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TEMA 3. DINÁMICA DE LA ATMÓSFERA Y DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES
TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTEBLOQUE 1: CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
DINÁMICA DE LA ATMÓSFERA Y DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES (I)
1.Estructura y propiedades de la atmósfera
2.Movimientos horizontales en la atmósfera: vientos
3.Movimientos verticales en la atmósfera: concepto de estabilidad atmosférica
3.1. Modelización: gradiente adiabático seco
3.2. Fenómenos de inversión térmica
4.Dispersión de contaminantes en la atmósfera
4.1. La relación emisión-inmisión: modelos de dispersión
4.2. Factores que afecta a la dispersión de contaminantes
4.3.Chimeneas: factores y estrategias de diseño
5.Modelos de caja fija
6.Modelo del penacho gaussiano
6.1.Modelo base
6.2.Influencia de las condiciones atmosféricas: condiciones de Pasquill
DINÁMICA DE LA ATMÓSFERA Y DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES (II)
6.3. Modificaciones al modelo base
- Efecto del suelo. Efectos topográficos
- Capas de inversión
- Emisión de partículas
- Emisiones de flotabilidad negativa
- Emisiones discontinuas y fuentes no puntuales
7. Sobreelevación del penacho: concepto y evaluación
7.1. Fórmula de Holland
7.2. Fórmula de Briggs
8. Diseño de chimeneas mediante fórmula
Estructura y composición de la atmósfera
Capa límite planetaria (1 km)
20 % masa
80 % masa
20 % masa
Movimientos horizontales en la atmósfera: vientos
• La circulación global del aire viene dada por las células de Hadley
•Sin embargo la dirección e intensidad de los vientos son modificadas por diversos factores:
•Gradientes de presión
•Fuerza de Coriolis
•Fuerza centrifugas
• Fenómenos de fricción
• Vientos locales
Vientos geostróficos
Vientos de gradiente
Vientos locales
Brisas de mar y tierra Gradientes de valle y montaña Circulación urbana = islas de calor
Pueden tener un peso mayor que los componentes globales
Movimientos verticales en la atmósfera: ESTABILIDAD
ATMÓSFERA NEUTRA(adiabática)
• Los procesos de cambio de volumen de una masa de aire para conseguir el equilibrio térmico con los alrededores, pueden considerarse adiabáticos
m100/Cº1m/K00976.0c
g
dz
dT
P
Movimientos verticales en la atmósfera: ESTABILIDAD
ATMÓSFERA INESTABLE (superadiabática)
Movimientos verticales en la atmósfera: ESTABILIDAD
ATMÓSFERA ESTABLE(subadiabática)
Fenómenos de Inversión
Inversión de superficie Inversión por radiación Inversión advectiva
Inversiones en altura Inversión por subsidiencia Inversión frontal Inversión advectiva
z
z
T
T
Fenómenos de Inversión
Inversión por radiación Inversión por subsidiencia
Dispersión de contaminantes: penachos
Se trata de buscar modelos que relacionen emisión con inmisión
La dispersión dependerá de: Caudal de contaminante emitido Altura Condiciones de temperatura y vientos Velocidad de los gases en chimenea Temperatura de los gases
Diseño de chimeneas Mediante fórmula Modelos de dispersión
De caja fija (sólo efecto del caudal emitido sobre el nivel de inmisión)
Modelos gaussianos
Dispersión de contaminantes: penachos
SERPENTEANTE
CÓNICO
TUBULAR
FUMIGANTE
ANTIFUMIGANTE
ATRAPADO
Modelos de dispersión de caja fija
Plantea el balance de materia a un elemento de control
Es una sistemática sencilla y útil para dar resultados aproximados
Puede prever efectos aditivos
No es útil para el diseño de chimeneas (sólo permite estudiar el caudal emitido)
Las suposiciones del modelo son problemáticas (grado de mezcla, uniformidad, altura)
Variantes:• Euleriana (elemento de
control fijo)• Lagrangiana (elemento
de control estacionario)
Modelización de la dispersión de contaminantes en la atmósfera
MODELO BASE
Término convectivo
Término dispersivoTérmino de RQ
Otras entradas y salidas
Modelos de dispersión: penacho gausiano
= Relación entre coeficiente de dispersión y parámetro
Modelos de dispersión: penacho gausiano
MODELO BÁSICO
Caudal de emisión constante
Velocidad del viento constante
Contaminante conservativo
No efectos topográficos
2
2
2
2*
2)(
exp2
exp···2
),,(zyzy
HzyuQ
zyxC
Estimación de parámetros
Aspectos metereológicos (Categorías de Pasquil)
• Velocidad del viento
• Estabilidad atmosférica
p
refref z
Huu
Estimación de parámetros
Estimación de parámetros
fcxax dzy 894.0
x < 1 km x > 1 km
a c d f C d f
A 213 440.8 1.941 9.27 459.7 2.094 -9.6
B 156 106.6 1.149 3.3 108.2 1.098 2.0
C 104 61.0 0.911 0 61.0 0.911 0
D 68 33.2 0.725 -1.7 44.5 0.516 -13.0
E 50.5 22.8 0.678 -1.3 55.4 0.305 -34.0
F 34 14.35 0.740 -0.35 62.6 0.180 -48.6
•Los valores calculados se expresarán en metros cuando x se exprese en kilómetros.
Coeficientes de dispersión
Estimación de parámetros
Concentraciones máximas a nivel de suelo
max
max
Q
Cu
u
Qc H
H
(CuH/Q)max (m-2)
x max
(k
m)
(H, m)
Modificaciones del modelo básico del penacho gaussiano
Efecto del suelo descrito mediante la teoría especular
Capas de inversión En superficie: categoría F En altura: teoría especular
Efectos no conservativos (partículas), Ec. de Bonsaquet
Efectos topográficos
Efectos de edificios: Efectos de bañado Efectos de apantallamiento
Efectos aditivos (superposición de penachos, emisiones lineales)
2
2
2
2
2
2*
2)(
exp2
)(exp·
2exp
···2),,(
zzyzy
HzHzyuQ
zyxC
Penacho gaussiano con inversión en altura
LyH
XxparaLu
QxC 2
)2()0,(
2/1
•XL = distancia en la dirección del viento donde la columna interactúa primero con la
capa de inversión.
Lz XxparaHL )(47.0
•Para x<XL: ecuación general
•Para distancias entre XL y 2XL: interpolación entre valores calculados para x =XL y x=2XL
Modificaciones del modelo básico del penacho gaussiano
Emisiones lineales Emisiones Fuentes
Móviles Columnas
chimeneas
Emisiones instantáneas (nube, puff)
Emisiones de flotación negativa
Fórmula de Van Ulde
a
apo
VgtRR
0
3/1022
)·2
2
2
2
22
66.0
·
2
1exp
·2),,,(
zyxzyx
m zytuxQtzyxC
u
qxC
z ··2
2)(
Caudal de emisión (g/(m·s))
A nivel de suelo, fuente móvil perpendicular al viento
Evaluación de la sobreelevación del penacho
Hace referencia a la altura que suben los gases a la salida de chimenea sin sufrir fenómenos de dispersión apreciables. Dependerá tanto de las características de la corriente emitida como de las condiciones atmosféricas
Metodologías: FÓRMULAS GENERALES (Holland). FÓRMULAS ESPECÍFICAS (Briggs)
s
ass
TTT
DPuDv
h)(
··10·68.25.1 3
Ec. de Holland
Evaluación de la sobreelevación del penacho: Fórmulas de Briggs
Categorías E y F (estabilidad)
Catagorías A-D (inestable)
3/1
·6.2
SuF
hh
s
as T
TvrgF 1·· 2
mCzT
Tg
S a
a
/º01.0
Flotabilidad del penacho
Parámetro de estabilidad
h
f
u
xFh
32
31
··6.1
344.0 /55·120 smFFx f
3485
/55·50 smFFx f
Programas de simulación de dispersión
Environmental Protection Agency, EPA
Proyecto CALIOPE
Programa Características
Support Center for Regulatory Air Models (SCRAM)
Modelo gaussianoFórmulas de Briggs
Industrial Source ComplexModel short-term (ISCST3)
Modelo gaussianoParámetros (velocidad de emisión y datos meteorológicos) constantes durante el ensayo
Industrial Source Complex Model long-term (ISCLT3)
Similar a ISCST3 pero varía parámetros
Screening Models (SCREEN 3) Se emplea en casos en que hay pocas fuentes o emisiones no muy largas. Tiene en cuenta efectos topográficos
CALPUFF Construye el penacho como una serie de nubes.Modelo de dispersión no estacionario.Simula el espacio/tiempo.Tienen en cuenta variación de condiciones meteorológicas y reactividad
Bibliografía
MASTERS, G.M. “Introduction to EnvironmentalEngineering and Science”, Ed. Prentice-Hall, UpperSadle River (1998)
WARK, K.; WARNER, C.F.; "Contaminación del aire: origen y control", Limusa, Méjico (1999)
SEINFELD, J.H., S.N. PANDIS, “Atmospheric Chemistry and Physics: from air pollution to climate change”, Wiley, Nueva Jersey (2006)
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