniczenie emisji tzw.
termicznych (z powietrza) NO

x

. CO

2

jest zawracane do komory spalania celem obniżenia

temperatury spalania. Spaliny zawierają praktycznie tylko CO

2

i parę wodna. Po wykropleniu pary

wodnej i sprężeniu CO

2

otrzymujemy odpad gotowy do transportu i składowania, w celu obniżenia

jego emisji do atmosfery.

•

technologia wychwytywania ze spalin i składowania (

CCS).

3.10. Metody pozyskiwania tlenu przeznaczonego do spalania w technologii oxy-
fuel.

Metody pozyskania tlenu:

•

skroplenie powietrza w temperaturze 90,15 K i rozdzielenie na poszczególne frakcje ciekłych gazów
za pomocą filtrów koalescencyjnych lub destylacji,

•

elektroliza wody,

•

termiczny rozkład związków chemicznych (np. nadmanganianu potasu) - niewielkie ilości tlenu o
wysokiej czystości uzyskuje się w laboratorium.

•

separacja z powietrza za pomocą sit molekularnych,

•

metoda membranowa.

Większość metod cechuje się mała ilością pozyskanego tlenu lub zbyt dużą energochłonnością, aby
stosować je do pozyskiwania tlenu na cele energetyczne. Metoda z zastosowaniem sit molekularnych i
membranowa charakteryzuje się niewielkimi wymiarami aparatury w stosunku do ilości separowanego tlenu
i małym jednostkowym zapotrzebowaniem energetycznym. Najwięksi światowi producenci gazów
technicznych wykorzystują metodą kriogeniczna (destylacja ciekłych gazów).

Metoda z zastosowaniem sit molekularnych.

Cykliczny, zmiennociśnieniowy proces adsorpcyjno - desorpcyjny nazywany jest w skrócie adsorpcją
zmiennociśnieniową (PSA). Składa się z etapów:

•

adsorpcja - łatwiej adsorbowany składnik jest pochłaniany przez adsorbent,

•

desorpcja (regeneracja) - składnik jest usuwany z adsorbentu, tak, aby zregenerowany adsorbent
mógł być ponownie użyty.

Produkt użyteczny może powstawać zarówno w etapie adsorpcji (rafinat wzbogacony w składnik trudniej
adsorbujący się) jak i desorpcji (ekstrakt = strumień wylotowy, wzbogacony w składnik łatwiej adsorbujący
się).

Pełny cykl pracy kolumny separacyjnej składa się z etapów:

Adsorbenty:

•

sprężania,

•

adsorpcji,

•

wydmuchu,

•

płukania.

•

zeolity,

•

węgiel aktywowany,

•

tlenek glinu,

•

żel kwasu krzemowego.

Zalety metody PSA:

•

małe zużycie energii w porównaniu z innymi metodami,

•

krótki czas trwania pojedynczego cyklu (każdy z etapów kilkadziesiąt sekund - kilka minut),

•

otrzymanie produktu o dużej czystości,

•

duża wydajność procesu,

•

długi okres pracy adsorbentu,

•

brak odpadów zagrażających środowisku.

Metoda z zastosowaniem membran.

Membrana jest filtrem, przez który co najmniej jeden ze składników może przechodzić, podczas gdy inne są
w mniejszym lub większym stopniu zatrzymywane. Właściwości procesów membranowych:

•

rozdzielenie przebiega w sposób czysto fizyczny (składniki nie ulegają przemianom termicznym,
chemicznym, biologicznym),

•

istnieje możliwość dostosowania rozdzielania do każdej skali produkcyjnej ze względu na budowę
modułową.

Membrany mające znaczenie w technice, to membrany niesymetryczne, których działanie polega na
mechanizmie rozpuszczalnościowo - dyfuzyjnym. Składają się z:

•

cienkiej warstwy aktywnej, która jest selektywną barierą dla transportu masy,

•

porowatej warstwy nośnej, która służy do zwiększenia wytrzymałości mechanicznej membrany,
niema wpływu na właściwości separacyjne.

Do rozdzielenia gazów stosuje się membrany nieporowate, mikroporowate i porowate. Do rozdzielenia
gazów trwałych, np. O

2

i N

2

, stosuje się membrany pokryte warstwa silikonu z materiału selektywnego.

Stosowane są membrany o płaskim kształcie, z których budowane są moduły typu spiralnego,
poduszkowego, w postaci cienkich włókien do budowy segmentów rurowych.

Metoda kriogeniczna.

Przemysłowe pozyskiwanie tlenu opiera się głównie na destylacji frakcjonowanej cieczy. W metodzie
kriogenicznej powietrze jest sprężane, oczyszczane z dwutlenku węgla, węglowodorów, wody i innych
zanieczyszczeń, a następnie schładzane. Skroplone powietrze poddaje się wrzeniu w temperaturze 77 K
oddestylowując lżejszy azot, lub w temperaturze 91 K oddestylowując tlen (rozdzielanie metodą destylacji
na tlen, azot, argon i gazy szlachetne).