Diagnostika v okoljskem strojništvulab.fs.uni-lj.si/kes/diagnostika_v_okoljskem_strojnistvu/...Marko Hočevar, Diagnostika v okoljskem strojništvu 8 1. Uvod Podobni predmeti na Fakulteti

Marko Hočevar, Diagnostika v okoljskem strojništvu

1

Marko Hočevar

Diagnostika v okoljskem strojništvu učbenik za predmet Diagnostika v okoljskem strojništvu Ljubljana, november 2015


2

Kazalo

Kazalo .......................................................................................................................................... 2

Seznam uporabljenih simbolov ..................................................................................................... 6

1. Uvod ........................................................................................................................................ 8

2. Zrak ........................................................................................................................................ 10

2.1. Meteorologija onesnažil .......................................................................... 10

2.1.1. Uvod ................................................................................................. 13

2.1.2. Osnove meteorologije ...................................................................... 14

2.1.3. Horizontalna disperzija onesnažil ..................................................... 15

2.1.4. Navpična disperzija onesnažil ........................................................... 18

2.1.5. Voda v atmosferi .............................................................................. 23

2.1.6. Razširjanje onesnažil v atmosferi ..................................................... 23

2.1.7. Spreminjanje hitrosti vetra v odvisnosti od višine ........................... 27

2.1.8. Čiščenje atmosfere ........................................................................... 28

2.1.9. Meritve, ki se izvajajo na meteoroloških opazovalnih postajah ...... 29

2.1.10. Merilna oprema .............................................................................. 30

2.2. Onesnaževala v zraku .............................................................................. 34

2.3. Merjenje onesnaževal v zraku ................................................................. 35

2.3.1. Uvod ................................................................................................. 35

2.3.2. Mreža meritev onesnaženosti zraka v Sloveniji ............................... 35

2.3.3. Delci in aerosoli ................................................................................ 38


3

2.3.4. Merilni inštrumenti za merjenje količine delcev v zraku .................. 40

2.3.5. Plini ................................................................................................... 44

2.3.6 Merjenje koncentracije plinov ........................................................... 44

2.3.6.1. Merjenje koncentracije plinov z metodo ultravijolične

fluorescence (UVF) ................................................................................. 45

2.3.6.2. Merjenje koncentracije plinov s kemiluminiscenčno metodo

(CLD) ....................................................................................................... 46

2.3.6.3. Merjenje koncentracije plinov z infrardečo spektroskopijo

(NDIR) ..................................................................................................... 48

2.3.6.4. Merjenje koncentracije plinov s plamensko ionizacijskim

detektorjem FID ...................................................................................... 51

2.3.6.4. Merilniki, ki delujejo na osnovi elektrokemičnih merilnih celic 52

2.3.6.5. Difuzivni vzorčevalniki ............................................................... 55

2.3.7. Vzorčenje dimnih plinov v pretočnih kanalih termoelektrarn ......... 56

2.3.8. Vzorčenje dimnih plinov motornih vozil ........................................... 63

2.4. Odstranjevanje onesnaževal iz zraka ...................................................... 71

2.4.1. Odstranjevanje delcev ...................................................................... 72

2.4.1.1. Usedalne komore ...................................................................... 72

2.4.1.2. Usedalne komore s pregradami in vztrajnostni kolektorji ........ 75

2.4.1.3. Cikloni ........................................................................................ 76

2.4.1.4. Filtrne vreče ............................................................................... 80

2.4.1.5. Elektrostatični filtri .................................................................... 83

2.4.1.6. Pralniki delcev............................................................................ 86

2.4.1.7. Čistilna naprava - mokri pralnik delcev in plinov z

elektrostatičnim filtrom v tovarni steklene volne .................................. 87

2.4.2. Odstranjevanje plinov ...................................................................... 92

2.4.2.1. Pralniki ....................................................................................... 94

2.4.2.2. Naprava za čiščenje dimnih plinov v Termoelektrarni Šoštanj .. 96

2.4.2.3. Kondenzatorji ............................................................................ 99


4

2.4.2.4. Zgorevanje ............................................................................... 100

3. Voda ..................................................................................................................................... 102

3.1. Hidravlične meritve ............................................................................... 102

3.1.1. Merjenje pretoka vodotokov brez merskih objektov ..................... 102

3.1.2. Merjenje pretoka vode z merskimi objekti ................................... 105

3.1.3. Vzorčevanje za potrebe kemijskih in bioloških meritev ................. 107

3.2. Kemijske meritve ................................................................................... 108

V nadaljevanju bomo predstavili merjenje količine neraztopljenih snovi,

pH, merjenje koncentracije raztopljenega kisika, merjenje kemijske

potrebe po kisiku, merjenje biokemijske potrebe po kisiku, merjenje

celotnega organskega ogljika in raztopljenega organskega ogljika in

merjenje dušika. ....................................................................................... 108

3.2.1. Merjenje količine neraztopljenih snovi .......................................... 109

3.2.2. Merjenje pH .................................................................................... 109

3.2.3. Merjenje koncentracije raztopljenega kisika ................................. 110

3.2.3.1. Merjenje koncentracije raztopljenega kisika z optično metodo

.............................................................................................................. 110

3.2.3.2. Merjenje koncentracije kisika z elektrokemično metodo ....... 112

3.2.3.3. Merjenje koncentracije kisika s titracijsko metodo................. 113

3.2.4. Merjenje biokemijske potrebe po kisiku ........................................ 113

3.2.4.1. Klasična metoda merjenja BPK5............................................... 113

3.2.4.2. Manometrična metoda merjenja BPK5.................................... 114

3.2.4.3. Merjenje BPK5 s kivetnimi testi ............................................... 114

3.2.5. Kemijska potreba po kisiku KPK...................................................... 116

3.2.6. Celotni organski ogljik (TOC) in raztopljeni organski ogljik (DOC) .. 117

3.2.7. Dušik ............................................................................................... 117

3.3. Biološke meritve .................................................................................... 119

4. Literatura .............................................................................................................................. 120


5


6

Seznam uporabljenih simbolov

C = koncentracija onesnažila x,y,z = koordinate Q = masni tok sproščanja onesnažila v = hitrost vetra vr = hitrost v radialni smeri h = višina 𝜎𝑦 = standardna deviacija porazdelitve onesnažila v bočni smeri

𝜎𝑧 standardna deviacija porazdelitve onesnažila v navpični smeri f = parameter bočnega razširjanja onesnažila g1, g2 in g3 = parametri navpičnega razširjanja onesnažila L = odaljenost do inverzije na višini n = parameter stabilnosti m = masa ρd = gostota delcev ρ = gostota zraka ρzr = gostota zraka ρf = gostota fluida vd hitrost usedanja delcev vh = hitrost v horizontalni smeri vt = tangencialna komponenta hitrosti vr = radialna komponenta hitrosti d = premer delcev μ = viskoznost L = dolžina usedalne komore 𝐿𝑏, 𝐿𝑐 = mere ciklona r = radij H = višina usedalne komore R = radij okroglih delcev 𝐹𝑢 = sila upora 𝐹𝑣𝑧𝑔 = sila vzgona

𝐹𝑐 = centrifugalno komponento sile W širina vstopne odprtine ciklona 𝑑50= premer delcev, ki bodo 50 % izločeni Ne = število efektivnih vrtljajev delcev v ciklonu vi= vstopna hitrost plinov oziroma onesnaženega zraka H = globina nad pragom preliva b = širina praga μ = pretočni koeficient.

= kot preliva PM10: delci z aerodinamičnim premerom do 10 µm PM2.5: delci z aerodinamičnim premerom do 2,5 µm


7

PAH: policiklični aromatski ogljikovodiki v delcih PM10 UFP – zelo fini delci HC = ogljikovodiki NDIR = infrardeča spektroskopija FID = plamensko ionizacijski detektor CLD = kemoluminsicenčni detektor DCS = difuzijski nabojni senzor HEPA = zračni filrter z visoko učinkovitostjo


8

1. Uvod Podobni predmeti na Fakulteti za strojništvo UL: Mehanski postopki čiščenja odpadnih vod (Bombač), Energije in okolje (Sekavčnik, Medved, Golobič), Meteorologija (Rakovec, samo letalci PAP), Akustika I in II (Čudina), Eksperimentalne metode (Bajsić), Goriva in zgorevanje (Senegačnik, samo energetiki), Procesna tehnika (Golobič, samo procesniki), Pogonski agregati vozil (Katrašnik, Rodman, samo energetiki), obnovljivi viri energije (Medved), itd. koristne povezave: www.okolje.info www.arso.gov.si www.eea.europa.eu (evropska agencija za okolje) www.epa.gov (ameriška okoljevarstvena agencija)

Slika. Onesnaževanje, Norilsk, Rusija. Vir: Wikipedia.

vs


9

Slika. Levo: shema delovanja plamensko ionizacijskega detektorja (FID) in desno: merjenje koncentracije plinov in masnega toka delcev v izpušnih plinih vozil. Med shemo delovanja posameznega merilnika in praktično izvedbo meritev npr. za premične vire onesnaževanja ali velike kanale z dimnimi plini v termoelektrarnah je velikanska razlika.


10

2. Zrak Ozračje ali Zemljina atmosfera je plinska plast, ki obkroža planet Zemljo. Plast ohranja Zemljina gravitacija. Tej zmesi plinov rečemo zrak, katerega sestava se z naraščanjem nadmorske višine spreminja. Suho ozračje sestavljajo (normalizirane vrednosti prostorninskih deležev po Nasinih podatkih): - dušik (78.0 %), - kisik (20.9 %), - argon (0.93 %), - ogljikov dioksid (spremenljivo, vendar približno 0.034 %), - neon (0.0018 %), - helij (0.00052 %), - metan (0.00017 %), - kripton (0.00011 %), - vodik (0.000055 %) in - vodna para (spremenljivo, odvisno od trenutne količine vlage v zraku).

2.1. Meteorologija onesnažil Onesnaženje zraka kvarno vpliva na človeško zdravje. V preteklosti je že velikokrat prišlo zaradi onesnaževanja do človeških žrtev. Nekatere izmed nesreč so bile povezane tudi z meteorologijo. Npr. veliki londonski smog (smog je beseda angleškega izvora, ki je združena iz besed smoke in fog) je bilo štiri dni trajajoče obdobje visoke koncentracije smoga, ki je med 5. in 9. decembrom 1952 zajel spodnji del doline Temze z Londonom. Vzrok zanj je bil temperaturni obrat, ki je ujel izpuste žveplovega dioksida in dima, mrzlo vreme, prisotnost anticiklona in popolno brezvetrje. Njuni koncentraciji sta nekajkrat presegli običajne vrednosti in takšno onesnaževanje je trajalo več dni. Vsaj 4000 ljudi je umrlo za posledicami smoga, predvsem tisti z dihalnimi težavami, zbolelo je približno 100.000 ljudi. Veliki smog je pomemben iz vidika njegovega vpliva na področju okoljskih raziskav, uredb vlade in same ozaveščenosti javnosti o odnosu do kakovosti zraka in zdravja. Vse to je privedlo do številnih sprememb dojemanju in ozaveščanju in do sprejema predpisov na tem področju. Onesnaževanje zraka škoduje zdravju ljudi in okolju. V zadnjih desetletjih so se emisije mnogih onesnaževal zraka v Sloveniji močno zmanjšale, zaradi česar se


11

je kakovost zraka v regiji izboljšala. Kljub temu so koncentracije onesnaževal še vedno zelo visoke, težava kakovosti zraka pa ostaja. Pomemben delež evropskega prebivalstva živi na območjih, zlasti v mestih, kjer so standardi kakovosti zraka znižani in ozon, dušikov dioksid, predvsem pa trdni delci (PM) resno ogrožajo zdravje. Številne države EU so presegle eno ali več zgornjih mej emisij za leto 2010 pri pomembnih onesnaževalih zraka. Zmanjševanje onesnaževanja zraka zato ostaja pomembno. Onesnaževanje zraka je lokalno, vseevropsko in svetovno vprašanje. Izpusti onesnaževal zraka v eni državi lahko preidejo v atmosfero, kar povzroči ali še poveča slabo kakovost zraka drugje. Trdni delci in prizemni ozon danes na splošno veljata kot dve onesnaževali, ki najbolj vplivata na zdravje ljudi. Dolgoročna in konična izpostavljenost onesnaževalom te vrste povzroča različno hude posledice, od težav z dihali do prezgodnje smrti. V zadnjih letih je bilo verjetno do 40 % mestnega prebivalstva v Evropi izpostavljenega koncentracijam PM (PM10), ki so presegale mejne vrednosti EU, določene za varovanje zdravja ljudi. Koncentracijam ozona, ki so presegale ciljno vrednost EU, je bilo izpostavljenega do 50 % mestnega prebivalstva. Po ocenah drobnejši trdni delci (PM2.5) v zraku zmanjšajo pričakovano življenjsko dobo v EU za več kot osem mesecev. Zaradi onesnaževanja zraka trpi tudi okolje. Zakisovanje se je v občutljivih evropskih ekosistemih, izpostavljenih kislim padavinam s čezmerno vsebnostjo žveplovih in dušikovih spojin, med letoma 1990 in 2010 močno zmanjšalo. Evtrofikacija, okoljski problem zaradi čezmernega vnosa hranil v ekosisteme, je manj napredovala. Območje občutljivih ekosistemov, prizadetih zaradi čezmernega dušika iz ozračja, se je med letoma 1990 in 2010 malo zmanjšalo. Izpostavljenost visokim koncentracijam ozona povzroča škodo na pridelkih. Večina kmetijskih predelkov je izpostavljena ravnem ozona, ki presegajo dolgoročni cilj EU za varovanje rastlin. To velja tudi za precej velik del kmetijskih zemljišč, zlasti v južni, srednji in vzhodni Evropi. Kakovost zraka v Evropi se ni vedno izboljševala skladno s splošnim zmanjševanjem antropogenih emisij onesnaževal zraka (emisij zaradi človeškega vpliva). Razlogi za to so zapleteni: - med zmanjšanjem emisij in koncentracijami onesnaževal zraka, zaznanih v zraku, ni vedno jasne linearne povezave, - prenos onesnaževal zraka prek velikih razdalj v Evropo iz drugih držav na severni polobli ima vse večji vpliv. Za dodatno varovanje zdravja ljudi in okolja v Evropi so še vedno potrebna ciljno naravnana prizadevanja za zmanjšanje emisij. Zrak se onesnažuje iz različnih virov, antropogenih in naravnega izvora:


12

- zgorevanje fosilnih goriv pri proizvodnji elektrike, v prometu, industriji in gospodinjstvih; - industrijski procesi in uporaba topil, na primer v kemični in nekovinski industriji; - kmetijstvo; - ravnanje z odpadki; - primeri naravnih virov emisij so izbruhi vulkanov, prah, ki ga prinese veter, razpršena morska sol in emisije hlapnih organskih spojin rastlin. Na spodnji sliki so prikazana območja kakovosti zunanjega zraka v Sloveniji v 2011. Slovenija je razdeljena na več območij in dve poseljeni območji. Območje - SI1 Pomurska in Podravska brez območja mesta Maribor - SI2 Koroška, Savinjska, Zasavska in Spodnjesavska - SI3 Gorenjska, Osrednjeslovenska in Jugovzhodna Slovenija brez območja mesta Ljubljana - SI4 Goriška, Notranjsko-Kraška in Obalno-Kraška Poseljeno območje - SIL Območje mesta Ljubljana - SIM Območje mesta Maribor

Slika. Območja kakovosti zunanjega zraka v Sloveniji v 2011. Slovenija je

razdeljena na več območij in poseljenih območij. Vir: Arso.


13

Slika. Razširjanje radioaktivnega onesnaževanja po Evropi po jedrski nesreči v Černobilu leta 1986. Vir: European environment agency.

2.1.1. Uvod

Zemlja ima približno 150 km visoko atmosfero, vendar je 80% mase zraka in 99% vode v najnižji plasti. Ta pas imenujemo troposfera, ki je debela povprečno 17 km v srednjih zamljepisnih širinah, v tropskem pasu pa 20 km in na polih v zimskem času samo 7 km. Nad troposfero je stratosfera, meja pa je temperaturna inverzija. V troposferi je zrak, ki ga dihamo, in tudi onesnaženje. Vreme določa, kako razširjajo nečistoče v zraku in kako se premikajo po troposferi. Na ta način se določa koncentracija posameznega onesnažila, ki ga dihamo ali pa količina, ki se ga odloži na vegetaciji. Problem onesnaževanja zraka vsebuje tri dele: izvor onesnaževanja, transport ali disperzija onesnažila in sprejemnika.


14

Slika. Problem onesnaževanja zraka vsebuje tri dele: izvor onesnaževanja, transport ali disperzija onesnažila in sprejemnika. V tem podpoglavju se bomo ukvarjali z lastnostmi transporta onesnažil, kako se onesnažila premikajo po atmosferi. Okoljski inženir mora poznati nekatere osnove meteorologije in približno napovedati disperzijo onesnažil v zraku.

2.1.2. Osnove meteorologije

Onesnažila krožijo na enak način kot kroži zrak v troposferi. Kroženje zraka povzročita sevanje sonca in neenakomerna površina Zemlje, zaradi česar pride do neenakomerne absorpcije toplote preko površine Zemlje in atmosfere. To neenakomerno gretje in absorpcija povzročita dinamični odziv. Dinamični termalni sistem zemljine atmosfere povzroča tudi spremembe v barometrskem tlaku. Sisteme z nizkim barometrskim tlakom povezujemo s toplimi in hladnimi frontami. Gibanje zraka okrog front z nizkim barometrskim tlakom je v nasprotni smeri urinega kazalca in vertikalni vetrovi so usmerjeni navzgor. Pri tem pride do kondenzacije in padavin. Sistemi z visokom tlakom prinesejo sončno in mirno vreme, to je stabilne atmosferske pogoje. Pri tem so vetrovi v severni hemisferi usmerjenimi v smeri urinega kazalca in navzdol. Sistemi z nizkim tlakom so imenovani cikloni, sistemi z visokim tlakom pa anticikloni. Slika prikazuje ciklone in anticiklone.

Slika. Ciklon in anticiklon.


15

2.1.3. Horizontalna disperzija onesnažil

Zemlja sprejema energijo sonca pri visoki frekvenci svetlobe in jo pretvarja v toploto pri nizkih frekvencah izsevanega valovanja svetlobe. Svetloba pri nizkih frekvencah se prenese z Zemlje s sevanjem, prevodnostjo in konvekcijo. Sevanje je direkten prenos energije, prevodnost prenos energije s fizičnim kontaktom in konvekcija prenos s premikanjem toplega zraka. Atmosfera je slab prevodnik, ker so molekule zraka relativno daleč narazen. Sončno sevanje greje zemljo najbolj okrog ekvatorja. Toplejši zrak se na ekvatorju dviga in hladi, postaja gostejši in se na polih spušča. Če se zemlja ne bi vrtela in če ne imela oceanov morij, celin, hribov in gora, potem bi bil povprečen vzorec vetra od polov do ekvatorja. Vendar, vrtenje zemlje neprestano soncu nastavlja nove površine za gretje, zato obstaja vodoravni temperaturni gradient, prav tako pa tudi navpični temperaturni gradient. Skupno nastalo gibanje zraka naredi vzorce okrog površine zemlje, kakor to prikazuje slika planetarnega kroženja zraka. Ekvatorialno območje je območje stalnega nizkega zračnega pritiska, ker se tam zrak neprestano segreva, dviga in zato tudi ohlaja. V višinah zrak priteka proti povratnikoma, kjer se spušča, segreva in zato zračna vlaga izhlapi. Nastajajo severovzhodni in jugovzhodni pasatni vetrovi, ki so značilni za subtrobsko območje, kjer prevladuje visok zračni pritisk. Ti vetrovi se vedno premikajo v smeri proti ekvatorju. V zmerno toplem pasu so značilni zahodni vetrovi, ki se srečujejo s polarnimi vzhodnimi vetrovi, kar povzroči nastanek baričnih depresij ali potujočih ciklonov. Sezonske in lokalne temprature, tlaki in oblaki, lokalna topgrafija itd. močno zakomplicirajo sliko planetarnega kroženja zraka na lokalni ravni. Celina se ogreva in hladi hitreje kot vode, zato vetrovi s celine pihajo na morje ponoči in vetrovi z morja na celino čez dan (slika). Vetrovi v dolinah nastanejo, ko se zrak hladi na pobočjih gora. V mestih se betonske in druge zidane zgradbe čez dan zgrejejo in ponoči večinoma s sevanjem oddajajo toploto, zaradi česar nastane otok toplote nad mestom (slika), ki vzpostavi od oddaljenega okolja neodvisno kroženje zraka (ang. haze hood).


16

Slika. Planetarno kroženje zraka je najobsežnejše gibanje zračnih mas, ki zajema cel planet. Vir: Wikipedia.

Slika. Dnevno kroženje zraka ob obali. Levo: maestral, desno: burin. Vir: Wikipedia.


17

Slika. Otok toplote nad mestom. Vodoravno gibanje vetra se meri kot hitrost vetra. Hitrost vetra se meri kot roža vetrov (ang. wind rose), to je grafična slika hitrosti vetra in smeri, iz katere je pihal veter (slika). Roža vetrov je grafični pripomoček s katerim meteorologi prikazujejo stalne vetrove za določeno območj. Roža vetrov na sliki kaže, da je prevladujoča smer vetra iz juga. Roža vetrov ima naslednje značilnosti: - orientacija segmenta pove, iz katerega območja veter piha, - dolžina segmenta je sorazmerna % časa, ko piha veter iz izbrane smeri, - barva pomeni hitrost vetra. Pri obravnavi problemov onesnaževanja se včasih uporablja roža onesnaževanja (ang. pollution rose), ki je oblika rože vetrov in v kateri so prikazani vetrovi samo na dan, ko je onesnaženje preko izbrane meje. Ker roža vetrov in roža onesnaževanja prikazujeta smer, od koder veter piha, je z njo mogoče določiti vir onesnaževanja. Veter je najpomembnejši meteorološki dejavnik v gibanju onesnažil, na kratko lahko rečemo, da onesnažila potujejo z vetrom.


18

Slika. Roža vetrov, primer. Vir: Wikipedia.

2.1.4. Navpična disperzija onesnažil

Ko se zrak v zemljini atmosferi dviga, se tlak v okolici zmanjšuje in se zato zrak razširi. Ob tej ekspanziji se zniža temperatura, to pomeni, da se zrak ohlaja, ko se dviga. Gradient, s katerim se suh zrak ohlaja, ko se dviga, imenujemo suhi adiabatni gradient temperatur (ang. dry adiabatic lapse rate) in je neodvisen od temperature okoliškega zraka. Ker ga imenujemo adiabatni, to pomeni, da ni nobene izmenjave toplote med opazovanim zrakom in okoliško atmosfero, atmosfera je dober izolator. Suhi adiabatni gradient temperature je možno izračunati in znaša dT/dz=-9.8°C/km, medtem ko povprečni gradient temperature znaša dT/dz=-6.49°C/km in vlažni adiabatni gradient temperature dT/dz=-5°C/km. V nadaljevanju za nekaj časa predpostavimo, da je zrak suh. Dejanski gradient temperature je tisti gradient, ki ga v izbranem trenutku izmerimo. Povezava med dejanskim gradientom temperature in suhim adiabatnim gradientom temperature določa stabilnost zraka in hitrost, s katero se razširjajo onesnažila, kar je prikazano na spodnji sliki.


19

Slika. Gradienti temperature pri dviganju zraka. Ko je dejanski gradient temperature natančno enak suhemu adiabatnemu gradientu temperature, ima atmosfera nevtralno stabilnost. Superadiabatski pogoji prevladujejo, ko se zraku temperatura zniža za bolj kot 9.8°C/km. Subadiabatski pogoji prevladujejo, ko se zraku temperatura zniža manj kot 9.8°C/km. Poseben primer subadiabatskih pogojev je temperaturna inverzija, ko se temperatura zraka povečuje z nadmorsko višino. Superadiabatski atmosferski pogoji so nestabilni in dajejo prednost disperziji, medtem ko so subadiabatski pogoji stabilni in se izrazijo v šibki disperziji. Inverzije so ekstremno stabilne, zmanjšujejo disperzijo in ujamejo onesnažila.

Slika. Superadiabatski pogoji, nestabilna atmosfera. Okoliškemu zraku se temperatura spreminja v skladu s superadiabatskim gradientom temperature (polna črta, prevailing). Temperature okoliškega zraka na posamezni višini so na desni sliki navedene izven oblaka. Temperature oblaka na posamezni višini so navedene v oblaku.


20

Slika. Subadiabatski pogoji, stabilna atmosfera. Okoliškemu zraku se temperatura spreminja v skladu s subadiabatskim gradientom temperature (polna črta, prevailing). Temperature okoliškega zraka na posamezni višini so na desni sliki navedene izven oblaka. Temperature oblaka na posamezni višini so navedene v oblaku. Pri stabilnih superabadiabatskih pogojih je v primeru na zgornji sliki na višini 500 m 20°C. Atmosfera je superadiabatska, na višini 0 m je temperatura 30°C in na višini 1 km je temperatura 10°C. Dejanski superadiabatski gradient temperature znaša -20°C/km. Če se del zraka iz 500 m adiabatsko dvigne na 1 km, kakšna bo njegova temperatura? Glede na suhi adiabatni temperaturni gradient -9.8°C/km se bo del zraka ohladil za 4.9°C na približno 15°C. Toda na višini 1 km je 10°C in ne 15°C, naš opazovani del zraka je 5°C toplejši od okoliškega zraka in se bo zaradi tega še naprej dvigal. Podobno, če bi se naš opazovani del zraka spustil na recimo 250 m, bi se njegova temperatura povečala iz 20°C na 22.5°C. Temperatura okolice na 250 m je 25°C, zato je naš opazovani del zraka hladnejši in se zato še naprej spušča. Pri tem se ozračje ne more stabilizirati, pogoji omogočajo nestabilnost. Zdaj predpostavimo, da je temperatura na nivoju morja oziroma tal 22°C in da je temperatura na višini 1 km 18°C. Subadiabatski dejanski temperaturni gradient znaša v tem primeru -4°C/km. Če se naš opazovani del zraka dvigne adiabatsko na 1 km, se bo njegova temperatura znižala za 4.9°C na približno 15°C, enako kot je temperatura zraka na 1 km. Zato se bo naš opazovani del zraka nehal dvigati, ker bo imel enako gostoto kot okoliški zrak. Če bi se opazovani del zraka spustil na 250 m, bi bila njegova temperatura 22.5°C, okoljska temperatura na tej višini pa bi znašala malo več kot 20°C. Opazovani del zraka je malo toplejši od okoliškega zraka in se bo začel dvigati proti višini, s katere je prišel. Z drugimi besedami, v tem primeru je gibanje zraka v navpični smeri dušeno in postaja stabilno, subadiabatski pogoji favorizirajo stabilnost in omejujejo mešanje v navpični smeri. Stabilnost v atmosferi lahko pogosto prepoznamo po obliki oblaka (ang. plume) iz dimnikov, kot je to npr. vidno na spodnji sliki. Nevtralno stabilnost lahko


21

prepoznamo po stožčasti obliki oblaka (ang. coning plumes), medtem ko se nestabilni (superadiabatski pogoji) kažejo v pentljasti (ang. looping) obliki oblaka, ki se mnogo bolje razširja. Med stabilnimi (subadiabatskimi) pogoji lahko navedemo še ploščati (ang. fanning) oblak, ki se razširja kot tanka ploščata plast. Ena izmed potencialno nevarnih oblik razširjanja je fumigacija (ang. fumigation), kjer se onesnažila ujamejo pod inverzijo in se zmešajo zaradi močnega temperaturnega gradienta. Tudi pentljasti oblak lahko ob tleh doseže visoke koncentracije, ko se curek prvič dotakne tal.

Slika. Dimnik Termoelektrarne Trbovlje. Trboveljski dimnik je 360 m visok dimnik, najvišja zgradba v Sloveniji in najvišji dimnik v Evropi. Zgrajen je bil 1976 in je nadomestil prejšnji 80 m visok dimnik. Onesnaženost zraka z žveplovim dioksidom se je razporedila bolj enakomerno po Sloveniji; v Zasavju se je zmanjšala, povečala pa se je v višje ležeči vasi Dobovec in v Savinjski dolini. Vir: Wikipedia.


22

Slika. Oblike razširjanja dima iz dimnika in temu pripadajoče atmosferske stabilnosti. Na levih diagramih je s črtkano črto označen suhi adiabatni gradient temperature, s polno črto pa dejanski gradient temperature. Na desni strani so prikazane pričakovane oblike curka dima iz dimnika. Če predpostavimo adiabatske pogoje v oblaku, lahko ocenimo, kako visoko se bo oblak razširil ali spustil, ter kakšno obliko oblaka bo imel pri dani atmosferskih pogojih, kot je to prikazano na primeru. Primer: 100 m visok dimnik odvaja pline s temperaturo 20°C. temperatura pri tleh je 19°C. Dejanski gradient temperature je -4.5°C/km do višine 200 m. Nad to višino je gradient temperature +20°C/km. Če predpostaviš idealne adiabatske pogoje, kako visoko se bo oblak razširil in kakšno obliko bo imel. Nariši diagram. Rešitev: Za oblak predpostavimo, da se bo hladil z suhim adiabatnim temperaturnim gradientom -10°C/km. Temperaturni gradient pod 200 m je subadiabaten in okoliški zrak je hladnejši od oblaka. Zaradi tega se oblak dviga in ko se dviga, se hladi. Pri 225 m se oblak ohladi na 18.7°C, na tej višina pa ima okoliški zrak enako temperaturo, zato se oblak neha dvigati. Pod 115 m bo oblak rahlo stožčast in ne bo presegel 225 m.


23

Slika. Diagram k zgornji nalogi.

2.1.5. Voda v atmosferi

Do sedaj smo vedno predpostavljali, da je zrak suh: suh adiabatni gradient temperature je lastnost suhega zraka. Voda v zraku kondenzira ali hlapi in pri tem oddaja ali absorbira toploto. To spremeni izračun gradientov temperature in stabilnosti v atmosferi. V splošnem, ko se oblak zraka dviga, se bo vlaga kondenzirala in toplota se bo sproščala. Zato se bo zrak počasneje hladil, ko se bo dvigal, vlažni adiabatni gradient temperature bo manj negativen kot suhi adiabatni gradient temperature. Vlažni adiabatni gradient temperature je med -6.5°C/km in -3.5°C/km. Voda v atmosferi prav tako vpliva na kvaliteto zraka na druge načine. Megle se tvorijo, ko se vlažen zrak hladi in vlaga kondenzira. Aerosoli služijo kot jedra za kondenzacijo, zato se megla pogosteje pojavlja v urbanih področjih. Resne nesreče, povezane z onesnaževanjem, skoraj vedno spremlja tudi megla (kot smo že navedli, smog izvira iz korenov angleških besed smoke in fog). Vodne kapljice v megli sodelujejo v pretvorbi žveplovih onesnažil v H2SO4. Megla se tudi usede nad dolino in stabilizira inverzijo, saj preprečuje sončnim žarkom, da bi ogrevali dno doline ali kotline, zaradi česar se čas trajanja onesnaževanja podaljša.

2.1.6. Razširjanje onesnažil v atmosferi

Razširjanje onesnažil je proces, s katerim se onesnažila premikajo v zraku in s katerim se oblak razširi preko velikih površin, s čimer se zmanjša koncentracija onesnažil. Če je oblak plinast, je gibanje molekul v skladu z zakonom konvekcije


24

in difuzije plinov. V splošnem veljajo Navier Stokesove enačbe za gibanje fluida, oziroma advekcijsko difuzijska enačba. Med enostavnimi inženirskimi enačbami za razširjanje onesnažil je Gaussov model, ki je bil prvič uporabljen okoli leta 1930, čeprav obstaja še več drugih modelov. V Gaussovem modelu predpostavimo, da imamo opravka z idealnim plinom. Izpeljave tega modela ne bomo zapisali, lahko pa navedemo osnovne predpostavke modela: - najpomembnejši prispevek k razširjanju onesnažila ima veter, onesnažila se premikajo z vetrom, - najvišja koncentracija onesnažil je ob osi razširjanja onesnažil, - molekule onesnažil prehajajo iz mest z večjo koncentracijo na mesta z nižjo koncentracijo, - onesnažilo se sprošča kontinuirno, pri čemer sta sproščanje in razširjanje stacionarna procesa. Slika kaže osnovne lastnosti Gaussovega modela z geometrijsko postavitvijo izvora, vetra in oblaka. Ob tem lahko izberemo koordinatni sistem, ki ima izhodišče v viru onesnaženja in x os orientirano v smeri vetra. Bočno in navpično razširjanje sta v smeri osi y in z. Ko se oblak premika v smeri osi x, se razširja bočno in v navpični smeri stran od centralne osi. Preseka koncentracij onesnažila po y in z osi imata obliko Gaussovih krivulj, kakor je to prikazano na sliki. Ker se dimni plini običajno sproščajo iz dimnika toplejši, kot je temperatura okoliškega zraka, se zaradi vzgona oblak dima dvigne, še preden začne potovati v smeri osi x. He imenujemo efektivno višino dimnika in je vsota dejanske višine dimnika in višine, za katero se dvigne oblak.


25

Slika. Gaussov model razširjanja oblaka. Vir: Wikipedia. Koncentracijo onesnažila C na vsakem posameznem mestu x,y,z lahko zapišemo z naslednjo enačbo. Ta enačba vključuje odboj oblaka od tal in odboj oblaka od inverzije na določeni višini v atmosferi.

𝐶 =𝑄

𝑣∙

𝑓

𝜎𝑦√2𝜋∙

𝑔1 + 𝑔2 + 𝑔3

𝜎𝑧√2𝜋

kjer je Q masni tok sproščanja onesnažila v kg/s, v hitrost vetra v smeri osi x, 𝜎𝑦

standardna deviacija porazdelitve onesnažila v bočni smeri, 𝜎𝑧 standardna deviacija porazdelitve onesnažila v navpični smeri in f parameter bočnega razširjanja, ki je enak

𝑓 = 𝑒[−

𝑦2

2𝜎𝑦2]

g1, g2 in g3 so parametri navpičnega razširjanja. Posamezne parametre navpičnega razširjanja lahko zapišemo na naslednji način, kjer je g1 parameter bočnega razširjenja brez oboja od sosednjih površin, g2 parameter navpičnega razširjanja za odboj od tal in g3 parameter vertikalnega razširjanja za odboj od inverzije na višini

𝑔1 = 𝑒[−

(𝑧−𝐻)2

2𝜎𝑧2 ]

𝑔2 = 𝑒[−

(𝑧+𝐻)2

2𝜎𝑧2 ]

𝑔3 = ∑ {𝑒[−

(𝑧−𝐻−2𝑚𝐿)2

2𝜎𝑧2 ]

+ 𝑒[−

(𝑧+𝐻+2𝑚𝐿)2

2𝜎𝑧2 ]

+ 𝑒[−

(𝑧+𝐻−2𝑚𝐿)2

2𝜎𝑧2 ]

∞

𝑚=1

+ 𝑒[−

(𝑧−𝐻+2𝑚𝐿)2

2𝜎𝑧2 ]

}

V zgornjih enačbah za g1, g2 in g3 je L odaljenost do inverzije na višini. Vsota vseh treh eksponentnih členov konvergira zelo hitro h končni vrednosti. V večini primerov je dovolj, da seštejemo člene z m=1, m=2 in m=3, da dobimo ustrezno rešitev. Parametra 𝜎𝑦 (standardna deviacija porazdelitve onesnažila v bočni smeri) in 𝜎𝑧

(standardna deviacija porazdelitve onesnažila v navpični smeri) sta funkciji


26

razreda turbulence, to je intenzivnosti turbulence v atmosferi, ter oddaljenosti od sprejemnika. Najpomembnejši spremenljivki, ki vplivata na stopnjo razširjanja onesnažila, sta višina vira onesnaževanja in stopnja turbulence v atmosferi. Večja kot je stopnja turbulence v atmosferi, večje je razširjanje. Starejši modeli uporabljajo razrede stabilnosti za določanje 𝜎𝑦 (standardna

deviacija porazdelitve onesnažila v bočni smeri) in 𝜎𝑧 (standardna deviacija porazdelitve onesnažila v navpični smeri), medtem ko novejši modeli temeljijo na teoriji podobnosti za določitev teh parametrov. Modele razširjanja onesnažil se običajno uporablja skupaj z modeli za določitev višine, na katero se dvigne oblak dima iz dimnika. Pogosto nas zanima največja vrednost na površini, to je na y=0 in pri z=0. V tem primeru se enačba za razširjanje onesnažila poenostavi. Dodatno poenostavitev lahko uvedemo, če je vir razširjanja na višini z=0. Razredi stabilnosti so od A do F, pri čemer je razred A najmanj stabilen in razred F najbolj stabilen. Tabela kaže odvisnost stabilnosti od hitrosti vetra in sončnega sevanja. Razredi A, B in C ustrezajo superadiabatnim pogojem, razred D ustreza nevtralnim pogojem in razreda E in F subadiabatnim pogojem. V urbanih naseljih redko dosežemo stabilnost, večjo kot razred D. Razreda stabilnosti E in F sta pogosta za podeželjska območja. Vrednosti za 𝜎𝑦 (standardna deviacija porazdelitve onesnažila v bočni smeri) in

𝜎𝑧 (standardna deviacija porazdelitve onesnažila v navpični smeri) sta podana na spodnji sliki. Tabela: Razredi stabilnosti v atmosferi.

podnevi ponoči

sončno sevanje tanka oblačnost

hitrost vetra na višini 10 m [m/s]

močno srednje nizko nizka oblačnost

šibka oblačnost

6 C D D D D


27

Slika. Levo: parameter 𝜎𝑦 (standardna deviacija porazdelitve onesnažila v bočni

smeri). Desno: parameter 𝜎𝑧 (standardna deviacija porazdelitve onesnažila v navpični smeri). Oba sta prikazana kot funkcija razreda turbulence Vir: www.lentech.com.

2.1.7. Spreminjanje hitrosti vetra v odvisnosti od višine

Do sedaj smo predpostavili, da je hitrost vetra enakomerna in da veter piha samo v eni smeri. To pomeni, da je hitrost možno določiti vedno in v vsaki točki z eno meritvijo. Te predpostavke niso realistične, smer vetra se spreminja in hitrost vetra se spreminja z višino in v odvisnosti od časa. Spreminjanje hitrosti vetra v odvisnosti od višine lahko probližno zapišemo s paraboličnim profilom hitrosti vetra. To pomeni, hitrost vetra v na višini h lahko izračunamo iz izmerjene hitrosti v0 na višini h0 z uporabo spodnje enačbe

𝑣 = 𝑣0 (ℎ

ℎ0)

𝑛.


28

eksponent n, ki ga imenijemo parameter stabilnosti, je empirično določen v odvisnosti od stabilnosti atmosfere je za razrede stabilnosti A, B in C (velik gradient temperature) enak 0.2, za razred stabilnosti D (nizek ali ničelni gradient temperature) je enak 0.25, za razred stabilnosti E (inverzija) je enak 0.33 in za razreda stabilnosti F in G (močna inverzija) znaša 0.5. Hitrost in smer vetra se meri na višini 10 m nad površjem. Efektivna višina dimnika je višina, pri kateri se oblak dima začne pomikati navzdol. To je tudi efektivna točka izpusta in začetek razširjanja oblaka dima. Za določanje efektivne višine dimnika oziroma višine, za katero se dvigne oblak nad dimnik, obstaja veliko število modelov. Natančnost zgoraj navedenih modelov za razširjanje onesnažil in efektivno višino dimnika v praksi ni dobra. Nekalibrirani modeli napovejo koncentracije onesnažil v okviru velikostnega razreda, ne bolje. Za doseganje večje natančnosti je potrebno model kalibrirati, to pa se naredi na osnovi mreže meritev koncentracij na tleh. Dodatna slabost navedenih modelov je, da so primerni samo za točkaste vire, ne pa za vire z velikim številom majhnih izpustov. Tak primer je npr. onesnaževanje iz parkirne hiše, avtoceste itd. V teh primerih se uporablja računalniške modele na osnovi Navier Stokesovih enačb ali pa variante Gausovega modela z velikim številom diskretnih virom onesnaževanja.

2.1.8. Čiščenje atmosfere

Čiščenje atmosfere je proces, s katerim se onesnažila iz atmosfere samodejno odstranjujejo. Čiščenje vsebuje čiščenje z gravitacijo oziroma usedanjem, čiščenje ob dotiku s površino zemlje in s padavinami. Z gravitacijo oziroma usedanjem se delci vedno odstranijo iz atmosfere, če so večji kot približno milimeter v premeru. Lep primer so sajasti delci iz izpuha dieselskega tovornjaka. Vendar je večina delcev onesnažila v atmosferi dovolj majhnih, da je njihovo usedanje odvisno od atmosferske turbulence, viskoznosti in trenja, kakor tudi gravitacijskega pospeška. Zaradi tega je lahko usedanje zelo počasno. Delci, ki so manjši od 20 µm v premeru, se redko usedejo zgolj z gravitacijo. Plini se odstranijo iz atmosfere le v primeru, če se adsorbirajo na delce ali če kondenzirajo. Žveplov trioksid na primer kondenzira z vodo in drugimi delci v zraku. Delci, ki so dovolj majhni, da ostanejo v atmosferi dolgo časa, se v zraku razširjajo, vendar se to zgodi nekoliko drugače, kot se razširjajo plinasta onesnažila. V enačbah za razširjanje onesnažil moramo dodati člen, ki vsebuje


29

hitrost usedanja delcev. Za delce med 1 µm in 100 µm v premeru, hitrost usedanja zapišemo s Stokesovo enačbo

𝑣𝑑 = 𝑔𝑑2

𝜌

18𝜇

v kateri je vd hitrost usedanja delcev oziroma terminalna hitrost, d premer delcev, ρ gostota delcev in μ viskoznost zraka. Hitrost usedanja spremeni Gaussovo enačbo za razširjanje onesnažil, tako da dobimo naslednjo enačbo enačbo za koncentracijo delcev na višini z=0:

𝐶(𝑥, 𝑦, 0) =𝑄

𝑣∙

𝑒[−

𝑦2

2𝜎𝑦2]

𝜎𝑦√2𝜋∙

𝑒

[−(𝐻−(

𝑣𝑑𝑥𝑣

))2

2𝜎𝑧2 ]

𝜎𝑧√2𝜋

V gornji enačbi ni več odboja oblaka od inverzije na višini niti odboja od tal, zato je enačba enostavnejša od enačbe za razširjanje plinskih onesnažil. Pri čiščenju ob dotiku s površino zemlje se številni plini iz atmosfere absorbirajo na kameninah, zemlji, rastlinstvu, vodah in drugje. Topni plini kot je npr. SO2 se topijo v površinskih vodah in tako raztapljanje lahko izmerimo kot zakisanje. Pri čiščenju atmosfere s padavinami se onesnažila odstranjujejo na dva načina in sicer s pranjem (ang. rainout) in z izpiranjem (ang. washout). Pranje je proces, pri katerem zelo majhni delci onesnažila postanejo zarodna jedra za nastanek dežnih kapljic, ki rastejo in končno padejo na zemljo kot padavine. Izpiranje je proces pri katerem kaplice dežja, ko padajo proti tlom, zajamejo delce ali molekule onesnažila ali pa se onesnažilo raztopi v padajočih kapljicah dežja. Količino onesnažila, ki se odstrani z zgoraj omenjenimi metodami, je težko določiti. Različni avtorji navajajo zelo različne podatke. Ena izmed študij je ugotovila, da se je 60% onesnažila SO2 odstranilo iz atmosfere ob dotiku s površino zemlje, 15% se ga je odstranilo s padavinami in 25% SO2 je veter odpihnil v sosednje države.

2.1.9. Meritve, ki se izvajajo na meteoroloških opazovalnih postajah


30

Meteorološke opazovalne postaje so treh različnih tipov: sinoptične, klimatološke in padavinske. V nadaljevanju bomo opisali vse tri tipe s poudarkom na meritvah, ki so uporabne na področju okoljskega strojništva. Sinoptična meteorološka postaja: na sinoptični postaji opazujemo sedanje in preteklo vreme, oblačnost, to je količino in vrsto oblakov, višino baze oblakov, vidnost, posebne pojave, splošne fenološke pojave, stanje posevkov, stanje tal. Merimo pa: smer in hitrost vetra, temperaturo zraka, ekstremni (najvišjo in najnižjo) temperaturo zraka, temperaturo tal v globinah 2, 5, 10, 20, 30, 50 in 100 cm, minimalno temperaturo 5 cm nad tlemi, zračni pritisk, tendenco zračnega pritiska, karakteristike tendence pritiska, vlažnost zraka, vlažnost zemljišča, padavine (vrsta, višina in jakost), snežno odejo (stopnjo pokritosti zemljišča – površina snežne odeje, višini nove in skupne snežne odeje, gostoto snega), globino zamrzovanja in taljenja zemljišča, sončno sevanje in izhlapevanje. Klimatološka postaja ali podnebna postaja je meteorološka postaja, ki opravlja meritve in opazovanja trikrat dnevno, ob 07., 14. in 21. uri. Meritve vsebujejo smer in hitrost vetra, temperaturo zraka, ekstremno temperaturo zraka, temperaturo zemlje, vlažnost zraka, višino padavin in višino snežne odeje. Padavinska postaja je meteorološka postaja, kjer merimo enkrat dnevno, ob 7. uri po krajevnem času. Na padavinski meteorološki postaji se opazuje pomembnejše atmosferske pojave (megla, slana, rosa, vrsta padavin (dež, toča, sneg, ...), viharni veter, nevihta, itn.), čas začetka in konca vseh vrst padavin in važnejših atmosferskih pojavov ter fenološka opazovanja (po potrebi). V padavinski postaji se meri višino padavin in višino snežne odeje in novozapadlega snega. Meteorološke postaje so nameščene tudi v sklopu elektrarn (www.okolje.info).

2.1.10. Merilna oprema

Pluviograf ali ombrograf ali dežemer je instrument, ki zapisuje množino, čas trajanja in jakost padavin. Pluviograf je lahko preprosta naprava, ki z lijakom (pri standardiziranih pluviografih 200 mm) zbira padavine v merilni valj (20 mm). Višina pluviografa je običajno 500 mm. Ker se del padavin nabere na steni, pluviograf malenkost podceni količino padavin. Na rezultate meritev lahko vplivajo nizke temperature, zmrzal in sneg, čemur se izognemo z ogrevanjem pluviografa. V veliki večini primerov se padavin ne shranjuje. Pluviograf mora biti postavljen na prostem stran od sten stavb ali dreves. Pluviografi delujejo na več načinov. Padavine lahko zbirajo v merilni valj, padavine se lahko tehta, določi optično ali pa se volumen padavin izmeri z zvratnim sistemom. Zvratni sistem deluje na osnovi


31

prelivanja padavin čez dvojno, na sredini vpeto premično posodico (ob prehodu iz prve lege v drugo se sproži stikalo). Optični pluviograf deluje tako, da optično štejemo kapljice, ki odtečejo iz zbirne posode. Število odtečenih kapljic merimo s kombinacijo laserske diode z usmerjenim žarkom in fotodiode. Laserska dioda z usmerjenim žarkom cilja v pot kapljic, ko kapljica pade iz pluviografa, se od nje odbije svetloba laserske diode, fotodioda zazna bliske, ki so posledica odbite svetlobe. Podatki se lahko zapisujejo na trak ali z računalnikom.

Slika. Pluviograf je lahko preprosta naprava (levo), ki z lijakom zbira padavine v merilni valj, ali pa je merjenje avtomatsko (desno) s pluviografom ONSET RG2-M. Za model na sliki ONSET RG2-M je zbirni del dežemera iz črnega aluminijastega obroča z ostrimi robovi in lijaka, ki usmerja vodo do zvratnega mehanizma. Vsak zvrat predstavlja 0.2 mm padavin. Zvrati se štejejo na principu magneta. Zvratni mehanizem je povezan s pomnilnikom mikroprocesorja, ki beleži čas vsakega zvrata. Zvrnjena voda odteka skozi dno ohišja. Totalizator je dežemer z veliko posodo in ga uporabljamo za zbiranje padavin v daljšem časovnem obdobju, npr. v enem letu ali v pol leta. Postavljamo ga na nenaseljenih področjih in kjer ni možno meriti padavin z navadnim pluviometrom. Anemometer je merilni inštrument za merjenje jakosti vetra in hitrost strujanja zraka. Vloga anemometra je merjenje izbrane ali vseh komponent vektorja vetra. Idealni merilni inštrument (senzor) vetra bi moral reagirati na najmanjši vetrič in viharne vetrove, imeti linearno karakteristiko in trenutno reagirati na najmanjše in najhitrejše turbulentne fluktuacije. V praksi uporabljamo več inštrumentov, da zadostimo navedenim zahtevam. V strojništvu sicer uporabljamo še druge tipe anemometrov, vendar ne v okoljskem strojništvu. To so laserski dopplerjev anemometer, anemometer na vročo žičko, PIV metoda za merjenje hitrosti in Pitojeva cev.


32

Vrteči se del klasičnega anemometra s skodelicami je sestavljen iz treh ali štirih skodelic, pritrjenih na os. Hitrost vrtenja osi je sorazmerna s silo, s katero deluje veter na skodelice. Hitreje kot zrak ali veter pihata, hitreje se vrti anemometer. Anemometer s skodelicami deluje neodvisno od tega, iz katere smeri piha veter, zato za določanje smeri vetra uporabljamo še navpično krilce. Anemometer na vetrnico se uporablja vedno skupaj z navpičnim krilcem. Ultrazvočni anemometer koristi ultrazvočno valovanje za merjenje hitrosti in smeri vetra. Hitrost vetra se določa tako, da se meri čas, ki je potreben ultrazvočnemu impulzu, da prepotuje pot od fiksnega pošiljatelja do fiksnega sprejemnika. Hitrost vetra poveča ali zmanjša hitrost zvoka glede na to, v katero smer veter piha. Zelo so prikladni za merjenje turbulence, ker je njihov odzov hiter, približno do 20 Hz. Ker nimajo premičnih delov, so primerni za dolgoročno uporabo v odddaljenih automatiziranih vremenskih postajah in tam, kjer na točnost in zanesljivost tradicionalnih anemometrov z lopaticami vpliva slan zrak ali velike količine prahu. Hitrost zvoka se spreminja s temperaturo, ni pa odvisna od tlaka. Uporabljata se izvedbi z dvema akustičnima potema (ti senzorji imajo 4 nogice) in tremi akustičnimi potmi (ti senzorji imajo tri nogice). Anemometer na ping pong žogico je preprost anemometer. Če veter piha vodoravno, pritisne na žogico in jo premakne. Ker so ping pong žogice zelo lahke, se odklonijo že v najmanjšem vetru. Iz merjenja kota, pod katerim je odklonjena žogica, lahko določimo smer in hitrost vetra.

Slika. Ultrazvočni anemometer (skrajno levo), anemometer s skodelicami (ang. cup anemometer) (v sredini levo) in anemometer na vetrnico (ang. cup anemometer) (v sredini desno) in anemometer na ping pong žogico, kakršnega


33

uporablja sonda Phoenix na Marsu (skrajno desno). Vir: www.eol-shop.com in www.wikipedia.com. Z anemometri merimo hitrost vetra pred postavitvijo vetrnih elektrarn. Primer takih meritev je so bile meritve hitrosti vetra, ki jih je izvajalo podjetje Soške Elektrarne ob zgornjem akumulacijskem jezeru črpalne hidroelektrarne Avče na Kanalskem vrhu od novembra 2009 do aprila 2011. Merilni stolp na spodnji sliki je bil postavljen na nadmorski višini 634 m. Vgrajeni merilniki so bili klasični anemometri na vetrnico z navpičnim krilcem za določanje smeri, ki so zajemali zajemajo hitrost in smer vetra na štirih različnih višinah; 20 m, 40 m, 60 m in 80 m. Podatki so se zbirali kot 10-minutna povprečja, njihov prenos do glavnega računalnika pa je bil urejen preko GSM linije.

Slika. Merjenje hitrosti vetra na lokaciji Kanalski vrh je bil zgrajen zraven zgornje akumulacije ČHE Avče. Vir: SENG. Heliograf je instrument za merjenje, oz. nepretrgano registriranje trajanja sončnega obsevanja. Iz njegovega zapisa določamo trajanje sončnega obsevanja v urah. Pogost je heliograf s stekleno kroglo, t.j. Kembel-Stokesov heliograf, in sicer poznamo dva tipa: navadnega in univerzalnega. Osnovni del je pri obeh tipih steklena krogla, ki zbira v gorišče sončne žarke in ti izžigajo sled na papirnat trak; ta je nameščen v žleb školjke, ki obdaja stekleno kroglo. Na papirnatem traku ostane prežgana sled.


34

Slika. Heliograf. Levo inšturment, desno trak.

2.2. Onesnaževala v zraku Onesnaževala v zraku so delci in plini, v nadaljevanju bomo na kratko predstavili najpomembnejša onesnaževala v zraku. Povzetek je napravljen po predavanju Energije in okolje (Fakulteta za strojništvo). Delci (PM, ang. particulate matter, velikosti do 10 mm) razpršene snovi v trdnem ali tekočem stanju, v ozračju so prisotni kot trdni delci ali aerosoli, vplivajo na zdravje ljudi, transmitivnost ozračja, so kondenzacijska jedra, povzročajo mehansko obrabo (abrazijo), vizualno onesnažujejo naravno in urbano okolje (glavni vir: promet, gradbeništvo). Ogljikov dioksid ogljikov dioksid antropogenega izvora nastaja predvsem pri sežigu fosilnih goriv. V ozračju so koncentracije okoli 0.035%, v onesnaženih mestih do 0.08%, v dobro prezračevanih prostorih do 0.15%. Glavni vir so zgorevanje fosilnih goriv in naravni procesi v okolju. V okolju velja za toplogredni plin. Ogljikov monoksid nastaja pri nepopolnem zgorevanju ogljika v gorivih, pri vdihovanju nastaja v krvi karboksihemoglobin (COHb), ki zmanjšuje količino kisika v krvi. Glavni vir je zgorevanje fosilnih goriv. Vpliva na počutje in zdravje ljudi. Dušikovi oksidi (krajše NOX) - med dušikovimi oksidi sta še posebej nevarna NO in NO2. Dušikovi oksidi nastajajo pri zgorevanju goriv kot toplotni NOX iz zraka, ki ga dovajamo pri gorenju in kot gorivni NOX pri oksidaciji dušika iz goriva. Glavni vir je zgorevanje fosilnih goriv. Dušikovi oksidi vplivajo na zdravje ljudi, rastline, so sekundarni onesnaževalec, saj sodelujejo pri škodljivih procesih v okolju. Žveplov dioksid več kot 80% emisij je posledica oksidacije žvepla iz fosilnih goriv pri gorenju, v okolju reagira s kapljicami vode in povzroča zakisljevanje padavin. Lahko hlapni ogljikovodiki (VOC, ang. volatile organic compounds) kot so benzen, formaldehid, vinilklorid, tetraklorid dražijo sluznico, vplivajo na živčni


35

sistem, škodujejo rastlinam. Lahko hlapni ogljikovodiki so kancerogeni. Glavni antropološki izvor je promet (7080%), naravni vir pa so rastline. Metan nastaja pri naravni razgradnji organskih snovi, tudi na odlagališčih komunalnih odpadkov. Ker je močan toplogredni plin, ga na odlagališčih zbiramo in sežigamo, ponekod pretvarjamo v toploto in električno energijo.

2.3. Merjenje onesnaževal v zraku

2.3.1. Uvod

Najzanesljivejši pokazatelj stanja kakovosti zraka so meritve koncentracij onesnaževal. Meritve kakovosti zraka se izvajajo z namenom določiti nivo vseh tipov onesnaževal v atmosferi brez namena ločevati med naravnimi onesnaževali in tistimi, ki so posledica človeške aktivnosti. Meritve kakovosti zraka ločimo v tri razrede: - meritve emisij - meteorološke meritve in - meritve kakovosti zunanjega zraka. Pri meritvah emisij merimo emisije na viru npr. na dimniku ali na izpuhu iz motorja z notranjim izgorevanjem v avtomobilu. Vzrec zraka izsesamo skozi odprtino ali cevko npr. v dimniku za analizo na kraju samem. Premične vire, npr. avtomobile, testiramo najbolje tako, da merimo emisije, ko je motor obremenjen. Pri meteoroloških meritvah ugotavljamo meteorološke pogoje, hitrost vetra, smer vetra, gradient temperature, s čimer ugotavljamo, kako se onesnaževala premikajo od izvora k sprejemniku. Pri meritvah kakovosti zunanjega zraka (ang. measurement of ambient air quality) merimo z uporabo različnih inštrumentov. Skoraj vsi podatki o povezavi zdravstvenih težav prebivalstva z onesnaževanjem z zrakom so povezani s podatki meritev kakovosti zunanjega zraka.

2.3.2. Mreža meritev onesnaženosti zraka v Sloveniji

Mrežo meritev onesnaženosti zraka v Sloveniji sestavljajo avtomatska merilna mreža stalnih ekološko-meteoroloških postaj državne mreže za spremljanje kakovosti zraka (DMKZ), ki jo vodi Agencija RS za okolje (ARSO), ter dopolnilne avtomatske merilne mreže, v katerih izvajajo meritve drugi izvajalci (TE Šoštanj, TE Trbovlje, mestni občini Ljubljana, Maribor). Mreža merilnih mest v Sloveniji


36

je gostejša na območjih v bližini večjih virov onesnaženosti zraka. V krajih, ki niso zajeti v okviru stalnih mrež, potekajo občasne meritve onesnaženosti zraka z avtomatsko mobilno ekološko-meteorološko postajo in z difuzivnimi vzorčevalniki. Na območjih, ki so oddaljena od velikih virov emisije, delujeta postaji Iskrba pri Kočevski Reki in Krvavec, na katerih se izvajajo meritve ozadja onesnaženosti zraka. ARSO meri kakovost zunanjega zraka na 36 stalnih merilnih mest po Sloveniji. Lokacije vseh merilnih mest so določene v skladu s priporočili Pravilnika o monitoringu kakovosti zunanjega zraka, ki določa umestitev vzorčevalnih mest na makro in mikro ravni. Seznam merilnih mest (tudi lokacij mobilne postaje) in parametri, ki se merijo, so podani v spodnji tabeli. Merilna mesta so prikazana tudi na sliki. Merilna mesta mestnega ozadja (Ljubljana Bežigrad, Ljubljana BF, Maribor Vrbanski plato, Celje, Nova Gorica, Koper, Kranj, Novo mesto) so reprezentativna za gosteje naseljene predele teh mest, v katerih živi večina prebivalstva. Meritve na prometnih mestnih merilnih mestih Ljubljana center, Maribor center in Zagorje kažejo, kakšna je kakovost zraka v ozkem pasu ob prometnih cestah, kjer se ljudje večinoma zadržujejo kratek čas. Ocenjujeno, da je onesnaženost zraka na takih lokacijah je od 60 do 70 % višja kot na lokacijah mestnega ozadja, kjer živi večina prebivalstva. Merilna mesta predmestnega ozadja (Trbovlje, Hrastnik, Topolščica, Pesje, Škale) podajajo razmere glede kakovosti zraka na obrobju mest ali večjih naselij, kjer je prometa manj kot v samih mestih in so zato koncentracije onesnaževal, ki izvirajo iz prometa, na takih lokacijah nekoliko nižje. Merilno mesto Rakičan pri Murski Soboti uvrščamo v tip podeželskega/obmestnega ozadja. Na merilno mesto nekoliko vplivajo emisije iz bližnje ceste in naselja (v zimskem času individualna kurišča), pa tudi obdelave kmetijskih površin. Ocenjujemo, da so koncentracije izven naselij in dlje od prometnih cest nižje. Podatki meritev z merilnih mest Krvavec, Iskrba pri Kočevski Reki in Otlica nad Ajdovščino so namenjeni za pridobivanje informacij o stanju onesnaženosti zraka na širšem področju za zaščito okolja (narava, rastline, živali) in ljudi ter za potrebe študij daljinskega transporta.


37

Tabela. Seznam merilnih mest za meritve onesnaževal in meteoroloških parametrov na merilnih mestih v letu 2011 v Sloveniji. Legenda: PM10: delci z aerodinamičnim premerom do 10 µm PM2.5: delci z aerodinamičnim premerom do 2,5 µm PAH: policiklični aromatski ogljikovodiki v delcih PM10 Težke kovine: arzen, kadmij, nikelj in svinec v delcih PM10 in PM2.5 Meteorološki parametri: temperatura zraka v okolici, hitrost vetra, smer vetra, relativna vlažnost zraka, zračni tlak in globalno sončno sevanje


38

Slika. Merilno mesto onesnaženja zraka Novo Mesto. Vir: Arso.

2.3.3. Delci in aerosoli

Delci so naravnega ali antropogenega izvora in pomembno vplivajo na zdravje ljudi, klimo, vidnost itd. Ločimo različne velikosti delcev: PM10, PM2.5, PM1.0 in zelo fine delce. Onesnaženost zraka z delci je v Evropi pereč problem, še posebej zaradi delcev manjših od 10 mikronov. Sestava delcev je različna: sulfat (SO4

2-), nitrat (NO3-), amonij (NH4

+), različne kovine ter ogljik v organski in anorganski obliki. Aerosol je disperzni sistem, ki vsebuje trdne ali tekoče delce, suspendirane v zraki zrak. Delež delcev se emitira v atmosfero iz virov na površini (primarni delci), medtem ko so drugi posledica različnih pretvorb v onesnaženi atmosferi (sekundarni delci). Delci so naravnega izvora (cvetni prah, vegetacija, morska sol, dim gozdnih požarov, meteorski prah, vulkanski pepel) ali antropogenega izvora – vpliv človekove aktivnosti (energetski objekti, industrija, promet, poljedelstvo, individualna kurišča). Delci pomembno vplivajo na zdravje ljudi, kakor tudi na klimo, vidnost itd. Delci, ki nastanejo s procesi med plini, in delci tako v plinski kot v tekoči fazi, so v glavnem velikosti pod 1 µm in se imenujejo fini delci (ang. fine particles). Na zemeljski površini pa nastanejo delci, v glavnem večji od 1 µm, imenujemo jih grobi delci (ang. coarse particles). Sem štejemo tudi bioaerosole, npr. pelod, trose, katerih izvor je vegetacija. Delci, ki nastanejo pri gorenju, se lahko nahajajo v obeh velikostih razredih. Delci različnega izvora so različne kemijske sestave in prav tako različne oblike in različnih fizikalnih stanj. Določitev velikosti aerosola je eden pomembnejših elementov kar se tiče meritev in modeliranja dinamike aerosola. Premer delcev največkrat opišemo z izrazom aerodinamični premer. Aerodinamični premer je definiran kot premer


39

okroglega delca z gostoto 1000 kg/m3. To pomeni, da se v zraku obnaša kot vodna kapljica definiranega premera. Delci enake oblike in velikosti, toda različne gostote, imajo različen aerodinamični premer. Na podlagi aerodinamičnega premera ločimo delce: PM10 - delci z aerodinamičnim premerom pod 10 µm, PM2.5 - delci z aerodinamičnim premerom pod 2.5 µm, PM1.0 - delci z aerodinamičnim premerom pod 1 µm, UFP – zelo fini delci (ang. ultra fine particles) z aerodinamičnim premerom pod 0.1 µm. Manjši kot so delci, globlje prodrejo v dihalne poti. Delci, večji od 10 µm, se ustavijo v zgornjih dihalnih poteh (nos, obnosne votline), manjši od 10 µm pa potujejo v spodnje dihalne poti. Delci manjši od 2.5 µm prodrejo globoko v dihalne poti. Vnetna reakcija na mestu vstopa (pljuča) lahko dodatno poslabša obstoječo bolezen dihal. Atmosferski delci so kompleksna mešanica organskih in anorganskih komponent in so vpleteni v številne procese, sodelujejo pri različnih kemijskih in fizikalnih pretvorbah v onesnaženi atmosferi in pri nastanku kislega dežja, vplivajo na vidnost in električne lastnosti atmosfere. Koncentracija in sestava sta odvisni predvsem od emisijskih virov (naravnih in antropogenih) ter od meteoroloških pojavov. Iz analize filtra z depozitom delcev PM10 ali PM2.5 dobimo podatek o vsebnosti težkih kovin, policikličnih aromatskih ogljikovodikov (PAH), ionov, elementarnega in organskega ogljika (EC/OC) ter levoglukozana v delcih, saj se le-ti v zrak sproščajo v obliki delcev in pare.

Slika. Naprave za merjenje delcev, levo visoko volumski vzorčevalnik zraka, v sredini kaskadni impaktor, desno aethalometer za vgradnjo. Vir: Wikipedia.


40

2.3.4. Merilni inštrumenti za merjenje količine delcev v zraku

Visoko volumski vzorčevalnik zraka (ang. high volume sampler) je naprava, ki zajame večjo količino zunanjega zraka. Visoko volumski vzorčevalnik zraka deluje tako, da skozi filter prečrpava velike količine zraka, pri čemer se delci ujamejo na filter. Z zajemom velike količine zraka se poveča depozit delcev in se tako omogoči nižja detekcija posameznih parametrov. V enem dnevu visoko volumski vzorčevalniki prečrpajo okrog 2000 m3 zraka. Poleg tega se delci lovijo na filter s velikim premerom (npr. 150 mm), kar omogoča večje število različnih kemijskih analiz delcev. S tem vzorčevalnikom vzorčimo delce PM10 v zunanjem zraku na enem merilnem mestu vsak dan celo leto. Meritev traja en dan, to pa pomeni, da je časovna ločljivost meritve en dan. Filtre analiziramo gravimetrično, stehtamo jih pred začetkom in po koncu meritve. Teža delcev je razlika tež filtra pred in po meritvi. Tok zraka skozi filter se meri z volumskim merilnikom pretoka. Ker se med delovanjem na filtru naberejo delci, se filter zamaže, njegov koeficient upornosti se poveča, zaradi česar se zmanjša volumski pretok skozi filter. Volumski pretok se običajno izmeri na začetku in na koncu delovanja in se vrednosti povpreči. Na omenjeni način merimo različne vrste delcev, saj se visoko volumske vzorčevalnike lahko opremi z različnimi filtri. Z različnimi kemijskimi analizami lahko npr. delce PM10, ki se ujamejo na filter, analiziramo na naslednje parametre: težke kovine, policiklične aromatske ogljikovodike (ang. PAH), ione, elementarni in organski ogljik, levoglukozan itd. Kaskadni impaktor je naprava, ki delce v zraku z izokinetično metodo sesa iz vira in jih loči po velikosti v kaskadnem impaktorju. Pri tem naprava uporablja princip ločevanja z inercijo po velikosti. Kasneje se masa posamezne frakcije določi s tehtanjem, to je gravimetrično. Ko zrak vstopi v napravo, nosi s seboj delce. Filtrne plošče so nameščeni tako, da ležijo zraku na poti in zrak se jim ogne. Če so delci zadosti majhni, slediju zraku, če pa so veliki, zraku ne morejo slediti in se zaletijo v filter. Zaporedni filtri so nameščeni tako, da se oddaljenosti filtrov od šob zmanjšujejo.


41

Slika. Shema kaskadnega impaktorja. Filtri so nameščeni tako, da ležijo zraku na poti in zrak se jim ogne. Če so delci zadosti majhni, slediju zraku, če pa so veliki, zraku ne morejo slediti in se zaletijo v filter. Zaporedni filtri so nameščeni tako, da se oddaljenosti filtrov od šob postopoma zmanjšujejo. Vir: Wikipedia. Izokinetična metoda vzorčevanja je metoda, s katero zajemamo vzorce iz toka zraka, dima, pare ali katerega koli drugega toka medija, če ta medij vsebuje delce. Če je tok homogen, je vzorčenje enostavno, saj je tok povsod enak. Temu pa ni tako, če so v toku prisotni delci. Če so v toku prisotni delci, se koncentracija delcev pri vzorčevanju v bližini odjema za vzorčevanje ali znotraj vzorčevalne sonde spremeni. Če je hitrost na mestu vzorčevanja (to je tik ob vzorčevalni odprtini sonde) manjša, kot je hitrost fluida (npr. izpušnih plinov v dimniku), potem nekateri delci, še posebej manjši delci, ne bodo vstopili v odprtino vzorčevalne sonde. Podoben mejni primer je kaskadni impaktor, pri katerem je hitrost v odprtini za vzorčevanje enaka nič. Če je hitrost na mestu vzorčevanja višja, bo več delcev vstopilo v vzorčevalno odprtino, tudi v tem primeru večinoma majhni delci. V obeh primerih izmerimo napačne rezultate. Idealen primer je, če je v odprtini vzorčevalne sonde enaka hitrost kot v okolici, npr. v dimniku. To se imenuje izokinetično vzorčenje (ang. isokinetic sampling). Izokinetično vzorčenje se uporablja pri meritvi delcev in aerosolov v termoelektrarnah, pečeh, pralnikih, izpušnih ceveh avtomobilov, itd. Tudi pri meritvah v atmosferi lahko uporabljamo to metodo. Dodaten problem pri vzorčenju v dimnikih je, da se koncentracija delcev in hitrost toka po preseku dimnika spreminjata, zato ni dovolj, če merimo v zgolj eni točki po preseku ali morda zgolj na obodu dimnika.


42

Kako izvedemo izokinetično vzorčenje? Sistem za popolno izokinetično vzorčenje sestoji iz sonde, ki se jo vstavi v jašek in s katero lahko traverziramo (merimo v več točkah) pravokotno na smer toka. Izokinetična sonda ima vgrajeno sondo za merjenje hitrosti (Pitotova cev ali podobno), sondo za vzorčenje in senzor za merjenje temperature. Izokinetična sonda vsebuje ventil za regulacijo pretoka skozi sondo za vzorčenje. V prvem koraku izmerimo hitrost toka, pri čemer gostoto določimo na podlagi meritve temperature in poznavanja sestave medija. V drugem koraku z ventilom nastavimo ustrezen pretok skozi vzorčevalno odprtino izokinetične sonde. Vrh izokinetične sonde je prikazan na sliki spodaj.

Slika. Izokinetično vzorčenje v toku, ki vsebuje delce. Levo princip delovanja izokinetičnega vzorčenja in v sredini slika izokinetične sonde. Na sliki na je izokinetična metoda, predstavljena na primeru w=v, to je povsem levo. Na sliki v sredini je vzorčevalni del izokinetične sonde steklen, del za merjenje hitrosti in del za merjenje tempearature sta iz nerjavnega jekla. Sonda je in-stack, to pomeni, da je filter, skozi katerega teče zrak, v dimniku. Desno: in stack filter izokinetočne sonde vsebuje mesto, kamor se namesti filter za analizo delcev. Vir: www.photometer.com in www.airresourcemanagement.co.nz. Aethalometer je naprava za merjenje aerosoliranega črnega ogljika. Aerosoliziran črni ogljik je primarno onesnaževalo zraka, neposredno povezano z viri, ki ga lahko merimo z visoko časovno ločljivostjo. To je koristno, saj imajo lahko različni viri onesnaževanja različne časovne poteke in lahko potek koncentracij črnega ogljika uporabimo za vrednotenje teh virov, spremljanje učinkov omejevanja prometa ali za ločevanje med različnimi viri. Še več se lahko o virih naučimo, če izmerimo, kako se absorpcija aerosolov spreminja z valovno dolžino svetlobe. Meritve absorpcije aerosolov pri različnih valovnih dolžinah z aethalometri nam omogočajo ločevanje med različnimi viri onesnaženja zraka. V Sloveniji v Ljubljani v podjetju Aerosol d.o.o. proizvajajo aethalometre Magee Scientific. Vir svetlobe v teh inštrumentih so svetleče diode s karakterističnimi valovnimi dolžinami 370 nm, 470 nm, 520 nm, 590 nm, 660 nm, 880 nm and 950 nm. Meritve v tako širokem spektru omogočajo karakterizacijo virov onesnaženja z meritvami od ultravijolične svetlobe do infardeče. Zrak se vzorči


43

skozi neselektiven vzorčevalni vhod ali pa iz vzorčevalnega sistema za meritve plinov na merilnih postajah državne mreže. Zrak teče skozi kvarčni filtrski trak, na katerem se nabirajo aerosoli. Nad filtrom je vir svetlobe, pod njim pa detektorji, s katerim merimo padec intenzitete svetlobe zaradi absorpcije v nabranih aerosolih. Koncentracijo črnega ogljika izračuna inštrument iz hitrosti spreminjanja atenuacije infrardeče svetlobe. Atenuacija je naravni logaritem razmerja intenzitet svetlobe na detektorju pod referenčnim delom traku in pod tistim delom, kjer vzorčujemo aerosole. Atenuacija je izmerjena glede na referenčni čist del traku, skozi katerega zrak ne teče, in se zato na njem aerosoli ne nabirajo. Na filtru se nabirajo ogljični aerosoli, ki absorbirajo svetlobo, kar povzroči padanje prepustnosti filtra za svetlobo in rast atenuacije. Pretok zraka skozi filter se meri z merilnikom masnega pretoka zraka, s čimer se regulira črpalka za zrak. Aethalometer meri koncentracije vsakih nekaj minut. Iz meritev sprememb prepustnosti filtra se izračuna spremembo atenuacije in iz te, z uporabo znanega absorpcijskega preseka, koncentracijo črnega ogljika v zraku. Ko se na filtru nabere dovolj aerosolov, da atenuacija naraste do nastavljene vrednosti, se filtrski trak premakne in meritve se začnejo na svežem delu filtra.

Slika. Shema delovanja aethalometra. Vir: www.wweb.uta.edu. Nefelometer je merilni inštrument za merjenje neprosojnosti oziroma motnosti fluidov (tekočin in plinov). Neprosojnost oziroma motnost je lastnost fluidov, ki opisuje prisotnost trdnih delcev, suspendiranih v zraku ali raztopini. Merilni inštrument nefelometer se imenuje tudi turbidimeter pri merjenju suspendiranih trdnih delcev v vodi. Nefelometrija je metoda, s katero se določa koncentracija trdnih delcev v suspenziji, vrednoti pa se jih za znane delce. Osnovana je na elastičnem sipanju


44

elektromagnetnega sevanja na suspendiranih trdnih delcih v zraku. Nefelometer meri zmanjšanje jakosti prepuščenega sevanja ali jakost na stran sipanega sevanja kot posledica potovanja svetlobe skozi trdne delce. Sipanje elektromagnetnega sevanja na suspendiranih trdnih delcih se imenuje tudi Tyndallov pojav. Sipanje je lahko Rayleighovo, Debyjevo ali Miejevo sevanje, odvisno od velikosti delcev. Če je dimenzija delcev reda velikosti valovne dolžine vpadnega sevanja ali manjša, se bo sevanje razpršilo, če pa je večja, se bo sevanje odbilo. Modra svetloba se sipa močneje kot rdeče, zaradi česar je tudi nebo modre barve - Rayleighovo sipanje. Merilni inštrumenti, ki se koristijo v nefelometriji, so zelo podobni spektrometrom, lahko pa se za meritve uporabljajo tudi spektrofotometri ali celo kolorimetri. Enoti, v katerih se prikazuje motnost, sta NTU (nefelometrične turbidimetrične enote, ang. Nephelometric Turbidity Units) ali FTU (ang. Formazine Turbidity Units).

Slika. Shema delovanja nefelometra. S številkami so označeni sestavni deli nefelometra: 1. izvor svetlobe, 2. leča, 3. zaslonka, 4. okrogla kiveta z vzorcem, 5. fotometer s filtri ali fotomultiplikator, 6. sipano sevanje pod kotom 90°. Vir. Wikipedija.

2.3.5. Plini

2.3.6 Merjenje koncentracije plinov

Koncentracije plinov v okolju in na izvoru onesnaževanja (dimniki in izpuh motorjev z notranjim izgorevanjem) merimo z različnimi tipi merilnikov. V grobem jih ločimo glede na tip meritve (UV, IR itd.) ali pa glede na čas uporabe (kontinuirni ali občasni).


45

Merjenje koncentracije plinov včasih poteka z optičnimi metodami. Na sliki spodaj sta spekter elektromagnetnega valovanja in absorbcija elektromagnetnega valovanja v atmosferi.

Slika. Spekter elektromagnetnega valovanja.

Slika. Absorbcija elektromagnetnega valovanja v atmosferi.

2.3.6.1. Merjenje koncentracije plinov z metodo ultravijolične

fluorescence (UVF)

Merjenje koncentracije plinov z metodo ultravijolične fluorescence (ang. ultraviolet fluorescence) je kontinuirna metoda merjenja. Uporablja se za merjenje žveplovega dioksida SO2 v okoliškem zraku ali v dimnih plinih, lahko pa se z metodo meri tudi koncentracije naslednjih plinov: NO, NO2, in H2S. Metoda temelji na fluorescenci žveplovega dioksida v plinu, ki ga v merilni celici osvetlimo z ultravijolično svetlobo. Izsevana (fluorescirana) svetloba je tudi v ultravijoličnem področju, vendar pri daljših valovnih dolžinah kot svetloba, ki fluorescenco vzbuja. Najprimernejši interval valovne dolžine vzbujevalne


46

svetlobe je od 190 do 230 nm, meritev fluorescence pa poteka v širokem pasu okrog približno 320 nm. V intervalu valovnih dolžin od 190 do 230 nm žveplov dioksid absorbira svetlobo brez da bi prišlo do dušenja v zraku ali drugimi molekulami v onesnaženem zraku. Za merjenje se uporablja optični filter in UV fotocelica, ki je običajno nameščena pravokotno na vzbujevalni snop svetlobe. Svetlobo za vzbujanje lahko zagotovimo npr. s cinkovo sijalko. Navedene valovne dolžine ne omejujejo uporabe pri nekoliko drugačnih valovnih dolžinah. Na splošno velja, da merilna metoda zahteva, da iz merjenega vzorca plina odstranimo različne spojine, ker motijo meritev tako, da prav tako fluorescirajo pri podobnih valovnih dolžinah. Najbolj znan vir motenj predstavljajo aromatski ogljikovodiki, vodna para, kisik, delci in dušikov oksid NO. Pri meritvah okoliškega zraka, kjer so koncentracije vodne pare nizke, vodna para ne predstavlja problemov pri meritvi. Pri meritvah plinov iz dimnikov pa je lahko koncentracija vodne pare zelo visoka, zato je pred meritvijo potrebno iz vzorca odstraniti vso vodno paro. Delce iz vzorca odstranimo s filtrom. Policiklične aromatske ogljikovodike odstranimo s pralnikom. Pralniki lahko delujejo pri sobni ali povišani temperaturi. Merilni inštrument moramo kalibrirati, zaradi česar so inštrumenti opremljeni s priključki za kalibracijo. Pri nekaterih inštrumentih je to izvedeno izmenično z meritvijo, nekateri pa imajo dve kiveti in dva senzorja, v tem primeru poteka kalibracija hkrati z meritvijo.

Slika. Merilnik koncentracije plinov z metodo ultravijolične fluorescence model Siemens SIPROCESS UV600 (levo). Merilnik meri koncentracije NO, NO2, SO2 in H2S. Desno: shema meritve z metodo ultravijolične fluorescence. Vir: www.automation.siemens.com.

2.3.6.2. Merjenje koncentracije plinov s kemiluminiscenčno metodo

(CLD)

Prav tako kot prej navedena metoda ultravijolične fluorescence za merjenje SO2 je tudi merjenje koncentracije NO, NOx in NH3 s kemiluminiscenčno metodo kontinuirna metoda. Koncentracije NO in NOX se običajno merijo s kemiluminiscenčno metodo (CLD, ang. chemi lumiscence detector).


47

Kemiluminiscenčna metoda se uporablja predvsem zato, ker je zelo občutljiva in ker ne prihaja zlahka do motenj zaradi prisotnosti drugih plinov. Princip kemiluminscence je sledeč. Molekula NO je relativno nestabilna molekula. Ko vzorec plina z NO, ki ga merimo, zmešamo z ozonom O3, se NO oksidira in pretvori v NO2. Merilni inštrumenti imajo zato vgrajen generator ozona.

NO + O3 NO2 + O2 Del NO2, ki nastane, je v vzbujenem stanju, kar pomeni, da je njegova energija višja kot normalno. Vzbujene molekule NO2 sproščajo energijo kot svetlobo, ko se vračajajo v osnovno stanje.

NO + O3 NO2*+ O2

NO2* NO2 + h

Z NO2

* označujemo molekule NO2 v vzbujenem stanju. Ta pojav se imenuje kemiluminiscenca. Če je količina ozona dovolj velika, da se vzbudijo vse molekule NO2

*, je jakost sevane svetlobe sorazmerna količini molekul NO pred reakcijo. Zato je možno koncentracijo NO določiti z merjenjem emisije svelobe. Pri zgornji enačbi prihaja do motenj zaradi prisotnosti CO2 in H2O. Nekaj izmed vzbujenih molekul NO2 zgubi energijo s trkom z drugimi molekulami še preden preidejo v osnovno stanje z izsevanjem fotona. V tem primeru se NO2 vrne v osnovno stanje, toda ne pride do kemiluminiscence.

NO2* + M NO2 + M

Z M označujemo druge molekule. Verjetnost za izgubo energije na gornji način je odvisna od tipa molekule, v katero se zadane vzbujena molekula NO2

*. Včasih občutljivost kemiluminiscenčne metode na NO zavisi od tipa in koncentracije plina, ki je prisoten poleg NO. Poznano je, da je pri izpušnih plinih motorjev z notranjim izgorevanjem verjetnost za izgubo energije s CO2 in H2O večja kot verjetnost za izgubo zaradi N2 in O2 in da sprememba koncentracij CO2 in H2O vpliva na spremembo občutljivosti na NO. NO2, ki je v vzorcu že od začetka, nima kemiluminiscenčnih lastnosti in ga s kemiluminiscenčno metodo ne moremo izmeriti. Zato ga pred meritvijo pretvorimo v NO z NOx konverterjem.

NO2 + C NO + CO ali

2NO2 + C 2NO + CO2


48

Ogljik, ki je glavna komponenta NOx konverterja, se porablja pri zgornji redukciji. Na podoben način lahko v NO pretvorimo tudi NH3.

NH3 + O2 NO + H20 ali

4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O Merjenje koncentracije NO in NO2 je možno tudi z infrardečo metodo.

Slika. Princip delovanja kemiluminiscenčne metode CLD. Reakcija je hitra, zato mora biti senzor svetlobe tudi zelo hiter.

2.3.6.3. Merjenje koncentracije plinov z infrardečo spektroskopijo

(NDIR)

Merilni inštrumenti, ki delujejo na principu infrardeče spektroskopije, so zelo uporabni za merjenje npr. dimnih plinov, ki nastajajo v termoelektrarnah ali za izpušne pline motornih vozil. Primer merilnika je Siemens Ultramat 23, kakršen je prikazan na sliki, ali pa Horiba OBS 2200. Metoda se označuje s kratico NDIR oziroma ang. Non Dispersive InfraRed spectroscopy. Z infrardečo spektroskopijo lahko merimo koncentracije naslednjih plinov: CO, CO2, NO, SO2 in CH4.


49

Slika. Levo: analizator dimnih plinov Siemens Ultramat 23. Analizator deluje po metodi infrardeče spektroskopije, za merjenje koncentracije kisika pa ima vgrajen (desno spodaj, kjer je ploščica, ki se privijači na sprednjo ploščo analizatorja) elektrokemično celico za merjenje koncentracije kisika. Vir: www.automation.siemens.com. Desno: analizator dimnih plinov Horiba OBS-2200 za uporabo v motornih vozilih deluje na principu infrardeče spektroskopije, plamenske ionizacijske detekcije in kemiluminiscenčne metode. Merilni princip temelji na absorpciji molekul posameznega plina, kot to npr. prikazuje slika. Od tu dalje se tehnične izvedbe različnih proizvajalcev razlikujejo, npr. imamo izvedbe z enim ali dvema žarkoma. V preteklosti je bilo ta merilni princip nemogoče uporabiti v praksi, ker ima vsak plin več posameznih vrhov, kjer absorbira IR valovanje, to je več vrhov v spektru absorbcije na sliki. Kasneje so razvili inštrumente, ki imajo ločene celice za vsak plin posebej. V Evropi zelo razširjen inštrument je Siemens Ultramat 23, ki ima en žarek. Vir sevanja deluje pri 600°C in seva IR sevanje, ki ga seka vrteče kolo, frekvenca katerega je pri npr. Siemens Ultramatu 23 8.3333Hz. Vrteče kolo poganja sinhroni motor. Okrog vira sevanja je reflektor, ki usmeri večino žarkov v celico. Infrardeče valovanje nato prehaja skozi merilno celico, ki je sestavljena iz več delov. V prvem delu je v plinski komori merjeni plin. Merjeni plin zadrži del sevanja iz IR vira. To se zgodi glede na sestavo plina in absorbcijo vsake posamezne komponente plina. Iz plinske komore z merjenim plinom svetloba skozi steklo prehaja v sprejemne komore. Tudi v teh sprejemnih komorah je plin, katerega koncentracijo merimo in sicer v znanih koncentracijah in neprodušno zaprt. Te so izvedene iz dveh ali treh delov in so povezane med seboj preko tanke cevke z vgrajenim mikro merilnikom pretoka. Prva merilna komora absorbira energijo iz pretežno srednjih delov IR absorpcijskih pasov plina. Druga in tretja komora absorbirata energijo iz stranskih delov v IR absorbcijskih pasov plina. Energija IR svetlobe iz sredine pasov ne prodre v drugo ali tretjo merilno komoro, ker se močno abrorbira v prvi merilni komori. V merilnih komorah, kjer se absorbira IR sevanje, se temperatura plina v celici poveča in s tem se poveča tudi tlak. Nekateri starejši analizatorji so merili tlak v komori, novejši pa merijo pretok iz prve v drugo merilno celico in obratno. Mikro senzor za pretok je vgrajen v cevko, ki povezuje merilne komore. Volumen druge in tretje komore lahko spreminjamo z loputo, pri čemer se spreminja občutljivost inštrumenta. Vrteč zaslon ustvarja pulzirajoč tok energije iz IR luči in temu sledi mikro merilnik pretoka, ki pretok pretvarja v električni signal. Mikro merilnik pretoka je izveden iz mreže vročih žičk, ki so zgrete na približno 120°C, ki skupaj s tremi drugimi upori tvorijo Wheatstonov mostiček.


50

Merilnik je torej podoben v delovanju merilniku hitrosti na vročo žičko. Pretok plina čez mikro merilnik pretoka je sorazmeren koncentraciji merjenega plina. Komora za merjeni plin in s tem merilna celica se ne sme nikoli umazati. Zato je potrebno plin, preden vstopi v komoro, očistiti. Prav tako je potrebno preprečiti vstop vodi in kondenzatu. Zaradi tega je potrebno plin pred merjenjem ustrezno pripraviti.

Slika. Absorpcija infrardeče svetlobe s plini v atmosferi. Vir: Wikipedia.

Slika. Delovanje analizatorja, ki deluje na principu infrardeče spektroskopije. 1 kapilara, 2 druga plast detektorja, 3 mikro merilnik pretoka, 4 komora za merjeni plin, 5 kolo (ang. chopper wheel), 6 sinhroni motor, 7 IR izvir, 8 odbojnik, 9 okno, 10 okno, 11 prva plast detektorja, 12 tretja plast detektorja. Vir: www.automation.siemens.com. Zgoraj navedena merilna metoda ni edina možnost. Npr. za merjenje izpušnih plinov vozil proizvajalec Horiba uporablja v sistemu OBS-2200 analizator, ki


51

nima dveh ali treh merilnih komor. Merilna celica je za vsakega izmed merjenih plinov opremljena s filtri z ustreznimi valovnimi dolžinami in trdnimi (ang. solid state) senzorji. Infrardeča svetlopa prehaja skozi celico z merjenim plinom, se modulira z rotirajočim zaslonom, potem pa prispe na senzorje. Optični filtri so izbrani tako, da so primerni za vsako posamezno merjeno komponeto plina (CO2, CO ali H2O). V celici z merjenim plinom se zaradi absorpcije z merjenim plinom vpadna svetloba na senzorje oslabi. Celica z merjenim plinom je zgreta na 60°C. Slabljenje je v neposredni povezavi s koncentracijo merjenega plina. Koncentraciji CO in CO2 se določita na ta način direktno iz odziva posameznega senzorja. V celici s plinom se meri koncentracija H20 in se uporablja za korekcijo slabljenja ostalih merjenih plinov. Zaradi tega je možno merjenje koncentracije plinov brez odstranjevanja vode iz izpušnih plinov.

Slika. Shema delovanja NDIR analizatorja Horiba OBS-2200 za uporabo v vozilih. Pred merjenjem iz izpušnih plinov ni potrebno odstraniti vode. Vir: www.horiba.com

2.3.6.4. Merjenje koncentracije plinov s plamensko ionizacijskim

detektorjem FID

S plamensko ionizacijskim detektorjem merimo koncentracijo organskih ogljikovodikov v izpušnih plinih. Kratica FID je okrajšava za (ang.) Flame Ionisation Detector. Glavni del plamensko ionizacijskega detektorja je vodikov gorilnik, v katerega priteka tok nosilnega plina, sintetičnega zraka in merjenega plina (vsi se v gorilniku zmešajo). Kot nosilni plin se uporablja vodik, ker ne vsebuje ogljika. Gorilnik je obdan s kolektorsko elektrodo, med njima pa je napetostni potencial nekaj sto voltov. Pri sežigu organskih snovi nastajajo nabiti delci (ioni in elektroni), zaradi katerih na kolektorsko elektrodo steče električni tok (približno 10-12 A), ki je proporcionalen količini organskih ogljikovodikov v merjenem izpušnem plinu. Detektor ne zaznava negorljivih plinov (npr. vode, CO2, SO2 in NOx). Pri gorljivih organskih snoveh pa je občutljivost odvisna od funkcionalnih skupin; heteroatomarne skupine npr. zmanjšajo elektronski tok. Detektor prav tako ne zaznava anorganskega ogljika.


52

Ker merjenje koncentracije plinov s plamensko ionizacijskim detektorjem FID s plamenom oksidira vse spojine, se vsi ogljikovodiki oksidirajo do ogljikovega dioksida in vode. Zato je merjenje koncentracije plinov s plamensko ionizacijskim detektorjem FID vedno zadnje v vrsti meritev koncentracije. Kot sintetični zrak uporabljamo mešanico kisika in dušika. Sintetični zrak ne vsebuje primesi, še posebej ne organskih ogljikovodikov. Sintetični zrak uporabljamo za potrebe dovajanja oksidanta za gorenje v celici FID. Sintetični zrak shranjujemo v prvi jeklenki. Kot nosilni plin uporabljamo mešanico helija in vodika, na Katedri za energetsko strojništvo uporabljamo mešanico v razmerju 60:40. Helij in vodik ne vsebujeta ogljika. Nosilni plin shranjujemo v drugi jeklenki. Za kalibracijo uporabljamo kalibracijski plin, ki je na Katedri za energetsko strojništvo običajno mešanica CO, CO2, HC (v obliki propana s koncentracijo 135 ppm) in NOX (v obliki NO2). Kalibracijski plin imamo shranjen v tretji jeklenki, ni pa nujno da uporabimo natančno prej navedeno koncentracijo propana. Mešanico uporabljamo, zato, da je uporabna tudi za kalibracije drugih merilnikov. Cev za vzorčenje izpušnih plinov za meritve koncentracije plinov s plamensko ionizacijskim detektorjem FID mora biti ogrevana za potrebe merjenja koncentracije izpušnih plinov vozil na 191°C. Vsi ogljikovodiki ostanejo v plinskem stanju pri navedeni temperaturi 191°C. Cev zato ogrevamo, je pa cev tudi izolirana.

Slika. Postopek merjenja z metodo FID. Vir: www.horiba.com

2.3.6.4. Merilniki, ki delujejo na osnovi elektrokemičnih merilnih celic

Merilnike koncentracij plinov, ki imajo vgrajene elektrokemične merilne celice, se uporablja predvsem za merjenje delovanja kurilnih naprav v individualnih hišah in stanova

Documents

Diagnostika v okoljskem strojništvulab.fs.uni-lj.si/kes/diagnostika_v_okoljskem_strojnistvu/...Marko Hočevar, Diagnostika v okoljskem strojništvu 8 1. Uvod Podobni predmeti na Fakulteti