1

Marko Hočevar, Matevž Dular

Osnove inženirstva

Ljubljana, 2016

2

Naslov publikacije:

Avtorja:

Strokovna recenzenta:

Lektoriranje besedila:

Izdelava slik in diagramov:

Prelom in priprava za tisk:

Založba:

Naklada:

Tisk:

Cena:

Izdaja:

Leto izida:

Naslovnica knjige:

Avtorske pravice so pridržane. Gradiva iz publikacije ni dovoljeno kopirati, objavljati ali prevajati v druge jezike brez pisnega dovoljenja založbe.

črtna koda z ISBN

CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana

3

Kazalo

Kazalo ................................................................................................................................. 3

Seznam uporabljenih simbolov ............................................................................. 10

1 Uvod .............................................................................................................................. 11

2. Elektrotehnika in računalništvo ....................................................................... 14

2.1 Lastnosti električnega toka ....................................................................................... 15

2.1.1 Izolatorji, polprevodniki in prevodniki ....................................................... 16

2.1.2 Električni vodniki ................................................................................................. 17

2.1.3 Električna napetost in tok ................................................................................. 19

2.1.4 Enosmerna električna napetost in tok ......................................................... 19

2.1.5 Izmenična napetost in tok ................................................................................. 20

2.1.5.1 Lastnosti izmeničnega toka ...................................................................... 21

2.1.6 Merjenje napetosti, toka in moči v enofaznem sistemu ........................ 24

2.1.7 Trifazni električni tok ......................................................................................... 24

2.1.8 Vezave v trifaznih sistemih ............................................................................... 28

2.1.9 Merjenje napetosti, toka in moči v trifaznem sistemu .......................... 28

2.2. Elektromagnetno polje............................................................................................... 30

2.2.1. Električno polje ..................................................................................................... 31

2.2.1.1 Gaussov zakon .................................................................................................... 32

2.2.1.2 Ozemljeno prevodno telo v električnem polju ...................................... 32

2.2.2 Magnetno polje ...................................................................................................... 34

2.2.2.1. Biot-Savartov zakon ........................................................................................ 37

4

2.2.2.2 Indukcijski zakon .............................................................................................. 37

2.2.3 Maxwellove enačbe .............................................................................................. 38

2.3 Elektromotorji ................................................................................................................ 39

2.3.1 Komutator ................................................................................................................ 40

2.3.2 Delitev elektromotorjev ..................................................................................... 41

2.3.3 Mehansko komutirani elektromotorji .......................................................... 42

2.3.3.1 Mehansko komutirani elektromotorji na izmenični tok .............. 43

2.3.3.2 Mehansko komutirani elektromotorji na enosmerni tok ............ 44

2.3.4. Elektronsko komutirani elektromotorji ..................................................... 45

2.3.5. Asinhroni elektromotorji .................................................................................. 46

2.3.5.1 Karakteristika in klasična priključitev asinhronih elektromotorjev ........................................................................................................... 48

2.3.5.2 Pogon asinhronih elektromotorjev s frekvenčnim pretvornikom ............................................................................................................................................ 49

2.3.6. Sinhroni elektromotorji .................................................................................... 51

2.4 Transformatorji ............................................................................................................. 51

2.5 Krmiljenje in regulacija ............................................................................................... 53

2.6 Vodenje energetskih sistemov ................................................................................. 55

2.7.1 Sistemsko krmiljenje ........................................................................................... 58

2.7.2 Primarno krmiljenje frekvence ....................................................................... 58

2.7.3 Sekundarno krmiljenje frekvence .................................................................. 59

2.7.4 Terciarno krmiljenje frekvence ...................................................................... 60

2.7.5 Razbremenjevanje ................................................................................................ 60

2.7.6 Krmiljenje napetosti ............................................................................................ 60

2.7.7 Zagon agregatov brez zunanjega napajanja ............................................... 61

3. Strojništvo ................................................................................................................. 62

3.1 Materiali ............................................................................................................................ 62

3.1.1 Preizkušanje materialov .................................................................................... 66

3.1.1.1 Mehanski preizkusi ..................................................................................... 66

3.1.1.2 Merjenje trdote ............................................................................................. 70

3.1.2 Jekla in litine ........................................................................................................... 72

3.1.2.1 Zlitine železa in ogljika ................................................................................... 73

5

3.1.3 Aluminij in aluminijeve zlitine ........................................................................ 74

3.1.4 Baker in bakrove zlitine ..................................................................................... 76

3.1.5 Magnezij in magnezijeve zlitine ...................................................................... 77

3.1.6 Svinec ......................................................................................................................... 77

3.1.7 Cink ............................................................................................................................. 78

3.1.8 Keramika .................................................................................................................. 78

3.1.8.1 Steklo ................................................................................................................. 79

3.1.9 Kompozitni materiali .......................................................................................... 79

3.1.9.1 Matrica in ojačitev ........................................................................................ 79

3.1.9.2 Kompoziti, ojačeni z vlakni....................................................................... 80

3.1.10 Polimeri – umetne mase .................................................................................. 80

3.1.11 Korozija .................................................................................................................. 84

3.1.11.1 Površinska korozija .................................................................................. 85

3.1.11.2 Medkristalna korozija .............................................................................. 85

3.1.11.3 Kavitacija ....................................................................................................... 85

3.1.11.4 Protikorozijska zaščita ............................................................................ 86

3.2 Hrup .................................................................................................................................... 86

3.2.1 Zvok ............................................................................................................................ 86

3.2.1.1 Značilne ravni zvoka ................................................................................... 87

3.2.1.2 Zaznavanje zvoka ......................................................................................... 88

3.2.1.3 Utežna frekvenčna krivulja ali krivulja frekvenčnega vrednotenja ................................................................................................................... 89

3.2.1.4 Seštevanje in odštevanje ravni zvoka .................................................. 90

3.2.2 Hrup ........................................................................................................................... 92

3.2.2.1 Stalen ali neprekinjen hrup ...................................................................... 93

3.2.2.2 Občasni hrup .................................................................................................. 93

3.2.2.3 Impulzni hrup ................................................................................................ 94

3.2.2.4 Poudarjeni toni .............................................................................................. 94

3.2.2.5 Nizko frekvenčni hrup ................................................................................ 95

3.2.2.6 Širjenje hrupa v okolju ............................................................................... 95

3.2.2.7 Vrste virov zvoka .......................................................................................... 96

3.2.2.8 Pregrade ........................................................................................................... 98

6

3.2.2.9 Dušenje hrupa v zraku ............................................................................... 99

3.2.2.10 Veter in temperatura.............................................................................. 100

3.2.2.11 Temperatura .............................................................................................. 101

3.2.2.12 Vpliv tal ........................................................................................................ 101

3.2.2.13 Hrup pri sprejemniku ali emisijski hrup ........................................ 102

3.2.2.14 Razlikovanje virov hrupa ..................................................................... 103

3.2.2.15 Merjenje hrupa ......................................................................................... 104

3.3. Prenos toplote ............................................................................................................. 107

3.3.1. Uvod ........................................................................................................................ 107

3.3.2 Prevod toplote ...................................................................................................... 108

3.3.2.1 Ravna plošča z = konst .......................................................................... 110

3.3.3 Prestop toplote .................................................................................................... 113

3.3.4 Sevanje toplote .................................................................................................... 115

3.3.5 Prehod toplote ..................................................................................................... 116

3.3.5.1 Prehod toplote skozi ravno ploščo ...................................................... 116

3.3.6 Prenosniki toplote .............................................................................................. 117

3.3.6.1 Dvojno-cevni prenosnik toplote ........................................................... 119

3.4 Energetski stroji........................................................................................................... 120

3.4.1. Uvod ........................................................................................................................ 121

3.4.2 Mehanika tekočin ................................................................................................ 124

3.4.2.1 Gostota ............................................................................................................ 124

3.4.2.2 Hidrostatični tlak ........................................................................................ 125

3.4.2.3 Kontinuitetna enačba ............................................................................... 125

3.4.2.4 Energijski izrek ........................................................................................... 125

3.4.3 Volumenski ali izrivni stroji ........................................................................... 126

3.4.3.1 Značilnosti ..................................................................................................... 126

3.4.3.1.1 Razdelitev .................................................................................................. 126

3.4.3.2 Črpalke ............................................................................................................ 128

3.4.3.2.1 Razdelitev in uporaba ........................................................................... 128

3.4.3.2.2 Rotacijske črpalke .................................................................................. 128

3.4.3.2.3 Posebne črpalke ...................................................................................... 130

7

3.4.3.3 Kompresorji .................................................................................................. 131

3.4.3.3.1 Razdelitev in uporaba ........................................................................... 131

3.4.4 Turbinski ali pretočni stroji .......................................................................... 132

3.4.4.1 Značilnosti .................................................................................................... 132

3.4.4.1.1 Razdelitev ................................................................................................. 132

3.4.4.1.1 Primerjava med volumenskimi batnimi in turbinskimi stroji .......................................................................................................................................... 134

3.4.4.2 Črpalke ........................................................................................................... 135

3.4.4.2.1 Razdelitev in uporaba ........................................................................... 135

3.4.4.2.2 Delo, moč in izkoristek ......................................................................... 136

3.4.4.3 Kompresorji ................................................................................................. 137

4. Gradbeništvo .......................................................................................................... 140

4.1 Hidravlične meritve ................................................................................................... 140

4.1.1 Merjenje prostorninskega toka vodotokov brez merskih objektov ............................................................................................................................................... 140

3.1.2 Merjenje prostorninskega toka vode z merskimi objekti .................. 143

4.1.2.1 Široki prag ..................................................................................................... 144

4.1.2.2 Ostrorobi preliv........................................................................................... 144

4.1.2.3 Zožitev............................................................................................................. 145

Seminar 1. Proizvodnja steklene in kamene volne ter naprave in postopki za čiščenje odpadnih plinov................................................................ 147

S1.1 Opis procesa proizvodnje steklene volne ....................................................... 147

S1.1.1 Steklarska kadna peč ...................................................................................... 148

S1.1.2 Centrifuga in usedalna komora .................................................................. 149

S1.1.3 Trdilna komora ................................................................................................. 150

S1.1.4 Postopek delovanja elektrostatičnih filtrov .......................................... 151

1.1.5 Čistilna naprava - mokri pralnik delcev in plinov z elektrostatičnim filtrom pri izdelavi steklene volne .......................................................................... 153

S1.2 Opis procesa proizvodnje kamene volne ........................................................ 158

S1.2.1 Kupolna peč ........................................................................................................ 159

S1.2.2 Centrifuga in usedalna komora .................................................................. 161

S1.2.3 Trdilna komora ................................................................................................. 162

8

S1.2.3 Cikloni ................................................................................................................... 163

S1.2.4. Filtrne vreče....................................................................................................... 168

S1.2.4 Čistilna naprava za čiščenje dimnih plinov iz kupolne peči ........... 170

S1.2.6 Čistilna naprava za čiščenje dimnih plinov iz trdilne komore ....... 171

S1.2.7 Čistilna naprava za čiščenje zraka iz usedalne komore .................... 171

Seminar 2. Komunalne čistilne naprave ........................................................... 172

S2.1 Opis procesa čiščenja komunalne odpadne vode ........................................ 172

S2.1.1 Mehanska stopnja ............................................................................................ 173

S2.1.2 Stara biološka stopnja .................................................................................... 175

S2.1.3 Sekvenčni biološki reaktor ........................................................................... 178

S2.1.3.1 Pot presežnega blata v sekvenčnih bazenih ................................. 181

S2.2. Meritve na čistilni napravi ................................................................................... 181

S2.3 Aeracija ......................................................................................................................... 183

S2.3.1 Topnost kisika ................................................................................................... 183

S2.3.2 Naprave za vnos kisika ................................................................................... 184

S2.3.3. Fizikalne zakonitosti snovnega prenosa v sistemu plin/tekočina v čistilni napravi ................................................................................................................ 185

S2.3.4 Intenzivnost in učinkovitost vnosa kisika v tekočino ....................... 187

S2.3.5 Koalescenca mehurčkov ................................................................................ 188

S2.3.6 Kompresorji za stisnjen zrak in sistem za vpihovanje v bazene biološke stopnje na CČN Domžale Kamnik.......................................................... 189

S2.4 Anaerobna biološka stopnja ................................................................................. 192

Seminar 3 Delovanje gospodinjskega sušilnega stroja ............................... 195

S3.1 Odzračevalni sušilni stroj ................................................................................. 196

S3.2 Kondenzacijski sušilni stroj brez toplotne črpalke ................................ 196

S3.3 Kondenzacijski sušilni stroj s toplotno črpalko....................................... 199

Seminar 4 Merjenje sestave plinov in delcev v izpušnih plinih vozil z motorji z notranjim zgorevanjem ....................................................................... 203

S4.1 Avtomobilski katalizatorji ..................................................................................... 213

S4.2 Adsorber dušikovih oksidov ................................................................................ 215

S4.3 Selektivna katalitična redukcija SCR................................................................. 216

S4.4 Filtri delcev dizelskih motorjev (DPF) ............................................................. 217

9

Seminar 5 Sistemi za posnemanje podatkov ................................................... 220

S5.1 Fizikalni pojav ............................................................................................................ 221

S5.2 Zaznavala ...................................................................................................................... 222

S5.2.1 Priključitev zaznaval na sistem za pretvorbo signalov ..................... 222

S5.2.2 Tokovni izhod iz zaznavala .......................................................................... 222

S5.2.3 Napetostni izhod iz zaznavala ..................................................................... 223

S5.2.4 Digitalni izhodi za prenos podatkov iz zaznaval ................................. 223

S5.3. Sistem za pretvorbo signalov .............................................................................. 224

S5.3.1 Ojačevanje ........................................................................................................... 224

S5.3.2 Izolacija ................................................................................................................. 224

5.3.3 Filtriranje ............................................................................................................... 226

5.3.4 Vzbujanje ................................................................................................................ 226

S5.3.5 Linearizacija ....................................................................................................... 227

S5.4 Analogno digitalni (AD) pretvorniki ................................................................. 227

S5.4.1 Analogni vhodi/izhodi, digitalni vhodi/izhodi..................................... 228

S5.4.2 Frekvenca vzorčenja ....................................................................................... 229

S5.4.4 Način vzorčenja ................................................................................................. 229

S5.4.5 Ločljivost analognih vhodov ........................................................................ 230

S5.4.6 Vhodno območje ali obseg ............................................................................ 230

S5.4.7 Merilna negotovost .......................................................................................... 231

S5.4.8 Timerji (časovniki) .......................................................................................... 231

S5.4.9 Proženje ................................................................................................................ 231

S5.5 Programska oprema ................................................................................................ 232

10

Seznam uporabljenih simbolov

simbol pomen enota indeksi pomen okrajšave pomen

11

1 Uvod

Inženirstvo je uporaba znanstvenih, ekonomskih, socialnih in praktičnih znanj z namenom načrtovanja, gradnje in vzdrževanja zgradb, strojev, naprav, sistemov, materialov in procesov. Disciplina inženirstva je zelo široka in zajema vrsto bolj specializiranih področjih inženirstva, vsako z bolj specifičnim poudarkom na posamezna tehnološka področja vrste uporabe. Oseba, ki se ukvarja z inženirstvom, se imenuje inženir. Uspešno inženirsko delo izboljšuje kakovost življenja v okviru tehničnih, ekonomskih, poslovnih, družbenih in etičnih omejitev. Izboljšana tehnologija je rezultat inženirskega dela. Nemška akademija znanosti in tehniških ved (Aatech) podaja naslednjo definicijo: "Inženirstvo ustvarja kognitivne predpogoje za inovacije na področju tehnologije in uporabo tehničnega znanja in postavi temelje za razmislek o njihovih posledicah. Pri tem je tehnologija opredeljena kot umetna, namenska z materialnimi in nematerialnimi elementi, predmeti in procesi". Štiri klasične discipline inženirstva so gradbeništvo, kemija, strojništvo in elektrotehnika. Še vedno v teh štirih disciplinah v Evropi diplomira in magistrira največje število diplomantov in magistrantov. Strojni inženir se ukvarja z različnimi stroji, proizvodnimi procesi, energetskimi rešitvami itd. Ti vključujejo turbine, bencinske in dizelske motorje, črpalke, dvigala, tekoče trakove, obdelovalne stroje, metodami proizvodnje, vozili itd. Ukvarja se tudi z načrtovanjem in razvojem strojev, kot tudi njihovo proizvodnjo.

12

Slika 1: Proizvodna tehnologija, izdelava osebnih vozil (levo) in tramvaj v mestu Guangzhou, Kitajska, ki omogoča shranjevanje električne energije v kondenzatorjih na vsaki posamezni postaji (desno) [www.wikipedia.org]

Elektrotehnika je tehniška veda, ki se ukvarja z raziskavami, razvojem, proizvodnjo in inženiringom naprav s področja električne energije. To vključuje področja električnih pretvornikov (slika spodaj), električnih strojev in naprav, električnih vezij za merilno, kontrolno, komunikacijsko in računalniško tehnično opremo.

Slika 2: Elektronsko vezje (levo) in frekvenčni pretvornik (desno) [www.wikipedia.org]

Gradbeništvo se ukvarja z različnimi gradbenimi strukturami. Ti vključujejo zgradbe, mostovi, ceste, tunele, pristanišča ali kanale. Gradbeni inženir načrtuje te strukture (oblikovanje, izračun), sodeluje pa tudi pri izvajanju in organizaciji gradbenih del. Na sliki spodaj je gradbena jama HE Brežice. S kemijo se v tem štidijskem gradivu ne bomo ukvarjali. V učbeniku bomo pregledali področje tehnike in skušali vzpodbuditi tehnično razmišljanje in

13

zavest v bralcu. Ker je obseg premajhen, da bi ustrezno pregledali vse tri navedene tehniške vede, se bomo osredotočili na za vsakdanje delo inženirjev pomembne teme. Zato bomo zavestno izpustili klasično podajanje vsebine s področja strojništva, elektrotehnike ali gradbeništva.

Slika 3: Gradbena jama HE Brežice.

V drugem delu učbenika bomo v obliki seminarjev pregledali nekatera tehniška interdisciplinarna področja.

14

2. Elektrotehnika in računalništvo

Elektrotehnika je področje tehnike, ki obravnava pojave povezane z električnim nabojem in pretakanjem električnega naboja. Najbolj znani pojavi, povezani s tem, so:

- električna sila, - magnetna sila, - segrevanje vodnika in - fiziološki učinki.

Področja, na katera se deli elektrotehnika, so (vir: wikipedia): - avtomatika - elektronika - mehatronika - močnostna elektrotehnika oziroma energetika in - telekomunikacije.

Zgoraj navedena področja so medsebojno odvisna. Računalništvo je samostojna veda, ki se je že pred mnogo leti odcepila od elektrotehnike in matematike. V nadaljevanju se bomo ukvarjali z elektroniko (predvsem posnemanje podatkov) in močnostno elektrotehniko (pogon elektromotorjev, elektromotorji, generatorji, transformatorji). S telekomunikacijskimi napravami, kot so npr. telefoni, televizija, radio, antene, itd., se ne bomo ukvarjali. Nekatera izmed zgoraj naštetih področij so interdisciplinarna. Mehatroniko npr. srečamo tudi na fakultetah za strojništvo in računalništvo, energetiko srečamo na fakultetah za gradbeništvo in strojništvo itd. S teorijo električnega toka in magnetizma se ukvarjajo na fakultetah za fiziko. Električna energija je ekološko prijazna, sam prenos električne energije je hiter in poceni. Manj ekološko prijazno je pridobivanje električne energije, če le to poteka v jedrskih in termoelektrarnah. Moderne termoelektrarne, kot je npr. Termoelektrarna Šoštanj, obratujejo z naprednimi sistemi za čiščenje dimnih plinov, zato je onesnaženje okolja z dimnimi plini minimalno. Nekatera odkritja na področju elektrotehnike v preteklosti so korenito spremenila svet. Taka je npr. izdelava prvega električnega DC generatorja (Ernst Werner von Siemens, leta 1866), izdelava prve žarnico z žarilno nitko iz ogljika (Thomas Alva Edison, leta 1879) ali odkritje vrtljivega magnetnega polja, trifaznega izmeničnega električnega toka in napetosti, trifaznega generatorja in elektromotorja, ki so v rabi še danes (Nikola Tesla).

15

Pomembnejša kasnejša odkritja na področju elektrotehnike so izum tranzistorja (1947) itd. Zadnjih deset let označuje intenziven napredek v razvoju vgradnih sistemov (angl. embedded systems) za krmiljenje in spremljanje tehnoloških procesov v napravah in proizvodnih procesih. Trenuten in prihodnji razvoj elektronike in računalništva je v smeri združevanja, miniaturizacije, povezovanja, prenosa informacij itd. V Sloveniji je prva žarnica zagorela na enosmerni tok štiri leta po Edisonovem odkritju leta 1883 v Mariboru. Leta 1897 je pričela obratovati prva elektrarna na reki Ljubljanici ob gradu Fužine, ki je z električno energijo napajala papirnico Vevče. Leta 1914 je bila zagnana prva javna elektrarna HE Završnica z javnim energetskim omrežjem. Leta 1918 prva predana v uporabo velika elektrarna HE Fala, ki je bila namenjena mestoma Maribor in Gradec in za kemično industrijo v Rušah. V nadaljevanju učbenika bomo obravnavali izbrana poglavja iz elektrotehnike, ki zajemajo osnovna znanja, potrebna za delo v industriji. Zaradi omejenega prostora ne bomo sistematično obravnavali celotnega predmetnega področja. Za podrobnejšo razlago naj bralec uporabi učbenika Elektrotehnika [Jenko, 2014] za študente strojništva ali Osnove elektrotehnike [Kokalj in Vrščaj, 2011] za študente mehatronike. Oba učbenika sta pisana kot pregled področja elektrotehnike.

2.1 Lastnosti električnega toka

V tem pod poglavju bomo navedli osnovne lastnosti električne napetosti, toka in moči. Kasneje bomo zapisali tudi fizikalne enačbe zanje. Električni tok (oznaka I) v fiziki in elektrotehniki imenujemo usmerjeno gibanje nosilcev električnega naboja, ki nastane zaradi napetosti. Gibanje poteka lahko po praznem prostoru, večinoma pa po kovini ali drugem električnem vodniku. Električni tok je določen kot količina naboja, ki v izbranem časovnem intervalu preteče skozi presek vodnika. Merilnik za merjenje električnega toka se imenuje ampermeter. Osnovna enota za električni tok je 1 A (amper). Ampermeter moramo v električni krog vezati zaporedno, da skozenj steče ves merjeni tok. Električni tok v vodniku povzroči električna napetost (angl.: voltage). Električna napetost (oznaka U) je fizikalna in elektrotehniška spremenljivka, določena kot razlika električnega potenciala. Električna napetost nam pove, koliko dela je potrebno opraviti za premik naboja po izbrani poti v električnem polju. V konzervativnih sistemih je opravljeno delo neodvisno od poti. Zato je električna napetost kar razlika električnih potencialov. Električna napetost je potencialna razlika med dvema točkama. Če želimo povezati tok in napetost, uporabimo dobro znani Ohmov zakon

𝑈 = 𝑅 ∙ 𝐼 (1)

16

pri čemer je v gornji enačbi R upornost. Enota za upornost je Ohm. V skladu z Ohmovim zakonom je tok skozi upornik sorazmeren z napetostjo na njegovih priključnih sponkah. Napetost merimo z merilnikom napetosti, ki se imenuje voltmeter. Voltmeter meri napetost na porabniku ali generatorju, zato ga moramo v električni krog vključiti vedno vzporedno s porabnikom oziroma generatorjem. Mednarodni sistem enot predpisuje za električno napetost izpeljano enoto 1 V (volt). Električna moč je produkt napetosti in toka. Pri tem lahko potegnemo analogijo npr. z močjo vodne elektrarne, ki je produkt tlaka in pretoka skozi turbine. Pri enosmernem električnem toku se moč izračuna kot zmnožek napetosti U in toka I

𝑃 = 𝑈 ∙ 𝐼 (2)

Pri izmeničnem električnem toku je treba upoštevati, da napetost in tok nista v fazi (razloži) in da se časovno spreminjata. Za trenutno moč, tok in napetost lahko zapišemo naslednjo zvezo

𝑃(𝑡) = 𝑈(𝑡) ∙ 𝐼(𝑡) (3)

Če trenutne moči 𝑃(𝑡) v izbranem intervalu RMS povprečimo, dobimo povprečno vrednost moči za izbrani interval. Na ta način delujejo analizatorji električne moči, ki v izbranem časovnem intervalu izračunajo povprečno moč. Včasih je mogoče oceniti moč iz efektivne napetosti Ueff in efektivnega toka Ieff. Moč se zato izračuna kot zmnožek efektivne napetosti Ueff, efektivnega toka Ieff in kosinusa kota faznega zamika φ med tokom in napetostjo

𝑃 = 𝑈𝑒𝑓𝑓 ∙ 𝐼𝑒𝑓𝑓 ∙ cos𝜑 . (4)

Električno moč se meri z wattmetrom. Analizatorji električne moči ali električnega toka tudi omogočajo merjenje moči.

2.1.1 Izolatorji, polprevodniki in prevodniki

Materiali so prevodniki, polprevodniki in izolatorji. Delitev uvedemo na podlagi dejstva, da so v nekaterih snoveh elektroni, ki prenašajo električni naboj, gibljivi (prevodniki), v drugih pa so negibljivi (izolatorji). Električni prevodnik je snov (ang.: conductor), ki dobro prevaja električni tok. Za izdelavo električnih vodnikov se najbolj pogosto uporablja kovinske električne prevodnike baker, aluminij in zlato. Dober prevodnik je tudi tekoče živo srebro. Večinoma se za izdelavo prevodnikov uporablja baker, saj ustreza po vseh kriterijih kot so prevodnost, trdnost in cena. V kovinah je veliko elektronov prostih (elektroni so skupni mreži in niso pritrjeni na posamezne atome ali vezi med njimi) in zato so kovine dobri električni in toplotni

17

prevodniki. Prevodnik je sicer električno nevtralen, saj za vsakim prostim elektronom ostane v materialu luknja. S fizikalnim razumevanjem prevodnosti kovin se ukvarja veda fizika trdne snovi. V prevodniku se inducira električna napetost, če se nahaja v spreminjajočem magnetnem polju oziroma če ga zadene elektromagnetno valovanje. Polprevodnik (ang.: semiconductor) je monokristalna snov, ki ima brez dovedene energije lastnosti električnega izolatorja, pri dovolj veliki dovedeni energiji pa ima lastnosti slabega električnega prevodnika. Od tod tudi njegovo ime. Električni izolatorji (ang.: insulator) je snov, ki nima prostih elektronov (elektroni so vezani na jedra posameznih atomov ali pa so del vezi med elektroni) in zato ne prevaja električnega toka. Pomemben podatek za izolator je prebojna trdnost. Pove nam pri kateri električni napetosti bo prišlo do ionizacije snovi oziroma električnega preboja. Znan je primer električnega preboja v zraku - električna strela, električni oblok ali iskrenje. Takrat se zrak spremeni iz izolatorja v prevodnik.

2.1.2 Električni vodniki

Električni vodniki so prevodniki, večinoma sta to kovini baker in aluminij, za posamezne aplikacije pa tudi zlato ali srebro kot npr. pozlačeni ali posrebreni kontakti merilne opreme. Večinoma je posamezen vodnik spleten iz množice manjših vodnikov, na ta način vodnik pridobi na mehanskih in elektromagnetnih lastnostih. Električni tok teče po električnih vodnikih oziroma kablih. Električni kabel je enožilen ali večžilen. Če je vodnik enožilen, se imenuje tudi žica. Električne vodnike delimo na različne načine glede na uporabo, uporabljajo se za najrazličnejše aplikacije (npr. za razsvetljavo, kot podvodni telekomunikacijski ali močnostni vodniki, ploščati kabli v računalnikih, telefonski kabel ali ethernet prepleteni kabli, visokofrekvenčni kabli, itd.), zato so zelo različnih izvedb. Izolacija kabla naj bi omogočala kolikor je mogoče visoko izolacijo napetosti vodnika. V preteklosti so se uporabljali kabli z izolacijo iz papirja ali naoljenega/povoskanega papirja. To se še danes uporablja za določene primere uporabe za visoke napetosti, vendar so stroški izjemno veliki. Za kable, ki prenašajo večje napetosti, uporabimo izolacijo z večjo specifično upornostjo. Po tipu izolacije delimo kable glede na termične in mehanske obremenitve na:

- kable za nizke temperature do 90 °C s plastično izolacijo (kot material za izolacijo se uporabljajo polietilen PE, poliuretan PUR in polivinilklorid PVC), - kable za povišane temperature s silikonsko izolacijo, odporni na temperature do približno 180 °C,

18

- kable za povišane temperature do približno 270 °C in visoko mehansko obremenitvijo s teflonsko izolacijo (npr. za uporabo v pogonih in letalih), - kable za visoke temperature z izolacijo iz steklenih vlaken, odporni na temperature do več kot 400 °C, - kable za povišane obremenitve z izolacijo iz gume, ki so odporni tudi na delno povišane temperature do 105 °C, - kable za visoke mehanske obremenitve s plastično ali kovinsko zaščitno srajčko.

Pomemben vidik izbire tipa izolacije glede na termično obremenitev je tudi, kakšen največji tok bo tekel po kablu in koliko žil ima kabel. S povečevanjem toka in s povečevanjem števila vodnikov v kablu se povečuje tudi njegova toplotna obremenitev. Z opletom ali oklopom okrog posameznega ali skupka vodnikov preprečimo vpliv elektromagnetnega sevanja na vodnik v kablu. Oplet je ovoj okrog vodnikov, običajno izveden kot pletenica ali aluminijasta folija, ki jo za odvajanje induciranega elektromagnetnega naboja v električni omarici priključimo na ozemljitev. Po tipu opleta delimo kable na:

- neopletene za običajno uporabo za uporovna bremena in induktivna bremena, kadar niso napajana npr. s frekvenčnimi pretvorniki, - opletene kable liycy (več vodnikov v plašču) za uporabo npr. za pogon elektromotorjev s frekvenčnim pretvornikom, - koaksialne opletene kable (en vodnik v opletu), namenjeni so za visokofrekvenčne signale, telekomunikacije, meritve itd.

Za večje tokove se uporabljajo debelejši vodniki, za manjše tokove pa tanjši vodniki.

19

Slika 4: Vodniki in uporaba. Levo: vodnik tipa liycy; 1: bakreni vodniki, 2: izolacija, 3: trak, 4: oplet, 5: plašč - izolacija, desno: elektromotor, priključen z liycy opletenim kablom, kot pogon služi frekvenčni pretvornik.

2.1.3 Električna napetost in tok

Električni tok je lahko izmenični ali enosmerni, kar bo predstavljeno v nadaljevanju. Različni tokovi so predstavljeni na sliki spodaj.

Slika 5: Enosmerni, izmenični, pulzirajoč in spremenljiv električni tok. Levo: enosmerni in izmenični tok v vodniku; desno: Enosmerni, izmenični, pulzirajoč in spremenljiv električni tok v odvisnosti od časa.

2.1.4 Enosmerna električna napetost in tok

Enosmerni tok (ang.: direct current, DC) je tok električnega naboja v eni smeri. Za enosmerni tok se uporablja tudi ime "galvanski tok". Enosmerni tok proizvajajo baterije, enosmerni napajalniki in mostični usmerniki, termočleni, sončne celice ali dinami. Enosmerni tok vedno teče v isto smer, lahko pa se v daljših časovnih intervalih povečuje ali zmanjšuje. Ker je električni tok posledica napetosti, je tudi enosmerna napetost je vedno pozitivna ali vedno negativna, lahko pa se v daljših časovnih intervalih povečuje ali zmanjšuje.

20

Slika 6: Lastnosti enosmerne napetosti in toka (zamenjaj a z v, vršna vrednost)

Danes se enosmerni tok uporablja v elektronskih vezjih, v avtomobilih in tovornjakih, žarnicah na žarilno nitko, grelnikih, led sijalkah, itd. Velike jakosti enosmernega električnega toka se uporabljajo npr. pri proizvodnji aluminija in drugih elektrokemičnih procesih, uporabljajo ga tudi nekatere železnice (v Sloveniji so tri vrste elektrificiranih prog, največji del je elektrificiran z enosmerno napetostjo 3 kV, med Dobovo in državno mejo s Hrvaško ter med Hodošem in državno mejo z Madžarsko je izmenična napetost 25 kV 50 Hz, med Jesenicami in državno mejo z Avstrijo pa 15 kV 16,7 Hz, vir: www.wikipedia.org). Klasične žarnice, grelci in univerzalni elektromotorji bodo delovali z enosmernim ali izmeničnim napajanjem. Prvi komercialni prenos električne energije je razvil Thomas Edison v poznem devetnajstem stoletju s pomočjo enosmernega toka. Danes skoraj vsi sistemi za distribucijo električne energije uporabljajo izmenični tok zaradi prednosti, ki jih nudijo transformatorji. Pri enosmernem toku za razliko od izmeničnega o periodi T napetosti in toka ne moremo govoriti, ker je enosmerni tok časovno nespremenljiv.

2.1.5 Izmenična napetost in tok

Izmenični tok (ang.: alternating current, AC) teče nekaj časa v eno smer nato v nasprotno smer, kar se nenehno ponavlja. Ker je tok posledica napetosti, izmenična AC napetost neprestano spreminja polariteto med pozitivno ter negativno. Hitrost spreminjanja smeri imenujemo frekvenca f (frekvenca predstavlja število nihajev v sekundi), enota za merjenje frekvence se imenuje Hertz (Hz). Evropsko električno omrežje deluje s frekvenco 50 Hz, v Ameriki pa je frekvenca omrežja 60 Hz. Izmenični napajalniki so primerni za napajanje žarnic, grelcev in elektromotorjev, medtem ko večina elektronskih vezij za

21

delovanje potrebuje DC napajanje. Izmenična napetost 50 Hz ali 60 Hz nastane v električnih generatorjih, ki jih poganjajo turbine v elektrarnah. Turbine v elektrarnah poganja mehanska energija vode (vodne elektrarne), vodne pare (jedrske in premogove elektrarne) ali pa zgoreli plini (plinske elektrarne). Mikrovalovne pečice, telefoni in radijski aparati generirajo ali porabljajo električno energijo pri mnogo višji frekvenci v MHz ali GHz področju. Izmenična napetost omogoča transformiranje na nižje ali na višje napetosti, pri tem se ohranja energija, zmanjša ali poveča pa se tok. Za prenos energije na velike razdalje je ustreznejše, da je tok majhen in napetost velika (majhne Joulove izgube v prenosnem omrežju), zaradi varnosti in drugih tehnoloških omejitev pa je potrebno pred porabnikom napetost znižati (pri tem se poveča tok). Izmenični tok povzroči izmenična napetost, ki ju lahko zapišemo na naslednji način za napetost kot funkcijo časa (slika spodaj)

𝑈(𝑡) = 𝑈v ∙ sin(𝜔𝑡 + ) , (5)

kjer je U trenutna časovno spremenljiva vrednost napetosti, Uv vršna vrednost napetosti, t čas, krožna frekvenca in faza. Krožna frekvenca je povezana s frekvenco z enačbo = 2𝜋𝑓. Za električni tok lahko zapišemo podobno enačbo

𝐼(𝑡) = 𝐼v ∙ sin(𝜔𝑡 + ) . (6)

Na tem mestu moramo opozoriti, da je v električnem omrežju zamik med tokom in napetostjo, tu pa smo zaradi razumljivosti to izpustili. Zamik se kaže v različni fazi signala. Faza označuje premik enega npr. sinusnega signala glede na drugega po času. Na diagramu se to kaže kot premik začetka signala v y smeri.

2.1.5.1 Lastnosti izmeničnega toka Na sliki spodaj so predstavljene lastnosti izmeničnega toka, to so vršna vrednost, efektivna vrednost RMS, vrednost peak to peak P-P in perioda T.

22

Slika 7: Lastnosti sinusne izmenične napetosti, slika prikazuje dve napetosti ali toka, zamaknjena za fazni zamik 90 °. (zamenjaj a z V, vršna)

Amplituda UV označuje največjo oziroma vršno vrednost napetosti in toka, ki ju signal doseže. Imenujemo ju tudi temenska napetost ali tok (angl.: peak voltage in peak current). Povprečna vrednost napetosti Upovp je podana s spodnjo enačbo

𝑈𝑝𝑜𝑣𝑝 =1

𝑛(𝑈1 + 𝑈2 + 𝑈3 + … + 𝑈𝑛 ) (7)

in za tok Ipovp

𝐼𝑝𝑜𝑣𝑝 =1

𝑛(𝐼1 + 𝐼2 + 𝐼3 + … + 𝐼𝑛 ) (8)

Za sinusno obliko toka ali napetosti je povprečna vrednost 0, saj je povprečna vrednost sinusnih ali kozinusnih funkcij, povprečena po enem intervalu, enaka 0. RMS vrednost toka ali napetosti (angl.: root min square) sta kvadratni koren povprečnega kvadrata posameznih časovno spreminjajočih se zaporednih vrednosti. Za izmenični tok je vrednost RMS izmeničnega toka enaka vrednosti enosmernega toka, ki bi proizvedla enako moč v uporovnem bremenu. Enačba za RMS vrednost napetosti URMS je, če ga ocenimo npr. iz n zaporednih časovnih izmerkov napetosti od U1 do Un,

𝑈𝑅𝑀𝑆 = √1

𝑛(𝑈1

2 + 𝑈22 + 𝑈3

2 + … + 𝑈𝑛2) (9)

podobno pa velja tudi za tok

23

𝐼𝑅𝑀𝑆 = √1

𝑛(𝐼1

2 + 𝐼22 + 𝐼3

2 + … + 𝐼𝑛2) (10)

Če je valovna oblika (angl.: waveform) značilna, je mogoče določiti RMS vrednost toka iz valovne oblike signala. Značilna vrednost efektivne RMS vrednosti signala za sinusno valovno obliko

je za faktor √2 = 1/0,707 manjša od vršne vrednosti signala. Ta faktor se imenuje crest factor in je značilen za posamezne valovne oblike. Na ta način deluje tudi večina cenejših merilnikov napetosti ali toka, če jih uporabljamo za merjenje. Taki merilniki izmerijo vršno vrednost signala, potem pa jo pomnožijo s faktorjem 0,707 in prikažejo rezultat kot efektivno RMS vrednost. Ta postopek dobro deluje v primeru, če merimo izmenični električni tok iz omrežja (ker je sinusne oblike), ne deluje pa dobro, če merimo tok na izhodu iz npr. frekvenčnega pretvornika. Slika toka in napetosti na izhodu iz frekvenčnega pretvornika je prikazana na sliki spodaj. Delovanje frekvenčnih pretvornikov je podano v podpoglavju spodaj.

Slika 8: Merjenje toka z cenejšim povprečevalnim in true RMS kleščnim merilnikom toka

V inženirski praksi se srečujemo s sinusnimi, kvadratičnimi in kvazi-sinusnimi signali. Meritve poljubnih električnih spremenljivk je potrebno izvesti s t.i. true RMS merilniki. Za razliko od cenejših merilnikov true RMS merilniki merijo RMS vrednost napetosti ali toka do frekvence, katero omogoča hitrost analogno digitalnega pretvornika, ki je vanje vgrajen. Peak to peak napetost P-P je v danem primeru na sliki zgoraj kar dvokratnik vršne vrednosti, saj imata tok in napetost obliko sinusne krivulje. Pri nesimetričnem toku ali napetosti je lahko tudi drugače. Ker je največja vrednost funkcije 𝑦 = sin(𝑥) enaka 1 in najmanjša -1, izmenična napetost niha med + UV in - UV, je 𝑈P−P = 2𝑈V.

24

Perioda T je čas, potreben da signal zaključi en nihaj. Merimo jo v sekundah, pogosto pa je v območju ms ali µs, v električnem omrežju v Evropi je 𝑇 = 20 ms, saj je frekvenca omrežja 50 Hz. V Ameriki je frekvenca omrežja 60 Hz in napetost 120 V.

2.1.6 Merjenje napetosti, toka in moči v enofaznem sistemu

Merjenje napetosti, toka in moči v enofaznem sistemu lahko izvedemo z analizatorjem moči. Priključitev analizatorja moči izvedemo, kakor je predstavljeno na sliki spodaj.

Slika 9: Merjenje električne moči z analizatorjem moči Norma 4000 za eno fazo. Levo je prikazana direktna priključitev, desno pa priključitev preko pretvornika napetosti in toka za velike napetosti in tokove. Desni način uporabljamo za velike napetosti in tokove [Norma 4000 manual].

2.1.7 Trifazni električni tok

Trifazni električni tok je uveljavljena metoda proizvodnje, prenosa (slika spodaj), distribucije in uporabe izmeničnega električnega toka. Trifazni sistem je učinkovitejši za prenos električne energije na daljave kot ekvivalentni enosmerni sistem. Trifazni električni tok je zelo primeren za pogon elektromotorjev. Trifazni sistem električnega toka je bil odkrit ob koncu 19. stoletja.

25

Slika 10: Daljnovod kot del prenosnega omrežja ima tri vodnike za tri faze, na vrhu pa še ozemljitveni vodnik. Daljnovod na sliki je sestavljen iz dveh trifaznih sistemov, novejše izvedbe pa imajo več vodnikov v snopu za zmanjševanje pojava korone

Fazni premik med napetostmi posameznih faz v simetričnem trifaznem sistemu znaša 120 °. Na sliki spodaj je predstavljen časovni zapis napetosti po posameznih fazah. V simetričnem trifaznem sistemu vsak izmed vodnikov (L1, L2, L3) vsebuje izmenični električni tok pri enaki frekvenci in napetosti glede na skupno referenco, toda za različno fazo, zamaknjeno za po 1/3 periode. Skupna referenca je povezana z zemljo in v primeru ničenja tudi z nevtralnim tokovnim vodnikom (skupni ničelni vodnik ali skupni nevtralni vodnik). Zaradi fazne razlike med posameznimi fazami npr. napetost druge faze doseže maksimalno vrednost 1/3 časa periode mreže za prvo fazo, v Evropi je to po 6.6667 ms. Ta fazni zamik da enakomerno moč idealnemu bremenu. Ozemljitev tako imenujemo točko v električnem vezju, ki ima referenčni potencial 0 V. Potenciali ostalih točk vezja so določeni vedno glede na referenčno točko. Ker je napetost razlika potencialov, pa je zato napetost ostalih točk kar enaka potencialom teh ostalih točk. Fazni zamik omogoča tudi, da v elektromotorju nastane električno polje. S takim sistemom in uporabo namenskih transformatorjev je mogoče izdelati tudi drugačne, npr. dvofazne sisteme. Teoretično bi bilo mogoče napraviti poljuben sistem mreže izmeničnih napetosti z različnimi faznimi zamiki in napetostmi, vendar bo tak sistem ne imel prej navedenih prednosti. V trifaznem sistemu, ki je povezan z idealnim bremenom (balansiranim linearnim bremenom), je vsota trenutnih tokov enaka 0. Z drugimi besedami, tok v vsakem priključku je enak po velikosti vsoti tokov obeh drugih priključkov, toda z obrnjenim predznakom. Povratna pot za tok za vsakega od priključkov sta oba druga priključka.

26

V primerjavi z enofaznim izmeničnim napajalnim sistemom, ki uporablja dve žili oziroma priključka (eno fazo in en nevtralni vodnik), lahko trifazni sistem brez nevtralnega vodnika in z enako napetostjo med fazo in nevtralnim vodnikom, prenese trikrat več moči s samo 1.5 x količino vodnikov. Na sliki spodaj so prikazani različni vtikači, ki se uporabljajo za priključitev porabnikov na električno omrežje (do približno največjega toka 32 A za vsako fazo). Za večje porabnike se uporablja priključitev naravnost na priključne sponke v električni omarici, to je brez vtikačev.

Slika 11: Trifazni vtikač (tri faze, ničelni vodnik, ozemljitev), enofazni vtikač z ozemljitvijo (ena faza, ničelni vodnik in ozemljitev) in enofazni vtikač brez ozemljitve (ena faza in ničelni vodnik).

Kljub vsemu trifazni sistemi uporabljajo tudi nevtralni vodnik, še posebej pri nizkih napetostih (pri velikih napetostih na prenosnem električnem omrežju, npr. na izhodu iz elektrarne, so samo tri faze in ozemljitev, za kar se uporabi zemlja, zgornji ozemljeni vodnik na daljnovodih zgolj varuje daljnovod pred strelo). Nevtralni vodnik se pojavi na sekundarni strani lokalnega transformatorja distribucijskega omrežja. Ničla na lokalnem transformatorju je zvezana na zvezdišče in zemljo. Prenosno električno omrežje vidi transformator distribucijskega omrežja namreč kot idealni trifazni porabnik, saj statistično gledano uporabniki (gospodinjstva, mali industrijski uporabniki, itd) s svojimi porabniki (bremeni) bremenijo faze simetrično. To je predstavljeno na sliki spodaj. Trifazni sistemi imajo torej naslednje zaželene lastnosti električnega distribucijskega sistema:

- trifazni tokovi se v porabniku izničijo oziroma se seštejejo v nič v primeru balansiranega bremena. To omogoča manjšo velikost preseka nevtralnega vodnika, ker prenaša malo ali nič toka. Pri balansiranem bremenu vse faze prenašajo enak tok in so lahko vodniki enakega premera, - prenos moči v balansirano breme je konstanten po času, kar zmanjšuje vibracije generatorjev, elektromotorjev in bremen, - trifazni sistemi proizvajajo vrteče magnetno polje z določeno smerjo in konstantno jakostjo, kar poenostavi načrtovanje, izdelavo in delovanje elektromotorjev.

27

Slika 12: Trifazna električna napeljava, fazo so med seboj zamaknjene za 120 °. Napetosti se določajo glede na skupni nevtralni vodnik (označi napetost na y osi in kaj je na x osi).

V veliko gospodinjstvih po Evropi, predvsem v stanovanjih, je enofaznih. So pa v posameznem bloku različna stanovanja priključena na različne faze. V Evropi so redki električni gospodnjski aparati, katere je potrebno priključiti trifazno. V Evropi je v gospodinjstvih medfazna napetost 400V (žice so L1 - rjave, L2 - črne in L3 - sive barve, ničelni vodnik je modre barve, po IEC 60446) in napetost med fazo in nevtralnim vodnikom 230 V. Pri posameznih fazah L1, L2 in L3 začetke navitij označujemo s črkami: U1 , V1, W1, konce navitij pa s črkami U2 , V2 in W2 .

Slika 13: Prenos električnega toka v trifaznem električnem sistemu, pri čemer lahko namesto generatorja nastopa tudi transformator distribucijskega omrežja.

Če priključimo elektromotor z različnim zaporedjem faz (če zamenjamo dve fazi), se spremeni smer vrtenja elektromotorja. To je pomembno predvsem pri

28

vrtenju črpalk in ventilatorjev (poglavje spodaj). Smer volumskega toka aksialnih črpalk je določena s smerjo vrtenja rotorja, pri radialnih izvedbah pa se spremenita delovni pretok in tlak.

2.1.8 Vezave v trifaznih sistemih

V trifaznih sistemih poznamo dve osnovni vezavi izvorov in porabnikov: - vezavo v zvezdo in - vezavo v trikot.

Vezavo v zvezdo dobimo tako, da konce navitij trifaznega elektromotorja ali generatorja (U2, V2 in W2) vežemo v skupno točko, ki jo imenujemo zvezdišče(slika spodaj). Če je zvezdišče ozemljeno(UV2 = UU2 = UW2 = 0 V), ga lahko imenujemo tudi ničlišče. Vezavo v trikot dobimo tako, da konec prejšnjega faznega navitja trifaznega generatorja ali porabnika povežemo z začetkom naslednjega faznega navitja ali porabnika (slika spodaj).

Slika 14: Vezava navitij v zvezdo (levo) in trikot (desno). Upori lahko predstavljajo navitja elektromotorja.

Oba tipa vezave se uporabljata pri priključevanju trifaznih elektromotorjev v omrežje. Na sliki zgoraj levo so navitja elektromotorja vezana med faze in skupno zvezdišče oziroma ničlišče. V tem primeru je na navitjih napetost 230 V. Na sliki zgoraj desno, pa so navitja elektromotorja vezana med dve zaporedni fazi in je na navitjih napetost 400 V. To pomeni, da bo skozi navitja v desnem primeru v skladu z Ohmovim zakonom tekel večji tok kot skozi navitja na levi strani.

2.1.9 Merjenje napetosti, toka in moči v trifaznem sistemu

V vezavi zvezda ali trikot najdemo dve vrsti napetosti. Napetosti med faznimi vodniki in ničelnim vodnikom imenujemo fazne napetosti, označujemo pa jih z Uf. Napetosti med faznimi vodniki imenujemo medfazne napetosti, označujemo pa jih z U. V nizkonapetostnih sistemih so najbolj razširjene fazne napetosti Uf = 230 V, medfazne napetosti U pa izračunamo v skladi z enačbo

29

𝑈 = √3𝑈𝑓 . (11)

Medfazne napetosti U v Evropi znašajo 400 V. Če opazujemo vsako posamezno navitje, priključimo posamezno navitje elektromotorja namesto v vezavo zvezda v vezavo trikot, se porabljena moč na navitju poveča za faktor 3 x, saj

se za faktor √3 povečata napetost (v skladu z enačbo zgoraj) in tudi tok po Ohmovem zakonu. Meritve moči v trifaznih sistemih danes običajno merimo z analizatorji moči. Analizatorji moči hkrati zaporedno merijo vse tri tokove in vzporedno vse tri napetosti. Pri tem z veliko hitrostjo vsaj nekaj 10 kHz posnemajo trenutne vrednosti napetosti in tokov vseh treh faz in izračunajo trenutne moči vseh treh faz, kasneje pa jih povprečijo. V preteklosti, ko analizatorji moči niso bili dostopni, se je uporabljalo več drugih načinov merjenja, npr. Aaronova vezava. Aaronova vezava uporablja za merjenje dva merilnika toka in dva merilnika napetosti in za delovanje potrebuje simetrično razporejena bremena.

0

Slika 15: Priključitev merilnika električne moči za trifazni asinhroni elektromotor, desno analizator moči Norma 4000, ki za merjenje uporablja način priključitve na levi strani.

Če želimo določiti moč trifaznega elektromotorja, pa nimamo na voljo analizatorja moči, uporabimo naslednjo enačbo

𝑃 = √3 ∙ 𝑈 ∙ 𝐼 ∙ cos(𝜑) . (12)

V zgornji enačbi sta U napetost in I tok, ki jo izmerimo z voltmetrom in ampermetrom na priključnih kablih, cos(𝜑) pa je fazni kot. Ta je za nazivno moč elektromotorja podan na tablici elektromotorja in je približno v intervalu cos(𝜑) = 0,7 − 0,95. Za popolnoma uporovno breme je fazni kot enak 1.

30

Preprost in ne najbolj natančen izračun, koliko znaša nazivni tok trifaznega elektromotorja pri 400 V, je njegova moč v kW x 2. Na sliki spodaj sta prikazana diagrama za izračun moči za elektromotor vezan v trikot ali zvezdo. Za oba primera vezave elektromotorja velja enačba zgoraj.

Slika 16: Diagrama trikot in zvezda za izračun moči v trifaznem sistemu, označena sta posamezno navitje za vsako izmed vezav [http://www.informit.com/articles/article.aspx?p=101617&seqNum=8], zamenjaj V z U in i z I, smer puščic napetosti.

2.2. Elektromagnetno polje

V nadaljevanju bomo obravnavali električno polje, magnetno polje, zapisali Biot Savartov zakon za magnetno polje okrog vodnika, po katerem teče električni tok, na koncu pa bomo zapisali še vse štiri Maxwellove enačbe. Pri elektromagnetizmu bomo obravnavali električno in magnetno polje. Električno polje se ustvari okrog delcev, ki so električno nabiti, ne glede na to, če se premikajo ali pa ne. Magnetno polje ustvarjajo premikajoči se električni naboji. Tako ustvarja premikajoč se nabit delec električno in magnetno polje. Ker sta na ta način električno in magnetno polje povezana, pogosto govorimo o elektromagnetnem polju. V tehniki se pogosto srečujemo z elektromotorji, ki uporabljajo elektromagnetno silo za svoje delovanje. Učinke elektromagnetnega polje pa se uporablja tudi v drugih napravah kot so mikrofoni, zvočniki, transformatorjih, relejih, induktivnih zaznavalih, elektromagnetnih ventilih pri jedrski magnetni resonanci.

31

2.2.1. Električno polje

Elektromagnetizem opisuje sile med mirujočimi in gibajočimi se naboji. Naboj

v svoji okolici ustvarja električno polje z električno poljsko jakostjo �⃗� , ki ga

čuti drug naboj e. Med nabojema deluje električna sila 𝐹 𝑒

𝐹 𝑒 = 𝑒�⃗� (13)

Gornjo enačbo si moremo razlagati na naslednji način. En naboj ustvari električno polje. To električno polje čuti drugi naboj oziroma električno polje prvega naboja deluje na drugi naboj. Kateri naboj vzamemo za prvega in katerega za drugega, ni pomembno. Kot eno izmed oblik zgornjega zakona lahko zapišemo Coulombov zakon. Skladno z njim je jakost električnega polja okrog točkastega naboja enaka v vektorski obliki

�⃗� = − 1

4𝜋𝜀0 𝑒

𝑟2𝑟𝑒⃗⃗⃗ (14)

Jakost električnega polja oz. električna poljska jakost �⃗� je vektorska spremenljivka in ima enoto V / m. r je razdalja, na kateri opazujemo električno

polje, 𝜀0 pa je dielektrična konstanta (𝜀0 = 8,854 · 10−12 As / Vm). Brez uporabe vektorjev jo zapišemo na naslednji način

𝐸 =1

4𝜋𝜀0 𝑒

𝑟2 (15)

Sila med dvema mirujočima nabojema je določena s Coulombovim zakonom. Coulombov zakon je v fiziki zakon, ki podaja, kako električna sila med dvema točkastima električnima nabojema pojema z razdaljo.

𝐹𝑒 = 1

4𝜋𝜀0∙𝑒1 ∙ 𝑒2

𝑟2 (16)

V gornji enačbi je 𝑒1 prvi naboj in 𝑒1 drugi naboj. r je razdalja med obema nabojema. Električno polje med dvema nabojema in sila na naboj v homogenem električnem polju sta prikazana na sliki spodaj.

32

Slika 17: Električno polje, levo: električno polje med dvema nabojema, desno: električna sila na delec v električnem polju. (nariši več nabojev na steni kondenzatorja v skrajno desnem primeru)

2.2.1.1 Gaussov zakon

Gaussov zakon o električnem pretoku lahko zapišemo v integralni obliki

𝛷𝑒 = 𝑒𝑆

𝜀0 , (17)

kjer je 𝛷𝑒 električni fluks ali pretok skozi zaprto površino poljubnega volumna, e pa je skupni naboj, ki ga obdaja površina S, 𝜀0 pa je dielektrična konstanta.

2.2.1.2 Ozemljeno prevodno telo v električnem polju

Ozemljeno prevodno telo, ki se nahaja v zunanjem električnem polju, predstavlja za to polje nepremagljivo oviro (slika spodaj). Ozemljeno telo je v vsakem trenutku iz zemlje sposobno zagotoviti kakršnokoli količino naboja za zagotovitev ravnovesja s količino naboja, ki je na telesu nasprotne polaritete in povzroča zunanje električno polje.

33

Slika 18: Ozemljitev, ozemljena kovinska plošča predstavlja za električno polje nepremagljivo oviro

Omenjeni pojav koristno uporabljamo za zaščito na električno polje občutljivih elementov in vezij pred zunanjim električnim poljem. Če prevodna ozemljena plošča predstavlja zaključeno celoto (votlo prevodno telo), govorimo o tako imenovani Faradayevi kletki. Tako je npr. izveden elektromotor, kjer Faradayevo kletko predstavlja ohišje elektromotorja. Ozemljitev je prevodna zveza med prevodnimi deli, ki jih moramo ozemljiti, in zemljo. Prevodni deli, ki jih ozemljujemo, so najpogosteje dotiku izpostavljeni prevodni deli. V sistemih zaščite pred previsoko napetostjo dotika (posrednim dotikom) je ozemljevanje naprav eden od temeljnih elementov zaščite, ne glede na uporabljeno vrsto ozemljevanja sistema. Stik z zemljo dosežemo z ozemljilom, izvajamo pa ga z ustreznimi ozemljitvenimi vodi. Ozemljilo je vodnik ali več vodnikov, ki so v zemlji in tako zagotavljajo trajen električni stik med napravo in zemljo. Ozemljitev posameznih naprav izvedemo v praksi z dodatnim vodnikom, ki je zeleno-rumene barve. Tega vodimo ob ostalih vodnikih (fazah in ničelnem vodniku) in ga na mestu porabnika pritrdimo na kletko stroja, npr. elektromotorja. V nekaterih starih stanovanjskih in poslovnih stavbah se uporablja ničenje. Ničenje je povezava ozemljitvenih priključkov in nevtralnega oz. ničelnega vodnika. Tak način povezovanja se ne uporablja več, ker dandanes vse instalacije vsebujejo tokovno zaščitno stikalo FID, ki izklopi takoj, ko steče tok v ozemljitev in v primeru ničenja bi stikalo FID takoj izklopilo. Uporabljajo se 30 mA tokovna zaščitna stikala FID za varovanje življenj (smrten tok je 50 mA) in 300 mA tokovna zaščitna stikala FID za požarno zaščito. Ničenje je danes proti predpisom, kajti ničenje je delovalo je samo v časih, ko so bila v instalacijah vgrajena tako imenovana Zaščitna Napetostna Stikala ZNS. Zaščitno napetostno stikalo ZNS deluje na principu razlike potenciala

34

(65 V) med ozemljitvijo ter zaščitnim kontaktom. Pogoj za delovanje ZNS-a je kvalitetno ozemljilo.

Slika 19: Tokovno zaščitno stikalo FID (levo) in staro zaščitno napetostno stikalo ZNS (desno), ki se je v preteklosti uporabljajo v primeru ničenja.

2.2.2 Magnetno polje

V predhodnih poglavjih smo se ukvarjali z električnim tokom nabojev. Zato nas večinoma zgolj sila med statičnimi naboji ne bo zanimala, poglejmo si, kako je s silami med gibajočimi se naboji. V tem primeru imamo opravka z magnetnim poljem. Na sliki spodaj so prikazane silnice magnetnega polja valjastega trajnega magneta.

Slika 20: Silnice magnetnega polja, magnetno polje valjastega magneta.

Magnetno polje lahko opišemo na različne načine glede njegov učinek na okolico. Pogosto magnetno polje opišemo s silo, s katero deluje na premikajoč

se naboj v njem (npr. električno polje E na naboj v njem deluje s silo 𝐹 = 𝑒�⃗� v skladu z enačbo zgoraj).

35

Tudi za primer magnetnega polja poskušamo najti podobno razlago kot za električno polje (pri električnem polju smo zapisali, da prvi naboj ustvari električno polje, ki ga čuti drugi naboj oziroma električno polje prvega naboja deluje na drugi naboj). Za magnetno polje lahko zapišemo, da tok, ki teče skozi prvi vodnik, ustvari (inducira) magnetno polje , ki ga čuti tok v drugem vodniku. V primerih, ko se naboj premika v bližini žice, po kateri teče tok, zapišemo silo na naslednji način z Lorentzovim zakonom

𝐹 = 𝑒(�⃗� + 𝑣 × �⃗� ) . (18)

V Lorentzovem zakonu je sila 𝐹 sila, ki deluje na električni naboj e, ki se

premika s hitrostjo 𝑣 v magnetnem polju z gostoto �⃗� in na njega deluje

električno polje �⃗� . Gostota magnetnega polja oz. gostota magnetnega pretoka

�⃗� je vektorska spremenljivka, ki določa magnetno polje in ima enoto Tesla in sicer je 1 T = 1 Vs / m.

Na ta način je skupna sila posledica električnega polja �⃗� in magnetnega polja z

gostoto �⃗� . Včasih kot Lorentzovo silo oziroma magnetno silo upoštevamo samo prispevek magnetne sile, na ta način se enačba zgoraj zapiše kot

𝐹 = 𝑒𝑣 × �⃗� . (19)

Gostota magnetnega polja �⃗� je določena z magnetno silo na ravni vodnik z

dolžino 𝑙 , po katerem teče tok I, ki sega v magnetno polje z gostoto

magnetnega polja �⃗�

𝐹 = 𝐼𝑙 × �⃗� . (20)

Obe gornji enačbi sta grafično predstavljeni na sliki spodaj za primer, ko je

magnetno polje �⃗� generirano s trajnim magnetom. Za enačbo zgoraj si poskušamo napraviti razlago iz vsakdanje uporabe. Vzemimo npr. elektromotor s trajnimi magneti. Trajni magneti so nameščeni na rotorju elektromotorja in ustvarjajo magnetno polje. Ko skozi stator elektromotorja spustimo električni tok, začne teči električni tok v magnetnem polju. Zato se v skladu z gornjo enačbo med rotorjem in statorjem elektromotorja pojavi sila, le ta povzroči navor na rotor elektromotorja, ki želi zavrteti gred elektromotorja. Možno pa je tudi, da imamo v elektromotorju dve navitji. Če skozi prvo navitje spustimo električni tok, ob tem prvo navitje ustvari magnetno polje, v katerega je postavljeno drugo navitje. Ko skozi drugo navitje steče električni tok, med obema navitjema, to je med rotorjem in statorjem, nastane sila, ki rotor obrne. Na ta način delujejo elektromotorji z mehanskim komutatorjem in asinhroni trifazni elektromotorji na izmenični tok.

36

Slika 21: Magnetna oziroma Lorentzova sila 𝐹 . Levo: magnetna sila na nabit delec z nabojem e, ki se s hitrostjo 𝑣 premika v magnetnem

polju �⃗� . Desno: sila na vodnik dolžine 𝑙 , po katerem teče tok I,

postavljen v magnetno polje �⃗� . popravi oznake spremenljivk na sliki

Na sliki spodaj je prikazana tehnična rešitev v elektromotorjih za magnetno silo, ki je predstavljena na sliki zgoraj.

Slika 22: V elektromotorjih električna sila deluje med dvema navitjema oz. tuljavama (levo, trifazni asinhroni elektromotor z izgrajenim rotorjem) ali pa med navitjem in permanentnimi magneti (desno, elektronsko komutirani elektromotor, permanentni magneti so nameščeni na rotorju, 8 svetlih elementov na rotorju).

Da bi zapisali enačbe, ki popisujejo fizikalne pojave, ki omogočajo vrtenje asinhronih (indukcijskih) elektromotorjev, pa moramo zapisati še, kako

37

električni tok skozi navitje elektromotorja generira magnetno polje. To opisuje Biot-Savartov zakon.

2.2.2.1. Biot-Savartov zakon

Biot-Savartov zakon določa magnetno polje, ki ga ustvari električni tok, ki teče po vodniku. Biot-Savartov zakon pove kolikšno gostoto magnetnega polja ustvari enosmerni električni tok v neki točki (v praznem prostoru), ki jo določa krajevni vektor 𝑟 . V skladu z Biot-Savartovim zakonom je magnetno

polje �⃗�

�⃗� =𝜇0

4𝜋∙ ∫ 𝐼

𝑑𝑙 × 𝑟

𝑟3

𝐿

. (21)

Biot-Savartov zakon je v gornji enačbi zapisan v integralski obliki. 𝜇0 je

indukcijska konstanta in znaša 𝜇0 = 1,257 · 10−6 Vs / Am ter 𝑑𝑙 vektor majhnega premika po vodniku v smeri toka I. Če bi želeli določiti v neki točki skupno magnetno polje vseh delov vodnika, je potrebno zgornjo enačbo integrirati po vsej dolžini vodnika, ki jo označimo z L, zato je integral običajno po zaključeni poti. Za Biot-Savartov zakon v večini primerov ne moremo zapisati enačb brez uporabe integralov.

2.2.2.2 Indukcijski zakon

Indukcijski zakon (tudi Faradayev zakon) v fiziki pravi, da je pri elektromagnetni indukciji inducirana napetost Ui v zaključeni zanki premo sorazmerna hitrosti spreminjanja magnetnega pretoka Φm skozi površino te zanke. Pri tem je E jakost induciranega električnega polja v vodniku, d𝑠 pa neskončno majhen premik vzdolž zanke

𝑈𝑖 = ∮�⃗� ∙ d𝑠 = −𝑑𝛷𝑚

𝑑𝑡 . (22)

Ta zakon je uporaben pri transformatorjih (slika Faradayevega eksperimenta spodaj) in asinhronih elektromotorjih (indukcijski elektromotorji s kratkostično kletko). Slika spodaj prikazuje Faradayev eksperiment. Ta način ni edini, s katerim je mogoče spremeniti magnetni pretok, to je mogoče npr. tudi, če magnet premikamo v bližini tuljave.

38

Slika 23: Faradayev eksperiment. Ko je Faraday vključil baterijo na primarni strani, je na sekundarni strani opazil prehodno povečanje toka. Do obratnega pojava je prišlo, ko je baterijo izključil. Ta indukcija je bila posledica spremembe magnetnega pretoka (enačba zgoraj), do katerega je prišlo ob vključitvi in izključitvi baterije [www.wikipedia.org].

Predznak inducirane napetosti razlaga Lenzovo pravilo, po katerem se v zanki inducirani tok, ki skuša zaradi lastne indukcije s svojim magnetnim poljem nasprotovati spremembi, ki ga je povzročila. Indukcijski zakon predstavlja eno od Maxwellovih enačb.

2.2.3 Maxwellove enačbe

Maxwellove enačbe so osnovni zakoni elektrodinamike, ki povezujejo električno in magnetno polje v elektromagnetno polje ter opisujejo njegove časovne spremembe in širjenje v prostoru. Maxwellove enačbe so štiri in jih lahko zapišemo v integralski ali diferencialni obliki. Mi jih bomo zapisali zgolj v integralni obliki:

- Gaussov zakon o električnem pretoku - Gaussov zakon o magnetnem pretoku - Faradayev zakon o magnetni indukciji - Amperov zakon o magnetni napetosti

Zgornjim štirim Maxwellovim enačbam se pogosto doda še kontinuitetno enačbo. Nekatere izmed njih smo že zapisali v predhodnih poglavjih. V nadaljevanju bomo zapisali enačbe za zgoraj naštete zakone. Gaussov zakon o električnem pretoku 𝛷𝑒 se glasi

∮�⃗� ∙ d𝑆 = 𝑒𝑆

𝜀0= 𝛷𝑒 . (23)

V skladu z Gaussovim zakonom o električnem pretoku velja, da je električni pretok skozi zaprto površino S enak vsoti vseh nabojev v njej 𝑒𝑆, deljeno z dielektrično konstanto 𝜀0. Iz Gaussovega zakona o električnem pretoku izhaja Coulombov zakon. Gaussov zakon o magnetnem pretoku se glasi

39

∮�⃗� ∙ d𝑆 = 0 . (24)

Gaussov zakon razlaga, da magnetno polje nima monopolnih izvirov. Zaradi tega je magnetni pretok skozi zaključeno ploskev je enak nič. Magnetni monopoli ne obstajajo, električni naboji pa obstajajo. Zaradi tega magnetno

polje z gostoto �⃗� in električno polje z jakostjo �⃗� v snovi z gibljivimi nosilci naboja v Maxwellovih enačbah ne nastopata enako. Obe polji sta simetrični le v praznem prostoru, v katerem ni električnih nabojev. Faradayev zakon o magnetni indukciji se glasi

𝑈𝑖 = ∮�⃗� ∙ d𝑠 = −𝑑�⃗⃗� 𝑚𝑑𝑡

. (25)

Z elektromagnetno indukcijo inducirana napetost Ui v zaključeni zanki je premo sorazmerna hitrosti spreminjanja magnetnega pretoka Φm skozi površino te zanke. S tem zakonom lahko razložimo magnetenje rotorja asinhronskega elektromotorja (indukcijskega elektromotorja). Ker ga za razlago delovanja elektromotorjev ne bomo uporabili, Amperov zakon o magnetni napetosti zgolj navedemo, glasi se

∮ �⃗⃗� ∙ d𝑠 = 𝐼 +𝑑�⃗⃗� 𝑒𝑑𝑡

. (26)

Podobno kot je Faradayev zakon o magnetni indukciji povezal spreminjanje

magnetnega pretoka �⃗⃗� 𝑚 z inducirano napetostjo 𝑈𝑖 , poveže Amperov zakon o

magnetni napetosti spreminjanje električnega pretoka �⃗⃗� 𝑒 in tok I z magnetno napetostjo.

2.3 Elektromotorji

Elektromotor je stroj, ki pretvarja električno energijo v mehansko (slika spodaj). Elektromotorje se uporablja se za pogon različnih strojev, vlakov, tramvajev in najrazličnejših naprav v proizvodni in procesni industriji, to je proizvodnih trakov, črpalk, ventilatorjev, v gospodinjskih strojih, pečeh, itd. Princip delovanja elektromotorjev temelji na zakonih elektrotehnike:

- indukcijskem (Faradayevem) zakonu elektromagnetne indukcije, - Biot Savartovem zakonu in - Lorentzovem zakonu.

Pomembno je tudi, kakšno breme poganja elektromotor. Bremena se razlikujejo glede na:

- navor, ki je potreben za zagon in - spremembo moči glede na spremembo vrtilne frekvence.

40

Pri zagonu ločimo velik potreben zagonski navor (npr. pogon traku, kjer mora elektromotor ob zagonu premagati veliko silo trenja), ali pa majhen zagonski navor (pogon črpalk in ventilatorjev, kjer je pri zagonu potreben minimalen navor, saj je trenje v ležajih minimalno). Pri povečevanju vrtilne frekvence, kar pride v poštev predvsem pri trifaznih asinhronih elektromotorjih, gnanih preko frekvenčnih pretvornikov), je lahko sprememba moči sorazmerna vrtilni frekvenci (𝑃 ∝ 𝑛) pri pogonu trakov ali pa sorazmerna tretji potenci vrtilne frekvence (𝑃 ∝ 𝑛3) pri pogonu črpalk in ventilatorjev. Elektromotorji se razlikujejo tudi glede montaže, lahko se jih pritrdi na noge, prirobnice ali pa kako drugače. Elektromotorji se razlikujejo tudi glede na to, če imajo prigrajen reduktor ali ne. Z reduktorjem elektromotorji dosežejo velike navore, ki so potrebni npr. za mešanje, trenje, pogon trakov itd. Črpalke in ventilatorji ne potrebujejo reduktorjev, včasih imajo prigrajen celo multiplikator za povečanje vrtilne frekvence. Z uporabo reduktorja se zmanjša vrtilna frekvenca, poveča se navor, moč elektromotorja pa ostane enaka, saj velja zveza

𝑃 = 𝑀 ∙ 𝜔 . (27)

kjer je P moč elektromotorja, M navor in 𝜔 vrtilna frekvenca.

Slika 24: Elektromotorji, levo: asinhroni elektromotorji različnih izvedb, s prirobnico ali brez, desno: univerzalni elektromotor.

2.3.1 Komutator

Komutator je stikalo, ki z zamenjavo polov na rotorju elektromotorja poskrbi, da je sila med statorjem in rotorjem vedno ustrezna. To pomeni, da je v odvisnosti od kota zavrtitve med rotorjem in statorjem privlak ali odboj. Komutator obrne smer toka v rotorskem navitju. Komutatorja nimajo vsi elektromotorji.

41

Mehanski komutator je vrtljivi del električnega stikala, ki periodično obrača smer toka med rotorjem in statorjem. Sestoji iz cilindra, ki je sestavljen iz več kontaktnih kovinskih segmentov na vrtljivi armaturi rotorja. Dva ali več električnih kontaktov, ki se imenujejo "krtačke", ki so izdelane iz mehkega prevodnega materiala, npr. ogljika, se dotika komutatorja. Na ta način se doseže drsni stik z zaporednimi segmenti komutatorja, ko se komutator vrti. Elektronski komutatorji opravijo komutacijo elektronsko.

Slika 25: Mehanski komutator univerzalnega elektromotorja. Levo: shema delovanja, desno: sestavni deli, A) komutator, B) krtačka, C) navitje rotorja, D) navitje statorja, E) vodila krtačk, F) električna priključna sponka [www.wikipedia.org]

Navitja (tuljave iz žice) na rotorju so povezana s segmenti komutatorjev.

2.3.2 Delitev elektromotorjev

Razdelitev elektromotorjev je veliko, mi bomo v prvi stopnji razlikovali elektromotorje predvsem glede na komutacijo (slika spodaj). Glede na komutacijo se elektromotorji delijo na:

- elektromotorje s komutatorjem in - elektromotorje z zunanjo komutacijo.

Elektromotorje s komutatorjem delimo na: - mehansko komutirane elektromotorje in - elektronsko komutirane (brezkrtačne) elektromotorje.

Brezkrtačni elektronsko komutirani elektromotorji so moderni elektromotorji z visokim izkoristkom, ki imajo na vrtečem delu rotorju permanentne magnete. Elektromotorje brez komutatorja delimo na:

- asinhrone elektromotorje in - sinhrone elektromotorje.

Elektromotorji se v grobem delijo tudi glede na tip električnega toka na:

42

- elektromotorje na enosmerni tok (DC), - elektromotorje na izmenični tok (AC) in - univerzalne elektromotorje, ki delujejo na enosmerni in izmenični tok (AC in DC).

Obstajajo tudi nekatere posebne izvedbe elektromotorjev kot so linearni elektromotorji, ki jih tu ne bomo obravnavali. Elektromotorji imajo večinoma prigrajen hladilni ventilator, ki hladi elektromotor in ga varuje pred pregrevanjem. Nekateri elektromotorji imajo vgrajeno kot zaščito pred pregretjem tudi bimetalno stikalo. V ta primer je potrebno v kablu za napajanje elektromotorja dodati dve žici in ustrezno opremo v električni omarici.

Slika 26: Razdelitev elektromotorjev

V nadaljevanju bomo obravnavali elektromotorje glede na zgoraj navedene kategorije.

2.3.3 Mehansko komutirani elektromotorji

Mehansko komutirane elektromotorje delimo na elektromotorje na izmenični in enosmerni tok. Po zgradbi so zelo podobni, veliko jih deluje na izmenični in enosmerni tok, tedaj jih imenujemo univerzalni elektromotorji. Pri mehansko komutiranih elektromotorjih so statorska navitja in rotorska navitja zaporedno povezana preko komutatorja (slika spodaj). Glavni sestavni deli takšnih elektromotorjev so:

- stator (nepomični del elektromotorja), - rotor (vrteči se del), - komutator, ki je del rotorja in predstavlja mehanski usmernik, - ščetke oz. krtačke, ki se dotikajo komutatorja in služijo prevajanju toka iz statorskega dela na rotor.

Stator (slika spodaj) je votel valj, na katerega so pritrjeni statorski magnetni poli in komutator. Stator je običajno izdelan iz litega ali valjanega jekla. V glavnih statorskih polih se nahajajo vzbujevalna navitja, skozi katere teče vzbujevalni tok, ki povzroča magnetni pretok Фm. Nastali magnetni pretok teče v smeri od severnega magnetnega pola proti južnemu polu skozi rotorsko navitje. Ko pridejo silnice do južnega pola, se po jarmu vrnejo do severnega pola. V statorju je več polov statorskega navitja.

43

Mehansko komutirani elektromotorji omogočajo spreminjanje vrtilne frekvence s spreminjanjem napetosti na njih. Na ta način se spremeni gostota magnetnega polja v elektromotorju in s tem navor na rotor. Mehansko komutirani elektromotorji so glasni, ker uporabljajo komutator. Prav tako v omrežje spuščajo veliko elektromagnetnega šuma. Le ta je z zakonodajo omejen in omejuje tudi uporabo mehansko komutiranih elektromotorjev. Pomembna slabost mehansko komutiranih elektromotorjev je, da se krtačke izrabljajo. Mehansko komutirani elektromotorji so relativno neučinkoviti, izkoristki so od 30 % za majhne elektromotorja pa do 75 % za največje izvedbe. Ti elektromotorji se odzovejo na povečanje obremenitve tako, da se jim zniža vrtilna frekvenca.

Slika 27: Sestavni deli enosmernega 4-polnega elektromotorja [Nagsarkar, 2011]

2.3.3.1 Mehansko komutirani elektromotorji na izmenični tok Mehansko komutirani elektromotorji na izmenični tok so vgrajeni v različne električne naprave kot so vrtalni stroji, sesalci za prah, kotne brusilke, mlinčki za kavo, itd.

44

Slika 28: Delovanje univerzalnega elektromotorja, rotorsko in statorsko navitje sta v tem primeru zaporedno povezana preko komutatorja

Univerzalni elektromotorji so po zasnovi enaki kot mehansko komutirani izmenični ali enosmerni elektromotorji. Značilnost teh elektromotorjev je visoka vrtilna hitrost (nekaj 1000 ali celo nekaj 10.000 vrtljajev v minuti), ki ni pogojena s frekvenco omrežne napetosti. Ravno zato ti elektromotorji pri majhnih dimenzijah in masi lahko dosežejo veliko moč in se uporabljajo za pogon manjših strojev, tudi v povezavi z reduktorjem. Spreminjanje vrtilne frekvence mehansko komutiranih elektromotorjev na izmenični tok izvedemo s spreminjanjem napajalne napetosti z variakom.

2.3.3.2 Mehansko komutirani elektromotorji na enosmerni tok Elektromotorji na enosmerni tok so namenjeni priključitvi na vir enosmerne napetosti. Ta vrsta elektromotorjev se je pojavila že v 19. stoletju in se pojavlja še danes. Vgrajeni so v igrače, baterijske vrtalne stroje, pa tudi naprave, ki sicer delujejo na izmenični tok kot so npr. hladilniki, vendar z uporabo usmernika in transformatorja. DC komutirani elektromotorji lahko delujejo tudi v generatorskem načinu tako, da energijo vrtenja gredi spreminjajo v električno energijo. V tem primeru jih imenujemo dinami. Elektromotorji se razlikujejo glede na vezavo rotorskega navitja glede na statorsko navitje. Povezava, ki podaja zvezo med dovedeno električno energijo elektromotorja (napetost, tok) ter odvedeno mehansko energijo (navor in vrtilna frekvenca), je za različne vezave rotorskega navitja glede na statorsko drugačna. Elektromotor z vzporednim vzbujanjem ima vzporedno vezano rotorsko vzbujevalno navitje s statorskim. Elektromotor z zaporednim vzbujalnim navitjem ima vzbujevalno navitje in navitje rotorja vezana zaporedno. Največji moment ima takrat, ko rotor miruje. To pomeni velik moment ob zagonu. Te vrste elektromotorjev lahko uporabljamo tudi kot izmenične elektromotorje. Električni tok namreč hkrati

45

menja smer v rotorju in statorju, kar pomeni, da je za delovanje sile med njima situacija podobna kot pri enosmernem toku. Te vrste elektromotorjev imenujemo tudi univerzalni elektromotorji, uporabljajo pa se za manjše moči (do 1,5 kW). Mešano vzbujanje pomeni, da imamo eno navitje, ki se veže zaporedno, drugo pa vzporedno k rotorskemu navitju. Enosmerni elektromotorji z mehanskim komutatorjem so bili do pojava elektromotorjev na izmenični tok edina vrsta elektromotorjev. Ravno tako so se dolgo časa uporabljali za realizacijo reguliranih električnih pogonov, saj je možno navor in vrtilno hitrost enostavno spreminjati s spreminjanjem rotorskega in statorskega toka s spreminjanjem napajalne napetosti. Problem takih elektromotorjev je uporaba komutatorja in krtačk. Zaradi iskrenja, ki izvira iz krtačk in komutatorja, ti elektromotorji niso primerni za okolja z eksplozivno atmosfero.

2.3.4. Elektronsko komutirani elektromotorji

Elektronsko komutirani elektromotorji so moderni elektromotorji s širokim področjem uporabe in visokim izkoristkom. Imenujejo se tudi EC (Electronically Commutated) elektromotorji, BLDC (BrushLess DC) elektromotorji na enosmerni tok, BLAC (BrushLess AC) elektromotorji na izmenični tok), brezkrtačni elektromotorji itd. V Sloveniji je več proizvajalcev elektronsko komutiranih elektromotorjev, med drugim so to Domel, Hidria, Kolektor, Ydria Motors, itd. Elektronsko komutirani elektromotorji so lahko navzven enofazni ali trifazni, kar je odvisno predvsem od potrebne moči elektromotorja. V primerjavi s krtačnimi elektromotorji so elektronsko komutirani elektromotorji trajnejši, cenejši za vzdrževanje, omogočajo lažjo regulacijo, imajo višji izkoristek, višji navor, manjšo fluktuacijo navora, omogočajo visoke hitrosti delovanja, so tihi, povzročajo manj elektromagnetnega šuma, so pa dražji v času nakupa. Ta vrsta elektromotorjev se razlikuje od običajnih elektromotorjev z mehansko komutacijo. Pri brezkrtačnih elektromotorjih so navitja nameščena na statorju (slika spodaj), rotor pa ima na obodu trajne magnete, ki se vrtijo skupaj z njim. Tok v navitja dovaja elektronsko komutacijsko vezje, ki spremlja kot zasuka rotorja in v pravem trenutku dovede tok v ustrezno navitje. Delovanje elektronsko komutiranega elektromotorja je v marsičem enako delovanju mehansko komutiranega elektromotorja s krtačkami. Na sliki spodaj so vidni poli permanentnih magnetov, ki privlačijo ali odbijajo nasprotni del statorja, zaradi česar nastane navor med rotorjem in statorjem, rotor pa se zavrti. Navitja statorja se vključujejo po želenem vzorcu, ki ga predpiše vzbujevalna elektronika. Statorski poli privlačijo pole rotorja, do preklopa pride v trenutku, ko se pola poravnata. Vzbujevalno elektroniko je

46

možno programirati, tako da lahko predpišemo, kaj se zgodi z vrtilno frekvenco ob povečani obremenitvi, npr. vrtilna frekvenca se lahko zmanjša ali pa ostane enaka. Krmilna elektronika tudi določa čas pospeševanja in druge prehodne pojave ob spremembi obremenitve ali želene vrtilne frekvence. Za čas vklopa posameznih navitij skrbi elektronika. Na ob gredi rotorja je nameščeno Hallovo zaznavalo, ki izmeri kot zavrtitve rotorja. Krmilna elektronika nato vklaplja in izklaplja posamezna navitja, kakor je prikazano na sliki spodaj.

Slika 29: Brezkrtačni elektromotor, levo: elektronska komutacija, desno: magnetni pretok okoli rež na statorju

Hallovo zaznavalo je zaznavalo, ki spreminja izhodno napetost v skladu z jakostjo in usmerjenostjo magnetnega polja, v katerem se nahaja. V najpreprostejši obliki Hallovo zaznavalo na svojem izhodu daje analogno napetost (sorazmerno velikosti in smeri magnetnega polja), lahko pa je opremljeno z ojačevalnikom, da lahko deluje kot stikalo (vklopi se v prisotnosti magnetnega polja).

2.3.5. Asinhroni elektromotorji

Pri asinhronskih elektromotorjih se rotor vrti nekoliko počasneje kot vrtilno magnetno polje, zato slovensko ime asinhroni elektromotor.

47

Slika 30: Zgradba asinhronega trifaznega elektromotorja.

Prednosti asinhronih elektromotorjev so nizka cena, enostavna konstrukcija in zanesljivost med obratovanjem. V industriji v glavnem uporabljamo trifazne, za gospodinjske aparate pa so v uporabi tudi enofazni. Sestavljen je iz statorja, ki ima navitje na feromagnetnem jedru, ter rotorja. Trifazne izvedbe imajo na statorju tri, med sabo ločena navitja, ki so med sabo premaknjena za 120 ° in vezana v zvezdo ali trikot. Nanje priključimo trifazni sistem izmenične napetosti (slika spodaj). Napetosti poženejo skozi statorska navitja trifazni magnetilni tok, ki ustvari vrtilno magnetno polje.

Slika 31: Vezava statorskih navitij v asinhronem elektromotorju. Vezava v obliki zvezde (zgoraj) in vezava v obliki trikotnika (spodaj). Levo so prikazane priključne sponke in desno navitja v statorju elektromotorja.

Rotor je večinoma izdelan v obliki kratkostične kletke, ki jo sestavlja večje število medsebojno povezanih palic iz bakra ali aluminija. Taka izvedba rotorja je preprosta in robustna, zato se najpogosteje uporablja. Po zakonu elektromagnetne indukcije vrtilno magnetno polje (povzroči ga statorsko

48

navitje) v rotorskem navitju inducira napetost, ta pa v navitju požene rotorski tok, ki skupaj z vrtilnim magnetnim poljem deluje na rotorsko navitje z Biot-Savartovo silo oz. z vrtilnim momentom v smeri vrtenja vrtilnega magnetnega polja. Asinhronski elektromotorji so danes uporabljeni za večino električnih pogonov. Pri njih vrtilna hitrost rotorja pada z obremenitvijo. Razlika med vrtilno hitrostjo rotorja in vrtilno hitrostjo magnetnega polja se imenuje slip in se po navadi izraža v procentih. Vrednost slipa pri motorskem načinu obratovanja je med 0 (razbremenjen elektromotor) in 1 (zavrt rotor), pri nazivni obremenitvi pa znese nekaj odstotkov. Rotor se torej vrti nekoliko počasneje kot magnetno polje statorja. Ti elektromotorji so zmožni kratkotrajno prenesti velike preobremenitve (cca. 3-krat večje od nazivne mehanske obremenitve, posebne izvedbe tudi nekoliko več). Po vrtilni frekvenci se asinhroni elektromotorji razlikujejo glede na število polov. S povečevanjem števila polov se vrtilna frekvenca asinhronskega elektromotorja zmanjšuje. Dvopolni asinhroni elektromotorji se vrtijo z malo manj kot 3000 /min, štiripolni z malo manj kot 1500 /min, šestpolni z malo manj kot 1000 /min itd. Asinhroni elektromotorji so lahko za manjše moči tudi enofazni. V statorju enofaznega elektromotorju je samo ena faza in zato se v njem ne ustvari vrtilno magnetno polje. Zaradi tega se tak elektromotor ne bi mogel vrteti. V praksi to rešimo tako, da uporabimo kondenzator in dodatno navitje, ki ju vežemo vzporedno z glavnim navitjem. Kondenzator zavrti fazo električnega toka v dodatnem navitju, zaradi katerega se tak motor obnaša kot navidezni dvofazni elektromotor. Zaradi pojava dveh faz se ustvari vrtilno magnetno polje in motor se zavrti.

2.3.5.1 Karakteristika in klasična priključitev asinhronih elektromotorjev Ob priključitvi asinhronskega elektromotorja na omrežje se prične magnetno vrtilno polje vrteti z vrtilno frekvenco omrežja, število vrtljajev rotorja pa je nič. Elektromotor je v kratkem stiku, kar pomeni, da je zagonski tok velik. To v skrajnem primeru lahko povzroči padec napetosti na omrežju ali izklop zaradi zaščite. Zato lahko direktno priklapljamo le elektromotorje majhnih moči. Za zmanjšanje zagonskih tokov uporabljamo naslednje možnosti:

- zagon zvezda trikot, - mehki zagon in - frekvenčni pretvornik.

Najstarejša in še vedno pogosta metoda za zmanjšanje zagonskega toka je preklop zvezda trikot. Elektromotor zaženemo z navitji, zvezanimi v zvezdo. V tem primeru je stičišče navitij na potencialu nič in posamezna navitja čutijo zmanjšano napetost 230 V. Ta napetost je nižja od napetosti vezave v trikot. Zagonski tokovi so manjši, ker je tudi napetost manjša. Ko se elektromotor zavrti, pa s časovnim relejem ali ročno izvedemo preklop na vezavo trikot.

49

V ta namen je elektromotor priklopljen na električno omarico s šestimi vodniki in ozemljitvijo, po trije vodniki se uporabljajo za vsako priključitev. Smer vrtenja asinhronega elektromotorja je odvisna od smeri vrtenja magnetnega vrtilnega polja. To je odvisno od tega, kako so zunanji vodniki priključeni na sponke statorskih navitij. Če zamenjamo dva vodnika, se smer vrtenja obrne. Karakteristika asinhronega elektromotorja navor/vrtilna frekvenca je prikazana na sliki spodaj (levo). Pri tem je pomemben predvsem približno linearen del od nazivne vrtilne frekvence pa do zdrsa približno 10 %. V tem delu se navor linearno povečuje z zdrsom. Če se obremenitev še naprej povečuje (zdrs povečuje), se navor zmanjša in motor se ustavi. Karakteristika asinhronega elektromotorja v odvisnosti od obremenitve je prikazana na sliki spodaj (desno). Slika spodaj (desno) prikazuje samo del, kjer se zdrs linearno povečuje in navor ne preseže zgoraj omenjenega največjega navora. V tem področju je tudi točka največjega izkoristka elektromotorja.

Slika 32: Karakteristika trifaznega asinhronega elektromotorja.

2.3.5.2 Pogon asinhronih elektromotorjev s frekvenčnim pretvornikom V industriji se pogosto pojavlja potreba po spreminjanju vrtilne frekvence elektromotorjev, npr. za pogon trakov in pakirnih linij z različno hitrostjo, za pogon črpalk, ventilatorjev za spreminjanje pretoka itd. Slika frekvenčnega pretvornika je prikazana na sliki zgoraj. Frekvenčni pretvornik je naprava, katera se uporablja za spreminjanje vrtilne frekvence trifaznih asinhronskih elektromotorjev. Frekvenčni pretvornik nam omogoča, da s spreminjanjem frekvence in napetosti reguliramo oziroma krmilimo asinhronski elektromotor. Spreminjanje frekvence in napetosti pri

krmiljenju za linearna bremena poteka po funkciji 𝑈𝑓⁄ = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡, zato je

primeren tudi za mehki zagon asinhronskega elektromotorja.

50

Za natančno regulacijo vrtilne frekvence elektromotorjev za uporabo pri npr. pozicioniranju in obratovanju pri različnih spremenljivih obremenitvah pa izberemo frekvenčni pretvornik ki omogoča vektorsko regulacijo (1 % odstopanja vrtilne frekvence od želene). Za še večjo natančnost pa uporabimo frekvenčni pretvornik z vektorsko regulacijo in povratno vezavo, na katero vežemo impulzni dajalnik (uporabimo zaznavalo kota zavrtitve rotorja elektromotorja za do 0,1 % odstopanja od želene vrtilne frekvence).

Slika 33: Delovanje frekvenčnih pretvornikov. Levo: vgradnja frekvenčnih pretvornikov v sistem priključitve elektromotorja, desno: generacija sinusnega signala poljubne frekvence s PWM metodo (pulznoširinska metoda, angl.: pulse width method), zgoraj želeni sinus in nosilni signal, spodaj izhodni signal.

V kolikor asinhronski elektromotor preide v generatorski način, je potrebno priključiti dodatni upor na frekvenčni pretvornik da se generirana energija sprosti na dodatnemu uporu. Frekvenčni pretvorniki omogočajo spreminjanje vrtilne frekvence elektromotorjev in naprav, ki jih ti elektromotorji poganjajo. Ob tem je potrebno spomniti na funkcijsko odvisnost spreminjanja moči porabnika v odvisnosti od vrtilne frekvence (slika spodaj). Za pogon proizvodnih trakov je moč linearno sorazmerna vrtilni frekvenci. Za pogon črpalk, kompresorjev in ventilatorjev, pa se potrebna moč spreminja s tretjo potenco vrtilne frekvence.

51

Slika 34: Delovanje frekvenčnih pretvornikov. pogon različnih bremen

2.3.6. Sinhroni elektromotorji

Pri sinhronskih elektromotorjih se rotor vrti z enako vrtilno hitrostjo, kot vrtilno magnetno polje. Rotor je zasnovan kot večpolni elektromagnet, napajan z enosmernim tokom ali pa trajni magnet (za manjše elektromotorje). Sinhronski elektromotorji imajo zaradi svojih lastnosti od obremenitve praktično neodvisno vrtilno hitrost (t.i. trda karakteristika) in se uporabljajo za aplikacije, kjer je zahtevana konstantna hitrost vrtenja (npr. navijalni stroji, močno obremenjeni pogoni, časovni mehanizmi, generatorji v elektrarnah, motorji v črpalnih elektrarnah, itd). Tak elektromotor sam ne more steči, zato je za zagon potreben zunanji pogon, ki ga pred vključitvijo na električno omrežje zavrti do sinhronske hitrosti, ki jo narekuje omrežje. Če je tak elektromotor mehansko preobremenjen, pade iz sinhronizma in se ustavi. Na enak način kot sinhronski elektromotorji so zasnovani tudi sinhronski generatorji, ki so danes najpogostejša oblika generatorjev v večjih elektrarnah.

2.4 Transformatorji

Transformator je statična električna naprava, ki preoblikuje (transformira) električno energijo ene izmenične napetosti in enega izmeničnega toka v električno energijo druge izmenične napetosti in drugega izmeničnega toka iste frekvence. Transformator je tuljavi podoben električni stroj. Ima vase zaključeno jedro, ki omogoča magnetni pretok z majhnimi izgubami. Na jedro sta naviti dve tuljavi. To sta primarna in sekundarna tuljava oziroma primarno in sekundarno navitje. Skozi primarno navitje teče električni tok, ki inducira magnetni pretok skozi vase zaključeno jedro. Zaradi spreminjanja magnetnega pretoka se v sekundarnem navitju inducira električna napetost.

52

Slika 35: Transformator, primarno navitje ima število ovojev N1, sekundarno pa N2. Po jedru transformatorja se ustvari magnetni pretok, katerega sprememba inducira napetost in tok v sekundarnem navitju.

S transformatorjem spreminjamo električno napetost na sekundarni strani, ki je odvisna od števila ovojev

𝑈1

𝑈2=

𝑁1

𝑁2 . (28)

Če predpostavimo, da na transformatorju ni izgub moči in ker je moč produkt napetosti in toka, velja tudi

𝐼2𝐼1

=𝑁1

𝑁2 . (29)

Gornji enačbi zanemarjata izgube, do katerih v transformatorju vseeno pride. Izgube v transformatorju so posledica upornosti navitij, vrtinčnih tokov v jedru in potrebnega dela za premagnetenje jedra (histerezne izgube). Na sliki spodaj je transformator HE Vrhovo.

53

Slika 36: Transformator HE Vrhovo pretvarja napetost generatorja 6,3 kV v napetost prenosnega omrežja 110 kV

Upornost navitij zmanjšamo s povečanjem preseka vodnika, kar pa dvigne ceno transformatorja. Vrtinčne tokove zmanjšamo z lameliranjem jedra, zato je jedro videti sestavljeno iz vzporednih plošč. Delo za premagnetenje jedra zmanjšamo z uporabo ustreznega materiala. Energetske transformatorje uporabljamo zato, da z njim v elektrarnah dvignemo napetost na napetost prenosnega omrežja. Sočasno z dvigom napetosti se zmanjša tok na sekundarnem navitju za isti faktor. Za ta kvadrat tega faktorja se znižajo izgube pri prenosu energije po omrežju.

2.5 Krmiljenje in regulacija

Krmiljenje in regulacija sta procesa, s katerima zagotavljamo izhodno vrednost izbrane procesne spremenljivke v izbranem intervalu vrednosti. Pogosto želimo, da se krmiljena spremenljivka 𝑦 čim bolj ujema z želeno ali referenčno spremenljivko 𝑥. Npr. temperaturo v kemičnem reaktorju krmilimo ali reguliramo, s čimer zagotavljamo kvaliteto končnega produkta. Krmiljenje in regulacija omogočata avtomatizacijo procesov. Krmiljenje in regulacija se razlikujeta po tem, da uporabljata (regulacija) ali pa ne uporabljata (krmiljenje) povratne zveze. Pri odprtem sistemu (odprtozančni sistem) vodenja sprejema krmilni sistem želene vhodne vrednosti veličin, na svojem izhodu pa daje krmilne signale za vplivanje na proces (slika spodaj). Na izhodne spremenljivke vplivajo vhodne spremenljivke in motilne spremenljivke 𝑧. Motnje vnašajo v krmilni sistem napake, ki se kažejo kot odstopanje dejanske vrednosti krmiljene spremenljivke od želene vrednosti. Odprte sisteme vodenja imenujemo tudi krmilni sistemi. Pri vodenju sistem torej vodimo, ne da bi preverjali, kakšna je vrednost krmiljene spremenljivke na izhodu. Predpostavimo, da bodo razmere ves čas

54

delovanja ostale enake in da ne bo za sistem pomembnih motenj. Zato je običajno cilj krmiljenja vzpostavitev izbranega zaporedja dogodkov (zaporedno vodenje) ali sprememba stanja spremenljivke. Krmiljenje uporabimo, kadar sistem dobro poznamo, redko pričakujemo motnje in kadar ne potrebujemo visokih točnosti krmiljene spremenljivke.

Slika 37: Shema odprtozančnega krmilnega sistema

Primeri krmilnih sistemov so nastavitev klasične klimatske naprave v avtomobilu, delovanje semaforjev, delovanje gospodinjske kuhalne plošče, namakanje travnika, itd. Zaprt sistem vodenja imenujemo regulacijski sistem. Na sliki spodaj je prikazana zgradba zaprtega sistema vodenja. Ta se od odprtega sistema vodenja razlikuje v tem, da dejansko vrednost regulirane veličine merimo in jo posredujemo na vhod sistema. Vrednost odstopanja regulacijskega pogreška 𝐸(𝑡) dejanske vrednosti regulirane spremenljivke 𝑌(𝑡) od želene vrednosti 𝑋(𝑡) posredujemo regulatorju. Ta ima nalogo, da tvori takšen signal, da bo dejanska vrednost regulirane spremenljivke čim prej in s čim manj odstopanji dosegla želeno vrednost regulirane spremenljivke. Regulacijski sistem uporabimo, kadar pričakujemo visoko točnost regulirane spremenljivke in kadar želimo doseči konstantno vrednost izhodne spremenljivke, neodvisno od motenj.

Slika 38: Shema zaprtozančnega regulacijskega sistema

Primeri regulacijskega sistema so avtomatska klimatska naprava v avtomobilu, regulacija temperature v hladilniku, vzdrževanje nivoja tekočine v posodi, vzdrževanje temperature v trdilni komori, sprememba vrtenja elektromotorja glede na potrebe po tlaku črpalke, itd.

55

Poznamo več tipov regulatorjev (slika spodaj). Kateri tip izberemo, je odvisno od vrste procesa, ki ga želimo avtomatizirati in od tega, kako hitro in s kakšno natančnostjo je treba doseči želeno vrednost.

Slika 39: Značilna časovna odziva regulacijskih sistemov 1. reda (levo) in 2. reda (desno)

2.6 Vodenje energetskih sistemov

Vodenje elektroenergetskih sistemov je potrebno, ker pomembno vpliva na

zagotavljanje ravnotežja med proizvodnjo in porabo pri odjemalcih električne

energije (slika 40). Ker se električna energija v električnem omrežju ne more

shranjevati, mora biti proizvodnja v vsakem trenutku enaka porabi električne

energije. Deli elektroenergetskega sistema so usmerjeni v zagotavljanje

stalnosti ravnotežja med odjemom in izvozom na porabni strani ter uvozom in

proizvodnjo na proizvodni strani. Stalnost ravnotežja in tudi ustreznost

delovanja elektroenergetskega sistema se kažeta v zagotavljanju stalne

frekvence električnega omrežja. Odstopanje od ravnovesja se kaže kot

odstopanje od imenske frekvence v električnem omrežju. Povečan odjem

zmanjšuje, povečana proizvodnja pa povečuje frekvenco v električnem

omrežju. Sistemsko krmiljenje se odzove na odstopanje in omogoči izvedbo

ukrepov za vrnitev elektroenergetskega sistema v ravnovesje.

56

Slika 40: Ravnovesje pri vodenju energetskih sistemov

Potrebe po porabi električne energije se v času dneva, tedna ali letnega časa

spreminjajo. Slika 41 kaže povprečen obremenilni diagram porabe električne

energije v času delovnega dneva. Elektroenergetski sistem se mora s

proizvodnjo, uvozom in izvozom prilagajati porabi. Kritje porabe v skladu z

obremenilnim diagramom zahteva ustrezno časovno spreminjanje

proizvodnje. Pri tem je pomembno vedeti, da se vse vrste elektrarn niso

sposobne enako odzvati na potrebe po spremembah proizvodnje električne

energije. Zgornji del obremenitvenega diagrama na sliki 41 je vršni, pokrivajo

ga hidroelektrarne, srednji del je trapezni, pokrivajo ga večinoma

termoelektrarne, in spodnji del je pasovni, pokrivajo ga jedrske elektrarne.

Pomembna je primerjava delovanja jedrskih, termo in hidroelektrarn. Jedrske

elektrarne so namenjene pokrivanju porabe v pasu, saj ves čas delujejo s

konstantno močjo. Termoelektrarne so namenjene tudi pokrivanju potreb po

električni energiji v pasu, večinoma, posebej v Sloveniji, pa zaradi majhnega

elektroenergetskega sistema pokrivanju trapeza in celo vršne energije. Nove

in sodobne jedrske elektrarne so že močno izboljšane s stališča sistemskega

krmiljenja, zato lahko že pokrivajo tudi manjši del sekundarnega krmiljenja, a

to ni njihov namen. Pretirano nihanje moči namreč povzroči manjšo stopnjo

izkoriščenosti goriva, kar pa pomeni višjo lastno ceno proizvedene električne

energije.

Sistem, ki vsebuje akumulacijske vodne elektrarne zadostnih moči, lahko

pokriva spremembe v porabi električne energije v skladu z obremenilnim

diagramom na sliki 41. Pokritje sprememb obremenilnega diagrama z vodnimi

elektrarnami je izvedeno tudi na ekonomičen način, saj so vodne elektrarne

najprimernejše za dinamično prilagajanje proizvodnje porabi. Slovenski

elektroenergetski sistem nima velikih akumulacij, ima večinoma le pretočne

vodne elektrarne z manjšimi urnimi in dnevnimi akumulacijami. Le-te se zato

izrabljajo, kolikor je le mogoče za kritje sprememb pri porabi.

57

Slika 41: Obremenilni diagram porabe električne energije v času delovnega dneva; zgornji del je vršni, srednji del trapezni in spodnji del je pasovni

Termoelektrarne naj bi delovale v pasovnem in trapeznem delu diagrama,

jedrske elektrarne pa samo v pasovnem, kot je prikazano na sliki spodaj.

Zaradi pomanjkanja variabilne energije pa v slovenskem elektroenergetskem

sistemu dobršen del sprememb obremenitev krijejo tudi termoelektrarne.

Slovenija pri pomanjkanju akumulacije hidroelektrarn ni osamljena, npr. v

Belgiji za zmanjšanje konic porabe umetno večajo porabo izven konic npr.

tako, da ponoči osvetljujejo avtoceste.

Manjši elektroenergetski sistemi se združujejo v večje sisteme, ki jih

imenujemo interkonekcije. Delovanje v sistemu interkonekcije nudi

uporabnikom veliko zanesljivost delovanja, odpornost proti motnjam v

sistemu in vzajemno sodelovanje ter pomoč posameznih delov v

interkonekciji. Slovenski elektroenergetski sistem je del evropske

interkonekcije UCTE (združenje za koordinacijo prenosa električne energije,

angl. Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity), ki je združenje

prenosnih električnih omrežij 23 držav kontinentalnega dela Evrope, to je

Evrope brez Združenega kraljestva, Baltskih držav in Skandinavije.

Združevanje elektroenergetskih sistemov v interkonekcije pomeni za vsako

članico poleg večje zanesljivosti delovanja tudi najracionalnejšo obliko

delovanja. Za kakovostno preskrbo svojih odjemalcev bi posamezen

elektroenergetski sistem potreboval neprimerno več rezervnih kapacitet

[Miljavec, 2009].

Hidroelektrarne v elektroenergetskem sistemu so zaželene z vidika pokrivanja

konic v porabi, ker se hitro odzovejo na potrebe v električnem omrežju, ki se

kažejo kot sprememba frekvence električnega omrežja.

58

Hitrost odziva agregatov na večje spremembe obremenitve je predvsem

pomembna pri majhnih elektroenergetskih sistemih v primeru, če izpade del

proizvodnih zmogljivosti. Pri delovanju v interkonekciji za nadomestitev

izpadle moči v prvih trenutkih poskrbe vsi agregati v interkonekciji. Začetna

neodzivnost agregatov se nadomesti s pomočjo kinetične energije vrtečih se

mas delujočih agregatov.

2.7.1 Sistemsko krmiljenje

Osnovo za kakovostno delovanje posameznih sistemov elektroenergetskega

omrežja in interkonekcije je sistemsko krmiljenje, ki ga sestavljajo:

- primarno krmiljenje frekvence,

- sekundarno krmiljenje frekvence,

- terciarno krmiljenje frekvence,

- razbremenjevanje,

- krmiljenje napetosti in

- zagon agregatov brez zunanjega napajanja oziroma otočno delovanje.

Primarno krmiljenje je sistemsko krmiljenje samih agregatov, medtem ko je

sekundarno krmiljenje krmiljenje centra vodenja elektroenergetskega

sistema. Vse večji obseg nekrmiljenih in subvencioniranih obnovljivih virov

energije v evropski interkonekciji, kot tudi v elektroenergetskem sistemu

Slovenije, ima kar nekaj negativnih posledic, kar se odraža v zanesljivosti

delovanja sistema. Dinamika in obseg medsebojnih izmenjav energije v celotni

interkonekciji se povečujeta, kar povečuje potrebo po obsegu sistemskih

storitev. Hkrati subvencioniranje obnovljivih virov energije povzroča na trgu

nevzdržno zniževanje cen električne energije, kar povzroča konvencionalnim

proizvajalcem finančne težave in celo zapiranje konvencionalnih sistemskih

virov električne energije. Ob vse večjih tehničnih potrebah po sistemskem

krmiljenju je tako primernih in razpoložljivih sistemskih virov vse manj, kar

zvišuje cene sistemskih storitev in slabša njihovo kakovost.

Slovenski elektroenergetski sistem je majhen, zato je v njem težko vedno

zagotoviti potrebne sistemske storitve.

2.7.2 Primarno krmiljenje frekvence

Primarno krmiljenje je krmiljenje agregatov brez posegov centrov vodenja

posameznih sistemov ali interkonekcije. Agregat v primarnem krmiljenju

reagira na spremembo frekvence električnega omrežja, ki je posledica razlik

med proizvodnjo in porabo v električnem omrežju. Primarno krmiljenje sodi v

sklop tako imenovane vrteče rezerve, ki jo zagotavljajo vsi na električno

omrežje priključeni agregati z delovanjem v delovni točki, ki omogoča

59

ustrezne spremembe trenutne moči. To pomeni, da agregati ne delujejo na

polni moči ali na minimalni moči. To storitev morajo zagotavljati vsi veliki

proizvajalci elektrike, priključeni na električno omrežje. Primarno krmiljenje

deluje na sekundni časovni skali. Primarno krmiljenje frekvence ne zagotavlja

odpravljanja razlike med referenčno in dejansko vrednostjo frekvence,

zagotavlja pa točno določeno spremembo oddane delovne moči. Največje

predvideno kvazistacionarno odstopanje frekvence v interkonekciji ne sme

preseči ±180 mHz, največje dinamično odstopanje pa ne sme preseči

±800 mHz [Obratovalni priročnik UCTE, 2009]. Takšen odziv frekvence

električnega omrežja ustreza nenadni spremembi moči za ±3000 MW kjerkoli

v interkonekciji. V primerih, ko se frekvenca spusti pod 49 Hz, se začne proces

razbremenjevanja, to je odklapljanja velikih porabnikov [Hrovatin, 2009].

Zahteve in potrebe za primarno krmiljenje so v celoti podane v Obratovalnem

priročniku UCTE. V predvidenem odstopanju frekvence električnega omrežja

mora vsako območje krmiljenja v interkonekciji prispevati določen delež moči

k odpravljanju neravnotežja proizvedene moči. S strani UCTE zahtevana

primarna rezerva krmiljenja, ki mora biti na voljo v vsakem območju

krmiljenja, mora biti izkoristljiva najkasneje v 30 s.

2.7.3 Sekundarno krmiljenje frekvence

Sekundarno krmiljenje frekvence je storitev, ki je namenjena izravnavanju

izmenjav po motnjah v sistemu. Po nastopu posamezne motnje vsi delujoči

agregati v bližini motnje reagirajo na spremembo, kar se zgodi v okviru

primarnega krmiljenja. Primarno krmiljenje ne upošteva državnih meja in

predvidene izmenjave med sosednjimi sistemi, zato se takoj po motnji in po

delovanju primarnega krmiljenja pretok energije na mednarodnih daljnovodih

spremeni. Prav tako primarno krmiljenje zaradi svoje narave povzroči

določeno napako v krmiljenju, zato se na novo vzpostavljena frekvenca

razlikuje od želene vrednosti. Najkasneje v 30 s po nastanku motnje mora zato

začeti delovati sekundarno krmiljenje, ki mora pokriti odstopanja izmenjav in

popraviti odstopanje frekvence. Odstopanje izmenjav in odstopanje frekvence

morata biti izvedeni najkasneje v 15 min [Miljavec, 2009].

Delovanje sekundarnega krmiljenja vodi centralno krmiljenje, ki deluje pri

operaterju prenosnega elektroenergetskega sistema. Na to krmiljenje so

priključene vse enote, ki sodelujejo v sekundarnem krmiljenju. Moč za

sekundarno krmiljenje zagotavljajo agregati, priključeni na električno omrežje

v okviru svoje vrteče rezerve.

60

2.7.4 Terciarno krmiljenje frekvence

Terciarno krmiljenje frekvence je storitev, ki je namenjena nadomestitvi

uporabljene rezerve moči za sekundarno krmiljenje. Terciarno krmiljenje

imenujemo tudi minutna rezerva. Terciarno krmiljenje omogoča vzpostavitev

normalnega stanja rezerv pri krmiljenju frekvence v električnem omrežju. Po

delovanju primarnega in sekundarnega krmiljenja se namreč trenutne moči

agregatov, ki v primarnem in sekundarnem krmiljenju sodelujejo, spremenijo.

Tako vključeni agregati ne zmorejo več zagotavljati zadostne rezerve. Takrat

se vključijo enote, ki sodelujejo v terciarnem krmiljenju, in prevzamejo del

obremenitve enot, ki so preobremenjene v sekundarnem krmiljenju. S tem se

sprosti zahtevana rezerva v enotah v sekundarnem krmiljenju. V terciarnem

krmiljenju sodelujejo agregati, priključeni na električno omrežje v okviru

vrteče rezerve, pa tudi agregati, ki se lahko v 15 min sinhronizirajo z

električnim omrežjem in proizvedejo potrebno električno moč. V terciarno

krmiljenje vključeni agregati morajo biti sposobni nadomestiti izpad največje

enote v krmiljenem območju. Rezervo za terciarno krmiljenje lahko omogočijo

tudi porabniki električne energije, ki se odzovejo z zmanjšanjem porabe.

Tipična elektrarna v Sloveniji, ki je namenjena terciarnemu krmiljenju, je

Termoelektrarna Brestanica.

2.7.5 Razbremenjevanje

Razbremenjevanje elektroenergetskega sistema je proces izklapljanja

odjemalcev električne energije v elektroenergetskem omrežju. Do procesa

razbremenjevanja pride, ko v sistemu ni več na voljo dovolj sistemskih rezerv,

ki bi proizvodnjo lahko izenačile s porabo. Razbremenjevanje se začne, ko

frekvenca v električnem omrežju pade pod 49 Hz.

Dolgoletne delovne izkušnje kažejo, da je mnogo večja škoda povzročena z

razpadom posameznih sistemov ali celo z razpadom interkonekcije, kot pa z

razbremenjevanjem in nadaljevanjem delovanja z zmanjšanimi

obremenitvami.

2.7.6 Krmiljenje napetosti

Sistemska storitev krmiljenja napetosti je namenjena vzdrževanju napetostnih

razmer v elektroenergetskem sistemu znotraj določenih mej. Pri krmiljenju

napetosti sodelujejo vse elektrarne, ki so priključene na visokonapetostno

omrežje 110 kV, 220 kV ali 400 kV. Napetost v električnem omrežju krmilimo

s spreminjanjem proizvodnje jalove moči, zato sta krmiljenje napetosti in

jalove moči v osnovi ena storitev. S proizvajanjem jalove moči se lahko

61

zmanjša razpoložljiva proizvodnja delovne moči zaradi omejitev generatorja,

transformatorja ali povezovalnega voda.

Pri krmiljenju napetosti sodelujejo tudi odjemalci. Odjemalci sodelujejo pri

krmiljenju napetosti predvsem z zagotavljanjem ustrezne kompenzacije jalove

energije.

2.7.7 Zagon agregatov brez zunanjega napajanja

Pri razpadu sistema izpadejo vsi napajalni viri v električnem omrežju. Storitev

zagona agregatov brez zunanjega napajanja je sistemska storitev, ki je

namenjena ponovni vzpostavitvi električnega omrežja po morebitnem

razpadu električnega omrežja. Zagon agregatov brez zunanjega napajanja

imenujemo tudi črni zagon. Za zagon električnega omrežja brez zunanjega

napajanja so ustrezni agregati sposobni brez zunanjega napajanja vzpostaviti

take pogoje, da je možna ponovna vzpostavitev električnega omrežja. Ko

deluje samo en agregat in je nanj priključeno ustrezno majhno število

porabnikov, takšno delovanje imenujemo otočno delovanje. Kasneje se lahko

na tako električno omrežje priključijo novi agregati in novi porabniki.

62

3. Strojništvo

3.1 Materiali1

Gradiva ali materiali so snovi, ki jih ljudje uporabljamo za gradnjo strojev in zgradb, kakor tudi kot nadomestilo telesnih delov (implantati) ali za umetniške upodobitve. V nekaterih primerih postane neka snov gradivo samo zaradi ene same izjemne lastnosti: Naj navedem zgolj en primer: več kot 50 % celotne svetovne proizvodnje bakra se uporablja za električne vodnike, ker ima baker odlično električno prevodnost. V večini primerov je pri izbiri materiala odločilna najboljša kombinacija več lastnosti. Za konstrukcije, ki se dotikajo tal in so pretežno tlačno obremenjene (stavbe, mostovi), je najprimernejši material beton. Če prevladujejo natezne obremenitve, izberemo jeklo. Pri konstrukciji letal je izredno pomembno razmerje trdnost/gostota (specifična trdnost), zato imajo aluminijeve zlitine zaradi manjše gostote prednost pred sicer trdnejšimi jekli. Če letala vozijo z več kot trikratno hitrostjo zvoka, se zunanji sloji segrejejo nad 300 °C. Ker se trdnost aluminijevih zlitin nad 200 °C močno zmanjša, niso primerna za gradnjo takšnih letal. Nadomestijo jih titanove zlitine, ki zadržijo dobre mehanske lastnosti vsaj do 400 °C. V pomoč pri izbiri materialov glede na dve ali več lastnosti si lahko pomagamo z diagrami lastnosti, kot ga prikazuje slika 34.

1 Snov za poglavje 3.1 je vzeta iz: Slavko Božic, Materiali, Šolski center Postojna, 2010

63

Slika 42: Razdelitev tehničnih materialov glede na relativno ceno na enoto prostornine in trdnost

Skali na abscisi in ordinati sta logaritemski, ker se materiali močno razlikujejo po lastnostih. To izvira iz razlik v njihovih kemijskih vezeh, kristalni zgradbi in mikrostrukturi, pri isti vrsti materialov pa tudi zaradi različnih stroškov izdelave po različnih postopkih. Navedeni pojmi bodo podrobneje pojasnjeni v naslednjih poglavjih. Materiali, katerih področja so obkrožena s črtkano črto, lahko obremenimo le s tlačnimi obremenitvami. Neka snov, ki ima primerne tehniške lastnosti, še ne postane material, če ne izpolni dodatnih zahtev. Imeti mora sposobnost, da iz nje z nekim izdelovalnim postopkom (litjem, preoblikovanjem, stiskanjem in sintranjem ali z odrezovanjem) izdelamo dele kompliciranih oblik. Poleg tega mora imeti sposobnost spajanja z varjenjem, spajkanjem, lepljenjem … Naslednji pogoj je gospodarnost. Kljub temu da imajo nekatere snovi odlične tehniške lastnosti, se ne uporabljajo kot materiali, ker so predragi. Pri opredelitvi gospodarnosti moramo upoštevati vse stroške. Če lahko nek poceni material izdelamo le z dragim izdelovalnim postopkom, bo lahko manj gospodaren kot sicer dražji material, ki ga lahko izdelamo s cenenim postopkom. Glede na vedno večjo zahtevano skrb za okolje je potrebno upoštevati tudi stroške, ki jih imamo z recikliranjem ali odlaganjem. V osnovi delimo materiale v tri skupine:

- kovina (to so tehnično čiste kovine in zlitine …), - keramika (keramična stekla, kristalna keramika …) - polimeri (elastomeri, termoplasti in duroplasti).

64

Kovine lahko razdelimo na železne in neželezne kovine, kot kaže slika 35. Kovine se lahko mešajo in tvorijo zlitine. Pogosto zlitine izboljšajo nekatere lastnosti sestavin.

Slika 43: Razdelitev kovin na železne in neželezne kovine

Osnovne lastnosti kovinskih materialov so dobra toplotna in električna prevodnost, preoblikovalnost, odpornost proti lomu in kovinski sijaj. Keramična gradiva so slabi električni in toplotni prevodniki, imajo visoko tališče, velik modul elastičnosti, veliko trdoto ter so zelo krhki. Polimerni materiali imajo majhno gostoto, nizko tališče, so slabi toplotni in električni prevodniki, v primerjavi s kovinskimi in keramičnimi gradivi imajo majhno trdnost. Potrebno je poudariti, da lahko lastnosti v vsaki skupini materialov dosegajo vrednosti v razmeroma širokih mejah in da se lahko deloma prekrivajo tudi z lastnostmi drugih skupin. Kadar vsaj dva različna materiala združimo, dobimo kompozit. Kompozitni materiali imajo to prednost, da lahko njihove lastnosti vnaprej napovemo in jih tudi »prikrojimo« za točno določen namen uporabe. Nekatere značilne uporabe različnih materialov so podane v tabeli 2. Tabela 2: Značilne uporabe različnih materialov.

Material Uporaba Značilna lastnost Kovinski materiali

Baker električni vodnik dobra električna prevodnost

Siva litina bloki avtomobilskih motorjev

dobra livnost, odrezovalnost,

velika dušilnost, poceni

Jeklo orodja trdo, žilavo, obdrži dobre trdnostne

lastnosti do 600 °c

Keramična gradiva

SiO2-Na2O-Cao okensko steklo prepušča vidno svetlobo, toplotna

izolacija

65

Al2O3, MgO, SiO2 ognjevzdržni material za taljenje

majhna toplotna prevodnost,

kovin odpornost proti visokim

temperaturam, ne reagirajo s

tekočimi kovinami

Barijev titanat uporaba v avdio napravah pretvarja zvok v elektriko

Polimerna gradiva

Polietilen pakiranje živil enostavno oblikovalen v tanke in

gibke neprodušne folije

Epoksidne smole nosilec integriranih vezij električno neprevodne, odporne

proti vlagi fenolne smole adheziv trdne, odporne proti vlagi

Kompozitna gradiva

Grafit-epoksidna smola deli letal veliko razmerje trdnost/masa

(velika specifična trdnost)

Volframov karbid – kobalt

rezalna orodja za odrezovanje

velika trdota ob sorazmerno dobri

(karbidna trdina) odpornosti proti toplotnim šokom

Lastnosti materialov določa njihova notranja zgradba ali drugače povedano: s spreminjanjem notranje zgradbe lahko spremenimo lastnosti materialov. Toda kaj spada v notranjo zgradbo materialov? To so elektronska zgradba, kristalna zgradba in mikrostruktura. Elektronska zgradba nam pove, katera stanja zasedajo elektroni v materialu. V veliki meri določa električne in magnetne lastnosti materialov, pomemben vpliv ima tudi na razporeditev atomov v prostoru in na mehanske lastnosti. O kristalni zgradbi govorimo, kadar so atomi urejeno razporejeni v prostoru. To je zelo pogosto, saj je kristalno stanje navadno ravnotežno stanje snovi. S primernimi izdelavnimi tehnologijami lahko dosežemo tudi steklasto ali amorfno stanje, kjer pa so atomi razporejeni v prostoru popolnoma neurejeno. Mikrostruktura je realna zgradba, za katero je značilno odstopanje od pravilne kristalne zgradbe z določenimi napakami, ki jih ne moremo opazovati s prostim očesom, temveč z uporabo mikroskopov. V tehnični praksi lahko močno vplivamo na mikrostrukturo materialov predvsem s primerno izbiro kemijske sestave materiala in s postopkom izdelave.

66

3.1.1 Preizkušanje materialov

Postopke preizkušanja ali preiskav materiala izvajamo z namenom, da ugotovimo najpomembnejše lastnosti materiala in sicer:

- kontroliramo kvaliteto materiala in določamo njegove lastnosti pred uporabo (primerjava zahtevanih in realnih lastnosti, izločitev materiala pred nadaljevanjem obdelave – zmanjševanje stroškov in izmeta), - iščemo in odkrivamo napake v materialu in na že izgotovljenih strojnih delih in napravah, preizkušanje materiala je tudi vir podatkov za konstruiranje in razvoj konstrukcij ter tehnoloških postopkov, - preizkušanje pa je tudi osnova znanstvenega raziskovanja na področju materialov.

Glede na lastnosti, ki jih želimo spoznati, uvrščamo preizkušanje v naslednje skupine:

- mehanski preizkusi, tehnološki preizkusi, - fizikalno - kemični preizkusi, - preizkusi brez porušitve/okvare materiala, metalografske ali mikrostrukturne preiskave, - varilni preizkusi (v bistvu tehnološki preizkus, vendar specifičen).

3.1.1.1 Mehanski preizkusi Mehanski preizkusi so preizkusi, pri katerih vzorec ali preizkušanec s posebnimi napravami deformiramo ali porušimo. Glede na različne kriterije mehanske preizkuse delimo v več skupin. Po načinu obremenjevanja:

- Statični preizkusi; tu deluje mirujoča ali zelo počasi in enakomerno naraščajoča obremenitev; - Dinamični preizkusi; deluje sunkovita, udarna, nihajoča ali menjajoča obremenitev.

Po trajanju obremenitve: - Kratkotrajne preizkuse; preizkusi trdnosti, trdote …; - Dolgotrajne preizkuse; trajni statični in trajni dinamični preizkusi.

Po temperaturi preizkušanja: - Preizkuse v hladnem stanju, to je pri normalni temperaturi; Preizkuse v vročem stanju, tudi do 1000°C; - Preizkuse pri nizkih temperaturah; do -200°C (za hladilno tehniko, letalstvo …).

Ključno pa je tudi dobro poznavanje definicije nekaterih mehanskih lastnosti, kot na primer:

- Trdota je odpornost materiala proti razenju. Odvisna je predvsem od jakosti kemijske vezi. - Trdnost: Maksimalna natezna trdnost je enaka maksimalni natezni napetosti v področju plastičnosti materiala. Zlomna trdnost je vrednost natezne napetosti pri raztezku, pri katerem pride do zloma materiala.

67

- Žilavost je lastnost materialov, da se težko zlomijo, ko nanje delujejo zunanje sile. Največkrat je povezana z odpornostjo materiala proti udarcem (udarna žilavost) ali pa z odpornostjo materiala proti napredovanju razpok (lomna žilavost). Žilavost materiala je sorazmerna s površino pod krivuljo σ - ε : čim večja je ta površina, tem večja je žilavost. - Elastičnost je neposredno povezana z elastičnim modulom: čim manjši je elastični modul, tem večja je elastičnost materiala. - Duktilnost je povezana z vrednostjo raztezka pri zlomu materiala (kovine). Več kot se material raztegne, preden se zlomi, bolj je duktilen.

V nadaljevanju si poglejmo najpomembnejše mehanske preizkuse. Natezni preizkus Natezni preizkus pri sobni temperaturi definira standard EN 10002-1:1990+AC1:1990. Z nateznim preizkusom ugotavljamo napetosti v materialu med obremenitvijo. Potek preizkusa: Preizkušanec obremenimo s silo. Obremenitev na enoto površine imenujemo napetost σ. Med potekom povečevanja obremenitve se mu spremeni oblika – govorimo o deformaciji. Deformacija nastane v dveh smereh. V smeri dolžine jo imenujemo vzdolžna deformacija ali relativni raztezek, v prečni smeri pa prečna deformacija ali kontrakcija. Deformacije so lahko elastične, ki po razbremenitvi izginejo ali pa plastične, ki po razbremenitvi ostanejo. Diagram napetost – raztezek (σ-ε), ki je predstavljen na sliki nam pokaže obnašanje materiala pri nateznem preizkusu.

Slika 44: a) Natezni preizkus; b) Krivulja natezne imenske napetosti glede na začetni prerez S0

Raztezek merimo na srednjem delu preizkušanca. Z meritvijo raztezka in kontrakcije lahko ocenimo preoblikovalne sposobnosti materiala. Pri preizkušanju se moramo ravnati po predpisanem standardu, kjer je določena

68

velikost, natančnost in kvaliteta preizkušanca, način preizkušanja ter način vrednotenja rezultatov. Natezne preizkuse izvajamo na nateznem stroju, ki je sestavljen iz stabilnega okvirja z delovnim cilindrom, ter pulta z manometrom za merjenje obremenitve, lahko v povezavi z računalnikom. V diagramu brez izrazite napetosti tečenja prehod iz področja elastičnosti ni izrazit – glej sliko – točka b, zato je dogovorjen prehod pri dogovorni napetosti tečenja Rp0,2. Plastična deformacija se začne ob prehodu epruvete v odebeljeni del. Tam se material utrdi, zato se plastično deformira področje ob njem. Plastična deformacija pri konstantni napetosti se nadaljuje vse dotlej, dokler se ne deformira material po celotni merilni dolžini. Lastnosti posameznih parametrov v diagramu:

- Natezna trdnost Rm je največja napetost, ki jo vzdrži preizkušani material.

𝑅𝑚 = 𝐹𝑚

𝑆0 [𝑁/𝑚𝑚2] (30)

- Meja proporcionalnosti Rpr je največja napetost, do katere je razmerje med raztezkom in napetostjo nespremenjena konstanta. - Modul elastičnosti E je razmerje med razliko dveh napetosti in ustreznim raztezkom v elastičnem območju.

(31)

- Napetost tečenja Rp je tista napetost pri kateri opazimo prvo močno trajno raztezanje. Naravna napetost tečenja je značilna za mehka jekla, ko obremenitev med postopkom zastane ali celo pade. - Neizrazita napetost tečenja Rp0,2 je napetost, ki po razbremenitvi pusti na materialu 0,2 % trajnega raztezka. - Elastična napetost Relast je tista mejna napetost v materialu, do katere še ne nastopi plastična sprememba oblike. Definirana je kot napetost, pri kateri je dovoljeni raztezek do 0,01 % merilne dolžine (Rp0,01) oz. do 0,005 % merilne dolžine (Rp0,005) za natančnejše meritve.

V tehniki nas zanima predvsem prehod v področje makroplastičnosti. V diagramu brez izrazite napetosti tečenja ni jasnega prehoda, zato je bilo sklenjeno, da je ta pri dogovorni napetosti tečenja Rp0,2, torej pri napetosti, ki povzroči trajno deformacijo ε = 0,2 %. (pri L0 = 100 mm je to pri L = 0,2 mm). Raztezek ali podaljšek A je razlika med merilno dolžino preizkušanca pri določeni obremenitvi in njegovo začetno dolžino. Za praktično uporabo se navaja ε v %.

69

Kontrakcija ali zoženost Z je zožitev prečnega prereza preizkušanca (maksimalna v primeru točke pretrga). Izračunamo jo iz primerjave geometrijskih podatkov začetnega prereza in prereza po pretrgu. Kvalitativno razlago nekaterih točk v diagramu σ-ε nam prikazuje slika 37.

Slika 45: Tipičen prikaz diagrama σ-ε

Trajni mirujoči preizkus Lezenje je časovno odvisna deformacija. Pojavi se, ko je temperatura višja od 0,4·Tt (absolutnega tališča kovine – v K), napetosti v materialu pa so manjše od napetosti tečenja pri tisti temperaturi. V takih razmerah se zaradi toplotno aktiviranih procesov, ki potekajo v njem, s časom deformira – trajna deformacija se s časom povečuje, čeprav je obremenjen s konstantno silo (lahko tudi napetostjo). Pri preizkusu lezenja (trajnem mirujočem preizkusu) dobimo krivuljo lezenja, na kateri je prikazana odvisnost stopnje deformacije preskušanca od trajanja preizkusa (slika 38). Preizkus izvajamo pri konstantni temperaturi ter obremenitvi preskušanca. Na njej so običajno tri področja:

- primarno lezenje, hitrost deformacije s časom pojema, - sekundarno lezenje, hitrost deformacije se s časom ne spreminja – je konstantna, - terciarno lezenje, hitrost deformacije s časom narašča in končno privede do loma preskušanca.

70

Slika 46: Krivulja lezenja

Pri preizkusih lezenja ugotavljamo časovno trdnost materiala, ki jo označimo z Rm/T/t. To je napetost, ki pri temperaturi T povzroči porušitev po času t. Časovna napetost tečenja Rpx/T/t je tista, ki pri temperaturi T povzroči trajno deformacijo x odstotkov po času t. Preizkus udarne žilavosti Materiali, ki se uporabljajo za gradnjo strojev, prevoznih sredstev..., so pogosto izpostavljeni udarnim obremenitvam, ki povzročijo velike deformacijske hitrosti. Pri tem se trdnostno in lomno obnašanje večine gradiv bistveno spremeni. Mnogi materiali se pri statičnih oziroma počasi naraščajočih obremenitvah prelomijo žilavo, pri udarnih pa krhko. Pri udarnih obremenitvah se predvsem zmanjša žilavost materiala, kar se odraža v makroskopsko krhkem lomu – brez opazne plastične deformacije na mestu loma. Poleg povečane hitrosti deformacije povečujeta nagnjenje h krhkemu lomu še nizka temperatura in večosno napetostno stanje. Izredno velik vpliv na pojav krhkega loma ima koncentracija napetosti ob zarezah, zato praviloma izvajamo udarne preizkuse na vzorcih z zarezo. Posebej moramo poudariti, da lomna varnost konstrukcijskega elementa ni odvisna le od zunanjih dejavnikov, temveč tudi od stanja materiala (hladno preoblikovan, toplotno obdelan ...).

3.1.1.2 Merjenje trdote Trdota je lastnost materiala, ki je definirana na več načinov. Po eni izmed osnovnih definicij je to odpornost materiala proti vdiranju tujega telesa skozi njegovo površino. Za kovine je praviloma primernejša naslednja definicija: »Trdota je odpornost materiala proti lokalni plastični deformaciji«. Merjenje trdote je praktično zelo uporabna metoda, saj z njo ugotavljamo kvaliteto

71

toplotne obdelave, vendar na osnovi trdote ne moremo dimenzionirati strojnih oziroma konstrukcijskih elementov. Merjenje trdote po Brinellu in Vickersu Merjenje trdote po Brinellu in Vickersu je zelo podobno, zato bomo obe metodi obravnavali skupaj. Za merjenje trdote po Brinellu uporabljamo kot vtiskalno telo kroglico iz karbidne trdine, medtem ko je pri Vickersovi metodi vtiskalno telo štiristrana diamantna piramida z vršnim kotom 136°. Pri obeh metodah s konstantno silo vtiskujemo vtiskalno telo v površino preskušanca in povzročimo lokalno plastično deformacijo materiala. Po razbremenitvi izmerimo premer vtiska (Brinell) oziroma dolžini obeh diagonal vtiska (Vickers) ter izračunamo trdoto skladno z ustreznimi izrazi. Z Vickersovo metodo lahko ugotavljamo trdoto poljubnega materiala, medtem ko po Brinellu merimo trdoto materialov do 650 enot. Trdoto izmerjeno po Vickersu in Brinellu navadno navajamo na naslednji način:

- 150 HV 30/20 – trdota po Vickersu je 150 enot, uporabljena sila je bila 30N, čas merjenja 20 s. - 120 HBW 5/62,5/30 – trdota po Brinellu je 120 enot, uporabljena je bila kroglica iz karbidne trdine s premerom 5 mm. Sila je bila 62,5N, čas merjenja pa 30 s.

Materiali se pri hladni deformaciji utrjujejo. Zato je material okoli vtiska trši kot drugod. Zaradi tega morajo biti zaporedni vtiski na primernih medsebojnih razdaljah. Poleg tega se deformira material tudi v globino (v smeri delovanja sile). Za pravilno meritev mora biti debelina preizkušanca dovolj velika v primerjavi z globino vtiska. Če je premajhna, opazimo na spodnji strani sledove merjenja. Na sliki 39 je prikazan prečni prerez in trije vidni vtiski v osnovi aluminijeve zlitine. V bližini vtiskov vidimo površinsko razpoko.

Slika 47: Merjenje trdote po Vickersu

Merjenje trdote po Rockwellu

72

Merjenje trdote po Rockwellu se od merjenja trdote po Vickersu in Brinellu razlikuje predvsem po tem, da merimo globino vtiska. Kot vtiskalno telo se lahko uporablja diamantni stožec z vršnim kotom 120° ali pa jeklena kaljena kroglica. Obstaja cela vrsta metod merjenja trdote po Rockwellu. Najbolj znani sta HRC (C je začetna črka angleške besede cone, ki pomeni stožec) in HRB (B iz ball – kroglica).

3.1.2 Jekla in litine

Lastnosti zlitin so podobne ali se bistveno razlikujejo od lastnosti, ki jih imajo čiste komponente. Veliko število zlitin se lahko tudi toplotno obdeluje. Z ustrezno sestavo in toplotno obdelavo se lahko lastnosti zlitin prilagodijo zahtevam v praksi. Nazoren primer so zlitine železa z ogljikom, ki se imenuje jeklo. Uporabnost čistega železa v praksi je zelo mala. Z dodajanjem ogljika in ostalih legirnih elementov nastane zelo veliko število različnih vrst jekel. Njihove lastnosti se zelo razlikujejo in se uporabljajo na zelo različna področja. Jekla in litine na osnovi železa so še vedno materiali, ki jih v tehniki največ uporabljamo. Nekaj zaradi tradicije, predvsem pa zaradi dobrih mehanskih in tehnoloških lastnosti (trdnost, trdota, žilavost, obstojnost proti obrabi ...) pri sorazmerno nizki ceni. Pomembnost poglavja smo utemeljili, poglejmo, kako se bomo lotili tako obširne snovi. Najprej se bomo seznanili s čistim železom. Ponovili bomo njegove fizikalno-kemične lastnosti in spoznali lastnosti železa pri različnih temperaturah.

Slika 48: Ohlajevalna krivulja čistega železa

Ohlajevalna krivulja čistega železa in pripadajoče kristalne rešetke prikazuje slika 40. Temperaturo smo začeli meriti pri 1700 °C. Tekoče železo se je ohlajalo. Pri temperaturi 1538 °C se je začela kristalizacija in čez nekaj časa se je vse železo strdilo. Nato je začela temperatura ponovno padati do premene Feδ-Feγ pri 1394 °C. Kubična ploskovno centrirana kristalna rešetka Feγ pa ni

73

stalna. V prostorsko se vrača pri temperaturi 912 °C (premena Feγ-Feα). Pri nadaljnjem ohlajanju se tip kristalne rešetke ne spreminja več. Kljub temu govorimo o premeni pri temperaturi 770 °C, vendar gre le za spremembo magnetnih lastnosti. Pod temperature 770 °C postane železo magnetno. Mehanske lastnosti čistega železa so sorazmerno skromne. Tako znaša natezna trdnost Rm med 230 in 350 N/mm2, trdota je okrog 60 HB, razteznost pa kar med 40 in 50 %. Čisto železo je dokaj žilavo, da se dobro kovati in ima magnetne lastnosti.

3.1.2.1 Zlitine železa in ogljika

O uporabnosti železa govorimo šele pri zlitini železa in ogljika. Ogljik je namreč najpomebnejši legirni element za železo in ga najdemo v skoraj vseh tehničnih zlitinah na osnovi železa. Ogljik povečuje železu trdnost in trdoto, zmanjšuje pa žilavost, razteznost in sposobnost za preoblikovanje – preoblikovalnost. Zlitine, v katerih je poleg železa še do 2,11 % ogljika, imenujemo jekla. Imajo dovolj dobro preoblikovalnost, tako da jih lahko kujemo. V jeklih je ogljik kot železov karbid (Fe3C), imenovan cementit. Zlitin, v katerih je več kot 2,11 % ogljika, ne moremo preoblikovati, temveč jih lijemo. Take zlitine imenujemo litine (siva litina, bela litina, temprana litina). V litinah je železo v obliki cementita, grafita ali v kombinaciji obeh. Shematični prikaz razdelitve železa in železovih zlitin nam kaže slika 41.

Slika 49: Razdelitev železa in železovih zlitin

Jekla so tiste železove zlitine, pri katerih je poleg osnovne komponente železa najpomembnejši zlitinski element ogljik. V jeklih je relativno malo ogljika, saj je njegov masni delež navadno manjši kot 1 %, toda kljub temu ima najpomembnejši vpliv na njihove uporabne lastnosti. Najpogostejša so ogljikova jekla. To so jekla, ki poleg železa vsebujejo le ogljik ter manjše količine mangana, silicija in aluminija. Slednje tri elemente dodamo z namenom, da bi zmanjšali ali povsem izničili negativen vpliv nečistoč, kot so žveplo, fosfor, kisik in dušik.

74

Druga skupina jekel so legirana jekla. Ta – za razliko od ogljikovih jekel – vsebujejo še določene količine kroma, niklja, molibdena ali kakega drugega elementa. Posebna legirana jekla, ki so znana kot nerjavna, vsebujejo najmanj 11,5 % Cr. Orodna jekla so posebna vrsta jekel. Namenjena so odrezovanju in oblikovanju kovinskih in nekovinskih materialov v želeno obliko. Nekatera jekla dobijo svojo končno obliko z litjem (jeklena litina), medtem ko večino jekel oblikujemo v končno obliko z gnetenjem (preoblikovanjem) in jih lahko prištevamo h gnetnim zlitinam. Zlitine z večjim deležem ogljika najbolj grobo delimo na bele litine, sive litine ter temprane litine. Katero vrsto litine dobimo je najbolj odvisno od deleža silicija ter od hitrosti ohlajanja. Večji delež silicija in počasnejše ohlajanje stimulirata nastanek sive litine. V beli litini je ogljik vezan v obliki cementita. Zato je zelo trda. Posledično ima veliko obrabno obstojnost in se uporablja v drobilnih mlinih ter za valje s trdo skorjo. Če se v litini, ki vsebuje od 3 do 4 % ogljika, izloči del ogljika v obliki grafitnih lamel, dobimo litino, ki je na prelomu sive barve (grafit) in jo zato imenujemo siva litina. Siva litina je še vedno primerna le za litje, ni pa tako krhka in trda kot bela litina. Sivo litino tudi brez težav obdelujemo z odrezavanjem (stružimo, vrtamo itd.). Zaradi opisanih lastnosti in dobre livnosti je siva litina pri izdelovanju strojev še vedno cenjen material. Temprano litino dobimo pri žarjenju v nevtralni oziroma oksidativni atmosferi, kjer povzročimo razpad cementita v železo in temprani grafit.

3.1.3 Aluminij in aluminijeve zlitine

Aluminij in aluminijeve zlitine so za razne namene najustreznejša gradiva. Naštejmo lastnosti, ki jih uvrščajo tako visoko. Majhna gostota (2699 kg/m3) je pomembna povsod, kjer želimo zmanjšati skupno tezo izdelka (v industriji transportnih sredstev, gradbeništvu, izdelkih za široko uporabo) ali zmanjšati maso hitro gibajočih se delov (bati v motorjih z notranjim izgorevanjem, platišča koles itd.). Dobra električna prevodnost omogoča izdelavo daljnovodnih kablov. Glede na gostoto ima namreč aluminij skoraj dvakrat boljšo električno prevodnost kot baker. Obstojnost proti koroziji pomeni manjše proizvodne stroške, manj vzdrževalnih del in daljšo življenjsko dobo izdelka. Aluminij je odporen proti atmosferskim vplivom, vodi (tudi slani), oljem in nekaterim kemikalijam. Trdnost nekaterih aluminijevih zlitin dosega trdnost konstrukcijskih jekel. Toplotna prevodnost (od 50 do 60 % toplotne prevodnosti bakra) omogoča uporabo aluminija za izdelavo izmenjevalcev toplote pri hladilnikih, zamrzovalnih skrinjah, avtomobilih, klimatskih napravah idr.

75

Zaradi dobre reflektivnosti uporabljamo aluminijaste folije za toplotno izolacijo. Obdelovalnost aluminija je zelo dobra. Pri nekaterih zlitinah bomo spoznali, da so primernejše za obdelavo z odrezavanjem, druge za litje in tretje za preoblikovanje v hladnem. Aluminijeve zlitine uporabljamo, kadar ne zadoščajo lastnosti čistega aluminija. Najpogosteje izboljšujemo mehanske lastnosti. Najboljše mehanske lastnosti dosežemo pri zlitinah AlCu, AlCuNiMg, AlCuMg in AlMgSi, ki jih lahko tudi toplotno obdelamo.

Slika 50: Primer izločevalnega utrjevanja aluminijeve zlitine.

Majhni delci, bogati z legirnim elementom, se sčasoma izločijo na mejah in znotraj kristalnih zrn. Izločanje bakra in magnezija povzroči znatno povečanje trdnosti. Dodatno povečamo trdnost tudi pri toplotno obdelanih aluminijevih zlitinah s hladnim utrjevanjem. S kombinacijo navedenih obdelav lahko dosežemo trdnosti do 550 N/mm2. Pregled nekaterih aluminijevih zlitin bomo strnili v dva dela. V prvem bomo opisali aluminijeve zlitine za gnetenje in v drugem aluminijeve zlitine za litje. Aluminijeve zlitine za gnetenje so legirane predvsem z magnezijem in bakrom. Magnezij povečuje trdnost (ob ustrezni obdelavi) in odpornost proti koroziji. Sočasno pa magnezij zmanjšuje livnost, preoblikovalnost in električno prevodnost aluminija. Baker močno poveča trdnost in zmanjša odpornost proti koroziji. Aluminijeve zlitine za litje temeljijo predvsem na dodatkih silicija. Zlitine aluminija in silicija imenujemo silumini. Silumine odlikuje dobra livnost in

76

obstojnost proti koroziji. Če dodajamo aluminiju poleg silicija še baker, dobimo zlitino, ki ima nekoliko slabšo livnost in korozijsko odpornost, a večjo trdnost. Pri AlCuSi zlitinah vsebnost silicija pogosto presega 12,4 %. Presežek silicija se izloči v obliki primarnih kristalov silicija, ki znatno povečajo obrabno odpornost zlitine. Zlitine aluminija in magnezija so težje livne, vendar odporne proti koroziji morske vode. Aluminij lahko prenaša velike toplotne obremenitve zaradi velike toplotne prevodnosti samega materiala. Čisti aluminij dosega skromne mehanske lastnosti in ni uporaben za nosilne konstrukcije. Material je zato pogosto zlitinski, toplotno obdelan ali utrjen in tako ustreza zahtevanim lastnostim.

3.1.4 Baker in bakrove zlitine

Baker in bakrove zlitine so naslednja skupina neželeznih zlitin. Kljub razmeroma visoki ceni jih tudi danes uporabljamo v mnogih vejah tehnike. Baker in bakrove zlitine odlikuje več lastnosti. Dobra električna in toplotna prevodnost. Največ bakra in bakrovih zlitin porabimo za izdelke, pri katerih sta odločilni ti dve lastnosti. Legirni elementi zmanjšujejo električno, manj pa toplotno prevodnost bakra. Zaradi tega uporabljamo v elektrotehniki predvsem čisti baker z več kot 99,90 % Cu. Obstojnost proti koroziji je druga pomembna kvaliteta bakra in bakrovih zlitin. Sloj bakrovega karbonata, ki nastane na površju, je tako gost, da v večini primerov (okolij) prepreči nadaljnje širjenje korozije. Dobre sposobnosti za predelavo omogočajo plastično preoblikovanje v vročem in hladnem stanju in obdelavo z odrezavanjem. Posamezne skupine bakrovih zlitin so namenjene litju. Tudi baker lahko utrdimo s hladnim preoblikovanjem. Pri tem meja plastičnosti močno naraste (tudi do petkrat). Utrjen material povrnemo v prvotno stanje z žarjenjem. Baker za elektrotehniko vsebuje manj kot 0,1 % nečistoč. Trdnostne lastnosti elektrotehničnega bakra so odvisne od načina predelave oziroma stopnje utrditve. Razen v elektrotehniki in izdelovanju strojev uporabljamo čisti baker kot legirni element pri aluminiju, srebru in zlatu. Pri postopkih galvanske zaščite pred korozijo ga pogosto uporabimo kot vmesni sloj med jeklom in vrhnjim slojem iz niklja, kroma ali srebra. Medi so zlitine bakra s cinkom. Medi za gnetenje lahko preoblikujemo v hladnem in toplem stanju. Stopnja deformiranosti označuje stanje zlitine in s tem tudi njene mehanske lastnosti. Polizdelki so v obliki plošč, palic, pločevine, trakov, profilov, cevi in žice. Medi z večjo vsebnostjo cinka so primernejše za preoblikovanje v vročem, tiste z manj cinka pa za predelovanje v hladnem stanju. Medi za litje vsebujejo poleg cinka še silicij, svinec in kositer. Zaradi svinca imajo zelo dobro obdelovalnost z odrezavanjem.

77

Kositrovi broni za gnetenje vsebujejo od 3 do 10 % kositra. Vsebnost fosforja je omejena na 0,4 %. Imajo večjo natezno trdnost od medi. Kositrovi broni za litje vsebujejo od 11 do 15 % kositra. Aluminijevi broni za gnetenje vsebujejo od 4 do 12 % aluminija, ki izboljša mehanske lastnosti in odpornost proti koroziji tudi pri povišanih temperaturah. Podobno sestavo in lastnosti imajo tudi aluminijevi broni za litje, le da vsebujejo tudi več (do 7 %) železa in niklja. Baker-nikljeve zlitine za gnetenje in litje so uporabne predvsem zaradi obstojnosti proti koroziji v morski vodi. Lahko jih preoblikujemo v hladnem stanju. Dajo se dobro spajati (variti). Baker-nikljeve zlitine uporabljamo za izdelavo cevi, armatur in konstrukcijskih elementov pri kondenzatorjih, izmenjevalcih toplote, uparjevalnikih, napeljavah za slano vodo in drugod. Vsebujejo 5 do 45 % niklja ter železo in mangan.

3.1.5 Magnezij in magnezijeve zlitine

Magnezij in magnezijeve zlitine imajo ob majhni gostoti dobro trdnost, ki jo obdrže tudi pri povišanih temperaturah. V letalstvu, tekstilni industriji in tiskarstvu jih uporabljamo za hitro gibajoče se dele strojev. Majhna teža teh delov bistveno zmanjša obremenitve zaradi vztrajnostnih in centrifugalnih sil. Kljub odlikam porabimo pri izdelovanju strojev le manjši del magnezija. Največ magnezija porabimo za legiranje aluminija. Poleg tega ga uporabljamo še v livarnah sive litine, kjer ga dodajamo v talino tik pred litjem. Precejšen del magnezija uporabljamo še za izdelavo anod pri katodni zaščiti pred korozijo, kot reducent pri proizvodnji kovin (Ti, Zr, Hf, U, Be) in v kemični industriji. Magnezijeve zlitine za gnetenje so običajno legirane z aluminijem in cinkom. Trdnost takšnih zlitin narašča z vsebnostjo aluminija. Nekatere od njih lahko tudi toplotno obdelamo z izločevalnim utrjanjem in umetnim staranjem. Večji del magnezijevih zlitin za gnetenje je namenjen ekstrudiranju v palice in profile.

3.1.6 Svinec

Svinec je kovina z veliko gostoto in odlično odpornostjo proti koroziji. Zlahka jo lijemo in preoblikujemo. Mehanske lastnosti svinca so slabe, saj ima majhno natezno trdnost in trdoto. Svinec uporabljamo za izdelavo akumulatorjev, zaščitnih plaščev za kable, optičnega stekla, cevi, tiskarskih črk, ležajnih zlitin, zlitin z nizkim tališčem, za zaščito pred radioaktivnim sevanjem in pri izdelavi barv. Svinec in svinčeve pare so zdravju škodljivi. Čisti svinec uporabljamo za izdelavo cevi, stekla, zaščite kablov ... Odlikuje ga obstojnost proti koroziji. Natezna trdnost čistega svinca znaša le 12 do 15 N/mm2. Svinčeve zlitine imajo večjo natezno trdnost in trdoto zaradi dodatka antimona, kositra in bakra.

78

3.1.7 Cink

Cink je v tehniki pomemben predvsem zaradi odpornosti proti koroziji. Poleg tega porabimo velik del cinka pri proizvodnji medi (Cu-Zn zlitine) in v drugih zlitinah. Cink, ki ga uporabljamo za protikorozijsko zaščito jeklenih polizdelkov (pločevine, cevi, profilov in oblikovnih kosov), ima čistočo od 97,5 do 99,95 % Zn. Na polizdelke ga nanašamo z galvanskim postopkom ali pa s potapljanjem v kopel raztaljenega cinka.

3.1.8 Keramika

Obstojnost keramike proti obrabi med vsakdanjo uporabo je poleg drugih mehanskih lastnosti – trdote, togosti, tlačne in natezne trdnosti ter žilavosti – velikega pomena. Pri obrabni obstojnosti so pomembne mnoge lastnosti, kot so trdota, žilavost, koeficient trenja med stičnimi površinami, morebitne kemične reakcije zaradi močno povišane temperature in nastanek »triboplasti«, tako da je zelo težko najti enolično povezavo med danimi veličinami. Med keramične materiale spadajo vse nekovinske in anorganske snovi. Keramike so torej vsi kovinski oksidi (Fe2O, Ti02, Al2O3, SiO2), diamant, SiN, SiC ... Anorganske nekovine na splošno slabo prenašajo natezne obremenitve, po drugi strani pa dobro prenašajo tlačne obremenitve, so odporne proti lezenju pri visokih temperaturah, oksidaciji in koroziji in spadajo med toplotne in električne izolatorje. V keramičnih snoveh ni diskretnih molekul, temveč prostorske skupine, ki so sestavljene iz ene ali več vrst atomov. Te skupine so lahko urejene – tvorijo kristalno mrežo, ali neurejene amorfne snovi. Pretežni del keramičnih snovi predstavljajo spojine kovin z nekovinskimi elementi. Najznačilnejše lastnosti keramičnih gradiv so:

- velika tlačna trdnost, - dobra kemična obstojnost, visoko tališče, - majhna električna in toplotna prevodnost, - majhna žilavost in odpornost proti udarcem.

V skupino keramičnih gradiv sodi poleg lončarske keramike in porcelana še klasična tehnična keramika (npr. okrasna in stavbna keramika) ter sodobna tehnična keramika, npr. korundna ali cirkonijeva keramika. Keramični materiali so odporni proti kislinam, zato se pogosto uporabljajo v kemični industriji za izdelavo aparatov in strojnih delov za črpalke, ventilatorje ter mešalnike, za izdelavo rezilnih orodij, vlečnih matric... Toplotna prevodnost običajne keramike pri nižjih temperaturah je zaradi poroznosti manjša. Z zmanjševanjem stopnje kristaliničnosti se toplotna prevodnost zmanjšuje. Pri visokih temperaturah pa velike pore zaradi žarčenja na večje razdalje lahko povečajo toplotno prevodnost.

79

3.1.8.1 Steklo Keramična stekla se uporabljajo kot konstrukcijski material v optiki, ker izotropno prepušcajo vidno svetlobo. Stekla so tudi kemično odporna, zato se uporabljajo za gradnjo raznih aparatov v kemijski industriji in laboratorijskih naprav. Steklo nastane pri neprepočasnem ohlajanju silikatnih talin. Najenostavnejše steklo nastane pri ohlajevanju taline SiO2. To steklo imenujemo kvarčno steklo. Kvarčno steklo je popolnoma prepustno za vidno in ultravijolicno svetlobo. Kvarčno steklo je težko izdelati, ker ima tališce 1713 °C. Temperaturni razteznostni koeficient kvarčnega stekla je prakticno nič, zato lahko brez težav zdrži hitre temperaturne spremembe, vendar je zelo krhko. Žilavost stekla je praktično nična. Napake v steklu povzrocajo velike intenzitete napetosti in prelom stekla pri zelo majhnih obremenitvah. Z zmanjšanjem velikosti steklenih predmetov - npr. premera vlaken – začne natezna trdnost močno naraščati.

3.1.9 Kompozitni materiali

Kompozitni material je mešanica vsaj dveh različnih sestavin ali faz, ki mora izpolnjevati še dodatne kriterije:

- posamezne sestavine mora biti vsaj 5 %; - posamezne sestavine oz. faze morajo imeti bistveno različne lastnosti, tako da ima kompozit drugačne lastnosti od lastnosti posamičnih faz. Zato na primer polimerne materiale z majhnimi dodatki maziv in absorbentov, ki vpijajo ultravijolično svetlobo ipd., ne uvrščamo med kompozite; - umetne kompozite izdelujemo z namenskim dodajanjem in mešanjem sestavin. Zato npr. dvofazne zlitine, pridobljene iz homogene taline ali po toplotnih obdelavah, ne uvrščamo med kompozite.

Kompozitna gradiva so sestavljena iz dveh ali več vrst materialov. Ena od definicij kompozitov je, da so sestavljeni vsaj iz dveh vrst osnovnih materialov: kovin, keramike ali umetnih snovi. Na osnovi te definicije delimo kompozite na kompozite s kovinsko, keramično in polimerno osnovo ali matrico. Matrica običajno predstavlja večinski material, v katerega so vgrajeni drugi materiali. Glede na razporeditev druge faze v matrici delimo kompozite v več skupin skupin: disperzoide, z vlakni ojačane kompozite, laminate in površinske prevleke, perforirane kompozite.

3.1.9.1 Matrica in ojačitev Sestavina, ki je kontinuirna (neprekinjena, zvezna) je matrica. Običajno na kompozit gledamo kot na matrico, ki ji z dodajanjem oziroma vgradnjo druge sestavine izboljšamo lastnosti. Ojačevalna faza je v večini primerov trša, trdnejša in bolj toga, poznamo pa tudi obratno sestavljene kompozite. Vsaj ena od dimenzij oblike delcev ojačevalne faze je majhna – pod 500 m. Ojačevalna faza ima obliko delcev ali obliko vlaken. Delci imajo v vseh treh dimenzijah

80

približno enako velikost. Vlaknata ojačitev ima dolžino znatno večjo od prečnih dimenzij.

3.1.9.2 Kompoziti, ojačeni z vlakni Matrica prenaša obremenitve na vlakna, hkrati jih ščiti pred poškodbami in deluje kot medij za zaustavljanje napredovanja razpok. Vlakna z visokimi trdnostmi so draga, ker jih moramo izdelovati v skrbno krmiljenih pogojih. Tudi razporejanje in impregniranje z matrico morata biti natančno izvedena. Posledica je visoka cena, ki jo lahko zniža le razvoj masovnih proizvodnih postopkov. Glavna prednost kompozitov je v manjši masi konstrukcije. Pomanjkljivost kompozitnih konstrukcij so največkrat velike elastične deformacije, ki so posledica manjše togosti (slika 43).

Slika 51: Vlakna armiranega polimernega kompozita, posneto z elektronskim mikroskopom

V snoveh, ki so utrjene z vlakni, je osnova lahko kovinska, keramična ali polimerna. Vlakna so zvezna ali kontinuirna in prekinjena ali diskontinuirna. Običajno je utrjevalni učinek večji, če je razmerje med dolžino L in premerom d vlaken veliko. Glavna prednost kompozitov s polimerno matrico, je v njihovi majhni gostoti. Prednosti kompozitov s keramično matrico pa večjo lomno žilavost. Keramike so sicer trde in imajo visoko trdnost, toda zaradi velike verjetnosti pojava razpok pride do lomov pri znatno nižjih obremenitvah. Prednost kompozitov s keramično matrico je tudi odpornost na visoke temperature.

3.1.10 Polimeri – umetne mase

Zmanjšanje teže ni edini argument za uporabo umetnih mas. Stroški se zmanjšajo tudi kadar plastika zamenja tradicionalne materiale, npr. jeklo. Nenazadnje pa se lahko proizvajalci z uporabo plastike diferencirajo tudi na področju designa.

81

Polimeri so sestavljeni iz velikega števila (od nekaj sto pa do več miljonov) majhnih molekul, ki so med sabo povezane s kemijskimi vezmi. Polimere srečamo praktično na vsakem koraku, pa tudi naše telo je v veliki meri sestavljeno iz polimerov, saj so proteini kemijsko gledano polimeri aminokislin. Poznamo tako naravne kot umetne (sintetične) polimere. Številni naravni polimeri se že tisočletja uporabljajo kot materiali, npr. volna, svila, bombaž. Umetni polimeri (imenujemo jih tudi sintetični) so plod raziskav, nadomeščajo naravne polimere in imajo posebno kemijsko in fizikalno strukturo, prilagojeno področju uporabe. Plastika je le manjši del ogromne družine umetnih polimerov. Primeri najpogostejših umetnih polimerov so npr. polistiren (PS), polietilen (PE), poliuretan (PU), polietilentereftalat (PET), poliamid (najlon, PA), polimetilmetakrilat (PMMA). V zadnjem času se vse bolj uveljavljajo številni kompozitni materiali, ki so sestavljeni iz polimerov z različnimi dodatki za izboljšanje mehanskih, toplotnih ali električnih lastnosti (npr. steklena vlakna, ogljikova vlakna, silikatni delci …). Uporaba polimerov je danes zares široka. Uporabljajo se kot najenostavnejši material za embalažo, izolacijo pa vse do najzahtevnejših aplikacij v biomedicini (implantanti, zobne zalivke, kontaktne leče, nosilci za zdravila…), kot napredni strukturni materiali (kompozitni polimerni materiali v letalih, lahkih športnih rekvizitih…), kot napredni materiali v tekstilstvu (teflonske goretex membrane, polistirenska vlakna za boljše odvajanje vlage …) in še marsikje. Bolj, ko se pomikamo po lestvici od enostavnih poliolefinov (med poliolefine spadajo polietilen, polipropilen, polistiren …) proti zahtevnejšim polimerom, več znanja potrebujemo za pripravo in obdelavo materiala, vendar pa imajo izdelki iz takih materialov bistveno višjo dodano vrednost. Med najbolj znane primere polimerov z ogromnim komercialnim uspehom sodita kevlar in teflon. Umetne mase ali polimeri so torej sestavljene iz velikanskih molekul (makromolekul). Makromolekule nastanejo z združevanjem majhnih molekul (monomerov). Značilne lastnosti umetnih snovi - polimerov so naslednje:

- dobra kemijska odpornost, - majhna gostota (okoli 1 g/cm3), majhen modul elastičnosti, majhna trdnost in kemijska odpornost pri povišanih temperaturah, - dobra preoblikovalnost pri relativno nizkih temperaturah glede na kovine in keramiko.

Umetne mase lahko razdelimo na komercialne ali tehnološke. Tako dobimo plastične mase, kemična vlakna, gume in umetne smole na eni strani, in pa termoplaste, duromere in elastomere na drugi strani. Njihove poglavitne značilnosti so, da so sestavljene iz velikih molekul in imajo majhno gostoto. Komercialno delimo umetne mase na:

82

- plastične mase – sem sodijo polimeri za oblikovanje, kot tudi reakcijske smole, kemijska vlakna – so zelo tanka vlakna, pridobljena s predenjem iz taline, - gume – to so z vulkaniziranjem zamreženi elastični materiali, - umetne smole – so polimerni materiali, ki jih uporabljamo kot veziva, lepila, surovine za lake ...

Tehnološko delimo umetne snovi na tri glavne skupine: - termoplasti, ki so sestavljeni iz nezamreženih makromolekul. Pri segrevanju postanejo plastični, zato jih lahko preoblikujemo. Lahko so amorfni ali delno kristalni. - duroplasti so močno zamrežene makromolekule. So trdi in krhki. - elastomeri (gume) imajo šibko zamrežene makromolekule. Lahko se izredno močno elastično deformirajo. Plastično jih ne moremo preoblikovati.

Termoplast ali tudi plastomer, je sestavljen iz polimernih verig, ki so lahko rahlo razvejane ali pa dolge linearne. So snovi iz nitkastih molekul, ki so znotraj povezane z močnimi kovalentnimi vezmi, medtem ko so same molekule med seboj povezane s šibkimi Van der Waalsovimi vezmi in so zato občutljivi na toploto. Pri temperaturah med 100-250°C ali pod obremenitvijo postanejo plastični in se zato dajo oblikovati. Pri ohlajevanju postanejo trdi in ohranijo obliko. Vrnitev v novo oz. normalno stanje ni mogoča. Termoplasti se pri povišani temperaturi talijo. Čeprav imajo krhko zasnovo so izredno uporabni v gradbeništvu, ker se jih da preoblikovati (na molekulski ravni), da se jim izboljša lastnosti, npr. s penjenjem dobimo penasti polimer, ki je izredno uporaben kot toplotna izolacija, razne PVC (polivinilklorid) folije, uporabni so tudi pri raznih inštalacijah (vodovod, plinovod, kanalizacija elektroinštalacije …). Dobra lastnost termoplastov je tudi, da se jih večina da reciklirati in ponovno preoblikovati in uprorabiti. Lahko pa s sežigom odpadnih polimerov dobimo tudi precejšnjo količino energije, tako npr. v Franciji s sežigom 500.000 ton odpadkov prihranijo 400.000 ton kurilnega olja, saj sta pri izgorevanju količini pridobljene energije enaki. Duroplasti so sestavljeni iz polimernih verig, ki so med seboj povezane z močnimi kovalentnimi vezmi in tvorijo tridimenzionalno mrežasto zgradbo. Pojav, pri katerem se tvorijo kemijske vezi med makromolekulami, imenujemo zamreženje. Obseg oziroma trdnost tega zamreženja določa lastnosti teh materialov. Z naraščanjem stopnje zamreženosti imajo duromeri večjo trdnost, material postaja bolj trd in krhek in ni ga več mogoče staliti. Pri segrevanju razpade prej zamrežena tridimenzionalna zgradba v atome oziroma v maloatomne molekule. Ne moremo jih reciklirati, variti in preoblikovati. Elastomer je material, ki se lahko po deformaciji sam povrne v prvotno obliko. Elastomeri so iz šibkih zamreženih polimernih verig in stopnja zamreženosti je manjša kot pri duromerih. Med vozliči so odseki polimerne verige močno

83

zaviti. Pri delovanju zunanje sile se verige odvijajo in raztezajo, po razbremenitvi pa ponovno zvijejo. Zato se lahko elastomeri močno elastično deformirajo, ne da bi pred tem spremenili svojo začetno obliko. V neobremenjenem stanju so makromolekulske verige močno zavite, ker je takšno stanje energijsko najugodnejše. V vsakdanjem življenju največkrat srečamo naslednje tipe polimerov:

- Polipropilen (PP): embalaža, ohišja električnih naprav, avtomobilski odbijači; - Polistiren (PS): pena za pakiranje, embalaža, pribor za enkratno uporabo, škatle za CD plošče in kasete; - Polietilen (PE): mnogo cenenih izdelkov za vsakdanjo rabo, npr. plastične vrečke, kozarčki …; - Polietilen tereftalat (PET): plastenke za gazirane pijače, plastične posode za mikrovalovke - Poliester (PES): tekstilna vlakna; - Poliamid (PA) (najlon): vlakna, ščetine zobnih ščetk, ribiške vrvice; - Polivinil klorid (PVC): cevi, okenski okvirji, talne obloge; - Poliuretan (PU): pena za pakiranje, toplotna izolacija, površinske prevleke; - Polikarbonat (PC): kompaktne plošče, očala, zaščitna stekla, semaforji; - Polioksimetilen (POM): avtomobilski deli; - Polibutilentereftalat (PBT).

3.1.10.1 Polimeri za uporabo v kompozitih So materiali, ki so sestavljeni iz dveh ali več materialov (matrica + dodatni materiali). Večina vseh materialov v gradbeništvu so kompoziti, saj so praviloma le večfazni materiali (izjema so kovine, čeprav tudi tem dodajamo razne aditive). Prvi umetni kompoziti so bili sestavljeni leta 1915 (elektroizolacijski material iz fenol-papirnatega laminata). Velik napredek je pomenila iznajdba ojačitve epoksidnih in poliestrskih matric s steklenimi vlakni (»fiberglass«), ki je omogočila uporabo kompozitov za konstrukcije. Tehnologija in razvoj kompozitov je še na začetku svojega potenciala, npr. s kombinacijo plastike (ki ima gostoto nekje med lesom in betonom), vlaken (katerih natezna trdnost je primerljiva z jeklom) in raznih drugih polimernih dodatkov lahko dobimo kompozit, ki je izredno lahek, lahko vgradljiv ter ima boljše lastnosti kot armirani beton. Potem imamo takšna in drugačna prepletanja steklenih vlaken (s katerimi dosežemo maksimalno porazdelitev sile in nosilnost v vse smeri), zalitih s trdo epoksi smolo in seveda, najbolj moderni, »sandwich« sistemi (med dvema plastema armirane plastike/epoksija stisnjeno polnilo (razne polimerne pene, aluminijasta satovja, tudi impregnirana satovja iz papirja), katerih kompozit je lahko izredno trda in lahka konstrukcija. Vedno bolj se uporablja kot stropna

84

konstrukcija, saj je izredno lahka ter močna. Uporabnost polimerov v kompozitih je praktično brez meja in se je razvoj šele začel.

3.1.11 Korozija

Korozijski poskusi v morski vodi kažejo, da so med nerjavnimi jekli neke razlike. Korozijska hitrost je predvsem očitna v prvi fazi preizkušanja, ko govorimo o pasiviziranju površine. Razlika med materiali pa je tudi v absolutni izgubi mase med poskusom, saj se je pri nerjavnem jeklu, ki je legirano z bakrom, korodiralo največ materiala. Preizkušanje nerjavnih jekel v agresivnejšem mediju, v vreli raztopini žveplene kisline, vode in modre galice, pa je pokazalo velike razlike med njimi, saj je martenzitno kromovo jeklo izgubilo v času 24-urnega poizkusa kar 800 mg mase. V primerjavi z najbolj obstojnim jeklom v tem mediju, avstenitnim, ki je izgubilo le okrog enega miligrama mase, je razlika res očitna. Avstenitno krom-nikljevo jeklo je bilo najbolj odporno v obeh preizkušanih medijih, vendar je njegova uporaba omejena zaradi tega, ker je povišanje trdote in natezne trdnosti močno le s hladno predelavo, kar pa je v mnogih primerih zaradi končne oblike izdelka nemogoče, zato se takrat odločimo za uporabo sicer manj korozijsko odpornega martenzitnega jekla. Korozija (corrodo = nagristi, nagrizenje) je razkroj kovine, ki se začne na površini zaradi kemijskih ali elektrokemijskih procesov. Notranje napetosti in zunanje obremenitve pospešijo napredovanje korozijskih procesov. Korodirajoča kovina se postopoma pretvarja v oksidno obliko. Produkt korozije pri jeklu imenujemo rja, proces pa rjavenje. Pri bakru je to patina in je zelene barve, pri aluminiju pa se tvori kompakten oksidni sloj, ki popolnoma zaščiti površino. Začetna faza korozije je pri nekaterih kovinah zaželena, ker na površinah nastanejo goste oksidne naravne pasivne plasti, ki zavirajo nadaljnji proces oksidacije. Te plasti nastanejo v krajšem ali daljšem časovnem obdobju, kar je odvisno od kovine. Pasivnost kovine se zmanjša z razkrojem oksidne plasti, ki ga sprožijo tuji ioni. Pasivizacija je uspešna le tedaj, kadar so oksidne plasti mehansko dovolj trdne in kemijsko obstojne v obdajajočem mediju. Zelo pomembna je gostota plasti, saj je nadaljnja oksidacija možna skozi porozno plast, zato mora biti poroznost pasivne plasti zelo majhna. Strojni elementi so med obratovanjem izpostavljeni različnim obratovalnim in okoljskim vplivom. Zato nastane korozijska plast, ki je odvisna od različnih vplivov:

- vrste kovine ali zlitine, kvalitete površine, - napetostnih razmer v materialu, - vrste snovi, ki jo obdajajo (plini, voda, kisline, baze, organske snovi, …), - koncentracije snovi v okolici, - temperature.

Posledice korozije:

85

- visoki stroški zaščite novih izdelkov, - visoki stroški vzdrževanja, predvsem pri neprimerno izbranem gradivu, zaščiti ali konstrukciji, - prekinitev proizvodnje, - zmanjšana varnost in zanesljivost delovanja pri toksičnih, eksplozivnih, vnetljivih ali radioaktivnih snoveh, - neprijeten estetski izgled predmeta, …

Poznamo kemično korozijo, ki poteka v sredstvih, ki niso elektroliti. Nekateri jo imenujejo tudi plinska korozija. Produkt kemične korozije je nova tvorba (oksidi, sulfidi) in elektrokemična korozija, kjer je pogoj prisotnost elektrolita. Gonilna sila napredovanja elektrokemične korozije je elektrokemični potencial med dvema kovinama. Korozija se pojavlja na površini, pa tudi v notranjosti materiala. Glede na to, kako in kje se korozija razvija, ločimo več tipov.

3.1.11.1 Površinska korozija Nastaja na površini materiala in se običajno razvija enakomerno v globino. Pri stiku jekla s kisikom nastane železov oksid in ta korozijska plast je izredno porozna. Železov oksid reagira z vlago, narašča in se drobi. Kisik prihaja iz zraka in prodira v globino in oksidacija se nadaljuje. Oksidacije se pojavljajo v obliki tanke plasti rje, ki se da odstraniti. Hitro jo opazimo zato je manj nevarna, odvisna je od vrste materiala. Pri konstrukcijskih jeklih znaša hitrost napredovanja korozije na zraku približno 0,03 mm na leto, v onesnaženem zraku pa do 0,15 mm.

3.1.11.2 Medkristalna korozija Na mejah kristalnih zrn prihaja do napredovanja raztapljanja kot posledica elektrokemičnega korozijskega napada. Posledica je izrazito galvansko delovanje med kristalno mejo in osnovo, kar privede do dekohezije med kristalnimi zrni. Najslabšo korozijsko odpornost kažejo kristalne meje, na katerih se izcejajo različne faze, nečistoče in atomi. V odvisnosti od izvora izcej so te lahko anode ali katode. Med njimi in osiromašeno okolico pride do intenzivne galvanske aktivnosti. Končna posledica je izrazito zmanjšanje žilavosti in mehanskih lastnosti kovine.

3.1.11.3 Kavitacija Na površinah vodnih turbin, ladijskih vijakov, pogonskih koles v črpalkah se, zaradi velike hitrosti gibanja medija in nenehnih sprememb tlaka, na površini tvorijo mehurčki, ki kondenzirajo ali implodirajo v bližini površine. Ob takih implozijah, ki lahko povzročijo napetost večjo od 1000 MPa, pride do poškodbe zaščitnega filma ali celo do lokalnih – točkastih iztrganin v obliki jamic.

86

3.1.11.4 Protikorozijska zaščita Dele, ki jih želimo zaščititi pred korozijo moramo najprej očistiti, da dosežemo čim boljši oprijem zaščitne plasti z osnovnim materialom. Običajno odstranimo s površine prah, maščobe in okside, če pa obnavljamo predmete, odstranimo staro propadajočo zaščito. Postopek protikorozijske zaščite izvajamo po korakih in sicer: Postopki zaščite kovin pred korozijo so naslednji:

- Mehanski postopki, Legiranje, - Umetno ustvarjanje oksidnega sloja, Nanos kovinskih prevlek, - Nanos nekovinskih prevlek.

Poznamo več vrst površinske zaščite s kovinskimi prevlekami in sicer: - Potapljanje v kovinski kopeli, Galvaniziranje, - Difuzijski postopki zaščite pred korozijo, Platiniranje, - Metaliziranje, - Trde kovinske prevleke.

Kovinske prevleke so odporne proti koroziji le takrat, če je osnovni material elektrokemijsko stabilen proti zaščitni kovinski prevleki. Če se na jeklu poškoduje cinkova prevleka in pride do podlage vlaga, postane cink proti osnovnemu materialu negativen, cinkova prevleka razpade, osnovni material ostane brez zaščite in začne počasi korodirati. Nikelj je plemenitejši kot osnovna kovina – jeklo, zato pri poškodbi prevleke korodira osnovni material. Rja ima večji volumen, zato izpodriva še preostalo prevleko; jeklo oksidira “še hitreje”, kot če bi bilo brez prevleke.

3.2 Hrup2

3.2.1 Zvok

Zvok je definiran kot sprememba zvočnega tlaka, ki ga je človeško uho sposobno zaznati. Širjenje zvoka po zraku je podobno učinku domin, le da so pri zvoku molekule tiste, ki svojo energijo prenašajo na sosednje molekule in s tem povzročijo zgoščine in razredčine v valu, ki se širi od izvora navzven. Hitrost širjenja zvoka v mediju je odvisna od snovi v kateri se širi, in od temperature. V zraku je hitrost zvoka približno 340 m/s in se z višanjem temperature povečuje približno za 0,6 m/s na 1°C. V tekočinah in trdnih snoveh je hitrost širjenja večja – 1500 m/s v vodi in 5000 m/s v jeklu.

2 Snov za poglavje 3.2 je vzeta iz: Okoljski hrup (Različica 2.0), Brüel&Kjaer

Sound&Vibration Measurement, 2009

87

3.2.1.1 Značilne ravni zvoka V primerjavi s statičnim zračnim tlakom (105 Pa) so slišne spremembe zvočnega tlaka zelo majhne in se nahajajo v razponu od 20μPa (20 x 10-6 Pa) do 100 Pa. 20 μPa sovpada s pragom zaznavanja zvoka povprečnega, zdravega človeka in ga zato imenujemo prag slišnosti. Zvočni pritisk približno 100Pa je tako velik, da že povzroča bolečino in se zato imenuje prag bolečine. Razmerje med tema skrajnima vrednostma je milijon proti ena. Neposredna uporaba linearnega merila (v Pa) pri merjenju zvočnega tlaka nas pripelje do velikih in nepreglednih številk. Dokazano je, da se človeško uho na spremembo zvočnega tlaka ne odziva linearno, pač pa logaritemsko. Iz tega razloga je vrednosti ravni zvoka primerneje izraziti kot logaritemsko razmerje med izmerjeno in referenčno vrednostjo. Tako izraženo logaritemsko razmerje imenujemo decibel (dB). Prednost uporabe dB je jasno vidna v ilustraciji na naslednji strani. Na sliki je na levi strani barometrskega stolpca prikazana linearna skala (μPa), na desni pa logaritemska (dB). Logaritemska skala ima najnižjo vrednost 0 dB, ki je enaka pragu slišnosti (20μPa) in sega do vrednosti 130dB za prag bolečine (~ 100 Pa). Človeško uho ima zelo velik razpon zaznavanja spremembe zvočnega tlaka – v pascalih je to razmerje milijon proti ena, zato enota dB omogoča obvladljivost velikih številk.

88

Slika 52: besedilo

3.2.1.2 Zaznavanje zvoka Zvok smo definirali kot spremembo zvočnega tlaka, ki ga lahko zazna človeško uho. Število sprememb pritiska na sekundo imenujemo frekvenca in jo merimo v Hertz–ih (Hz). Normalen sluh zdrave mlade osebe pokriva območje od 20 Hz do 20.000 Hz (20kHz). Omenili smo že izredno sposobnost človeškega ušesa za prilagoditev različnim jakostim zvoka, ki segajo od praga slišnosti pri 0 dB do praga bolečine pri 130 dB in več. Podvojitev zvočnega tlaka je v logaritemski skali enaka 6 dB, česar pa subjektivno ne zaznavamo kot podvojitev. Da bi spremembo občutili kot občutno povečanje, se mora raven zvočnega tlaka spremeniti za 8 – 10 dB. Nazorno je to prikazano na spodnji sliki (najmanjša dojemljiva sprememba za človeško uho je okoli 1dB).

89

Slika 53: besedilo

3.2.1.3 Utežna frekvenčna krivulja ali krivulja frekvenčnega vrednotenja Zaznavanje jakosti zvoka je močno frekvenčno odvisno. To pomeni, da je človeški sluh manj občutljiv pri zelo nizkih in zelo visokih frekvencah.

Slika 54: besedilo

Za pravilno vrednotenje zvoka morajo merilni instrumenti zvok zaznavati z enako (ali vsaj čim bolj podobno) občutljivostjo kot človeško uho. V ta namen so bile uvedene t.i. utežene krivulje, ki posnemajo občutljivosti človeškega ušesa v odvisnosti od frekvence in jakosti. V praksi se največkrat srečujemo z A-uteženo krivuljo, označeno z dB (A), ki opisuje občutljivost človeškega ušesa pri nižjih jakostih zvoka (med 20 dB in 90 dB).

90

Za visoke ravni zvoka je človeško uho frekvenčno manj odvisno, zato v območju nad 100 dB uporabljamo C-uteženo krivuljo. Obe krivulji sta prikazani na spodnji sliki.

Slika 55: besedilo

3.2.1.4 Seštevanje in odštevanje ravni zvoka

Seštevanje zvočnih ravni Kadar je bil neodvisno izmerjen več kot en zvočni vir in nas zanima njihova skupna vrednost, jih moramo sešteti. Ob dejstvu, da je decibel logaritemska vrednost, navadno seštevanje ne pride v poštev. Eden od načinov kako seštevati dB je, da posamezne dB vrednosti najprej pretvorimo v linearne vrednosti, jih seštejemo in ponovno logaritmiramo. Kako to izračunamo, je prikazano s pomočjo naslednjega izraza:

(32)

91

Slika 56: besedilo

Pri seštevanju si namesto z računanjem lahko pomagamo tudi s krivuljo, ki je prikazana skupaj z opisom postopka:

- Izmerimo raven zvočnega tlaka vsakega posameznega, ločenega vira (Lp1, Lp2). - Poiščemo razliko (ΔL) med izmerjenima vrednostma: (Lp2 - Lp1). - Rezultat (razliko dB) poiščemo na abscisni (x) osi grafa. Sledimo navpičnemu pomiku navzgor dokler ne dosežemo krivulje. V točki, kjer navpičnica seka krivuljo odčitamo vrednost na ordinatni (y) osi. - Odčitano vrednost na y osi označeno z L+ dodamo k vrednosti glasnejšega vira Lp2. Tako dobljena vrednost predstavlja vsoto dveh ločenih virov. - Če so prisotni trije ali več virov, je potrebno korake od 1 do 4 ponoviti večkrat, le da drugič uporabimo za seštevek nov vir in v prejšnjem koraku dobljeno vsoto.

Slika 57: besedilo

Kadar dva vira delujeta z enako jakostjo (ΔL = 0, slika zgoraj) se raven zvočnega tlaka poveča za 3 dB, kar neposredno izhaja tudi iz grafa. V primeru,

92

da je razlika med dvema izmerjenima vrednostma več kot 10 dB, lahko nižjo izmerjeno vrednost zanemarimo.

Odštevanje zvočnih ravni Večkrat se pojavlja tudi zahteva po odštevanju hrupa ozadja ali obstoječega hrupa od skupne izmerjene vrednosti zvočne ravni. Popravek je mogoč, če odštejemo hrup ozadja (Lp,ozadje) od celotne vrednosti hrupa (Lp, skupni) z izrazom:

(33)

Namesto matematičnega izraza lahko za poenostavitev uporabimo krivuljo, prikazano spodaj. Če je razlika ΔL manjša od 3 dB, potem je raven hrupa ozadja previsoka za natančno meritev. Prave ravni hrupa v tem primeru ni mogoče določiti s potrebno natančnostjo vse dokler se hrup ozadja ne zmanjša, če pa je razlika več kot 10 dB, lahko hrup ozadja zanemarimo.

Slika 58: besedilo

3.2.2 Hrup

Doma in na delovnem mestu smo pogosto izpostavljeni hrupu, ki ga povzročajo naprave za prezračevanje ali ogrevanje in ga komaj zaznamo, saj ne vsebuje poudarjenih tonov. Razlog za to je neprekinjeno in enakomerno delovanje. Na prisotnost hrupa postanemo pozorni ali pa nas prične motiti šele, ko vir preneha delovati ali se v njem pojavi poudarjen - dominanten ton. Značilnost našega sluha je prepoznavanje informacij v zvoku, ki ga slišimo. Zvočne informacije, ki jih ne potrebujemo ali ne želimo, dojemamo kot hrup. Značilnost zvoka, ki nas pripravi do poslušanja in vzbudi našo pozornost pa so

93

toni ali spremembe v ravni zvoka. Bolj ko je ton izrazit ali sprememba nenadna, bolj je hrup opazen. Ob merjenju hrupa je potrebno vedeti s kakšno vrsto hrupa imamo opravka, da lahko določimo parametre za meritev, izberemo pravo opremo in primeren čas trajanja meritve. Pogosto lahko zaznamo moteč vpliv hrupa še preden meritev opravimo, analiziramo in dokumentiramo.

3.2.2.1 Stalen ali neprekinjen hrup Takšen hrup nastaja pri delovnih strojih, ki delujejo neprekinjeno in enakomerno. Takšni viri so: ventilatorji, črpalke in druge procesne naprave. Za določitev ravni obremenitve je dovolj že nekaj minutna meritev z ročnim merilnikom hrupa, če je prisotnost poudarjenih tonov očitna ali če hrup vsebuje nizke tone, pa je priporočljiva frekvenčna analiza. Frekvenčni spekter, kot rezultat frekvenčne analize, bo v pomoč tudi pri kasnejši analizi lastnosti vira, izdelavi poročila ali morebitni sanaciji vira.

Slika 59: besedilo

3.2.2.2 Občasni hrup Takšen hrup je posledica virov, ki delujejo ciklično; npr. vožnja mimo ali prelet letala. Skupna lastnost naštetih virov je hitro zmanjšanje in povečanje ravni hrupa. Merjenje prekinjajočega hrupa poteka po istem postopku kot merjenje stalnega hrupa, le da je tu potrebno zabeležiti čas trajanja posameznega dogodka. Dogodek predstavlja npr. prelet letala ali zvok avtomobila ob vožnji mimo nas. Da bi izmerili hrup dogodka kot parameter meritve, uporabimo raven izpostavljenosti hrupu (SEL), ki združuje čas trajanja dogodka in nivo hrupa v eno vrednost. Namesto SEL lahko uporabimo tudi najvišjo RMS raven zvočnega tlaka LMax. Za zanesljivo oceno povprečne vrednosti je potrebno opraviti večje število ponovitev podobnega dogodka.

94

Slika 60: besedilo

3.2.2.3 Impulzni hrup Impulzni hrup se pojavlja kot posledica udarcev ali eksplozij. Tipični primeri so: stroj za zabijanje pilotov, udarna stiskalnica ali uporaba strelnega orožja. Tovrsten hrup ima kratek čas trajanja, začetek delovanja hrupa pa je nenaden. Njegov učinek je največkrat veliko bolj moteč, kot bi to pričakovali, glede na izmerjeno raven zvočnega tlaka. Eden od načinov določitve impulznega karakterja hrupa je lahko razlika nivojev hrupa, izmerjenih z dinamiko hitro in počasi. Razlika v uporabljeni dinamiki je prikazana na sliki desno. Pomemben podatek za vrednotenje tovrstnega hrupa je število ponovitev na sekundo, uro ali dan, kar je prav tako potrebno zabeležiti.

Slika 61: besedilo

3.2.2.4 Poudarjeni toni Moteče tone ustvarjajo naprave z vrtečimi deli, kot so motorji, menjalniki, ventilatorji in črpalke. Neuravnoteženost in ponavljajoči udarci povzročajo vibracije, ki se preko ohišja prenesejo v okolje in so slišni kot toni. Pulzirajoča tekočina ali plin prav tako ustvarjata poudarjene tone, ki nastanejo kot posledica izgorevanja ali omejenega pretoka tekočin. Poudarjene tone lahko prepoznamo subjektivno s poslušanjem ali objektivno s pomočjo frekvenčne analize - v frekvenčnem spektru poiščemo ton (frekvenčni pas), ki bistveno odstopa od sosednjih dveh pasov. Kriteriji so različni in se spreminjajo glede na spoznanja zdravstvene in tehnične stroke. Preprosta ocena pa je, da o

95

poudarjenm tonu govorimo mora biti razlika med sosednjimi pasovi večja ali enaka 5 dB. Trajanje poudarjenega tona je prav tako pomembno in mora biti ob meritvi zabeleženo.

Slika 62: besedilo

3.2.2.5 Nizko frekvenčni hrup Nizko frekvenčni hrup ima zelo veliko akustično energijo v frekvenčnem pasu od 8 do 100 Hz. Tovrsten hrup je značilen za velike dizelske motorje na vlakih, ladjah ali v elektrarnah. Hrup nizkih frekvenc je zelo težko dušiti in se hitro širi v vseh smereh zato je lahko slišen v oddaljenosti tudi več kilometrov. Nizko frekvenčni hrup je bolj moteč kot pa bi pričakovali glede na A-uteženo raven zvočnega tlaka. Razlika med A-uteženo in C- uteženo ravnjo je posledica nizkofrekvenčnih komponent v frekvenčnem spektru obravnavanega hrupa. Za oceno slišnosti nizkih frekvenc frekvenčni spekter primerjamo s krivuljo praga zaznavanja zvoka (N- krivulja). Infrazvok ima močno poudarjene komponente frekvenčnega spektra v območju pod 20 Hz in ga občutimo bolj kot zvočni pritisk in manj kot hrup. Ocena vpliva infrazvoka je še v fazi preverjanja in trenutno še ni pokrita z mednarodnim standardom.

Slika 63: besedilo

3.2.2.6 Širjenje hrupa v okolju Kako glasen je 10-tonski tovornjak? Odgovor ni tako enostaven, saj je rezultat odvisen od oddaljenosti in od tega ali smo pred ali za oviro. Rezultati meritev se zaradi naštetih in še mnogo drugih dejavnikov lahko med seboj razlikujejo za več deset decibelov, četudi vir ostane nespremenjen. Da bi lažje razumeli, zakaj pride do odstopanj, moramo upoštevati širjenje hrupa po zraku in način kako potuje do sprejemnika.

96

Slika 64: besedilo

Najpomembnejši dejavniki, ki vplivajo na širjenje hrupa so: - vrsta vira (točkovni ali linijski), - oddaljenost od vira, - dušenje zvoka v zraku, - veter, - temperatura in temperaturni gradient, - ovire kot so npr. ograje in zgradbe, - dušenje hrupa na površini tal, - odboji, - vlaga in - padavine.

Da bi bili rezultati meritev in izračuni reprezentativni, je potrebno upoštevati zgoraj omenjene dejavnike. Na kakšen način in v kolikšni meri bomo posamezen dejavnik upoštevali, je odvisno od veljavnih predpisov in standardov, ki jih pri vrednotenju hrupa uporabljamo.

3.2.2.7 Vrste virov zvoka

Točkovni vir V primeru, da so dimenzije vira v primerjavi z razdaljo do poslušalca majhne, vir obravnavamo kot točkovni. Takšna vira sta npr. ventilator ali tovarniški dimnik. Zvočna energija se v tem primeru širi v vse smeri enakomerno in s tem je raven zvočnega tlaka na isti oddaljenosti iz katerekoli smeri enaka. Ob podvojeni razdalji od vira, se raven zvočnega tlaka zmanjša za 6 dB (navedeno dejstvo velja le v primeru, da dušenje zraka in tal zanemarimo).

97

Slika 65: besedilo

Za točkovni zvočni vir z ravnjo zvočne moči Lw, ki se nahaja neposredno nad tlemi, lahko ravni zvočnega tlaka (Lp), pri poljubni razdalji (r, v metrih) od vira, izračunamo po sledeči enačbi:

(34)

Slika 66: besedilo

Linijski vir Če je širina vira v primerjavi z njegovo dolžino majhna in je istočasno majhna tudi v primerjavi z razdaljo do poslušalca, jo imenujemo linijski vir. To je lahko en sam vir, kot je npr. dolga cev, po kateri se pretaka turbulentna tekočina ali cev, sestavljena iz velikega števila posameznih točkovnih virov, ki hrup oddajajo istočasno. Takšen vir je npr. kolona čakajočih avtomobilov na zeleno luč semaforja.

98

Slika 67: besedilo

Raven zvoka se širi v prostor cilindrično, kar pomeni, da je nivo zvoka enak na vseh točkah, ki so enako oddaljene od linije. Ob podvojitvi razdalje bi se raven zvočnega tlaka zmanjšala za 3 dB, vendar ta trditev drži le v primeru, da dušenje zvoka na tleh in v zraku zanemarimo. Za zvočni vir z zvočno močjo/meter (Lw/m), ki je postavljen v bližino tal, je raven zvočnega tlaka (Lp) pri katerikoli razdalji (r, v metrih) mogoče izračunati po enačbi:

(35)

Slika 68: besedilo

3.2.2.8 Pregrade Dušenje zvoka zaradi zvočne pregrade je odvisno od dveh dejavnikov:

- Razlike med razdaljama, ki jo zvok napravi preko pregrade do poslušalca v primerjavi z neposredno razdaljo do poslušalca (a+b-c na sliki) in - Frekvenčnega spektra hrupa.

Skupni učinek obeh dejavnikov je viden na sliki spodaj. Iz grafa izhaja, da je učinkovitost zvočnih pregrad pri nizkih frekvencah zelo majhna.

99

Slika 69: besedilo

Slika prikazuje tipično dušenje zvočne pregrade v odvisnosti od višine pregrade. Učinek pregrade se močno povečuje z zmanjšanjem oddaljenosti od izvora.

3.2.2.9 Dušenje hrupa v zraku Določanje dušenja hrupa v zraku je zelo kompleksno in ga bomo na tem mestu samo povzeli. Dušenje zvoka, ki potuje skozi ozračje je odvisno od več dejavnikov, med katerimi so pomembni:

- oddaljenost od vira, - frekvence, ki jih hrup vsebuje, - temperatura zraka, - relativna vlaga in - zračni pritisk.

Prva dva od naštetih dejavnikov imata na dušenje največji vpliv in sta zato prikazana tudi v spodnjem grafu. Iz prikaza je razvidno, da se nizke frekvence v zraku slabo dušijo.

100

Slika 70: besedilo

3.2.2.10 Veter in temperatura Z višino se moč vetra povečuje in posledično se zvok ukrivlja, intenziteta pa se mu povečuje v smeri gibanja vetra.

Slika 71: besedilo

Zakaj meritve izvajati pri vetru navzdolnjiku? Pri razdaljah krajših od 50 metrov ima veter na rezultat meritve relativno majhen vpliv, pri večjih razdaljah pa se vpliv vetra na rezultat meritve znatno poveča. Veter, ki piha od vira proti emisijskemu mestu, povzroči za nekaj dB večjo izmerjeno vrednost hrupa kot je dejanska raven, ob vzgonskem ali bočnem vetru pa je ta vpliv lahko tudi do -20 dB, odvisno od razdalje opazovanja in hitrosti vetra.

101

Slika 72: besedilo

3.2.2.11 Temperatura Temperatura ustvarja podobne učinke kot veter, le da je njen vpliv enakomerno porazdeljen v vseh smereh glede na izvor. V sončnem dnevu brez vetra temperatura z višino pada in posledično se pri tleh formirajo »zvočne sence«. Nasproten učinek nastane v jasni noči, ko pride do temperaturnega obrata. Takrat se zvočni valovi odklanjajo navzdol proti zemlji in zato v takšnih pogojih zelo dobro slišimo tudi ob večjih razdaljah.

Slika 73: besedilo

3.2.2.12 Vpliv tal Raven zvočnega tlaka na emisijskem mestu ni samo posledica zvočnih valov, ki se širijo neposredno, pač pa tudi vpliva zvočnih valov odbitih od tal. Učinek tal je drugačen pri akustično trdih (beton ali voda), mehkih (trava, drevesa ali rastje) ali mešanih površinah. Dušenje tal je navadno prikazano v frekvenčnih pasovih, s čimer je so izračun zajete tudi frekvenčne komponente vira in lastnost tal med virom in emisijskim mestom. Tudi padavine imajo na dušenje tal precejšen vpliv. To še posebej velja za sneg, ki zvok močno duši. Podoben učinek kot sneg ima tudi strmo dviganje temperature v odvisnosti od višine. V takšnih vremenskih pogojih izvajanje meritev odsvetujemo.

102

Vpliv tal, ko je razmik med oddajnikom in sprejemnikom 100m. Višina oddajnika in sprejemnika je 2m.

Slika 74: besedilo

3.2.2.13 Hrup pri sprejemniku ali emisijski hrup

Odboji Ko zvočno valovanje zadane ob površino, se del njene akustične energije odbije, del se prenese skozi snov, del pa absorbira. Če sta absorpcija in prenos zvoka skozi strukturo dovolj majhna (npr. zgradbe), se večina energije odbije. Takšno površino označimo za akustično trdo. Raven zvočnega tlaka je v bližini odbojne površine odvisna od neposrednega in odbitega zvoka in je na razdalji 0,5 metra od odbojne površine za 3 dB(A) višja, kot če ne bi bilo odboja. Uveljavljena praksa je, da se pri podajanju rezultatov meritev odboj ne upošteva, kar pa zahteva tudi večina predpisov (pogoj prostega zvočnega polja).

103

Slika 75: besedilo

Odprta in zaprta okna Nekateri ljudje imajo doma radi zaprta okna – zaradi klimatskih pogojev ali zaradi tradicije. Zunanji zidovi zgradb navadno dušijo zvok iz okolja za 20 – 30 dB (izolacija fasade). Akustično šibke točke zgradbe so okna, ki pa jih je mogoče s premišljenim načrtovanjem izboljšati. V drugih okoljih si ljudje ne predstavljajo življenja ob zaprtih oknih in so posledično izpostavljeni močnemu vplivu hrupa iz okolja. Predpisi, ki se nanašajo na okoljski hrup, morajo zato upoštevati tako način gradnje stanovanjskih objektov, kakor tudi način njihove uporabe.

Slika 76: besedilo

3.2.2.14 Razlikovanje virov hrupa Pri vrednotenju hrupa imamo navadno opravka z oceno vpliva posameznega vira, npr. proizvodni obrat, kar pa ni vedno preprosta naloga. V praksi je raven hrupa v opazovani točki navadno posledica delovanja več virov, ki z različno intenziteto vplivajo na skupno raven.

104

Slika 77: besedilo

Celoten hrup (pri nas t.i. hrup območja) je hrup, ki je posledica delovanja vseh virov ne glede na njihovo naravo ali razlog delovanja – hrup tovarne, hrup prometa, ptičje petje, hrup tekoče vode, itn. Specifičen hrup je hrup, ki je predmet obravnave. Specifičen hrup povezujemo s točno določenim posameznim virom in njegovim vplivom na okolje. Obstoječi hrup je hrup izmerjen v pogojih, ko specifični vir ni aktiven. Izračunamo ga tako, da od celotnega hrupa odštejemo specifični hrup. Izraz hrup ozadja je pomemben in pogosto uporabljen, vendar ga ne smemo zamenjati z obstoječim hrupom. Res je, da ta včasih pomeni hrup, ki ga izmerimo, ko specifični vir ni aktiven, včasih pa predstavlja statistični parameter hrupa LA90 in predstavlja tisto raven hrupa, ki je bila presežena 90% časa trajanja meritve. Slovenska zakonodaja kot hrup ozadja uporablja parameter L99. V povezavi z načrtovanjem novogradenj je izraz začetni ali inicialni hrup uporabljen za poimenovanje hrupa na določenem mestu, pred začetkom posega. Npr. raven zvoka pred povečanjem proizvodnje zmogljivosti, postavitvijo zaščitne ograde ali izgradnje nove pristajalne steze.

3.2.2.15 Merjenje hrupa Objektivne meritve ravni zvoka so nepogrešljiva osnova za katerikoli program za zaščito okolja pred hrupom. Raven hrupa v okolju se močno spreminja in pogosto vsebuje impulze ali poudarjene tone. Pri izvajanju meritev je potrebno upoštevati različne motilne faktorje, ki vplivajo na končno izmerjeno raven hrupa; naj bo to pasji lajež, preleti letal ali glasno otroško igranje. Pri izračunu jih je potrebno na takšen ali drugačen način upoštevati, da se iz končne ocene izločijo in se obravnavajo posebej, ali pa skupaj z izmerjenim hrupom. Standardi in predpisi določajo katere parametre je potrebno meriti, v večini primerov pa tudi kako naj bo merilna naprava nastavljena. Določijo tudi kako upoštevati druge dejavnike, kot so na primer vremenski pogoji. V zvezi s tem je dobro upoštevati izkušnje »dobre prakse«, če le ta obstaja. Številčni rezultat ocene hrupa pomeni več kot eno samo številko npr. 77 dB. V številki

105

so namreč zajeti različni indikatorji in popravki za izmerjeni hrup in prav zaradi tega je pomembno, da so pogoji ob meritvi dobro dokumentirani.

Izračun povprečne ravni hrupa Cilj merjenja spreminjajoče se ravni zvočnega tlaka je na osnovi trenutnih vrednosti izračunati vrednost v dB, ki bo ustrezala dejansko spreminjajočemu se hrupu v merjenem intervalu. Vse redkeje se uporablja parameter LA50 za povprečno vrednost, ki predstavlja tisto raven zvočnega tlaka, ki je bila presežena 50% merilnega časa (mediana). Ekvivalentna stalna raven hrupa (Leq) pa je v svetu sprejeta kot najbolj sprejemljiv parameter za opis povprečne ravni hrupa. Predstavlja količino energije prisotne v izmerjeni spreminjajoči se ravni zvočnega tlaka v časovnem intervalu meritve. Leq je merjena neposredno z integracijskim merilnikom zvoka. Bolj obsežne preiskave so pokazale, da je zaznana stopnja motnje zaradi hrupa sorazmerna z ravnjo Leq in dokazano je, da je raven hrupa, ki je na delovni dan komaj zaznavna, nesprejemljiva v dneh namenjenih za počitek (nedelja). Pri vrednotenju hrupa je zato potrebno upoštevati določene popravkee za dnevni čas in dan v tednu.

Slika 78: besedilo

Uporaba statistike Statistična analiza porazdelitve ravni zvoka je uporabno orodje postopka za vrednotenje hrupa. Analiza zagotavlja uporabne podatke o spremenljivosti ravni hrupa, je pa tudi pomemben dejavnik v mnogih standardih kot osnova za določitev hrupa ozadja. Na primer: L90 je raven hrupa, ki je bila presežena 90% merjenega časa in je uporabljena kot pokazatelj ravni hrupnosti ozadja, odstotne ravni L1 L5 ali L10 pa predstavljajo ravni najvišje (Peak) ti. konične ravni hrupa.

106

Slika 79: besedilo

Tedenska ali nekaj urna meritev Merjenje hrupa preko celotnega referenčnega časovnega obdobja je idealna izbira, vendar lahko čas merjenja traja od samo nekaj ur pa vse do tedenske meritve. Daljša obdobja meritev kot so meseci ali celo leta, so vedno uporabljena s posebnim razlogom. V takšnih primerih se vrednosti beležijo vsako sekundo, minuto, ali četrtino ure in iz zabeleženih ravni je razvidna časovna porazdelitev obremenitve s hrupom v daljšem obdobju. Te meritve niso poceni, zahtevajo pa tudi nekaj več dela pri obdelavi rezultatov. Pretežni del meritev se izvaja v krajših časovnih intervalih, ki naj bi bili za območje in vrsto vira čim bolj reprezentativni. S pomočjo programske opreme se posamezni intervali meritve združijo v celoto, na osnovi katere se izračuna ocenjena raven za izbrano obdobje dneva. V redkih primerih zakonodaja narekuje, da je potrebno hrup oceniti na osnovi maksimalnih vrednosti, v takšnem primeru pa je neprekinjeno beleženje neizogibno.

Širokopasovno merjenje ali frekvenčna analiza? Leq, ali bolje LAeq (A-utežena ekvivalentna raven zvoka), je za oceno obremenitve s hrupom najbolj pomemben parameter. Širokopasovne meritve so tiste, ki pokrivajo celoten slišni frekvenčni spekter in se praviloma izvajajo z uporabo A-uteženega filtra. Pri navajanju rezultata meritve vedno navedemo uporabljeni utežnostni filter (veljavni merski sistem ne dopušča več zapisa v obliki Leq(A), ker bi to pomenil Leq(amperov). Pišemo torej npr. 77 dB A-uteženo. Hrup s poudarjenimi toni, npr. hrup ventilatorjev, kompresorjev ali žag, je navadno veliko bolj moteč kot ostale vrste hrupa in ta motilni faktor v širokopasovni meritvi ni zajet, zato je v takšnih primerih bolj primerna spektralna analiza. Čiste ali poudarjene tone lahko določimo subjektivno ali bolje, s pomočjo objektivne metode - v praksi je to najpogosteje 1/3-oktavna analiza, v zadnjih spremembah standardov ISO 1996 pa tudi ozkopasovna FFT analiza.

107

Slika 80: besedilo

Postavitev mikrofona Predpisi pogosto določajo kje naj se meritve opravijo; npr. na mejah posesti ali na posesti osebe, ki se je pritožila, pri merjenju pa je potrebno upoštevati in beležiti tudi ostale dejavnike, kot so npr. višina postavitve mikrofona, oddaljenost od odbojnih površin, višina vira, itn. V praksi naj se pri izvajanju meritve upoštevajo naslednja priporočila za izbiro merilnega mesta:

- mikrofon naj bo vsaj 3m od odbojnih površin, kot so fasade, pregrade itd, - veter naj bo navzdolnjik, - hitrost vetra ob suhem vremenu naj ne presega 5 m/s in - višina mikrofona od tal naj bo 1,2 – 1,5 m.

3.3. Prenos toplote

3.3.1. Uvod

Prenos toplote ima pomembno vlogo v mnogih tehnoloških procesih. Skoraj vsak inženir se sooča s problemi prenosa toplote, še posebej tisti, ki se ukvarja z načrtovanjem in vodenjem kemijskih tehnoloških procesov. Včasih želimo pospešiti prenos toplote iz enega medija v drugega, npr. pri proizvodnji pare, ogrevanju ali hlajenju tekočin, odvajanju ali dovajanju reakcijske toplote in podobno; v drugih primerih želimo prenos toplote omejiti, npr. z izoliranjem grelnih posod, hladilnic in podobno. Teorija prenosa toplote obravnava tiste procese, kjer se energija prenaša zaradi razlik v temperaturi v snovi ali med telesi. Medtem ko termodinamika omogoča določitev količine toplote, ki je potrebna za prehod sistema iz enega ravnotežnega stanja v drugega, teorija prenosa toplote pojasnjuje načine in napoveduje hitrost prenosa toplote. Analitični izrazi so izpeljani na osnovi prvega in drugega zakona termodinamike ter na empirično dobljenih zvezah, ki so oblikovane z namenom, da bi opisalečim širši krog praktičnih problemov. Za enostavnejše primere so analize izvedene s standardnimi matematičnimi

108

postopki, v večini primerov pa so potrebne numerične in grafične analize z uporabo računalnika. Toplota se prenaša iz področja višje temperature v področje z nižjo temperaturo. Kadar se temperaturne razlike v obravnavanem sistemu s časom ne spreminjajo, govorimo o ustaljenih razmerah in stacionarnem prenosu toplote. Kadar se temperatura spreminja le v eni koordinatni smeri, imenujemo prenos toplote enodimenzionalen; v dveh smereh, dvodimenzionalen; v treh smereh pa tridimenzionalen. Hitrost prenosa podajamo s toplotnim tokom (W), ki pove, koliko toplote dQ se prenese v časovni enoti dt, in je tako:

(36)

Gostota toplotnega toka q (W/m2) je definirana na enoto površine, dA, pravokotne na smer toka d :

(37)

V splošnem se toplota prenaša s tremi različnimi mehanizmi, ki se

pogosto pojavljajo v kombinaciji. Ločimo:

- prevod toplote (kondukcija) - prenos toplote v snovi ali skozi stično površino dveh teles brez mešanja in tokov snovi; - prestop toplote (konvekcija) - prenos toplote iz ali v tekočino ob mešanju makroskopskih delcev; pomemben predvsem na stičnih površinah trdnih snovi in tekočin, in - sevanje toplote (radiacija) - oddajanje elektromagnetnega valovanja v območju infrardeče, vidne in ultravijolične svetlobe; pomembno predvsem pri visokih temperaturah.

3.3.2 Prevod toplote

Mehanizem prevoda toplote ponazarja slika spodaj. Sestavni delci snovi (atomi, molekule, ioni, elektroni) vibrirajo, rotirajo in se gibljejo premočrtno. Pripadajoča kinetična energija raste z rastočo temperaturo. Ko ti delci trkajo med seboj, se kinetična energija prenaša iz območja višje temperature v območje z nižjo temperaturo. Takšen način prenosa toplote se imenuje prevod toplote in je najbolj izražen v

109

trdnih snoveh, čeprav se pojavlja tudi v tekočinah (t.j. kapljevinah in plinih).

Slika 81: Prevod toplote

Fourier je že leta 1822 za enodimenzionalen prevod toplote postavil

zvezo, kasneje poimenovano Fourier-ov zakon:

(38)

Negativni predznak v enačbi zgoraj nam pove, da se toplota prenaša v

smeri padanja temperature.

Parameter λ (W/m·K) je toplotna prevodnost snovi, ki je v splošnem odvisna od vrste snovi, temperature in tlaka. Pri zmernih tlakih je za trdne snovi, kapljevine in celo pline odvisna le od temperature. Tabele spodaj podajajo vrednosti toplotne prevodnosti za nekatere snovi pri sobni temperaturi in atmosferskem tlaku. Slika 1.2 podaja toplotno prevodnost nekaterih snovi v odvisnosti od temperature. Pri nekaterih snoveh jo lahko v ožjem temperaturnem območju jemljemo kot konstanto, v splošnem pa zadošča linearna aproksimacija glede na temperaturo. V plinih se toplota prevaja s trki molekul zaradi premočrtnega gibanja. Ker so molekule precej narazen, je toplotna prevodnost nizka in je za večino plinov velikosti nekaj 0,01 do 0,1 W/m·K. Izjemi sta vodik in helij, ki imata majhno molekulsko maso in se zato molekule pri dani temperaturi hitreje gibljejo kot pri drugih plinih. Na podoben način se toplota prenaša tudi v kapljevinah, le da so razdalje med molekulami manjše in na prenos energije vplivajo medmolekularne sile. Toplotna prevodnost kapljevin je velikosti od 0,1

110

do 0,3 W/m·K z izjemo vode, amoniaka in živega srebra. Največjo toplotno prevodnost imajo trdne snovi. V teh se toplota prenaša z vibracijo strukturne mreže, v kovinah pa predvsem z gibanjem prostih elektronov. Ker so v kovini nosilci električnega toka elektroni, so dobri električni prevodniki hkrati tudi dobri prevodniki toplote. Kovine imajo toplotno prevodnost velikosti nekaj 10 do nekaj 100 W/m·K. Primesi in nečistoče znižujejo prevodnost. Prevodnost čistih kovin z rastočo temperaturo praviloma pada, zlitin pa raste. Tabela 1: Vrednosti toplotne prevodnosti nekaterih snovi pri 20 oC in atmosferskem tlaku [2].

3.3.2.1 Ravna plošča z = konst

Eden najenostavnejših in tudi pomembnejših primerov je prevod skozi ravno ploščo (Slika spodaj).

111

Slika 82: Enodimenzionalni prevod toplote skozi (a) ravno ploščo z = konst.

Ob znani temperaturni porazdelitvi lahko iz Fourier-ovega zakona (1.1)

določimo toplotni tok skozi ploščo površine A, ki je torej po vsej plošči

konstanten

(39)

3.3.2.2 Okrogla cev z λ = konst

Cevi so eden najpogostejših elementov v kemijski procesni tehniki. S problemom prevoda toplote skozi cev se srečujemo pri transportiranju vročih tekočin in pri toplotnih prenosnikih. V prvem primeru so zaželene nizke toplotne izgube in so cevi pogosto izolirane, v drugem primeru so kovinske in imajo visoko toplotno prevodnost. Obravnavajmo dolgo okroglo cev z notranjim polmerom r1 in zunanjim polmerom r2 ter dolžino L, kot prikazuje slika. Na notranji površini stene je temperatura T1, na zunanji pa T2. Za valj, ki je bistveno daljši od premera, lahko predpostavimo, da teče toplota le v radialni smeri.

112

Slika 83: Radialni stacionarni prevod toplote skozi valjčno steno

Dobimo logaritemsko porazdelitev temperature:

(40)

3.3.2.3 Večslojna stena

Vsak sloj v steni nudi prevodu toplote določen upor. Tako je prevod toplote sorazmeren celotnemu uporu stene. Pokažimo na primeru dvo-slojne ravne stene, da je celotni upor vsota uporov posameznih slojev.

Slika 84: Večslojna ravna stena (a) in večslojna cev (b)

Prevod skozi prvi sloj

113

(41)

in prevod skozi drugi sloj

(42)

Če oba izraza seštejemo, dobimo

(43)

Če podobno kot pri električnem toku definiramo upor za sloj A

(44)

In podobno za sloj B, vidimo, da lahko za zaporedje teh slojev zapišemo

upor, ki je vsota posameznih uporov:

(45)

Podobno dobimo za primer večplastne cevi:

(46)

3.3.3 Prestop toplote

Mehanizem prestopa toplote ponazarja slika spodaj. Ko je prvotno mirujoča tekočina v stiku s toplejšo površino, se njeni deli segrevajo, posledično pade njihova gostota, zato se zaradi vzgona pričnejo dvigati, na njihovo mesto pa doteka sveža tekočina (sl. spodaj). Ta pojav

114

imenujemo naravna konvekcija. Takšno gibanje makroskopskih delcev povzroči bistveno hitrejši prenos toplote, kot je sam prevod skozi tekočino. Ko je gibanje tekočine povzročeno npr. z mešalom, črpalko ali ventilatorjem, govorimo o prisilni konvekciji. Mešanje tekočinskih delcev se vrši predvsem zaradi vztrajnostnih sil, ki lahko prevladujejo nad vzgonskimi, zato je prestop toplote še intenzivnejši kot pri naravni konvekciji.

Slika 85: Shema tokovnic pri (a) naravni konvekciji in (b) prisilni konvekciji

Prandtl je za konvekcijo ob steni postavil zvezo:

(47)

kjer so: A = ploščina površine stene Ts = temperatura površine stene (angl. surface) Tf = temperatura tekočine (angl. fluid) = toplotna prevodnos tekočine = debelina mejnega sloja

Debelina mejnega sloja , ne more biti izmerjena ločeno od toplotne

prevodnosti, , zato je vpeljana toplotna prestopnost / (W/m2K).

Osnovna enačba konvekcije je tako:

(48)

Vrednost je odvisna od vrste tekočine, od geometrije stene in režima gibanja tekočine, saj vsi ti dejavniki vplivajo na debelino mejnega sloja in na temperaturno porazdelitev v njem. Hrapava površina, na primer, ima višjo toplotno prestopnost kot gladka zaradi večje površine, razpoložljive za prenos toplote, in intenzivnejšega vrtinčenja. Nekaj okvirnih vrednosti podaja tabela spodaj. Tabela 2: Nekaj okvirnih vrednosti toplotne prestopnosti.

115

3.3.4 Sevanje toplote

npr. atomov. Pri trku pride do trenutne deformacije elektronskih oblakov, zaradi katere potem še kratek čas elektrenina niha in pri tem oddaja elektromagnetne valove. Znotraj snovi se valovi absorbirajo, do izraza pa pridejo valovi, ki jih sevajo gradniki tik pod površjem snovi. Prenos toplote s sevanjem se razlikuje od konduktivnega in konvektivnega prenosa toplote - prvič po tem, da se lahko vrši tudi skozi prazen prostor, in drugič, da je prenesena toplota sorazmerna temperaturi na četrto potenco. Čeprav pri sobni temperaturi seva vsaka snov, je večinoma potrebno sevalni prenos toplote upoštevati šele pri visokih temperaturah. Osnovna zveza za tok sevane toplote z optično sive površine je Stefan-Boltzmann-ov zakon:

(49)

Parametri so: A = ploščina površine telesa, T = temperatura ovršine telesa, = emisivnost površine telesa = Stefan-Boltzmannova konstanta = 5,67 10-8 W/m2K4

V praksi lahko za oceno sevanega toka večino površin smatramo kot optično sive. Tabela spodaj podaja okvirne vrednosti emisivnosti nekaterih površin. Običajno imajo temnejše, hrapave površine večjo ε od gladkih, svetlih površin. Gradbeni materiali imajo ε okoli 0,9. Tabela 3: Okvirne vrednosti emisivnosti nekaterih površin.

116

3.3.5 Prehod toplote

Prenos toplote pogosto poteka z več mehanizmi hkrati – kondukcijo, konvekcijo in radiacijo. Proces lahko sestoji iz vzporednih in zaporednih prenosov in ga kot takšnega imenujemo prehod toplote. Toplotni tok splošno pišemo kA T , kjer koeficient k imenujemo toplotna prehodnost. Na primeru večslojne stene je bilo pokazano, da je upor prehoda toplote, ki sestoji iz zaporednih prenosov, vsota uporov posameznih procesov. Za prehod skozi N slojev, kjer je celotna temperaturna razlika T, je toplotni tok enak:

(50)

Toplotni upor je vsota posameznih uporov:

(51)

3.3.5.1 Prehod toplote skozi ravno ploščo Vroča in hladna tekočina sta ločeni z ravno ploščo. Toplota prehaja s

tremi zaporednimi procesi (konvekcija, prehod in konvekcija):

(52)

117

Slika spodaj prikazuje prehod toplote skozi ravno ploščo

Slika 86: Prehod toplote skozi ravno ploščo

Konvekcija ob toplejši površini plošče je

(53)

prehod skozi steno je

(54)

konvekcija na hladnejši strani stene je

(55)

S seštevanjem uporov dobimo:

(56)

3.3.6 Prenosniki toplote

Toplotni prenosniki so naprave, ki omogočajo prenos toplote s toplega toka snovi na hladen tok snovi. Izbira oblike prenosnika je odvisna od agregatnega stanja tekočin in topnosti oziroma reaktivnosti med njimi. Najučinkovitejši prenos toplote je ob neposrednem stiku snovi, vendar

118

je ta način možen le med snovmi, ki so medsebojno netopne in nereaktivne. V večini izvedb prenosnikov se prenos toplote vrši skozi vmesno pregrado ali posredno sredstvo. Glede na to ločimo tri tipe prenosnikov:

- regeneratorji, - kontaktni prenosniki, - rekuperatorji.

V regeneratorjih se skozi isti prostor izmenično pretaka vroča in hladna tekočina, pri čemer je zaželeno, da se tekočiničim manj mešata. Prostor je zapolnjen s sredstvom (npr. kamni), ki ima dovolj visoko toplotno prevodnost in toplotno kapaciteto. V fazi pretakanja vroče tekočine se polnilo ogreje, v fazi pretakanja hladne tekočine pa polnilo ogreva tekočino. Kadar sta topli in hladni tok medsebojno oddaljena, se toplota prenaša s posrednim tokovnim sistemom tekočine ali trdnih delcev. V kontaktnih prenosnikih (slika spodaj) sta hladna in vroča tekočina v neposrednem stiku.

Slika 87: Nekaj tipov kontaktnih prenosnikov

Najpogostejši so rekuperatorji, kjer sta vroča in hladna tekočina ločeni s steno. Obstajajo različne izvedbe. Osnovne tipe prikazuje slika spodaj. Pretočni režim v teh prenosnikih je lahko:

- so-točni, kjer se tekočini pretakata v isti smeri, - proti-točni, kjer se tekočini pretakata v nasprotni smeri, - križno-točni, kjer se ena tekočina pretaka prečno na drugo.

119

Slika 88: Osnovne izvedbe rekuperatorjev

3.3.6.1 Dvojno-cevni prenosnik toplote Dvojno-cevni prenosniki toplote sestojijo iz dvojnih koncentričnih cevi, kot je prikazano na sliki spodaj. V notranji cevi se pretaka ena tekočina, v vmesnem prostoru med notranjo in zunanjo cevjo pa druga tekočina. Obe tekočini sta lahko plin ali kapljevina. Označimo toplejšo tekočino z indeksom h (angl. hot) in hladnejšo z indeksom c (angl. cold). Vstopne vrednosti označimo z indeksom v in izstopne z indeksom i. Slika spodaj prikazuje porazdelitev temperature vzdolž cevi (koordinate x) za proti-točni in so-točni režim.

Slika 89: Porazdelitev temperature vzdolž dvojno-cevnega prenosnik toplote: proti-točni režim in (b) so-točni režim

Toplotna bilanca za proti-tok, naslanjajoč se na sliko 8a je sledeča. Celotna toka toplote iz vroče tekočine in v hladno tekočino sta:

120

(57)

Pri čemer C=�̇�cp za dano tekočino. Na določenem odseku cevi dx se

notranja energija v vroči in hladni tekočini spremeni za:

(58)

Sprememba pa je enaka prehodu toplote skozi steno cevi, ki ju ločuje:

(59)

Iz zapisanih enačb lahko dobimo izraz:

(60)

In naprej:

(61)

Temperaturno razliko Tln imenujemo srednja logaritemska temperatura.

Če povzamemo enačbe za dvojno-cevni prenosnik toplote, velja toplotna

bilanca:

(62)

3.4 Energetski stroji

Snov za poglavje je vzeta iz: Mihael Sekavčnik, Matija Tuma, Energetski stroji in naprave, Univerza v Ljubljani, 2005.

121

3.4.1. Uvod

Človek se je od nekdaj trudil, da bi si izboljšal življenje z orodjem, ki ga

je izdelal ročno; njegov iznajditeljski duh je šel od prvih tehničnih

pripomočkov, kot so vzvod, sekira in kolo, preko preprostih

srednjeveških strojev in naprav do današnjih kompliciranih robotov. Pri

tem je človeštvo stoletja in stoletja živelo dobesedno od dela svojih rok

vse dotlej, dokler niso človeške pripomočke in stroje začele poganjati

druge vrste energije, in ne energija njegovih mišic. Skok v blagostanju je

torej prinesla doba, ko je bolj ali manj popolne stroje in naprave začela

poganjati energija naravnih energijskih virov, pri tem pa so ti stroji

pripravljali človeku energijo v obliki, ki jo je zahteval. Vzemimo primer

mletja žita s potencialno energijo vode – z mlinskim kamnom namesto

ročnega mletja, ali pozneje, namakanje polj s črpalkami in parnim

batnim strojem namesto ročnega prenašanja veder.

Slika 90: Heronova vrteča se krogla

Iznajdba vodnega kolesa je – zgodovinsko gledano – prvi pomembnejši

energetski stroj, ki ga je gnal neki naravni vir energije. Prvi toplotni

energetski stroj z vsemi bistvenimi deli pa je Heronova krogla (Heron iz

Aleksandrije, okoli 120 pred n. st.): vrtljivo vležajena, zaprta in okrogla

posoda, napolnjena z vodo. Ogenj, zakurjen pod kroglo, je povzročil, da

se je voda v krogli začela uparjati, nastala tlačna razlika med

notranjostjo krogle in okolico pa je bila vzrok, da je para začela pihati v

okolico skozi dvoje odprtin, ki sta bili nameščeni tangencialno na

kroglo. Zaradi reakcijske sile, ki je posledica izstopajoče pare, se je

krogla začela vrteti, slika 1.1. Ni znano, da bi Heron izkoriščal

mehanično delo te vrteče se krogle.

122

Na to misel je prišel šele približno 1700 let pozneje Giovanni de Branca

(knjiga ”Le machine”, 1629) in predložil, da bi curek pare napeljali na

posebno mlinsko kolo ter preko lesenih zobatih koles in vzvodov drobili

žitno zrnje, slika 1.2. Odločilen napredek pa je človeštvu prinesel James

Watt leta 1765 z iznajdbo parnega stroja, ki je delal na osnovi razlike

tlakov. Ta stroj je povzročil, da uživa danes veliko ljudi ugodnosti, ki so

bile včasih dostopne le izbrani peščici.

Slika 91: Turbina, kot si jo je zamislil Giovanni de Branca

Za vse energetske stroje je značilno, da se v njih pridobiva ali porablja mehansko delo. Po namenu se energetski stroji delijo na pogonske (gonilne) in delovne (gnane) stroje, glede na stisljivost delovne snovi na aerohidravlične in toplotne stroje, po načinu delovanja pa na volumenske (izrivne) in turbinske (pretočne) stroje. Poenostavljen pregled delitve energetskih strojev prikazuje preglednica spodaj. Nekateri stroji, ki jih ni mogoče uvrstiti v preglednico, so pozneje omenjeni posebej.

Preglednica: Poenostavljena razdelitev najvažnejših energetskih strojev

123

Pogonski stroji so tisti energetski stroji, v katerih se primarna energija, na primer: kemična energija goriv, jedrska energija, potencialna energija vode, kinetična energija vetra, sevalna energija sonca, posredno ali neposredno spreminja v obliko, ki je koristna za človeka: v električno in mehansko delo, v toploto, svetlobo in zvok. Vsi drugi energetski stroji so delovni stroji, ki jih žene neki pogonski stroj, lahko pa tudi energija človeških ali živalskih mišic. Najstarejše delovne stroje je gnala energija človekovih ali živalskih mišic. Pozneje so prišli pogonski stroji, ki sta jih gnala voda ali veter, in šele pred manj kot 250 leti so se pojavili prvi uporabni toplotni pogonski stroji. Delovanje volumenskih in turbinskih strojev prikazuje slika spodaj. Za aerohidravlične stroje velja, da je delovna snov nestisljiva, pretvorbe energije se dogajajo pri temperaturi okolice. Pri toplotnih strojih je treba upoštevati stisljivost, ki je včasih povezana s spremembo agregatnega stanja, prav tako se v procesu spreminja temperatura delovne snovi.

124

Slika 92: Delovanje volumenskih (izrivnih) in pretočnih (turbinskih) strojev

Za volumenske (izrivne) stroje je značilen prostor, ki je napolnjen z delovno snovjo in katerega prostornina se periodično spreminja. Tlačna energija delovne snovi, ki nastane zaradi razlike tlakov med delovnim prostorom in zunaj njega, se v pogonskem stroju spremeni v mehansko delo. Pri volumenskem delovnem stroju je proces nasproten. Značilno za vse turbinske (pretočne) stroje pa je kolo, ki ima na obodu pritrjene posebno oblikovane lopatice, imenujemo ga gonilnik. Kinetična energija delovne snovi, ki nastane zaradi razlike hitrosti delovne snovi vzdolž gonilnika, se v pogonskem stroju spremeni v mehansko delo. Pri turbinskem delovnem stroju je proces nasproten. Nasprotno od energetskih strojev so skoraj vse energetske naprave že dolgo časa znane in splošno v rabi. V energetskih strojih se pridobiva ali porablja delo, medtem ko se pri energetskih napravah prenaša samo energija, največkrat v obliki toplote; stroji imajo trajno gibajoče se dele, naprave pa ne. Energetske naprave se med seboj razlikujejo po načinu prenosa energije in po termodinamičnih ter snovnih lastnostih delovnih snovi.

3.4.2 Mehanika tekočin

Brez obširnejše razlage so nanizani glavni fizikalni zakoni iz mehanike tekočin in termodinamike, ki so potrebni za razumevanje učne snovi v zvezi z energetskimi stroji in napravami.

3.4.2.1 Gostota

Plini in kapljevine se med seboj razlikujejo po gostoti, stisljivosti itn., imajo pa sicer mnogo skupnih lastnosti. Z eno besedo se imenujejo tekočine ali s tujko fluidi. Za mnoge praktične primere zadostujejo

125

nekatere poenostavitve, npr. za kapljevine vzamemo, da so praktično nestisljive, za pline pa, da se vedejo kot idealni plini, gostota plinov se spreminja po plinski enačbi. Pri majhnih spremembah tlakov pogosto zadošča, da tudi pline obravnavamo kot nestisljive, npr. tok zraka skozi vetrnice in ventilatorje.

3.4.2.2 Hidrostatični tlak

Kapljevina lahko sprejema samo tlačne sile. Če zanemarimo njeno težo, deluje hidrostatični tlak v notranjosti kapljevine enakomerno na vse strani (Pascalov zakon). Dejansko je v večini tehničnih primerov potrebno upoštevati težo kapljevine, hidrostatični tlak se namreč povečuje sorazmerno z globino:

(63)

pri tem je p0 tlak okolice in gostota kapljevine.

3.4.2.3 Kontinuitetna enačba Za stacionarni tok tekočine velja:

(64)

pri tem je m masni tok, gostota, vm srednja (krajevno povprečena) hitrost tekočine in A prerez toka tekočine. Pri majhnih prerezih in zanemarljivih krajevnih spremembah hitrosti velja poenostavljen zapis kontinuitetne enačbe:

(65)

3.4.2.4 Energijski izrek

Energijski izrek je za mehaniko tekočin mogoče izpeljati iz osnovnega Newtonovega zakona. Če zanemarimo sile med posameznimi atomi, velja energijski izrek tudi za skupek atomov neke snovi, pri tem je kinetična energija vsota kinetičnih energij vseh atomov. To kinetično energijo sestavljajo:

- energija, ki jo imajo atomi zaradi svojega neurejenega gibanja in - energija, ki ustreza hitrosti težišča celotne plinske mase.

126

V splošnem ni mogoče določiti, kolikšen del dovedenega dela povečuje notranjo energijo in kolikšen del makroskopsko kinetično energijo. V mnogih primerih se vse dovedeno delo porablja samo za povečevanje makroskopske kinetične energije. Natančno velja to le za nestisljive idealne snovi brez trenja. Ustrezna oblika energijskega izreka za ta posebni primer je Bernoullijeva enačba:

(66)

Enačba pove, da se je energija, ki rezultira iz tlaka tekočine in njene zemeljske privlačnosti, brez izgub spremenila v kinetično energijo. V primeru, da imamo v izbranem sistemu opravka s trenjem, pridobivanjem energije ali opravljanjem dela (Y) in toplote moramo zapisati energijsko enačbo:

.2

²

2

² 2211 izg+v

+gz+ρ

p=Y+

v+gz+

ρ

p21 (67)

kjer .izg predstavljajo izgube v cevovodih, ki jih sestavljajo linijske in

lokalne izgube:

2

.v²

ξ+d

lλ=izg

(68)

3.4.3 Volumenski ali izrivni stroji

Prikazane so skupne značilnosti volumenskih strojev, njihova razdelitev, nato pa so podrobneje opisani nekateri glavni predstavniki: batne črpalke, batni kompresorji, motorji z notranjim zgorevanjem in parni batni stroji. Obravnavana je njihova uporaba, posebnosti in obdelane so tudi najvažnejše tehnične karakteristike.

3.4.3.1 Značilnosti

3.4.3.1.1 Razdelitev

Značilen za vse volumenske ali izrivne stroje je delovni prostor, ki je napolnjen z delovno snovjo in katerega prostornina se periodično spreminja: tlak izmenoma narašča in pada, med obema operacijama

127

imamo sesanje in izrivanje delovne snovi. Značilna veličina je torej spreminjajoč se delovni prostor, ki je posledica pomikanja bata, nihanja opne ali vrtenja ekscentrično nameščenega rotorja. Gibajoči se del stroja izpodriva delovno snov, ki je lahko stisljiva ali nestisljiva, in opisuje pri tem premo, rotirajoče ali nihajoče gibanje. Če se prenaša energija z delovne snovi na bat, ekscentrični rotor ali opno, govorimo o pogonskih, v nasprotnem primeru pa o delovnih strojih: pretvorba v mehansko delo se zgodi vedno preko tlačne energije. V delovnem prostoru je pospešek (sprememba hitrosti v časovni enoti) delovne snovi – v nasprotju s turbinskimi stroji – zanemarljiv. Ti stroji so glede na kinematiko delovanja razdeljeni na tri velike skupine. Najštevilčnejše primere volumenskih strojev prikazuje slika spodaj. Volumenski batni stroji so najpomembnejši. Zaradi svoje široke uporabe so dali ime celotni družini strojev: pogosto se namreč uporablja izraz ”batni stroji” za vse vrste volumenskih strojev. Najvažnejši bodo obravnavani podrobneje: črpalke, kompresorji, motorji z notranjim zgorevanjem, slika spodaj, in parni stroji. Drugo skupino tvorijo volumenski rotacijski stroji. Zobniška črpalka / kompresor/ hidravlični motor: ni ekscentricitete, zato pa je nujna skoraj trenutna sprememba tlaka, slika spodaj. Krilna črpalka / kompresor: za periodično spreminjanje delovnega prostora skrbi ekscentrično postavljen rotor z gibljivimi krili, slika spodaj. MotorWankel: rotor, ki je nameščen glede na stator ekscentrično, se giblje po posebni krivulji, ki skrbi za periodično spreminjanje delovnega prostora, slika spodaj. V tretjo skupino spadajo volumenski membranski stroji, primer iz te skupine je membranska črpalka, slika spodaj: premikanje opne povzroča periodično spreminjanje delovnega prostora.

128

Slika 93: Primeri volumenskih strojev; A - batni motor z notranjim zgorevanjem, B - zobniška črpalka, C - krilna črpalka, Č - motor Wankel, D - membranska črpalka tlaka

3.4.3.2 Črpalke

3.4.3.2.1 Razdelitev in uporaba

Batne črpalke so delovni stroji, ki v eni ali več stopnjah povečujejo energijo v nestisljivih snoveh, npr. v vodi, tako da jih dvignejo na višji tlak. Zato je treba stroju dovajati delo, npr. električno energijo. Značilno za batne črpalke so manjši pretoki, imenovani tudi dobavne količine, in višji tlaki, imenovani tudi dobavne višine. To je področje delovanja, kjer turbinske črpalke in tudi druge črpalke ne pridejo v poštev. Batne črpalke so samosesalne in imajo dober indicirani (notranji) izkoristek stroja, njihova slaba stran je neenakomerna dobava, majhne vrtilne frekvence in velika poraba prostora. Področje uporabe je pestro: transport močno viskoznih kapljevin, kot so olja, paste, cement, nadalje dozirne črpalke v procesni industriji, visokotlačne črpalke pri obdelovalnih strojih in naftni industriji, črpalke v hidravličnih regulacijskih sistemih, krilne črpalke v pogonski tehniki, zobniške črpalke za mazalna olja itd.

3.4.3.2.2 Rotacijske črpalke

Zobniška črpalka je najvažnejši predstavnik volumenskih rotacijskih črpalk. Par čelnih zobnikov je tesno vgrajen v okrov s priključenim sesalnim in tlačnim cevovodom, slika spodaj levo. Zobniška dvojica je v stalnem stiku, zato je tesnjenje zelo dobro. Ozobljenje deluje kot rotirajoči bat in nosi s seboj delovno snov, največkrat olje.

129

Konstrukcijsko važne so radialne izvrtine v enem ali obeh zobnikih (narisano črtkano); pri obratovanju se namreč del delovne snovi zaradi zmanjšanja volumna med zobnikoma umakne v te odprtine, sicer bi se tlak zaradi nestisljivosti delovne snovi močno povečal. Zobniška črpalka je zelo razširjena kot črpalka za mazalno olje pri najrazličnejših strojih, posebno pri turbinskih pogonskih strojih. Zobniške črpalke lahko izvedemo tudi s kombinacijo notranjega in zunanjega zobniškega para, kot to prikazuje slika spodaj desno.

Slika 94: Zobniška črpalka; A - z zunanjim ozobjem, B - z notranjim ozobjem

Nekateri drugi primeri rotacijskih črpalk, ki so se uveljavili v praksi, so prikazani na sliki spodaj.

130

Slika 95: Primeri volumenskih rotacijskih črpalk; A- Rootsova črpalka, B – krilna črpalka, C - cevna črpalka, Č - črpalka z vijačnim vretenom, D - dvovijačna črpalka

3.4.3.2.3 Posebne črpalke

Omeniti je treba še posebne črpalke, ki jih ni mogoče uvrstiti med volumenske niti med turbinske stroje. Vsem tem črpalkam je skupno le to, da nimajo gibajočih se delov, izrabljajo pa nekatere fizikalne lastnosti delovnih snovi. Po definiciji za stroje, ki je napisana v uvodnem poglavju, spadajo te črpalke lahko tudi med energetske naprave in ne med stroje. Nekateri primeri so zbrani na sliki spodaj. Črpalka na vodni ali parni curek deluje zaradi izmenjave impulza med hitro tekočo pogonsko tekočino in počasi tekočo črpano tekočino. Govorimo o ejektorju, če črpa iz posode, in o injektorju, če potiska delovno snov v posodo. Tako delovna kot pogonska tekočina sta načeloma lahko v tekočem ali plinastem agregatnem stanju.

131

Slika 96: Nekatere posebne črpalke; A - ejektor / injektor, B - hidravlični oven, C - elektromagnetna črpalka, Č - mamutska črpalka

Hidravlični oven na osnovi skokovitega povečanja tlaka, ki nastane pri periodično ponavljajočem se hidravličnem udaru v sesalnem cevovodu; izrablja potencialno energijo dotekajoče črpane delovne snovi in zato ne potrebuje dodatne pogonske energije. Elektromagnetne črpalke izrabljajo Biot-Savartove sile, ki nastanejo, če je tok elektroprevodne tekočine v magnetnem polju, skozi katerega teče električni tok. Mamutska črpalka deluje zaradi vzgona kapljevine (navadno zelo viskozne), razredčene s plinom, ki ga vpihujemo na sesalnem ustju.

3.4.3.3 Kompresorji

3.4.3.3.1 Razdelitev in uporaba

Batni kompresorji so delovni stroji, ki v eni ali več stopnjah povečujejo energijo v stisljivih snoveh, npr. v zraku, pri tem se gostota delovne snovi poveča, temperatura poviša, specifična prostornina pa zmanjša. Za to je treba stroju dovajati delo, npr. električno energijo. Konstrukcija in delovanje batnih kompresorjev sta podobna batnim črpalkam. Značilno za batne kompresorje so majhne dobavne količine in visoki tlaki. Glede na kompresijo so razdeljeni na vakuumske črpalke (< 1 bar), kompresorje (do 50 bar) in visokotlačne kompresorje. Pregled uporabe kompresorjev, volumenskih in turbinskih, prikazuje slika spodaj.

132

Področje uporabe je raznoliko: zrak, vodna para, gorilni plini (zemeljski in plavžni plin), industrijski plini (vodik, dušik in acetilen), hladilne snovi (freon in amonijak) itd. Uporabljajo se za pogon pnevmatičnega orodja, v metalurških obratih za vpihovanje zraka, za tlačno polnjenje motorjev z notranjim zgorevanjem, za transport organskih spojin, pri proizvodnji umetnih snovi itd.

Slika 97: Delovna področja različnih vrst kompresorjev; A - batni kompresorji, B - rotacijski kompresorji, C - batne in rotacijske vakuumske črpalke, Č – turbinski kompresorji, D - turbinske vakuumske črpalke

3.4.4 Turbinski ali pretočni stroji

Prikazane so skupne značilnosti turbinskih strojev in njihova razdelitev, nato pa so podrobneje opisani nekateri glavni predstavniki: črpalke in kompresorji, propelerji in vodne turbine, hidrodinamični prenosniki moči, vetrnice ter plinske in parne turbine. Obravnavana je njihova uporaba, posebnosti in obdelane so tudi najvažnejše tehnične karakteristike.

3.4.4.1 Značilnosti

3.4.4.1.1 Razdelitev Značilno za vse turbinske ali pretočne stroje je lopatično kolo, ki ima na obodu pritrjene zakrivljene lopatice; te se stalno vrtijo v toku delovne snovi, pri tem energija prehaja z delovne snovi na lopatično kolo ali nasprotno. V prvem primeru govorimo o pogonskih, v drugem pa o delovnih strojih. Delovna snov je lahko plin ali kapljevina.

133

Slika 98: Glavni sestavni deli turbinskega pogonskega (delovnega) stroja; A - gonilnik, B - vodilnik, C - vstopni del - šoba (izstopni del - difuzor), Č - izstopni del - difuzor (vstopni del - šoba)

Poleg vsaj enega lopatičnega kolesa, ki se imenuje gonilnik, ima skoraj vsak turbinski stroj še vodilnik – to so mirujoče lopatice, pritrjene na okrov stroja, ki skrbijo, da ima delovna snov predvideno hitrost in smer toka. Sprememba hitrosti delovne snovi v gonilniku je za obratovanje turbinskih strojev bistvena. Gonilnik in vodilnik skupaj tvorita turbinsko stopnjo. Pogosto so turbinski stroji sestavljeni iz več zaporednih stopenj, kot prikazuje slika zgoraj. Delovna snov lahko doteka v aksialni, diagonalni, radialni, tangencialni (obodni) in prečni smeri, slika spodaj.

Slika 99: Smer toka delovne snovi skozi gonilnik turbinskega stroja; A - radialna, B - diagonalna, C - aksialna, Č - tangencialna, D - prečna

Poleg vsaj enega lopatičnega kolesa, ki se imenuje gonilnik, ima skoraj vsak turbinski stroj še vodilnik – to so mirujoče lopatice, pritrjene na okrov stroja, ki skrbijo, da ima delovna snov predvideno hitrost in smer

134

toka. Sprememba hitrosti delovne snovi v gonilniku je za obratovanje turbinskih strojev bistvena. Gonilnik in vodilnik skupaj tvorita turbinsko stopnjo. Pogosto so turbinski stroji sestavljeni iz več zaporednih stopenj, kot prikazuje slika zgoraj. Delovna snov lahko doteka v aksialni, diagonalni, radialni, tangencialni (obodni) in prečni smeri, slika zgoraj. Pri pogonskih strojih vstopa v splošnem v stroj energija v obliki entalpije (entalpija je vsota notranje in tlačne energije) in kinetične energije delovne snovi. V vodilniku se dogaja prva preobrazba: zaradi zmanjšanja pretočnega prereza (šoba) se entalpija na račun zmanjšanja tlačne in notranje energije delno spremeni v kinetične energijo. Druga preobrazba se dogaja v gonilniku: delovna snov zaradi velike hitrosti močno pritiska na zakrivljene lopatice in ustvarja silo na obodu. Kinetična energija se spremeni v delo, ki se kot vrtilni moment prenaša na gred stroja. Pri delovnih strojih je pot nasprotna. Energijo zelo pogosto v obliki električne energije dovajamo od zunaj na gred turbinskega stroja in od tod se to delo prenaša preko lopatic na delovno snov. Vrteče se lopatice pospešujejo delovno snov in povečujejo njeno entalpijo in kinetično energijo. Druga preobrazba se dogaja v vodilniku: kinetična energija delovne snovi se zaradi povečanja pretočnega prereza (difuzor) spremeni v tlačno in notranjo.

3.4.4.1.1 Primerjava med volumenskimi batnimi in turbinskimi stroji

Pri volumenskih batnih strojih se pojavlja sila na površino bata neposredno kot posledica tlaka, pri turbinskih strojih pa šele po vmesni pretvorbi energije. Pri turbinskih strojih se namreč notranja in tlačna energija v vodilniku pretvorita najprej v kinetično energijo, nato pa se kinetična energija v gonilniku zmanjša na račun dela. Pri turbinskih strojih nastanejo sile zaradi spremembe hitrosti, pri tem je vedno potrebna neka minimalna hitrost, da dosežemo obratovalno točko. V nasprotju s tem pa dosežejo volumenski batni stroji obratovalno točko s skoraj mirujočo delovno snovjo. Ker imamo pri turbinskih strojih opravka z vmesno pretvorbo energije, ki povzroča dodatne izgube, je notranji izkoristek v splošnem slabši kot indicirani izkoristek pri volumenskih batnih strojih. Pač pa je mehanski izkoristek pri turbinskih strojih zaradi manjšega trenja večji kot pri volumenskih batnih strojih: ti potrebujejo namreč še dodatni mehanizem, da se premo gibanje spremeni v vrtilno. Volumenski batni stroji imajo majhno vrtilno frekvenco, neenakomerno dobavno količino, potrebujejo veliko prostora in so konstrukcijsko zahtevni. Primerni so za manjše

135

dobavne količine in večje tlake. Značilnost turbinskih strojev pa je njihova enostavna konstrukcija (dolga trajnostna doba, majhna obraba konstrukcijskih delov, malo različnih rezervnih delov), večja vrtilna frekvenca, enostavna regulacija in predvsem manjša masa na enoto moči: potrebujejo pa veliko število turbinskih stopenj in so zaradi velike vrtilne frekvence hrupni, preglednica spodaj. Preglednica: Primerjava lastnosti volumenskih batnih in turbinskih strojev

3.4.4.2 Črpalke

3.4.4.2.1 Razdelitev in uporaba

Turbinske črpalke so enako kot volumenske črpalke delovni stroji in imajo enak namen, namreč, da v eni ali več stopnjah povečujejo energijo pri nestisljivih snoveh, npr. vodi, tako da jih dvignejo na višji tlak. Zato je stroju potrebno dovajati delo, npr. električno energijo. Značilno za turbinske črpalke so večji pretoki in večje vrtilne frekvence. Črpalke so eno- ali večstopenjski nadtlačni turbinski stroji, glede na značilno vrtilno frekvenco pa so razdeljeni na radialne, diagonalne in aksialne stroje, nq = 10–300 min¡1, slika spodaj. Področje uporabe je pestro. Procesna tehnika: industrija različnih kemikalij, petrokemija, industrija celuloze in papirja, prehrambena industrija itd; preskrba mest: vodovodne in toplovodne črpalke,

136

kanalizacijske črpalke, čistilne naprave itd.; energetska postrojenja: črpalke za hladilno vodo, za kondenzat, za kotlovsko vodo, reaktorske črpalke itd. in vodno gospodarstvo: pitna in namakalna voda, čiščenje voda, pridobivanje sladke vode iz morske itd.

Slika 100: Glavne vrste turbinskih črpalk; A - radialni gonilnik, B - diagonalni gonilnik, C - aksialni gonilnik

3.4.4.2.2 Delo, moč in izkoristek

Pri turbinskih strojih je dobavna količina enakomerna, zato navadno računamo z močjo (delo na enoto časa). Dejanska moč je:

(69)

Pri turbinskih črpalkah sta dobavna višina in pretok med seboj povezana. Potek karakteristične krivulje je odvisen od konstrukcije gonilnika črpalke, vendar je podoben za vse turbinske stroje: položneje padajoča krivulja dobavne višine je značilna za radialne črpalke (večje tlačne razlike na turbinsko stopnjo, manjši pretoki), strmeje padajoča za aksialne črpalke (večinoma enostopenjske izvedbe, majhna tlačna razlika, veliki pretoki). Na sliki 4.18 so prikazane značilne karakteristike turbinskih črpalk v brezdimenzijski obliki. Pri tem so: pretočno število, tlačno ali energijsko število, močnostno število in izkoristek črpalke. Za posamezne črpalke se navadno uporablja dimenzijski diagram.

137

Slika 101: Brezdimenzijske karakteristike turbinskih črpalk; A - radialne, B - diagonalne, C – aksialne

S podvojitvijo črpalk je dobavno količino ali dobavno višino turbinskih črpalk mogoče spremeniti v večjem obsegu, če v obstoječi cevovod vgradimo vzporedno ali zaporedno dodatno črpalko. Na sliki 4.19 je zaradi nazornosti narisan primer dveh enakih črpalk. Pri zaporedni postavitvi se pri danem pretoku seštevajo dobavne višine, pri vzporedni postavitvi pa se pri dani višini seštevata dobavni količini dveh črpalk. S slike je razvidno, da se pri vzporedni vgradnji dodatne črpalke v obstoječ cevovod dobavna količina ne podvoji, prav tako se pri zaporedni vgradnji ne podvoji dobavna višina. Pri nespremenjeni karakteristiki cevovoda, v katerega sta vgrajeni črpalki, je odvisno dejansko povečanje dobavne količine oziroma dvižne višine predvsem od vrste črpalk.

3.4.4.3 Kompresorji

Turbinski kompresorji so, enako kot volumenski kompresorji, delovni stroji in imajo enak namen, namreč, da v eni ali več stopnjah povečujejo energijo pri stisljivih snoveh, npr. pri zraku, pri tem se povečata gostota in temperatura delovne snovi, specifična prostornina pa zmanjša. Zato je stroju potrebno dovajati delo, npr. električno energijo. Konstrukcija in delovanje turbinskih kompresorjev je podobno turbinskim črpalkam. Značilno za turbinske kompresorje so večje pretočne količine in vrtilne frekvence, prim. sliko 3.18. Glede na stopnjo kompresije so kompresorji razdeljeni na vakuumske črpalke (< 1 bar), ventilatorje (< 1,1 bar, tlačna razlika je tako majhna, da se delovna snov obravnava za nestisljivo), puhala (1,1–3,0 bar, ena do tri turbinske stopnje) in kompresorje.

138

Kompresorji so eno- ali večstopenjski nadtlačni turbinski stroji, glede na značilno vrtilno frekvenco pa so razvrščeni – podobno kot turbinske črpalke – na radialne, diagonalne in aksialne kompresorje, slika 4.21. Področje uporabe je raznoliko. Ventilatorji se uporabljajo za prezračevanje rudnikov, predorov, delovnih in drugih prostorov, za odsesovanje plinov, prašnega zraka, za kroženje zraka pri sušenju, gretju, hlajenju, klimatizaciji itd. Puhala se uporabljajo za dobavo zraka pri večjih motorjih z notranjim zgorevanjem, za vpihovanje zraka pri plavžih, v kemični industriji, procesni tehniki itd. Radialni kompresorji se uporabljajo v procesni tehniki za transport, za pripravo stisnjenega zraka, v hladilni tehniki, pri uplinjanju premoga itd., aksialni pa pri plinskih postrojenjih in v jeklarski industriji za velike količine zraka.

Slika 102: Glavne vrste turbinskih kompresorjev; A, B - radialna gonilnika; C, Č , D, - diagonalni gonilniki; E, F - aksialna gonilnika

139

140

4. Gradbeništvo

4.1 Hidravlične meritve

Pri hidravličnih meritvah bomo obravnavali meritve prostorninskega toka vodotokov brez merskih objektov in z njimi ter vzorčenje za potrebe kasnejših laboratorijskih kemijskih in bioloških meritev.

4.1.1 Merjenje prostorninskega toka vodotokov brez merskih objektov

Na splošno delimo meritve prostorninskega toka vodotokov brez merskih objektov na dve skupini:

- prostorninske meritve in - meritve prostorninskega toka s traverziranjem.

Pri neposrednih oz. prostorninskih meritvah prostorninski tok določimo z meritvijo prostornine pretečene vode v določenem času. Prostorninske meritve so zelo natančne, vendar so omejene na manjše prostorninske tokove, ki jih v primernem časovnem intervalu zajamemo v merilno posodo za merjenje prostornine. Pri meritvah prostorninskega toka s traverziranjem merimo hitrost toka v izbrani mreži točk (slika 103).

Slika 103:

Postopek merjenja prostorninskega toka vodotoka s hidrometričnimi krilci ali z ultrazvočnimi anemometri. Levo: shema razporeditve lamel in desno naprava za merjenje prostorninskega toka vodotoka, Isar, Mittenwald, Nemčija.

Skupen prostorninski tok je vsota delnih prostorninskih tokov, to je skalarnih produktov vektorjev ploščine prečnega preseka in srednje hitrosti vode na tem. Med meritvami prestavljamo hidrometrična krilca ali ultrazvočne anemometre med posameznimi merilnimi mesti in vsaki izmerjeni hitrosti

141

pripišemo navidezni delni presek vodotoka. Meritvi hitrosti in površine sta ločeni meritvi in se izvajata z različno metodologijo. Površino izmerimo z meritvijo globine vode na posameznih oddaljenostih od izhodiščne točke na enem od bregov. Predpostavimo, da je potek dna med posameznimi meritvami globine (navpičnicami) linearen. Na ta način dobimo t. i. lamele, za katere moramo izmeriti srednjo hitrost. Srednjo hitrost določimo kot povprečje posameznih izmerkov hitrosti v različnih globinah navpičnice. Za vodotoke obstaja teoretična navpična razporeditev hitrosti po globini. Nanjo v največji meri vplivata oblika prečnega in vzdolžnega preseka ter hrapavost ostenja. V idealnih razmerah lahko zadovoljivo določimo srednjo hitrost v navpičnici z meritvijo le na eni globini, in sicer merimo hitrost vodnega toka na 60 % globine pod gladino. Celotni prostorninski tok je vsota posameznih prostorninskih tokov skozi ustrezne lamele. Običajno predpostavimo, da je hitrost toka pravokotna na vsako posamezno lamelo. Namesto hidrometričnih krilc se za meritve hitrosti toka vodotokov v posameznih lamelah uporabljajo tudi ultrazvočni merilniki hitrosti. Obe vrsti merilnikov sta prikazani na sliki 104. Z nekaterimi ultrazvočnimi merilniki hitrosti lahko sočasno izmerimo tudi globino vodotoka. Taki merilniki uporabljajo načelo Dopplerjevega pojava, torej merijo spremembo med oddano in sprejeto frekvenco ultrazvoka. Frekvence delovanja znašajo približno od 500 do 1500 kHz. Za določitev hitrosti vode se meri frekvenca odbojev od mimobežnih delcev v vodi, ki potujejo skupaj s tokom, za določitev globine pa od struge vodotoka. Ker meri merilnik na način, da se giblje prečno na vodotok, mora v vsakem trenutku poznati svoj položaj. Le-tega določi merilnik glede na položaj na začetku gibanja, lastne hitrosti in smeri gibanja ter časa, ki je pretekel med posameznima meritvama hitrosti in globine. Zaradi več odbojev od tal in delcev na različnih višinah se taki navpični meritvi reče garnitura (angl. ensemble).

142

Slika 104:

Za meritve hitrosti vode se v vodotokih in modelih uporablja hidrometrična krilca (levo) ali ultrazvočni merilnik hitrosti, ki deluje na načelu merjenja časa preleta (desno).

Hitrost premikanja dna vodotoka oz. prodonosnost se meri z ultrazvočnimi Dopplerjevimi merilniki na podoben način kot hitrost vodnega toka (slika 105). Gibanje dna ugotovimo tako, da prehoda struge ne zaključimo na nasprotnem bregu, ampak nadaljujemo na začetni breg. Meritev začnemo in končamo na istem mestu. Če je merilnik zabeležil navidezni premik med začetno in končno pozicijo, je ta posledica gibajočega dna oz. prodonosnosti. Z ultrazvočnim merilnikom hitrosti ne moremo izmeriti v vseh točkah vodotoka. Območja, kjer ni mogoče meriti, so tik ob gladini, tik ob dnu in ob straneh vodotoka. Območje tik pod vodno gladino je posledica dejstva, da potrebuje merilnik za delovanje globino vsaj približno od 0,2 do 0,3 m. Merilnik vsebuje zaznavalo, ki je oddajnik in sprejemnik hkrati. Ko zaznavalo odda ultrazvočni signal, opna zaniha, preden pa se izniha, pa zvočni val prepotuje določeno razdaljo. Šele potem je ultrazvočni merilnik pripravljen za sprejemanje odbitih signalov. Težave pri zaznavanju območja na dnu in ob straneh vodotoka so posledica stranskih šibkejših pulzov, ki nastanejo ob tvorbi glavnega pulza.

143

Slika 105:

Merjenje prostorninskega toka vodotoka z akustičnim Dopplerjevim merilnikom, levo: namestitev merilnika na trimaran in desno: merjeno območje in območja, kjer ni mogoče meriti.

Obstajajo še druge metode merjenja prostorninskega toka vodotoka brez merskih objektov, ki jih tu zgolj omenjamo, npr. metoda razredčenja, elektromagnetna metoda, metoda s pomočjo plovca in metoda naklon/površina.

3.1.2 Merjenje prostorninskega toka vode z merskimi objekti

Objekti za meritve prostorninskega toka so objekti, postavljeni v odprtih kanalih ali zaprtih cevovodih s prosto gladino, s pomočjo katerih določimo prostorninski tok iz gorvodno izmerjene gladine vode. Z merskimi objekti umetno zmanjšamo prečni presek vodotoka, da se gorvodno poviša nivo vode. Merski objekti so za odprte kanale ekvivalentni merjenju prostorninskega toka v ceveh z zaslonko ali Venturijevo cevjo. Če je zmanjšanje prečnega preseka odprtega kanala zadostno, lahko dobimo razmerje med dvigom vodne gladine in prostorninskim tokom. Na to razmerje vplivata bolj ali manj samo oblika in dimenzije objekta, zelo malo pa geometrija kanala oziroma cevi, gorvodno od objekta. Navedemo lahko naslednje merske objekte za merjenje prostorninskega toka vode:

- široki prag, - ostrorobi preliv in - zožitev.

Poleg navedenih merskih objektov poznamo še druge [Steinmam, 2010], vendar jih tu ne bomo omenjali. Če je krona jezovne zgradbe višja od gladine vode pri normalnem, to je ob nemotenem odtoku na odseku pod objektom, govorimo o prelivu. Obravnavali bomo samo nepotopljene prelive in pragove,

144

kjer je na prelivu dosežen prehod v deroči tok oz. prehod prek kritične globine. To pomeni, da razmere v obravnavanih primerih na dolvodnem odseku za merskim objektom ne vplivajo na prelivne razmere. Energija spodnje vode tedaj ne vpliva na razpoložljivo energijo za prelivanje. Pri konstantni pretočni površini štejemo kot najugodnejšo tisto obliko preliva, kjer se pojavlja najmanj odlepljanja toka od konstrukcije oz. vrtinčenja. To povzroča dodatne energijske izgube, kar zmanjšuje prelivno sposobnost objekta oz. koeficient preliva µ [Steinman, 2010]. V tem primeru potrebujemo za isto količino prostorninskega toka večjo prelivno višino in s tem večjo zajezitev gorvodno. V nadaljevanju bomo opisali navedene merske objekte za merjenje prostorninskega toka vodotokov.

4.1.2.1 Široki prag Široki prag (angl. broad crested weir) je namenjen merjenju velikih prostorninskih tokov. Dolžina praga v smeri toka mora biti taka, da so na kroni tokovnice vzporedne s krono praga, kot je prikazano na sliki 106. Krona mora biti določene višine. Široki prag omogoča meritve pri večjih prostorninskih tokovih in prepuščanje plavajočih predmetov. Najbolj uporabljeni so široki pragovi trikotne oblike, pravokotne oblike z močno zaobljenimi robovi in pravokotne oblike. Osnovna enačba za izračun prostorninskega toka vodotoka s širokim pragom je [Steinman, 2010]:

�̇� = 3

2√2𝑔 𝜇 𝑏 𝐻

32 . (70)

V enačbi (81) je H je višina gladine vode nad pragom, b širina praga in μ s standardom ali v literaturi podan pretočni koeficient.

Slika 106:

Meritev prostorninskega toka vodotoka s širokim pragom

4.1.2.2 Ostrorobi preliv Ostrorobi preliv (angl. sharp crested weir) je tanek, na tok pravokoten merski objekt (slika 107). Ostrorobi preliv je močno zožan široki prag, tako da je prelivna krona debela največ 6 mm. Kota prelivne krone mora biti višja od gladine spodnje vode. Geometrijska oblika prelivnega prečnega preseka je lahko trikotna (Thompson), pravokotna (Rehbock), trapezna (Cipoletti) in

145

sorazmerna (Sutro) [Steinman, 1999]. Pomanjkljivost prelivov je, da so bolj občutljivi na plavajoče predmete in prod, zato jih v naravnih vodotokih ne uporabljamo. Prelivi se uporabljajo npr. v kanalih čistilnih naprav in za modelne laboratorijske preizkuse. Prostorninski tok je za trikotni preliv s kotom enak [Steinman, 2010]

�̇� =8

15√2𝑔 𝜇 tan (

𝜃

2) 𝐻

52 , (71)

medtem ko za pravokoten preliv velja [Steinman, 2010]

�̇� =2

3 𝜇 𝑏 √2𝑔 𝐻

32 . (72)

V enačbi (71) je b širina pravokotnega preliva. Meritev višine se izvede od 2 do 6 H pred pragom. Eksperimentalni podatki kažejo, da se vrednost koeficienta preliva 𝜇 ne spreminja z višino H. Izjema so najmanjše višine, kjer na tok vode vplivajo dodatne sile npr. sila površinske napetosti.

Slika 107:

Meritev prostorninskega toka vodotoka s prelivom

V praksi se prelivi uporabljajo kot standardizirane priprave za merjenje prostorninskega toka v odprtih kanalih.

4.1.2.3 Zožitev Kjer imamo na voljo minimalen padec struge, za meritev prostorninskega toka uporabljamo zožitev. Glede na dolžino zožitve oz. grla jih delimo na zožitve s kratkim in dolgim grlom. Glede na obliko pa poznamo zaokroženo zožitev, pravokotno in trapezno zožitev. Običajno jih vgradimo v manjše vodotoke, čistilne naprave ter v namakalne jarke. Najlažja za izvedbo je pravokotna zožitev, vendar ima taka meritev največjo merilno negotovost. Zato tam, kjer je zahtevana majhna merilna negotovost meritve, uporabljamo trapezne

146

zožitve. Pri pravokotni zožitvi izračunamo prostorninski tok [ISO 9826, 1992] po naslednji enačbi [73]:

�̇� = 𝐶 ∙ 𝐻𝑛 . (73)

V enačbi (73) je C konstanta zožitve, H globina vode pred zožitvijo in n eksponent.

Slika 108:

Parshallova zožitev za merjenje prostorninskega pretoka vode

Vrednost konstant C in n podaja standard [ISO 9826, 1992]. Zožitve omogočajo dober pretok proda, zato jih velikokrat vgradimo tam, kjer je ta lastnost potrebna.

147

Seminar 1. Proizvodnja steklene in kamene volne ter naprave in postopki za čiščenje odpadnih plinov

Steklena volna in kamena volna sta dobra izolacijska materiala (manjka, opiši bolje). V Sloveniji je edini proizvajalec steklene volne podjetje URSA v Novem Mestu in edini proizvajalec kamene volne podjetje Knauf Insulation v Škofji Loki. Postopka proizvodnje steklene in kamene volne sta v dobršni meri enaka. Večinoma oba procesa uporabljata podobne trdilne komore, pakirne linije, in sisteme za čiščenje, se pa razlikujeta se v pripravi, večinoma pa tudi v tipu peči, centrifugi in usedalni komori. Večinoma se za taljenje uporabljajo kupolne in kadne peči. V Sloveniji je kupolna peč vgrajena v proizvodno linijo v podjetju Knauf Insulation, kadna peč pa v podjetju URSA. V nadaljevanju bomo predstavili oba postopka proizvodnje.

S1.1 Opis procesa proizvodnje steklene volne

Proizvodnja steklene volne je razdeljena na naslednje glavne dele: - priprava taline v kupolni ali kadni peči, - razvaknjenje taline na kolesih centrifuge in dodajanje veziva, - trjenje plasti steklene volne v polimerizacijski komori, - razrez in pakiranje.

Proces proizvodnje steklene volne je prikazan na sliki spodaj.

148

Slika 109:

Proces proizvodnje kamene volne. 1: steklarska peč, 2: stabilizacijski kanal, 3: lijak, 4: kolo, 5: dodajanje veziva, 6: tvorba toka vlaken do usedalnega traku usedalne komore, 7: ventilatorji odsesa, 8: zbrana plast steklene volne, ki zapušča usedalno komoro, 9: trdilna komora, 10: hladilna komora,11: dovod zraka v hladilno komoro.

S1.1.1 Steklarska kadna peč

Surovine za steklo se zatehtajo in zmešajo ter pnevmatsko transportirajo do dnevnih silosov pri peči (steklarska zmes). Taljenje poteka v steklarski peči na kisik (ang. “oxy-fuel”), ki je greta na zemeljski plin, kot oksidant se uporablja čisti kisik. Pri temperaturi 1200 – 1300 °C se surovine stalijo v homogeno talino (process taljenja), ki jo po stabilizaciji preko platinskih ustij vodimo v centrifugalne rotorske stroje. Zrak na izstopu iz steklarske peči potuje v čistilno napravo in nato v ozračje. Kot osnovna surovina za steklo se uporabljajo določene surovine: kremenčev pesek, dolomit, soda, boraks, glinenec in kalcit. Večina teh surovin je naravnih in se jih pridobiva z izkopi. Določene surovine so karbonati (soda, dolomit, kalcit), pri taljenju katerih prihaja do procesnih emisij CO2. Od leta 2005 v URSA Slovenija kot surovino uporabljajo odpadno steklo, ki ga kupujejo na tržišču. Delež odpadnega stekla v steklarski zmesi se povečuje, trenutni delež odpadnega stekla predstavlja okrog 50 % z možnostjo povečanja na 60 % v celotni količini proizvedenega stekla. Uporaba odpadnega stekla ima številne prednosti. Zraven pozitivnih ekonomskih učinkov je pomemben tudi okoljevarstveni vidik v smeri manjših vplivov na okolje:

- uporaba odpadnega stekla znižuje porabo osnovnih materialov, - nižje procesne emisije CO2, - manjša poraba zemeljskega plina - nižje izgorevalne emisije CO2.

149

Slika 110:

Vlaknjenje in nanos veziva

S1.1.2 Centrifuga in usedalna komora

Shematski prikaz postopka razvlaknjenja na kolesu in nastanek primarne plasti v usedalni komori je prikazan na sliki spodaj. Talina teče preko sistema prilagodljivih kanalov na pet koles centrifuge. V posameznem kolesu centrifuge nastane film taline na mestu izstopa. Ko posamezne kapljice izstopijo iz kolesa, vstopijo v koaksialni tok zraka, ki jih razvlakni, hkrati pa se omočijo s polimerizacijskim sredstvom. Polimerizacijsko sredstvo so večinoma fenolne smole, ki jih s šobami razpršujemo po obodu koles centrifuge, delno pa tudi centralno. Vlakna potujejo z zračnim tokom na trak usedalne komore. Na slikah spodaj sta predstavljena shema kolesa centrifuge in fiberizacijski proces na njem (slika spodaj) in slika nastanka vlaken (slika spodaj).

150

Slika 111:

Fiberizacijski proces na kolesu centrifuge, shema

Usedalna komora ima ventilator vleka, ki nalepi primarno plast kamene volne na rešetke primarnega kroga.

Slika 112:

Fiberizacijski proces na kolesu centrifuge, fotografija

S1.1.3 Trdilna komora

Trdilna komora v tovarni Ursa je narejena tako, da je sestavljena iz več zaporednih delov, v katerih je omogočena neodvisna regulacija temperature in pretoka. Trdilna komora je velik porabnik energije, zato proizvajalci želijo doseči za vsak posamezen produkt najmanjši možen vnos energije, ki še zagotavlja dovolj dobre rezultate polimerizacije. V trdilni komori vroč zrak prepihava plast kamene volne. Večji del zraka kroži, manjši del pa ga dovajamo iz okolice. Enaka količina zraka, kot ga dovedemo iz okolice, izhaja iz trdilne komore in ga vodimo skozi čistilno napravo v ozračje.

151

S1.1.4 Postopek delovanja elektrostatičnih filtrov

Za izločanje delcev onesnažila iz zraka ali plinov se zelo pogosto uporabljajo elektrostatični filtri, poenostavljeno jih imenujemo tudi elektro filtri. Načelo izločanja delcev temelji na toku plinov ali zraka z delci skozi elektrostatično polje (slika spodaj). Električno polje ustvarimo z dvema elektrodama, aktivno 0elektrodo in zbiralno elektrodo. Aktivna elektroda je žica majhnega preseka z mnogo manjšo površino, kot jo ima zbiralna elektroda, ki je lahko izdelana v obliki plošče ali cevi (slika spodaj). Razdalja med aktivno in zbiralno elektrodo je le nekaj centimetrov. Obe elektrodi sta priključeni na izvor enosmernega toka visoke napetosti. Aktivna elektroda je v večini primerov negativno naelektrena (katoda), zbiralna pa pozitivno (anoda) naelektrena, med njima ustvarimo napetost več desettisoč voltov. Med obema elektrodama nastane električno polje z visoko električno poljsko jakostjo, kar imenujemo korona. V koroni se plin ionizira, pri čemer anioni v plinu potujejo k prosti pozitivno nabiti zbiralni elektrodi anodi. Anioni, ki potujejo proti zbiralni elektrodi, trčijo ob delce onesnažila v plinu in jih električno nabijejo. Ker so anioni iz plina veliko manjši od najmanjših delcev onesnažila in ker je anionov zelo veliko, se električno nabijejo vsi delci onesnažila v plinu. Nabiti delci nato potujejo proti zbiralni elektrodi. Na zbiralni elektrodi se delci zaradi naboja zadržijo, ker jih na zbiralno elektrodo pritiska elektrostatična sila. Za uspešno delovanje morajo biti delci prevodni, tako da naboj z delcev počasi prehaja na zbiralno elektrodo. Zato se sčasoma, ko se na zbiralni elektrodi nabirajo novi in novi delci, debelina plasti povečuje, plast pa postaja čedalje večji upornik. Z debeljenjem plasti notranji delci počasi postanejo električno nevtralni oz. izgubijo naboj, tako da jih elektrostatična sila ne pritiska več na zbiralno elektrodo. Tako se lahko zgodi, da se celotna plast odlepi in pade v zbiralno komoro za elektrofiltrski prah. Poleg odlepljanja celotne plasti pa lahko nabiranje delcev na zbiralni elektrodi povzroči še eno posledico. Zaradi debeljenja plasti na zbiralni elektrodi se zniža efektivna napetost med obema elektrodama, zato se delovanje elektrostatičnega filtra poslabša. Delci se s pasivne elektrode ne odlepijo vedno sami od sebe. Delce s pasivne elektrode prisilno odstranimo s tresenjem (elektromagnetno, pnevmatsko, mehansko) ali spiranjem, odvisno od njihovega agregatnega stanja. Pri tem nastaja ozon, nastanek katerega zmanjšamo z dvostopenjskim elektrostatičnim filtrom. Prvi del imenujemo ionizator, drugi pa zbiralnik ali kolektor. Poleg termoelektrarn imajo vgrajene elektrostatične filtre tudi toplotne postaje na biomaso, sežigalnice odpadkov, motorni prostori v prekooceanskih ladjah, cementarne, pri izdelavi mineralne volne itd. Različni primeri uporabe so prikazani na sliki 114. Postopek nadaljnje obdelave prahu je odvisen od vrste materiala in poteka, podobno kot v ostalih primerih izločanja delcev.

152

Slika 113:

Shema delovanja enostopenjskega elektrostatičnega filtra

Elektrostatične filtre lahko delimo na nizkonapetostne dvostopenjske in enostopenjske visokonapetostne enote. Nizkonapetostni elektrostatični filtri delujejo pri napetostih od 6000 do 12000 V in jih najpogosteje uporabljamo pri klimatizaciji, namenjeni pa so izločanju kapljic. Visokonapetostni elektrostatični filtri delujejo pri napetostih od 30 do 100 kV.

Slika 114:

Satovje v elektrostatičnem filtru [www.wikipedia.org].

Dve lastnosti delcev močno vplivata na delovanje elektrostatičnega filtra, upornost in porazdelitev po velikosti. Upornost delcev v elektrostatičnem filtru močno vpliva na odstranjevanje delcev. Delci, ki imajo veliko upornost, in delci, ki imajo majhno upornost, so problematični za odstranjevanje. Delci, ki imajo zelo majhno upornost, se zelo hitro nabijejo, prav tako pa v zbiralniku zelo hitro oddajo naboj. Ko naboj na

153

zbiralniku delci oddajo, niso več z nobeno silo vezani na površino zbiralne elektrode. Delci, ki imajo zelo veliko upornost, se v ionizatorju težko nabijejo, nenabiti se na zbiralni elektrodi ne odstranijo. Tisti delci z veliko upornostjo, ki pa se v ionizatorju nabijejo in se v zbiralniku nalepijo na plošče, pa jih je zelo težko odstraniti. V primeru delcev z veliko upornostjo je na plasti nalepljenih delcev zelo velik padec napetosti, to pa zelo zmanjša elektromagnetno polje med površinama obeh elektrod. Ko je padec napetosti na plasti prahu zelo velik, se pojavijo lokalni preboji in zaradi njih luknje v plasti prahu. Luknje v plasti negativno vplivajo na delovanje elektrostatičnega filtra, v plasti prahu nastanejo pozitivno nabiti ioni, ki jih odnese proti negativno nabiti elektrodi. Spotoma se srečajo z negativno nabitimi delci prahu in jih razelektrijo. Pri tem močno pade učinkovitost delovanja elektrostatičnega filtra. Če se to zgodi, je pogosto treba napravo izključiti. Še tretji problem, ki se pojavi pri delovanju elektrostatičnih filtrov z delci z veliko upornostjo, pa je iskrenje. Če je iskrenje premočno, je treba znižati napetost med elektrodama, zaradi česar pade učinkovitost filtra. Upornost delcev se močno spreminja s temperaturo, zato lahko s spreminjanjem temperature vstopnega plina vplivamo na delovanje elektrostatičnega filtra.

Slika 115:

Elektrostatični filtri so različnih oblik in velikosti, levo: primer elektrostatičnega filtra termoelektrarne. Desno: majhen industrijski elektrostatični filter [www.jdevs.com in www.bristolfilter.de].

1.1.5 Čistilna naprava - mokri pralnik delcev in plinov z elektrostatičnim filtrom pri izdelavi steklene volne

V tem podpoglavju predstavljamo primer čistilne naprave (slika 116), kakršna se uporablja za odstranjevanje delcev iz plina pri izdelavi steklene volne.

154

Slika 116:

Levo: dimnik in za njim pralnik WESP in elektrostatični filter za odstranjevanje delcev iz plinov iz usedalne komore, trdilne komore in hladilne cone. Desno: dovod v čistilno napravo, cevovod za umazane pline in dve cevi za čisto vodo in za umazano vodo, ki služi kot absorpcijsko sredstvo.

Pri izdelavi steklene volne kot izolacijskega materiala je več glavnih virov onesnaževanja, to so:

- steklarska peč, - usedalna komora, - trdilna komora in - hladilna cona.

Vsi viri onesnaževanja morajo biti zaradi doseganja zakonskih standardov pri izpustih onesnažil v okolje opremljeni s čistilnimi napravami. V nadaljevanju navajamo primer tovarne, kjer se čistijo onesnažila v pralnikih in z mokrim elektrostatičnim filtrom (angl. wet electrostatic precipitator, WESP). Mokri elektrostatični filter je prikazan na sliki 117. V pralnik in mokri elektrostatični filter potujejo onesnaženi plini iz usedalne komore, trdilne komore in hladilne cone. Steklarska peč ima običajno ločen suhi elektrostatični filter. V nadaljevanju bomo obravnavali gradnike mokrega elektrostatičnega filtra in pralnikov ter njihovo delovanje. Celotna čistilna naprava je izdelana iz nerjavnega jekla, razen bakrenih delov elektrostatičnega filtra. Odvodi onesnaženega plina iz usedalne komore, trdilne komore in hladilne cone se čistijo v pralnikih na mestu nastanka. Kasneje se vsi izpusti združijo in odvajajo v skupno čistilno napravo. Čistilna naprava je sestavljena iz dveh glavnih delov, pralnika delcev in mokrega elektrostatičnega filtra. Shema delovanja čistilne naprave je prikazana na sliki 117. V čistilni napravi se čistijo pretežno delci, vendar tudi formaldehid, lahkohlapne organske ogljikove spojine VOC, fenoli, amonijak, izboljša pa se tudi prosojnost na izpustu (angl. blue haze).

155

Slika 117:

Shema delovanja mokrega elektrostatičnega filtra

V mokri elektrostatični filter se dovaja odpadni plin po cevovodu (sliki 116 in 117). Onesnažen plin je pred vstopom v mokri elektrostatični filter dodatno hlajen in ovlažen z namenom absorpcije plinskih komponent, odstranjevanja delcev, zniževanja temperature, požarne varnosti in ustvarjanja čim večje količine aerosolov (slika 117). Vstop onesnaženega plina je na spodnjem delu. Tok onesnaženega plina na dnu filtra se prek sistema za porazdelitev toka, ki deluje tudi kot pralnik (nanj se prši absorpcijsko sredstvo, ki je voda z raztopljenimi delci in plini onesnažila, s spodnje in z zgornje strani), razporedi po celotni površini mokrega elektrostatičnega filtra. Sistem za porazdelitev toka in pralnik sta tako združena. Pralnik je prostor, kjer prši voda, in je izveden iz zakrivljene in naluknjane pločevine v velikem številu slojev (slika 117). Zelo pomembno je, da je razprševanje vode v pralniku enakomerno, na ta način se poveča stopnja čiščenja čistilne naprave in zmanjša poraba vode. Obtočne črpalke za absorpcijsko sredstvo vodo poganjajo tok v šobe. Zamašenost šob se ugotavlja prek merjenja tlaka in prostorninskega toka. Iz pralnika potuje onesnažen plin skozi elektrostatični filter (sliki 118 in 119), kjer se odstranijo ostanki trdnih snovi, aerosoli in kondenzirani ogljikovodiki. Sistem elektrostatičnega polja je sestavljen iz velikega števila žičnih elektrod in zbiralne elektrode. Zbiralna elektroda je površina v obliki satovja, kjer se nabirajo trdni delci, aerosoli in kondenzirani ogljikovodiki. Zbiralna elektroda je del ohišja filtra. Aktivne elektrode so iz bakrenih žic, ki jih napenjajo uteži (slika 119). Aktivne elektrode so obešene na bakreno ogrodje (slika 118), ki pa je prek izolatorjev obešeno na ogrodje mokrega elektrostatičnega filtra.

156

Bakreno ogrodje aktivnih elektrod napaja tok iz visokonapetostnega transformatorja in usmernika (slika 119).

Slika 118:

Mokri elektrostatični filter. Levo: dovodni cevovod, na vrhu dovodnega cevovoda so pralniki s šobami za pršenje vode za odstranjevanje delcev, zniževanje temperature in požarno varnost. Desno: šoba absorpcijskega sredstva, ki je nameščena nad pralnikom. Pod pralnikom je še ena vrsta šob, ki pršijo navzgor. V pralniku so polnila iz naluknjane in zakrivljene pločevine.

Nastale obloge na zbiralni elektrodi se čistijo prek šob z izpiranjem z absorpcijskim sredstvom. Adsorpcijsko sredstvo teče po oblogah po površini elektrostatičnih plošč zbiralne elektrode prek pralnika do dna filtra in nato v rezervoar za absorpcijsko vodo, ki je nameščen pod filtrom. Absorpcijsko sredstvo je v osnovi voda s primesmi, ki so ostanki pranja. Preden očiščen plin skozi dimnik zapusti mokri elektrostatični filter, potuje še skozi izločevalnik kapljic (slika 119). Izločevalnik kapljic zmanjša porabo adsorbenta, saj kapljice adsorbenta ne zapuščajo čistilne naprave, oziroma adsorbent zapušča čistilno napravo samo kot vodna para. Pri zagonu elektrostatičnega filtra se najprej vklopita grelnik in ventilator sušilnega zraka izolatorjev. Če je temperatura ogrevalnega zraka dovolj visoka, to je višja ali enaka približno 18 °C, se začne polurna faza ogrevanja in sušenja izolatorjev. Če pa je temperatura ogrevalnega zraka prenizka, se najprej zrak segreje do potrebne temperature, nato pa se šele začne faza polurnega sušenja izolatorjev. Po končanem sušenju se vklopita glavni obtočni črpalki in absorpcijsko sredstvo začne teči do šob, kjer se razprši v pralniku. Faza pranja in elektrofiltracije traja nekaj ur, nato pa sledi nekajminutno izpiranje. V fazi izpiranja se tok adsorbenta iz črpalk preusmeri na zgornje šobe, ki so nad elektrostatičnim filtrom, zato da se elektrostatični filter spere in s tem očisti. Fazi čiščenja sledi enominutno izcejanje, nato pa se nadaljuje faza čiščenja s pralnikom in z delovanjem elektrostatičnega filtra.

157

Slika 119:

Mokri elektrostatični filter, levo: notranjost elektrostatičnega filtra, pogled od zgoraj na satovje. Levo spodaj je točka, kamor pred revizijo pritrdimo palico z razelektritvenim kablom. Negativne elektrode so obešene na bakreno konstrukcijo. Desno: izločevalnik kapljic nad elektrostatičnim filtrom, to je tik pred vstopom v dimnik.

Pod čistilnim delom je rezervoar za adsorbent, ki se ga šaržno prazni v bazen z odpadnim adsorpcijskim sredstvom ter mu po potrebi dodaja vodo iz reke ali drugega vira. V prostoru ob rezervoarju so obtočne črpalke, grelnik zraka za sušenje in hlajenje izolatorjev, merilno procesna oprema in električna oprema.

158

Slika 120:

Mokri elektrostatični filter, levo: notranjost, pogled skozi odprtino nad pralnikom in pod elektrostatičnim filtrom. Uteži napenjajo negativne elektrode. Desno: visokonapetostni transformator in usmernik, pred njim je izolator s cevjo za ogrevanje in sušenje izolatorjev.

S1.2 Opis procesa proizvodnje kamene volne

Proces proizvodne kamene volne je prikazan na sliki spodaj. Proizvodnja kamene volne je razdeljena na naslednje glavne dele:

- priprava taline v kupolni ali kadni peči, - razvlaknjenje taline na kolesih centrifuge in dodajanje veziva, - tvorba primarne plasti v usedalni komori, - nalaganje primarne plasti v sekundarno plast, - trjenje sekundarne plasti v polimerizacijski komori, - hlajenje in - razrez in pakiranje.

Glavna razlika med proizvodnjo steklene in kamene volne je v procesu razvlaknjenja na centrifugi in v primarni plasti kamene volne.

159

Slika 121:

Proces proizvodnje kamene volne. 1: kupolna peč, 2: centrifuga, 3: usedalna komora in trak usedalne komore, 4: primarna plast, 5: tehtnica primarne plasti, 6: nihalo, 7: sekundarna plast, 8: sprememba hitrosti sekundarne plasti, 9: trdilna komora, 10: hladilna komora,11: dovod zraka v hladilno komoro.

S1.2.1 Kupolna peč

Kupolna peč je naprava za taljenje magmatskih kamnin in dodatkov, kjer se koks uporablja kot vir energije (slika spodaj).

160

Slika 122:

Shema kupolne peči in profili temperature v kupolni peči v različnih conah v peči [Širok in sod., leto]

Peč se polni (slika spodaj) s šaržami predhodno pripravljenih magmatskih kamnin in koksa. V peči poteka več kemijskih in toplotnih procesov. Postopek taljenja določajo sestava in količina dovedenega materiala in vlek zraka skozi kupolno peč.

Slika 123:

Vstop surovega materiala v kupolno peč (levo), kupolna peč (desno)

Vlek zraka je bistvenega pomena za pravilno delovanje kupolne peči in se uporablja kot regulator hitrosti taljenja in neposredno vpliva na lastnosti taline. To je omogočeno s koncentrično nameščenimi šobami po obodu peči, skozi katere se dovaja izbran volumski pretok zraka, in temperaturo. Zrak je lahko obogaten s kisikom. Zaradi vleka zraka koks dogori bolj intenzivno. Kot rezultat zgorevanja koksa nastanejo zelo vroči plini, ki potujejo skozi kupolno peč navzgor mimo zgoraj ležečih plasti kamnin in koksa. Ko zrak zapusti kupolno peč, se ohladi na približno 400 °C. Zaradi prenosa toplote se vneseni

161

material v območju nad šobami začeli topiti in teče proti dnu kupolne peči. Nivo taline nadziramo s sifonom. Talina nato teče na centrifugo.

Slika 124:

Izstop taline iz kupolne peči pred natokom na centrifugo

Zrak na izstopu iz kupolne peči potuje v čistilno napravo in nato v ozračje.

S1.2.2 Centrifuga in usedalna komora

Shematski prikaz postopka razvlaknjenja na centrifugi in nastanek primarne plasti v usedalni komori je prikazan na sliki.

Slika 125:

Izstop taline iz kupolne peči, natok na centrifugo, centrifuga, usedalna komora in primarna plast kamene volne

Talina teče preko sistema prilagodljivih kanalov na prvo kolo centrifuge. Na kolesu centrifuge nastane film taline. Talina se razporedi na vsa štiri kolesa

162

centrifuge. Ko se posamezne kapljice odlepijo s kolesa centrifuge, vstopijo v koaksialni tok zraka, ki jih razvlakni, hkrati pa se omočijo s polimerizacijskim sredstvom. Vlakna potujejo z zračnim tokom v usedalno komoro, kjer nastane primarna plast.

Slika 126:

Centrifuga v proizvodnji kamene volne

Na izstopu iz usedalne komore je primarna plast tanka, hitrost traku pa velika. Nihalo (pendel) razporedi več plasti primarne plasti v debelejšo sekundarno plast. Traku se hitrost spremeni tako, da je dosežena ustrezna površinska teža materiala, nato pa sekundarna plast potuje v trdilno komoro.

Slika 127:

Primalna (levo) in sekundarna (desno)plast kamene volne

S1.2.3 Trdilna komora

Trdilna komora v tovarni kamene volne je običajno narejena tako, da je sestavljena iz treh zaporednih delov, v katerih je omogočena neodvisna

163

regulacija temperature in pretoka. Trdilna komora je velik porabnik energije, zato proizvajalci želijo doseči za vsak posamezen produkt najmanjši možen vnos energije, ki še zagotavlja dovolj dobre rezultate polimerizacije. V trdilni komori vroč zrak prepihava plast kamene volne. Večji del zraka kroži, manjši del pa ga dovajamo iz okolice. Enaka količina zraka, kot ga dovedemo iz okolice, izhaja iz trdilne komore in ga vodimo skozi čistilno napravo v ozračje. V nadaljevanju je postopek proizvodnje kamene volne enak postopku proizvodnje steklene volne, zato bomo opis tega dela proizvodnje izpustili. Odpadni plini iz kupolne peči, usedalne komore in trdilne komore se pred izpustom v ozračje čistijo. V nadaljevanju bomo opisali postopke čiščenja.

S1.2.3 Cikloni

Ciklonsko odpraševanje ali ciklonsko ločevanje je najbolj razširjen suhi postopek za odpraševanje (odstranjevanje) trdnih delcev iz suspenzije (slika 128). Za razliko od gravitacijskega odstranjevanja suspendiranih delcev, ciklonski ločevalniki ali cikloni uporabljajo centrifugalno silo, zato jih lahko imenujemo tudi centrifugalni odstranjevalci delcev. V ciklonskih ločevalnikih je mogoče doseči od 5-krat pa vse do 2000-krat večje sile kot pri gravitacijskih ločevalnikih. Ciklonski ločevalniki v glavnem ne morejo doseči visoke kakovosti čistoče plina, zato se uporabijo za predčiščenje, v naslednjih stopnjah pa se uporabljajo vrečasti filtri ali elektrostatični filtri.

164

Slika 128:

Levo: delovanje ciklona. Plin vstopa tangencialno in se v valju ciklona zavrtinči. Delci se naberejo ob steni in padejo na tla, plin pa se odvede skozi potopljeno cev v sredini. V sredini: ciklon v uporabi v industrijskem obratu [www.hoecker-polytechnik.com].

Ciklonski ločevalniki se uporabijo v procesni industriji, npr. za recikliranje in regeneracijo katalizatorjev v rafinerijah nafte, v postrojenjih prehrambne industrije in drugo. Običajna učinkovitost je 90 % ali več za delce, večje od 10 μm, določene izvedbe pa dosežejo učinkovitost 99 % za delce, večje od 5 μm in velike gostote delcev. Plin v ciklonski ločevalnik vstopa tangencialno (slika 128), nato preide v ciklonskem ločevalniku v krožno gibanje plina in delcev, kot posledica vrtenja pa nastanejo centrifugalne sile, ki delce silijo proti steni in nato v izstopni del ciklona, v katerem se zberejo. Ciklonski ločevalniki se izdelujejo v širokem razponu dimenzij (od nekaj centimetrov do več metrov premera) in v zelo različnih izvedbah. Običajna izhodna hitrost plina je od 15 do 30 m/s. Prednosti ciklonskega ločevanja so enostavno delo, majhni začetni stroški in stroški vzdrževanja, ker ni premičnih delov, možnost dela pri povišanih temperaturah, nizka zahteva po posluževanju itd. Slabosti so velik padec tlaka in posledično visoki obratovalni stroški, majhna učinkovitost za zelo majhne delce, ni učinkovit za odstranjevanje delcev manjših od 5 μm, problemi v delovanju pa nastanejo pri temperaturah višjih od 400 °C.

165

Slika 129:

Porazdelitev hitrosti v ciklonskem ločevalniku

Sestavni deli ciklonskega ločevalnika so vstopna komora, konusni del, kjer poteka intenzivno vrtinčenje, zbirna komora za prah in izstopna cev za plin. Izstopna cev za plin je potopljena v notranjost ciklona. Multiciklon je sestavljen iz velikega števila ciklonov manjših dimenzij, običajno premera od 15 do 60 cm, povezanih vzporedno ali zaporedno. Tangencialni tok plina v vsakem ciklonu se v multiciklonih doseže s posebno obliko v vstopnem delu. Multicikloni dosegajo učinkovitosti do 90 % za delce velikosti od 5 do 10 μm. Pri pripravi stisnjenega zraka se pojavlja vlaga v obliki drobnih kapljic. V ciklonskem ločevalniku pri pripravi stisnjenega zraka se kapljice mehansko odstranjujejo. Ciklonski ločevalnik je lahko nameščen na izstopu iz kompresorja takoj za hladilnikom stisnjenega zraka. S ciklonskim ločevalnikom tako razbremenimo gradnike filtrskega in sušilnega sistema, ki sicer v večji meri vplivajo na kakovost stisnjenega zraka. Predpostavimo, da velja Stokesov zakon in za delce med 1 µm in 100 µm v premeru, hitrost usedanja delcev 𝑐d zapišemo Stokesovo enačbo za hitrost usedanja delca 𝑐d (navedi vir)

𝑐d = 𝑔 𝑑2𝜌d

18 𝜇 , (74)

Če obravnavamo osamljen delec v toku plina v zgornjem cilindričnem delu ciklona (slika spodaj), lahko zapišemo, da delec kroži okrog osi ciklona na radiju r. Na delec delujejo centrifugalna sila, upor plina, vzgon in teža. Če predpostavimo, da se delec premika po spirali, lahko njegovo hitrost razbijemo na tangencialno 𝑐t in radialno komponento 𝑐r. Stokesovo enačbo

166

zgoraj zapišemo za primer ciklona in nadomestimo hitrost z radialno hitrostjo in radij z radijem delca. V enačbi zgoraj je 𝜇 dinamična viskoznost in 𝜌d gostota delca. Ugotovimo, da je sila upora 𝐹u kroglice z radijem R pri premikanju z radialno hitrostjo 𝑐r v ciklonu enaka

𝐹u = 6𝜋𝜇𝑅𝑐r . (75)

Če je gostota delca enaka 𝜌d, lahko z enačbo spodaj zapišemo centrifugalno komponento sile na radiju r

𝐹𝑐 = 𝑚𝑐𝑡2

𝑟=

4

3𝜋𝜌𝑑𝑅3

𝑐𝑡2

𝑟 . (76)

V zgornji enačbi je 𝑐t hitrost v tangencialni smeri. Za ravnovesje sil na delec v toku plina lahko zapišemo, da je vsota centrifugalne sile, sile vzgona in sile upora enaka nič. Kot silo "vzgona" upoštevamo (enačba spodaj), da je gostota delca navidezno manjša, če plava v plinu in je sila na delec usmerjena v radialni smeri, prava sila vzgona pa deluje v aksialni smeri.

𝐹vzg = −𝑉𝑑𝜌𝑝𝑙

𝑐𝑡2

𝑟= −𝜌𝑝𝑙

4𝜋𝑅3

3

𝑐𝑡2

𝑟 . (77)

Ravnovesje sil zapišemo z enačbo spodaj

𝐹𝑢 + 𝐹𝑐 + 𝐹𝑣𝑧𝑔 = 0 . (78)

Če vstavimo vse posamezne izraze za sile v enačbo za ravnovesje sil (77), lahko izpostavimo (78) radialno hitrost 𝑐𝑟

𝑐𝑟 = −𝜌𝑝𝑙

2𝑅2

9𝜇

𝑐𝑡2

𝑟(𝜌𝑑 − 𝜌𝑝𝑙) . (79)

V primeru, da je gostota plina 𝜌𝑝𝑙 večja kot gostota delca 𝜌𝑑, se delec premika

proti osi, če pa je večja gostota delca, se premika stran od osi proti steni ciklonskega ločevalnika. Določitev učinkovitosti izločevanja delcev glede na njihovo velikost pri ciklonih je še težja kot v primeru gravitacijskih komor. Za določanje potrebnih mer in učinkovitosti se uporabljajo izkustvene zveze. Zagotovo bodo izločeni le dovolj veliki delci, zato za referenčno velikost delcev izberemo tiste delce, ki bodo 50 % izločeni na osnovi njihove mase. Velikost teh delcev določimo na osnovi empirične enačbe npr. po Lappleju [Wang in sod., 2006]

167

𝑑50 = √9𝜇𝑊

2𝜋𝑁𝑒𝑐𝑖𝜌𝑑 , (80)

kjer je μ dinamična viskoznost plina, W širina vstopne odprtine ciklona v skladu z oznakami na sliki spodaj, Ne število efektivnih vrtljajev delcev v ciklonu, ci vstopna hitrost plinov oziroma onesnaženega zraka in ρd gostota delcev. Število efektivnih vrtljajev delcev v ciklonu Ne se določa s še eno izkustveno enačbo, npr. po Lappleju [Wang in sod., 2006]

𝑁𝑒 =

𝐿𝑏 +𝐿𝑐2

𝐻 . (81)

𝐿b, 𝐿c in 𝐻 so mere ciklona, kot so podane na sliki spodaj. Ciklone običajno izdelujemo na osnovi standardnih dimenzij v odvisnosti od premera ciklona in od tega, kakšno učinkovitost želimo, da bo ciklon imel. Visokoučinkovit ciklon bo bolje ločeval delce in imel večji upor, skozi ciklon za velik prostorninski tok pa bo tekel večji prostorninski tok, tak ciklon bo imel manjši upor in slabše ločevanje trdnih delcev.

Slika 130:

Ciklonski izločevalnik delcev, levo: označitev geometrijske oblike ciklonskega izločevalnika, desno: odvisnost učinkovitosti izločanja [Schnelle in Brown, 2001].

Od izbire načina delovanja sistema odpraševanja sledi, kakšne mere mora imeti ciklonski ločevalnik. Učinkovitost izločanja delcev določimo v odvisnosti od premera, kot je to prikazano na sliki zgoraj.

168

S1.2.4. Filtrne vreče

Filtrne vreče (angl. bag filter, naghouse ali fabric filter) iz tkanine se v industriji zelo pogosto in uspešno uporabljajo. Uporabljamo jih za izločanje delcev iz plinov v industrijskih postrojenjih. Do izločanja delcev prihaja zaradi toka plina skozi tkanino, ki zaradi gostega tkanja onemogoča prehod delcev. Pri tem je izrednega pomena parameter propustnosti filtra, ki določa velikost delcev, ki lahko prehajajo skozi filtrsko tkanino. Prepustnost delcev skozi filter, torej delcev, ki jih z določeno gostoto tkanja tkanine ni mogoče zadržati, je največja za najmanjše delce in z naraščanjem velikosti delcev vedno manjša. Pri toku plinov z delci skozi tkanino prihaja do izločanja delcev na tkanini. Tkanina je običajno zvita v obliki vreč v več slojih, plisirana itd. Po obliki so filtri kasetni, žepasti, vrečasti, rokavni itd. Filtri iz tkanine so predvsem namenjeni za izločanje delcev v trdem agregatnem stanju. Običajni materiali filtrske tkanine so bombaž, volna, steklo in razna sintetična vlakna. Največ se uporabljajo sintetična vlakna, vse pogosteje pa se uporabljajo tudi steklena vlakna, ki so primerna za izločanje delcev iz plinov višjih temperatur. Ker je vsak filtrni sistem projektiran za vsakega končnega uporabnika posebej, je zelo pomembno vnaprej definirati sledeče procesne parametre, na podlagi katerih izberemo najprimernejši material:

- temperaturo v sistemu, - količino prahu v umazanem plinu, - velikost delcev, - prostorninski tok plina, - abrazivnost delcev, - mehanske faktorje (sistem čiščenja, sistem instalacije filter vreče), - kemijske lastnosti prahu in plinov.

Čiščenje izločenih delcev se vrši na različne načine: z otresanjem, z izpihovanjem s povratnim zrakom in z izpihovanjem s pomočjo impulznega vpihovanja komprimiranega zraka. V Sloveniji je več podjetij, ki izdelujejo materiale za filtre in filtrske sisteme. Primer industrijske uporabe filtrnih vreč je prikazan na sliki 131.

169

Slika 131:

Shema delovanja vrečastega filtra. Temen del prikazuje umazan plin in svetel del čist plin.

Onesnažen plin, ki nosi s seboj trdne delce prahu, vstopa v filter skozi vstopno odprtino in se v vstopnem kanalu porazdeli po celotni dolžini komore filtra. Vstopna hitrost se v notranjosti zmanjša toliko, da se groba frakcija prahu iz onesnaženega plina izloči že v samem zbirnem konusu. Delno očiščen tok plina nadaljuje z gibanjem ob delovni površini (umazani del vreče) in prehaja v notranjost (čisti del vreče). Pri tem se na zunanji strani vreče nabira plast prahu. Očiščeni plin se nato giblje proti ohišju filtra in gre nato skozi izstopni kanal v cevovod in prek centrifugalnega ventilatorja zapusti filter. Trdne delce, prisesane na zunanji del vreče, odstranimo s curkom injektorsko vbrizganega zraka, ki se v cikličnih presledkih vbrizga v vrečo v nasprotni smeri. Vreča je med delovanjem (čiščenjem onesnaženega plina) zaradi podtlaka rahlo napeta v notranjost, vendar le toliko, kot dovoljujejo jeklene nosilne košare. Pri vbrizgavanju zraka iz tlačne posode, ki skozi injektorske šobe posesa še del sekundarnega plina iz glave filtra, nastopi v vreči trenutni nadtlak. Vreča se napne, strese in del prečiščenega plina za trenutek preide iz notranje na zunanjo stran vreče. Prehod plina, razširitev in stresanje vreče povzročijo učinkovito odstranjevanje prisesanih trdnih delcev. Delci prahu, združeni v večje delce, zaradi gravitacije padajo v zbirni konus filtra. Prah iz zbirnega konusa kontinuirano odvajamo s pomočjo polžnega transporterja in zvezdastega dozatorja nazaj v proces ali v zbirne posode. Zaradi intenzivnega in nastavljivega sistema čiščenja filtrskih vreč je uporabnost vrečastih filtrov zelo široka in primerna tudi za najtežje pogoje filtriranja (slika spodaj), kakršni so v topilnicah, livarnah, brusilnicah, kamnolomih, cementarnah, pa tudi npr. v čistih sobah (slika spodaj) itd.

170

Slika 132:

Izvedba vrečastega filtra [www.wikipedia.org]

Pomembna značilnost filtrov je njegova uporovna karakteristika v odvisnosti od prostorninskega toka. V primeru, da je filter vgrajen v sistem za filtriranje notranjosti prostorov, je pomembna tudi njegova hrupnost (slika spodaj).

Slika 133:

Primer uporovne karakteristike vrečastega filtra v filtrirni enoti za absolutno filtracijo zraka za stropne ali stenske filtrske enote.

S1.2.4 Čistilna naprava za čiščenje dimnih plinov iz kupolne peči

Čistilna naprava za čiščenje dimnih plinov iz kupolne peči je sestavljena iz več elementov. Pri taljenju kamna v kupolni peči nastaja več plinskih stranskih produktov, med njimi so najpomembnejši H2S, NOx in CO, ki jih je potrebno v čistilni napravi odstraniti.

171

Dimne pline iz kupolne peči se najprej vodi v ciklon. V ciklonu se odstranijo večji prašni delci, med njimi koksov prah, ki se ga spet vodi v kupolno peč. Zrak iz ciklonov dalje potuje v vrečaste filtre, ki zadržijo manjše delce. Filtre se večkrat na minuto (približno na 15 - 20 sekund) prepihava s stisnjenim zrakom, da se filtri otresejo in prah pade na dno. Na dno padle delce polžni transporter potisne iz filtra, od kjer se jih vodi na deponijo kot nevaren odpadek. Vrečasti filtri delujejo optimalno v temperaturnem območju od 130 °C do 200 °C. Če temperatura pade pod 130 °C, lahko pride do kondenzacije, kar zamaši filtre. V ta namen se meri temperatura dimnih plinov v filtru, po potrebi se zrak v njih dogreva z odpiranjem loput. Če temperatura naraste nad 200 °C, se zaradi visoke temperature vreče v filtru poškodujejo, tudi v tem primeru se temperatura regulira s pomočjo loput. Na izstopu iz vrečastih filtrov je zrak očiščen trdnih delcev, vendar vsebuje še vedno pline CO, H2S in, NOx. CO se očisti tako, da se plin vodi v zgorevalno komoro. Še preden vstopijo v zgorevalno komoro, gredi dimni plini skozi izmenjevalnik, s čimer grejejo zrak za podpih peči. Dimne pline v zgorevalni komori z zgorevanjem CO v njih ogrejemo na 720 °C, kar je dovolj za sežig H2S in CO. Od tu potujejo plini preko toplotnega izmenjevalnika v atmosfero.

S1.2.6 Čistilna naprava za čiščenje dimnih plinov iz trdilne komore

Čistilna naprava za čiščenje dimnih plinov iz trdilne komore je podobna kot čistilna naprava za čiščenje dimnih plinov iz kupolne peči. V tej čistilni napravi se odstranjujeta fenolformaldehid in amonijak. Ta dva zgorevamo pri 720 °C. Najprej se s toplotnimi izmenjevalniki dimni plini predgrejejo. Obstajajo tudi obvodne lopute za primer izpada. Volumski tokovi so nižji kot pri kupolni peči.

S1.2.7 Čistilna naprava za čiščenje zraka iz usedalne komore

Obstaja tudi tretji tip čistilne naprave, to je čistilna naprava za čiščenje dimnih plinov iz usedalne komore. Zaradi visokega volumskega toka, ki je posledica odsesa, nekaj vlaken uide skozi perforirane prečke traku v usedalni komori. Tam je nameščen filter, ki po delovanju podoben vrečastemu filtru, kjer je filtrni material kamena volna. Na kameno volno se odsesana vlakna ujamejo tudi zato, ki so lepljiva, saj so omočena z formaldehidno smolo, ki še ni bila utrjena v trdilni komori.

172

Seminar 2. Komunalne čistilne naprave

Centralna čistilna naprava Domžale Kamnik je biološka čistilna naprava z anaerobno stabilizacijo blata. Čistilna naprava je projektirana za odstranjevanje ogljikovih komponent iz odpadne vode izraženih kot parameter KPK in BPK5, v zadnjih letih pa je bila nadgrajena za odstranjevanje dušika in fosforja. Čiščenje odpadne vode je na CČN Domžale Kamnik v grobem razdeljeno na:

- mehansko stopnjo, - biološko stopnjo (sekundarno čiščenje in terciarno čiščenje dušika in fosforja) in - anaerobno biološko stopnjo za razgradnjo blata.

Emisije snovi pri odvajanju odpadne vode iz komunalnih čistilnih naprav ureja Uredba o odvajanju in čiščenju komunalne odpadne vode [Uradni list RS št. 98/15], ki predpisuje za čistilne naprave z več kot 100.000 PE (populacijskimi ekvivalenti), kamor sodi CČN Domžale Kamnik, naslednje mejne vrednosti na izpustu v vodotok:

- kemijska potreba po kisiku KPK: < 70 mg/L, - biokemijska potreba po kisiku BPK5: < 15 mg/L, - za celotni dušik N-t: < 10 mg/L, - za celotni fosfor P-t: < 1 mg/L in - neraztopljene snovi: < 25 mg/L.

CČN Domžale Kamnik je bila v preteklih letih nadgrajena za potrebe terciarnega čiščenja dušika in fosforja. Nadgradnja je vključevala izgradnjo nove aerobno/anoksične biološke stopnje za doseganje terciarnega čiščenja z SBR tehnologijo (sekvenčni reaktorji) in izgradnjo vstopnega objekta za sprejem večje količine odpadne vode in ustrezno mehansko predčiščenje, kar bo povečalo obratovalno varnost. Zmogljivost nadgrajene CČN je 149.000 PE (populacijskih ekvivalentov), kar pomeni, da sprejema odpadno vodo prebivalcev na sprejemnem območju, industrijske odpadne vode in ostale odpadne in padavinske vode.

S2.1 Opis procesa čiščenja komunalne odpadne vode

V nadaljevanju bomo opisali posamezne elemente čiščenja, mehansko stopnjo, nekdanjo aerobno biološko stopnjo, novo biološko stopnjo (sekundarno in terciarno čiščenje) in anaerobno biološko stopnjo. Na sliki spodaj je shema

173

CČN Domžale Kamnik po nadgradnji za odstranjevanje dušikovih komponent (terciarno čiščenje).

Slika 134:

Shema CČN Domžale Kamnik [http://www.ccn-domzale.si]

S2.1.1 Mehanska stopnja

Iz odpadne vode, ki priteče na čistilno napravo, je potrebno odstraniti vse večje in manjše delce, ki jih mikroorganizmi ne morejo razgraditi. Glavni kanal kanalizacije dovede surovo neočiščeno odpadno vodo do vstopa v CČN po prostem padu. V primeru visokih vod se del vode preko nastavljenih zapornic odvede direktno v vodotok Kamniško Bistrico. Na sliki spodaj je vhodno črpališče.

174

Slika 135:

Dotok na čistilno napravo pred vhodnim črpališčem

Odpadna voda, ki priteka na čistilno napravo, niha tako v količini kot tudi po obremenitvi. Ločimo dnevna, tedenska (delovni dan, vikend) kot tudi sezonska nihanja. Nihanja po pretoku in/ali obremenitvi so lahko tudi do 100 %. CČN sprejeme tudi do 54 % padavinskih in infiltracijskih vod. Na dotoku je urejen sistem za doziranje odpadne vode, pripeljane s cisternami. Pred črpanjem odpadne vode se na grobih grabljah izločijo delci, večji od 15 mm, ki se odstranijo s posebnim strgalom, polžni transporter izločeno goščo odvede do mobilnega zaboja, katerega vsebina se odpelje na komunalno odlagališče odpadkov. Strgala za grobe grablje se vklopijo avtomatsko glede na vodni nivo v kanalu.

Slika 136:

Grobe (levo, spredaj) in fine grablje (desno), slika je iz CČN Ptuj

Na dotoku se izvajajo neprekinjene meritve koncentracij skupnega organskega ogljika TOC, skupnega dušika TN, amonijevega dušika N-NH4, prevodnosti, pH in temperature T. Neprekinjene meritve predstavljajo dejansko sliko

175

obremenitve na dotoku. Dnevno se vzorčujejo 2-urni časovno proporcionalni vzorci, na katerih se izvajajo dodatne analize. To mesto je hkrati merilno mesto za meritev in vzorčenje dotoka za obratovalni monitoring. Pred polžnimi črpalkami je urejen dotok odpadnih vod pripeljanih s cisternami in odpadnih vod, ki nastanejo v procesu čiščenja (odvečno blato iz sekundarnih usedalnikov, gnila voda in centrat iz anaerobnega dela čiščenja ter odpadna voda iz ostalih objektov). Štiri polžne črpalke s kapaciteto 4 · 170 l/s dvignejo odpadno vodo na nivo CČN. Ob povišani količini vode se avtomatsko vklopijo dodatne črpalke. Vklopi so optimirani na način, da ne pride do večjih hidravličnih fluktuacij obremenitve na biološke stopnje. Odpadna voda nato teče čez fine grablje, ki zadrži delce, večje od 3 mm. Fine grablje sestavljajo dve liniji grabelj, polžni transporter, kompaktor ter zabojnik za odpadke. Voda preko finih grabelj teče v peskolov, ki je razdeljen v dve komori po 500 m3. Pesek in ostali težji delci se ločijo z zračnimi črpalkami in odvedejo preko polžne črpalke v zabojnik. Tu se pesek posede na dno, od koder se s črpalkami prečrpa v korito in nato v pralnik peska. Zračenje preprečuje posedanje lažjih delcev in ohranja odpadno vodo v aerobnih razmerah. Pri flotaciji na površino flotirajo olja in maščobe, ki se postrgajo s strgali, voda se odstrani in vsebina se zbira v zabojnik za odpadke. V mehansko stopnjo sta vključena še dva primarna usedalnika, ki imata volumen 1000 m3. Zadrževalni čas blata v primarnem usedalniku je okoli 2 uri in praviloma se vsi delci, večji od 1 mm posedejo na dno. Pomični most s strgali postrga z dna posedeno blato v lijake, ki delujejo kot zgoščevalci blata. Od tu se blato črpa v gnilišča.

Slika 137:

Elementi mehanskega čiščenja. Levo: maščobnik in peskolov, desno: mehanska stopnja.

S2.1.2 Stara biološka stopnja

V nadaljevanju bomo opisali delovanje stare biološke stopnje CČN Domžale

Kamnik. Biološka stopnja je bila v preteklosti projektirana za odstranjevanje

176

ogljikovih spojin (prva biološka stopnja) in za odstranjevanje ogljikovih spojin

in nitrifikacijo (druga biološka stopnja). Princip čiščenja je v obeh bioloških

stopnjah enak, bistveni del razgradnje odpadne vode poteče v aeracijskih

bazenih (slika spodaj).

Obe bivši biološki stopnji sta bili z nadgradnjo spremenjeni v sekvenčno SBR

(sekvenčni biološki reaktor, sequencing batch reactor), ki omogoča

odstranjevanje dušika in fosforja. Kljub temu, da na CČN Domžale Kamnik

stara biološka stopnja ni več v uporabi, bomo opisali njeno delovanje, saj

veliko število čistilnih naprav deluje po tem postopku.

Namen čiščenja na biološki stopnji je iz odpadne vode odstraniti čim večji del

odpadnih snovi s pomočjo mikroorganizmov. Odpadna voda priteče v

aeracijski bazen, kjer se ob stalnem prezračevanju nahaja visoka koncentracija

mikroorganizmov (aktivnega blata), ki to odpadno vodo uporabijo kot hrano

za rast in razmnoževanje. V primeru CČN Domžale Kamnik je šlo za sistem z

razpršeno biomaso (druga možnost bi bil sistem s pritrjeno biomaso). Shema

delovanja biološke stopnje je predstavljena na sliki spodaj.

Slika 138:

Biološka stopnja na CČN Domžale Kamnik, popolnoma premešan CSTR aeracijski bazen reaktor in usedalnik, shema procesa

V prvo biološko stopnjo vstopa odpadna voda, očiščena delcev, večjih od

1 mm. Voda se nato prelije v dva vzporedna aeracijska bazena prve visoko

obremenjene biološke stopnje skupnega volumna 2000 m3. Zadrževalni čas v

posameznem bazenu je 2 do 2,5 ure. V aeracijskem bazenu se vrši čiščenje

odpadne vode, saj prisotni mikroorganizmi (koncentracija aktivnega blata je

okoli 2 g/l) topne oz. razgradljive organske snovi razgradijo in jih uporabijo

kot vir hranil za rast in razmnoževanje.

Ker ti mikroorganizmi za obstoj potrebujejo raztopljen kisik, se preko talnih

fino perforiranih Messnerjevih blazin (na globini približno 4 m) vpihuje zrak

tako, da je koncentracija raztopljenega kisika v aeracijskem bazenu okoli

177

2 mg/l. Aktivno blato z delno očiščeno odpadno vodo se nato prelije v štiri

naknadne usedalnike.

Slika 139:

Biološka stopnja, levo: aeracijski bazeni z dovodom komprimiranega zraka do blazin, spodnja nerjavna cev vodi iz kompresorske postaje do bazenov, na odcepu na sredini gre zrak v levi in desni aeracijski bazen preko ventilov, desno: voda potuje iz aeracijskega bazena preko kinete pod pohodno površino do usedalnika na desni strani slike. Iz usedalnika posedeno blato v aeracijske bazene preko natege vodi z Arhimedovimi črpalkami.

V dveh parih usedalnikov se s sedimentacijo loči aktivno blato od odpadne

vode (slika spodaj). Z mostnimi strgali se postrga aktivno blato in se ga odvaja

v kanal, ki je ob strani usedalnika. Del povratnega blata se črpa preko črpalk iz

kanala nazaj v aeracijske bazene kot inokulum. Višek blata potuje v anaerobno

stopnjo, kjer se anaerobno razgradi. Koncentracija posedenega aktivnega blata

se giblje okoli 4 g/l.

Delno očiščena odpadna voda se je v preteklosti nato prelila v drugo biološko

stopnjo, danes pa sta obe zamenjani s sekvenčno stopnjo. Druga biološka

stopnja je delovala na enak način kot prva biološka stopnja.

178

Slika 140:

Biološka stopnja, usedalnik biološke stopnje. Na levi sliki so vidna mostna strgala, ki počasi potujejo gor in dol po usedalniku ter z natego črpajo blato v kanale ob strani usedalnika. Blato se nato vrača v aerobne bazene po ceveh, ki so vidne ob strani aeracijskega bazena (slika desno).

S2.1.3 Sekvenčni biološki reaktor

Delno očiščena odpadna voda iz mehanskega čiščenja se prelije v štiri

sekvenčne bazene sekvenčnega biološkega reaktorja (SBR reaktor, ang.:

sequencing batch reactor), ki delujejo izmenično. Ti bazeni so novi in so

nadomestili staro biološko stopnjo, v kateri je potekala razgradnja ogljikovih

spojin in nitrifikacija, denitrifikacija pa ne. Shema delovanja sekvenčnih

reaktorjev je prikazana na sliki spodaj, čeprav sekvenčni reaktorji omogočajo

spreminjanje števila in trajanja faz, saj so zelo prilagodljivi. Hkrati je proces v

sekvenčnih reaktorjih stabilnejši, saj težje pride do izpiranja biomase.

V sekvenčnem reaktorju potekata nitrifikacija in denitrifikacija:

- nitrifikacija je pretvorba amonijevega dušika v nitrat, faza poteka pri

oksičnih pogojih (vpihavanje zraka) in

- denitrifikacija je pretvorba nitrata v molekularni dušik, faza poteka pri

anoksičnih pogojih (v notranjosti flokul biomase).

Sekvenčni bazeni obratujejo izmenično v treh fazah:

- polnjenje in prezračevanje,

- usedanje in

- praznenje.

Na vtočnem delu sekvenčnih reaktorjev so vgrajeni selektorji. To so reaktorji

manjšega volumna od sekvenčnih reaktorjev. Selektorji obratujejo pri

anoksičnih do anaerobnih pogojih.

179

Zaradi njihove uporabe glavni sekvenčni bazen ne potrebuje anoksične

mešalne faze, anoksična mešalna faza tudi predstavlja del faze polnjenja in

praznenja sekvenčnega bazena. Na ta način selektor poenostavi proces, hkrati

pa omogoča selekcijo mikroorganizmov in s tem večjo stabilnost procesa

čiščenja. Zaradi uporabe selektorja nastanejo v reaktorju velike flokule tudi

pri majhnih obremenitvah, le-te pa omogočajo simultano nitrifikacijo in

denitrifikacijo med fazo prezračevanja v glavnem bazenu.

Selektor zagotavlja delno biološko odstranjevanje fosforja in preprečuje rast

nitastih bakterij. V selektorju v kratkem zadrževalnem času brez prisotnosti

kisika fosfat akumulirajoče bakterije iz svojih celic sprostijo fosfor in obenem

sprejmejo večjo količino organskega ogljika. Zato v ozračenem delu bazena

sprejmejo večje količine fosforja, kot so ga sprostile v selektorju. Če je

prisotnost fosforja še vedno nad 1 mg fosforja na liter, se fosfor obarja z

dodatkom železovega klorida.

Na dnu selektorjev so vgrajena mešala.

Odpadna voda se iz selektorjev preliva v glavne bazene sekvenčnih reaktorjev.

Prezračevanje v sekvenčnih reaktorjih omogočajo puhala. Koncentracija kisika

mora biti med fazo prezračevanja v intervalu od 1,5 do 3,5 mg/l odpadne

vode. Prezračevanje v času trajanja cikla ni nujno enakomerno. Ustrezen vnos

zraka v sekvenčne reaktorje omogoča sistem prezračeval, ki so postavljeni po

dnu bazenov.

V prezračenem delu poteka razgradnja ogljikovih spojin in simultani proces

odstranjevanja dušika – proces nitrifikacije in denitrifikacije. V procesu

nitrifikacije se zaradi vnosa zraka oksidira amonijski dušik do nitrata. Sledi

proces denitrifikacije, ki poteka brez prisotnosti kisika, zato se znotraj flokul

(kosmov) aktivnega blata nitratni dušik pretvori do plinastega dušika.

180

Slika 141:

Shema delovanja sekvenčnega biološkega reaktorja SBR s selektorjem za odstranjevanje dušikovih spojin z nitrifikacijo in denitrifikacijo, a) polnjenje in aeracija, b) usedanje in c) praznjenje. Selektor je večinoma anoksičen, ima pa lahko mešala ali prezračevala na dnu, ki preprečujejo posedanje.

Fazi aeracije sledi druga faza usedanja, v kateri ni več mešanja ali aeracije, ko

se vsebina reaktorja umiri in se blato posede. V CČN Domžale Kamnik je SBR

reaktor popolnoma aeroben, ker ima selektor (simultana denitrifikacija

poteka tudi znotraj flokul). Če glavni sekvenčni reaktor ne bi imel selektorja, bi

potreboval še anoksično fazo mešanja (brez aeracije). V tem primeru, ko je

prigrajen selektor, pa je dovolj, da denitrifikacija v glavnem sekvenčnem

bazenu poteka v času usedanja, v anoksičnem selektorju in v glavnem

sekvenčnem bazenu kot simultana denitrifikacija znotraj flokul.

181

Tretja faza praznjenje poteka s pomočjo preliva, očiščena odpadna voda teče v

prelivno kineto in preko merilnega mesta v vodotok. Polnjenje in praznjenje

sekvenčnih bazenov regulira merilnik nivoja vode. V času polnjenja in

praznjenja sekvenčnih bazenov je vzpostavljen pretok biomase (suspenzije

blata in vode) po povratnem tlačnem cevovodu nazaj v selektor. Dober sistem

za praznjenje deluje tako, da odpadno vodo odvaja po višini na sredini, na

površini je pogosto prisotna pena, na dnu pa vedno zgoščeno blato.

Sekvenčni bazeni v CČN Domžale Kamnik so pokriti, onesnažen zrak pa se čisti

v biofiltru. V biofiltrih se čisti tudi zrak iz ostalih virov, kjer bi lahko nastajal

smrad, to je v peskolovu, objektu sprejema gošč iz greznic in vseh ostalih

sklopov linije blata.

Delovanje sekvenčnih bazenov uravnava procesni računalnik.

Slika 142:

SBR reaktor, levo zunanjost z biofiltri na vrhu, desno notranjost s sistemom za aeracijo - razvod zraka

S2.1.3.1 Pot presežnega blata v sekvenčnih bazenih

Presežno sekundarno blato iz sekvenčnih SBR bazenov se v zgoščevalcih

odcedi skozi sita. Sledi strojno zgoščanje z dodatkom polielektrolita. Zgoščeno

blato se preko ultrazvočnih dezintegratorjev črpa v gnilišča. Ultrazvok

omogoči mehanski razpad celic, kar povzroči boljšo pregnitost blata, nižjo

organsko snov in večjo proizvodnjo bioplina.

S2.2. Meritve na čistilni napravi

Na nadzorni računalnik CČN Domžale Kamnik so speljani vsi signali za stalni

nadzor nad delovanjem čistilne naprave ter shranjevanje in obdelavo

podatkov. Centralni računalnik se uporablja za kontrolo delovanja CČN na

vseh pomembnih ključnih mestih.

182

Na čistilni napravi potekajo me drugimi meritvami tudi meritve na vstopu in

izstopu iz čistilne naprave (slika spodaj). Le te so namenjene spremljanju

lastnosti odpadne vode na vtoku in iztoku. Iz meritev lastnosti odpadne vode

na vstopu je razvidna stopnja onesnaženosti kanalizacijskih vod, saj so

merjene vrednosti odpadne vode za izpust v vodotoke določene in jim mora

zadoščati vsaka komunalna čistilna naprava. Centralna čistilna naprava

Domžale Kamnik se financira na podlagi razlike vrednosti koncentracij

posameznih parametrov odpadne vode, to je stopnje očiščenja odpadne vode.

Spremljati je potrebno masne tokove posameznih spremenljivk na vstopu in

izstopu. Masni pretok �̇� je produkt masne koncentracije 𝐶 posameznega

onesnažila in prostorninskega toka �̇�

�̇� = 𝐶 ∙ �̇� (82)

Prostorninski tok odpadne vode običajno merimo z zožitvami, kot je npr.

Venturi kanal na sliki spodaj.

Slika 143:

Mesto za merjenje parametrov odpadne vode pred iztokom v vodotok Kamniško Bistrico, stari iztok. Na sliki je zožitev v obliki Venturi kanala z meritvijo višine vode z ultrazvočno metodo pred vstopom v zožitev.

Na sliki spodaj so on-line merilniki koncentracij, ki se uporabljajo na čistilnih

napravah. Uporabljajo se merilniki za spremenljivke, katere so predpisane s

pravilnikom o obratovalnem monitoringu [Pravilnik o prvih meritvah in

obratovalnem monitoringu odpadnih voda, Uradni list RS, št. 94/2014,

98/201].

183

Slika 144:

Mesto za merjenje parametrov odpadne vode pred iztokom v vodotok Kamniško Bistrico, stari objekt. Za ultrazvočnim merilnikom višine je več zaznaval on-line merilnikov za merjenje temperature, kisika, pH, neraztopljenih snovi, KPK, TOC, TN in N-NH4. Na desni sliki je vzorčevalnik, na levi pa hišica, v kateri so on-line merilniki.

S2.3 Aeracija

Osnovni cilj aeracije je oskrba mikroorganizmov s kisikom, potrebnim za rast

in razmnoževanje. Mikroorganizmi tako preko bioloških reakcij pretvarjajo

substrate v produkte.

Hkrati se z aeriranjem iz reaktorja odvedejo nastali hlapljivi produkti, v prvi

vrsti CO2, lahko pa tudi NH3, H2S ter drugi.

Hkrati z aeracijo ali ločeno, če uporabljamo mešala, poteka mešanje. Mešanje

ima več vlog. Z mešanjem dosežemo disperzijo zraka v hranilni medij,

izenačevanje temperature in koncentracij raztopljenih snovi po celem

volumnu reaktorja, ohranjanje mikrobnih celic in delcev v suspenziji in

dispergiranje netopnih snovi.

Aeracija in mešanje imata pomembno vlogo za uspešen potek mikrobnega

procesa in predstavljata pomemben delež pri energetskih stroških. Zato

skušamo z optimalno konstrukcijo bioreaktorja doseči čim večji učinek

aeracije in mešanja s čim manjšimi stroški.

S2.3.1 Topnost kisika

Mikroorganizmi koristijo za oksidativne reakcije večinoma topni kisik.

Topnost kisika v vodnih raztopinah je odvisna od več faktorjev: parcialnega

tlaka kisika v plinski fazi, temperature in raztopljenih snovi. Topnost kisika v

184

vodi pri atmosferskem tlaku (1,013 · 105 Pa) za različne temperature je

prikazana v tabeli spodaj.

Tabela: Topnost kisika v vodi pri atmosferskem tlaku za različne temperature

kot koncentracija nasičenja s kisikom Cs

T (°C) 0 4 10 15 20 25 37

Cs (mg/l) 14.6 13.1 11.3 10.1 9.1 8.3 7.0

Cs je koncentracija nasičenja s kisikom. Z naraščanjem parcialnega tlaka se

topnost kisika povečuje in pada z naraščanjem temperature in z naraščanjem

koncentracije raztopljenih snovi v vzorcu.

Potrebe aerobnih mikroorganizmov po kisiku zavisijo od:

- vrste mikroorganizmov, fiziološkega stanja in starosti mikrobne kulture,

- koncentracije in vrste vira ogljika,

- koncentracije in vrste drugih prisotnih sestavin,

- kopičenja toksičnih produktov metabolizma in

- koncentracije raztopljenega kisika.

Potrebe mikroorganizmov po kisiku je možno kvantitativno ovrednotiti s

pomočjo dveh izrazov:

- prirasta biomase Y0 v odvisnosti od kisika (kg biomase na kg ali mol

porabljenega kisika ali z recipročno vrednostjo 1 / Y0 (kg ali moli

potrebnega kisika za sintezo 1 kg biomase).

- specifične hitrosti respiracije r mikrobnih celic, ki je definirana kot

količina kisika, ki se porabi pri dihanju 1 kg suhe snovi biomase v enoti

časa (sekundi ali uri).

S2.3.2 Naprave za vnos kisika

Za vnos kisika v tekočino ločimo naprave, ki:

- vnašajo zrak v tekočino prek njene površine (površinska mešala) in

- vpihujejo zrak pri dnu (imenovani tudi prezračevalniki volumna).

Naprave, ki vpihujejo zrak pri dnu, dalje ločimo glede na hitrost toka v napravi

in sicer na:

- statične naprave za vpihovanje zraka (zrak v napravi nima velike hitrosti,

sem sodijo blazine in difuzorji) in

- dinamične naprave za vpihovanje zraka (zrak v napravi ima veliko hitrost,

ki pripomore k nastanku majhnih mehurčkov).

Površinska mešala se v praksi niso obnesla zaradi naslednjih razlogov: vnos

kisika je v primerjavi z volumskim vnosom skromen, učinkovitost vnosa kisika

je nizka (< 2 kg O2 / kWh), v primeru čiščenja odpadnih vod morajo biti čistilni

185

bazeni plitvi (3 - 4 m, velika površina) in odprti (smrad). Med napravami za

vpihovanje zraka pa se pri čiščenju odpadnih vod največ uporabljajo gumijaste

perforirane blazine, difuzorji (perforirane cevi oz. krožniki), ki sodijo med

statične prezračevalnike, med dinamičnimi prezračevalniki pa dvofazne šobe.

S2.3.3. Fizikalne zakonitosti snovnega prenosa v sistemu plin/tekočina na čistilni napravi

Mikroorganizmom moramo med potekom biološkega procesa razgradnje za

njegovo normalno rast in razvoj dovesti zadostno količino kisika. Ker je izvor

kisika zrak, ki je plin, moramo zagotoviti proces snovnega prenosa kisika iz

plina v tekočino.

Do snovnega prenosa pride, v primeru, ko v sistemu ni vzpostavljeno

ravnotežje. Kot merilo za količino snovnega prenosa uporabljamo volumski

koeficient snovnega prenosa kLa. Volumski koeficient snovnega prenosa je

zelo pomemben parameter, ki karakterizira biološki procesa razgradnje in je

rezultat dveh veličin:

- koeficienta prenosa kisika kL, ki je odvisen od fizikalnih lastnosti tekočine

in dinamike fluida poleg fazne meje in

- medfazne površine na enoto volumna prezračenega reaktorja ali

prezračevane kolone a.

Zaradi težavnega merjenja medfazne površine A, specifične medfazne

površine a in določevanja koeficienta prenosa kisika kL je enostavneje, da se

določi kar produkt kLa. Volumski koeficient snovnega prenosa kLa je odvisen

od številnih parametrov kot so oblika in velikost reaktorja, tip in velikost

plinskega razpršilca, lastnost fluida, temperatura, plinska površinska hitrosti

ter interakcija med njimi.

Osnovna zveza, ki popisuje prenos masnega toka kisika �̇� iz vpihanega zraka v

tekočino v reaktorju, je

�̇� =

𝑑𝑚

𝑑𝑡= 𝑘L𝐴(𝐶𝑠 − 𝐶) (83)

V gornji enačbi je �̇� masni tok kisika, ki se prenese v tekočino v reaktorju na

časovno enoto (kg/h ali kg/dan), kL je koeficient prenosa kisika, tudi koeficient

tekočega filma (L, liquid film) in A skupna površina voda/zrak za vse zračne

mehurčke v reaktorju (v m2). Zgornjo enačbo običajno prepišemo v drugačno

obliko, saj ne poznamo skupne površine A za celoten reaktor:

186

𝑑𝑚

𝑉 ∙ 𝑑𝑡=

𝑑𝐶

𝑑𝑡= 𝑘L𝑎(𝐶𝑠 − 𝐶) (84)

V gornji enačbi je a specifična površina med tekočo in plinsko fazo, normirana

na volumen reaktorja V.

Snovni tok kisika iz zraka v reaktor volumna V je proporcionalen produktu

volumskega koeficienta prestopa kLa in razlike koncentracij (Cs − C), v kateri

pomeni Cs koncentracijo nasičenja in C dejansko koncentracijo kisika v

tekočini. V komunalnih čistilnih napravah je koncentracija kisika običajno med

0,5 mg/l in 1,5 mg/l. Za nitrifikacijo je koncentracija kisika običajno višja od

2 mg/l.

V bazenih čistilnih naprav je prisotna biomasa, ki porablja dovedeni kisik. Zato

lahko gornjo enačbo spremenimo tako, da vanjo vključimo respiracijo r

𝑑𝐶

𝑑𝑡= 𝑘L𝑎(𝐶𝑠 − 𝐶) − 𝑟 (85)

Za določitev koeficienta 𝑘L𝑎 lahko uberemo naslednjo pot: (a) izključimo

aeracijo, s tem zmanjšamo 𝑘L𝑎 na nič in izmerimo respiracijo r, (b) vključimo

aeracijo in iz ponovne meritve spremembe koncentracije določimo 𝑘L𝑎.

Za korak (a) iz izmerjene spremembe koncentracije pri izključeni aeraciji

določimo respiracijo r v skladu s spodnjo enačbo

𝑑𝐶

𝑑𝑡= − 𝑟 . (86)

Za določitev 𝑘L𝑎 v skladu z (b) 𝑘L𝑎 lahko določimo, saj že poznamo respiracijo

r iz koraka (a) in predpostavimo, da se le-ta medtem ni spremenila.

Zapišemo lahko tudi primer, ko se koncentracija raztopljenega kisika v

ravnovesni točki ne spreminja

𝑑𝐶

𝑑𝑡= 0 = 𝑘L𝑎(𝐶𝑠 − 𝐶) − 𝑟 (87)

in

𝑘L𝑎 =

𝑟

(𝐶𝑠 − 𝐶) . (88)

Produkt kLa v skladu z zgornjo enačbo lahko določimo tudi pri konstantni aeraciji, pri tem pa moramo izmeriti respiracijo r z respirometrom.

187

Na spodnji sliki so rezultati meritev koncentracije kisika v aeracijskem bazenu čistilne naprave CČN Domžale Kamnik. V začetku je bila koncentracija kisika v bazenu povečana. V času okrog 180 s smo zaprli dovod kisika v merjeni aeracijski bazen. Na delu, ki ga označuje rdeči del meritev, je padanje koncentracije kisika v bazenu zaradi respiracije približno konstantna. Iz tega dela je mogoče po enačbi zgoraj oceniti respiracijo, saj je produkt kLa enak nič. V času okrog 500 s smo ponovno vključili aeracijo in v času po 600 sekundah se je koncentracija kisika v aeracijskem bazenu začela večati. Iz tega dela lahko ocenimo, kakšen je produkt kLa, če predpostavimo, da se respiracija ves čas meritev ni spreminjala.

Slika 145:

Koncentracija kisika v bazenu, rezultati meritev

S2.3.4 Intenzivnost in učinkovitost vnosa kisika v tekočino

Naprave za vnos kisika vrednotimo po dveh kriterijih (intenzivnost in

učinkovitost), pri čemer je (𝐶s − 𝐶) določen z normalnimi pogoji C = 1 mg

O2 / l, T = 20 °C, p0 = 101,325 kPa.

Majhni mehurčki imajo veliko razmerje površina glede na volumen in je zato

zanje prestop kisika v vodo velik glede na skupen volumen vpihanega zraka.

Intenzivnost vnosa kisika je količina kisika, ki se v reaktor vpiha v enoti časa

na enoto volumna. Učinkovitost je kvocient med količino dovedenega kisika in

električno močjo, ki se zato porabi. Električna moč je v primeru statičnih

naprav za vpihovanje zraka kar moč elektromotorja kompresorja, pri

dinamičnih pa moramo moči kompresorja prišteti še moč črpalk.

188

Med statičnimi napravami za vpihovanje zraka danes prevladujejo porozne

cevi oz. krožniki in blazine. Njihova prednost je, da so poceni in se težko

zamašijo, pomanjkljivost pa, da sami ne nudijo velikega upora pretoku plina in

zato plin izstopa zgolj na najvišjem mestu, kjer je tlak vodnega stolpca nad

blazino najmanjši. Gostota pretoka in posledično koalescenca sta zaradi tega

na omenjenih delih sorazmerno veliki. Pri statičnih napravah je pretok plina

edini procesni parameter. Zato nas zanima, kakšna je najugodnejša višina

bazena oziroma vodnega stolpca nad enoto za vpihavanje. S porastom višine

moč kompresorja za vnos zraka narašča, pretok pod normalnimi pogoji pa

pada, ker se s porastom višine proporcionalno veča tudi čas, ki ga potrebujejo

mehurčki za pot do površine.

V 70. letih so se na trgu začeli pojavljati predvsem za čiščenje močno

obremenjenih odplak kemijske industrije dvofazne šobe - injektorji. Pri njih

kinetična energija tekočinskega curka razbije zračni tok v veliko število

mehurčkov. Pri injektorjih sta pretok zraka in pretok tekočine neodvisna

procesna parametra.

Dvofazne šobe se v praksi uporabljajo v kemijski industriji, medtem ko

gumijaste ali porozne blazine prevladujejo na komunalnih čistilnih napravah.

Če odplake močno zatirajo koalescenco, pa so najprimernejši injektorji, ker

dajejo primarne mehurčke s premerom 0,2 do 0,3 mm, ki se v takšnih

odplakah ne združujejo.

S2.3.5 Koalescenca mehurčkov

V čisti tekočini znaša stabilni premer mehurčkov od 3 do 5 mm in je neodvisen

od njihove velikosti pri nastanku. Produkcija drobnejših mehurčkov v čisti

tekočini je zato neekonomična.

Če dodamo čisti tekočini anorgansko sol ali alkohol, nastane raztopina, v

kateri je koalescenca primarnih mehurčkov močno upočasnjena. Tu znaša

stabilni premer mehurčkov samo 0,2 do 0,5 mm. Posledica je velik porast

mejne površine na enoto volumna in s tem povečanje produkta kLa.

Pojav koalescence je posledica dejstva, da tekočinski film med dvema

sosednjima mehurčkoma izteče in poči, mehurčka pa se združita v večje. Ta

postopek je izredno hiter pri čistih tekočinah, ki klokotajo, in počasen pri

tekočinah, ki se penijo. Stopnja penjenja zrcali nagnjenost tekočine h

koalescenci. Medtem, ko je v vodnih raztopinah določenih anorganskih soli ali

pa alifatskih alkoholov hitrost snovnega transporta produkta kLa za faktor 6-8

večja kot v sami vodi, povzročajo kemijski razbijalci pene (predvsem neionski

tenzidi) ravno obratno, to je močan padec produkta kLa.

189

S2.3.6 Kompresorji za stisnjen zrak in sistem za vpihovanje v bazene stare biološke stopnje na CČN Domžale Kamnik

Kompresorji, ki so se uporabljali za dovod komprimiranega zraka v bazene

stare biološke stopnje, so bili tipa HV Turbo, Danska (zdaj Siemens Energy).

Kompresorji so bili nameščeni v kompresorski postaji. V kompresorski postaji

je bilo prostora za tri kompresorje, nameščena pa sta bila dva. En kompresor

je zadoščal za obratovanje celotne čistilne naprave, drugi pa je bil v rezervi, da

je vskočil v primeru okvare prvega kompresorja.

Kompresorji so bili turbinski, to pomeni, da z vrtenjem rotorja ustvarjajo

pretok in tlačno razliko. Karakteristika kompresorja je predstavljena na

spodnji sliki.

Za spreminjanje pretoka zraka iz kompresorja, se lahko uporabljajo različni

postopki:

- dušenje na loputi

- spreminjanje vrtilne frekvence elektromotorja s frekvenčnim

pretvornikom in

- spreminjanje kota vodilnika.

Prva izmed navedenih metod je najcenejša, vendar neučinkovita, saj se na

dušilni loputi energija zračnega toka izgubi, pretvori se v toplotno energijo.

zaradi tega, se te metode izogibamo. Pri uporabi ostalih dveh metod izgube

energije ni. V zadnjem času se uporablja predvsem metoda s frekvenčnim

pretvornikom.

Kompresor na CČN Domžale Kamnik je bil opremljen z vodilnikom. To je

sistem, ki spreminja kot iztoka zraka iz kompresorja, s čimer se spremeni tudi

pretočni presek in z njim prostorninski tok zraka. Različnim kotom zavrtitve

vodilnika ustrezajo karakteristike kompresorja, ki so na sliki spodaj označene

od 00 do 08.

190

Slika 146:

Karakteristika Kompresorja HV turbo KA5S-3240.

Kompresorji na CČN so opremljeni s filtrom na vstopu (slika spodaj). Filter

služi odstranjevanju delcev, ki bi lahko umazali ali poškodovali kompresor,

elemente razvodnega sistema ali pa zamašili blazine za vpihavanje zraka v

bazene.

Poleg filtra in prej navedenega vodilnika, je na sliki spodaj viden tudi difuzor

na izstopu iz kompresorja. Namen difuzorja je upočasniti tok in hitrost toka na

izstopu iz kompresorja spremeniti v tlak. V skladu z Bernoullijevo enačbo se

lahko hitrost spremeni v tlak in obratno. Bernoullijeva enačba za primer, ko

zanemarimo izgube, se glasi

𝑝abs1

�̅�+

𝑐12

2+ �̅� 𝑧1 =

𝑝abs2

�̅�+

𝑐22

2+ �̅� 𝑧2 . (89)

Na izstopu iz kompresorja imamo stanje 1, na izstopu iz difuzorja pa stanje 2. Zaradi povečanja preseka na difuzorju je hitrost na izstopu iz difuzorja majhna, zato je tlak visok.

191

Slika 147:

Kompresor HV turbo KA5S-3240. Levo: vgradnja v kompresorsko postajo. Desno: shema kompresorja.

Na sliki spodaj je slika kompresorja s sprednje strani, viden je vodilni aparat in

multiplikator vrtilne frekvence.

Slika 148:

Kompresor HV Turbo KA5S/3240 v kompresorski postaji. Na desni sliki sta vidna vodilni aparat za regulacijo pretoka oziroma nastavljiv vodilnik ter multiplikator vrtilne frekvence.

Na sliki spodaj (levo) so regulatorji tlaka. Regulatorji tlaka služijo nastavljanju kota vodilnika kompresorja glede na potrebe po koncentraciji kisika v bazenih biološke stopnje, krmilijo pa tudi ventile na posameznih bazenih (slika spodaj, desno).

192

Slika 149:

Regulacija pretoka kisika v aeracijske bazene čistilne naprave. Levo: Siemens Sipart regulatorji za odpiranje ventilov za dovod zraka v posmezne aeracijske bazene. Dva ventila sta na desni sliki.

Aeracijske blazine so Messner tip V20M18. Za merjenje koncentracije kisika v bazenih se uporablja merilno zaznavalo za merjenje kisika (slika spodaj, levo).

Slika 150:

Vpihavanje zraka v bazene čistilne naprave. Levo: za merjenje koncentracije kisika v bazenih se uporablja merilno zaznavalo za merjenje kisika (obešeno na verigi in potopljeno v bazen, predpostavimo popolno premešanje), ki regulira odpiranje ventilov. Desno: Messnerjeve aeracijske blazine (slika ni iz CČN Domžale Kamnik)

S2.4 Anaerobna biološka stopnja

Namen anaerobne biološke stopnje je razgradnja in zmanjševanje količine aktivnega blata. Shema delovanja anaerobne stopnje je prikazana na sliki spodaj. Ker je delcev, ki se odložijo v mehanski stopnji (imenujemo ga surovo blato) in aktivnega blata, ki nastane pri aerobnem biološkem čiščenju, veliko, ga dodatno obdelamo v anaerobnih gniliščih pri povišani temperaturi brez

193

prisotnosti kisika. V času 30 dni blato delno pregnije do bioplina (mešanica plinov CH4, CO2 in H2S), ki ga uporabimo za proizvodnjo električne energije. Pregnito blato pa se centrifugira in odloži na deponijo. Mešanica usedlega blata v mehanski stopnji se črpa v tri gnilišča s skupnim volumnom 7200 m3. V enem od gnilišč poteka anaerobna razgradnja higieniziranih biološko razgradljivih tekočih odpadkov. Skupni volumen gnilišč je 7.200 m3. Zadrževalni čas v gnilišču je približno 48 dni. Temperatura v gniliščih je okoli 39 °C, dosežena s toplotnimi izmenjevalci. Blato gnije v okolju brez prisotnosti kisika, količina organskih snovi se zmanjša z metabolizmom anaerobnih mikroorganizmov do 50 %. Bioplin, ki nastaja pri gnitju, sestavljata v 65 - 70 % metan in v 30 - 35 % ogljikov dioksid ter primesi ostalih plinov: H2S, CO, NO itd.

Slika 151:

Shema predelave surovega in aktivnega blata.

Bioplin se začasno shranjuje v plinohramu volumna 800 m3 ter je vir energije za segrevanje gnilišč in za pogon dveh bioplinskih motorjev kapacitete 200 kW za proizvodnjo električne energije. V anaerobni digestiji CČN proizvede okoli 1 mio m3 bioplina na leto in okoli 1,2 mio kWh električne energije na leto. Ob tem nastane tudi okoli 2,2 mio kWh toplotne energije na leto. Okoli 20 % električne energije za potrebe CČN se dovede iz električnega omrežja. Pregnito blato se zbira v zgoščevalcih in se nato centrifugira v centrifugi z zmogljivostjo 25 m3 na uro. Pred centrifugiranjem se blatu dodajo polimeri kationski polielektroliti. Centrat, ki se izloči iz blata, se vodi nazaj na dotok CČN. Blato se dehidrira (centrifugira, strojno zgoščuje) na okoli 30 % suhe snovi in se začasno odlaga na interni deponiji CČN. Dehidrirano blato se trenutno oddaja pooblačenemu predelovalcu odpadkov, ki ga dodatno meša z inertnim materialom in zemljinami ter uporablja za zasipanje. Zaradi prekomerne vsebnosti težkih kovin dehidrirano blato ni uporabno za kmetijske namene.

194

Silos za gnilo vodo in centrat z volumnom 500 m3 je namenjen zadrževanju gnile (prelivne) vode iz gnilišč in centrata iz mehanske dehidracije blata. Obe odpadni vodi vsebujeta visoke koncentracije dušika in tako ob ločenem doziranju še dodatno obremenjujeta dotok. Z vezavo na merilnika koncentracij TOC in TN na dotoku je izvedena regulacijo za dodatek tega povratka na dotok ob znižani dotočni obremenitvi. Na ta način se zmanjšajo nihanja obremenitve CČN in pripomore k bolj stabilnemu delovanju celotne čistilne naprave.

195

Seminar 3 Delovanje gospodinjskega sušilnega stroja

Sušilni stroj (angl.: clothes dryer, tumble dryer, drying machine) je električni gospodinjski stroj (slika spodaj), ki je namenjen sušenju perila ali tekstilij, običajno po koncu pranja. Večina sušilnih strojev ima vrtljiv boben, v katerega je naloženo perilo, in skozi katerega kroži suh vroč zrak, ki se v bobnu navlaži in ohladi. Ločimo več tipov sušilnih strojev:

- kondenzacijski s toplotno črpalko, - kondenzacijski brez toplotne črpalke in - odzračevalni.

V preteklosti so se zaradi cene uporabljali predvsem odzračevalni stroji, danes pa se v gospodinjstvih največ uporabljajo kondenzacijski sušilni stroji s toplotno črpalko. Odzračevalni stroji se danes uporabljajo v poslovne namene. Sušilnik perila je eden izmed največjih porabnikov energije v gospodinjstvih.

Slika 152:

Kondenzacijski sušilni stroj s toplotno črpalko proizvajalca Gorenje. Desno shema stroja: (1) boben, (2) filter, (3) filter, (4) uparjalnik, (5) posoda za zbiranje kondenzata, (6) kompresor, (7) ventil ali kapilara, (8) kondenzator, (9) ventilator, (10) povratni kanal v boben.

Vlažnost podaja količino vodnih hlapov v zraku ali kakem drugem plinu. Vlažnost merimo z vlagomerom (higrometrom). Razlikujemo med absolutno in relativno vlažnostjo. Absolutna vlažnost je izražena kot masa vodne pare na kubični meter zraka, torej kot delna gostota vodne pare v vlažnem zraku. Največja mogoča absolutna vlažnost (nasičena vlažnost) pri dani temperaturi je tista, kjer je parni tlak vodne pare enak nasičenemu parnemu tlaku. Relativna vlažnost je določena kot razmerje med absolutno vlažnostjo in nasičeno vlažnostjo (največjo mogočo absolutno vlažnostjo) pri določeni temperaturi. Če temperaturo počasi znižujemo, pride pri neki točki do

196

kondenzacije – iz vlažnega zraka se začnejo izločati kapljice vode. Tej temperaturi pravimo rosišče. Slika spodaj prikazuje primer poteka temperatur in relativnih vlažnosti v sušilnem stroju.

Slika 153:

Potek in temperatur in vlažnosti v kondenzacijskem sušilnem stroju s toplotno črpalko (zamenjaj)

S3.1 Odzračevalni sušilni stroj

V preteklosti se je v gospodinjstvih zaradi nizke nakupne cene uporabljalo odzračevalni sušilni stroj. V odzračevalnem sušilnem stroju ventilator potiska zrak iz prostora skozi električni grelnik v boben. V električnem grelniku se zrak segreje, njegova relativna vlažnost pa se zmanjša. Vroč zrak z nizko relativno vlažnostjo nato teče v boben, kjer sprejme vlago in se ohladi. Iz bobna nato zrak teče v okolico. Na ta način je toplotna energija izstopnega zraka izgubljena. Odzračevalni sušilni stroji so energijsko potratni, so pa preprosti in poceni. Zaradi preprostosti se uporabljajo npr. v javnih pralnicah perila, avtokampih, itd.

S3.2 Kondenzacijski sušilni stroj brez toplotne črpalke

Kondenzacijski sušilnik perila je namenjen sušenju perila v prostorih, ki nimajo možnosti izpusta vlažnega zraka v okolico. Kondenzacijski sušilnik perila sestavljajo iz naslednji najpomembnejši deli:

- boben, - vrata stroja s filtrom, - usmernik zraka,

197

- kondenzator, - elektromotor, - ventilator primarnega toka zraka, - grelnik, - pokrov zadnje stene sušilnega stroja in - ventilator sekundarnega toka zraka.

Primarni tok zraka poteka od ventilatorja primarnega toka skozi grelnik (slika spodaj), boben, filter in kondenzator ponovno v ventilator (zaprt tok). Sekundarni tok zraka poteka od ventilatorja sekundarnega toka zraka skozi kondenzator v okolico in je odprtega tipa. Pred vstopom v boben s perilom ventilator zrak v primarnem tokokrogu potisne skozi grelnik, kjer se ogreje, njegova relativna vlažnost pa se zmanjša. Suh in vroč zrak potuje skozi boben, kjer sprejme vlago iz perila (njegova relativna vlažnost se poveča) in se ohladi (zaradi izparilne toplote). Še vedno topel in skoraj povsem nasičeno vlažen zrak nato potuje iz bobna skozi filter, ki odstrani vlakna, ki so se odtrgala s perila, da ne potujejo skozi kondenzator in grelnik. Nato zrak vstopi v hladen kondenzator, kjer se zrak primarnega tokokroga ohladi. Zaradi ohlajanja primarni zrak kondenzira. Kondenzator, ki je izveden kot toplotni izmenjevalec, s strani prepihuje zrak iz sekundarnega odprtega tokokroga. Nato ohlajen primarni zrak vstopi ponovno v ventilator primernega tokokroga, ki je s tem zaključen. Segret sekundarni zrak zapusti stroj, vendar ostaja v prostoru, kjer je nameščen sušilni stroj. Voda iz perila, ki se kondenzira v kondenzatorju (ko temperature vlažnega zraka pade pot temperaturo rosišča oz. kondenzacije), se kot kondenzat zbira na dnu stroja pod kondenzatorjem. Kondenzat črpalka kondenzata občasno črpa v posodo na vrhu stroja. Glede na navedeno, mora kondenzacijski sušilni stroj z inženirskega vidika opravljati naslednje najpomembnejše funkcije:

- transport zraka v primarnem tokokrogu, ki poteka skozi boben, - gretje primarnega zraka pred vstopom v boben, - vrtenje bobna v obe smeri, - transport zraka v sekundarnem tokokrogu za kondenzacijo v kondenzatorju, - prilagajanje parametrov sušenja stanju in količini perila v bobnu, izklop grelnika, merjenje preostale vlage itd., - transport kondenzata v zbirno posodo na vrhu stroja.

Pri načrtovanju strojev želimo doseči čim nižjo porabo energije, nizek hrup in nizke proizvodne stroške. Zaradi nizkih proizvodnih stroškov je sušilni stroj Gorenje zasnovan tako, da uporablja samo en elektromotor. Ta zato poganja boben in oba ventilatorja za primarni in sekundarni tokokrog. Boben se mora vrteti v obe smeri, sicer se perilo v stroju zavozla, kar onemogoči učinkovito sušenje. To pomeni, da se oba ventilatorja vrtita v različnih smereh glede na program sušenja.

198

Na začetku sušenja se približno 20 minut perilo v bobnu segreva na delovno temperaturo, ki znaša med 50 °C in 60 °C. V tem času se vrti boben, delujeta pa tudi primarni in sekundarni ventilator. Pri tem sekundarni ventilator hladi zrak v primarnem tokokrogu, kar energijsko ni ugodno. Ko perilo doseže delovno temperaturo, grelnik deluje s prekinitvami in vzdržuje temperaturo v željenem intervalu. Primarni ventilator je narejen iz kovine, ker je blizu grelnika. Zahteva po kovinskem ventilatorju izvira iz varnostnih razlogov. Zaradi tehnologije izdelave ima ravne lopatice, zato vrtenje levo/desno ne predstavlja velike ovire. Spirala primarnega ventilatorja je optimirana tako, da favorizira vrtenje v eno smer, v to smer se tudi večino časa vrti boben. Sekundarni ventilator je iz plastike, zato ima zakrivljene lopatice in spiralo, ki sta optimirana za vrtenje v eno smer. Ventilator ima veliko število lopatic zaradi zmanjšanja hrupa. Sekundarni tokokrog je odprt in zaradi tega se hrup sekundarnega ventilatorja močno sliši v okolici stroja. Stroj ima na bobnu tesnilo, ki je približno tako veliko, kot so velika vrata stroja. Vrata stroja so na modernih strojih velika zaradi prodajnih razlogov. Na tem tesnilu je potrebno zagotoviti, da je uhajanje vlažnega zraka v okolico čim manjša, s čimer se poveča stopnja kondenzacije. Uhajanje je zmanjšano tudi s podpornimi kolesi, ki zmanjšujejo obremenitve na tesnilo. Dodatno se stroj načrtuje tako, da je na mestu tesnila ob vratih razlika tlakov med notranjostjo in zunanjostjo čim manjše. To je možno napraviti tako, da se ustrezno razporedi generator tlaka - ventilator in upore v primarnem tokokrogu. Upori v primarnem tokokrogu se med ciklom sušenja spreminjajo, saj se perilo suši in zavzema čedalje večji volumen v bobnu, filter pa se maši. Filter preprečuje, da bi vlakna iz perila prišla z zračnim tokom na grelnik, kjer bi se zažgala, perilo pa bi zaradi tega smrdelo.

199

Slika 154:

Kondenzacijski sušilni stroj brez toplotne črpalke, shema delovanja

Kondenzacijski sušilni stroji brez toplotne črpalke so energijsko ugodnejši od odzračevalnih, so pa še vedno energijsko potratnejši od kondenzacijskih strojev s toplotno črpalko.

S3.3 Kondenzacijski sušilni stroj s toplotno črpalko

Proces sušenja v sušilnikih perila s toplotno črpalko je prav tako kot pri sušilni strojih brez toplotne črpalke okarakteriziran z zaprtim obtočnim sistemom. Obtočni sistem kondenzacijskega sušilnega stroja s toplotno črpalko sestavljajo:

- boben, - vrata stroja s filtrom, - usmernik zraka, - filter uparjalnika, - plastično ohišje z izmenjevalcem toplote (toplotno črpalko, sestavljeno iz uparjalnika, kondenzatorja in kompresorja), - ventilator in - pokrov zadnje stene.

Komponente takšnega sistema so prikazane na sliki spodaj.

Clothesdrum

Secondaryair-flow fan

Door

Filter

Secondary air-flow

Primary air-flow

Primary air-flow fan

Electric motorHeatExchanger

Inlet cone

Secondary air-flow exit

Ground plan Front plan

Flow direction out of the plane of the figure

Flow direction into the plane of the figure

Secondary air-flow inlet- basic version

200

Slika 155:

Kondenzacijski sušilni stroj s toplotno črpalko Gorenje

Hlajenje in segrevanje procesnega zraka se vrši v toplotni črpalki, ki je sestavljena iz uparjalnika in kondenzatorja v tokokrogu zraka v sušilnem stroju in kompresorja, ki je izven tokokroga. Tako uparjalnik kot kondenzator sta sestavljena iz cevi in lamel. Pri tem se pri izrazu kondenzator osredotočimo na toplotno črpalko, zato je kondenzator toplotne črpalke topel del in uparjalnik toplotne črpalke hladen del sušilnega stroja (slika spodaj). Zračni tok ustvarja ventilator, ki ga poganja elektromotor. Ta preko jermenskega gonila prav tako poganja boben, v katerem se vrši mešanje omočenega perila, enako kot pri kondenzacijskih sušilnih strojih brez toplotne črpalke.

Slika 156:

Shema delovanja kondenzacijskega sušilnega stroja s toplotno črpalko, levo: tokokrog zraka, desno: tokokrog hladilnega sredstva (združi obe sliki v eno)

Toplotna črpalka kondenzacijskega sušilnega stroja je predstavljena na sliki spodaj.

201

Slika 157:

Toplotna črpalka kondenzacijskega sušilnega stroja z dodanim sistemom za polnjenje kompresorja

V nadaljevanju bomo sledili toku zraka skozi toplotno črpalko. Iz bobna izstopa vlažen zrak (slika spodaj) začetnega stanja 1 (p, T1, h1), ki ga pri prehodu skozi uparjalnik izobarno ohladimo od temperature T1 na temperaturo T2 (T2 < TR< T1). Absolutna vlažnost x se pri tem spremeni (x1 < x2). V stanjih R in 2 se vlažen zrak (x = xS) nahaja v področju megle (je nasičeno vlažen, rosišče). Pri temperaturi rosišča TR dosežemo rosilno oz. mejno krivuljo in od tod dalje se prične del vodne pare pretvarjati v kapljevito vodo. Z zniževanjem temperature proti T2 se količina kondenzata povečuje. Če spremembo stanja tega nasičenega zraka opazujemo glede na kondenzat, le ta poteka od točke R do točke 2'. V stanju 2 (pri temperaturi T2) maso na kilogram suhega zraka določimo z x2 = xS (T2). Maso kondenzata na kilogram suhega zraka določimo z Δ𝑥kond

Δ𝑥kond = 𝑥2 − 𝑥1 . (90)

Maso kondenzata Δ𝑚kond izračunamo po enačbi spodaj

Δ𝑚kond = 𝑚ZΔ𝑥kond = 𝑚Z(𝑥2 − 𝑥1) . (91)

Pri temperaturi T2 je xS(T2) največja možna masa vodne pare v vlažnem zraku. Kondenzator nato zrak ogreje do točke 3 na sliki spodaj. V bobnu se zrak navlaži in ohladi do točke 1.

202

Slika 158:

T-x diagram delovanja toplotne črpalke v sušilnem stroju

203

Seminar 4 Merjenje sestave plinov in delcev v izpušnih plinih vozil z motorji z notranjim zgorevanjem

Za potrebe okoljskega strojništva izvajamo vzorčenje in meritve koncentracije plinov in masnega toka delcev v izpušnih plinih vozil ali stacionarnih motorjev z notranjim zgorevanjem. V tem poglavju bomo obravnavali vgradnjo merilnega sistema v vozila in merjenje sestave izpušnih plinov. Merjenje sestave bomo razdelili na merjenje koncentracije plinov in masnega toka delcev. Na Fakulteti za strojništvo v okviru Katedre za energetsko strojništvo izvaja meritve Laboratorij za motorje z notranjim zgorevanjem in elektromobilnost. Merilni sistem za merjenje izpustov vozil z motorji z notranjim zgorevanjem, ki je namenjen uporabi v prometu, mora biti prenosen (angl. PEMS portable emissions measurement system). Na sliki 159 je prikazana vgradnja v vozilo merilnega sistema za merjenje koncentracije izpušnih plinov. Na sliki 159 se meritve izvaja z analizatorjem izpušnih plinov Horiba OBS 2200. Meritve koncentracij izpušnih plinov obsegajo običajno tri različne principe glede na vrsto plina, z infrardečo spektroskopijo NDIR za merjenje koncentracije CO in CO2, s kemiluminscenčno metodo CLD za merjenje koncentracije NOX in plamensko ionizacijskim analizatorjem plinov FID za določanje koncentracije ogljikovodikov HC. V tem primeru (slika 159) se meritve masnega toka delcev niso izvajale.

204

Slika 159:

Merilni sistem za merjenje sestave izpušnih plinov vozil med vožnjo. Spodaj pod odbijačem je na izpušno cev nameščen sistem za odjem izpušnih plinov, izdelan s strani izdelovalca merilne opreme. Iz sistema za odjem vodi tanka svetla cev s tlačnimi odjemi za meritev pretoka in s termočlenom za merjenje temperature in debela ogrevana in toplotno izolirana cev za odjem izpušnih plinov za analizator. V prtljažnem prostoru so plinske jeklenke s kalibracijskimi plini (zmes CO, CO2, propan in NO), sintetičnim zrakom (kisik in dušik) in gorivom za celico FID (zmes vodika in helija). Spredaj levo so akumulatorji za napajanje celotnega sistema. Desno je analizator izpušnih plinov Horiba OBS 2200. Pokrovček črne barve pokriva mesto, kjer je nameščen filter za delce.

Za meritve potrebujemo več vnaprej pripravljenih plinov, ki jih shranjujemo v jeklenkah (sliki 159 in 160). Kot sintetični zrak uporabljamo zmes kisika in dušika in ga shranjujemo v prvi jeklenki. Kot nosilni plin oz. gorivo za plamensko ionizacijski analizator plinov FID uporabljamo zmes helija in vodika, nosilni plin shranjujemo v drugi jeklenki. Za kalibracijo uporabljamo kalibracijski plin, ki je zmes ogljikovega monoksida CO, ogljikovega dioksida CO2, ogljikovodikov HC (v obliki propana) in dušikovih oksidov NOX (v obliki NO). Preostali plin je dušik N2. Kalibracijski plin imamo shranjen v tretji jeklenki. Na vsaki izmed jeklenk je nameščen dvostopenjski krmilnik tlaka, na priključku v analizator plinov moramo zagotoviti 1 bar nadtlaka (analizatorji Horiba), npr. analizatorji podjetja Sensors Semtech pa so robustnejši in dovoljujejo večji interval tlakov na vstopu. Analizator plinov ima vgrajen še lasten krmilnik tlaka. Za prevoz jeklenk v preizkusnem vozilu je potrebno posebno dovoljenje. Zahteve različnih izdelovalcev analizatorjev glede na potrebo po kalibracijskih plinih se razlikujejo. Analizatorji podjetja Horiba potrebujejo vse prej navedene kalibracijske pline. Analizatorji podjetja Sensors Semtech - DS ne

205

zahtevajo uporabe kalibracijskih plinov med vožnjo, razen goriva za plamensko ionizacijski analizator plinov FID. Vsi analizatorji imajo vgrajene elektromagnetne ventile, ki za čas kalibracije prekinejo tok merjenega plina in na merilne celice spustijo kalibracijski plin. Sistem za odjem izpušnih plinov ponuja vsak izdelovalec merilnega sistema in je del merilne opreme za merjenje koncentracij plinov in masnega toka delcev. Sistem za odjem se namesti na izpušno cev vozila, kar je prikazano na slikah 160 in 161. Na cevi za odjem so priključki za izpušne pline, tlačni odjem za merjenje prostorninskega toka in merjenje temperature. Cevke za odjem tlaka za meritve prostorninskega toka morajo biti izvedene brez žepov, da pojav kondenzata v cevki ne moti meritve prostorninskega toka.

Slika 160:

Sistem za odjem izpušnih plinov, vgrajen v avtobus. Sistem je uporaben za merjenje koncentracije plinov in masnega toka delcev. Levo: pogled vzdolž sistema za odjem, vidna je skoraj navpična ogrevana cev za merjenje koncentracije izpušnih plinov. Desno: pogled s strani, na sredini je odjem za merjenje delcev. Takoj na mestu odjema se pline razredči, to naredimo z dovajanjem prečiščenega zraka (dovod po beli plastični cevki), pri čemer se ga vpiha na več mestih hkrati.

Cev za vzorčenje izpušnih plinov za meritve koncentracije plinov mora biti ogrevana za potrebe merjenja koncentracije izpušnih plinov vozil na več kot 190 °C. Pri navedeni temperaturi ostane v plinskem stanju velika večina ogljikovodikov, ki se navadno nahajajo v izpušnih plinih motorjev z notranjim zgorevanjem. Cev zato ogrevamo. Za meritve koncentracij v izpušnih plinih po metodah infrardeče spektroskopije NDIR, s plamensko ionizacijskem analizatorjem plinov FID in s kemiluminiscenčno metodo CLD uporabljamo isto cev za izpušne pline. Temperatura v celici za infrardečo spektroskopijo NDIR je znotraj analizatorja plinov krmiljena na samo 60 °C. V najneugodnejšem primeru, če deluje motor na metan, je na izstopu iz izpušne cevi 19 % vode in 9,5 % CO2, kar da pri 60 °C malo manj kot 100 % vlažnost.

206

Ker ločljivost NDIR celice s povečevanjem temperature pada, je izbira temperature 60 °C v merilni celici najprimernejša. Prostorninski tok izpušnih plinov se meri z zaznavalom, ki deluje na načelu merjenja razlike tlaka, metoda je podobna Pitotovi cevi. En priključek meri totalni tlak, drugi pa je prvemu enak, vendar obrnjen v nasprotno smer potovanja izpušnih plinov. Izvedba zaznaval za merjenje prostorninskega toka izpušnih plinov ni enaka Pitotovim cevem, ki imajo poleg odjema za totalni tlak še odjem za statični tlak. Nazaj obrnjen priključek poveča razliko tlaka glede na klasične Pitotove cevi, kar je pomembno pri merjenju majhnih hitrosti izpušnih plinov. Cevke za odjem tlaka za meritve prostorninskega toka morajo biti izvedene brez žepov, da morebitni pojav kondenzata v cevki ne moti meritve. Merilni pretvornik za tlak je vgrajen v analizator dimnih plinov.

Slika 161:

Sistem za odjem izpušnih plinov za meritve koncentracije plinov in masnega toka delcev. Levo: pogled v sistem za odjem izpušnih plinov iz izstopne odprtine. Na sliki so vidne štiri cevi za odjem tlaka (dve tanjši cevki), meritev temperature s termočlenom (zaznavalo ni vidno), cev za odjem plinov (oddaljena debela cev) in cev za odjem delcev (bližnja debela cev). Cev za odjem delcev ima nameščeno koleno, obrnjeno proti toku izpušnih plinov. Desno: namestitev v motorno vozilo.

Poraba energije za ogrevanje cevi za odjem izpušnih plinov in za delovanje analizatorjev plinov je velika, zato pri merjenju v realnem prometu uporabljamo akumulatorje (slika 162). Velika poraba zahteva pogosto polnjenje akumulatorjev, saj avtomobilski alternator ne zmore zagotoviti dovolj energije, poleg tega bi s tem odvzemali večjo moč motorju kot v realnih voznih razmerah. V nadaljevanju se bomo osredotočili na merjenje masnega toka delcev. Delci so aerosoli, pepeli, saje, kapljice kondenziranih ogljikovodikov itd. Zakonodaja ne določa vrst delcev, katerih masni tok je treba meriti. Zakonodaja omejuje izpuste vseh delcev, ki se ujamejo na filter premera 47 mm. V okoljskih

207

standardih Euro 5 in 6 je npr. predpisan tok masni tok delcev (0,005 g/km za osebna vozila), ki ga izdelovalci vozil lahko dosežejo samo z uporabo filtrov delcev DPF (angl. diesel particulate filter). Pri dizelskih motorjih so delci ogljikovodiki, pepeli in anorganske snovi iz olja. V bencinskih motorjih tvorijo delce predvsem kapljice olja in ne saje. Ker so delci zelo majhnih premerov pod 100 nm, se ne morejo meriti gravimetrično, temveč se jih bo zagotovo v prihodnosti štelo. Pri bencinskih motorjih so za katalizatorjem masni tokovi ogljikovodikov zelo majhni, če katalizatorji v vozilu pravilno delujejo, to je, če krmilna elektronika vzdržuje vrednost lambda rahlo nad 1.

Slika 162:

Merilni sistem za merjenje koncentracij v izpušnih plinih, levo: namestitev akumulatorjev in jeklenk z dvostopenjsko nastavitvijo tlaka in desno: polnjenje akumulatorjev.

Za merjenje masnega toka delcev se uporablja sistem, kakršen je viden na sliki 163 v notranjosti avtobusa. Le-ta se sestoji poleg sistema za merjenje koncentracije plinov, kot smo ga opisali zgoraj, še iz več podsklopov za merjenje masnega toka delcev. Tega tvori merilna oprema Horiba OBS-2000 TRPM. V nadaljevanju bomo opisali ta merilni sistem. Odjem za izpušne pline za merjenje masnega toka delcev je izveden tako, da je cevka s kolenom obrnjena proti viru (slika 161), to je proti toku izpušnih plinov iz motorja. Takoj za mestom odjema se izpušni plini razredčijo s prečiščenim zrakom (slika 160). Prečiščeni zrak dovajamo po cevki do odjema, kjer ga vpihavamo na več mestih. Prečiščeni zrak se očisti s HEPA filtrom. Za dovajanje zraka za redčenje plinov do HEPA filtra pri meritvi masnega toka delcev je v sistem vgrajen tudi dodaten kompresor, za poganjanje kompresorja pa je potreben dodaten generator ali pa je potrebna uporaba kompresorja, ki ga poganja motor z notranjim zgorevanjem. Redčenje in preverjanje želenega masnega toka izpušnih plinov je treba zelo natančno obvladati, saj sicer narobe določimo koncentracijo delcev. Za sistem DCS (angl. diffusion charge sensor) na sliki 163, ki meri časovno odvisnost

208

masnega toka delcev, je pomembno, da ga sinhroniziramo z delovanjem motorja za celotno trajanje cikla vožnje. Za to skrbi sistem deloma sam ob nekaterih potrebnih prednastavitvah uporabnika. Sinhronizacija delovanja motorja in sistema DCS omogoča časovno odvisno povezavo izpustov z režimom delovanja motorja z notranjim zgorevanjem tudi med npr. pospeševanjem.

Slika 163:

Merilni sistem za merjenje koncentracij plinov in masnega toka delcev avtobusa. Levo je sistem za merjenje koncentracij plinskih onesnažil v izpušnih plinih. Desno je nameščen sistem za merjenje masnega toka delcev. Sestavljen je iz ciklonskega ločevalnika in filtra (bela škatla v sredini na tleh) in sistema DCS (v sredini poleg jeklenk s plinom). Na desni strani je računalnik za nadzor sistema za merjenje delcev, napajalnik in priključna plošča za pretvornik A/D, povsem na desni pa HEPA filter sistema za redčenje.

Temperatura izpušnih plinov se zaradi redčenja zniža. Pri osebnih vozilih se v skladu z evropskim emisijskim standardom [Uredba (ES) št. 715/2007 evropskega parlamenta in sveta, 2007 in Pravilnik št. 83 Ekonomske komisije Združenih narodov za Evropo, 2015] vedno uporablja proporcionalno redčenje. Pri največjem masnem toku izpušnih plinov je redčenje najmanjše in skoraj neskončno pri minimalnem masnem toku izpušnih plinov. Redčenje je potrebno, ker skozi filter trdnih delcev teče vedno enak prostorninski tok izpušnih plinov. Prostorninski tok izpušnih plinov je pri prostem teku mnogo manjši kot pri polni obremenitvi motorja. Zaradi tega s proporcionalnim redčenjem dosežemo, da so obratovalne točke pri polni obremenitvi upoštevane bolj kot tiste pri delni obremenitvi. Razredčeni izpušni plini po ogrevani cevi s temperaturo 52 °C nadaljujejo pot v ciklonski filter, kjer se odstranijo delci, večji od 10 μm (PM10). Približno 90 % prostorninskega toka izpušnih plinov iz ciklonskega ločevalnika potuje skozi filter (približno 30 L/min), približno 10 % (približno 2,5 L/min) pa v sistem

209

DCS za časovno (dinamično) odvisnost masnega toka delcev. Merjenje s filtrom prikaže časovno povprečno vrednost, merjenje izvajamo gravimetrično. Na filtru se naberejo delci, njihovo količino pa izmerimo gravimetrično. Filter je papirnat ali teflonski. Teflonski filter ne vpija NO2, je pa precej dražji. Kadar meritev ne poteka in je filter vstavljen, tok izpušnih plinov z elektromagnetnim ventilom preusmerimo v sekundarni filter, to je na sliki 163 na desni strani. Razlog temu preklopu je, da omogočimo zvezno delovanje merilnika. Filter (slika 164) pred uporabo in po koncu uporabe s hitrimi spojkami odpremo. Papirnati filter vstavimo v filter z mrežico.

Slika 164:

Levo: Sistem za merjenje povprečnega masnega toka delcev v izpušnih plinih motorjev z notranjim zgorevanjem. Levo tok izpušnih plinov vstopa v ciklon z zadnje strani omarice. V sredini je ciklon za odstranjevanje trdnih delcev PM10. Iz ciklona potujejo izpušni plini, očiščeni delcev, večjih od 10 μm. Ko poteka meritev, potujejo izpušni plini levo v filter. Kadar meritev ne poteka, ga z elektromagnetnim ventilom preusmerimo v desno, to je v sekundarni filter. Razlog temu preklopu je, da omogočimo zvezno delovanje merilnika toka. Desno: ohišje filtra z mrežico, v katero se vstavi papirnat vložek filtra, papirnatega vložka ni na sliki.

Povprečno količino trdnih delcev v filtru merimo gravimetrično, to je s tehtanjem. Filter pred tehtanjem pustimo vsaj 10 ur v merilnici, v kateri sta temperatura in vlažnost nadzorovana. Filter stehtamo z mikrogramsko tehtnico pred meritvijo in po njej. Ker so motorji z notranjim zgorevanjem čedalje boljši in je količina trdnih delcev na izstopu iz izpušne cevi čedalje manjša, je razliko včasih celo z mikrogramsko tehtnico težko izmeriti. Zato je pri novih dizelskih motorjih redčenje majhno, npr. 2-krat. Iz filtra gredo izpušni plini v okolico. Komora sistema merjenja povprečnega masnega toka delcev v izpušnih plinih motorjev z notranjim zgorevanjem izdelovalca Horiba

210

je izolirana in ogrevana v skladu s standardom za meritve masnega toka delcev na 52 °C.

Slika 165:

Levo: notranjost avtobusa, pripravljenega na meritve. V sodih je balastna voda, ki simulira maso potnikov. V avtobusu je razporejenih še več akumulatorjev, ki prav tako služijo kot balast. Desno spodaj je agregat za proizvodnjo električne energije za delovanje merilnih naprav. Desno: meritve se v določenih primerih opravljajo tudi med vožnjo v realnem ciklu.

Del izpušnih plinov iz ciklonskega ločevalnika potuje namesto v papirnati filter v sistem DCS. Izhod merilnika DCS je plavajoč, to pomeni, da ničla ni dobro določena in zato sistem za pravilno delovanje potrebuje rezultat vsakokratne meritve tehtanja filtra. Pri meritvah koncentracije plinov in masnega toka delcev moramo simulirati realne vozne razmere ali pa vozne razmere v skladu z enim izmed voznih ciklov. Meritve sestave izpušnih plinov motorjev z notranjim zgorevanjem niso omejene samo na cestna vozila, temveč se jih lahko izvaja tudi na gradbenih strojih, terenskih vozilih ali kmetijskih strojih (angl. NRCM non-road combustion machinery), kar prikazuje slika 167. Meritve se izvajajo tudi za različna pogonska goriva. Za potrebe določanja natančne lege avtomobila med vožnjo in za dinamično vrednotenje izpustov izpušnih plinov glede na delovno točko motorja se izvajajo tudi meritve lege vozila in atmosferske meritve (slika 168). Za merjenje lege vozila uporabljamo sprejemnik GPS in triosni merilnik pospeška. Merilna oprema za določanje natančne lege vozila ni del opreme PEMS, za raziskovalno delo pa je potrebna. Med okoljskimi parametri merimo temperaturo, vlažnost in barometrski tlak. Merjenje barometrskega tlaka je lahko izvedeno v analizatorju dimnih plinov, meritev temperature in vlažnosti v okolju pa izvedemo običajno na strehi vozila, pri čemer moramo onemogočiti vpliv sončnega sevanja.

211

Slika 166:

Namestitev opreme v avtobusih v nekaterih drugih meritvah koncentracije plinov in delcev v izpušnih plinih. Vsaka meritev zahteva dolgotrajno namestitev opreme po meri in preizkušanje posameznih podsklopov.

Slika 167:

Namestitev opreme na traktorjih in terenskih vozilih. Vozila so med meritvami delovala na različna goriva: dizel, biodizel in hladno stiskano rastlinsko olje.

Analizatorji plinov, ki so bili uporabljeni pri meritvah in so prikazani na slikah od 159 do 167, se uporabljajo za raziskave delovanja motorjev z notranjim zgorevanjem in za potrebe homologacije vozil, meritve pa lahko izvajamo tudi za potrebe tehničnih pregledov vozil. Meritve sestave plinov za potrebe tehničnih pregledov vozil imajo večjo merilno negotovost. Nekateri analizatorji so narejeni tako, da jih lahko uporabljamo samo zelo kratek čas, sicer npr. temperatura v merilni celici za neprosojnost prekomerno naraste. Analizatorji, ki se uporabljajo na tehničnih pregledih, merijo koncentracijo izpušnih plinov z infrardečo spektroskopijo

212

NDIR ali elektrokemično. Na tehničnih pregledih se merijo samo suhi plini, to pomeni, da iz izpušnih plinov pred vstopom v analizator odstranimo vodo.

Slika 168:

Meritve lege vozila in atmosferske meritve, levo: sprejemnik signala GPS v avtomobilu z vgrajenim merilnikom pospeška ter analognimi in frekvenčnimi vhodi za spremljanje parametrov vozila, desno: dve anteni GPS na strehi avtobusa in namestitev merilne opreme za merjenje okoljskih parametrov.

Pri štiritaktnih Ottovih motorjih se na tehničnih pregledih meri koncentracija izpustov ogljikovega monoksida CO, ogljikovega dioksida CO2 in ogljikovodikov HC. Iz tega se izračuna vrednost po Brettschneiderjevi enačbi. Meritve se izvajajo pri prostem teku in povišani vrtilni frekvenci motorja pri neobremenjenem motorju. Za vrednosti ogljikovega dioksida CO2 in ogljikovodikov HC meja izpustov ni predpisana, se pa obe vrednosti uporablja za izračun vrednosti . Pri dizelskih motorjih se na tehničnih pregledih meri neprosojnost izpušnih plinov pri treh zaporednih pospeševanjih, pri čemer avtomobila ne zaviramo z valji. Meritev neprosojnosti se uporablja za hitro oceno izpustov trdnih delcev, čeprav primerjava med neprosojnostjo in masnim tokom trdnih delcev ni vedno dobra. Merjenje koncentracije dušikovih oksidov NOX ima smisel samo pri obremenjenem motorju. Koncentraciji ogljikovega monoksida CO in ogljikovodikov HC sta pri dizelskih motorjih zanemarljiva v primerjavi z Ottovimi motorji [Gajendra Babu in Subramanian, 2013]. Uporaba valjev za zaviranje motorjev med obremenitvijo motorja pri tehničnih pregledih je zaradi cene nerealna. Prav tako je zaradi cene in zapletenosti pri tehničnih pregledih nerealna zahteva po uporabi sistemov za štetje delcev. Zaradi tega je pri dizelskih motorjih na tehničnih pregledih edino možno preverjanje še vedno meritev neprosojnosti. Meritev neprosojnosti izloči samo motorje, ki zelo močno onesnažujejo okolje z delci. Na Katedri za energetsko strojništvo za merjenje neprosojnosti uporabljamo analizator AVL

213

Ditest Dismoke 4000. Drugi izdelovalci opreme za uporabo pri tehničnih pregledih so Maha, SPX, Bosch itd. V zadnjih letih se je masni tok delcev v povprečnem dizelskem motorju močno zmanjšal, ker pa se število delcev ni zmanjšalo, je v evropskem standardu o izpustih Euro 6 poleg masnega toka predpisana tudi meritev števila delcev. Kdaj se bo meritev začela izvajati, je še v fazi usklajevanja in sprejemanja. Meritev se bo izvajala pri postopku homologacije vozila, ne pa tudi na tehničnih pregledih. Število delcev bo omejeno na 6 · 1011 delcev/km. Razlog za to spremembo je, da se je pri novih dizelskih motorjih zmanjšal masni tok delcev, ne pa tudi število. Povprečna velikost delcev se je zmanjšala, manjši delci npr. PM2.5 pa so za zdravje bolj škodljivi kot veliki delci, ker prodrejo globlje v pljuča. Na ta način bodo omejeni tudi bencinski motorji z neposrednim vbrizgom goriva, ki so po načinu delovanja sorodni dizelskim motorjem. Z manjšanjem povprečne velikosti delcev je merilna metoda neprosojnosti čedalje bolj neprimerna.

S4.1 Avtomobilski katalizatorji

Avtomobilski katalizator (angl. catalytic converter) je naprava za nadzor izpustov iz motorjev z notranjim zgorevanjem. Avtomobilski katalizator z redoks reakcijami pretvarja strupene pline na izstopu iz izpušne cevi motorjev z notranjim zgorevanjem v manj škodljive pline. Katalizatorji se uporabljajo pri bencinskih in dizelskih motorjih. V Združenih državah Amerike se katalizatorji v vozilih uporabljajo že od leta 1975. Čeprav so katalizatorji najpogostejši v avtomobilih, avtobusih in tovornjakih, se uporabljajo tudi v viličarjih, lokomotivah, električnih generatorjih itd. Katalizator sestavljajo naslednji deli:

- podporni material, - porozna oksidna plast, - plast iz cerijevega oksida in - plast katalizatorja.

Podporni material (angl. catalyst support) je izdelan iz keramike s satasto strukturo. Podporni material mora zagotoviti veliko površino in biti temperaturno obstojen. Porozna oksidna plast (angl. washcoat) je tanka plast, ki ima veliko površino. Zaradi velike površine porozna oksidna plast omogoča disperzijo kovinskih katalizatorjev. Dobri materiali so temperaturno obstojni in imajo nepravilno hrapavo površino. Z uporabo porozne oksidne plasti se na največjo možno mero poveča površina za potek katalitične reakcije. Uporabljajo se aluminijevi oksidi, titanov dioksid itd. Plast iz cerijevega oksida služi za shranjevanje kisika. Plast katalizatorja je običajno zmes različnih žlahtnih kovin. Najpogosteje se uporablja platina, v manjši meri pa paladij in rodij. Platina se uporablja za reakcije oksidacije in redukcije, rodij za redukcijo in paladij za oksidacijo.

214

Katalizatorji so dvostezni in tristezni. Danes se uporabljajo samo še tristezni katalizatorji. Kljub poimenovanju dvostezni ali tristezni katalizatorji nimajo ločenih kanalov, temveč se poimenovanje stezni nanaša na vrsto reakcije, ki poteka v katalizatorju. Dvostezni katalizatorji so oksidacijski in oksidirajo ogljikov monoksid CO v ogljikov dioksid CO2 in ogljikovodike do vode H20 in ogljikovega dioksida CO2. Pri tem potekata v bencinskih in dizelskih motorjih naslednji reakciji:

2 CO + O2 → 2 CO2

CxH2x+2 + 3𝑥 + 1

2 O2 → x CO2 + (x + 1) H2O .

Zaradi nezmožnosti redukcije dušikovih oksidov, se dvostezni katalizatorji ne uporabljajo več. Tristezni katalizatorji omogočajo poleg obeh zgoraj navedenih reakcij, ki potekata v dvosteznem katalizatorju, v bencinskih motorjih še redukcijo dušikovih oksidov:

2 NOx → x O2 + N2 .

Redukcija in oksidacija se odvijata v istem ohišju katalizatorja. Navedene reakcije najučinkoviteje potekajo, če motor deluje rahlo nad stehiometrično točko razmerja zraka in goriva. Pri bencinskih motorjih to ustreza približni vrednosti = 1. Za delovanje tristeznega katalizatorja je ključen gradnik lambda zaznavalo, ki z nadzorom količine kisika v izpušnih plinih, prek elektronskega krmiljenja vbrizgavanja goriva, omogoča, da motor in katalizator delujeta pri optimalnem razmerju goriva in zraka. Zaradi značilnosti lambda zaznavala motorji delujejo tako, da gorivna mešanica niha med revno (presežek zraka) in bogato (presežek goriva). Izkoristek katalitične pretvorbe močno pade, če motor deluje izven tega področja. Pri delovanju pri revni zmesi izpušni plini vsebujejo presežek kisika in redukcija dušikovih oksidov NOx ne poteče. Pri delovanju pri bogati zmesi se pri zgorevanju porabi ves kisik, zato je za delovanje na voljo le kisik, ki je shranjen v katalizatorju v plasti cerijevega oksida. Ko se tudi ta kisik porabi, katalizator ni več sposoben oksidirati izpušnih plinov. Pri pospeševanju motor deluje pri bogati zmesi. Po končanem pospeševanju mora nadzorni sistem motorja natančno uravnavati količino kisika v izpušnih plinih, da se plast cerijevega oksida ponovno napolni s kisikom, da pa hkrati ne poteče oksidacija dušikovih oksidov NOx. V dizelskih motorjih je najpogosteje uporabljan katalizator dizelski oksidacijski katalizator DOC (angl. diesel oxidation catalyst). V osnovi je to dvostezni katalizator. Dizelski oksidacijski katalizator pretvarja ogljikov monoksid CO v ogljikov dioksid CO2 in ogljikovodike do vode H2O in ogljikovega dioksida CO2 na enak način, kot smo to že navedli pri bencinskih motorjih. Katalizatorji v dizelskih motorjih niso primerni za redukcijo

215

dušikovih oksidov NOx zaradi presežka zraka v izpušnih plinih dizelskih motorjev. Zmanjšanje koncentracije dušikovih oksidov v izpušnih plinih dizelskih motorjev se je v preteklosti reševalo s ponovnim kroženjem izpušnih plinov EGR (angl. exhaust gas recirculation), danes pa se to izvaja s selektivno katalitično redukcijo SCR (angl. selective catalytic reduction). Večina izdelovalcev motornih vozil se je namesto za dražje NOx adsorberje, ki vsebujejo žlahtne kovine, odločila za uporabo sistemov selektivne katalitične redukcije SCR, ki z amonijakom ali sečnino reducirajo dušikove okside NOx v molekularni dušik in vodo. V katalizatorju se pod določenimi pogoji pojavljajo nezaželene reakcije, pri katerih nastajajo spojine žveplov sulfit, amonijak itd.

Slika 169:

Izrabljen avtomobilski katalizator, keramično jedro s satasto strukturo [www.wikipedia.org]

S4.2 Adsorber dušikovih oksidov

Adsorber dušikovih oksidov ali past za dušikove okside je katalizator, ki z adsorpcijo reducira dušikove okside NOx v dušik N2. Uporablja se za bencinske motorje, ki delujejo z revno zmesjo oziroma pri prebitku zraka in za dizelske motorje. Zaradi tega, ker deluje pri revni zmesi, se imenuje tudi LNT (angl. lean NOx trap). Adsorber uporablja adsorber npr. platino in barijev karbonat. Ko se past napolni, ne more več sprejeti dušikovih oksidov. Adsorber se nato regenerira z vbrizgavanjem goriva pred adsorber, pri čemer postane za kratek čas < 1. Zaporedje korakov pri adsorpciji je naslednje. V prvem koraku se dušikov monoksid NO oksidira v dušikov dioksid NO2 v plinu nad platino.

NO + 1

2 O2 → NO2

216

Nastali dušikov dioksid NO2 se adsorbira na oksidno površino barijevega karbonata BaCO3 kot barijev nitrat Ba(NO3).

BaCO3 + 2 NO2 → Ba(NO3)2

Zgornji reakciji potekata v revni zmesi. Kasneje se v bogati zmesi adsorbirani barijev nitrat Ba(NO3) sprosti kot barijev oksid.

Ba(NO3)2 → BaO + 2 NO2

Dušikov dioksid NO2 se ob prisotnosti ogljikovega monoksida CO in ogljikovodikov HC pretvori v dušik

2 NO2 + 2 CO / HC → N2 + 2 CO2 ,

barijev oksid pa se pretvori nazaj v barijev karbonat.

BaO + CO2 → BaCO3

Sčasoma se na adsorber dušikovih oksidov veže žveplo, ki onemogoča adsorpcijo dušikovih oksidov.

S4.3 Selektivna katalitična redukcija SCR

Selektivna katalitična redukcija je metoda pretvorbe dušikovih oksidov NOx s pomočjo katalizatorja SCR v molekularni dušik in vodo. Pri tem se uporabljata amonijak ali sečnina, ki se dodajata toku izpušnih plinov in ki se adsorbirata na katalizator. V primeru, če uporabljamo sečnino, ob tem nastane tudi ogljikov dioksid. Shema delovanja katalizatorja in sistema selektivne katalitične redukcije SCR je prikazana na sliki 170. Katalizator SCR je izdelan iz keramičnih materialov za substrat in iz kovin (vanadij, molibden, volfram, žlahtne kovine). V katalizatorju SCR ob dodajanju npr. vodne raztopine sečnine poteka v primeru dušikovega oksida NO naslednja reakcija:

4 NO + 2(NH2)2CO + O2 → 4 N2 + 4 H2O + 2 CO2 .

Ob tem poteka še več sekundarnih reakcij. katalizatorji SCR so občutljivi na zastrupljanje in imajo zato omejen rok trajanja. Pri delovanju sistema za selektivno katalitično redukcijo SCR znaša poraba vodne raztopine sečnine približno 2 % porabe goriva. Ker pa motor s SCR lahko deluje pri višjih temperaturah in pri višjem izkoristku, je poraba goriva manjša in kompenzira porabo sečnine.

217

Slika 170:

Primer sheme sistema za čiščenje izpušnih plinov v vozilih z dieselskim motorjem

Nekateri izdelovalci motornih vozil v svojih vozilih uporabljajo obe konkurenčni tehnologiji za odstranjevanje dušikovih oksidov adsorpcijo dušikovih oksidov in selektivno katalitično redukcijo SCR. Celoten sistem čiščenja izpušnih plinov sestavljajo naslednji gradniki:

- dizelski oksidacijski katalizator DOC, - filter delcev DPF, - adsorber dušikovih oksidov LNT, - katalizator SCR in - katalizator za amonijak AOC.

Nekatera podjetja v svojih osebnih ali tovornih vozilih kot zadnjo stopnjo čiščenja izpušnih plinov uporabljajo še katalizator za amonijak AOC.

S4.4 Filtri delcev dizelskih motorjev (DPF)

Filter delcev dizelskih motorjev (angl. diesel particulate filter DPF) so naprave, ki iz izpušnih plinov odstranijo delce. Z dobro delujočim filtrom delcev je lahko pri dizelskih motorjih masni tok izpusta delcev manjši kot 0,001 g/km, pri čemer evropska direktiva Euro 6 za dizelske motorje zahteva masni tok manjši kot 0,005 g/km in število delcev manjše od 6 · 1011. Uporabe filtrov delcev sicer ne zahteva nobena evropska direktiva, vendar standardov o izpustih ni mogoče doseči brez njih. Shema delovanja filtra delcev dizelskih motorjev je prikazana na sliki 171. Najpogostejši material, iz katerega so narejeni filtri delcev, je keramika, kakršna se uporablja kot substrat tudi v tristeznih katalizatorjih. V filtru se delci zadržijo dalj časa in ne tečejo zgolj skozi, kot na primer pri tristeznem katalizatorju. Različne izvedbe filtrov delcev dizelskih motorjev zadržijo glede na premer delcev od 30 % delcev pa do več kot 95 % delcev. Idealen filter delcev bi bil sposoben filtrirati najmanjše delce, imel nizek padec tlaka, bil bi majhen, poceni itd.

218

Filtri so lahko regenerativni ali pa za enkratno uporabo. V vozilih najdemo vedno regenerativne filtre, medtem ko se za nepremično uporabo uporabljajo filtri obeh vrst. Filter avtomobil regenerira, kadar je filter poln in ob primernem voznem režimu (npr. avtocestna vožnja). Če vozilo uporabljamo le v mestu, filtra ni mogoče regenerirati. V motornih vozilih uporabljamo filtre delcev, ki so lahko aktivni, pasivni ali kombinacija obeh vrst. Večina regenerativnih filtrov uporablja termično regeneracijo, pri kateri se delci oksidirajo v pline. To se zgodi pri temperaturah nad 600 °C [Goldenberg, 1983]. Pri nizkih temperaturah pod 400 °C je oksidacija delcev zelo počasna in nepopolna. Temperatura izpušnih plinov dizelskih motorjev je prenizka, da bi omogočala samodejno regeneracijo. Regeneracija delcev je zato mogoča, če znižamo potrebno temperaturo za oksidacijo na nivo temperatur pri običajnem delovanju ali pa če zvišamo temperaturo v filtru na vrednost, ko se bo začela oksidacija (zgorevanje delcev). Prvi sistem imenujemo pasivni, drugi pa aktivni. Pri pasivnih sistemih regeneracije delcev temperaturo oksidacije delcev znižamo z uporabo katalizatorja. Pri aktivnih sistemih regeneracije avtomobil poviša temperaturo v filtru z dodajanjem zunanjega vira energije, kadar je filter poln. To je lahko z dizelskim gorivom ali pa z električno energijo. Pri dodajanju energije z dizelskim gorivom avtomobil pozno v ciklu zgorevanja vbrizga dodatno gorivo ali pa se gorivo vbrizga naravnost v izpušni sistem. Reakcija oksidacije delcev poteka na naslednja dva načina:

C + O2 → CO2

C + 1

2 O → CO .

Tak način zgorevanja je običajen pri aktivnih filtrih delcev dizelskih motorjev. Obstaja tudi oksidacija prek dušikovega dioksida, ki poteka pri nižjih temperaturah in pri katalitičnem načinu zgorevanja delcev. Zaželena je oksidacija v ogljikov dioksid CO2, vendar ob pomanjkanju kisika O2 lahko nastane tudi ogljikov monoksid CO. Hitrost zgorevanja ogljika je močno odvisna od temperature, pri visoki temperaturi je mnogo hitrejša. Hitrost oksidacije delcev je mnogo počasnejša kot hitrost oksidacije plinov, zaradi tega se delci ne oksidirajo v običajnih tristeznih katalizatorjih. Delci se morajo v filtru zadržati dalj časa, kot je to v tristeznih katalizatorjih, ki so pretočni.

219

Slika 171:

Filter delcev dizelskih motorjev, levo: shema delovanja, desno: vgradnja filtra v vozilo (okrogel zadebeljen del zgoraj levo) [www.wikipedia.com]

220

Seminar 5 Sistemi za posnemanje podatkov

Sistemi za posnemanje podatkov (ang. data acquisition systems) so namenjeni za računalniško podprto merjenje (slika spodaj). V nadaljevanju se bomo omejili na računalniško podprte merilne sisteme. Današnji sodoben merilni sistem je zasnovan kot je prikazano na sliki spodaj. Sestavljajo ga: - merjenec, - zaznavala, - pretvorniki (ojačevalniki in filtri), - analogno-digitalni (AD) pretvorniki, - računalnik s programsko opremo.

Slika 172: Shema računalniško podprtega merilnega sistema

Glede na merjeni signal lahko predstavimo merilni sistem v skladu s spodnjo sliko.

221

Slika 173: Shema računalniško podprtega merilnega sistema

V nasprotju z zgoraj navedenim računalniško podprtim sistemom pa še vedno uporabljamo tudi klasične merilne sisteme, ki prikazujejo merjene vrednosti na zaslonu in jih ni mogoče programirati.

Slika 174: Klasičen merilni sistem, primer merilnik pH.

S5.1 Fizikalni pojav

Merilni sistem se začne s fizikalnim pojavom, ki ga želimo meriti. Primeri so merjenje temperature, prevodnosti, pH, koncentracije kisika v vodi, tlak plina v rezervoarju. osvetlitve, vrtilne frekvence mešala, itd. Fizikalni pojav moramo pretvoriti v enotno obliko oziroma vrednost, da ga lahko merimo z merilnim sistemom, npr. izbrani dolžinski enoti pripišemo vrednost 1 m. Na ta način dobi pojav vrednost, ki jo lahko opišemo s fizikalno spremenljivko.

222

S5.2 Zaznavala

Zaznavalo je naprava, ki pretvarja fizikalno spremenljivko v električno vrednost. Zaznavalo je npr. termočlen, elektrokemična celica, optično zaznavalo, fotometer, itd. Za delovanje zaznaval je potrebno pogosto izvesti enega ali več izmed spodnjih opravil:

- nelinearne izhod (potrebna je linearizacija), - zelo šibak izhod (potrebno je ojačanje), - zaznavalo za delovanje rabi napajanje, itd.

Sistem za pretvorbo signalov večinoma poskrbi za zgoraj navedene naloge.

S5.2.1 Priključitev zaznaval na sistem za pretvorbo signalov

Prenos podatkov od zaznaval do sistema za pretvorbo signalov lahko poteka na več načinov. Poznamo analogne (tokovne in napetostne) ali digitalne prenose podatkov. Analogno digitalni pretvorniki vedno pretvarjajo v digitalen zapis napetost, zato je vse ostale spremenljivke potrebno pretvoriti v napetost. To pomeni, da mora analogno digitalni pretvornik od zaznavala ali sistema za pretvorbo signalov dobiti napetostni signal.

S5.2.2 Tokovni izhod iz zaznavala

Zaznavala imajo pogosto tokovne izhode. V tem primeru je spremenljivka v priključnem kablu električni tok. Prednost tokovnih izhodov pred napetostnimi je možnost napajanja zaznavala in velika dolžina, na kateri je mogoče prenašati signal. Napetostne signale je možno uporabno prenašati na dolžini do 10 m, tokovne pa do 1000 m. Za priključitev zaznavala s tokovnim izhodom na sistem za pretvorbo signalov ali analogno digitalni pretvornik uporabimo upor, kot je prikazano na spodnji sliki. Na uporu pride v skladu z Ohmovim zakonom do padca napetosti, ki ga odčita analogno digitalni pretvornik.

223

Slika 175: Priključitev zaznavala s tokovnim izhodom na analogno digitalni pretvornik (slovenski napisi)

Primer za preračun v skladu s sliko zgoraj je, kakšen upornik moramo priključiti, da bo maksimalni padec na njem 10 V. Tokovni signal ima večinoma vrednost 4 - 20 mA.

S5.2.3 Napetostni izhod iz zaznavala

Pri napetostnem izhodu je električna spremenljivka v priključnem kablu električna napetost. Napetostni izhod je najlaže pretvoriti v digitalno obliko. Težava napetostnih izhodov je, da niso primerni za komunikacijo na velikih razdaljah. Pri velikih dolžinah povezovalnih vodnikov pride do padca napetosti zaradi upornosti vodnikov v skladu z Ohmovim zakonom U=RI. Zaradi tega je dolžina vodnikov pri napetostnem izhodu omejena na razdalje, manjše od 10 m.

S5.2.4 Digitalni izhodi za prenos podatkov iz zaznaval

Na trgu je na voljo več vrst digitalnih izhodov, to je digitalnih protokolov za prenos podatkov iz merilnih zaznaval do procesnega računalnika, npr.

- Hart (industrija) - Fieldbus (industrija), - profibus (industrija), - Modbus (industrija), - Isobus (traktorji), - Canbus (avtomobili, tovornjaki, avtobusi in gradbena mehanizacija) - itd.

Če ima merilno zaznavalo digitalni izhod, je merilno zaznavalo opremljeno s sistemom za pretvorbo signalov, analogno digitalnim pretvornikom in miniaturnim procesnim računalnikom, ki omogoča obstoj digitalnega izhoda Prednost pred analognimi izhodi je, da se izognemo merilni negotovosti pri prenosu signala od zaznavala do procesnega računalnika, ki vsebuje sistem za pretvorbo signalov in analogno digitalni pretvornik. Žal je na trgu veliko

224

različnih digitalnih sistemov, ki so med seboj slabo povezljivi, so pa vsi po vrsti zelo dragi.

S5.3. Sistem za pretvorbo signalov

Naloge sistema za pretvorbo signalov so: - ojačevanje, - izolacija, - filtriranje, - vzbujanje, - linearizacija, itd. izhodnega signala iz zaznavala. Večkrat je potrebno uporabiti npr. ojačevanje in linearizacijo zaporedoma. S sistemom za pretvorbo signalov popravljamo oziroma kompenziramo določene nezaželene lastnosti zaznaval, oziroma njihov izhod priredimo tako, da bo primeren za merjenje napetosti z analogno digitalnimi pretvorniki. V precejšnje število analogno digitalnih pretvornikov je sistem za pretvorbo signalov že vgrajen.

S5.3.1 Ojačevanje

V primeru, da ima merjena spremenljivka premajhno vrednost, jo je potrebno pred meritvijo ojačati. S tem se poveča ločljivost meritve, razmerje signal/šum in zmanjša njena negotovost. Za ojačanje se uporablja ojačevalnike, po funkciji je ojačevanje pri meritvah zelo podobno ojačevanju pri poslušanju glasbe. Primer je meritev temperature s termočleni. Pri meritvi temperature s termočleni se za vsako stopinjo poveča napetost, ki jo generira termočlen, za 40 µV. To pomeni, da z 12 bitnim analogno digitalnim pretvornikom, ki ima ločljivost 2,4 mV lahko merimo na največ 60 °C natančno, kar je v večini primerov premalo. Zato v praksi signal ojačimo za najmanj stokrat, s čimer predstavlja merilna negotovost zaradi ločljivosti približno 0,1 °C, pojavi pa se dodatno še merilna negotovost ojačevalnika.

S5.3.2 Izolacija

Izolacija služi preprečevanju nepravilne priključitve zaznaval in zaščiti pred previsokimi priključnimi napetostmi ali motnjami v merilnem sistemu. Izoliranje signalov torej služi varovanju analogno digitalnega pretvornika in računalnika pred nepravilnim merjenjem ali celo uničenjem.

225

Slika 176: Različni tipi priključitve signalov na analogno digitalni pretvornik ali sistem za pretvorbo signalov. Levi stolpec: plavajoč vir (napajanje na baterije); desni stolpec ozemljen vir. Zgornja vrstica: plavajoč analogno digitalni pretvornik (napajanje na baterije); spodnja vrstica: ozemljen analogno digitalni pretvornik. Priključitev na način spodaj desno brez izolacije ni priporočljiv.

Posebna pozornost je potrebna priključevanju zaznaval na velikih razdaljah. V tem primeru je mogoče, da sta analogno digitalni pretvornik in zaznavalo priključena na električno omrežje, ki imata različna potenciala. Pri priključitvi pride do izenačitve potencialov, tok za izenačitev pa steče po priključnih kablih, s katerimi sta analogno digitalni pretvornik in zaznavalo povezana, kar povzroči uničenje analogno digitalnega pretvornika. Pri uporabi zaznaval z baterijskim napajanjem se takšnim problemom izognemo. Pri izolaciji, ki služi preprečevanju posledic nepravilne priključitve, omenimo več različnih načinov priključitve zaznaval na analogno digitalni pretvornik ali na sistem za pretvorbo signalov.

226

5.3.3 Filtriranje

S filtriranjem želimo odstraniti neželen frekvenčni del v signalu. Pogosto želimo odstraniti del signala s frekvenco 50 Hz, ki je frekvenca električnega omrežja. Pri spremljanju počasi se spreminjajočih spremenljivk (temperatura v pasterizatorju) filtriramo visokofrekvenčni del, to je hitro spreminjajoči se del, saj vemo da tako hitro spreminjanje npr. temperature v pasterizatorju ni mogoče oziroma je posledica motenj pri meritvah (nizkoprepustni ali low - pass filtri). Podobno ravnamo pri hitro se spreminjajočih spremenljivkah, le da tu odfiltriramo nizkofrekvenčni del (visokoprepustni ali high - pass filtri). Preprečevanje nepravilnega vzorčenja imenujemo s tujko antialiasing.

5.3.4 Vzbujanje

Nekatera zaznavala potrebujejo zunanje vzbujanje z električnim tokom. Primer so merilni lističi, uporovni termometri Pt - 100, itd. Analogno digitalni pretvorniki merijo napetost, zato moramo izhod iz vsakega zaznavala prirediti na tak način. Kot primer lahko navedemo merilnik temperature Pt - 100, ki se mu upor spreminja s temperaturo. Za potrebe meritev skozi upor poženemo tok in na uporu odčitamo napetost v skladu z Ohmovim zakonom 𝑈 = 𝑅 ∙ 𝐼. Na ta način smo pretvorili merilnik z uporovnim izhodom v merilnik z napetostnim izhodom. Pri priključitvi npr. merilnika temperature Pt - 100 je možen dvožilni ali štirižilni priklop. Pri štirižilnem priklopu teče vzbujalni tok skozi en par žic, čez drug merilni par žic pa ne. Na tem drugem merimo napetost na uporu. Zaradi tega se v merilnem paru žic ne ustvari padec napetosti, ki bi bil posledica vzbujalnega toka. Vzbujanje lahko z dvožilno priključitvijo izvedemo tudi tako, da ista priključka služita tudi za prenos podatkov. Tak način imenujemo tokovni priklop 4 - 20 mA. Tok 4 mA je dovolj za napajanje večine zaznaval, skozi zaznavalo teče vedno vsaj tako velik tok. Najmanjša izmerjena vrednost zaznavala ustreza izhodni vrednosti toka 4 mA, največja pa vrednosti 20 mA.

227

Slika 177: Vzbujanje zaznavala za merjenje temperature Pt - 100. Zgoraj je prikazan dvožilni priklop in spodaj štirižilni priklop (slovenska imena spremenljivk).

S5.3.5 Linearizacija

Številni izhodni signali zaznaval so nelinearni, v tem primeru jih lineariziramo. Primer je anemometer na vročo žičko (korenska odvisnost napetosti od hitrosti zračnega toka), termočleni, merilnik temperature Pt100 (majhni popravki glede na linearno odvisnost), merjenje pretoka na osnovi tlačne razlike na zaslonki (korenska odvisnost pretoka od tlaka), itd.

S5.4 Analogno digitalni (AD) pretvorniki

Osnovni del sistema za merjenje je analogno digitalni pretvornik. Merilni sistemi, ki vsebujejo analogno digitalni pretvornik so merilne kartice, digitalni multimetri (DMM), mikrokontrolerji, krmilniki itd. Vsi ti sistemi v osnovi merijo napetost.

228

Slika 178: Digitalni multimeter in merilna kartica (desno)

Boljše izvedbe nudijo dodatne meritve toka, frekvence in upornosti, vendar na način, da te dodatne meritve pretvorijo na meritev napetosti. Osnovne značilnosti merilnih kartic in digitalnih multimetrov so:

- število analognih vhodov, - število digitalnih vhodov, - število analognih izhodov, - število digitalnih izhodov, - frekvenca vzorčenja, - način vzorčenja, - ločljivost, - vhodno območje, - merilna negotovost, - časovniki oziroma timerji in - proženje.

Merilni inštrumenti z analogno digitalnimi pretvorniki služijo meritvam v različnih okoljih, zato sta njihova oblika in namembnost zelo različni. Običajno je analogno digitalni pretvornik v enem integriranem vezju, dodani pa so drugi elementi za komunikacijo z uporabnikom, napajanje itd.

S5.4.1 Analogni vhodi/izhodi, digitalni vhodi/izhodi

Z analognimi vhodi merimo napetost. Z analognimi vhodi merimo, to je zapisujemo signale iz zaznaval. Z analognim vhodom merimo spremenljivke, ki se zvezno spreminjajo. Pri meritvi pretoka npr. 0 V predstavlja pretok 0 m3/s, 1 V ustreza 1 m3/s, ... 10 V pa 10 m3/s. Analogni izhodi se uporabljajo za zvezno krmiljenje naprav. Analogni izhod ni sposoben generirati velikega toka, zato je potrebno pri priključitvi uporabiti vmesnik (npr. frekvenčni regulator).

229

Digitalni izhodi se uporabljajo za on/off krmiljenje naprav (npr. vklop ali izklop črpalke, električnega grelnika), za sinhronizacijo dveh merilnih kartic, za krmiljenje filtrov. Če so digitalni signali tipa TTL, to pomeni, da so sposobni pri 5 V napetosti dajati tok nekaj mA. Podobno kot za analogne izhode velja, da niso sposobni generirati velikega toka, zato uporabljamo releje ali tranzistorske ojačevalnike.

S5.4.2 Frekvenca vzorčenja

Frekvenca vzorčenja je hitrost, s katero pretvarjamo analogne vrednosti napetosti v digitalno obliko. Po Nyquistovem izreku lahko dovolj dobro opišemo pojav, če sta v periodi vsaj 2 izmerka. Primer : če zajemamo signale vibracij stroja, ki se vrti s 3000 /min, moramo zajemati podatke 6000 /min, to je vsaj s frekvenco 100 Hz. Tipične hitrosti vzorčenja so za merilne kartice 20 - 200 kHz, za DMM pa 1 - 100 Hz. Za meritve t.i. statičnih spremenljivk kot je npr. temperatura tekočine v 100 m3 procesnem kotlu, je povsem dovolj, če izmerimo eno vrednost temperature na 10 sekund. Pri meritvah vibracij je potrebno mnogo več izmerkov, npr. 10000 Hz.

Slika 179: Vzorčenje analognih signalov - hitrost. Zgoraj - pravilno število merilnih točk za opis merilnega signala, spodaj - prenizko število izmerjenih točk zaradi premajhne frekvence vzorčenja, izmerjene vrednosti kažejo, kot da se navidezno spremenljivka spreminja počasneje

S5.4.4 Način vzorčenja

Način vzorčenja je lahko hkraten ali zaporeden. Če beremo signale iz različnih vhodov, uporabljamo multiplekser, to je napravo, ki povezuje drugega za drugim različne merilne kanale na A/D pretvornik – zaradi česar nastane časovni zamik med kanali. Ta sistem se uporablja za merjenja, kjer časovni

230

zamik ni pomemben. Če zamik je pomemben, moramo imeti napravo, ki zajema hkratno ali simultano (toliko A/D pretvornikov kot je kanalov). Signali kot sta temperatura, tlak itd. niso občutljivi na ta zamik, ker se počasi spreminjajo. Pri DMM je A/D pretvornik eden, signale pa iz različnih kanalov pripeljemo nanj z multiplekserjem z releji (mehansko preklapljanje). Pri merilnih karticah je A/D pretvornik prav tako običajno en sam, signal pa pripeljemo nanj preko elektronskega multiplekserja (mnogo večja hitrost, ker preklapljanje poteka elektronsko in ne mehansko).

S5.4.5 Ločljivost analognih vhodov

Ločljivost je razmerje maksimalne vrednosti deljeno z najmanjšo možno izmerjeno vrednostjo na izbranem merilnem območju. Ločljivost je 12, 16 ali več (DMM 20, 22) bitna. Ločljivost je število nivojev, ki jih lahko zasede merjena napetost. Pri 12 bitni ločljivosti imamo na voljo 212 = 4096 nivojev, razlika med sosednjima nivojema pa je v primeru, da je obseg 0 V do 10 V enaka

10 𝑉

212= 2.4 𝑚𝑉 . (92)

Večje kot je število nivojev, ki jih lahko zasede merjena napetost, natančnejše lahko izmerimo merjeno spremenljivko. V praksi je pri strojniških meritvah 12 bitna ločljivost v večini primerov dovolj. Pri veliki hitrosti vzorčenja se ločljivost merilnih kartic poslabša.

Slika 180: Vzorčenje analognih signalov - ločljivost. Digitalizacija sinusnega signala s 3 bitno ločljivostjo, ki pretvarja vhodni signal v n = 2^3 = 8 nivojev

S5.4.6 Vhodno območje ali obseg

Vhodno območje je razlika med maksimalno in minimalno napetostjo, ki jo lahko sprejme analogno digitalni pretvornik. Obseg je običajno –10 V do 10 V,

231

0 V do 10 V ali 0 V do 5 V. Merilno kartico, ki ni zaščitena, uniči napetost okrog 35 V. Boljši analogno digitalni pretvorniki imajo možnost programskega spreminjanja merilnega obsega (npr. 12 bitov ločljivosti v obsegu 1 - 2 V). V ta namen služi ojačevalnik, ki je vgrajen na merilno kartico ali digitalni multimeter.

S5.4.7 Merilna negotovost

O merilni negotovosti govorimo predvsem pri analogno digitalni pretvorbi z analognimi vhodi. Pri digitalnih vhodih sta merilna nivoja samo dva, zato enak sistem določanja negotovosti za digitalne vhode ni mogoč. Različni proizvajalci izražajo natančnost analogno digitalnih pretvornikov, ki so vgrajeni v inštrumente, na različne načine. V nadaljevanju sta predstavljena primera proizvajalcev Hewlett Packard (Agilent) in National Instruments Hewlett Packard (Agilent):

𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑛𝑎 𝑛𝑒𝑔𝑜𝑡𝑜𝑣𝑜𝑠𝑡 =

(𝑛𝑎𝑝𝑎𝑘𝑎%𝑜𝑑𝑐𝑖𝑡𝑘𝑎 + 𝑛𝑎𝑝𝑎𝑘𝑎%𝑜𝑏𝑚𝑜č𝑗𝑎) ∙ 𝑜𝑑č𝑖𝑡𝑒𝑘 . (93)

Proizvajalec National Instruments podaja naslednji način za izračun merilne negotovosti njegovih izdelkov:

𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑛𝑎 𝑛𝑒𝑔𝑜𝑡𝑜𝑣𝑜𝑠𝑡 = 𝑜𝑑č𝑖𝑡𝑒𝑘 ∙ 𝑛𝑎𝑝𝑎𝑘𝑎%𝑜𝑑𝑐𝑖𝑡𝑘𝑎 +

(𝑝𝑟𝑒𝑚𝑖𝑘 𝑛𝑖č𝑙𝑒 + š𝑢𝑚 + 𝑘𝑣𝑎𝑛𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖𝑗𝑎 + 𝑝𝑟𝑒𝑚𝑖𝑘) . (94)

Manjša kot je merilna negotovost, boljši je analogno digitalni pretvornik. Večinoma je merilna negotovost večja kot je ločljivost. V primeru analognih izhodov merilno negotovost določimo podobno kot pri analognih vhodih.

S5.4.8 Timerji (časovniki)

Timerji se uporabljajo za meritev časov, npr. pri meritvi časovne zakasnitve induktivne sonde za vrtljaje. Določeni merilniki pretoka, predvsem rotacijski, imajo pulzirajoč izhod, npr. za vsak obrat ali izbran pretočen volumen tekočine en napetostni pulz. Značilnost timerjev na merilnih karticah je velika ločljivost (tipično 24 bitov ali 32 bitov, 80 Mhz).

S5.4.9 Proženje

Merilno kartico lahko sprožimo z zunanjim signalom iz npr. zaznavala za vrtilno frekvenco. Na ta način lahko začnemo meritev s signalom, ki izvira iz pojava. Sinhronizacija preko zunanjega proženja je zelo hitra. Kanali za proženje so običajno digitalni TTL.

232

S5.5 Programska oprema

Programska oprema za posnemanje podatkov se razvija v različnih programskih jezikih in sicer v C, C++, C#, strojnem jeziku, Fortranu, Javi, Pascali, Labviewu, Lispu itd. Samostoječi sistemi za posnemanje podatkov se imenujejo data loggerji. Posamezni proizvajalci ponujajo modularno programsko opremo, s katero je mogoče relativno preprosto programirati merilne sisteme, kot npr. podjetje National Instruments. Pri tem je mogoče dostopati do strojne opreme za zajem in določati npr. ojačanje posameznega kanala, izbirati merilne kanale itd. ali pa izmerjene podatke analizirati in prikazovati. Na sliki spodaj je primer uporabniškega vmesnika za programsko opremo Labview proizvajalca National Instruments.

Slika 181: Primer uporabniškega vmesnika programskega paketa Labview.

233