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).